• Tietokoneet käsittelevät tavuja, IP-kerros paketteja, fyysinen kerros bittejä

Linkkikerros

Kirja 102-128, 135-151, 170-180

Johdanto

• Luennon tavoitteena on oppia linkkitason teknologiaan liittyviä käsitteitä kuten

– Kehystys

– Ylemmän tason datan kapselointi – Jaetun median käyttö

– Jaetun median hallinta (medium access control) – Verkkotopologiat

• Tietokoneet käsittelevät tavuja, IP-kerros paketteja, fyysinen kerros bittejä

– Linkkikerros yhdistää nämä kehystämällä ja kapseloimalla ylemmän tason datan siirrettäväksi fyysisen median ylitse

Kerrostetut yhteyskäytännöt

• Yhteyskäytännöt (protokollat) yhdistävät oman tasonsa olioita

• Ylemmät kerrokset käyttävät alemman kerroksen palveluita

• Kerrokset ovat riippumattomia muista kerroksista

• Kunkin kerroksen määrittelee sen ylemmälle kerrokselle tarjoama palvelurajapinta ja sen alemmalta kerrokselta vaatima palvelu

• Oliot viestivät vaihtaen viestejä (Protocol Data Unit, PDU) saman tason olioiden kanssa

OlioOlio Vertais-

olio Vertais- Protokolla olio

Olio toteuttaa

(tarjoaa) rajapinnan

Olio hyödyntää rajapintaa

OSI-malli

• Kaksi N-tason oliota eri järjestelmissä kommunikoi keskenään käyttäen N-tason yhteyskäytäntöä

• N-kerroksen N+1-kerrokselle tarjoamat palvelut toteutetaan N- kerroksella kapseloimalla (encapsulation)

• Kapselointi tarkoittaa ylemmän kerroksen datan (Service Data Unit, SDU) sisällyttämistä sitä alemman kerroksen viesteihin (Protocol Data Unit, PDU)

• Saman kerroksen oliot ovat vertaisia (peer)

• N+1 tason oliot hyödyntävät N-tason tarjoamia palveluita rajapinnan (Service Access Point, SAP) kautta

• Yksi N+1-tason olio voi olla samanaikaisesti yhteydessä yhteen tai useampaan N-tason SAPiin

• Yksi N-tason SAP on yhteydessä yhteen N-tason olioon

Tietoverkkojen topologiat

• Verkko voi olla rakenteeltaan rengas, väylä, tähti tai hybridi

– Lähiverkot usein tähti- tai väylämäisiä

– Kampus- ja alueelliset verkot usein kaksoisrenkaita (vikasietoinen ratkaisu)

• Eri kerroksilla saattaa olla erilainen topologia

– Koaksaali-Ethernet on fyysinen ja looginen väylä – Keskitin-Ethernet on fyysinen tähti, looginen väylä

• Käytetty media voi olla usean osapuolen jakama tai

vain kahden olion väline

Linkkikerros (Data Link Layer)

• Tällä kerroksella toteutetaan – Lähiverkot

• Ethernet, WLAN, Token Ring, ATM (paikallinen) – Pisteiden väliset yhteydet

• Tietokoneita tai lähiverkkoja yhdistävät

• HDLC, PPP, SLIP, ATM

• Perinteinen tele-infra: Sonet, SDH, PDH, ATM – Käsitellään IV periodilla

• Myös

– Kampusverkot tai MAN (Metropolitan Area Network)

• FDDI, HIPPI, ATM, optiset reknaat – Langattomat mobiliverkot

• GPRS, UMTS – Ja muuta teknologiaa

• Kaapelimodemit, Bluetooth

Kehystys

• Koska linkkikerroksen tehtävänä on ylemmän tason SDUden siirtäminen omien PDUden sisällä ja

linkkikerroksen alapuolella on fyysinen kerros (joka siis oletusarvoisesti siirtää yhden bitin), on

likkikerroksen käytettävä fyysistä kerrosta tavalla, joka mahdollistaa datan tunnistamisen

vastaanottajalle

• Tätä kutsutaan kehystykseksi, eri likkikerroksen protokollat toimivat eri tavoi, mutta yleensä ne toteuttavat kehyksen, esimerkiksi merkitsemällä PDUn alun ja lopun

