Računalne mreže

Transcription

1 SVEUČILIŠTE U ZAGREBU FAKULTET PROMETNIH ZNANOSTI predmet: Nastavnik: Prof. dr. sc. Zvonko Kavran zvonko.kavran@fpz.hr Doc. dr. sc. Ivan Grgurević ivan.grgurevic@fpz.hr 1 Lokalne računalne mreže (LAN) 2 1

2 Uvod - engl. Local Area Network, LAN - privatne mreže unutar jedne zgrade ili jednog užeg organizacijskog područja - povezivanje ograničenog broja stanica (krajnjih sustava/uređaja, najčešće računala) na ograničenom prostoru unutar zgrade ili skupine susjednih zgrada, u pravilu uz dobre uvjete komuniciranja (malo kašnjenje, mala vjerojatnost pogreške) - normiranje: IEEE (The Institute of Electrical and Electronics Engineers) - u lokalnim mrežama se u pravilu koriste velike prijenosne brzine u rasponu do 10 Gbit/s Omjer vremena prostiranja signala prijenosnim medijem s kraja na kraj poveznice (linka) i vremena slanja paketa na poveznicu d duljina [m], v brzina prostiranja [m/s], L duljina okvira [bit], R prijenosna brzina [bit/s] - unutar intervala [0.01, 0.1] - za veće prijenosne brzine vrijednosti i veće od Klasifikacija LAN mreža Vrsta prijenosa u osnovnom i u pomaknutom pojasu Topologija fizička topologija logička topologija Pristupni protokol (MAC) Zajednički prijenosni medij žični, optički, bežični Brzina prijenosa po zajedničkom mediju R = 1/T [bit/s], T trajanje bita 4 2

3 Prve verzije LAN-ova - krajnji uređaji su povezivani pomoću tzv.dijeljenog medija (eng. shared media) Danas - LAN komutatori (eng. LAN switch) Obilježja: - malo kašnjenje - mala vjerojatnost nastupa pogreške na simbolima (eng. BER Bit Error Ratio) - krajnji uređaji nalaze se u ravnopravnom (peer) odnosu - svi okviri u LAN-u moraju sadržavati adresu primatelja (odredišta) i pošiljatelja (izvora) - podatkovne jedinice na protokolnoj razini lokalnih mreža okviri - Ethernet - dominantna LAN tehnologija Ethernet je za lokalno umrežavanje računala ono što je Internet bio za globalno umrežavanje 5 Ethernet Prva široko korištena LAN tehnologija Brzine prijenosa 10Mb 10Gb Originalna Metcalfova konstrukcija dovela je do standarda Ethernet 10Base5, koji je obuhvaćao interfejs kabel za povezivanje Ethernet adaptera sa vanjskim primopredajnikom Bus topologija popularna sredinom 90-tih godina prošlog stoljeća (svi čvorovi u istoj domeni kolizije) Danas zvjezdasta topologija (aktivni switch u centru svaki razgovor koristi (razdvojen) Ethernet protokol (ne dolazi do kolizije među čvorovima) 6 3

4 Mrežna topologija opisuje raspored i veze između pojedinih čvorova (računala, mrežnih uređaja,...), te putanju podataka unutar neke mreže. Fizička mrežna topologija prikazuje tlocrt fizičkog rasporeda čvorova u mreži i njihove povezanosti. Topologija zvijezde za Ethernet. Čvorovi su međusobno povezani pomoću huba Logička mrežna topologija prikazuje tlocrt putanje podataka koji putuju između čvorova na mreži. Unutar jedne fizičke poveznice može istovremeno postojati više logičkih poveznica LAN mreža završava na usmjerivaču Vanjska mreža router mail server web server IP podmreža 4

5 Protokolna arhitektura lokalnih mreža MAC (engl. Media Access Control) je implementiran hardverski na mrežnoj kartici stanice ili u priključku mrežnog uređaja - za svaku vrstu LAN-a definiran specifičan MAC LLC (engl. Logical Link Control) je implementiran softverski u obliku pogonskog programa (driver) ili kao modul softvera uređaja - LLC je jednak za sve vrste LAN-ova, neovisno o MAC-u Prednosti Etherneta: - jednostavnost održavanja - sposobnost uvođenja novih tehnologija - pouzdanost - niska cijena 10 5

