4.3 Ethernet-lähiverkko

1. 4.3 Ethernet-lähiverkko • Yleisin lähiverkkoteknologia • IEEE:n standardoima LAN-verkko • CSMA/CD (kuulosteluväylä) • Muita lähiverkkostandardeja • esim. • Token ring (vuororengas) • FDDI • WLAN (langaton lähiverkko) ei käsitellä tällä kurssilla

2. väylä Eetteriverkon rakenne kaapeli utähti - hub toimii toistimen tavoin HUB Kaksi parijohtoa

3. Kaapelit 10Base2 ohut kaapeli • 10 => 10 Mbps • Base => kantataajuus • 2 => 200 m • 10Base-T kierretty pari & central hub • helppo hallita, kallis, suosio kasvaa • 10Base-F valokaapeli • kallis, luotettava, tehokas • 100Base-T, 100 Base-F • Fast Ethernet

4. Lyhyet etäisyydet, pieni määrä laitteita • sovittimesta keskittimeen (hub) maks. 100 m • väylä • pituus maks. < 200 metriä, • syynä vaimeneminen • solmuja maks. 30 kpl • syynä CSMA/CD => liikaa törmäyksiä • maks. 5 väylää voidaan yhdistää toistimilla • => ~1000 m, 150 laitetta • valokuitua käytettäessä hieman pitemmät etäisyydet

5. Signaalin koodaus • Manchester-koodaus • tahdistus • jännitteen muutos keskellä bittiä • ei kellon tarvetta • lisätarve kaistanleveys • bitin koodaus • 1-bitti: jännite ensin ylhäällä, puolivälissä alas • 0-bitti: jännite ensin alhaalla ja puolivälissä ylös

6. differential Manchester • aina siirtymä keskellä • 1-bitti: ei siirtymää alussa • 0-bitti: siirtymä alussa • monimutkaisempi laitteisto • parempi kohinan sieto

7. Ehternet-kehys Source address Destin. address type data CRC

8. MAC-protokolla • tahdistuskuvio (preamble) • 7 tavua 1010101010 • synkronointia varten • kehyksen alku • 10101011 • kohde- ja lähdeosoitteet • osoitteessa 6 tavua (tai 2 tavua) • 0xxxxx… yksilöosoite • 1xxxxx … ryhmäosoite • 11111 …. kaikkia • yksi bitti: paikallinen vai globaali osoite

9. kehyksen pituus • 0-1500 tavua • mutta • kehyksen pituus vähintään 64 tavua • tarvittaessa täytettä (PAD) • jotta kehys erottuu roskasta • jotta lähettäjä ehtii havaita kehyksen törmänneen • riittävä kuunteluaika

10. kuuntelutarve • kehyksen lähetys ei saa päättyä ennen kuin alku on perillä ja mahdollinen törmäysääni kuultu • alku perillä => loppukin onnistuu • pahimmassakin tapauksessa • => kehyksen lähetyksen minimikesto: 2t

11. 10 Mbps • LAN-pituus korkeintaan 2500 m • toistimia korkeintaan 4 • lähetyksen kestettävä ainakin 51.2 ms • eli 64 tavua • 1 Gbps • => 6400 tavua

12. Törmäyksen jälkeinen uudelleenlähetys • törmäyksen jälkeen aika jaetaan lokeroiksi • 51.2 ms vastaten 512 bittiä eli 64 tavua • 1. törmäyksen jälkeen asema odottaa 0 tai lokeron ajan ennen kuin yrittää uudelleen • 2. törmäyksen jälkeen 0, 1, 2 tai 3 lokeroa

13. Binary exponential backoff • n. törmäyksen jälkeen valitaan odotusaika väliltä: 0 - 2**n-1 • 10. törmäyksen jälkeen väliä [0-1023] ei enää kasvateta • 16. törmäyksen jälkeen luovutaan ja ilmoitetaan ‘asiakkaalle’ ( eli verkkokerrokselle) epäonnistumisesta • yhä liian paljon yrittäjiä!

