Κεφάλαιο 6 Επίπεδο ζεύξης

Κεφάλαιο 6 Επίπεδο ζεύξης
Δικτύωση Υπολογιστών: Προσέγγιση από πάνω προς τα κάτω 7η Έκδοση, 2016 J.F. Kurose, K.W. Ross [Εύδοξος: ] Επίπεδο ζεύξης

Κεφάλαιο 6: Επίπεδο ζεύξης
Οι στόχοι: Κατανόηση αρχών που βρίσκονται πίσω από τις υπηρεσίες του επιπέδου σύνδεσης: Διαμοιρασμός καναλιού σε ευρυεκπομπή (broadcasting): πολλαπλή πρόσβαση Διευθυνσιοδότηση στο επίπεδο της ζεύξης Ανίχνευση και διόρθωση σφαλμάτων Τοπικά δίκτυα: Ethernet, VLANs Υλοποίηση ποικίλων τεχνολογιών επιπέδου ζεύξης Επίπεδο ζεύξης

Επίπεδο ζεύξης, LANs: Περίληψη
Εισαγωγή, υπηρεσίες Ανίχνευση και διόρθωση σφαλμάτων Πρωτόκολλα πολλαπλής πρόσβασης LANs διευθυνσιοδότηση, ARP Ethernet switches VLANS Επίπεδο ζεύξης

Επίπεδο ζεύξης: Εισαγωγή
Ορολογία: hosts και routers: κόμβοι-nodes Κανάλια επικοινωνίας που συνδέουν διαδοχικούς κόμβους σε ένα μονοπάτι επικοινωνίας : links-ζεύξεις Ενσύρματες ζεύξεις Ασύρματες ζεύξεις LANs Πακέτο επιπέδου 2: πλαίσιο (frame), ενθυλακώνει Datagram πακέτα global ISP Το Επίπεδο ζεύξης Δεδομένων είναι υπεύθυνο για τη μεταφορά των datagrams από ένα κόμβο στο φυσικά γειτονικό του κόμβο σε μία ζεύξη Επίπεδο ζεύξης

Επίπεδο ζεύξης: Περιεχόμενο
Τα datagrams μεταφέρονται από διαφορετικά πρωτόκολλα επιπέδου ζεύξης πάνω από διαφορετικές ζεύξεις: π.χ. Ethernet στο πρώτο link, frame relay στα ενδιάμεσα Links, στο τελευταίο link Κάθε πρωτόκολλο ζεύξης παρέχει διαφορετικές υπηρεσίες. π.χ. Μπορεί να παρέχει αξιόπιστη μετάδοση δεδομένων (RDT) στο επίπεδο 2, μπορεί και όχι Αναλογία με τις μεταφορές: Ταξίδι από το Princeton στη Lausanne Ταξί: Από Princeton στο JFK αεροπλάνο: Από JFK στη Geneva Τρένο: Από Geneva στη Lausanne τουρίστας = datagram Τμήμα μεταφοράς = ζεύξη επικοινωνίας Τρόπος μεταφοράς = Πρωτόκολλο Επιπέδου ζεύξης Ταξιδιωτικό πρακτορείο = Αλγόριθμος δρομολόγησης Επίπεδο ζεύξης

Επίπεδο ζεύξης – Υπηρεσίες
Πλαισίωση (framing), Πρόσβαση στη ζεύξη (link access): Ενθυλάκωση του datagram σε πλαίσιο, προσθήκη επικεφαλίδας (header), ουράς (trailer) Πρόσβαση στο μέσο (medium access) αν είναι διαμοιραζόμενο “MAC” διευθύνσεις χρησιμοποιούνται στα frame headers για να ταυτοποιήσουν την πηγή (source) και τον προορισμό (dest) Διαφορετική από την IP διεύθυνση! Αξιόπιστη μεταφορά μεταξύ γειτονικών κόμβων Σπάνια χρησιμοποιείται σε αξιόπιστα μέσα με χαμηλό ρυθμό λαθών (οπτική ίνα, συνεστραμμένα ζεύγη καλωδίων) Ασύρματες ζεύξεις: Υψηλοί ρυθμοί λαθών Ε: Γιατί η αξιοπιστία επιχειρείται σε επίπεδο ζεύξης όταν υπάρχει και η end-end αξιοπιστία; Επίπεδο ζεύξης

Επίπεδο ζεύξης - υπηρεσίες
Έλεγχος ροής (flow control): Συνεννόηση μεταξύ γειτονικών κόμβων που συνομιλούν Ανίχνευση σφαλμάτων: Λάθη που προκαλούνται από την εξασθένηση του σήματος, θόρυβο. Ο δέκτης ανιχνεύει την παρουσία λαθών: Ειδοποιεί τον αποστολέα για επανεκπομπή ή απορρίπτει απλά τα frames Διόρθωση σφαλμάτων: Ο δέκτης ταυτοποιεί και διορθώνει τα λάθη χωρίς να καταφύγει σε επανεκπομπή half-duplex και full-duplex (αμφίδρομη επικοινωνία, ταυτόχρονα ή μη) Με τη half duplex επικοινωνία, οι κόμβοι στα δύο άκρα εκπέμπουν αλλά όχι ταυτόχρονα (μη ταυτόχρονα αμφίδρομη) σε αντίθεση με τη full-duplex επικοινωνία. Επίπεδο ζεύξης

Πού υλοποιείται το Επίπεδο ζεύξης;
Σε κάθε host Υλοποιείται στον προσαρμογέα δικτύου (network interface card ή NIC) ή σε κάποιο chip Κάρτα Ethernet, Wifi κάρτα, Ethernet chipset Υλοποιεί τα επίπεδα ζεύξης και το φυσικό επίπεδο Προσαρμόζεται στους διαύλους συστήματος του host Συνδυασμός hardware, software, firmware application transport network link physical cpu memory host bus (e.g., PCI) controller physical transmission network adapter card Επίπεδο ζεύξης

Κάρτες που επικοινωνούν
datagram datagram controller controller sending host receiving host datagram frame Πλευρά αποστολής: Ενθυλακώνει το datagram σε ένα πλαίσιο Προσθέτει bits ελέγχου σφαλμάτων, rdt (reliable data transfer), flow control, κ.α. Πλευρά λήψης Αναζητεί λάθη, rdt, flow control, κλπ. Εξάγει το datagram, το μεταφέρει στο ανώτερο επίπεδο. Επίπεδο ζεύξης