• Linkkikerros voi lisäksi sisältää muita toimintoja

Bitti- ja tavuorientoitunut kehystys

• HDLC (High-level Data Link Control)

– Linkkikerroksen bittiorientoitunut protokolla – HDLC-kehyksen aloittaa lippu (flag) 01111110

• Datan alku- ja loppumerkki

– Tavu 01111110 voidaan siirtää bit stuffing -tekniikalla

• Jokaisen kuvion 11111 perään lisätään 0

• SLIP (Serial Line IP)

– Yksinkertainen tavuorientoitunut protokolla IP-pakettien kehystämiseen

– Edellyttää 8-bittisen siirtotien

– Kehystäminen toteutetaan lähettämällä jokaisen IP-paketin jälkeen END-merkki (tavu 192)

– Datassa olevat END-merkit lähetetään ESC-merkin (tavu 219) avulla, END = 219 220, ESC=219 221 (byte stuffing)

– Vanhentunut teknologia, kuvataan RFC 1055:ssä

Pääteyhteys ja modeemi

• Hieman historiaa:

• Halpojen mikrotietokoneiden yleistyessä 1980-luvulla niiden ensisijainen tietoliikennevarustus oli RS-232 -sarjaliikenneportti

– Suunniteltu siirtämään ASCII-merkkejä päätteille/päätteiltä – Kehystää 7 tai 8 bittiä alku- ja loppubiteillä

– Voidaan käyttää pariteettibittiä siirtovirheiden tunnistamiseen

• Modeemin avulla sarjayhteys voitiin jatkaa etäämmälle käyttäen puhelinverkkoa

• Tietokoneessa käytettiin tyypillisesti pääte-

emulaattoriohjelmistoa, joka pysty noudattamaan varsinaisten päätelaitteiden ohjauskoodeja

– Tavukoodeja, esim. ASCII 10 rivinvaihto, ASCII 13 vaununpalautus

• Modeemi ja sarjayhteys tarjoavat siis tavan siirtää tavuja tietokoneelta toiselle

• Tämä tekniikka ei noudattanut yleensä OSI-mallia

PPP-protokolla (Point to Point Protocol)

• Määritelty standardeissa RFC 1661,1662, 1663 ym.

– Monipuolinen

– Suunniteltu IP:n ja muiden verkkotason protokollien siirtämiseen sarjayhteyksien ylitse

• Käytetään IP-liikenteeseen erilaisten yhteyksien ylitse – Muodostamaan modeemiyhteyksiä Internetiin

– Yksinkertaisiin VPN-toteutuksiin

• "PPP over SSH" (SSH tarjoaa salauksen)

– xDSL-yhteyksien tarjoamiseen, PPP "over Ethernet" tai ATM

• Tukee erilaisia tarpeita

– Osapuolten tunnistaminen ja todentaminen

– IP-osoitteiden ja muun verkkokonfiguraation siirto (korvaa DHCP:n) – Ylläolevan takia PPP:n käyttö muiden linkkikerroksen protokollien

ylitse on mielekästä

• Yksinkertaistettu tilamalli:

• Istunnon avaus- ja sulkutapahtumaa ei näytetä tässä (laitteisto- ohjautuva tai manuaalinen)

• Tilakone on usein käytetty tapa määritellä protokollatoteutuksen käyttäytyminen

PPP-istunto

Dead

Network Terminate

Established Authenticate

Up Opened Success/

None

Fail Fail

Down Closing

Digitaaliset tilaajaliittymät (laajakaistaiset)