6 MAC adresa 32-bitna IP adresa je adresa mrežnog sloja (kasnije će se obraditi), koristi se za dostavu datagrama u odredišnu IP podmrežu MAC (ili LAN ili fizička ili Ethernet) adresa -funkcija: dostava okvira sa jednog inerfejsa do drugog fizički spojenog interfejsa (ista mreža) Ethernet koristi MAC adrese duljine 48 bita, iskazanu kao 12 heksadecimalnih znamenki. Svaka stanica mora imati jedinstvenu MAC adresu na globalnoj razini (u praksi je bitno da je MAC adresa jedinstvena unutar istog LAN-a) Prvih 24 bita OUI određuje proizvođača opreme, preostalih 24 bita određuju stanicu 11 U/L (Universal/Local) adresa koju je dodijelilo administracijsko tijelo (U = 0) ili se radi o lokalno generiranoj adresi (L = 1) I/G (Individual/Group) određuje da li MAC adresa označava jedan krajnji uređaj (I = 0) ili skupinu krajnjih uređaja (G = 1) Prilikom slanja okvira na jedno odredište ovaj je bit u odredišnoj MAC adresi uvijek jednak nuli, ukoliko se radi o multicastu ili broadcastu bit I/G u odredišnoj MAC adresi postavljen je u jedinicu Bit I/G u izvorišnoj MAC adresi uvijek je nula 6

7 Broadcast adresa = FF-FF-FF-FF-FF-FF Svaki adapter povezan u LAN ima jedinstvenu LAN adresu Adapter Analogija: (a) MAC adresa: kao JMBG ili OIB (b) IP adresa: kao poštanska adresa MAC flat adresa prenosivost moguće je preseliti LAN karticu iz jedne LAN mreže u drugu IP hijerarhijska adresa NIJE prenosiva adresa ovisi o IP podmreži na koju je čvor priključuje 13 Struktura Ethernet okvira Preambula (8 bajta) - Ethernet okvir počinje osmobajtnim poljem preambule - svaki od prvih sedam bajtova preambule ima vrijednost , posljednji bajt je , prvih sedam bajtova služe da probude prijamne adaptere i da sinkroniziraju njihove generatore takta sa generatorom takta pošiljaoca (za mreže do 10Mbit/s) Polje za podatke (46 do 1500 bajta) - ovo polje nosi IP datagram - max. jedinica prijenosa (MTU) je 1500 bajta Adresa odredišta (6 bajta) - ovo polje sadrži LAN adresu adaptera odredišta (unicast, multicast (group), ili broadcast (all nodes). Adresa izvora (6 bajta) - polje sadrži LAN adresu adaptera koji predaje okvir u LAN Ako adapter primi okvir sa odgovarajućom adresom, prosljeđuje podatke iz okvira prema protokolu mrežnog sloja, u protivnom ga odbacuje (discards frame) 14 7

8 Struktura Ethernet okvira Polje za tip (2 bajta) - identificira protokole više razine, dozvoljava Ethernetu da multipleksira protokole mrežnog sloja Ciklička provjera redundantnosti (CRC) (4 bajta) - svrha polja CRC je da dozvoli prijamnom adapteru, da otkrije da li je nastala bilo kakva greška u okviru, odnosno, da li su bitovi u okviru promijenili vrijednost Ethernet: - Connectionless (bespojni) - Nepouzdan: prijemni NIC ne šalje acks predajnom NIC-u Niz datagrama koji se prosljeđuje mrežnom sloju može imati gaps (nedostajući datagrami) gaps će biti popunjeni ukoliko aplikacija koristi TCP u protivnom, aplikacija će vidjeti gaps Ethernet s MAC protocol: unslotted CSMA/CD 15 Komunikacija u lokalnoj mreži Fizički sloj: Zajednički medij na koji su spojene sve stanice povezane u lokalnu mrežu - prijenosni medij (npr. kabel) ili - komunikacijski uređaj (npr. parični obnavljač, hub) Sloj podatkovne poveznice: Upravljanje pristupom prijenosnom mediju - dodjela medija stanici radi odašiljanja podataka Upravljanje logičkom poveznicom - izmjena jedinica podataka između dvije stanice 16 8

9 Višestruki pristup mediju Dva tipa tzv. links : Point-to-point PPP za dial-up pristup point-to-point link između Ethernet switcha i host-a Broadcast (dijeljeni medij) old-fashioned Ethernet upstream HFC (Hybrid fibre-coaxial) wireless LAN shared wire (cabled Ethernet) shared RF ( WiFi) 17 Osnovni pojmovi Channel Partitioning (raspodjela kanala) Podjela kanala na manje dijelove (time slots, frequency, code) Alokacija dijela čvoru na korištenje Random Access (slučajni pristup) Kanal nije podijeljen, dozvoljene kolizije recover odnosno oporavak od kolizija Taking turns čvorovi uzimaju tzv. turns, čvorovi koji imaju više za slanje mogu uzeti dulje 9