Ανίχνευση σφαλμάτων EDC= Error Detection & Correction bits για ανίχνευση & διόρθωση σφαλμάτων (πλεονασμός) D = Τα δεδομένα που προστατεύονται από τον έλεγχο σφαλμάτων, περιλαμβάνουν και πεδία επικεφαλίδας Η ανίχνευση σφαλμάτων δεν είναι 100% αξιόπιστη! Τα πρωτόκολλα μπορεί να χάσουν κάποια λάθη, σπάνια συμβαίνει Μεγαλύτερα EDC πεδία πετυχαίνουν καλύτερα αποτελέσματα otherwise Επίπεδο ζεύξης

Έλεγχος ισοτιμίας (parity checking)
απλό parity bit: Ανιχνεύει ένα λάθος bit Δισδιάστατο parity bit: Ανιχνεύει και διορθώνει ένα λάθος bit Επίπεδο ζεύξης

Κυκλικός έλεγχος πλεονασμού (Cyclic Redundancy Check-CRC)
Πολύ ισχυρή τεχνική ανίχνευσης σφαλμάτων Βλέπει τα data bits, D, ως ένα δυαδικό αριθμό Επιλέγει ένα γεννήτορα G με αριθμό bits r+1 Ο στόχος: Επιλογή r CRC bits, R, έτσι ώστε <D,R> να διαιρείται τέλεια από το G (modulo 2) Ο δέκτης ξέρει το G, διαιρεί λοιπόν <D,R> με G. Αν το υπόλοιπο δεν είναι μηδέν, τότε έχουμε ανίχνευση σφάλματος! Μπορεί να ανιχνεύσει όλα τα λάθη που συμβαίνουν κατά ριπές με αριθμό bits μικρότερο από r+1 bits Χρησιμοποιείται ευρέως στην πράξη (Ethernet, WiFi, ATM) Διεθνή πρότυπα για γεννήτριες 8, 12, 16 & 32-bit GCRC-32 = Επίπεδο ζεύξης

CRC παράδειγμα r = 3 D=101110, d=6, G=1001, r=3 θέλουμε:
D.2r XOR R = nG ισοδύναμα: D.2r = nG XOR R εάν διαιρέσουμε D.2r με το G, θέλουμε το υπόλοιπο R να ικανοποιεί : r = 3 D G 1001 1001 101011 101 000 1010 1001 110 1100 011 R D.2r G R = remainder[ ] Link Layer

Πρωτόκολλα και ζεύξεις πολλαπλής πρόσβασης
Δύο τύποι ζεύξεων: point-to-point (σημείο προς σημείο) PPP για λειτουργίες dial-up (Π.χ. ADSL) point-to-point ζεύξη μεταξύ Ethernet switch και host Broadcast - ευρυεκπομπή (διαμοιρασμός καλωδίου ή μέσου γενικά) Πρώτες εκδόσεις του Ethernet ασύρματο LAN shared wire (e.g., cabled Ethernet) shared RF (e.g., WiFi) shared RF (satellite) humans at a cocktail party (shared air, acoustical) Επίπεδο ζεύξης

Πρωτόκολλα πολλαπλής πρόσβασης
Απλό κανάλι που το μοιράζονται οι χρήστες Δύο οι περισσότερες μεταδόσεις από τους κόμβους : interference - παρεμβολή Σύγκρουση (collision) αν ένας κόμβος λαμβάνει δύο ή περισσότερα σήματα ταυτόχρονα multiple access protocol (ΜΑC)– πρωτόκολλο πολλαπλής πρόσβασης Κατανεμημένος αλγόριθμος που καθορίζει πόσοι κόμβοι μοιράζονται το κανάλι π.χ. καθορίζει πότε ο κάθε κόμβος μπορεί να μεταδώσει Η επικοινωνία που αφορά τον έλεγχο π.χ το πώς μοιραζόμαστε το κανάλι πρέπει να κάνει χρήση του ίδιου του καναλιού! Δεν υπάρχει out-of-band κανάλι για τη διαχείριση Επίπεδο ζεύξης

Ένα ιδανικό MAC πρωτόκολλο
Δεδομένα: Ευρυεκπομπή σε ρυθμό R bps Το ζητούμενο: 1. Όταν ένας κόμβος θέλει να στείλει, να μεταδίδει στο ρυθμό R. 2. Όταν M κόμβοι θέλουν να στείλουν, τότε ο καθένας να μπορεί να μεταδώσει με μέσο ρυθμό R/M 3. Πλήρως αποκεντρωμένη λογική: Κανένας ειδικός κόμβος δεν συντονίζει τις μεταδόσεις Κανένας συγχρονισμός ρολογιών, χρονοθυρίδων 4. Απλότητα Επίπεδο ζεύξης

MAC protocols: ταξινόμηση
Τρεις μεγάλες κατηγορίες: Διαίρεση του καναλιού (channel partition) Διαίρεση του καναλιού σε μικρότερα «κομμάτια» (χρονοθυρίδες: TDMA, συχνότητα: FDMA, κώδικας: CDMA) Ανάθεση του «κομματιού» στον κόμβο για αποκλειστική χρήση Τυχαία πρόσβαση (random access) Το κανάλι δεν διαιρείται, επιτρέπονται οι συκρούσεις “Ανάρρωση” από τις συγκρούσεις “Με τη σειρά” (“taking turns”) Οι κόμβοι παίρνουν τη σειρά τους, αλλά οι κόμβοι με τις μεγαλύτερες ανάγκες αποστολής παίρνουν μεγαλύτερο μερίδιο στη σειρά τους Επίπεδο ζεύξης

MAC protocols με διαίρεση καναλιού: TDMA
Πρόσβαση στο κανάλι με «γύρους» Κάθε σταθμός παίρνει σταθερού μήκους χρονοθυρίδα για αποστολή σε κάθε γύρο Οι μη χρησιμοποιούμενες θυρίδες μένουν αδρανείς (idle) Παράδειγμα: LAN με 6 κόμβους, 1,3,4 έχουν πακέτο, οι θυρίδες 2,5,6 αδρανείς 6-slot frame 6-slot frame 1 3 4 1 3 4 Επίπεδο ζεύξης

