4.3 Ethernet-lähiverkko Yleisin lähiverkkoteknologia

Esitys aiheesta: "4.3 Ethernet-lähiverkko Yleisin lähiverkkoteknologia"— Esityksen transkriptio:

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 12/31/2018

2 Eetteriverkon rakenne
väylä kaapeli u tähti - hub toimii toistimen tavoin HUB Kaksi parijohtoa

3 Kaapelit 10Base2 ohut kaapeli 10Base-T kierretty pari & central hub
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 12/31/2018

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 12/31/2018

5 Signaalin koodaus Manchester-koodaus tahdistus bitin koodaus
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 12/31/2018

6 differential Manchester
aina siirtymä keskellä 1-bitti: ei siirtymää alussa 0-bitti: siirtymä alussa monimutkaisempi laitteisto parempi kohinan sieto 12/31/2018

7 Ehternet-kehys Source address Destin. address type data CRC 12/31/2018

8 MAC-protokolla tahdistuskuvio (preamble) kehyksen alku
7 tavua synkronointia varten kehyksen alku kohde- ja lähdeosoitteet osoitteessa 6 tavua (tai 2 tavua) 0xxxxx… yksilöosoite 1xxxxx … ryhmäosoite 11111 …. kaikkia yksi bitti: paikallinen vai globaali osoite 12/31/2018

9 kehyksen pituus 0-1500 tavua mutta jotta kehys erottuu roskasta
kehyksen pituus vähintään 64 tavua tarvittaessa täytettä (PAD) jotta kehys erottuu roskasta jotta lähettäjä ehtii havaita kehyksen törmänneen riittävä kuunteluaika 12/31/2018

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 12/31/2018

11 10 Mbps 1 Gbps LAN-pituus korkeintaan 2500 m toistimia korkeintaan 4
lähetyksen kestettävä ainakin 51.2 ms eli 64 tavua 1 Gbps => 6400 tavua 12/31/2018

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 12/31/2018

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! 12/31/2018

14 binäärinen eksponentiaalinen perääntymien on joustava
kuorma kasvaa => väli kasvaa vaihtoehtona kiinteä valintaväli aina [ ] aina [0-1] aina [a-n] entä suorituskyky? 12/31/2018

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 12/31/2018

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 12/31/2018

18 Bitin pituus siirtonopeus renkaassa R Mbps
=> bitti lähetetään joka 1/R sekunti siirtoviive kaapelissa 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) 12/31/2018

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 12/31/2018

20 lähetetyt bitit kiertävät koko renkaan ja lähettäjä poistaa ne
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 12/31/2018

21 jos kevyt kuorma jos raskas kuorma renkaan suoritusteho lähes 100%
vuoromerkki kiertelee renkaassa joskus joku lähettää jos raskas kuorma kaikilla asemilla jonoa kaikki lähettävät maksimimäärän ja siirtävät vuoromerkin seuraavalle renkaan suoritusteho lähes 100% 12/31/2018

22 Kuittaukset kehyksessä 1 bitti kuittausta varten
aluksi 0 vastaanottaja muuttaa 1:ksi entä jos useita vastaanottajia? monimutkaisempi kuittaus ei lainkaan kuittausta 12/31/2018

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) 12/31/2018

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 12/31/2018

25 MAC-protokolla token holding -time access control -kenttä (1 tavu)
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 12/31/2018

26 loppumerkissä E-bitti enf-of-file -bitti
asetetaan, jos havaitaan epäkelpo merkki enf-of-file -bitti viimeinen kehys 12/31/2018

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 12/31/2018

28 vuoromerkin prioriteetin nostanut, myös laskee sen!
alemman prioriteetin kehykset voivat joutua odottamaan ikuisesti 12/31/2018

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 12/31/2018

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 12/31/2018

31 renkaan pituuden säätely
‘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 12/31/2018

33 802.3 CSMA/CD hyvät puolet yleisesti käytetty
yksinkertainen protokolla asemien lisääminen helppoa passiivinen kaapeli, ei modeemia, kevyellä kuormalla lähetysviive nolla 12/31/2018

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 12/31/2018

35 802.5 vuororengas hyvät puolet
kaksipisteyhteyksiä rengas voidaan rakentaa mistä tahansa täysin digitaalinen johtokeskus => automaattinen vikojen havaitseminen ja korjaaminen prioriteetit alimman prioriteetin sanomat eivät saa lähetysaikaa 12/31/2018

36 huonot puolet 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 ja MAN-verkot vuonvalvonta, virhevalvonta, yhtenäinen rajapinta erilaisiin verkkoihin ~ OSI-malli, HDLC Palvelut: epäluotettava datasähkepalvelu, kuittaava datasähkepalvelu, luotettava yhteydellinen palvelu 12/31/2018