14. binäärinen eksponentiaalinen perääntymien on joustava • kuorma kasvaa => väli kasvaa • vaihtoehtona kiinteä valintaväli • aina [0- 1023] • aina [0-1] • aina [a-n] • entä suorituskyky?

15. Kytkentäinen 802.3 LAN • entä kun kuorma kasvaa? • väyläprotokolla skaalautuu huonosti • yhdistetään asemat kytkimellä • kytkimessä 4-32 korttia, 8 liitintä jokaisessa • reititys • samalle kortille • muualle => vastaanottajan kortille

16. Kaksi aktiivista lähettäjää yhden kortin alueella? • kortti ja sen asemat ~ LAN • kortti on törmäysalue (collision domain) • törmäykset kuten LANissa • puskuroitu porti, reitittäjä • portti on törmäysalue • aseman tilalla voi olla keskitin (hub) ==> silta (bridge)

17. Vuororengas (802.5) • rengas on ketju kaksipisteyhteyksiä • ei siis yleislähetystä • tekniikka hallussa • digitaalitekniikkaa (melkein kokonaan) • kierretty pari • koaksiaalikaapeli • valokuitu • IBM:n valinta

18. Bitin pituus • siirtonopeus renkaassa R Mbps => bitti lähetetään joka 1/R sekunti • siirtoviive kaapelissa 200 000 km/s = 200 m/ms • kukin bitti vie tällöin 200/R metriä • Jos R = 1 Mbps ja renkaan koko 1000 m, niin renkaaseen mahtuu vain 5 bittiä (a’ 200 metriä)

19. Lähetys vuororenkaassa • renkaassa kiertää vuoromerkki • erityinen bittikuvio • vuoromerkin tulee mahtua renkaaseen • kunkin aseman aiheuttama viive (1 bitti) • öisin keinotekoinen viive • siirtoviive • kuuntelu moodi • kopioi bittejä sisääntulosta ulosmenoon

20. lähetysmoodi • vain jos on vuoromerkki • omaa dataa siirretään ulosmenoon • lähetetyt bitit kiertävät koko renkaan ja lähettäjä poistaa ne • voi tutkia, onko kehyksissä virheitä • lopetettuaan lähettäjä lähettää vuoromerkin renkaaseen • rengas ei rajoita kehyksen kokoa

21. jos kevyt kuorma • vuoromerkki kiertelee renkaassa • joskus joku lähettää • jos raskas kuorma • kaikilla asemilla jonoa • kaikki lähettävät maksimimäärän ja siirtävät vuoromerkin seuraavalle • renkaan suoritusteho lähes 100%

22. Kuittaukset • kehyksessä 1 bitti kuittausta varten • aluksi 0 • vastaanottaja muuttaa 1:ksi • entä jos useita vastaanottajia? • monimutkaisempi kuittaus • ei lainkaan kuittausta

23. 802.5-rengas • kierretty pari • 1, 4 tai 16 Mbps • differential Manchester -koodaus • kehyksen alussa ja lopussa koodausta, joka ei ole normaalia dataa (high-high tai low-low)

24. Renkaan ylläpito • ongelma: rengas katkeaa! • johtokeskus (wire center) • jokainen asema yhdistetty johtokeskukseen kahdella kierretyllä parilla • releen virroitus asemalta • virta katkeaa => rele sulkeutuu • asema siirtyy ohitustilaan • asema voidaan myös ohjelmallisesti irroittaa renkaasta • esim. testausta varten

25. MAC-protokolla • token holding -time • 10 ms • access control -kenttä (1 tavu) • vuoromerkki (3 bittiä) • monitor-bitti • prioriteettibitit • varausbitit • frame status -kenttä ( 1 tavu) • automaattinen kuittaus: • A = nähnyt, C = kopioinut

26. loppumerkissä • E-bitti • asetetaan, jos havaitaan epäkelpo merkki • enf-of-file -bitti • viimeinen kehys