MAC protocols με διαίρεση καναλιού : FDMA
Το φάσμα του καναλιού μοιράζεται σε ζώνες συχνοτήτων Κάθε σταθμός λαμβάνει ανάθεση σταθερής ζώνης συχνοτήτων Οι μη χρησιμοποιούμενες ζώνες μένουν αδρανείς παράδειγμα: LAN με 6 σταθμούς, 1,3,4 έχουν πακέτο, οι ζώνες 2,5,6 μένουν αδρανείς time frequency bands FDM cable Επίπεδο ζεύξης

Πρωτόκολλα τυχαίας πρόσβασης
Όταν ο κόμβος έχει πακέτο Μεταδίδει στο μέγιστο ρυθμό του καναλιού R. Δεν υπάρχει εκ των προτέρων συντονισμός των μεταδόσεων. Δύο ή περισσότεροι κόμβοι αποστέλλουν ➜ σύγκρουση - “collision”. Το πρωτόκολλο πολλαπλής πρόσβασης καθορίζει: Πως ανιχνεύονται οι συγκρούσεις Πως θεραπεύονται οι συγκρούσεις (π.χ. μέσω καθυστερημένων επαναμεταδόσεων) Παραδείγματα MAC πρωτοκόλλων τυχαίας πρόσβασης: slotted ALOHA ALOHA CSMA, CSMA/CD, CSMA/CA Επίπεδο ζεύξης

Slotted (θυριδωτό) ALOHA
Θεωρήσεις: Όλα τα πλαίσια έχουν το ίδιο μέγεθος Ο χρόνος διαιρείται σε θυρίδες ίσου μεγέθους όσο ο χρόνος που αντιστοιχεί στη μετάδοση ενός πλαισίου Οι κόμβοι ξεκινούν να μεταδίδουν στην αρχή της θυρίδας Οι κόμβοι συγχρονίζονται Αν 2 ή περισσότεροι κόμβοι μεταδίδουν σε μία θυρίδα, όλοι οι κόμβοι ανιχνεύουν τη σύγκρουση Λειτουργία: Όταν ο κόμβος έχει νέο πλαίσιο προς αποστολή, μεταδίδει στην επόμενη θυρίδα Αν δεν υπάρχει σύγκρουση: Ο κόμβος μπορεί να στείλει νέο πλαίσιο στην επόμενη θυρίδα Αν υπάρχει σύγκρουση: Ο κόμβος επαναμεταδίδει το πλαίσιο σε κάθε επόμενη θυρίδα με πιθανότητα p μέχρι την επιτυχία Επίπεδο ζεύξης

Slotted ALOHA Θετικά: Αρνητικά:
1 2 3 node 1 node 2 node 3 C S E Θετικά: Κάθε ενεργός κόμβος μπορεί να στέλνει συνεχώς στον πλήρη ρυθμό του καναλιού Άκρως αποκεντρωμένο: μόνο οι θυρίδες στους κόμβους πρέπει να είναι συγχρονισμένες Απλό Αρνητικά: Συγκρούσεις, ξόδεμα θυρίδων Αδρανείς θυρίδες Οι κόμβοι μπορεί να καταφέρουν να ανιχνεύουν συγκρούσεις σε λιγότερο χρόνο από αυτό της μετάδοσης πακέτου Συγχρονισμός Επίπεδο ζεύξης

Slotted ALOHA: Απόδοση
Απόδοση: Κλάσμα των επιτυχημένων θυρίδων (πολλοί κόμβοι, όλοι με πολλά πλαίσια προς αποστολή) Μέγιστη απόδοση: Η p* που μεγιστοποιεί το Np(1-p)N-1 Για πολλούς κόμβους, πάρε το όριο του Np*(1-p*)N-1 με το N να τείνει στο άπειρο: μέγιστη απόδοση = 1/e = .37 Υπόθεση: N κόμβοι με πολλά πλαίσια προς αποστολή, καθένας μεταδίδει με πιθανότητα p Πιθανότητα ο δεδομένος κόμβος να έχει επιτυχία σε μία θυρίδα= p(1-p)N-1 Πιθανότητα ώστε ο κάθε κόμβος να έχει μία επιτυχία = Np(1-p)N-1 Στην καλύτερη περίπτωση: Το κανάλι χρησιμοποιείται για επιτυχείς μεταδόσεις 37% του χρόνου ! Επίπεδο ζεύξης

Καθαρό (μη θυριδωτό) ALOHA
Όταν το πρώτο πλαίσιο φτάνει απευθείας μετάδοση Η πιθανότητα σύγκρουσης αυξάνει: Το πλαίσιο που στάλθηκε σε χρόνο t0 συγκρούεται με άλλα πλαίσια που στέλνονται στο διάστημα [t0-1,t0+1] Επίπεδο ζεύξης

Καθαρό ALOHA: απόδοση … επιλογή βέλτιστης p και n = 1/(2e) = .18
P(success by given node) = P(node transmits) . P(no other node transmits in [t0-1,t0] . P(no other node transmits in [t0,t0+1] = p . (1-p)N-1 . (1-p)N-1 = p . (1-p)2(N-1) … επιλογή βέλτιστης p και n = 1/(2e) = .18 Ακόμα χειρότερο από το θυριδωτό Aloha! Επίπεδο ζεύξης

CSMA (Carrier Sense Multiple Access) (πολλαπλή πρόσβαση με ανίχνευση φέροντος)
Αν το κανάλι ακούγεται αδρανές: μετάδωσε όλο το πλαίσιο Αν το κανάλι ακούγεται κατειλημμένο: ανέβαλε τη μετάδοση Αναλογία με τους ανθρώπους: Μη διακόπτεις τους άλλους! Επίπεδο ζεύξης

CSMA συγκρούσεις Χωρική επίδειξη Οι συγκρούσεις δεν αποφεύγονται στο CSMA: H καθυστέρηση διάδοσης σημαίνει ότι δύο κόμβοι μπορεί να μην ακούσουν τις μεταδόσεις αλλήλων σύγκρουση: όλος ο χρόνος μετάδοσης του πακέτου ξοδεύεται Η απόσταση και η καθυστέρηση διάδοσης παίζουν ρόλο στον καθορισμό της πιθανότητας σύγκρουσης Επίπεδο ζεύξης