• Asiakasliittymien tekniset ominaisuudet eivät salli tavallisten digitaalisten teletekniikoidan hyödyntämisen

– PDH/SDH, kerrotaan lisää IV periodilla

• Halu hyödyntää olemassa olevia infrastruktuuri-investointeja on suuri

• On olemassa joukko erilaisia tekniikoita tai standardeja POTS- asiakasliittymien (Plain Old Telephone System) vanhan

kaapeloinnin hyödyntämiseen

– Tällä hetkellä suosituin ratkaisu on ADSL, muitakin on

• Yleisemmin ongelma tunnetaan nimellä "last mile problem"

– Ne, joilla ei ole mahdollisuutta tai halua hyödyntää televerkkoa yrittävät käyttää kaapeli-TV-verkkoa, sähköverkkoa, langattomia tekniikoita (IEEE 802.11, 802.16) jne.

– Tai pohtivat oman verkon rakentamista

ADSL

• Asymmetric Digital Subscriber Line

– Käyttää yhtä kierrettyä paria, tarjoaa sen ylitse yhden simplex- yhteyden kumpaankin suuntaan sekä sallii analogisen duplex- yhteyden puheelle

• Asiakasliittymän taajuusspektri voidaan jakaa puheelle ja korkeammille signaalitaajuuksille

• Yhteyden alussa ADSLn käyttämä spektri jaetaan kapeisiin alikanaviin, joiden siirtokapasiteetti analysoidaan

– Näin pyritään hyödyntämään siirtotien tarjoama kapasiteetti mahdollisimman hyvin

• ADSL versio ITU-T G.992.1 tarjoaa 6.144Mbps alaspäin and 640kbps ylöspäin

• ADSL:n ylitse voidaan ajaa eri protokollia – Usein PPP over ATM tai Ethernet

– Riippuu palveluntarjoajan arkkitehtuurista

Kaapelimodeemit

• Kaapelitelevisioverkko on rakennettu yksisuuntaista yhteislähetystä varten, eikä ole osa televerkkoa

• Se tarjoaa laajakaistaisen koaksaaliyhteyden kuluttajan kotiin

• Kaapeli-TV-verkko voidaan päivittää kaksisuuntaista liikennettä varten, jolloin sen kautta voidaan siirtää myös dataa

• Linkkitasolla talon asukkaat jakavat yhteistä

antenniverkkoa

Digitaaliset televisiolähetykset

• Analoginen televisiosignaali voidaan digitalisoida

• Käytössä on useita standardeja

– DVB-S (satellite) satelliittilähetyksille

– DVB-T (terrestrial) maanpäällisille radioliikenteelle – DVB-C (cable) kaapeli-TV-käyttöön

– DVB-H (handheld) mobiililaitteita varten

• Voidaan käyttää muunkin datan siirtoon – Regulaation puitteissa

• Yksisuuntainen yhteislähetys

– Käyttäminen käyttäjäkohtaiseen tietoliikenteeseen ei ole kustannustehokasta

– Voidaan käyttää laajempaa vastaanottajajoukkoa kiinnostavan datan siirtoon

– Interaktiiviset palvelut vaativat kuluttajalle tavallisen Internet- yhteyden

Lähiverkko

• Yksityinen

– oma, ei ulkopuolista sääntelyä

• Lyhyt etäisyys (~1km) koneiden välillä

– edullinen

– nopeaa, melko virheetöntä tiedonsiirtoa – ei tarvita monipuolista virheenkorjausta

• Koneita siirretään paikasta toiseen

– Koneiden sijainnin hallinta työlästä – Annetaan joka koneelle oma osoite

– Viestit lähetetään yleislähetyksenä kaikille lähiverkossa

• Tarvitaan menetelmä jakaa siirtomedia:

– medium access control protocol

Tyypillinen lähiverkko

• Siirtotie

• Verkkokortti

– (Network Interface Card)

