Länkskiktet. Boken , ,

Transkript

1 Länkskiktet Boken , ,

2 Introduktion Målet med föreläsningen är att bli bekant med länkskiktets begrepp såsom Inramning Kapsling av data från högre skikt Användning 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

3 Protokoll i skikt 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

4 OSI-modellen 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 Access Point, SAP) Ett N+1-skiktets objekt kan samtidigt vara i kontakt med flere SAP på skiktet N En SAP på N-skiktet är i kontakt med ett objekt på N-skiktet

5 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

6 Länkskiktet (Data Link Layer) På detta skikt förverkligas Lokalnät Ethernet, WLAN, Token Ring, ATM (lokalt) Direkt kontakt mellan två punkter Kontakt mellan datorer eller lokalnät HDLC, PPP, SLIP, ATM Traditionell tele-infrastruktur: Sonet, SDH, PDH, ATM Behandlas i period IV Även Kampusnät eller MAN (Metropolitan Area Network) FDDI, HIPPI, ATM, optiska ringar Trådlösa mobilnät GPRS, UMTS Även annan teknologi som Kabelmodem, Bluetooth

7 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

8 Bit- och teckenbaserad inramning HDLC (High-level Data Link Control) Bitbaserat 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

9 Terminalförbindelse och modem Lite historia: När billiga mikrodatorer blev allmänna på 1980-talet, var deras främsta datakommunikationsutrustning RS-232 serieporten Planerad för att överföra ASCII-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. ASCII 10 radbyte, ASCII 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

10 PPP-protokollet (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 Används 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 ATM 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

11 PPP-session Förenklat tillståndsdiagram: Dead Up Established Opened Authenticate Success/ None Fail Fail Down Terminate Closing Network Öppnandet och avslutandet av sessionen visas inte (maskinstyrd eller manuell)

12 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 ADSL den populäraste lösningen, finns andra också Allmänt 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

13 ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line Använder ett tvinnat par, erbjudet en simplex-förbindelse åt båda hållen över kabeln, samt tillåter en analog duplex förbindelse för tal Anslutningens frekvensområde kan delas mellan tal och högre signalfrekvenser I början av förbindelsen delas frekvensområdet ADSL använder i smala delband, vars kapacitet analyseras Målet är att utnyttja kanalen kapacitet så bra som möjligt ADSL version ITU-T G erbjudet 6.144Mbps neråt och 640kbps uppåt Över ADSL kan man köra olika protokoll Ofta PPP over ATM eller Ethernet Beror på tjänsteproducentens arkitektur

14 Kabelmodem 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

15 Digitala televisionssändningar Den analoga TV-signalen kan digitaliseras DVB-S (satellite) satellitsändningar DVB-T (terrestrial) radiotrafik på land DVB-C (cable) för kabel-tv DVB-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

16 Lokalnät 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

17 Typiskt lokalnät Transmissionsmedium Nätkort (Network Interface Card) Unik adress MAC-adress RAM Ethernet Processor RAM ROM

18 Kommunikation i delat medium Alla stationer är kopplade till samma kabel Sändning som rundsändning (broadcast) Alla stationer lyssnar på meddelandes i det delade mediet Om två stationer sänder samtidigt, sker en kollision Signalerna blandas och sändningen misslyckas Behövs mer än bara inramning för att få meddelanden fram hela

19 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 (MAC schemes) distribuerad multiplexering stationerna sänder enligt behov, kollisioner detekteras eller undviks enligt överenskommen metod lämpad för skurartad sändning

20 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

21 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)

22 Turvis: Förfrågan (polling) En station kontrollerar mediet, andra sänder endast vid förfrågan Används t.ex. i vissa bussnät CAN (bilar), LON (byggnader) o.s.v. Även protokoll på högre nivå använder förfrågan IMAP och POP, har jag fått ny e-post?" Data from 1 Data from 2 Inbound line Data to M Host computer Poll 1 Poll Outbound line M Stations

23 Turvis: Pollett (token passing) Ringnät token Data to M token Polletten, d.v.s. tillåtelsen att sända, cirkulerar i nätet Stationen som har polletten får sända data till nätet

24 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

25 CSMA Carrier Sense Multiple Access 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

26 CSMA-CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection Detektera kollisioner Spara resurser genom att avsluta kolliderad sändning genast Kollisioner detekteras inte genast av alla A B A B A B

27 MAC-protokoll Medium Access Control -protokoll förverkligar de nyss presenterade algoritmerna Typiskt protokoll på länkskiktet Egenskaper hos ett bra MAC-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)

28 LAN standarder Ethernet, Token ring, FDDI, WLAN MAC förfarande ramstruktur fysiskt medium Här presenteras Ethernet och WLAN

29 Lite historia 1970 ALOHAnet radionätet tas i bruk på öarna i Hawaj 1973 Metcalf och Boggs utvecklar iden för Ethernetin, nät med random access 1979 DIX Ethernet II Standard 1985 IEEE LAN Standard (10 Mbps) 1995 Fast Ethernet (100 Mbps) 1998 Gigabit Ethernet Gigabit Ethernet Idag är Ethernet den dominerande lokalnätsstandarden Metcalf s Sketch:

30 Ethernet Standarden IEEE Lokalnät för korta avstånd Definierar protokoll och kablingsalternativ Flere alternativ för fysiska nätet Koaxialkabel 10Base5 ja 10Base2, nuförtiden föråldrat Alla stationer vid samma kabel Parkabel 10BaseT, 100BaseT, 1000BaseT, 10GBaseT... Nätnav (hub) eller växel (switch) kopplar stationerna Optisk 100BaseFX

31 IEEE Ramstruktur variable 4 Preamble SD Destination Address Source Address Length Information Pad FCS bytes Total 64 to 1518 Bytes 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

32 Ethernet adresser Varje nätkort (NIC) har en unik adress (MAC-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 (ARP) eller t.ex. tjänster som erbjuder nätkonfiguration (DHCP) Vanlig trafik är unicast

33 IEEE enheter 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 MAC-adress som finns i vilken anslutning skilda kollisionszoner större transmissionskapacitet än med nätnav Brygga 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)

34 Ethernet-nav och -växel Gemensam kollisionszon (a) (b) Snabb intern buss ~10x linjehastighet Enkel och billig Används numera sällan Topologi stjärna Skalbar Skilda kollisionszoner eller buffer för ramar

35 Trådlös kommunikation 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 Begränsade frekvenser och myndighetsbegränsningar inverkat på användningen av frekvensbanden Ur IP-synvinkel är trådlösa nät länkskikt, trots att t.ex. GRPS omfattar många skikt

36 WLAN Dominerande lokalnätsstandard för tillfället, IEEE Radionät som motsvarar Ethernet Basstationen 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 AdHoc-läge Med basstation fungerar inte CSMA-CD

37 "Hidden Node" -problemet (a) A Dataram C A skickar en ram B C ser ledigt medium, eftersom A:s signal inte bär till C (b) Dataram B Dataram C A C skickar en ram, som kolliderar vid B med A:s ram, C är omedveten om kollisionen Ny MAC-algoritmi: CSMA with Collision Avoidance

38 "Hidden Node" -problemet CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance 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 ACKmeddelande WLAN utnyttjar inte alltid, beror på inställningar

39 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 WLAN, Ethernet eller PPP som används