38 4.4 Silta (bridge) yhdistää LAN-verkkoja linkkitason olio
toistin: ‘pala kaapelia’; fyysisellä tasolla silta: ‘ovi’ linkkitasolla reititin: verkkotasolla 12/31/2018

39 Käyttötarpeita osastoverkot maantiede: hajautus
etäisyydet: yhdistäminen kuormituksen jakaminen häiriöiden rajoitus paikalliseksi suojaus: lähiverkkojen looginen eristäminen 12/31/2018

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 12/31/2018

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 12/31/2018

42 ylempien kerrosten ajastimet
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 kuittauspyyntö (vuoroväylä)
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 12/31/2018

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 12/31/2018

47 Sillan portit Lähiverkko liitetään siltaan portin kautta Portti
yksinkertaisissa silloissa vain kaksi porttia monipuolisissa useita Portti MAC-piiri noudattaa vastaavan lähiverkon protokollaa CSMA/CD, vuororengas, vuoroväylä ohjelmisto huolehtii alustuksesta puskurin hallinnasta 12/31/2018

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 12/31/2018

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 12/31/2018

51 Sillat reitittävät siltojen reittitaulut A 1 B 1 C 1 B 1 C 2 D 2 D 2
H F Silta B Silta B2 12/31/2018

52 Reittitaulut hajautustaulukko (hash table)
Alkutilanteessa kaikkien siltojen reittitaulut ovat tyhjiä reittitaulua päivitetään aina, kun kehys saapuu vanhentuneet tiedot poistetaan ajastin laukeaa 12/31/2018

53 Kehys: lähde X; kohde Y; portti I; X,Y reittitaulussa
x ja y samassa verkossa => hylkää kehys x ja y ei verkoissa => lähetä eteenpäin päivitä x, i X ei taulussa lisää x, i (backward learning) Y ei taulussa lähetä y kaikista muista porteista (flooding)

54 Tulvitus (flooding) tulvitus on ongelma
sanomat jäävät kiertämään silmukoissa koko verkko tukkeutuu siis silmukoita ei saa muodostua! eli verkon loogisen rakenteen pitää olla puu muodostetaan verkolle virittävä puu (spanning tree) 12/31/2018

55 Virittävä puu sillat muodostavat ja ylläpitävät valitse juuri
silta, jolla pienin sarjanumero valitse kustakin sillasta/ LAN:ista lyhin reitti juureen => virittävä puu muut sillat jäävät käyttämättä tulvitus vain virittävän puun siltoja pitkin 12/31/2018

56 Lähdereittisillat (Source routing bridges)
tuntumattomat sillat helppo asentaa tuhlaavat kapasiteettia käyttävät vain virittävää puuta erimielisyyttä standardoimiskomiteassa vuororenkaan käyttäjät + IBM kannattivat lähdereititystä 12/31/2018

57 kehyksen lähettävä asema varustaa kehyksen reittitiedoilla
jokaisella lähiverkolla on 12-bittinen yksikäsitteinen tunnus jokaisella sillalla on oma 4-bittinen tunnus reitti koostuu silta- ja verkkotunnuksista silta, LAN, silta, LAN, … silta, LAN 12/31/2018

58 C B S1 S3 A B1 B2 S2 B4 B3 E S4 S5 D Reitti A:sta E:hen: S1, B1, S2, B4, S5

59 Kehyksen rakenne reittikenttä on muotoa SD SA SD AC FC DA 0/1 data ...
onko reitti mukana vai ei reittikenttä on muotoa reittikontrolli ... askel 1 askel 2 askel n verkko-ID, silta-ID 12/31/2018

60 Tuntumaton vs. lähdereitittävä silta
tuntumaton silta yhteydetön täysin tuntumaton lähiverkoille automaattinen uudelleen konfigurointi reititys ei välttämättä optimaalinen uuden aseman löytäminen: backward learning jos joku kertoo tulvitus monimutkaisuus silloissa vähän siltoja 12/31/2018

61 lähdereitittävä silta
yhteydellinen tuntuva konfigurointi ei ole automaattista uuden löytäminen: discovery frame raskas operaatio, paljon yleisrasitetta monimutkaisuus isäntäkoneissa näitä on paljon 12/31/2018

62 4.5 Erittäin nopeat lähiverkot (High-speed LANs)
kasvutarve etäisyydet nopeudet optinen kuitu rinnakkaiset kuparikaapelit eri ratkaisuja FDDI (Fiber Distributed Data Interface) Fast Ethernet HIPPI (High Performance Parallel Interface) 12/31/2018