• Uniikki osoite

– MAC-osoite

RAM

RAM

ROM

Ethernet Processor

Viestintä jaetulla siirtotiellä

• Kaikki asemat ovat saman ”johdon” ääressä

• Siirtotiellä käytetään yleislähetystä (broadcast)

– Kaikki asemat kuulevat yhteiselle medialle lähetetyn viestin

• Jos kaksi asemaa lähettää yhtä aikaa tapahtuu törmäys

– Signaalit sekoittuvat ja lähetys menee sekaisin – Eli pelkkä kehystys ei riitä

Eri tapoja jakaa yhteinen siirtotie

• Kanavajako (channelization)

– kanavajako (channelization) ja kanavointi (multiplexing) – jokainen asema saa oman osansa jaetusta siirtotiestä – sopii jatkuvaan lähetykseen

– eri lähetykset voidaan erotella esim. signaalin taajuuden mukaan (FDM) tai kullakin asemalla on oma aikaikkuna (TDM) jolloin se saa lähettää

– käsitellään tarkemmin IV periodilla teletekniikan yhteydessä

• Dynaaminen varaus (MAC schemes)

– asemat lähettävät tarpeen mukaan, törmäykset havaitaan tai niitä vältetään sovitulla tavalla

– sopii purskeiselle datalle

Jaettu kanavoimaton väylä

• Mikä tahansa asema voi lähettää tarvittaessa

• Joten törmäykset ovat mahdollisia, tarvitaan strategia niiden ratkaisemiseksi

– Vuorottelu

– Kilpailu ja uudelleenlähetys Crash!!

Vuorottelu (Scheduling)

• Kilpavaraus on tehoton suurilla liikennemäärillä

• Vuorottelu (scheduling) on organisoidumpi tapa jakaa vuoroja

– varaus (reservation) – kysely (polling)

– valtuuden välitys (token passing)

Vuorottelu: Kysely (polling)

• Yksi laite hallitsee mediaa, muut lähettävät vain kysyttäessä

• Käytetään mm. joissakin kenttäväyläverkoissa – CAN (autot), LON (rakennukset) jne.

• Myös korkeamman tason protokollat käyttävät kyselyä – IMAP ja POP, "olenko saanut uutta sähköpostia"

Inbound line

Outbound line Host

computer

Stations

1 2 3 M

Poll 1 Data from 1

Poll 2 Data from 2

Data to M

Vuorottelu: Valtuuden välitys

• Token, eli lupa lähettää, kiertää verkossa

• Asema jolla on token hallussaan on valtuutus lähettää

Rengasverkko

token

token Data to M

Kilpavaraus (random access)

• Ei sovittuja lähetysvuoroja

– lähetys satunnaisesti silloin kun on lähetettävää

• Törmäysten havaitseminen

• Tapa välttää uudet törmäykset

uudelleenlähetyksessä

CSMA

• Carrier Sense Multiple Access

• Vältetään selvät törmäykset kuuntelemalla siirtotietä

• Törmäyksiä tapahtuu ainoastaan lähetyksen alussa – Kun lähetys ei vielä ole levinnyt koko mediaan

– Haavoittuvuusaika on t_prop eli siirtoviive päästä päähän

• Miten vältetään useampi samanaikainen lähetys kun siirtotie vapautuu?

– Lähetetään heti

– Jos varattu, uudelleenlähetys ajan t kuluttua

– Jos vapaa, lähetä (todennäköisyydellä p) tai odota (1-p)

• Valittu tapa vaikuttaa keskimääräiseen viiveeseen ja tehokkuus riippuu liikenteen luonteesta

CSMA-CD

• Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection

– Havaitaan törmäykset

– Säästetään kaistaa lopettamalla törmännyt lähetys heti

• Törmäyksen havaitseminen tapahtuu viipeellä

A B

A B

A B

MAC-yhteyskäytännöt

• Medium Access Control -protokollat toteuttavat edellä kerrottuja algoritmeja

• Tyypillisesti linkkikerroksen protokollia

• Hyvän MAC-protokollan ominaisuuksia

– pieni siirtoviive

– oikeudenmukaisuus (yksi asema ei pysty valtaamaan verkkoa)

