Δίκτυα Υπολογιστών ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Ενότητα 7: Μετάδοση πληροφορίας στο στρώμα διασύνδεσης Δρ. Χαράλαμπος Ζ. Πατρικάκης Τμήμα Ηλεκτρονικών Μηχανικών Τ.Ε Κάντε κλικ για να ξεκινήσετε
Βιβλιογραφία James F. Kurose - Keith W. Ross, Δικτύωση Υπολογιστών, εκδ. Γκιούρδας. Tanenbaum, Wetherall, Δίκτυα Υπολογιστών, Εκδ. Κλειδάριθμος. Douglas E. Comer, Δίκτυα και διαδίκτυα υπολογιστών και εφαρμογές τους στο Internet, Κλειδάριθμος. Monteiro, J. M., Cruz, R. S., Patrikakis, C. Z., Papaoulakis, N. C., Calafate, C. T., & Nunes, M. S. (2013). Peer-to-Peer Video Streaming. In R. Farrugia, & C. Debono (Eds.), Multimedia Networking and Coding (pp. 254-313). Hershey, PA: Information Science Reference. doi:10.4018/978-1-4666-2660-7.ch010. Charalampos Z. Patrikakis, Angelos- Christos Anadiotis, Penetrating with DDoS Attacks, (διαθέσιμο στο διαδίκτυο: http://pentestmag.com), PenTest Magazine, vol2 no 5, Aug 2012, pp [16-22]. Pendegraft, N. (2003). The TCP/IP Game. In T. McGill (Ed.), Current Issues in IT Education (pp. 117-124). Hershey, PA: IRM Press. doi:10.4018/978-1- 93177-753-7.ch009. Τμήμα των σημειώσεων είναι βασισμένο σε συνοδευτικό υλικό του βιβλίου των James F. Kurose - Keith W. Ross, Computer Networking, Pearson publications 2
Περιεχόμενα 7.1 Επίπεδο διασύνδεσης (ζεύξης) δεδομένων (Data Link Layer). 7.2 Από τις διευθύνσεις δικτύου στους υπολογιστές (ARP). 3
Προσδοκώμενα Αποτελέσματα Στην ενότητα αυτή θα μάθετε για: Τη διευθυνσιοδότηση στο στρώμα διασύνδεσης δεδομένων, Μετάδοση πληροφορίας από σημείο σε σημείο, Εικονικά τοπικά δίκτυα, Tο πρωτόκολλο AR 4
7.1 Επίπεδο διασύνδεσης (ζεύξης) δεδομένων Data Link Layer 5
Εισαγωγικές έννοιες Στο επίπεδο Data Link, γίνεται μεταφορά πληροφορίας από έναν κόμβο, στον επόμενο, ο οποίος είναι άμεσα συνδεδεμένος με αυτό. Τα τερματικά συστήματα και οι δρομολογητές είναι ισοδύναμα. Οι συνδέσεις (links) ανάμεσα στους κόμβους μπορεί να είναι ενσύρματες ή ασύρματες. Τα datagrams, ενθυλακώνονται μέσα σε layer 2 frames. 6
Μεταφορά και δρομολόγηση Τα datagrams μεταφέρονται πάνω από διαφορετικά πρωτόκολλα επιπέδου Data Link και πάνω από διαφορετικού τύπου συνδέσεις. Παράδειγμα: μεταφορά πάνω από ενσύρματες συνδέσεις τύπου Ethernet και ασύρματες τύπου 802.11 από άκρο σε άκρο. Τα διαφορετικά πρωτόκολλα μπορεί να παρέχουν διαφορετικού τύπου υπηρεσίες (για παράδειγμα κάποια μπορεί να παρέχουν αξιόπιστη μετάδοση δεδομένων πάνω στη ζεύξη και άλλα όχι). 7
Αναλογία χρήσης πρωτοκόλλων επιπέδων δικτύου και σύνδεσης δεδομένων Υποθέστε ότι θέλετε να ταξιδέψετε από την Αθήνα στη Θεσσαλονίκη. Πηγαίνετε με τα πόδια μέχρι το Μετρό. Παίρνετε το Μετρό για Αεροδρόμιο. Πετάτε μέχρι Θεσσαλονίκη. Παίρνετε ταξί έως τον τελικό σας προορισμό. Εσείς: Datagram. Κάθε παραπάνω βήμα: Communication Link. Κάθε μέσο μεταφοράς Link layer protocol. Προγραμματισμός του ταξιδιού (αλγόριθμος δρομολόγησης). 8
