Ιόνιο Πανεπιστήµιο Τµήµα Πληροφορικής Ενότητες Μαθήµατος ίκτυα Η/Υ Πρόσβαση στο ίκτυο (Network Access) & ιασύνδεση ικτύων (internetworking) 1. Επίπεδο 2 στο Μοντέλο TCP/IP- (Network Access ή Data Link Layer) Τεχνικές Πρόσβασης στο ίκτυο Πρωτόκολλα LAN ιευθυνσιοδότηση στα Τοπικά ίκτυα (LAN). Ανίχνευση και ιόρθωση Σφαλµάτων (Error Detection and Correction) 2. Ειδικός ικτυακός Εξοπλισµός & ιασύνδεση ικτύων (internetworking) Κάρτες ικτύου (NIC) Επαναλήπτες (Repeaters) Ενότητα ΣΤ ιανοµείς (Hubs) Γέφυρες (Bridges) Μεταγωγείς (Switches) ροµολογητές (Routers) ρ. Ε. Μάγκος Επίπεδο 2 στο Μοντέλο TCP/IP Πρόσβαση στο ίκτυο (Network Access) Επίπεδο 2 A transportation Analogy Το επίπεδο 2 αναλαµβάνει τη µεταφορά ενός πακέτου (datagram) από έναν κόµβο σε έναν άλλο (γειτονικό) κόµβο µέσα από ένα κανάλι επικοινωνίας (link) Κανάλια «Σηµείο προς Σηµείο» Ένας κόµβος στο ένα άκρο του συνδέσµου και ένας στο άλλο. Κανάλια «Εκποµπής» >= δύο κόµβοι µε πρόσβαση στο ίδιο κανάλι επικοινωνίας.
Πολλαπλή Πρόσβαση - Παραδείγµατα Το πρόβληµα της Πολλαπλής Πρόσβασης Σε ένα κανάλι εκποµπής, αν δύο ή περισσότεροι κόµβοι µεταδώσουν ταυτόχρονα, τότε οι µεταδόσεις θα καταλήξουν σε συγκρούσεις (collisions) Αποτέλεσµα: απώλεια χωρητικότητας του µέσου µετάδοσης. Το πρόβληµα της Πολλαπλής Πρόσβασης (Multiple Access) στα Τοπικά ίκτυα Υπολογιστών (LAN). Πώς θα συντονίσουµε την πρόσβαση των κόµβων στο ίδιο κανάλι επικοινωνίας Πρωτόκολλα Πολλαπλής Πρόσβασης (Multiple Access Control - MAC) TCP/IP concepts Τα πρωτόκολλα πολλαπλής πρόσβασης, διακρίνονται σε: A. Πρωτόκολλα Κατάτµησης Καναλιού (Channel Partitioning) B. Πρωτόκολλα Τυχαίας Πρόσβασης (Random Access Protocols) C. Πρωτόκολλα Πρόσβασης «Με Σειρά» (Taking Turns Protocols) Τα πρωτόκολλα πολλαπλής πρόσβασης «ανήκουν» στο Επίπεδο 2 (Πρόσβασης ικτύου Network Access) του Μοντέλου TCP/IP
Α. Κατάτµηση Καναλιού (Channel Partitioning) Α. Κατάτµηση Καναλιού (Channel Partitioning) Στατικές (static) Μέθοδοι, που µοιράζουν εκ των προτέρων, ισοµερώς, τη χωρητικότητα του καναλιού επικοινωνίας στους κόµβους του δικτύου. 1. Πολυπλεξία ιαίρεσης Συχνότητας (FDM Frequency Division Multiplexing) FDM: Κατάτµηση του καναλιού των R bps σε Ν κανάλια συχνοτήτων µε χωρητικότητα R/N bps το καθένα. 2. Πολυπλεξία ιαίρεσης Χρόνου (TDM Time Division Multiplexing) ΤDM: Κατάτµηση του χρόνου σε Ν χρονοθυρίδες, και απόδοση κάθε χρονοθυρίδας σε έναν κόµβο (χωρητικότητα για κάθε κόµβο: R/N bps) Frame Πολυπλεξία TDM Α. Κατάτµηση Καναλιού (Channel Partitioning) Χρήση των τεχνικών FDM και TDM σε πολλά πεδία (Κινητή Τηλεφωνία, Ραδιοφωνία, Τηλεοπτικά Προγράµµατα, Μισθωµένες Γραµµές T1, ) Πλεονεκτήµατα: ίκαια Πρωτόκολλα Όχι Συγκρούσεις/παρεµβολές Μειονεκτήµατα: Ένας κόµβος «µοιράζεται» την ίδια χωρητικότητα µε τους άλλους κόµβους, ακόµα και αν είναι ο µόνος που θέλει να «µιλήσει»!!