CSMA/CD (Collision Detection – Ανίχνευση Σύγκρουσης)
CSMA/CD: Ανίχνευση σήματος, επιβάλλει αναβολή όπως στο απλό CSMA Οι συγκρούσεις ανιχνεύονται σε μικρό χρονικό διάστημα Οι συγκρουόμενες μεταδόσεις ματαιώνονται, επίσπευση της εμπλοκής του καναλιού Ανίχνευση σύγκρουσης: Εύκολη σε ενσύρματα LANs: μέτρηση ισχύος των σημάτων, σύγκρουση μεταξύ μεταδιδόμενων και ληφθέντων σημάτων Δύσκολο σε ασύρματα LANs: Το ληφθέν σήμα συντρίβεται από το μεταδιδόμενο (και άλλα θέματα) Αναλογία με τα ανθρώπινα: Ο ευγενής συνομιλητής Επίπεδο ζεύξης

CSMA/CD (ανίχνευση σύγκρουσης)
spatial layout of nodes Επίπεδο ζεύξης

Αλγόριθμος του CSMA/CD (Ethernet)
1. H κάρτα NIC λαμβάνει datagram από το επίπεδο δικτύου, διαμορφώνει το πλαίσιο 2 Αν η NIC ανιχνεύσει αδρανές κανάλι , ξεκινά τη μετάδοση του πλαισίου. Αν η NIC ανιχνεύει το κανάλι απασχολημένο, περιμένει μέχρι το κανάλι να γίνει αδρανές, τότε μεταδίδει . 3. Εάν NIC μεταδώσει όλο το πλαίσιο χωρίς να ανιχνεύσει άλλη μετάδοση, τελείωσε με επιτυχία την αποστολή 4. Αν η NIC ανιχνεύσει άλλη μετάδοση κατά την αποστολή του πλαισίου, ματαιώνει την αποστολή και στέλνει το jam σήμα 5. Μετά τη ματαίωση, η NIC εισέρχεται στη δυαδική (εκθετική) υποχώρηση: Μετά την m-στη σύγκρουση, η NIC επιλέγει τον αριθμό K στην τύχη από τους αριθμούς {0,1,2,3, …2m-1}. Η NIC περιμένει K*512 bit χρόνο (0.01μs για το Fast Ethernet), επιστρέφει στο βήμα 2 Μεγαλύτερα διαστήματα υποχώρησης με περισσότερες συγκρούσεις Επίπεδο ζεύξης

CSMA/CD απόδοση tprop = μέγιστη καθυστέρηση διάδοσης μεταξύ δύο κόμβων του δικτύου ttrans = Χρόνος μετάδοσης του μέγιστου σε μέγεθος πλαισίου Η απόδοση (efficiency) τείνει στο 1 Όσο tprop τείνει στο 0 Όσο ttrans τείνει στο άπειρο Καλύτερη απόδοση από το ALOHA: και απλό, φτηνό, αποκεντρωμένο! Επίπεδο ζεύξης

MAC protocols - “Πάρε σειρά”
Μοιράζονται το κανάλι αποδοτικά και δίκαια στο μεγάλο φορτίο Μη αποδοτικά στο μικρό φορτίο: καθυστέρηση στην πρόσβαση του καναλιού, 1/N του ρυθμού δίνεται ακόμα και όταν ένας κόμβος είναι ενεργός! MAC protocols με τυχαία πρόσβαση Αποδοτικά στο μικρό φορτίο: Ο κάθε κόμβος αξιοποιεί πλήρως το κανάλι Μεγάλο φορτίο: overhead λόγω των συγκρούσεων “πάρε σειρά” (“taking turns”) τύπου protocols Συνδυάζει τα καλύτερα χαρακτηριστικά των δύο κόσμων! Επίπεδο ζεύξης

“πάρε σειρά” - MAC protocols
polling: Ο αφέντης κόμβος “προσκαλεί” τους σκλάβους να μεταδώσουν με τη σειρά Συνήθως χρησιμοποιείται με “χαζούς” σκλάβους Προβληματισμοί: Φόρτος λόγω της αστυνόμευσης (polling overhead) καθυστέρηση Απλό σημείο αποτυχίας (master) data poll master data slaves Επίπεδο ζεύξης

“Πάρε σειρά” - MAC protocols
Πέρασμα του token: To token ελέγχου περνά από τον ένα κόμβο στον επόμενο ακολουθιακά. Μήνυμα του token Προβληματισμοί: token overhead καθυστέρηση Μοναδικό σημείο αποτυχίας - single point of failure (token) T (nothing to send) T data Επίπεδο ζεύξης

MAC διευθύνσεις και ARP
32-bit διεύθυνση: διεύθυνση της διεπαφής στο επίπεδο του δικτύου Χρησιμοποιείται για προώθηση στο layer 3 (επίπεδο δικτύου) MAC (ή LAN ή φυσική ή Ethernet) διεύθυνση: λειτουργία: χρησιμοποιείται «τοπικά» για να λάβει ένα ένα frame από μία διεπαφή σε μία άλλη φυσικά συνδεδεμένη διεπαφή (ίδιο δίκτυο, με βάση την IP-διευθυνσιοδότηση) 48 bit MAC διεύθυνση (για τα περισσότερα LANs) είναι γραμμένη στην ROM της κάρτας. Κάποιες φορές τίθεται και μέσω software e.g.: 1A-2F-BB AD δεκαεξαδική (base 16) αναπαράσταση (κάθε “αριθμός” αναπαριστά 4 bits) Επίπεδο ζεύξης

MAC διευθύνσεις και ARP
Κάθε κάρτα στο LAN έχει μοναδική MAC address 1A-2F-BB AD LAN (wired or wireless) Προσαρμογέας δικτύου 71-65-F7-2B-08-53 58-23-D7-FA-20-B0 0C-C4-11-6F-E3-98 Επίπεδο ζεύξης

MAC διευθύνσεις Η ανάθεση των MAC διευθύνσεων είναι αρμοδιότητα της IEEE Ο κατασκευαστής αγοράζει μέρος των διαθέσιμων MAC διευθύνσεων (ώστε να διασφαλίσει τη μοναδικότητά τους) Αναλογία: MAC address: όπως ο ΑΜΚΑ IP address: όπως η ταχυδρομική διεύθυνση MAC επίπεδη διεύθυνση ➜ φορητότητα Μπορείς να μεταφέρεις LAN κάρτα από ένα LAN σε ένα άλλο Η ιεραρχική IP διεύθυνση δεν είναι φορητή Η διεύθυνση εξαρτάται από το IP υποδίκτυο στο οποίο ο κόμβος ανήκει Επίπεδο ζεύξης

