Vrstva datového spoje modelu ISO/OSI a technologie v ní užívané. (Slidy vytvořil Zdeněk Salvet, ÚVT MU) Referenční model ISO/OSI vrstva aplikační vrstva prezentační vrstva relační vrstva transportní vrstva síťová vrstva datového spoje vrstva fyzická v. fyzická - přenos proudu bitů přenosovým médiem v. datového spoje - přenos zprávy po společném médiu s využitím služeb fyzické vrstvy Služby spojové vrstvy koordinace prístupu k médiu tvorba rámců - převod zpráv na sekvence bitů řízení toku adresování stanic připojených ke společnému médiu detekce, příp. oprava chyb přenosu Řízení přístupu k médiu (Medium Access Control) Protokoly pro řízení přístupu k médiu jsou obvykle založeny na • soupeření o přístup (contention-based) • rezervaci prostředků (času, kanálu) • předávání oprávnění (token-based) • kombinaci metod Faktory ovlivňující výběr MAC protokolu (1/2) • konfigurace spoje (jednosměrný, poloduplexní, duplexní) • (ne)možnost všesměrového vysílání • topologie spoje (bod-bod, sběrnice, kruh, ...) • spolehlivost a chybovost • přenosová rychlost (bity za sekundu) • vzdálenost nebo délka vedení • rychlost šíření signálu v médiu Faktory ovlivňující výběr MAC protokolu (2/2) • zpoždění signálu v aktivních prvcích (opakovače, převodníky mezi různými druhy přenosových médií, adaptéry připojených stanic) • požadavky na MAC protokol -efektivita využití přenosových kapacit -spolehlivost při výpadku komponenty sítě -spravedlivost přidělování kapacit -zpoždění vznikající při provádění algoritmu -předpověditelnost chování MAC protokoly se soupeřením Aloha CSMA (Carrier Sense Multiple Access) CSMA/CD (CSMA, Collision Detection) algoritmus sítě Ethernet CSMA/CA (CSMA, Collision Avoidance) Aloha • všesměrové rádiové vysílání • každá stanice vysílá, kdykoli má požadavek • příjemce: -kontroluje rámce pomocí kontrolního součtu -vrací kladné potvrzení po příjmu neporušeného • vysílající: -čeká maximální možnou dobu na potvrzení -při ztrátě (kolizí nebo šumem) znovu pošle po náhodném zpoždění (backoff) -opakuje do vyčerpání maximálního počtu pokusů • využití teoretické kapacity kanálu je do 18% CSMA • nesynchronizovaná kolizní metoda jako Aloha • vysílající poslouchá signál • nenaléhající CSMA: když je kanál obsazen, počká náhodný interval • 1-naléhající CSMA: čeká dokud není volno, potom okamžitě vysílá • p-naléhající CSMA: když je volno, - s pravděpodobností p vysílá -s pravděpodobností (1 -p) čeká náhodný interval a opakuje pokus • p by měla být menší než 1/(počet vysílajících) pro omezení kolizí CSMA/CD • jako CSMA, navíc vysílající poslouchá při vlastním vysílání • pokud zjistí kolizi, přeruší vysílání a vyšle rušící signál, aby kolizi s jistotou detekovala i druhá vysílající stanice • pro detekci kolizí je nutná jistá minimální délka rámce • normálně není použitelná u radiových přenosů, protože přijímací část by byla zahlcena vlastním signálem MAC protokol Ethernetu • 1-naléhající CSMA/CD s exponenciálním růstem čekacího intervalu • po 1. kolizi čekej náhodně 0 nebo 1 krát 51.2/xs (doba vysílání minimálního rámce), potom opakuj pokus • po n-té kolizi čekej náhodně 0 až (2n - 1) krát 51.2/xs • maximální čekací interval je 1023 min. rámců • po 16 pokusech vzdej Vlastnosti MAC Ethernetu • průchodnost se zmenšuje a zpoždění zvětšuje s rostoucím počtem vysílajících stanic • není spravedlivý: -pravděpodobnost vysílání při další příležitosti je menší u stanice, která je delší dobu blokována -stanice vysílající delší pakety jsou ve výhodě -spravedlivost roste s počtem stanic • řešení: propojení přepínačem (zmenšení kolizních domén) CSMA/CD vs. délka média • vzdálenosti musí být takové, aby bylo možné zjistit kolizi při přenosu i mezi dvojicí od sebe nejvzdálenějších stanic ==> maximální doba oběhu (Round Trip Time, RTT) musí být menší než délka vysílání nejkratšího možného rámce • zpoždění DTE + zpoždění média + zpoždění opakovače = RTT/2 • u Ethernetu: RTT < 512 bitových časů • délka média = (zpoždění média) • NVP • c kde NVP je faktor rychlosti šíření signálu (např. kolem 0,66 u optických vláken) CSMA/CA nenaléhající CSMA, začátek čekacího intervalu je synchronizován na pravidelný čas (např. po 50 /xs v 802.11 FH) potřeba opakování přenosu se určuje na základě potvrzení od příjemce rámce používá se v bezdrátových sítích (nelze použít detekci kolizí) MAC protokoly s rezervací • TDMA (Time Division Multi Access) - pevně stanovená časová okna pro každou stanici (např. SDH, GSM) • MAC protokol systému DOCSIS (Data Over Cable Service Interface Specification) • MAC protokoly pro Wireless ATM • RTS/CTS handshaking • polling MAC - řídící stanice se dotazuje, zda je něco k přenesení MAC s předáváním oprávnění • oprávnění vysílat má vždy jedna stanice • toto oprávnění si stanice mezi sebou předávají, obvykle přenosem speciálního rámce (token) • MAC protokol musí obsloužit chybové a jiné neobvyklé stavy: -vytvoření příznaku oprávnění při inicializaci -obnovení příznaku pro ztrátě v důsledku chyby média -obnovení příznaku pro ztrátě či zdvojení v důsledku chyby nebo vypnutí některé stanice • algoritmy distribuované dohody Technologie užívající predávam oprávnění IEEE 802.4 (Token Bus, dnes zastaralá) IEEE 802.5 (IBM Token Ring) FDDI (Fiber Distributed Data Interface) IEEE 802.6 (DQDB, Distributed Queue Dual Bus) Tvorba rámců (framing) • oddělení rámců speciálním bitovým vzorkem, při výskytu vzorku v datech je nutno data modifikovat tak, aby nedošlo k záměně • např. v protokolu HDLC bitový vzorek 01111110, vysílač vkládá do dat 0 po každých 5 po sobě následujících 1 • rozpoznání podle CRC nebo čítače • rámce na pevných pozicích (clock-based) Rámce v síti Ethernet Formát rámce: preambule SFD adresa cíle ad r. zdroje typ data CRC (FCS) 7 oktetů 1 6 6 2 46 -1500 4 Formát adresy: l/G U/L kód výrobce sériové číslo 1 bit 1 bit 22 bitů 24 bitů SFD - Start of Frame Delimiter, vzorek 10101011 preambule = 7 x 10101010, umožňuje synchronizaci příjmu bitů l/G = 0 - individuální adresa 1 - skupinová adresa, samé jedničky —> broadcast U/L = 0 - univerzální adresa 1 - lokálně přidělená adresa Typy (protokoly) v Eth. rámcích 0000-05DC délka dat v IEEE 802.3 rámcích 0800 Internet Protocol 0806 Address Resolution Protocol (ARP, překlad IP —> MAC addr.) 0835 Reverse Address Resolution Protocol (RARP) 8037 IPX (Novell Netware) 8100 IEEE 802.1 Q Tag (pro virtuální LAN) FFFF rezervováno Rozšírení formátu rámce značení virtuálních LAN (VLAN tagging) prodloužení rámce na gigabitovém Ethernetu shlukování rámců (na GE) velké rámce (jumbo frames) VLAN tagging • standard IEEE 802.1 Q (implementace pro Ethernet v 802.3ac) • mezi zdrojovou adresu a typ/protokol se vkládá: -typ "VLAN tag"-0x8100 -16 bitové řídicí pole: 3 bity priorita paketu 1 bit příznak přítomnosti směrovací informace (TokenRing) 12 bitů identifikátor virtuální sítě • maximální délka rámce se prodlužuje o 4 oktety Prodloužení rámce na G E • při minimální délce rámce 512 bitů by byla na gigabitové síti silně omezena maximální velikost kolizní domény - asi desetkrát oproti Fast Ethernetu (100Mb/s) • rozšíření na 512 oktetů přidáním výplně (extension bits) za CRC pole standardního rámce • pouze v poloduplexním režimu Shlukování rámců na G E • po úspěšném vyslání rámce stanice pokračuje ve vysílání dalších rámců do limitu 65 536 bitových časů • mezi rámce se vkládá mezera, která se nepovažuje za uvolnění média, ale za výplň nebo prodloužení paketu • druhý a další rámce ve shluku (burst) nepoužívají výplň na délku 512 oktetů • cílem je zvýšení výkonu při přenosu krátkých rámců na poloduplex-ním médiu • pouze v poloduplexním režimu (jinak není třeba) 4 Jumbo frames • 1 Gb/s ~ 80 000 paketů maximální délky za sekundu —> velké nároky na CPU typických stanic • návrh: maximální délka rámce 9216 oktetů • podporuje mnoho výrobců, ale není součástí standardů IEEE • při směrování do sítě se standardní max. délkou rámce dochází k fragmentaci Protokol ARP/RARP Slouží k překladu adres síťového protokolu na MAC adresu nebo zpět. Formát paketu:________________________________________ 16 bitů typ hardwaru/formát MAC adresy (Ethernet, FDDI, ...) 