Υπηρεσίες Επιπέδου Διασύνδεσης Δεδομένων Πλαισίωση (Framing), Πρόσβαση σύνδεσης (link access): Ενσωμάτωση datagram σε πλαίσια (frame), προσθέτοντας επικεφαλίδα, trailer. Υλοποιεί πρόσβαση σε κανάλι επικοινωνίας στην περίπτωση κοινού μέσου. Οι διευθύνσεις data link χρησιμοποιούνται στις επικεφαλίδες των πλαισίων για προσδιορισμό της αφετηρίας και του προορισμού (ΠΡΟΣΟΧΗ: Είναι διαφορετικές από τη διεύθυνση IP). Αξιόπιστη παράδοση μεταξύ δύο συσκευών που συνδέονται με φυσικό τρόπο: Στην περίπτωση που χρησιμοποιούνται οπτικές ίνες, ή ορισμένα συνεστραμμένα ζεύγη καλωδίων έχουμε πολύ χαμηλό ρυθμό λαθών, άρα δεν υπάρχει ανάγκη για εξασφάλιση αξιοπιστίας μέσω ειδικών μηχανισμών στο επίπεδο Data Link. Αντίθετα στις ασύρματες συνδέσεις έχουμε υψηλούς ρυθμούς λαθών. 9
Υπηρεσίες Επιπέδου Διασύνδεσης Δεδομένων Έλεγχος ροής: Συγχρονισμός ανάμεσα σε αποστολέα και παραλήπτη. Ανίχνευση λαθών: Λάθη που προκαλούνται από εξασθένηση σήματος και θόρυβο. Όταν ο παραλήπτης ανιχνεύσει λάθη, απορρίπτει τα frames και ειδοποιεί τον αποστολέα για επαναμετάδοση Διόρθωση λαθών: Ο παραλήπτης βρίσκει και διορθώνει λάθη χωρίς επαναμετάδοση. Μετάδοση full duplex- half duplex: Δυνατότητα για παράλληλη ή όχι μετάδοση και στις δύο κατευθύνσεις. 10
Υλοποίηση πρωτοκόλλων Link Layer Κάθε συσκευή η οποία είναι συνδεδεμένη στο δίκτυο υλοποιεί ένα πρωτόκολλο ζεύξης σε μία ή περισσότερες κάρτες δικτύου (network interface card - NIC) ή σε ένα chip. Παραδείγματα: Κάρτα 802.3 (Ethernet), Κάρτα 802.11 (ασύρματο LAN), Ethernet chipset. Συνδέεται με το δίαυλο μεταφοράς δεδομένων του αντίστοιχου συστήματος στο οποίο έχει εγκατασταθεί. Υλοποιεί την επικοινωνία σε φυσικό επίπεδο ανάμεσα σε δύο γειτονικά συστήματα. Για να λειτουργήσει, συνοδεύεται ανά περίπτωση από το αντίστοιχο, software ή firmware. 11
Επικοινωνία ανάμεσα σε δύο κάρτες δικτύου Πομπός - αποστολέας: Ενθυλακώνει τα datagrams σε frames. Προσθέτει την αναγκαία πληροφορία για έλεγχο ακεραιότητας δεδομένων, αξιόπιστη μετάδοση, έλεγχο ροής κ.λ.π. Δέκτης παραλήπτης: Έλεγχος για λάθη, ρυθμό μετάδοσης, κ.λ.π. Εξάγει το datagram και το παραδίδει στο παραπάνω επίπεδο (δικτύου). 12
Μηχανισμός ανίχνευσης λαθών στη μετάδοση Ο έλεγχος λαθών δεν είναι αξιόπιστος 100% (γιατί;) Υπάρχει η (πάρα πολύ μικρή) πιθανότητα να αποτύχει. Μεγαλύτερη αξιοπιστία συνεπάγεται μεγαλύτερη επιβάρυνση σε πλεονάζοντα δεδομένα ελέγχου (EDC= Error Detection and Correction bits). Τα δεδομένα τα οποία προστατεύονται από το μηχανισμό, μπορεί να συμπεριλαμβάνουν και την επικεφαλίδα. Μηχανισμός ελέγχου: Ο αποστολέας υπολογίζει το EDC, και το επισυνάπτει στο τέλος του frame. O παραλήπτης επανυπολογίζει το EDC στα δεδομένα που έλαβε, και το συγκρίνει με αυτό που είχε επισυνάψει ο αποστολέας. Εάν οι τιμές είναι ίσες, τότε η μετάδοση έγινε σωστά. Αλλιώς υπήρξε λάθος στη μετάδοση. 13
