Introduktion. Länkskiktet. Protokoll i skikt. OSI-modellen. Länkskiktet (Data Link Layer) Nätets topologi

Transkript

1 Introduktion Länkskiktet oken , , Målet med föreläsningen är att bli bekant med länkskiktets begrepp såsom Inramning Kapsling av data från högre skikt nvändning av delat medium Kontroll av delat medium (medium access control) Nättopologier Datorer behandlar byte (finska tavu), IP-skiktet paket och fysiska skiktet bitar Länkskiktet kombinerar dessa genom att inrama och kapsla in data från högre skikt för transmission på fysiska skiktet Protokoll i skikt OSI-modellen Protokoll kopplar objekt på samma skikt Högre skikt utnyttjat tjänster som erbjuds av lägre skikt Ett skikt är oberoende av andra skikt Skiktet definieras av tjänstegränssnittet det erbjudet högre skikt samt tjänsterna det kräver av lägre skikt Objekten kommunicerar genom att växla meddelanden (Protocol Data Unit, PDU) med objekt på samma skikt Två objekt på skiktet N i olika system kommunicerar med varann användande N-skiktets protokoll Tjänsterna N-skiktet erbjuder skiktet N+1 förverkligas i N-skiktet med kapsling (encapsulation) Kapsling betyder att data från det högre skiktet (Service Data Unit, SDU) plockas in i lägre skiktets meddelanden (Protocol Data Unit, PDU) Objekt på samma skikt är jämbördiga (peer) Objekt på skiktet N+1 utnyttjar N-skiktets tjänster via gränssnittet (Service ccess Point, SP) Ett N+1-skiktets objekt kan samtidigt vara i kontakt med flere SP på skiktet N En SP på N-skiktet är i kontakt med ett objekt på N-skiktet Nätets topologi Nätet kan vara uppbyggt som ring, buss, stjärna eller någon hybrid Lokalnät har ofta stjärn- eller busstopologi Kampus- och regionala nät har ofta dubbel ring topologi (en feltolerant lösning) Topologin på olika skikt kan vara olika Koaxial-Ethernet är fysiskt och logiskt buss Hub-Ethernet är fysiskt stjärna, logiskt buss Det medium som används kan vara delat mellan många deltagare eller bara mellan två parter Länkskiktet (Data Link Layer) På detta skikt förverkligas Lokalnät Ethernet, WLN, Token Ring, TM (lokalt) Direkt kontakt mellan två punkter Kontakt mellan datorer eller lokalnät HDLC, PPP, SLIP, TM Traditionell tele-infrastruktur: Sonet, SDH, PDH, TM ehandlas i period IV Även Kampusnät eller MN (Metropolitan rea Network) FDDI, HIPPI, TM, optiska ringar Trådlösa mobilnät GPRS, UMTS Även annan teknologi som Kabelmodem, luetooth 1