16 bitů protokol síťové vrstvy (IP, ...) 8 bitů délka MAC adresy 8 bitů délka adresy síťového protokolu 16 bitů kód operace {dotaz,odpověd}x{ARP,RARP,lnARP} n oktetů zdrojová MAC adresa m oktetů zdrojová síťová adresa n oktetů cílová MAC adresa m oktetů cílová síťová adresa Operace ARP/RARP/lnARP • ARP-zjištění MAC adresy stanice, které se má poslat paket, na základě adresy síťové vrstvy • RARP-zjištění vlastní adresy síťové vrstvy podle MAC adresy (používané zejména při zavádění OS bezdiskových stanic • InARP-zjištění adresy síťové vrstvy jiné stanice podle její MAC adresy (např. při identifikaci nových virtuálních okruhů ve Frame Relay nebo ATM) Rámce IEEE 802.3, LLC rámce IEEE 802.3 - jako rámce Ethernetu, datové pole typu nahrazeno délkou IEEE 802.2 Logical Link Control (LLC) - přídavný mechanismus pro vyšší vrstvy (především multiplexing a sekvenční čísla) DSAP SSAP control (data...) 1 oktet 1 1-2 - DSAP - Destination Service Access Point - cílová služba -SSAP - Source Service Access Point (přiděluje IEEE, 06 pro IP) -Control - řídicí informace, 03 pro nečíslovaný rámec SDH, SONET (1/2) Synchronous Digital Heirarchy, Synchronous Optical NETwork (USA) rychlosti 50 Mb/s (OC-1) -► 155 Mb/s (STM-1) -► 10 Gb/s (STM-64) vychází z multiplexování digitalizovaných telefonních hovorů (proudů oktetů konstatní rychlosti) 00 SDH, SONET (2/2) • synchronní = data jednotlivých příspěvkových toků se vždy nachází na stejném místě v rámci, rámce jsou neustále generovány na základě jednotného hodinového signálu • rámce obsahují datová pole pro řídicí informace na různých úrovních zpracování (regenerátor signálu, multiplexor/demultiplexor, ukončení datových spojů) • Packet-over-SONET/SDH - PPP s tvorbou rámců po oktetech (7E,7D) + scrambling (eliminace dlouhých sekvencí stejných bitů), výsledný proud oktetů přenášen pomocí SONET/SDH ATM (Asynchronous Transfer Mode) Základ pro Broadband Integrated Services Digital Networks (BISDN), cíle: • podpora pro všechny existující i budoucí služby • efektivní využití zdrojů • zjednodušení směrování —> vysoké rychlosti • garance kvalitativních parametrů pro existující i budoucí služby Základní vlastnosti ATM • rodina protokolů od síťové vrstvy po fyzickou • malé rámce pevné délky 53 B - buňky • spojovaná (connection-oriented) služba • dohoda o parametrech spojení při jeho ustanovení • kontrola dodržování a vynucování dohodnutých parametrů • zvláštní protokolové vrstvy pro přizpůsobení běžným potřebám (ATM Adaptation Layers, LAN emulace, emulace okruhů, ...) Struktura ATM protokolů Convergence Segmentation and Reassembly AAL Cell VPI/VCI translation Cell multiplex/demultiplex Cell header manipulations ATM Cell rate decoupling HEC sequence generation/verification Transmission frame adaptation TC Bit timing Physical medium PM • AAL - ATM Adaptation Layer • TC - Transmission Convergence • PM - Physical medium ATM buňka G FC VPI VCI PTI CLP HEC uživ. data......... 4 bity 8 bitů 16 bitů 3 bity 1 bit 8 bitů 48 oktetů • délka hlavičky - celkem 5 B • GFC - Generic Flow Control - typicky nepoužito, pro lokální funkce, např. sdílení jednoho ATM interface více stanicemi • VPI, VCI -Virtual Path Identifier, Virtual Channel Identifier- identifikace virtuálního spojení • PTI - Payload Type Identifier -typ dat - uživatelská/řídící -indikace zahlcení sítě u buněk s uživatelskými daty - indikace poslední buňky v rámci AAL5 • HEC - Header Error Control - kontrolní součet hlavičky QoS na ATM • QoS - Quality of Service • přenosová rychlost (rate), průměrná/špičková • velikost shluků (burstiness) • zpoždění, rozptyl zpoždění • pravděpodobnost ztráty buňky • pravděpodobnost chyby v bunňce • pravděpodobnost odmítnutí spojení Typy provozu Constant Bit Rate Variable Bit Rate (realtime, non-realtime) Available Bit Rate Unspecified Bit Rate