forbindelser mellom noder Kjell Åge Bringsrud kjellb Foreleser: Linklaget - direkte 2/6/2006 1

Transkript

1 Linklaget - direkte forbindelser mellom noder Foreleser: Kjell Åge Bringsrud kjellb 2/6/2006 1

2 Referansemodeller disse er bygget opp hierarkisk; lagdelt for å lette forståelsen for å abstrahere vekk detaljer samle i et lag funksjonalitet som naturlig hører sammen et lag bygger på tjenester fra laget under, og tilbyr en verdiøket tjeneste til laget over verdiøkningen skjer gjennom samarbeid med det tilsvarende lag i motsvarende maskin 2/6/2006 2

3 Referansemodeller vi har tre aktuelle referansemodeller å forholde oss til: ISO s ref.modell for Åpne systemer Internet modellen mellomvare-modellen (tre-lags) ingen motsetning mellom disse, men de har litt forskjellig abstraksjonsmål 2/6/2006 3

4 Internet modellen Applikasjon Transport IP Nettverk adapter_ 1 ende-til-ende Ruter Transpor t IP Nettverk adapter_ 2 Nett_1 Nett_2 2/6/2006 4

5 Mellomvare-modellen Applikasjon Mellomvare Nettverk Plattform Mellomvare Nettverk Komm.nett 2/6/2006 5

6 ISO s ref.modell Node/ svitsj Endesystem Endesystem Applikasjon Applikasjon Presentasjon Sesjon Transport Nett Link Fysisk ende-til-ende Svitsj Applikasjon Presentasjon Sesjon Transport Nett Link Fysisk Komm.-medium Komm.-medium 2/6/2006 6

7 Generelt om Link-laget Hensikt? Å forbinde to noder i nettet (og ende-maskinene til første node i nettet) Simplex, Half duplex, Full duplex enten eller begge veier samtidig Spesialtilfeller: Flere noder koblet til samme ledning (Ethernet) Flere noder koblet i ring (simplex mellom nodene): (Token ring, FDDI) 2/6/2006 7

8 Linklaget - utfordringer Utfordringer Rammeinndeling/innramming Feildeteksjon/feilretting Flytkontroll Spesialtilfelle flere noder deler en link (som i Ethernet) => Behov for adgangskontroll til linken (mediet) 2/6/2006 8

9 Rammeinndeling Problem: Dele sekvensen av bit opp i rammer Implementeres typisk av nettverksadapter Adapter henter (legger) rammer fra (i) nodens internlager Avsendernode bit-overføring node Mottager- Adapter Adapter ramme-overføring Abstraksjon av linjen: uendelig sekvens av bit. Hvordan bestemme start og slutt til rammen? 2/6/2006 9

10 Rammer (engelsk: frames) Overføringsenhet mellom noder/adaptere En ramme = data (bit) som utgjør en naturlig helhet (variabelt eller fast antall bit/byte) Bit som skal overføres (f.eks. pakke): Bit som skal overføres, pakkes inn i en ramme: Ekstra biter settes inn bak og/eller foran, og noen ganger inne i dataene som overføres. Hensikt? avgrense rammen detektere feil kontrollere flyt 2/6/

11 Hvert lag gir overhead Komm. nett 2/6/

12 Innramming i forhold til OSI-lagene Nettverkslag Linklag Fysisk lag 2/6/

13 Byte-orienterte protokoller Tidlig tilnærming til innramming opphav i byte/character orienterte terminaler (byte= oktett) BISYNC (Binary Synchronous Communication) IBM 60-tallet PPP (Point-to-Point Protocol) kommunikasjon over modem, f.eks. mellom hjemme-pc og ISP 2/6/

14 Byte-orienterte protokoller Bruk av vokter BISYNC S Y N S Y N S O H S T X Header Body E T X CRC vokter tegn Problem: Hva skjer når SOH, STX og ETX forekommer i datadelen av rammen? Løsning: Markerer disse med DLE foran (og DLE i data med DLE DLE) Kalles gjerne tegn-støffing (character stuffing) S Y N S Y N S O H D L E E T X S T X D L E S O H E T X CRC 2/6/