Parity checking single bit parity: Ανίχνευση λαθών σε ένα μόνο bit two-dimensional bit parity:ανίχνευση και διόρθωση λαθών σε ένα μόνο bit 14
Μέθοδοι διάγνωσης λαθών Internet Checksum: Τα δεδομένα αντιμετωπίζονται ως ακέραιοι των 16-bit σε σειρά. Αυτοί προστίθενται και υπολογίζεται το άθροισμα του συμπληρώματος ως προς ένα, το οποίο χρησιμοποιείται ως πεδίο ελέγχου (check sum). Cyclic Redundancy Check CRC Πιο ισχυρή μέθοδος. Όλα τα δεδομένα αντιμετωπίζονται ως ένας αριθμός, και χρησιμοποιώντας έναν αριθμό (generator) bits, υπολογίζεται το CRC, έτσι ο συνδυασμός δεδομένων και CRC να διαιρείται ακριβώς με το Generator. Χρησιμοποιείται στα Ethernet, 802.11 WiFi, ATM. 15
Συνδέσεις και πρωτόκολλα πολλαπλής πρόσβασης Συνδέσεις σημείου προς σημείο (Point to Point PtP) PPP για dial-up πρόσβαση. point-to-point link ανάμεσα σε ένα Ethernet switch και έναν host. Ευρυεκπομπή - broadcast (πάνω από κοινό μέσο: καλώδιο, αέρας) old-fashioned Ethernet. upstream HFC. 802.11 ασύρματο LAN. switched (π.χ. switched Ethernet, ATM). 16
Πρωτόκολλα πολλαπλής πρόσβασης Ένα κοινό κανάλι επικοινωνίας. Δύο ή περισσότερες σύγχρονες μεταδόσεις από κόμβους = παρεμβολή. Μόνο ένας κόμβος μπορεί να μεταδώσει κάθε φορά με επιτυχία. Πρωτόκολλο πολλαπλής πρόσβασης: Ένας κατανεμημένος αλγόριθμος ελέγχει πως μοιράζονται το κανάλι όλοι οι σταθμοί, π.χ. Πότε μπορούν να στείλουν δεδομένα. Η επικοινωνία πληροφορίας σχετικά με τη χρήση του καναλιού χρησιμοποιεί το ίδιο κανάλι. 17
Πρωτόκολλα πρόσβασης στο μέσο (Medium Access Control MAC) Διαίρεση καναλιού Διαίρεση καναλιού σε μικρότερα τμήματα (TDMA -χρονοθυρίδες, FDMA -συχνότητα). Κάθε τμήμα δίδεται για αποκλειστική χρήση. Τυχαία πρόσβαση Επιτρέπει συγκρούσεις. Mηχανισμός ανάνηψης από συγκρούσεις. Ethernet (CSMA/CD), 802.11 (CSMA/CA). Πρόσβαση «με προτεραιότητα» Αυστηρή διαχείριση χρήσης κοινού μέσου για αποφυγή συγκρούσεων. bluetooth, FDDI, token ring. Αποδοτικός και δίκαιος διαμοιρασμός καναλιού σε συνθήκες υψηλού φόρτου Ανεπαρκής σε συνθήκες χαμηλού φόρτου Καθυστερήσεις στην πρόσβαση στο κανάλι Αποδοτική σε συνθήκες χαμηλού φόρτου Σε συνθήκες υψηλού φόρτου έχουμε συγκρούσεις και κόστος από την επαναμετάδοση Χρήση πλεονεκτημάτων και από τα δύο παραπάνω Στόχος: απόδοση, απλότητα, δικαιοσύνη 18
Πρωτόκολλα Διαμερισμού Καναλιού TDMA: Time Division Multiple Access Πρόσβαση στο κανάλι με «σειρά». Κάθε σταθμός παίρνει μια θυρίδα ορισμένου μήκους σε κάθε γύρο. Οι αχρησιμοποίητες θυρίδες μένουν ανενεργές. Παράδειγμα: LAN 6 σταθμών με τους σταθμούς 1,3,4 ενεργούς έχει τις θυρίδες 2,5,6 ανενεργές. 6-slot frame 6-slot frame 1 3 4 1 3 4 19
Συχνότητες Πρωτόκολλα Διαμερισμού Καναλιού FDMA: Frequency Division Multiple Access Το φάσμα διαιρείται σε μπάντες. Κάθε σταθμός παίρνει μία μπάντα σταθερής συχνότητας. Αχρησιμοποίητος χρόνος σε κάθε μπάντα συχνοτήτων μένει ανενεργός. 20