ARP: address resolution protocol
Ερώτηση: Πως μπορούμε να προσδιορίσουμε τη MAC διεύθυνση της κάρτας, γνωρίζοντας την IP διεύθυνση; ARP πίνακας: Κάθε IP κόμβος (host, router) στο LAN έχει ένα πίνακα IP/MAC address αντιστοιχίσεις για μερικούς LAN κόμβους: < IP address; MAC address; TTL> TTL (Time To Live): Χρόνος που αν παρέλθει η αντιστοίχιση δεν θα ισχύει (τυπικά 20 min) 1A-2F-BB AD LAN 71-65-F7-2B-08-53 58-23-D7-FA-20-B0 0C-C4-11-6F-E3-98 Επίπεδο ζεύξης

ARP protocol: Στο ίδιο LAN
O A θέλει να στείλει datagram στο B Η MAC address του Β δεν είναι στον πίνακα του Α. Ο A στέλνει προς όλους (broadcasting) ένα πακέτο ARP query (ερώτημα), που περιέχει την IP διεύθυνση του Β dest MAC address = FF-FF-FF-FF-FF-FF Όλοι οι κόμβοι στο LAN λαμβάνουν το ARP ερώτημα Ο B λαμβάνει το ARP πακέτο, απαντά στον A με την MAC address του Το πλαίσιο στέλνεται στη MAC address του Α(unicast) Ο A αποθηκεύει το ζευγάρι IP/MAC στον ΑRP πίνακα μέχρι η πληροφορία να λήξει χρονικά (times out) soft state: πληροφορία που λήγει χρονικά εκτός αν ανανεωθεί Το ARP είναι “plug-and-play”: Οι κόμβοι δημιουργούν τους ARP πίνακες χωρίς την εμπλοκή του διαχειριστή δικτύου. Επίπεδο ζεύξης

Διευθυνσιοδότηση: Δρομολόγηση σε άλλο LAN
Περιδιάβαση (walkthrough): Αποστολή datagram από τον A στο B μέσω του R Υποθέτουμε ότι ο A γνωρίζει του B την IP address Υποθέτουμε ότι ο A γνωρίζει την IP address του router R (first hop) (πως;) Υποθέτουμε ότι ο A γνωρίζει τη MAC address του B (πως;) R 1A-23-F9-CD-06-9B E6-E BB-4B CC-49-DE-D0-AB-7D C-E8-FF-55 A 49-BD-D2-C7-56-2A 88-B2-2F-54-1A-0F B Επίπεδο ζεύξης

Ο A δημιουργεί το IP datagram με IP αποστολέα την IP A, και παραλήπτη B Ο A δημιουργεί ένα frame επιπέδου ζεύξης με παραλήπτη την MAC address του R, το πλαίσιο περιέχει το IP datagram με αποστολέα Α και παραλήπτη Β MAC src: C-E8-FF-55 MAC dest: E6-E BB-4B IP Eth Phy IP src: IP dest: R 1A-23-F9-CD-06-9B E6-E BB-4B CC-49-DE-D0-AB-7D C-E8-FF-55 A 49-BD-D2-C7-56-2A 88-B2-2F-54-1A-0F B Επίπεδο ζεύξης

Το πλαίσιο στέλνεται από τον Α στον R To Πλαίσιο λαμβάνεται στον R, το datagram αφαιρείται, και περνά στο IP επίπεδο MAC src: C-E8-FF-55 MAC dest: E6-E BB-4B IP src: IP dest: IP src: IP dest: IP Eth Phy IP Eth Phy R 1A-23-F9-CD-06-9B E6-E BB-4B CC-49-DE-D0-AB-7D C-E8-FF-55 A 49-BD-D2-C7-56-2A 88-B2-2F-54-1A-0F B Επίπεδο ζεύξης

Ο R προωθεί το datagram με IP source A, destination B Ο R δημιουργεί ένα πλαίσιο επιπέδου ζεύξης με παραλήπτη τη MAC address του Β, το πλαίσιο περιέχει το IP datagram από τον Α στο Β MAC src: 1A-23-F9-CD-06-9B MAC dest: 49-BD-D2-C7-56-2A IP Eth Phy IP src: IP dest: IP Eth Phy R 1A-23-F9-CD-06-9B E6-E BB-4B CC-49-DE-D0-AB-7D C-E8-FF-55 A 49-BD-D2-C7-56-2A 88-B2-2F-54-1A-0F B Επίπεδο ζεύξης

Ο R προωθεί το datagram με IP source A, destination B Ο R δημιουργεί ένα πλαίσιο επιπέδου ζεύξης με παραλήπτη τη MAC address του Β, το πλαίσιο περιέχει το IP datagram από τον Α στο Β IP src: IP dest: MAC src: 1A-23-F9-CD-06-9B MAC dest: 49-BD-D2-C7-56-2A IP Eth Phy IP Eth Phy R 1A-23-F9-CD-06-9B E6-E BB-4B CC-49-DE-D0-AB-7D C-E8-FF-55 A 49-BD-D2-C7-56-2A 88-B2-2F-54-1A-0F B Επίπεδο ζεύξης

Ο R προωθεί το datagram με IP source A, destination B Ο R δημιουργεί ένα πλαίσιο επιπέδου ζεύξης με παραλήπτη τη MAC address του Β, το πλαίσιο περιέχει το IP datagram από τον Α στο Β MAC src: 1A-23-F9-CD-06-9B MAC dest: 49-BD-D2-C7-56-2A IP src: IP dest: IP Eth Phy B A R 49-BD-D2-C7-56-2A C-E8-FF-55 1A-23-F9-CD-06-9B E6-E BB-4B CC-49-DE-D0-AB-7D 88-B2-2F-54-1A-0F Επίπεδο ζεύξης

Ethernet “Κυρίαρχη” τεχνολογία ενσύρματου LAN :
Φτηνές κάρτες δικτύου (<$20) Ευρέως διαδεδομένη Απλούστερη, φτηνότερη από τα token LANs και το ATM (καμία σχέση με τα μηχανάκια των τραπεζών ) Προσφέρει μεγάλη γκάμα ταχυτήτων: 10 Mbps – 10 Gbps Metcalfe’s Ethernet sketch Επίπεδο ζεύξης