15 Byte-orienterte protokoller Bruk av byte-teller (antall) S Y N S Y N Count Header Body CRC Class Problem: Hva skjer når Count feltet har bit-feil? Løsning: oppdages når CRC feiler vente til neste SYN; prøve på nytt derfra rammetap For større sikkerhet (redundans): både End-of-Text og teller 2/6/

16 Bit-orienterte protokoller Regnes som mer moderne enn byte-orienterte En ramme er en samling bit HDLC (også SDLC): avgrenser rammen med en spesiel bit-sekvens Header Body CRC flag-byte 2/6/

17 Bit-orienterte protokoller Problem: spesielle bit-sekvens forekommer i datadelen Løsning: bit-støffing sender: hver gang fem 1-ere oppdages, settes en ekstra 0 inn garanterer at flag-byte ikke kan forekomme i datadelen flag-byte er (selvsagt) ikke gjenstand for bit-stuffing mottaker: hver gang fem 1-ere oppdages dersom neste bit er 0, fjern den og fortsett mottaket dersom neste bit er 1 dersom neste bit deretter er 0 slutt på rammen dersom neste bit deretter er 1 rammefeil; vente på neste flag-byte 2/6/

18 Tegn- og bit-støffing Fast rammestørrelse er umulig Fordi: antall ekstra tegn (DLE) eller bit (0) er avhengig av hva slags data det er i rammen 2/6/

19 Klokke-basert innramming Fast rammestørrelse Klokke-basert er et dårlig navn Prinsipp: mottaker ser etter et bestemt bitmønster som gjentas med fast avstand i bitstrømmen (f.eks. hver 810 byte som i SONET) når det spesielle bit-mønstret dukker opp på rett plass tilstrekkelig antall ganger, konkluderer mottaker at den er synkron med sender og tolker rammen korrekt 2/6/

20 Feildeteksjon/feilretting Oppgaver: 1. Finne feil 2. Rette feil To alternativer til å rette feil: A. Ha nok informasjon til å rette opp feil i de mottatte dataene B. Be om at dataene (rammen) blir sendt en gang til (C. Gi blanke, det er ikke så farlig å miste litt data) 2/6/

21 Feil-deteksjon Bit-feil i rammer behov for mekanismer som oppdager bit-feil Teknikker som ofte benyttes i datanett Cyclic Redundency Check (CRC) svært utbredt Paritet - to-dimensjonal paritet BISYNC ved ASCII overføring Sjekksum flere Internett-protokoller 2/6/

22 Paritet (tverrsum) Ett paritetsbit: F.eks. 7 bit data, sendes som 8 bit Like paritet dvs. et like antall enere i resultatet sendes som Odde paritet dvs. et odde antall enere i resultatet Odde paritet: sendes som Generelt: Jo mer data til redundans, jo flere feil oppdages. 2/6/

23 To-dimensjonal paritet Rad paritet Kolonne paritet Oppdager alle 1,2 og 3 bit feil og de fleste 4 bit feil I eksemplet: 14 bit redundant informasjon, og 42 bit melding ramme paritets byte paritets biter /6/

24 CRC: Cyclic Redundancy Check Generalisering av paritet: Kodeord Data (med hode) Sjekk/CRC Like paritet: Kodeordet delt på 2 skal ikke gi rest CRC: Kodeordet delt på et tall, G, skal ikke gi rest Dette tallet vi deler på kaller vi Generatorpolynomet Deling foregår med modulo-2 regning, dvs ikke mente eller låning. 2/6/