Πρωτόκολλα Τυχαίας Πρόσβασης (Random Access Protocols) Όταν ένας κόμβος έχει δεδομένα προς αποστολή: Μεταδίδει με το μέγιστο δυνατό ρυθμό. Δεν υπάρχει εκ των προτέρων συνεννόηση μεταξύ των κόμβων. Όταν δύο ή παραπάνω κόμβοι μεταδίδουν ταυτόχρονα έχουμε σύγκρουση. Ένα πρωτόκολλο τυχαίας πρόσβασης καθορίζει: Τον τρόπο ανίχνευσης των συγκρούσεων. Πως θα αντιμετωπιστούν επαναμεταδόσεις). (π.χ. Καθυστερημένες Παραδείγματα πρωτοκόλλων: slotted ALOHA. ALOHA. CSMA, CSMA/CD, CSMA/CA. 21
CSMA (Carrier Sense Multiple Access) CSMA: τα τερματικά ακούν πριν αρχίσουν τη μετάδοση, και εάν υπάρχει ήδη κάποιος που μεταδίδει, αναβάλλουν την μετάδοσή τους. CSMA/CD (Collision Detection): τα τερματικά ανιχνεύουν συγκρούσεις μετά από την έναρξη της μετάδοσης και σταματούν (άρα άμεση αντίδραση). Αυτό γίνεται εύκολα στα ενσύρματα μέσα αλλά όχι στα ασύρματα 22
Πρόσβαση με «προτεραιότητα» polling: Ένας διαχειριστής (master node), χρησιμοποιείται για να προσκαλέσει τους υπόλοιπους κόμβους (slave nodes) να μεταδώσουν με τη σειρά τους. Προβλήματα: Κόστος προσκλήσεων. Καθυστερήσεις. Μοναδικό σημείο αστοχίας ο διαχειριστής. data slaves data poll master 23
Πρόσβαση με «προτεραιότητα» Χρήση σκυτάλης (token): Η σκυτάλη περνάει από έναν κόμβο στον επόμενο. Προβλήματα: Κόστος προσκλήσεων. Καθυστερήσεις. Μοναδικό σημείο αστοχίας ο διαχειριστής. (μη διαθέσιμη πληροφορία προς αποστολή) T T data 24
Διευθύνσεις MAC και διευθύνσεις IP Διευθύνσεις IP: 32-bits Χρήση σε επίπεδο δικτύου. Χρήση για προώθηση datagrams. Εξάρτηση από υποδίκτυο. Διεύθυνση MAC : 48-bits Χρήση σε επίπεδο ζεύξης. για μετάδοση ενός frame ανάμεσα σε δύο διασυνδεμένα μεταξύ τους συστήματα. Γραμμένη στη ROM της κάρτας δικτύου, αλλά και τροποποιήσιμη από το λογισμικό ορισμένες φορές. Ανεξάρτητη από δίκτυο. Οι κατασκευαστές αγοράζουν πεδίο διευθύνσεων και το χρησιμοποιούν ως πρώτο τμήμα της διεύθυνσης της κάρτας δικτύου. 25
Ethernet: χαρακτηριστικά Αναξιόπιστο. Ασυνδεσιστρεφές. Πρωτόκολλο MAC: CSMA/CD (binary backoff). 26
Δομή ενός frame Ethernet type preamble dest. address source address data (payload) CRC addresses: Διευθύνσεις MAC. type: Τύπος πρωτοκόλλου επιπέδου δικτύου (π.χ. IP, Appletalk, Novell IPX ). CRC: Πεδίο ελέγχου. preamble: 7 bytes με την ακολουθία bits 10101010, ακολουθούμενα από ένα όγδοο, με την ακολουθία bits 10101011. Χρησιμοποιείται για το συγχρονισμό αποστολέα και παραλήπτη, και του ρυθμού λειτουργίας των ρολογιών τους. 27
Πρότυπα Ethernet 802.3 Υπάρχουν αρκετά διαφορετικά πρότυπα Ethernet. Χρησιμοποιούν τον ίδιο τύπο MAC protocol frame. Υποστηρίζουν διαφορετικές ταχύτητες: 2 Mbps, 10 Mbps, 100 Mbps, 1Gbps, 10Gbps. Διαφέρουν όσον αφορά στη χρήση του φυσικού μέσου (καλώδιο, οπτική ίνα). Επίπεδο Data Link MAC protocol and frame format Φυσικό επίπεδο 100BASE-TX 100BASE-T4 100BASE-T2 100BASE-SX 100BASE-FX 100BASE-BX Χάλκινο καλώδιο Οπτική ίνα 28