http://www.soc.staffs.ac.uk/jjc1/files/fmc/mc_lec_7_2004.ppt FDM, TDM και υβρίδια: Κινητή Τηλεφωνία Β. Πρωτόκολλα Τυχαίας Πρόσβασης (Random Access Protocols) FDM TDM Hybrid Στα πρωτόκολλα Τυχαίας Πρόσβασης, ηδέσµευση της χωρητικότητας γίνεται δυναµικά. Ένας κόµβος µπορεί να µεταδώσει αξιοποιώντας όλη τη χωρητικότητα του καναλιού (R bps). Όταν δύο κόµβοι µεταδίδουν µαζί τα πακέτα τους υφίστανται σύγκρουση. Εάν εµπλακεί σε σύγκρουση, οκόµβος περιµένει ένα τυχαίο χρονικό διάστηµα πριν αποπειραθεί να µεταδώσει ξανά το πακέτο. To πρωτόκολλο ALOHA Ασυγχρόνιστο Aloha (1970) Packet from other station Any packet starting between t 0 and t 0-1 collides Packet from station i Packet from other station Any packet starting between t 0 and t 0 +1 collides CSMA (Carrier Sense Multiple Access) 1975 Οι κόµβοι «ανιχνεύουν» το κανάλι πριν µεταδώσουν Αν το κανάλι είναι ελεύθερο, τότε µεταδίδουν, αλλιώς περιµένουν Ο κόµβος περιµένει ένα πακέτο επιβεβαίωσης (ACK) t 0-1 t 0 t 0 +1 Συγχρονισµένο Aloha (1985) E Empty C Collision S - Success
Σενάρια Σύγκρουσης στο CSMA CSMA/CD (CSMA with Collision Detection) 1990 Οι κόµβοι συνεχίζουν την ανίχνευση του καναλιού µετάδοσης, ακόµα και µετά την έναρξη της µετάδοσης το ποσό της χαµένης χωρητικότητας µειώνεται στον χρόνο που χρειάζεται για να ανιχνευθεί η σύγκρουση, δηλαδή στην καθυστέρηση διάδοσης του σήµατος θορύβου. http://www.datacottage.com/nch/eoperation.htm CSMA/CD (CSMA with Collision Detection) 1990 CSMA/CD 1. Ανίχνευσε Κανάλι; 2. ΑΝ κανάλι σε αργία ΤΟΤΕ 3. Μετάδωσε αµέσως 4. ΑΛΛΙΩΣ_ΑΝ κανάλι κατειληµµένο ΤΟΤΕ 5. GOTO 1. 7. ΤΕΛΟΣ_ΑΝ 8. Ανίχνευσε Κανάλι 9. ΑΝ Σύγκρουση ΤΟΤΕ 10. Σταµάτα Μετάδοση, και περίµενε ένα (τυχαίο) χρονικό διάστηµα - backoff 11. ΤΕΛΟΣ_ΑΝ
Πρωτόκολλα Τυχαίας Πρόσβασης και Ασύρµατα ίκτυα C. Πρωτόκολλα Πρόσβασης «Με Σειρά» (Taking Turns Protocols) Hidden Terminal problem H ιδέα πάνω στην οποία βασίζεται το Ethernet, δεν µπορεί να εφαρµοστεί στα ασύρµατατοπικάδίκτυα!!! Εµβέλεια µετάδοσης Mobility A B C D Exposed Terminal problem Κανόνας CSMA/CA : Αποχή (backoff) πριν τη σύγκρουση Κανόνας CSMA/CD: Αποχή (backoff) µετά τη σύγκρουση ύο επιθυµητές ιδιότητες των πρωτοκόλλων πολλαπλής πρόσβασης, είναι: 1. Όταν ένας (και µόνο) υπολογιστής είναι ενεργός