A közegelérési alréteg

1. Hálózati ismeretek 5 A közegelérési alréteg Bujdosó Gyöngyi Debreceni Egyetem • Informatikai Kar Komputergrafikai és Könyvtárinformatikai Tanszék

2. Áttekintés • Számítógépes hálózatok története, osztályozásai • Hivatkozási modellek: TCP/IP, OSI, hibrid • Hibrid modell rétegei fizikai réteg, adatkapcsolati réteg, közegelérési alréteg,hálózati és alkalmazási réteg • Az internet adminisztrációja • Az internet alapvető szolgáltatásai • kommunikáció • fájlcsere • világháló (World Wide Web) és szemantikus web • Hálózati biztonság  • Etikai kérdések

3. Témakörök • A csatornakiosztás problémája • Többszörös hozzáférésű protokollok • Ethernet • Vezeték nélküli LAN-ok • Szélessávú vezeték nélküli hálózatok • Bluetooth

4. Hálózatok Két kategóriába sorolhatók: • Kétpontos összeköttetést használnak • Adatszóró csatornát használnak

5. Csatornahozzáférés • Az adatszóró csatornákat hívják még többszörös és véletlenelérésű/hozzáférésűcsatornáknak is • Az adatszóró hálózatokon komoly problémát jelent a közeghozzáférés helyzetének megoldása: • Ha csak egy valaki akar adni, akkor ad • Ha egyszerre többen akarnak adni, meg kell oldani, hogy csak egy valaki nyerje el az adáshoz való jogot (telefonos konferenciabeszélgetés problémája) 5

6. MAC alréteg Az adatkapcsolati réteg MAC-alrétegéhez (Medium Access Control) tartoznak azok a protokollok, amelyeket vezérlik a közeg használatát. Fontos szerep • LAN-okban (szinte mindegyik többszörös elérésű csatornákra épít) 6

7. A csatornakiosztás problémája • FDM (Frequency Division Multiplexing) = frekvenciaosztásos multiplexelés: N felh., sávszélesség felosztása N egyenlő sávra • Jó, ha kevés, fix számú felhasználó van, nagy forgalmi igénnyel • Nem jó, ha a felhasználók száma nagy és folyamatosan változik, ha forgalom löketes jellegű • TDM (időosztásos) ― a probléma ugyanez • A löketes forgalom miatt egyetlen statikus hozzárendelés sem felel meg ― mivel a csatornák többsége az idő túlnyomó többségében kihasználatlan marad 7

8. Feltételezések a dinamikus csatornakiosztás vizsgálatához • Állomás modell (N független állomás) • Egyetlen csatorna (minden kommunikációhoz) • Ütközés feltételezése (két keret átlapolódása) • Minden állomás tudja észlelni • Az ütközésben részt vett kereteket újra kell küldeni • Ütközésen kívül más hiba nem lehetséges • Idő (keretek továbbításának kezdete) • Folytonos (bármikor) • Diszkrét (időintervallumok elején) • Vivőjel (használatba vétel előtt csatorna vizsgálata) • Vivőjel-érzékelés (képes érzékelni, hogy foglalt  nem ad; LAN-ok általában ilyenek) • Nincs vivőjel-érzékelés (nem képes érzékelni  ad; műhold) 8

9. Témakörök • A csatornakiosztás problémája • Többszörös hozzáférésű protokollok • Ethernet • Vezeték nélküli LAN-ok • Szélessávú vezeték nélküli hálózatok • Bluetooth

10. Konkrét protokollok Konkrét többszörös hozzáférésű protokollok • ALOHA (egyszerű, réselt) • Vivőjel-érzékeléses (perzisztens, nemperzisztens, ütközésérzékeléses) • Ütközésmentes (bittérkép, bináris visszaszámlálás) • Korlátozott versenyes (adaptív fabejárási) • Hullámhosszosztásos • Vezeték nélküli LAN-protokollok (MACA, MACAW)

11. ALOHA • Földi telepítésű rádiós üzenetszóráshoz készítette Norman Abramson (a ’70-es, ’80-as években a Hawaii Egyetemen) • Koordinálatlan felhasználók egyetlen csatorna hozzáférési jogáért versengenek • Két változata: • Egyszerű • Réselt (globális időszinkronizálás) 11

12. Egyszerű ALOHA • Az alapötlet az, hogy mindenki adhat amikor csak akar • Így természetesen lesznek ütközések, melyek az illető keretek elvesztését okozzák • A beiktatott visszacsatolás miatt viszont minden állomás tudja majd, hogy tönkrement-e a keret vagy sem • Ha ilyen történik, a küldő véletlen ideig vár, majd újra elküldi a keretet • Ezeket a konfliktusos rendszereket versenyhelyzetesnek nevezzük 12

13. Egyszerű ALOHA rendszerben keretgenerálás bármikor lehet 13

14. Az ALOHA rendszer hatékonysága • A maximális kihasználtsághoz a kereteknek azonos hosszúságúnak kell lenniük • Elérhető legjobb csatornakihasználtság: 37% 18% 14

