Δια_MANΔΡΜΟ και Πρωτόκολλα_MAC

Eπίπεδο ζεύξης δεδομένων

• Το επίπεδο σύνδεσης (data link layer) είναι υπεύθυνο για τη μεταφορά του datagram από έναν κόμβο σε ένα γειτονικό κόμβο μέσω της σύνδεσης
• Παρέχει υπηρεσίες όπως πλαισίωση, πρόσβαση στο κανάλι, αξιόπιστη παράδοση μεταξύ γειτονικών κόμβων, έλεγχο ροής, ανίχνευση και διόρθωση σφαλμάτων
• Το επίπεδο σύνδεσης υλοποιείται στην κάρτα διασύνδεσης δικτύου (NIC) και αποτελεί συνδυασμό hardware, software και firmware

Mέθοδοι πρόσβασης στο μέσο

• Mεταγωγή κυκλώματος: αποκλειστική διάθεση πόρων, προκαθορισμένη διαδρομή, εγγυήσεις ποιότητας
• Mεταγωγή πακέτων: μη αποκλειστική διάθεση του μέσου, δυνατότητα δυναμικής αναδρομολόγησης, ανταγωνισμός για το μέσο, στατιστική πολυπλεξία

Ανίχνευση και διόρθωση σφαλμάτων

• Χρήση bits ανίχνευσης και διόρθωσης σφαλμάτων (EDC) στα πλαίσια
• Έλεγχος ισοτιμίας: ανίχνευση και διόρθωση σφαλμάτων ενός bit
• Κυκλικός έλεγχος πλεονασμού (CRC): ισχυρή κωδικοποίηση ανίχνευσης σφαλμάτων
• Άθροισμα ελέγχου στο Διαδίκτυο (Internet checksum): ανίχνευση σφαλμάτων στο μεταδιδόμενο τμήμα

Πρωτόκολλα πολλαπλής πρόσβασης

• Κατηγορίες: διαμερισμός καναλιών, τυχαία πρόσβαση, "taking turns"
• TDMA: πολλαπλή πρόσβαση με διαίρεση χρόνου
• FDMA: πολλαπλή πρόσβαση με διαίρεση συχνότητας
• Πρωτόκολλα τυχαίας πρόσβασης: ανίχνευση και ανάκτηση από συγκρούσεις### Πρωτόκολλα MAC τυχαίας πρόσβασης
• Παραδείγματα πρωτοκόλλων MAC τυχαίας πρόσβασης περιλαμβάνουν:
  • ALOHA και τις παραλλαγές του, όπως Slotted ALOHA
  • CSMA, CSMA/CD, CSMA/CA

Slotted ALOHA

• Χρόνος διαιρεμένος σε ίσου μεγέθους σχισμές (χρόνος μετάδοσης 1 πλαισίου)
• Κόμβοι αρχίζουν να μεταδίδουν μόνο στην αρχή της σχισμής
• Αν 2+ κόμβοι μεταδίδουν, ανιχνεύεται σύγκρουση
• Μετά σύγκρουση, κόμβος αναμεταδίδει με πιθανότητα p
• Πλεονεκτήματα:
  • Ένας ενεργός κόμβος μπορεί να μεταδίδει συνεχώς
  • Εξαιρετικά αποκεντρωμένο, απλό
• Μειονεκτήματα:
  • Συγκρούσεις, σπατάλη χρονοθυρίδων
  • Κενές θέσεις
  • Κόμβοι μπορεί να ανιχνεύσουν σύγκρουση σε λιγότερο από χρόνο μετάδοσης
  • Συγχρονισμός ρολογιού

Αποδοτικότητα Slotted ALOHA

• Μέγιστη απόδοση: 1/e = 0,37
• Στην καλύτερη περίπτωση, το κανάλι χρησιμοποιείται για χρήσιμες μεταδόσεις 37% του χρόνου

CSMA (Carrier Sense Multiple Access)