Ethernet: Φυσική τοπολογία
Δίαυλος - bus: Διάσημη μέχρι τα μέσα του ‘90 Όλοι οι κόμβοι στο ίδιο πεδίο συγκρούσεων (συγκρούονται μεταξύ τους) Αστέρας - star: κυριαρχεί σήμερα Ενεργό switch στο κέντρο Κάθε “ακτίνα” τρέχει (ξεχωριστό) πρωτόκολλο Ethernet (οι κόμβοι δεν συγκρούονται μεταξύ τους) switch star bus: coaxial cable Επίπεδο ζεύξης

Η δομή του πλαισίου Ethernet
Ο αποστολέας ενθυλακώνει το IP datagram (ή πακέτο άλλου επιπέδου δικτύου) στο Ethernet frame ( ) προοίμιο: 7 bytes με pattern που ακολουθείται από ένα byte με πρότυπο Χρησιμοποιείται για να συγχρονίσει τους ρυθμούς των ρολογιών του πομπού και του δέκτη dest. address source data (payload) CRC preamble type Επίπεδο ζεύξης

Η δομή του πλαισίου Ethernet
Διευθύνσεις - addresses: 6 byte source, destination MAC addresses Αν η κάρτα λάβει ένα πλαίσιο με την MAC address του destination να ταιριάζει με τη δική του, ή με την broadcast address (π.χ. ARP packet), περνάει τα δεδομένα από το πλαίσιο στο επίπεδο του δικτύου (συνήθως στο IP) ειδάλλως, η κάρτα απορρίπτει το πλαίσιο Τύπος - type: υποδεικνύει το πρωτόκολλο του επόμενου ανώτερου επιπέδου (συνήθως το IP αλλά και άλλα είναι πιθανά π.χ. Novell IPX, AppleTalk) CRC: ελέγχει για λάθη στο δέκτη χρησιμοποιώντας κυκλικούς κώδικες Ανίχνευση λάθους: Το πλαίσιο πετιέται dest. address source data (payload) CRC preamble type Επίπεδο ζεύξης

Ethernet: αναξιόπιστο, ασυνδεσμικό
Ασυνδεσμικό - connectionless: Καμία «χειραψία» (handshaking) μεταξύ του αποστολέα και του παραλήπτη Αναξιόπιστο - unreliable: Ο αποδέκτης δεν στέλνει επιβεβαίωση λήψης (acks or nacks) στην κάρτα αποστολέα Τα data στα απορριφθέντα frames ανακτώνται μόνο αν ο αρχικός αποστολέας χρησιμοποιεί αξιόπιστη μετάδοση δεδομένων (rdt) στα υψηλότερα επίπεδα (π.χ. TCP), αλλιώς τα απορριφθέντα data χάνονται Ethernet MAC protocol: μη θυριδωτό CSMA/CD με δυαδική υποχώρηση (binary backoff) Επίπεδο ζεύξης

802.3 Ethernet πρότυπο: επίπεδο φυσικό και ζεύξης
Κοινό MAC protocol και μορφή πλαισίου Διαφορετικοί ρυθμοί: 2 Mbps, 10 Mbps, 100 Mbps, 1Gbps, 10G bps Διαφορετικά φυσικά μέσα: οπτική ίνα, χαλκός MAC protocol and frame format application transport network link physical copper (twister pair) physical layer 100BASE-TX fiber physical layer 100BASE-T2 100BASE-FX 100BASE-T4 100BASE-SX 100BASE-BX Επίπεδο ζεύξης

Ethernet switch - μεταγωγέας
Συσκευή επιπέδου ζεύξης Αποθηκεύει και προωθεί Ethernet frames Εξετάζει την MAC address του εισερχόμενου πλαισίου, επιλεκτικά προωθεί το πλαίσιο σε ένα ή περισσότερα εξερχόμενα links Διαφανής συσκευή Οι hosts δεν έχουν επίγνωση της ύπαρξης των switches plug-and-play, self-learning Τα switches δεν απαιτείται να ρυθμιστούν Επίπεδο ζεύξης

Switch: Πολλαπλές ταυτόχρονες μεταδόσεις
Οι hosts έχουν αφιερωμένη και απευθείας σύνδεση στο switch Τα switches αποθηκεύουν τα πλαίσια Το Ethernet protocol χρησιμοποιείται σε κάθε εισερχόμενη ζεύξη, αλλά δεν υπάρχουν συγκρούσεις. Ταυτόχρονα αμφίδρομη επικοινωνία Κάθε ζεύξη είναι ένα ξεχωριστό πεδίο συγκρούσεων switching: A-to-A’ and B-to-B’ μπορούν να μεταδώσουν ταυτόχρονα χωρίς συγκρούσεις switch with six interfaces (1,2,3,4,5,6) A A’ B B’ C C’ 1 2 3 4 5 6 Επίπεδο ζεύξης

Switch - πίνακας προώθησης
Ερ: Πως ξέρει το switch ότι ο A’ είναι συνδεδεμένος στην πόρτα 4 και ο B’ στην πόρτα 5; switch with six interfaces (1,2,3,4,5,6) A A’ B B’ C C’ 1 2 3 4 5 6 Aπ: Κάθε switch έχει ένα πίνακα (switch table), με εγγραφές: (MAC address του host, interface σύνδεσης του host, σφραγίδα στο χρόνο) Μοιάζει με πίνακα δρομολόγησης Ερ: Πως δημιουργούνται και διατηρούνται οι εγγραφές στον πίνακα; Μοιάζει με πρωτόκολλο δρομολόγησης ;;; Επίπεδο ζεύξης

Switch: Αυτο-μάθηση Source: A Dest: A’ Το switch μαθαίνει ποιοι hosts συνδέονται σε ποιες πόρτες του (διεπαφές) Όταν το frame λαμβάνεται, το switch “μαθαίνει” την τοποθεσία του παραλήπτη: εισερχόμενη ζεύξη (LAN segment) Καταγράφει το ζευγάρι αποστολέα/τοποθεσίας στον πίνακα switch table A A’ B B’ C C’ 1 2 3 4 5 6 A A’ MAC addr interface TTL A 1 60 Switch table (αρχικά άδειος) Επίπεδο ζεύξης

