Data and Computer Communications

1. Data and Computer Communications Chapter 15 – Local Area Network Overview Ninth Edition by William Stallings Data and Computer Communications, Ninth Edition by William Stallings, (c) Pearson Education - Prentice Hall, 2011

2. 1. LAN - lähiverkot • Lähiverkkokonsepti kehitetty 1970-luvulla korvaamaan kalliit point-to-point –linkit • verkon jakaminen käyttäjien kesken • Sittemmin tullut yleisimmäksi verkkotyypiksi • Viime vuosina on lähiverkkojen tapahtunut suuria muutoksia • teknologioissa • suunnittelussa • verkkojen kaupallisissa sovelluksissa • Erityisesti suurinopeuksiset lähiverkot kehittyneet nopeasti Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH

3. LAN - lähiverkot • Lähiverkkojen yleisyyden syitä • halpa ja helposti saatavilla oleva tekniikka • läheiset suhteet (locality of reference) • tietokone on todennäköisemmin yhteydessä fyysisesti lähellä olevan koneen kanssa kuin kaukana olevan • tietokone on todennäköisesti yhteydessä tiettyjen koneiden kanssa toistuvasti • esim. työpaikat, perheet Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH

4. Lähiverkkojen kehitys • Lähiverkot ovat kehittyneet perinteisesti yhdessä PC-koneiden hyötykäytön kanssa • PC-käytön tarpeet luoneet vaatimuksia myös lähiverkkojen kehitykselle • Viime vuosiin asti lähiverkkojen tehtävänä on ollut yhdistää PC:t ja keskustietokoneet tai tarjota mahdollisuus työryhmäkommunikointiin • verkon käyttö tiedostojen siirtoa, sähköpostia, tulostuspalveluiden käyttöä • verkolta ei vaadittu suurta kapasiteettia • tekniikoina Ethernet (aiemmin myös Tokenring) Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH

5. Lähiverkkojen kehitys • Kaksi merkittävää suuntausta • PC-koneiden jatkuva tehonkasvu tuo mukanaan yhä monimutkaisemmat sovellukset • yrityksissä keksitty uusia tapoja hyödyntää lähiverkkoa • client / server –ajattelu • intranetit • Uudet suuntaukset vaativat myös verkolta enemmän • kapasiteetti, viiveettömyys Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH

6. 2. Local Area Networks (LANs) • usually owned by the organization that is using the network to interconnect equipment • key elements: • topology • transmission medium • wiring layout • medium access control

7. LAN Topologiat • Mahdollisia LAN-topologioita: • Väylä • Puu • Rengas • Tähti • Väylärakenne on puun erikoistapaus (yksi runko, ei oksia) • Erotettava fyysinen ja looginen toiminta • parikaapeli-ethernet fyysisesti tähti, mutta loogisesti väylä Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH

8. LAN Topologies

9. Bus and Tree

10. Frame Transmissionon Bus LAN

11. Ring Topology • a closed loop of repeaters joined by point-to-point links • receive data on one link & retransmit on another • links unidirectional • stations attach to repeaters • data transmitted in frames • circulate past all stations • destination recognizes address and copies frame • frame circulates back to source where it is removed • medium access control determines when a station can insert frame

12. Frame TransmissionRing LAN

13. Star Topology • each station connects to common central node • usually via two point-to-point link • one for transmission and one for reception

14. Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH

15. Choice of Topology • medium • wiring layout • access control

16. Choice of Medium • constrained by LAN topology • capacity • to support the expected network traffic • reliability • to meet requirements for availability • types of data supported • tailored to the application • environmental scope • provide service over the range of environments

17. Media Available

18. Väylä ja puutopologia • Siirtotie • Parikaapeli • Ei parhaimmillaan nopeilla datanopeuksilla • Kantataajuuskoaksiaalikaapeli (ohut Ethernet) • Ethernet-käytössä • Laajakaistakoaksiaalikaapeli (Paksu Ethernet) • Sisältyy 802.3 spesifikaatioon, muttei enää käytössä • Optinen kuitu • Mahdollinen joskaan ei ehkä käyttökelpoisin Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH

19. Kaapelointien verkkoliittimet • Parikaapeli-ethernet • Paksu ethernet • Ohut ethernet Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH

20. LAN arkkitehtuuri • LAN:ien arkkitehtuuri määritellään normaalisti kerrosmallin mukaisesti, kattaen 2 OSI:n kerrosta • Fyysinen kerros • Linkkikerros • MAC (Medium Access Control) • LLC (LogicalLinkControl) • Ylemmän tason protokollat siirtävät datalohkoja lähiverkon ylitse • OSI mallin alimmat 2 kerrosta (3. eli verkko-kerros on jo lähiverkosta riippumaton) • IEEE 802 referenssimalli Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH

21. LAN Protocol Architecture

22. LAN protokollat, IEEE 802 referenssimalli • Fyysinen kerros • Signaalien koodaus ja purku • Synkronointi (preamble) • Bittien siirto • Siirtotie ja topologia • Yleensä fyysisen kerroksen “alla”, mutta kuitenkin tärkeä LANien suunnittelulle. Siksi ovat mukana 802-mallissa Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH

23. LAN protokollat, IEEE 802 referenssimalli • Linkkikerros (Yhteys ylempiin kerroksiin) • Kokoaa datan kehyksiksi yhdessä osoitteiden ja virheenkorjauksen kanssa • Purkaa kehykset vastaanotettaessa • Vastaa siirtotien “käyttövuoroista” • Vuon valvonta ja virheenkorjaus • Yhtenäinen rajapinta erilaisille verkoille • Nämä OSI-mallin 2. kerroksen työt jaettu IEEE 802:ssa MAC ja LLC alikerroksille • Käyttövuorojen hallinta MAC-protokollilla • LLC:lle useita mahdollisia MAC-protokollia Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH

24. IEEE 802 Layers • Logical Link Control Layer (LLC) • provide interface to higher levels • perform flow and error control • Media Access Control • on transmit assemble data into frame • on reception disassemble frame, perform address recognition and error detection • govern access to transmission medium • for same LLC, may have several MAC options

25. LAN Protocols in Context

26. MAC-protokolla • LAN- ja MAN-verkoissa useita käyttäjiä jakamassa siirtotien kapasiteettia • MAC-protokollaa tarvitaan siirtotien kapasiteetin tehokkaaseen jakamiseen ja hallintaan • MAC-protokollan tekniikoiden tärkeimmät erot selviävät kysymyksillä missä ja kuinka • Missä (MAC toteutetaan)? • Keskitetty • Yksi asema jakaa lähetysvuorot • Hajautettu • Kaikki asemat toteuttavat hallintaprotokollaa Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH

27. MAC-protokolla • Keskitetyn hallinnan etuja • Prioriteetit, kapasiteetin varaus, ohitukset • Yksinkertainen logiikka yksittäisissä asemissa • Vältetään hajautetun hallinnan ongelmat • Keskitetyn hallinnan haittoja • “Kaikki munat samassa korissa”, tietyn pisteen hajotessa koko verkon toiminta lakkaa • Hallintapiste mahdollinen pullonkaula ruuhkaisessa verkossa • Hajautetulle hallinnalle päinvastoin Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH

28. MAC-protokolla • Kuinka (MAC toteutetaan)? • Vaihtelee topologian mukaan • Kompromissi • Kustannus • Suorituskyky • Monimutkaisuus • Synkroninen: staattinen kapasiteetin varaus, verrannollinen synkroniseen TDM:ään • ei yleensä optimiratkaisu • Asynkroninen: dynaaminen kapasiteetin varaus • Roundrobin, varaus, kilpailu Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH

29. Asynchronous Systems

30. MAC-protokolla • Roundrobin • Toimii vuoroperiaatteella • Tehokas, jos useilla asemilla lähetettävää • Ei toimi tehokkaasti vain yhden aseman lähettäessä • Hallinta keskitetysti tai hajautetusti • Varausmenetelmä • Siirtotien aika on jaettu aikalohkoihin (vrt. TDMA) • Varataan tarvittaessa aikalohkoja lyhyeksi tai pidemmäksi aikaa • Toimii sekä keskitetysti että hajautetusti Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH

31. data data poll “Taking Turns” MAC protocols Polling: • master node “invites” slave nodes to transmit in turn • typically used with “dumb” slave devices • concerns: • polling overhead • latency • single point of failure (master) master slaves Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH

32. “Taking Turns” MAC protocols • Token passing: • control token passed from one node to next sequentially. • token message • concerns: • token overhead • latency • single point of failure (token) T (nothing to send) T data Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH

33. MAC-protokolla • Kilpailumenetelmät • Asemat kilpailevat lähetysajasta • Luontaisesti hajautettuja • Sopivat purskeiselle liikenteelle • Yksinkertaisia, tehokkaita (pienellä kuormalla) • Suorituskyky tipahtaa suurilla kuormilla • Kaikki menetelmät jollain lailla käytössä erilaisissa LAN/MAN verkoissa Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH

34. Random Access Protocols • When node has packet to send • transmit at full channel data rate R. • no a priori coordination among nodes • two or more transmitting nodes ➜ “collision”, • random access MAC protocol specifies: • how to detect collisions • how to recover from collisions (e.g., via delayed retransmissions) • Examples of random access MAC protocols: • slotted ALOHA • ALOHA • CSMA, CSMA/CD, CSMA/CA Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH

35. Summary of MAC protocols • channel partitioning, by time, frequency or code • Time Division, Frequency Division • random access(dynamic), • ALOHA, S-ALOHA, CSMA, CSMA/CD • carrier sensing: easy in some technologies (wire), hard in others (wireless) • CSMA/CD used in Ethernet • CSMA/CA used in 802.11 • taking turns • polling from central site, token passing • Bluetooth, FDDI, IBM Token Ring Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH

36. 3. LAN-verkkojen toiminnan laajennus • Käytännössä aina LAN yhdistetään johonkin toiseen verkkoon (WAN, toinen LAN) • Kaksi yleistä yhdistystapaa • Siltaus on yksinkertainen tapa yhdistää samantyyppiset LAN:t • sama MAC ja LLC, esim. 802.3-verkot • voivat sillata eri MAC-protokollien välillä • Reititys on monimutkaisempi toimenpide, jolla voidaan yhdistää erilaiset LAN:t ja WAN:t Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH

37. Layer 2 Switch vs. Bridge • differences between switches & bridges: • layer2 switch can be viewed as full-duplex hub • incorporates logic to function as multiport bridge • new installations typically include layer 2 switches with bridge functionality rather than bridges

38. Kerroksen 3 kytkimet • Kerroksen 2 kytkimet kärsivät • Broadcast kuorma • Useiden porttien ongelma • Ratkaisuna aliverkot • Reitittimillä mahdollinen suorituskykyongelma • Kerroksen 3 kytkimet ratkaisuna Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH

39. Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH

40. twisted pair hub Hubs … physical-layer (“dumb”) repeaters: • bits coming in one link go out all other links at same rate • all nodes connected to hub can collide with one another • no frame buffering • no CSMA/CD at hub: host NICs detect collisions Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH

41. Switch • link-layer device: smarter than hubs, take active role • store, forward Ethernet frames • examine incoming frame’s MAC address, selectively forward frame to one-or-more outgoing links when frame is to be forwarded on segment, uses CSMA/CD to access segment • transparent • hosts are unaware of presence of switches • plug-and-play, self-learning • switches do not need to be configured Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH

42. Switch: allows multiple simultaneous transmissions A • hosts have dedicated, direct connection to switch • switches buffer packets • Ethernet protocol used on each incoming link, but no collisions; full duplex • each link is its own collision domain • switching:A-to-A’ and B-to-B’ simultaneously, without collisions • not possible with dumb hub C’ B 1 2 3 6 4 5 C B’ A’ switch with six interfaces (1,2,3,4,5,6) Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH

43. Switch Table A • Q: how does switch know that A’ reachable via interface 4, B’ reachable via interface 5? • A: each switch has a switch table, each entry: • (MAC address of host, interface to reach host, time stamp) • looks like a routing table! • Q: how are entries created, maintained in switch table? • something like a routing protocol? C’ B 1 2 3 6 4 5 C B’ A’ switch with six interfaces (1,2,3,4,5,6) Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH

44. Source: A Dest: A’ MAC addr interface TTL 60 1 A A A’ Switch: self-learning A • switchlearns which hosts can be reached through which interfaces • when frame received, switch “learns” location of sender: incoming LAN segment • records sender/location pair in switch table C’ B 1 2 3 6 4 5 C B’ A’ Switch table (initially empty) Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH

45. Switch: frame filtering/forwarding When frame received: 1. record link associated with sending host 2. index switch table using MAC dest address 3. if entry found for destinationthen { if dest on segment from which frame arrivedthen drop the frame else forward the frame on interface indicated } else flood forward on all but the interface on which the frame arrived Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH

46. Source: A Dest: A’ A’ A MAC addr interface TTL 60 60 1 4 A A’ A A’ A A’ A A’ A A’ A A’ A A’ Self-learning, forwarding: example A • frame destination unknown: C’ B 1 2 3 flood 6 4 5 • destination A location known: C selective send B’ A’ Switch table (initially empty) Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH

47. S4 S3 S2 F I D H G E Interconnecting switches • switches can be connected together S1 A C B • Q: sending from A to G - how does S1 know to forward frame destined to F via S4 and S3? • A: self learning! (works exactly the same as in single-switch case!) Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH

48. Institutional network mail server to external network web server router IP subnet Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH

49. Switches vs. Routers • both store-and-forward devices • routers: network layer devices (examine network layer headers) • switches are link layer devices • routers maintain routing tables, implement routing algorithms • switches maintain switch tables, implement filtering, learning algorithms Lappeenranta University of Technology / JP, PH, AH

50. A Partitioned LAN Configuration