15. Réselt ALOHA • 1972 Roberts (elfelejtődött) • Később vezetékes internetelérés megoldásához • Az ötlet egyszerű: az időt osszuk diszkrét szeletekre, melyek hossza éppen megegyezik a keretidővel • Egyik megoldás: Szükséges egy kijelölt állomás, ami egy szinkronizációs jelet sugároz az időhatárok kezdetén • Az állomásoknak az adáshoz meg kell várniuk a következő időrés kezdetét • Ezáltal a folyamatos protokoll diszkrétté alakult… 15

16. Vivőjel-érzékeléses többszörös hozzáférésű (CSMA) protokollok • Vivőjel-érzékeléses = csatornafigyelő • CSMA = Carrier Sense Multiple Access • A helyi hálózatokban az állomások érzékelhetik egymás tevékenységét, viselkedésüket ehhez igazíthatják • Ezeknek a hálózatoknak sokkal jobb lehet a kihasználtságuk az ALOHÁ-jénál 16

17. Perzisztens és nemperzisztens CSMA • 1-perzisztens Amikor egy állomás adni készül • Belehallgat a csatornába • Ha a csatorna foglalt, vár • Ha szabad csatornát érzékel, elküld egy keretet Ha ütközést érzékel • Véletlen ideig vár • Elölről kezdi a procedúrát 1-perzisztens, mert 1 valséggel adni kezd, ha a csatornát üresnek érzékeli • Nemperzisztens (nagyobb, véletlenszerű késleltetés) • P-perzisztens (réselt csatornát alkalmaz) 17

18. Véletlen hozzáférésű protokollok összehasonlítása 37% 18% 18

19. CSMA ütközésérzékeléssel • Ezek a protokollok képesek arra, hogy az ütközés érzékelése után azonnal befejezik az adást (sérült keretek küldését nem fejezik be) • Ezzel időt és sávszélességet takarítanak meg • CSMA/CD (CSMA with Collision Detection – ütközésérzékeléses CSMA) • LAN-ok MAC-protokollja • A népszerű Ethernet LAN-ok alapja 19

20. CSMA/CD modellje 20

21. Ütközésérzékeléshez szükséges fizikai követelmények • A versengési időrések hossza minimum 2 (tau) : a jel terjedési ideje a két legtávolabbi állomás között (1 km hosszú koaxiális kábelen   5 s) • 2 ideje ütközés nélküli forgalmazás = megszerezte a csatornát • Az ütközésellenőrzés analóg folyamat • Speciális kódolás (0 V-os jelek ütközését nehéz lenne érzékelni) • Fél-duplex rendszer szükségszerűen, mivel adás közben a vételi áramkör az ütközéseket figyeli 21

22. Ütközésmentes protokollok • Az ütközések hátrányosan érintik a rendszer teljesítményét • Különösen akkor, ha a kábel hosszú (azaz a terjedési idő nagy), a keretek pedig rövidek • Ezen protokollok vizsgálatánál feltételezzük, hogy • N állomás van • minden állomás rendelkezik egy „beégetett”, fix címmel 22

23. Alapvető bittérkép (helyfoglalásos) protokoll • Itt az ütköztetési periódus pontosan N időrésből áll • Ha a 0-s állomás adni szeretne, akkor 1-es bitet küld a 0. (első) versengési időrésben • A versengési időrésekben más állomás nem használhatja a csatornát, csak az, akinek az időrése (a j-edik állomás a j időrésben jelezheti, hogy van küldésre kész kerete) • Miután mindenki tudatja az állapotát, megindul az adás: sorrendben adnak azok, akik ezt az előzőekben jelezték • Amikor ezzel elkészültek, újabb versengési idő kezdődik 23

24. Alapvető bit-térkép protokoll • Hátránya: • a versengési periódus hossza állomásonként 1 bittel nő 24

25. Bináris visszaszámlálás • Azonos hosszúságú, fix bináris állomáscímek • Itt azok az állomások, akik adni szeretnének, elkezdik kiküldeni a címüket bitenként, a legnagyobb helyi értékű bittel kezdve • A kiküldött bitek VAGY kapcsolatba kerülnek • Az eredményt mindenki összehasonlítja a saját azonos helyi értékén lévő bittel • Ha a kapott bit 1-es, az övé pedig 0, kiszáll a versenyből 25

26. Bináris visszaszámlálás szemléltetése 26

27. A bináris visszaszámlálás tulajdonságai • A rendszerben egy fix prioritási sor van • Ennél a rendszernél a keret megfelelő kialakításával akár 100%-os kihasználtság is elérhető! • A versengési idő hossza csak az állomások darabszámának bináris leírásához szükséges bit és a bit továbbításához szükséges idő szorzata • Van olyan változata, ahol a sorrend variálható, pl. a hallgatási idő függvényében… 27

28. Korlátozott versenyes protokollok • Teljesítménymérő számok • Kis terhelés mellett fellépő késleltetés • Nagy terhelés mellett fennálló csatornakihasználtság • A jó tulajdonságokat ötvözni kellene • Kis terhelésnél versenyhelyzetes, • Nagy terhelésnél ütközésmentes technikát használna • Mindenek előtt a versenyhelyzetek számát kell csökkenteni 28