27. Prioriteetti • monitasoisia prioriteettejä • vuoromerkin prioriteetti • määrää minkä prioriteetin kehyksiä saa lähettää • kolme bittiä vuoromerkissä • vuoromerkin prioriteetin asetus • datakehyksen varausbittien avulla • varataan vuoromerkkiä korkean prioriteetin lähetykselle • kun lähetys loppuu uusi vuoromerkki saa korkeimman varauksen prioriteetin

28. vuoromerkin prioriteetin nostanut, myös laskee sen! • alemman prioriteetin kehykset voivat joutua odottamaan ikuisesti

29. Vuororenkaan ylläpito • keskitetty ylläpito • yksi asema toimii valvoja-asemana • kaikki asemat voivat toimia valvonta-asemana • jos valvoja-asema vikaantuu • ACTIVE_MONITOR_PRESENT -kehystä ei tule • tilanteen havainnut asema lähettää • CLAIM_TOKEN -kehyksen • jos useita => kilpailemalla saadaan uusi valvonta-asema

30. Valvoja-asema valvoo renkaan toimintaa • vuoromerkin katoaminen • vuoromerkin kiertoa valvova ajastin • jos laukeaa, rengas tyhjennetään ja lähetetään uusi vuoromerkki • vaurioituneet kehykset • väärä kehysmuoto, tarkistussumma ei täsmää • tyhjennys ja uusi vuoromerkki

31. ‘orvot’ kehykset • lähettäjä vikaantui, eikä poistanut kehystä • kehyksessä monitoribitti • valvoja asettaa kehyksen monitoribitin aina, kun kehys ohittaa sen • jos kehyksessä on jo bitti asetettu, kehys poistetaan • renkaan pituuden säätely • 24 bitin vuoromerkin tulee mahtua renkaaseen • valvoja lisää viivettä tarvittaessa • jos renkaan pituus + asemien aiheutamat 1 bitin viipeet eivät riitä

32. renkaan rikkoutuminen • kun asema huomaa renkaan katkenneen • sen naapurit vaikuttavat ‘kuollelta’ • lähettää BEACON-kehyksen • jossa oletetun rikkoutuneen aseman osoite • kehys etenee niin pitkälle kuin voi • voidaan päätellä katkoksen alku • poistetaan rikkoutuneet ohitusreleen avulla • rengas kuntoon

33. 802.3 CSMA/CDhyvät puolet • yleisesti käytetty • yksinkertainen protokolla • asemien lisääminen helppoa • passiivinen kaapeli, • ei modeemia, • kevyellä kuormalla lähetysviive nolla

34. 802.3 CSMA/CD huonot puolet • analoginen törmäyksen havaitseminen • pienin kehys 64 tavua • => yleisrasitetta, jos sanomat lyhyitä • epädetermistinen • ei prioriteetteja • raskas kuorma • => törmäyksiä => suoritusteho laskee

35. 802.5 vuororengashyvät puolet • kaksipisteyhteyksiä • rengas voidaan rakentaa mistä tahansa • täysin digitaalinen • johtokeskus • => automaattinen vikojen havaitseminen ja korjaaminen • prioriteetit • alimman prioriteetin sanomat eivät saa lähetysaikaa

36. hyvin lyhyet ja hyvin pitkät kehykset mahdollisia • suorituskykyinen ja tehokas • huonot puolet • keskitetty valvontatoiminto • seonnut valvoja voi tehdä mitä vaan • kevyellä kuormalla turhaa odotusta

37. LLC (Logical Link Control) • LAN 802 - ja MAN-verkot • vuonvalvonta, virhevalvonta, yhtenäinen rajapinta erilaisiin verkkoihin • ~ OSI-malli, HDLC • Palvelut: • epäluotettava datasähkepalvelu, • kuittaava datasähkepalvelu, • luotettava yhteydellinen palvelu

38. 4.4 Silta (bridge) • yhdistää LAN-verkkoja • linkkitason olio • toistin: ‘pala kaapelia’; fyysisellä tasolla • silta: ‘ovi’ linkkitasolla • reititin: verkkotasolla