10 -Jedan dijeljeni kanal - Dvije ili više simultanih prijenosa: interferencija Kolizija ukoliko čvor prima dva ili više signala u isto vrijeme Protokoli višestrukog pristupa - Algoritam koji određuje kako čvorovi dijele kanal (odlučuju kada čvor može obaviti prijenos) - Komunikaciju o djeljenju kanala mora koristiti sam kanal (nema posebnog kanala za koordinaciju) Idealan slučaj? Neka je kanal brzine prijenosa R [bps] 1. Kada jedan čvor želi prijenos, brzina prijenosa je R. 2. Kada M čvorova želi prijenos, svaki može slati prosječnom brzinom R/M 3. Potpuno decentralizirano: Nema posebnog čvora da koordinira prijenos Nema sinkronizacije 4. Jednostavno Metode dinamičkog dodjeljivanja zajedničkog kanala mogu biti centralizirane i decentralizirane - kod metode centraliziranog dodjeljivanja postoji jedinstvena jedinica za odlučivanje koja određuje redoslijed pristupanja računala sabirnici - ona to čini primajući zahtjeve i donoseći odluku na osnovu ugrađenog algoritma - kod metode decentraliziranog dodjeljivanja ne postoji jedinstvena jedinica za odlučivanje; svako računalo mora samo odlučiti da li će emitirati - postoji više algoritama namijenjenih uvođenju reda 20 10

11 Centralizirani pristup - lakša realizacija - dodjele prioriteta krajnjim uređajima za slanje okvira, i dodjele zajamčenog kapaciteta potrebnog za slanje okvira omogućava korištenje jednostavnih logičkih sklopova u stanicama - nema potrebe za koordinaciju između ravnopravnih komunikacijskih entiteta - jedna kritična točka (upravljač) - u slučaju ispada upravljača iz rada, cijela mreža prestaje s radom Mogućnost uskog grla komunikaciji i smanjenja performansi mreže Upravljanje pristupom mediju Višestruki pristup po namjenskom kanalu TDMA (Time Division Multiple Access) FDMA (Frequency Division Multiple Access) ((SDMA (Space Division Multiple Access) CDMA (Code Division Multiple Access) OFDMA (Orthogonal Frequency DMA) )) Višestruki pristup po zajedničkom kanalu - stanice se međusobno natječu za pristup mediju Dvije vrste pristupa po zajedničkom kanalu: - prozivanje (polling) i - slučajni pristup (random access) U LAN-ovima se najčešće koristi pristup po zajedničkom kanalu 11

12 TDMA: Time Division Multiple Access Svaka stanica ima fiksnu duljinu slota Primjer: Šest čvorova 6-slot okvir FDMA: Frequency Division Multiple Access Raspodjela frekvencijskog područja Frekvencijska područja Pristup po zajedničkom kanalu Kada čvor ima paket za slanje šaalje punom brzinom R i nema a priori koordinacije među čvorovima Dva ili više čvorova za prijenos collision, MAC protokol sa slučajnim pristupom specificira: Kako detektirati kolizije Kako se oporaviti od kolizije (retransmisija sa zakašnjenjem) CSMA (Carrier Sense Multiple Access) CSMA/CD (CSMA with Collision Detection) uporaba u ethernetskim mrežama CSMA/CA (CSMA with Collision Avoidance) uporaba u bežičnim LAN-ovima CSMA / CD Prije slanja okvira stanica ustanovljava je li medij zauzet osluškivanjem signala-nosioca na kanalu (Carrier Sense) Više stanica pristupa mediju (Multiple Access) Više stanica može istodobno ustanoviti da je medij slobodan i poslati okvir Na mediju se događa i otkriva sudar (Collision Detection) 12

13 Taking Turns MAC protokoli MAC protokoli sa raspodjelom kanala Učinkovita i fer raspodjela kanala za veliko opterećenje Za manje opterećenje nije učinkovito: kašnjenje u pristupu kanalu, 1/N pojasna širina dodijeljena čak i za jedan aktivan čvor! MAC protokoli sa slučajnim pristupom Učinkovito za manje opterećenje: jedan čvor može zauzeti cijeli kanal Veliko opterećenje: collision overhead Taking turns protokoli Traže najbolje od prethodna dva! data poll Polling data master Token passing T T slaves data Upravljanje logikom poveznicom Podsloj LLC (eng. Logical Link Control) - LLC je implementiran softverski u obliku pogonskog programa (driver) ili kao modul softvera uređaja - omogućuje protokolima mrežnog sloja da dijele podatkovnu poveznicu: Osnovne zadaće LLC-a: transfer PDU-a između dva krajnja uređaja (stanice) i multipleksiranje protokola višeg sloja na link Usluge: - nespojna usluga bez potvrde primitka okvira - nespojna usluga s potvrdom primitka okvira - spojna usluga Koncept točke pristupa usluzi protokolnog sloja (SAP) omogućava da nad jednim podslojem LLC djeluje više različitih protokola mrežnog sloja - multipleksiranje protokola mrežnog sloja na zajedničku sabirnicu Svakom protokolu mrežnog sloja pridružen je specifičan SAP 26 13