29. Korlátozott versenyes protokollok • Adaptív fabejárási protokoll • Hullámhosszosztásos többszörös hozzáférési protokollok 29

30. Vezeték nélküli LAN protokollok • Vezeték nélküli LAN • Pl. egy rendszer, ahol számítógépek rádión kommunikálnak • Pl. egy irodaház, • Amely köré bázisállomásokat telepítenek • Bázisállomások között rézvezetékes vagy üvegszálas hálózat • Hatósugarak  cellák kialakulása (akár 3-4 m-es is) • Minden cella egyetlen csatornával rendelkezik • Ennek sávszélessége 11 és 54 Mb/s közé esik • Feltételezzük, hogy mindegyik rádióadónak van egy rögzített hatótávolsága 30

31. Problémák a CSMA rendszerekkel • A legnagyobb gond, hogy az ütközésérzékelés nem egyszerű: az interferencia a vevőnél lép fel, nem pedig az adónál • Rejtett állomás problémája (ha hatósugáron kívül lévő ad, C nem látja, hogy B foglalt) • Megvilágított állomás problémája (C foglaltnak hiszi a csatornát, holott C és D között nem foglalt) 31

32. MACA Multiple Access with Collision Avoidance – többszörös hozzáférés ütközések elkerülésével (korai protokoll) • Az adónak rá kell bírnia a vevőt, hogy adjon egy rövid keretet, amivel tudatja a körülötte lévőkkel, hogy adatot fog kapni • Ezt az RTS és a CTS csomagokkal valósítják meg, melyek tartalmazzák a továbbítani kívánt keret hosszát RTS (Request To Send): adási engedély kérése CTS (Clear To Send): adásra kész 32

33. A MACA-protokoll működése 33

34. Problémák • Az óvintézkedések ellenére is előfordulhat, hogy ütközések jönnek létre • Ilyenkor a sikertelen állomás véletlen ideig várakozik, majd újrakezdi a műveleti sort • Ennek a protokollnak a finomhangolásá-val hozták létre a MACAW protokollt 34

35. MACAW • MACAW (MACA for Wireless – vezeték nélküli MACA) • Ennél minden egyes sikeresen továbbított adatkeret után ACK keretet adnak • Megvalósították a vivőérzékelést is, ezáltal addig nem kezdi az RTS-t adni, amíg érzékeli, hogy mások is küldenek az ő célállomásának • A visszalépéses algoritmust nem állomásonként, hanem adatfolyamonként indítják • Az állomások megoszthatják egymással torlódási információikat 35

36. Témakörök • A csatornakiosztás problémája • Többszörös hozzáférésű protokollok • Ethernet • Vezeték nélküli LAN-ok • Szélessávú vezeték nélküli hálózatok • Bluetooth

37. Ethernet kábelezés (1) • A leggyakoribb Ethernet kábelezési típusok 37

38. Ethernet kábelezés (2) • Három különböző 802.3-as kábelezés. • (a) 10Base5, (b) 10Base2, (c) 10Base-T. 38

39. Ethernet kábelezés (3) Kábelezési topológiák:(a) Lineáris, (b)Gerinc, (c)Fa, (d) Szegmentált. 39

40. Manchester-kódolás (4) Szükséges, hogy külső óra nélkül minden állomás számára eldönthető legyen, hogy mikor kezdődik, ér véget és tart éppen felénél egy bit a csatornának. Két megoldás: a két Manchester kódolás (a) Bináris kódolás, (b) Manchester kódolás, (c) Differenciális Manchester kódolás. 40

41. Az Ethernet MAC-protokollja • Keretformátumok(a) DIX Ethernet (DEC, Intel, Xerox), • Címeknél csupa 1-es: minden állomás (b) IEEE 802.3. • SOF: Start of Frame 41

42. Ethernet MAC-protokoll Az ütközésérzékelés 2 időt is igénybe vehet 42

43. Az Ethernet teljesítménye Az Ethernet hatékonysága 10 Mb/s-os sebesség, és 512-bitesrésidő esetén 43

44. Kapcsolt Ethernet Egyszerű példa a kapcsolt Ethernetre 44

45. Gyors Ethernet A gyors Ethernet: Eredeti kábelezése 45

46. Gigabites Ethernet 802-es bizottság új gyorsítási terve (a) Ethernet két állomással(b) Ethernet több állomással 46

47. Gigabites Ethernet Gigabites Ethernet kábelezése 47

48. Ethernet • Három évtizede létezik • Nincs komoly vetélytársa • Egyszerű • Megbízható • Olcsó • Könnyű karbantartani • Rugalmas • Jól működik együtt a TCP/IP-vel • Feljött az élvonalba a sebességet illetően is 48

49. Virtuális LAN Központi huzalozású épület elosztókkal és kapcsolóval 49

50. Virtuális LAN-ok (a) 4 fizikai LAN 2 VLAN-ba szervezve (szürke és fehér) két híd segítségével (b) Ugyanaz a 15 gép 2 VLAN-ba szervezése kapcsolókkal 50