Switch: φιλτράρισμα/προώθηση πλαισίων
1. Καταγραφή της εισερχόμενης ζεύξης, MAC address του αποστολέα 2. Εύρεση του MAC destination address στον πίνακα 3. Αν βρεθεί εγγραφή για το destination host τότε { Aν ο destination είναι στο segment από το οποίο το frame έφτασε τότε πέτα το frame αλλιώς προώθησε το frame στη διεπαφή που υποδεικνύεται από το entry } αλλιώς δημιούργησε πλημμύρα (flood) /* προώθησε το πλαίσιο σε όλες τις διεπαφές εκτός της διεπαφής που έστειλε το πλαίσιο*/ Επίπεδο ζεύξης

Παράδειγμα προώθησης - αυτομάθησης
Source: A Dest: A’ destination, A’, τοποθεσία άγνωστη: A A’ B B’ C C’ 1 2 3 4 5 6 A A’ πλημμύρα destination A, τοποθεσία γνωστή: A A’ A A’ A A’ A A’ A A’ επιλεκτικά στείλε στο συγκεκριμένο Link A’ A MAC addr interface TTL A 1 60 switch table (αρχικά άδειος) A’ 4 60 Επίπεδο ζεύξης

Διασυνδέοντας μεταγωγείς
Τα switches μπορούν να διασυνδεθούν D E F S2 S4 S3 H I G A B S1 C Ερ.: Στέλνοντας από τον A στον G – πως ξέρει το S1 να προωθήσει το frame που απευθύνεται στον G μέσω του S4 και του S3; Aπ: Αυτομάθηση! (λειτουργεί όπως και στην περίπτωση του ενός switch) Επίπεδο ζεύξης

Παράδειγμα αυτομάθησης με πολλά switches
Υποθέστε ότι ο C στέλνει πλαίσιο στον I, I αποκρίνεται στο C D E F S2 S4 S3 H I G A B S1 C Ερ: Πως πραγματοποιείται η ενημέρωση των switch tables και η προώθηση πλαισίων μεταξύ των S1, S2, S3, S4 Επίπεδο ζεύξης

Δίκτυο οργανισμού IP subnet mail server Προς εξωτερικό δίκτυο
web server router IP subnet Επίπεδο ζεύξης

Switches vs. routers Και τα δύο αποθηκεύουν και προωθούν:
application transport network link physical Και τα δύο αποθηκεύουν και προωθούν: routers: network-layer συσκευές(εξετάζουν network-layer επικεφαλίδες) switches: link-layer συσκευές (εξετάζουν link-layer επικεφαλίδες) Και τα δύο έχουν forwarding tables: routers: υπολογίζουν πίνακες χρησιμοποιώντας αλγόριθμους δρομολόγησης, IP διευθύνσεις switches: σχηματίζουν τον πίνακα προώθησης με τη χρήση της πλημμύρας, αυτομάθησης των MAC διευθύνσεων datagram frame link physical frame switch network link physical datagram frame application transport network link physical Επίπεδο ζεύξης

VLANs: Λόγοι ύπαρξης Θεωρείστε ότι:
O χρήστης CS μετακινείται στο γραφείο του στο τμήμα EE, αλλά θέλει να συνδέεται στο δίκτυο του τμήματός του Μία περιοχή ευρυεκπομπής (single broadcast domain): Όλη η ευρέως εκπεμπόμενη κίνηση του δευτέρου επιπέδου (ARP, DHCP, άγνωστη τοποθεσία της MAC προορισμού) πρέπει να διασχίσει όλο το τοπικό δίκτυο Ζητήματα ασφάλειας /ιδιωτικότητας, επιδόσεων Computer Science Computer Engineering Electrical Engineering Επίπεδο ζεύξης

VLAN βασιζόμενα στις πόρτες: Οι πόρτες του switch ομαδοποιούνται (από ειδικό λογισμικό διαχείρισης) έτσι ώστε ένα απλό μηχάνημα μεταγωγής…… VLANs Εικονικό τοπικό δίκτυο 1 7 9 15 Τα switch(es) που υποστηρίζουν τις δυνατότητες των VLAN μπορούν να ρυθμιστούν ώστε να οριστούν πολλαπλά virtual LANS πάνω από την ίδια υποδομή LAN. 2 8 10 16 … … Electrical Engineering (VLAN ports 1-8) Computer Science (VLAN ports 9-15) Electrical Engineering (VLAN ports 1-8) … 1 8 2 7 9 16 10 15 Computer Science (VLAN ports 9-16) … να λειτουργεί ως πολλαπλά εικονικά switches Επίπεδο ζεύξης

VLAN βασιζόμενα στις πόρτες
router Απομόνωση κίνησης: Τα πλαίσια προς/από τις πόρτες 1-8 έχουν πρόσβαση μόνο στις πόρτες 1-8 Μπορούν επίσης να οριστούν VLANs με βάση τις MAC διευθύνσεις των τερματικών σημείων. Προώθηση μεταξύ των VLANs: πραγματοποιείται μέσω δρομολόγησης (όπως και με τα ξεχωριστά switches) Στην πράξη οι κατασκευαστές πωλούν συνδυασμένες συσκευές δρομολόγησης και μεταγωγής (switch, router) 1 7 9 15 2 8 10 16 Δυναμική καταχώριση: Οι πόρτες μπορούν δυναμικά να ανατίθενται μεταξύ των VLANs … … Electrical Engineering (VLAN ports 1-8) Computer Science (VLAN ports 9-15) Επίπεδο ζεύξης

VLANS που διατρέχουν πολλά switches
1 7 9 15 16 1 3 5 7 2 8 10 2 4 6 8 … … Electrical Engineering (VLAN ports 1-8) Computer Science (VLAN ports 9-15) Ports 2,3,5 belong to EE VLAN Ports 4,6,7,8 belong to CS VLAN Πόρτα trunk: μεταφέρει πλαίσια μεταξύ των VLANS που ορίζονται σε πολλαπλά φυσικά switches Τα πλαίσια που προωθούνται εντός ενός VLAN μεταξύ διαφορετικών switches πρέπει να φέρουν την πληροφορία VLAN ID Το 802.1q πρωτόκολλο προσθέτει/αφαιρεί επιπρόσθετες επικεφαλίδες για τα πλαίσια που προωθούνται μεταξύ των trunk θυρών. Επίπεδο ζεύξης

802.1Q VLAN – μορφή πλαισίου 802.1 frame 802.1Q frame
type dest. address source address preamble data (payload) CRC 802.1 frame type dest. address source preamble 802.1Q frame data (payload) CRC 2-byte Tag Protocol Identifier (value: 81-00) Recomputed CRC Tag Control Information (12 bit VLAN ID field, 3 bit priority field like IP TOS) Επίπεδο ζεύξης