– luotettavuus

– ominaisuudet vastaavat liikenteen ominaisuuksia – palvelunlaatu (Quality of service, QoS)

– skaalatutuvuus

– hinta (ei protokollan, vaan sen toteuttamisen hinta)

LAN standardeja

• Ethernet, Token ring, FDDI, WLAN

– MAC käytäntö – kehysrakenne – fyysinen siirtotie

• Tässä käydään läpi Ethernet ja WLAN

Vähän historiaa…

• 1970 ALOHAnet radioverkko käyttöön Hawajin saarilla

• 1973 Metcalf ja Boggs kehittävät ideasta Ethernetin, kilpavarausverkon

• 1979 DIX Ethernet II Standard

• 1985 IEEE 802.3 LAN Standard (10 Mbps)

• 1995 Fast Ethernet (100 Mbps)

• 1998 Gigabit Ethernet

• 2002 10 Gigabit Ethernet

• Tänään Ethernet on hallitseva lähiverkkostandardi

Metcalf’s Sketch:

Ethernet

• Standardi IEEE 802.3

– Lyhyen kantaman lähiverkko

– Määrittelee protokollan ja kaapelointioptiot

• Useita vaihtoehtoja fyysiselle verkolle

– Koaksiaalikaapeli 10Base5 ja 10Base2, nykyään historiaa

• Kaikki asemat samassa kaapelissa

– Parikaapeli 10BaseT, 100BaseT, 1000BaseT, 10GBaseT...

• Keskittimet tai kytkimet yhdistävät asemat – Optinen 100BaseFX

IEEE 802.3 - Kehysrakenne

• Preamble toistaa 10101010-kuviota

• SD aloittaa itse kehyksen tavulla 10101011

• Vastaanottajan ja lähettäjän osoitteet ovat 6 tavua

• Pituus on informaatio-kentän pituus tavuissa

• Padding varmistaa, että kehys on vähintään 64 tavua

• Tarkistussumma on CCITT 32-bit CRC kattaen osoitteen, pituuden, informaation ja paddingin

Preamble SD Destination FCS

Address

Source

Address Length Information Pad

7 1 6 6 2 4

Total 64 to 1518 Bytes

variable bytes

Ethernetin osoitteet

• Jokaisella verkkokortilla (NIC) on uniikki osoite (MAC-osoite)

– valmistajan kiinteästi asettama tai ohjelmistollisesti vaihdettava – 1. bitti kertoo onko kyseessä täsmälähetys (0) vai ryhmälähetys (1) – 2. bitti kertoo onko kyseessä paikallinen (0) vai globaali (1) osoite

– 3 ensimmäistä tavua (miinus kaksi ensimmäistä bittiä) on Organizationally Unique Identifier (OUI)

– 3 viimeistä tavua on valmistajan valittavissa

– yleislähetys on osoitteelle ff:ff:ff:ff:ff:ff (kaikki bitit 1)

– saman osoitteen sattuminen kahdelle verkkokortille samassa verkossa on harvinaista, mutta mahdollista

• Asema voi lähettää täsmälähetyksiä, ryhmmälähetyksiä tai yleislähetyksiä

– IP ja muut protokollat tarvitsevat yleislähetyksiä muiden samassa lähiverkossa olevien asemien (ARP) tai verkkoasetuksia tarjoavien palveluiden (DHCP) löytämiseen

– Tavallinen liikenne on täsmälähetyksiä

IEEE 802.3 laitteisto

• Keskitin (hub)

– tähtiverkko, toistaa kaiken liikenteen kaikille asemille

• kaikki asemat saman siirtotien ääressä – liikenteen määrä rajoittaa asemien määrää

• Ethernet kytkin (switch)