R bps 2. Όταν είναι Ν υπολογιστές ενεργοί R/Ν bps (έκαστος) Τα πρωτόκολλα τυχαίας πρόσβασης εκπληρώνουν µόνο την ιδιότητα 1. Λύση: Πρωτόκολλα Πρόσβασης «Με Σειρά» Κουπόνι ιέλευσης (Τoken Passing) Σχετιζόµενες τοπολογίες: ακτύλιος APPLET: http://www-mm.informatik.uni-mannheim.de/veranstaltungen/animation/mac/tr/ Παράδειγµα ικτύου που υλοποιεί το «Κουπόνι ιέλευσης» Παράδειγµα ικτύου που υλοποιεί το «Κουπόνι ιέλευσης»
FDDI - Ένα δίκτυο κορµού γιατοπικάδίκτυα APPLET: http://www-mm.informatik.uni-mannheim.de/veranstaltungen/animation/mac/fddi/ ύο δακτύλιοι οπτικών ινών Τοπολογίες Τοπικών ικτύων (Ενσύρµατα) Αστέρας ακτύλιος Κεντρικός Κόµβος έντρο Σταθµοί κλάσης Α: συνδέονται και στους δύο δακτυλίους Σταθµοί κλάσης Β: συνδέονται στον ένα δακτύλιο ίαυλος
Τοπολογίες ίαυλος (Bus) Εύκολη υλοποίηση Μικρό µήκος καλωδίου Ιδανικός για µικρό αριθµό κόµβων + µικρή κυκλοφορία Βλάβη κόµβου δεν επηρεάζει το δίκτυο Βλάβη Καλωδίου : βλάβη δικτύου Για µεγάλο αριθµό κόµβων, παραλύει το δίκτυο Αστέρας (Star) Κατάρρευση καλωδίου δεν συνεπάγεται βλάβη δικτύου Επεκτασιµότητα (µέχρι την κάλυψη των θυρών του Hub) Υψηλότεροι ρυθµοί µετάδοσης Μεγαλύτερο µήκος καλωδίου Βλάβη Κεντρικού κόµβου: βλάβη δικτύου Πιοακριβόαπότονδίαυλο Τοπολογία ακτυλίου - Καλή επιλογή όταν απαιτείται: - Ισοκατανοµή της χωρητικότητας - Υψηλός ρυθµός µετάδοσης - Μετάδοση (οπωσδήποτε) πριν από συγκεκριµένο χρον. διάστηµα Βλάβη Καλωδίου βλάβη δικτύου (εκτός και αν χρησιµοποιείται ιπλός ακτύλιος) Βλάβη Κόµβου βλάβη δικτύου (εκτός και αν υπάρχουν µέθοδοι αποµόνωσης του) Σηµαντική µέση καθυστέρηση µετάδοσης ιευθυνσιοδότηση στα ίκτυα LAN ιευθυνσιοδότηση στα ίκτυα LAN 1A-2F-BB-76-09-AD Broadcast address = FF-FF-FF-FF-FF-FF Σε ένα Τοπικό ίκτυο (µετάδοση εκποµπής), κάθε κόµβος έχει εν δυνάµει πρόσβαση σε κάθε µεταδιδόµενο πακέτο που µεταδίδεται. Ανάγκη για διευθυνσιοδότηση των πακέτων που 71-65-F7-2B-08-53 LAN (wired or wireless) 58-23-D7-FA-20-B0 = adapter µεταδίδονται στο τοπικό δίκτυο Φυσικές ιευθύνσεις ή αλλιώς ιευθύνσεις MAC Η διεύθυνση «υλικού» της κάρτας δικτύου του κόµβου. Στατικές (static) και Επίπεδες (flat) µήκος 48bit 0C-C4-11-6F-E3-98 Σε αντίθεση µε τις διευθύνσεις IP, που είναι ιεραρχικές καισυχνάείναιδυναµικές. Εκχώρηση από την IEEE