2 Inramning it- och teckenbaserad inramning Eftersom länkskiktets uppgift är att flytta högre skiktets SDU inom sin egen PDU och länkskiktet utnyttjar fysiska skiktet (som överför enskilda bitar) för detta, måste länkskiktet utnyttja fysiska skiktet på ett sätt som gör det möjligt för mottagaren att känna igen när data sänds Detta kallas för inramning. Olika protokoll på länkskiktet fungerar olika, men oftast bygger de upp ramen genom att märka början och slutet på en PDU Länkskiktet kan även innehålla andra funktioner HDLC (High-level Data Link Control) itbaserat protokoll på länkskiktet HDLC-ramen börjar med flaggan Start- och sluttecken för data En byte mitt i en ram kan hanteras med bitfyllnad (bit stuffing) Efter varje sekvens läggs en 0 SLIP (Serial Line IP) Enkelt teckenbaserat protokolla för inramning av IP-paket Förutsätter 8-bitig överföring Inramningen sker genom att skicka END-tecknet (192 som byte) efter varje IP-paket END-tecken i data skickas med hjälp av ESC-tecknet (219), allså blir END = och ESC = (byte stuffing) Föråldrad teknologi, beskrivs i RFC 1055 Terminalförbindelse och modem PPP-protokollet Lite historia: När billiga mikrodatorer blev allmänna på 1980-talet, var deras främsta datakommunikationsutrustning RS-232 serieporten Planerad för att överföra SCII-tecken till och från terminaler Inramar 7 eller 8 bitar med start- och stopbitar Paritetsbit kan användas för att detektera fel i överföringen Med hjälp av ett modem kunde seriekontakten förlängas utnyttjande telefonnätet I datorerna användes typiskt terminalemulatorprogram som använde styrkoderna i terminalapparaterna teckenkoder, t.ex. SCII 10 radbyte, SCII 13 vagnretur Modem och seriekontakt ger alltså möjlighet att skicka tecken från en dator till en annan Denna teknik följde inte i allmänhet OSI-modellen (Point to Point Protocol) Definierad i standarderna RFC 1661,1662, 1663 m.fl. Mångsidig Planerat för överföring av IP och andra nätskiktets protokoll över serieförbindelser nvänds i IP-trafik över olika förbindelser För att ta modemkontakt till Internet För enkla VPN-implementationer "PPP over SSH" (SSH sköter krypteringen) För xdsl -förbindelser, PPP "over Ethernet" eller TM Stöder olika behov Identifiering och autentikering av parterna Överföring av IP-adresser och nätkonfiguration (ersätter DHCP) På grund av ovanstående är det meningsfullt att använda PPP över andra länkskiktets protokoll Förenklat tillståndsdiagram: Dead Down Fail Up Established Terminate Opened Closing Fail Network PPP-session uthenticate Success/ None Öppnandet och avslutandet av sessionen visas inte (maskinstyrd eller manuell) Digitala kundanslutningar (bredband) Teknologierna som används i stamnätet kan p.g.a. tekniska egenskaper inte utnyttjas i kundanslutningarna PDH/SDH, mera om dessa i IV perioden Starkt behov att utnyttja existerande infrastruktur, t.ex. på grund av investeringar Det finns flere olika sätt att utnyttja kablingen i gamla POTSanslutningar (Plain Old Telephone System) För tillfället är DSL den populäraste lösningen, finns andra också llmänt kallas problemet "last mile problem" De som inte kan eller vill utnyttja telenätet, försöker utnyttja kabel- TV nätet, elnätet, trådlösa teknologier (IEEE , ) o.s.v. Eller planerar att bygga eget nät 2

3 DSL Kabelmodem symmetric Digital Subscriber Line nvänder ett tvinnat par, erbjudet en simplex-förbindelse åt båda hållen över kabeln, samt tillåter en analog duplex förbindelse för tal nslutningens frekvensområde kan delas mellan tal och högre signalfrekvenser I början av förbindelsen delas frekvensområdet DSL använder i smala delband, vars kapacitet analyseras Målet är att utnyttja kanalen kapacitet så bra som möjligt DSL version ITU-T G erbjudet 6.144Mbps neråt och 640kbps uppåt Över DSL kan man köra olika protokoll Ofta PPP over TM eller Ethernet eror på tjänsteproducentens arkitektur Kabeltelevisionsnätet är byggt för enkelriktad rundsändning och är inte en del av telenätet Det erbjuder en bredbandskoaxialkabelförbindelse till konsumentens hem Kabel-TV-nätet kan uppdateras för dubbelriktad trafik och kan då användas även för dataöverföring På länknivå delar invånarna det gemensamma antennätet Digitala televisionssändningar Lokalnät Den analoga TV-signalen kan digitaliseras DV-S (satellite) satellitsändningar DV-T (terrestrial) radiotrafik på land DV-C (cable) för kabel-tv DV-H (handheld) för mobilterminaler Kan användas för annan datatransmission också Inom ramen för regulation Enkelriktad rundsändning Inte kostnadseffektivt att använda för datakommunikation för enskilda användare Lämpar sig för överföring av data som intresserar en större mottagarkrets Interaktiva tjänster kräver att konsumenten har en vanlig Internetanslutning Privat eget, inte utomstående reglering Korta avstånd (~1km) mellan maskinerna förmånlig snabb, rätt så felfri dataöverföring kräver inte mångsidig felkorrigering Maskiner flyttas omkring i nätet Jobbigt att hålla kontroll på läget Lösning: ge varje maskin en egen adress Skicka meddelandena som rundsändning i lokalnätet Kräver lämplig metod att dela transmissionsmediet medium access control protocol Typiskt lokalnät Kommunikation i delat medium Transmissionsmedium Nätkort (Network Interface Card) Unik adress MC-adress lla stationer är kopplade till samma kabel Sändning som rundsändning (broadcast) lla stationer lyssnar på meddelandes i det delade mediet Om två stationer sänder samtidigt, sker en kollision Signalerna blandas och sändningen misslyckas ehövs mer än bara inramning för att få meddelanden fram hela RM Ethernet Processor RM ROM 3