14 Nespojna usluga bez potvrde primitka okvira LLC Type1 - datagramska usluga koja omogućava jednostavno slanje i prijem LLC PDU-a - prijemnik ne mora poslati predajniku potvrdu o ispravnom primitku LLC PDU-a - nije implementirano upravljanje prometnim tokovima niti upravljanje linkom s ciljem otklanjanja pogrešaka Usluga podržava: - slanje okvira na jedno odredište (unicast), - slanje okvira većem broju odredišta (multicast) i - razašiljanje okvira (broadcast) Spojna usluga - LLC Type2 -omogućava da dva korisnika podsloja LLC prije početka transfera informacija između sebe uspostave logičku vezu - u spojnoj usluzi implementirani su upravljanje prometnim tokovima, oporavak linka od pogrešaka (error recovery) i mehanizam praćenja ispravnosti redoslijeda primljenih okvira Uslugom je podržano isključivo slanje okvira na jedno odredište Nespojna usluga s potvrdom primitka okvira LLC Type3 -mehanizam pomoću kojeg krajnji korisnici mogu slati pakete s korisničkim informacijama i primati potvrdu za svaki poslani paket -pri tome ne mora biti uspostavljena veza između krajnjih uređaja -posebno dizajniran za IEEE Token Bus LAN-ove Današnje žične i optičke lokalne mreže koriste: Komutiranu topologiju Podržava višestruki pristup mediju na poveznici koja povezuje dvije stanice (npr. Mrežnu karticu u PC-u i priključak na komutatoru, ovakav način rada zove se half duplex) i Dvosmjerni prijenos (full-duplex) Višestruki pristup zajedničkom mediju uglavnom se koristi u bežičnim LAN-ovima gdje je najčešće korištena tehnika višestrukog pristupa OFDMA 14

15 Hub fizički sloj ( glupi -dumb ) ponavljač: Bitovi dolaze po jednom linku izlaze na sve ostale linkove Svi povezani čvorovi na hub mogu kolidirati jedan sa drugim Nema buffering-a okvira nema CSMA/CD na hubu: host NIC-s detektiraju koliziju bakrena parica hub Switch Link-layer uređaj: pametniji u odnosu na hub, preuzima aktivnu ulogu - Pohrana, prosljeđivanje Ethernet okvira - Ispituje MAC adresu dolaznog okvira, selektivno prosljeđuje okvir prema jednom ili više izlaznih linkova kada se okvir treba proslijediti prema određenom segmentu, koristi CSMA/CD za pristup segmentu Transparentnost - host-ovi nisu sigurni u prisustvo switcha Obilježje: plug-and-play, self-learning (switchevi ne trebaju konfiguraciju) Dozvoljava višestruke simultane prijenose Hostovi imaju dodijeljene direktne veze na switch Switch-evi buffer-iraju pakete C A B Ethernet protokol korišten na svakom ulaznom linku, ali bez kolizije; full duplex (svaki link ima svoju vlastitu domenu kolizije) Switch-ing: A-to-A and B-to-B simultano, bez kolizije C Switch sa šestix interface-a (1,2,3,4,5,6) B A 15

16 Switch tablica Kako switch zna da je A dostupan preko interface-a 4, B dostupan preko interface-a 5? Svaki switch ima tablicu, svaki unos: MAC adresa host-a, interface za pristup host-u, time stamp (izgleda kao tablica rutiranja raditi ćemo kasnije) Kako su unosi kreirani i održavani u tablici? Nešto kao protokol usmjeravanja (raditi ćemo kasnije) Switch uči o tome kako neki host može biti dostupan putem interface-a Sa primljenim okvirom, switch uči lokaciju pošiljatelja: incoming LAN segment snima sender/location par u tablici MAC addr interface TTL A 1 60 C 6 5 A A A Source: A Dest: A B C B A Switch filtriranje-prosljeđivanje okvira Primitkom okvira: 1. pohrana link-a pridruženog pošiljatelju 2. Indeksiranje tablice korištenjem odredišne MAC adrese 3. if epodatak o destinaciji pronađen then { if dest na segmentu od kojeg je okvir došao then odbaci okvir else proslijedi okvir prema odgovarajućem interface-u } else flood Flood preplavljivanje - proslijedi svima osim prema interface-u od kojeg je okvir došao 16