ιευθυνσιοδότηση στα ίκτυα LAN 237.196.7.23 237.196.7.78 1A-2F-BB-76-09-AD 237.196.7.14 ιευθυνσιοδότηση στα ίκτυα LAN Ερώτηση: Πώς καθορίζεται η διεύθυνση MAC ενός κόµβου, γνωρίζοντας τη διεύθυνση IP του; 71-65-F7-2B-08-53 237.196.7.88 LAN 58-23-D7-FA-20-B0 0C-C4-11-6F-E3-98 Μετάφραση των διευθύνσεων IP σε διευθύνσεις MAC Το πρωτόκολλο ARP (Address Resolution Protocol) Πρότυπα (Ενσύρµατων) Τοπικών ικτύων IEEE 802,3 (Ethernet) Πρωτόκολλο MAC: CSMA/CD 10base2 (10 Mbps, Βaseband, Οµοαξονικό ίαυλος, 200µ) 10baseT (10 Mbps, Βaseband, Xαλκός Αστέρας, 100µ) 100BaseT (100 Mbps, Βaseband, Xαλκός Αστέρας,100µ) Gigabit Ethernet (1 Gbps, χαλκός, Αστέρας) 10Gbps Ethernet (υπό δοκιµή) ΙΕΕΕ 802.5 (Token Ring, FDDI) Πρωτόκολλο MAC: Κουπόνι ιέλευσης
Ειδικός ικτυακός Εξοπλισµός Κάρτες ικτύου (NIC) Γενικά Κάρτες ικτύου (NIC) Επαναλήπτες (Repeaters) ιανοµείς (Hubs) Γέφυρες (Bridges) Μεταγωγείς (Switches) ροµολογητές (Routers) sending node datagram frame adapter link layer protocol Κάθε Κάρτα σχεδιάζεται για συγκεκριµένο τύπο δικτύου (π.χ. Ethernet, ΙΕΕΕ 802.4, ΙΕΕΕ 802.5, κ.λ.π) Ενσύρµατη ή Ασύρµατη (π.χ. Wi-Fi) frame adapter Κάθε κάρτα έχει µοναδική διεύθυνση ( ιεύθυνση MAC) Οι κάρτες δικτύου υλοποιούν τα Επίπεδα 1 και 2 (Φυσικό Επίπεδο & Επίπεδο Πρόσβασης ικτύου) του µοντέλου TCP/IP rcving node Κάρτα ικτύου Λειτουργίες Εισαγωγή στις τεχνικές Ανίχνευσης Λάθους (Error detection) A. Ρύθµιση παραµέτρων επικοινωνίας (σε συνεργασία µε άλλη κάρτα) Ρυθµός µετάδοσης Κωδικοποίηση Μέγεθος του πακέτου Έλεγχος Λαθών (Error Control): Ανίχνευση ή/και ιόρθωση B. Υλοποιεί τη µέθοδο πρόσβασης στο µέσο CSMA/CD Token Ring
Έλεγχος Ισοτιµίας (Parity Check) Έλεγχος Ισοτιµίας (Parity Check) Αποστολέας Περιττή ισοτιµία Έστω d ο αριθµός των «1» στο πακέτο. Αν d +1 είναι περιττός τότε το bit ισοτιµίας γίνεται «1» Τα d bits οργανώνονται σε γραµµές και στήλες Υπολογισµός του bit ισοτιµίας για κάθε γραµµή καιστήλη Παραλήπτης Ανίχνευση λάθους (όπως πριν) Σε περίπτωση λάθους ενός δυαδικού ψηφίου, το λάθος µπορεί να διορθωθεί! Εισαγωγή στη ιόρθωση Λαθών (Error Correction) Ένα απλό Άθροισµα Ελέγχου(CheckSum) Αποστολέας: Παραλήπτης: Τα δεδοµένα του πακέτου αντιµετωπίζονται ως µια ακολουθία k-bit ακεραίων Υπολογισµός του Αθροίσµατος Ελέγχου των