4 Resurstilldelning Kanalindelning (channelization) centraliserad multiplexering (channelization, multiplexing) varje station får sin andel av transmissionsresursen lämpad för kontinuerlig sändning olika sändningar kan avskiljas t.ex. på basen av signalens frekvens (FDM) eller alternativt kan varje station ha sin egen tidslucka (TDM) då stationen kan sända centraliserad multiplexering behandlas i samband med teleteknik i IV perioden Dynamisk reservation (MC schemes) distribuerad multiplexering stationerna sänder enligt behov, kollisioner detekteras eller undviks enligt överenskommen metod lämpad för skurartad sändning Delad bus (utan kanalindelning) Crash!! Vilken som helst station kan sända när den vill Kollisioner är alltså möjliga och någon strategi för att lösa dem behövs Turvis sändning Tävling och återsändning Turvis sändning (Scheduling) Tävling är ineffektivt vid höga traffikmängder Turvis sändning (scheduling) är ett mera organiserat sätt att sköta resurstilldelningen reservation (en. reservation) förfrågan (polling) polletthantering (token passing) Turvis: Förfrågan (polling) En station kontrollerar mediet, andra sänder endast vid förfrågan nvänds t.ex. i vissa bussnät CN (bilar), LON (byggnader) o.s.v. Även protokoll på högre nivå använder förfrågan IMP och POP, har jag fått ny e-post?" Data from 1 Data from 2 Inbound line Data to M Poll 1 Host computer Poll Outbound line M Stations Ringnät Turvis: Pollett (token passing) token Data to M token Reservation (random access) Inga förhandsbestämda turer för sändning sändning slumpmässigt när stationen har data att sända Detektion av kollisioner Metod att undvika nya kollisioner i återsändningen Polletten, d.v.s. tillåtelsen att sända, cirkulerar i nätet Stationen som har polletten får sända data till nätet 4

5 CSM CSM-CD Carrier Sense Multiple ccess Undviker självklara kollisioner med att lyssna på mediet (carrier sense) Kollisioner sker endast i början av en sändning När sändningen inte ännu spridit sig i hela mediet sårbarhetstid t prop eller propageringstiden genom mediet Hur undvika samtidiga sändningar när mediet blir ledigt? Sänd genast Om upptaget, försök pånytt efter tiden t Om upptaget, sänd (sannolikhet p) eller vänta (1-p) Vald metod inverkar på medelfördröjningen Effektiviteten beror på trafikens egenskaper Carrier Sense Multiple ccess with Collision Detection Detektera kollisioner Spara resurser genom att avsluta kolliderad sändning genast Kollisioner detekteras inte genast av alla MC-protokoll LN standarder Medium ccess Control -protokoll förverkligar de nyss presenterade algoritmerna Typiskt protokoll på länkskiktet Egenskaper hos ett bra MC-protokoll fördröjningarna små rättvishet (en station kan inte ta över hela nätet) pålitlighet egenskaperna passar trafikens egenskaper tjänstekvalitet (Quality of service, QoS) skalning kostnad (att förverkliga protokollet) Ethernet, Token ring, FDDI, WLN MC förfarande ramstruktur fysiskt medium Här presenteras Ethernet och WLN Lite historia Ethernet 1970 LOHnet radionätet tas i bruk på öarna i Hawaj 1973 Metcalf och oggs utvecklar iden för Ethernetin, nät med random access 1979 DIX Ethernet II Standard 1985 IEEE LN Standard (10 Mbps) 1995 Fast Ethernet (100 Mbps) 1998 Gigabit Ethernet Gigabit Ethernet Idag är Ethernet den dominerande lokalnätsstandarden Metcalf s Sketch: Standarden IEEE Lokalnät för korta avstånd Definierar protokoll och kablingsalternativ Flere alternativ för fysiska nätet Koaxialkabel 10ase5 ja 10ase2, nuförtiden föråldrat lla stationer vid samma kabel Parkabel 10aseT, 100aseT, 1000aseT, 10GaseT... Nätnav (hub) eller växel (switch) kopplar stationerna Optisk 100aseFX 5