Ethernet switches Αποθηκεύουν και προωθούν Ethernet frames. Εξετάζουν τη διεύθυνση MAC του frame που έλαβαν, και το προωθούν επιλεκτικά, σε μία ή περισσότερες εξόδους του, συνεχίζοντας να χρησιμοποιεί πρωτόκολλο CSMA/CD. Η ύπαρξη switch στο δίκτυο δεν γίνεται αντιληπτή από τα τερματικά. Δε χρειάζονται εγκατάσταση (plug-and-play, self-learning). Διατηρούν πίνακες (αντίστοιχους με τα routing tables) οι οποίοι κρατούν τις διευθύνσεις MAC των συσκευών οι οποίες είναι συνδεδεμένες σε κάθε πόρτα τους (+ χρόνο ζωής). 29
Switches και routers Routers Λειτουργούν σε επίπεδο δικτύου. Χρησιμοποιούν πίνακες δρομολόγησης οι οποίοι ενημερώνονται με τη χρήση αλγορίθμων δρομολόγησης. Λειτουργούν με λογική store and forward. Switches Λειτουργούν σε επίπεδο ζεύξης. Χρησιμοποιούν τεχνικές πλημμύρας (flooding) για να μάθουν διευθύνσεις MAC. Λειτουργούν με λογική store and forward. 30
7.2 Από τις διευθύνσεις δικτύου στους υπολογιστές Data Link Layer 32
Πρωτόκολλο ARP: ίδιο LAN A ARP query packet Internet 111.111.111.111 74-29-9C-E8-FF-55 111.111.111.113 49-BD-D2-C7-56-2A IP A s ARP Table MAC 111.111.111.112 CC-49-DE-D0-AB-7D ARP query packet B Πηγή :74-29-9C-E8-FF-55 Προορισμός: FF-FF-FF-FF-FF-FF (Περιλαμβάνει την ΙP του Β) 111.111.111.112 CC-49-DE-D0-AB-7D 111.111.111.114 88-B2-2F-54-1A-0F 33
Πρωτόκολλο ARP: ίδιο LAN A 111.111.111.111 74-29-9C-E8-FF-55 IP A s ARP Table MAC 111.111.111.112 CC-49-DE-D0-AB-7D 111.111.111.113 49-BD-D2-C7-56-2A Internet ARP query Packet (REPLY) ARP query Packet (REPLY) 111.111.111.113 49-BD-D2-C7-56-2A B 111.111.111.112 CC-49-DE-D0-AB-7D 111.111.111.114 88-B2-2F-54-1A-0F 34
MAC of Source (A s MAC) MAC of Destination (R0 s MAC) IP of Source (A s IP) IP A s ARP Table MAC ARP protocol: different LAN 111.111.111.112 CC-49-DE-D0-AB-7D R1 s ARP Table IP MAC 222.222.222.222 49-BD-D2-C7-56-2A IP of Destination (B s IP) 111.111.111.110 E6-E9-00-17-BB-4B 222.222.222.221 88-B2-2F-54-1A-0F MAC of Source (R1 s MAC) A s MAC R0 s MAC A s IP B s IP MAC of Destination (B s MAC) A s MAC R0 s MAC A s IP B s IP Internet A s R1 s B s IP MAC IP B s MAC R A s IP B s IP Internet B A 111.111.111.111 74-29-9C-E8-FF-55 R0 R1 222.222.222.222 49-BD-D2-C7-56-2A 111.111.111.110 E6-E9-00-17-BB-4B 222.222.222.220 1A-23-F9-CD-06-9B 111.111.111.112 CC-49-DE-D0-AB-7D 222.222.222.221 88-B2-2F-54-1A-0F 35
Σε αυτή την ενότητα μιλήσαμε για: 7.1 Επίπεδο διασύνδεσης (ζεύξης) δεδομένων (Data Link Layer). 7.2 Από τις διευθύνσεις δικτύου στους υπολογιστές (ARP). 37
Δίκτυα Υπολογιστών ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Ενότητα 6: Δημιουργία δικτύων και υποδικτύων σε περιβάλλον πρωτοκόλλου ΙΡ Δρ. Χαράλαμπος Ζ. Πατρικάκης Τμήμα Ηλεκτρονικών Μηχανικών Τ.Ε