39. Käyttötarpeita • osastoverkot • maantiede: hajautus • etäisyydet: yhdistäminen • kuormituksen jakaminen • häiriöiden rajoitus paikalliseksi • suojaus: lähiverkkojen looginen eristäminen

40. Verkkojen yhdistäminen • voi yhdistää samanlaisia lähiverkkoja • eetteri-eetteri • vuoroväylä-vuoroväylä • vuororengas - vuororengas • voi yhdistää erilaisia lähiverkkoja • esim. eetteri- vuororengas • vuoroväylä - vuororengas • kaikkiaan 9 erilaista yhdistelmää • kaikissa omat ongelmat

41. Yhteiset ongelmat yhdistämisessä • kehysrakenne • joka LANilla oma kehys • uuden kehyksen muodostaminen, • tarkistussumma laskettava uudelleen, • => silta on uusi virhelähde • siirtonopeus • eri datanopeuksia • CSMA/CD: 1, 2,10 Mbps • vuoroväylä: 1, 5, 10 Mbps • vuororengas: 1,4,16 Mbps

42. CSMA/CD: törmäykset • eri virroilla yhteinen kohde => kehysten puskurointi tarpeen • puskurien ylivuoto • ylempien kerrosten ajastimet => tarpeettomia uudelleenlähetyksiä

43. kehyksen maksimipituus • eetteriverkko 1500 tavua, • vuoroväylä 8191 tavua, • vuororengas vuoromerkki rajoittaa 5000 tavua • linkkikerroksen tehtäviin ei kuulu kehyksien pilkkominen ja kokoaminen • mitä tehdään ylipitkälle kehykselle? • jos liian iso, roskiin

44. prioriteetti • CSMA/CD: ei prioriteettia • vuororengas ja vuoroväylä: prioriteetti, • mutta erilainen • kuittauspyyntö (vuoroväylä) • jos kehyksessä kuittauspyyntö, kuka vastaa • silta • ei kukaan • kuittaus (vuororengas) • A- ja C-bitit (nähty/kopioitu) • sama ongelma, kuka vastaa

45. Siltojen edut • verkkojen ja asemien määrää helppo kasvattaa • erilaisia lähiverkkoa • sillat eivät näy ylemmille kerroksille • voidaan kerätä tietoja ja säädellä pääsyä • luotettavuus ja suorituskyky kasvaa

46. Siltojen haitat • sillat puskuroivat ja aiheuttavat viivettä • ei vuonsäätelyä => sillan kapasiteetti voi ylittyä • kehysrakenteen muuttaminen => virheitä jää havaitsematta • Yleisesti edut selvästi suuremmat kuin haitat

47. Sillan portit • Lähiverkko liitetään siltaan portin kautta • yksinkertaisissa silloissa vain kaksi porttia • monipuolisissa useita • Portti • MAC-piiri • noudattaa vastaavan lähiverkon protokollaa • CSMA/CD, vuororengas, vuoroväylä • ohjelmisto • huolehtii alustuksesta • puskurin hallinnasta

48. Tuntumaton silta (transparent bridge, spanning tree bridge) • tavoitteena tuntumattomuus • 1 • ‘plug and play’ • ei mitään muutoksia laitteistoon, ohjelmistoon • ei reititystauluja ja parametrien asettelua • ei vaikuta itse LANien toimintaan • tuntumaton silta toimii ‘promiscuous’-moodissa • vastaanottaa kaikki siihen kytketyiltä LANeilta tulevat kehykset • joko hylkää tai reitittää edelleen

49. kahden aseman välissä oleva silta ei näy kummallekaan asemalle • silta tekee kaikki reititysratkaisut • silta alustaa itse itsensä • silta sopeutuu dynaamisesti verkon muutoksiin

50. useita sanomia voi saapua yhtäaikaa • talletetaan puskureihin • saapuneista sanomista valmistetaan niiden kohdeverkkoa vastaava kehys