6 IEEE Ramstruktur Ethernet adresser variable 4 bytes Destination Source Preamble SD ddress ddress Length Information Pad FCS Total 64 to 1518 ytes Preamble upprepar sekvensen SD startar själva ramen med Mottagarens och sändarens adresser är 6 byte Längden anger information -fältets längd i byte Padding sköter att ramen är minst 64 byte lång Checksumman är CCITT 32-bit CRC och räknas över adresser, längd, information och padding Varje nätkort (NIC) har en unik adress (MC-adress) fast adress bestämd av tillverkaren eller programmerbar 1. biten berättar om det är frågan om unicast (0) eller rundsändning (1) 2. biten berättar om det är frågan om en lokal (0) eller global (1) adress 3 första byte (frånsett tvåförsta bitarna) är Organizationally Unique Identifier (OUI) 3 sista byte bestäms av tillverkaren adressen för rundsändning är ff:ff:ff:ff:ff:ff (alla bitarna 1) det är osannolikt men möjligt att två nätkort med samma adress råkar komma i samma nät En satation kan sända unicast, gruppsändningar eller rundsändning IP och andra protokoll behöver rundsändning för att hitta andra stationer i samma nät (RP) eller t.ex. tjänster som erbjuder nätkonfiguration (DHCP) Vanlig trafik är unicast IEEE enheter Ethernet-nav och -växel Nätnav (hub) stjärntopologi, upprepar all trafik till alla stationer alla stationer delar samma medium mängden trafik begränsar antalet stationer Ethernet växel (switch) stjärntopologi, upprepar endast den trafik som behövs lär sig vilken MC-adress som finns i vilken anslutning skilda kollisionszoner större transmissionskapacitet än med nätnav rygga kopplar samman Ethernet-lokalnät (inte kanske bra ide) tillåter förbindelser över långa avstånd ramen tas emot helt och skickas vidare i den andra nätet skickar vidare endast behövlig trafik (även rundsändningar) (a) Gemensam kollisionszon Enkel och billig nvänds numera sällan Topologi stjärna (b) Snabb intern buss ~10x linjehastighet Skalbar Skilda kollisionszoner eller buffer för ramar Trådlös kommunikation WLN Trådlös kommunikation är populär Lätt att koppla in i lokalnät (inga kablar) Mobilitet både lokalt och globalt Radiosignal (fri utbredning) Signalens styrka beror på tid och läge Signalen kan mottas av vem som helst, avlyssning, dataintrång, tjänstespärrning(?) möjliga egränsade frekvenser och myndighetsbegränsningar inverkat på användningen av frekvensbanden Ur IP-synvinkel är trådlösa nät länkskikt, trots att t.ex. GRPS omfattar många skikt Dominerande lokalnätsstandard för tillfället, IEEE Radionät som motsvarar Ethernet asstationen ersätter nätnavet Räckvidd ~60 m Kapacitet 1-54 Mbps Viktigaste versionerna b (2-4 Mbps) ja g (~20 Mbps) Marknadsförs som Wi-Fi Utnyttjar licensfria 2,4 GHz frekvensområdet Kan användas utan basstation i dhoc-läge Med basstation fungerar inte CSM-CD 6

7 "Hidden Node" -problemet "Hidden Node" -problemet (a) (b) skickar en ram Dataram Dataram C ser ledigt medium, eftersom :s signal inte bär till C Dataram C C C skickar en ram, som kolliderar vid med :s ram, C är omedveten om kollisionen Ny MC-algoritmi: CSM with Collision voidance CSM/C Carrier Sense Multiple ccess With Collision voidance Ersätter Ethernets detektion av kollisioner med undvikande av kollisioner I kablade Ethernet-nät ser stationerna varann I radionätet hörs signalen inte nödvändigtvis till alla Stationen som vill sända skickar först Request To Send (RTS) - meddelande till basstationen Om basstationen är ledig svarar den med Clear To Send (CTS) - meddelande När sändningen är slut bekräftar basstationen med ett CKmeddelande WLN utnyttjar inte alltid, beror på inställningar Sammanfattning Länkskiktet är nära fysiska skiktet och en del av fysiska skiktets problem löses på länkskiktet länkskiktet ramar in och kapslar meddelanden från högre skikt (inom denna kursen främst IP-skiktet) Jämbördiga objekt på samma skikt kommunicerar med ett gemensamt protokoll, utnyttjande tjänster från lägre skikt IP är omedveten om - och bryr sig inte om - det är WLN, Ethernet eller PPP som används 7