Μία συνηθισμένη ημέρα: Σενάριο Ι
browser DNS server Comcast network /13 school network /24 web page web server Google’s network /19 Επίπεδο ζεύξης

Μία συνηθισμένη ημέρα… σύνδεση στο διαδίκτυο
Μία συνηθισμένη ημέρα… σύνδεση στο διαδίκτυο Για τη σύνδεση του φορητού απαιτείται η ρύθμιση της IP διεύθυνσης, του 1ου δρομολογητή, και του DNS server: χρήση DHCP DHCP UDP IP Eth Phy DHCP DHCP router (runs DHCP) Το αίτημα DHCP ενθυλακώνεται σε UDP, σε IP, και τελικά σε ένα Ethernet πλαίσιο DHCP DHCP DHCP UDP IP Eth Phy DHCP Αρχικά το φορητό αποστέλλει ένα Ethernet πλαίσιο broadcast (dest: FFFFFFFFFFFF) στο LAN, για να το λάβει ο δρομολογητής όπου εκτελείται ο DHCP server Το ethernet αποπολυπλέκεται σε IP και μετά σε UDP ώστε τελικά να γίνει DHCP πληροφορία Επίπεδο ζεύξης

Μία συνηθισμένη ημέρα… σύνδεση στο διαδίκτυο
Μία συνηθισμένη ημέρα… σύνδεση στο διαδίκτυο DHCP DHCP UDP IP Eth Phy Ο DHCP server σχηματίζει ένα DHCP ACK που περιέχει την IP διεύθυνση του πελάτη, την IP διεύθυνση του πρώτου router και το όνομα και τη διεύθυνση του DNS router (runs DHCP) Ενθυλάκωση στον DHCP server, το πλαίσιο προωθείται (αυτομάθηση μεταγωγέα) μέσω του LAN, αποπολυπλεξία στον client DHCP UDP IP Eth Phy DHCP DHCP DHCP O DHCP client λαμβάνει την απάντηση DHCP ACK Ο πελάτης τώρα έχει IP διεύθυνση, ξέρει το όνομα και τη διεύθυνση του DNS server, και την IP διεύθυνση του δρομολογητή πρώτου βήματος Επίπεδο ζεύξης

Μία συνηθισμένη ημέρα… ARP (προ DNS, προ HTTP)
Πριν την αποστολή του αιτήματος HTTP, απαιτείται η γνώση της διεύθυνσης IP του DNS DNS UDP IP Eth Phy DNS router (runs DHCP) ARP ARP query Το ερώτημα DNS δημιουργείται, ενθυλακώνεται σε UDP, σε IP, σε Ethernet. Για την αποστολή του πλαισίου στο router, απαιτείται η γνώση της MAC address της διεπαφής του: ARP Eth Phy ARP ARP reply Το ερώτημα ARP query που μεταδίδεται ευρέως (broadcast), λαμβάνεται από το router, που απαντά με το μήνυμα ARP reply δίνοντας τη MAC της διεπαφής του Ο client τώρα γνωρίζει τη MAC address του δρομολογητή πρώτου άλματος, ώστε να αποστείλει το ερώτημα DNS Επίπεδο ζεύξης

Μία συνηθισμένη ημέρα… κάνοντας χρήση του DNS
UDP IP Eth Phy DNS DNS server DNS UDP IP Eth Phy DNS router (runs DHCP) DNS DNS DNS DNS Comcast network /13 Το IP datagram προωθείται από το δίκτυο μας στο δίκτυο του παρόχου και δρομολογείται (πίνακες δρομολόγησης που δημιουργούνται από πρωτόκολλα όπως RIP, OSPF, IS-IS και/ή BGP πρωτόκολλα) στον DNS server Το IP datagram που περιέχει το ερώτημα DNS προωθείται μέσω του LAN switch από τον client στο router Αποπολυπλέκεται στον DNS server Ο DNS server απαντά στον client με την IP address του Επίπεδο ζεύξης

Μία συνηθισμένη ημέρα …Η TCP σύνδεση μεταφέρει HTTP κίνηση
IP Eth Phy router (runs DHCP) SYN SYNACK SYN Για την αποστολή αιτήματος HTTP request, ο client πρώτα ανοίγει ένα TCP socket με τον web server TCP IP Eth Phy TCP SYN segment (το πρώτο βήμα στην τρίδρομη χειραψία) δρομολογείται μέσω διαφορετικών domains στον web server SYN SYNACK SYNACK Ο web server αποκρίνεται με TCP SYNACK (step 2 in 3-way handshake) web server Η TCP σύνδεση εγκαθιδρύεται! Επίπεδο ζεύξης

Μία συνηθισμένη ημέρα … HTTP request/reply
web page εμφανίζεται τελικά (!!!) HTTP HTTP HTTP TCP IP Eth Phy router (runs DHCP) HTTP HTTP Το HTTP request αποστέλλεται στο TCP socket Το IP datagram που περιέχει το HTTP request δρομολογείται στο HTTP TCP IP Eth Phy HTTP HTTP Ο web server αποκρίνεται με HTTP reply (περιέχει την web page) web server Το IP datagram που περιέχει το HTTP reply δρομολογείται πίσω στον πελάτη Επίπεδο ζεύξης

Κεφάλαιο 6 Επίπεδο ζεύξης
Ερωτήσεις ??? Δικτύωση Υπολογιστών: Προσέγγιση από πάνω προς τα κάτω 7η Έκδοση, 2016 J.F. Kurose, K.W. Ross [Εύδοξος: ] Επίπεδο ζεύξης

Κεφάλαιο 6 Επίπεδο ζεύξης

Παρόμοιες παρουσιάσεις

Παρουσίαση με θέμα: "Κεφάλαιο 6 Επίπεδο ζεύξης"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

Παρόμοιες παρουσιάσεις

Σχετικά με το έργο

Σχόλια

Είσοδος

Σύνδεση μέσω των κοινωνικών δικτύων:

Κεφάλαιο 6 Επίπεδο ζεύξης

Παρόμοιες παρουσιάσεις

Παρουσίαση με θέμα: "Κεφάλαιο 6 Επίπεδο ζεύξης"— Μεταγράφημα παρουσίασης:

Παρόμοιες παρουσιάσεις

Σχετικά με το έργο

Σχόλια