• Ακρόαση πριν από τη μετάδοση:
  • Αν κανάλι αδρανές: μετάδοση πλαισίου
  • Αν κανάλι κατειλημμένο: αναβολή μετάδοσης
• CSMA/CD (με ανίχνευση σύγκρουσης)
  • Εντοπισμός συγκρούσεων σε σύντομο χρόνο
  • Ματαίωση συγκρουόμενων μεταδόσεων
  • Εύκολη ανίχνευση σύγκρουσης σε ενσύρματο, δύσκολη σε ασύρματο

Αλγόριθμος Ethernet CSMA/CD

1. Ethernet λαμβάνει datagram, δημιουργεί πλαίσιο
2. Αν κανάλι αδρανές: έναρξη μετάδοσης, αν κατειλημμένο: αναμονή
3. Αν μετάδοση ολοκληρωθεί χωρίς σύγκρουση: έτοιμο
4. Αν εντοπιστεί άλλη μετάδοση: διακοπή, σήμα εμπλοκής
5. Μετά διακοπή: εκθετικό backoff, επιστροφή στο βήμα 2

Πρωτόκολλα MAC "εναλλάσσονται"

• Πρωτόκολλα με καταμερισμό καναλιών:
  • Αποτελεσματική και δίκαια διαχείριση σε υψηλό φορτίο
  • Αναποτελεσματική σε χαμηλό φορτίο
• Πρωτόκολλα τυχαίας πρόσβασης:
  • Αποδοτικά σε χαμηλό φορτίο
  • Επιβάρυνση σύγκρουσης σε υψηλό φορτίο
• Πρωτόκολλα "εναλλάξ":
  • Αναζητούν τον καλύτερο συνδυασμό των δύο κόσμων

Διευθύνσεις MAC

• Διεύθυνση MAC 48-bit για κάθε φυσική διασύνδεση στο LAN
• Διεύθυνση IP 32-bit για διασύνδεση σε επίπεδο δικτύου
• Κατανομή διευθύνσεων MAC από το IEEE
• Διεύθυνση MAC είναι επίπεδη, επιτρέπει φορητότητα
• Διεύθυνση IP εξαρτάται από υποδίκτυο

Πρωτόκολλο ARP

• Ερώτηση: Πώς προσδιορίζεται η διεύθυνση MAC γνωρίζοντας τη διεύθυνση IP;
• ARP: Πρωτόκολλο επίλυσης διευθύνσεων για εύρεση διεύθυνσης MAC
• Κάθε κόμβος IP διατηρεί πίνακα ARP για αντιστοιχίσεις IP/MAC
• Διαδικασία:
  1. Κόμβος Α εκπέμπει ερώτημα ARP για IP διεύθυνση Β
  2. Κόμβος Β απαντά με τη διεύθυνση MAC του
  3. Α προσθέτει την εγγραφή στον πίνακα ARP

Ethernet

• Κυρίαρχη τεχνολογία ενσύρματου LAN

• Εξελίσσεται συνεχώς (10Mbps - 400Gbps)

• Φυσική τοπολογία:

  • Bus (παλαιότερα)
  • Switched (σήμερα)

• Δομή πλαισίου Ethernet:

  • Προοίμιο για συγχρονισμό
  • Διευθύνσεις MAC πηγής και προορισμού
  • Τύπος πρωτοκόλλου επιπέδου δικτύου### Novell IPX, AppleTalk

• Χρησιμοποιούνται για την αποπολυπλεξία στο δέκτη

Κυκλικός έλεγχος πλεονασμού (CRC) στο δέκτη

• Εντοπίζεται σφάλμα: το πλαίσιο απορρίφθηκε

Ethernet

• Αναξιόπιστο, χωρίς σύνδεση
  • Δεν υπάρχει χειραψία μεταξύ των NIC αποστολής και λήψης
  • Η NIC λήψης δεν στέλνει ACK ή NAK στη NIC αποστολής
  • Τα χαμένα δεδομένα ανακτώνται μόνο εάν ο αρχικός αποστολέας χρησιμοποιεί rdt υψηλότερου επιπέδου (π.χ. TCP)
• Πρωτόκολλο MAC: CSMA/CD χωρίς σχισμές με δυαδικό backoff