17 Switch povezivanje A B S 1 C S 2 D E F S 4 G S 3 H I Slanje od A prema G - Kako S 1 zna proslijediti okvir na odredište F preko S 4 i S 2? Samo učenje! (kao i u slučaju samo jednog switch-a!) LAN adresa i ARP protokol 1A-2F-BB AD Broadcast adresa= FF-FF-FF-FF-FF-FF LAN (žični ili bežični) = adapter F7-2B D7-FA-20-B0 0C-C4-11-6F-E3-98 ARP: Address Resolution Protocol Pitanje? Kako znati MAC adresu ukoliko poznajemo IP adresu? 17

18 A-2F-BB AD IP adresa MAC adresa F7-2B LAN D7-FA-20-B C-C4-11-6F-E3-98 Svaki IP čvor u LAN-u ima ARP tablicu ARP tablica: IP/MAC address mapiranje < IP address; MAC address; TTL> TTL (Time To Live): vrijeme nakon kojeg će mapiranje biti zaboravljeno (tipično 20 min) ARP je plug and play A želi poslati datagram B, čija MAC adresa nije u ARP tablici od A A broadcasts ARP query paket, koji sadržava B IP adresu dest MAC address = FF-FF-FF-FF-FF- FF (svi na LAN-u primaju) B prima ARP paket, odgovara A sa svojom MAC adresom, okvir poslan prema A (unicast) Adresiranje: routing prema drugom LAN-u C-E8-FF-55 A E6-E BB-4B 1A-23-F9-CD-06-9B 88-B2-2F-54-1A-0F CC-49-DE-D0-AB-7D R B 49-BD-D2-C7-56-2A Slanje datagrama od A prema B preko R (pretpostavka A zna B IP adresu) Dvije ARP tablice u ruteru R, po jedna za svaku IP mrežu (LAN) A kreira IP datagram sa source A, destination B A koristi ARP da dobije R MAC adresu za A kreira link-layer okvir sa R MAC adresom kao odredišnom, okvir sadrži A-to-B IP datagram A NIC šalje okvir R NIC prima okvir R skida IP datagram iz Ethernet okvira, vidi da je odredište B R koristi ARP da dobije B MAC adresu R kreira okvir koji sadrži A-to-B IP datagram poslan prema B 18

19 Switch u odnosu na Ruter Oba uređaja su store-and-forward devices Ruteri su uređaji mrežnog sloja (ispituje zaglavlje mrežnog sloja) Switch-evi su uređaji podatkovnog sloja Ruter održava tablicu usmjeravanja Switch održava switch tablicu Označavanje norme xx Byyy Z - 1xx : brzina prijenosa podataka 1 Mbit/s 10 Mbit/s 100 Mbit/s 1000 Mbit/s = 1 Gbit/s - Byyyy : način prijenosa podatkovnih signala medijem: - BASE prijenos u osnovnom pojasu - BROAD širokopojasni prijenos - Z : najveća dozvoljena duljina segmenta izražena u jedinicama od po 100 metara: 5, 2, 36 Odnosno slovo koje opisuje korišteni medij: - T (twisted pair) upredene parice - F (fiber) optičko vlakno - L (long) optičko vlakno, laseri za veće valne duljine - S (short) optičko vlakno, lseri za manje valne duljine 38 19

20 Izvedbe norme IEEE brzina 10 Mbit/s - 10BASE5 - debeli koaksijalni kabel, topologija: sabirnica - 10BASE2 - tanki koaksijalni kabel, topologija: sabirnica - 10BASE-T - upredena parica (UTP, STP), topologija: sabirnica - 10BASE-F - optičko vlakno, topologija: zvijezda - 10BROAD36 širokopojasni koaksijalni kabel - brzina 100 Mbit/s - 100BASE-T - Fast Ethernet, topologija: zvijezda - brzina 1 Gbit/s BASE-X - Gigabit Ethernet, topologija: zvijezda 39 10GBASE-xy slovo x S short wavelength, L long wavelength, E extra long wavelength; slovo y R LAN PHY koji koristi kodiranje 64B66B, W LAN PHY koji koristi enkapsulaciju 64B66B podataka u okvire OC- 192c/STM-64 (VC-4-64c); 10GBASE-LX4 WWDM PMD L long wavelength, X - kodiranje 8B10B, 4 broj valnih duljina koje se šalju; 10GBASE-CX4 IEEE 802.3ak 20