δεδοµένων του πακέτου. Άθροισµα Ελέγχου(Checksum): διαδοχική πρόσθεση των k-bit αριθµών (συµπλήρωµα ως προς 1) Έλεγχος ένα το αποτέλεσµα ισούται µε τοναριθµό πουβρίσκεταιστην επικεφαλίδα του πακέτου Το άθροισµα ελέγχου τοποθετείται στην επικεφαλίδα Παράδειγµα Άθροισµα Ελέγχου CRC (Cyclic Redundancy Check) Για ένα µήνυµα (k-bit) ο αποστολέας Μεταδίδει k+nbits ώστε να η διαίρεση µε κάποιον αριθµό P να είναι τέλεια. Ο παραλήπτης ιαιρεί το µήνυµα µε τοναριθµό P. Αν το υπόλοιπο είναι 0, υποθέτει ότι δεν υπάρχει λάθος http://serversniff.net/hash.php
Επαναλήπτης (Repeater) (Επίπεδο 1 Φυσικό Επίπεδο) Επαναλήπτες Λαµβάνω σήµα στην Είσοδο Αναδηµιουργώ - Ενισχύω Παραδίδω Σήµα στην Έξοδο Λόγω εξασθένησης του σήµατος, υπάρχει ανάγκη καθορισµού της µέγιστης απόστασης που µπορεί να απέχουν δύο κόµβοι στο δίκτυο. Οι επαναλήπτες χρησιµοποιούνται για να αυξήσουν την εµβέλεια των τοπικών δικτύων Όταν ένα bit (0 ή 1), φθάσει στην είσοδο, ο επαναλήπτης αναδηµιουργεί το bit, ενισχύει την ισχύ του σήµατος που το αντιπροσωπεύει, και µεταδίδει τo σήµα στην έξοδο. ιασύνδεση ικτύων - internetworking ιανοµείς (Hubs) Ιεραρχική Αρχιτεκτονική (multi-tier) Οι επιχειρήσεις, οργανισµοί, ιδρύµατα κ.λ.π, συνήθως αποτελούνται από πολλά τµήµατα, κάθε ένα από τα οποία διαθέτει και διαχειρίζεται το δικό του LAN (LAN segment). Προκειµένου να διασυνδεθούν τα τµήµατα µεταξύ τους, πρέπει να χρησιµοποιηθεί ο κατάλληλος δικτυακός εξοπλισµός. ιανοµείς (Hubs) Γέφυρες (Bridges) Μεταγωγείς (Switches) Routers (Routers)
ιανοµείς (Hubs) (Επίπεδο 1 - Φυσικό Επίπεδο) Γέφυρες (Bridges) Οδιανοµέας λαµβάνει bits από έναν κόµβο στην είσοδο του & το εκπέµπει σε όλες τις υπόλοιπες εξόδους του. Παθητικοί ιανοµείς (απλά «διαβιβάζουν» το φέρον σήµα) Ενεργητικοί ιανοµείς (ενισχύουν και διαβιβάζουν το σήµα λειτουργούν δηλαδή και ως Επαναλήπτες). Απαιτούν ηλεκτρική σύνδεση. Στο προηγούµενο σχήµα, τα διασυνδεόµενα τµήµατα δικτύου (LAN segments) µπορούν να θεωρηθούν ως ένα LAN. Ανήκουν στο ίδιο Πεδίο Σύγκρουσης (Collision Domain) Αν δύο ή περισσότεροι κόµβοι, από οποιοδήποτε τµήµα δικτύου µεταδώσουν ταυτόχρονα, θα έχουµε ΣΥΓΚΡΟΥΣΗ Γέφυρες (Bridge) Λειτουργούν όπως οι ιανοµείς, µε ορισµένες extra λειτουργίες: 1. Φιλτράρισµα (Filtering) Πακέτων Βάσει της διεύθυνσης MAC 2. Προώθηση Πακέτων (Forwarding) Μείωση των πακέτων που περιφέρονται άσκοπα στο δίκτυο ηµιουργία ξεχωριστών Πεδίων Σύγκρουσης (Collision Domains) 3. ιαφάνεια (Transparency) ήμάθηση(self-learning) Ο πίνακας διευθύνσεων ενηµερώνεται δυναµικά (Plug and Play) switch hub hub hub collision domain collision domain collision domain