802.3 Ethernet standards: link & physical layers

• Πολλά διαφορετικά Ethernet πρότυπα με κοινό πρωτόκολλο MAC και μορφή πλαισίου
• Διαφορετικές ταχύτητες: 2 Mbps, 100 Mbps, 1 Gbps, 10 Gbps, 40 Gbps, 80 Gbps
• Διαφορετικό μέσο φυσικού επιπέδου: οπτική ίνα, καλώδιο

Μεταγωγέας Ethernet (Ethernet Switch)

• Αναλαμβάνει ενεργό ρόλο: αποθήκευση, προώθηση πλαισίων Ethernet
• Εξετάζει τη διεύθυνση MAC του εισερχόμενου πλαισίου, προωθεί επιλεκτικά
• Διαφανής: οι κεντρικοί υπολογιστές δεν γνωρίζουν την παρουσία διακοπτών
• Plug-and-play, αυτοεκμάθηση

Πλεονεκτήματα του switch

• Πολλαπλές ταυτόχρονες μεταδόσεις χωρίς συγκρούσεις
• Κάθε σύνδεσμος είναι ο δικός του τομέας σύγκρουσης
• Μεταγωγή: Α-προς-Α' και Β-προς-Β' μπορούν να μεταδίδουν ταυτόχρονα

Πίνακας προώθησης (Forwarding table) μεταγωγέα

• Περιέχει εγγραφές: (διεύθυνση MAC, διασύνδεση, σφραγίδα χρόνου)
• Μοιάζει με πίνακα δρομολόγησης
• Δημιουργείται και διατηρείται μέσω αυτοεκμάθησης

Αυτοεκμάθηση και προώθηση

• Ο μεταγωγέας μαθαίνει ποιοι κεντρικοί υπολογιστές είναι προσβάσιμοι μέσω ποιων διασυνδέσεων
• Όταν λαμβάνεται πλαίσιο, καταγράφεται ο αποστολέας στον πίνακα μεταγωγής
• Αν υπάρχει καταχώριση στον πίνακα για τον προορισμό, προωθείται σε αυτή τη διασύνδεση, αλλιώς γίνεται πλημμύρα

Μεταγωγείς διασύνδεσης

• Οι μεταγωγείς αυτοεκμάθησης μπορούν να συνδεθούν μεταξύ τους
• Η αυτοεκμάθηση λειτουργεί ακριβώς όπως σε έναν μεμονωμένο μεταγωγέα

Εικονικά τοπικά δίκτυα (VLANs)

• Λύση στα προβλήματα κλιμάκωσης και ασφάλειας των μεγάλων τοπικών δικτύων
• Επιτρέπουν τον λογικό κατακερματισμό ενός φυσικού LAN σε πολλαπλά εικονικά

VLAN με βάση τη θύρα

• Θύρες μεταγωγέα ομαδοποιούνται σε λογικά VLAN
• Απομόνωση της κυκλοφορίας μεταξύ VLAN
• Δυναμική συμμετοχή χρηστών σε VLAN
• Προώθηση μεταξύ VLAN γίνεται μέσω δρομολόγησης

VLAN που καλύπτουν πολλαπλούς μεταγωγείς

• Χρήση θυρών κορμού (trunk ports) για τη μεταφορά πλαισίων μεταξύ VLAN
• Το πρωτόκολλο 802.1Q προσθέτει/αφαιρεί πεδία επικεφαλίδας για αυτή τη μεταφορά

Μαθαίνετε σχετικά με την αντίληψη και τον έλεγχο του Διαδικτύου, καθώς και τις κατηγορίες πρωτοκόλλων_MAC και τις μεθόδους πρόσβασης.