63 FDDI vuororengas käyttö lähinnä lähiverkkoja yhdistävänä runkolinjana
valokuitu 100 Mbps => 200 km 1000 asemaa käyttö lähinnä lähiverkkoja yhdistävänä runkolinjana myös tavallisena LANina 12/31/2018

64 FDDI FDDI-II multimode LED BER < 1 virhe /2.5*10**10 bittiä
‘parannettu’ versio ISDN ääntä PCM-koodattuna dataa multimode LED BER < 1 virhe /2.5*10**10 bittiä 12/31/2018

65 FDDI: rakenne kaksi valokuiturengasta renkaan katkeaminen asemat
toisessa myötäpäivään toisessa vastapäivään renkaan katkeaminen tarvittaessa renkaat voidaan yhdistää yhdeksi asemat A: kiinni molemmissa renkaissa B: kiinni vain yhdessä renkaassa 12/31/2018

66 FDDI: koodaus koodi ‘4 out of 5’ 4 MAC-symbolia => 5-bitin ryhmä
Manchesterin signallointinopeus kaksinkertainen! => paljon kaistaa 4 MAC-symbolia => 5-bitin ryhmä 0, 1, 2 ‘non-data’ symbolia => 32 eri kombinaatiota 16 DATA: 0000, 0001, …. , 1110, 1111 3 rajoittimia 2 kontrolli 3 ‘hardware’merkinanto 8 varattu myöh. käyttöön 12/31/2018

67 menetetään koodin tahdistusapu!
pitempi tahdistuskenttä alussa tarkemmat kellot korkeintaan % epätarkkuus sallittu => voidaan lähettää 4500 tavua ennen kuin kellot niin epätahtiset, että syntyy bittivirhe aika | | | | | | | | | | | | | 12/31/2018

68 FDDI: protokolla 802.5 -johdannainen renkaassa useita lähetyksiä
vuoromerkki heti renkaaseen, kun oma lähetys loppunut kehys samanlainen kuin vuororenkaassa 12/31/2018

69 voidaan lähettää myös synkronisia kehyksiä
PCM-ääntä ISDN-dataa master-asema generoi kehyksen joka 125 ms PCM: 8000 näytettä sekunnissa kehyksessä 96 tavua synkronista dataa 4 T1 kanavaa tai 3 E1 kanavaa asemalle varatut aikaviipaleet käytössä, kunnes asema luopuu niistä muut jaetaan tarpeen mukaan korkein prioriteetti ensin

70 kolme ajastinta token holding timer säätelee lähetysaikaa token rotation timer vuoromerkin kiertoaika valid transmission timer tilapäisistä rengasvirheistä toipumiseen jos vuoromerkki etuajassa, kaikkia voidaan lähettää, jos myöhässä vain korkeimman prioriteetin sanomat

71 Fast Ethernet Tavoite 802.3u (Fast Ethernet) >10 Mbps lähiverkkoja
muuten samanlainen, vain nopeampi täysin erilainen (802.12) 802.3u (Fast Ethernet) yhteensopivuus LANien kanssa uusi protokolla voi aiheuttaa ongelmia saada nopeasti valmiiksi 12/31/2018

72 Perusidea ennallaan muutos: 10BaseT -rakenne eli hub kehysrakenne
liitännät käytännöt muutos: bitin lähetysaika 0.1 ms -> 0.01 ms => 10Mbps -> 100Mbps 10BaseT -rakenne eli hub 12/31/2018

73 kategorian 3 kierretty pari (100Base-T4)
Johtovaihtoehtoja kategorian 3 kierretty pari (100Base-T4) tavallinen puhelinliitäntä kaikkialla jo valmiina yksi pari vain 25 Mhz => 4 paria, joista kolme aina lähetyssuuntaan ternääri-signaali: 0, 1 ja 2 kolmella johdolla yksi 27 symbolista/kellojakso => 4 bittiä kerrallaan ja 25 MHz => 100 Mbps lisäksi 1 pari toiseen suuntaan 33.3 Mbps (8B6T) 12/31/2018

74 kategorian 5 kierretty pari (100Base-TX)
> 125 MHz 2 kierrettyä paria toinen keskittimeen ja toinen keskittimestä kaksisuuntainen (full duplex) koodaus 4B5B viiden syklin aikana lähetetään 4 bittiä monimuoto valokaapeli (100Base-FX) etäisyys jopa 2 km 12/31/2018

75 Hub-keskitin jaettu hub (shared hub) kytkentäinen hub (switched hub)
saapuvat linjat kilpailevat, syntyy törmäyksiä vain yksi voi lähettää kerrallaan ~802.3-verkon toimintaa kytkentäinen hub (switched hub) saapuva linja puskuroitu asemat voivat lähettää samanaikaisesti 12/31/2018