Γέφυρες (Bridges) Στο προηγούµενο Σχήµα, τα διασυνδεόµενα τµήµατα δικτύου (LAN segments) µπορούν να θεωρηθούν ως ένα LAN. Ωστόσο, τα τµήµατα δικτύου (LAN segments) ανήκουν σε διαφορετικά Πεδία Σύγκρουσης (Collision Domains). Αν δύο κόµβοι, από διαφορετικά τµήµατα µεταδώσουν ταυτόχρονα, ΕΝ θα έχουµε ΣΥΓΚΡΟΥΣΗ 62-FE-F7-11-89-A3 7C-BA-B2-B4-91-10 1 3 9.32 9.36 Πίνακας ιευθύνσεων µιας Γέφυρας Mac Port Time Subdividing an Ethernet with Switches Μεταγωγείς (Switches) Ένας Μεταγωγέας (Switch) µπορεί να θεωρηθεί ως µια υψηλής απόδοσης Γέφυρα πολλών θυρών διασύνδεσης. υνατότητα απευθείας σύνδεσης καρτών δικτύου στο Switch. Το γεγονός αυτό, σε συνδυασµό µε το ότι το Switch φιλτράρει (όπως και η γέφυρα) την κυκλοφορία, συνεπάγεται: Κάθε κάρτα δικτύου συνιστά ένα ξεχωριστό Πεδίο Σύγκρουσης! Καταργούνται οι συγκρούσεις (δε χρειάζεται collision detection). Ουσιαστικά το δίκτυο έχει πλέον συνδέσεις «Σηµείο προς Σηµείο» ε χρειάζεται πλέον ανίχνευση του καναλιού (carrier sensing)
Μεταγωγείς (Switches) ροµολογητές (Routers) (Επίπεδο 3 Επίπεδο ικτύου) Hub Switch Αποκλειστική (dedicated) πρόσβαση στη διαθέσιµη χωρητικότητα µε full duplex πρόσβαση για κάθε κόµβο. 1. Φιλτράρισµα (βάσει της διεύθυνσης IP) Καλύτερο φιλτράρισµα κυκλοφορίας στο δίκτυο, σε σχέση µε τιςγέφυρες. 2. ροµολόγηση (βάσει της διεύθυνσης IP) Βέλτιστοι Αλγόριθµοι δροµολόγησης ροµολογητές (Routers) (Επίπεδο 3 Επίπεδο ικτύου) Ένα Εταιρικό ίκτυο µε Συσκευές ιασύνδεσης υνατότητα διασύνδεσης διαφορετικών δικτύων ιασύνδεση LAN διαφορετικού τύπου (π.χ. Ethernet -Token Ring) ιασύνδεση Τοπικών ικτύων (LAN) µε ίκτυαευρείας Περιοχής (WAN) και µε το Internet Ενσωµάτωση λειτουργιών Ασφάλειας (π.χ. Firewalls) και ιευθυνσιοδότησης (NAT, DHCP)
Γέφυρες και ροµολογητές Σύγκριση Συσκευών ιασύνδεσης Hubs Bridges Routers Switches Traffic Isolation No Plug and Play No Optimal Routing No No No Cut Through No No Πηγή: Kurose & Ross, 2003