– tähtiverkko, toistaa vain tarvittavan liikenteen

• oppii mikä MAC-osoite on missäkin liittymässä – erilliset törmäysalueet

– suurempi siirtokapasiteetti kuin keskitin-pohjaisella verkolla

• Silta

– yhdistää Ethernet-lähiverkkoja (ei välttämättä hyvä idea) – mahdollistaa pitkän kantaman yhteydet

• kehys otetaan vastaan kokonaan ja välitetään toiseen verkkoon – välittää vain tarpeellisen liikenteen (myös yleislähetykset)

Ethernet-kytkimet ja -keskittimet

(a) _{z z z z z}

z

Yhtenäinen törmäysalue

(b)

z z z z

Nopea sisäinen väylä

~10x linjanopeus

Yksinkertainen ja halpa Nykyään väistymässä Topologiana tähti

Skaalautuu

Erilliset törmäysalueet tai kehyksien puskurointi

Langaton viestintä

• Langaton viestintä on suosittua

– Lähiverkoissa helppo asennettavuus (ei kaapeleita) – Liikkuvuus sekä lähiverkossa että globaalimmin

• Radiosignaali (ohjaamaton media)

– Signaalin voimakkuus vaihtelee ajan ja paikan mukaan – Signaali kenen tahansa kuunneltavissa, salakuuntelu,

tietomurto, palveluesto mahdollisia

– Taajuuskaistan rajallisuus ja viranomaisrajoitukset vaikuttavat kaistan käyttöön

• IP:n näkökulmasta langattomat verkot ovat

linkkikerrosta, vaikka esim. GPRS sisältää monta

tasoa sisällään

WLAN

• Tämän hetken hallitseva lähiverkkostandardi, IEEE 802.11

• Ethernetin tapainen radioverkko

– Tukiasema korvaa keskittimen – Kantama ~60 m

– Kapasiteetti 1 - 54 Mbps

• Tärkeimmät versiot 802.11b (2-4 Mbps) ja 802.11g (~20 Mbps)

• Markkinointinimenä Wi-Fi

• Hyödyntää lupavapaata 2,4 GHz taajuusaluetta

• Voidaan käyttää ilman tukiasemaa AdHoc-tilasssa

• Tukiaseman kanssa CSMA-CD ei toimi

"Hidden Node" -ongelma

A lähettää kehyksen (a)

Datakehys Datakehys

A

B C

C lähettää kehyksen, joka törmää B:ssä A:n kehyksen kanssa, C ei

huomaa törmäystä (b)

C näkee vapaan median, koska A:n signaali ei

ulotu C:lle saakka Datakehys

B A C

• Tarvitaan uusi MAC-algoritmi: CSMA with Collision Avoidance

"Hidden Node" -ongelma

• CSMA/CA

– Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance – Korvaa Ethernetin törmäyksen tunnistamisen törmäyksen

välttämisellä

• Koaksiaali- ja keskitinpohjaisissa Ethernet-verkoissa asemat näkevät toisensa

– Radioverkossa signaali ei välttämättä kuulu kaikille

• Joten lähettävä asema lähettää ensin Request To Send (RTS) - viestin tukiasemalle

• Jos tukiasema on vapaa, se vastaa Clear To Send (CTS) - viestillä

• Lähetyksen lopuksi tukiasema kuittaa ACK-viestillä

• WLAN ei käytä aina, asetettavissa

Yhteenveto

• Linkkikerros on lähellä fyysistä kerrosta ja osa fyysisen kerroksen ongelmista ratkaistaan

linkkikerroksessa

• Linkkikerros kehystää ja kapseloi ylempien kerroksien viestejä (tämän kurssin puitteissa ensisijaisesti IP-

kerroksen)

• Saman kerroksen vertaisoliot viestivät keskenään molempien tuntemalla protokollalla, käyttäen

alempien kerroksien palveluita

– IP ei tiedä eikä välitä käyttääkö se WLANia, Ethernetiä tai PPP:tä