25 Cyclic Redundency Check Kodeord Data (med hode) Sjekk/CRC m biter r biter CRC: Kodeordet delt på et Generatortall skal ikke gi rest Hvordan finner vi Sjekk/CRC? Jo, slik: 1. Generatortallet kaller vi G. G er på r+1 biter. 2. Lag et stort tall av Data med r 0-biter bak Divider dette store tallet på G Bruk modulo-2 regning (XOR, dvs. ikke noe mente) 3. Resten av divisjonen er alltid på r eller færre biter! Denne resten blir Sjekk/CRC Data (med hode) m biter r biter Da vil Kodeordet være delelig på G (med 0 i rest) 2/6/

26 Eksempel på CRC-utregning Kodeord Data (med hode) Sjekk Anta G er : = med rest = : 10011= nøyaktig 2/6/

27 CRC baserer seg på polynomer CRC-algoritmen ser på binærtall som polynomer. F.eks. betraktes som polynomet x + x + 1= x + x + x = 1* x + 0* x + 0* x + 1* x + 1* x Og som polynomet x 5 + x = x 5 + x 4 + x 0 NB: Hvis polynomet er av grad r, har binærtallet r+1 biter 2/6/

28 Vanlige CRC polynom CRC CRC-8 CRC-10 CRC-12 CRC-16 CRC-CCITT CRC-32 C(x) x 8 +x 2 +x 1 +1 = x 10 +x 9 +x 5 +x 4 +x 1 +1 x 12 +x 11 +x 3 +x 2 +x 1 +1 = x 16 +x 15 +x 2 +1 = x 16 +x 12 +x 5 +1 = x 32 +x 26 +x 23 +x 22 +x 16 +x 12 +x 11 +x 10 + x 8 +x 7 +x 5 +x 4 +x 2 +x+1 2/6/

29 Egenskaper CRC-16 Alle enkle og doble bitfeil Alle feil i et odde antall bit Alle kaskadefeil av lengde mindre enn 17 99,997 % av alle 17 biters kaskader 99,998 % av alle 18 biters kaskader 2/6/

30 Hva bør beskyttes av CRC? Hele rammen Hele hodet ikke data Deler av hodet Vikigst: mottakeradresse og pakkelengde Kast en pakke så fort som mulig i det en CRCfeil oppdages! 2/6/

31 Feilretting uten retransmisjon Kalles Forward Error Correction To-dimensjonal paritet og Hammingkoder kan benyttes Kan også sende alle pakker to ganger og sammenlikne 2/6/

32 Feil-korrigerende koder Bruk av Hamming-kode for å korrigere burst feil. 2/6/

33 Pålitelig overføring Pakker med feil CRC kastes Fint om vi kan rette opp feilen Hvis feilen ikke kan rettes opp, og vi trenger pakken, da må den sendes en gang til! Også her er det en avveiing: Ende-til ende eller mellom noder? (Problemkomplekset med doblet/triplet (mm.) funksjonalitet) 2/6/

34 Pålitelig overføring Når omsending av pakker er nødvendig: To fundamentale mekanismer kvitteringer (engelsk: acknowledgements, ack) tidsfrister (timeouts) vha. vekkeklokke (timer) Husk at også kvitteringer kan bli borte Ønsker vi at pakkene skal komme frem i riktig rekkefølge? 2/6/

35 Stop-and-Wait (stopp og vent) Sender Mottaker 2. ACK A B 1. Pakke Mottaker sender ack tilbake når en ramme er mottatt, og først når sender mottar ack, sendes ny ramme. På denne måten blir ikke mottaker oversvømmet av pakker, og avsender vet at alle pakker er kommet trygt fram. Men hva hvis pakker blir borte? 2/6/

36 Stop-and-Wait (stopp og vent) Grunnleggende algoritme: send én ramme og vent på kvittering (ACK ramme) dersom ACK ikke mottatt innen gitt tidsfrist, send rammen på nytt. ramme ramme ACK tidsfrist tidsfrist ramme ACK tidsfrist 2/6/

37 Stop-and-Wait Problem 1 med grunnleggende algoritme: Men kanskje det var ACK som ble borte Vi må kunne sende den samme rammen på nytt, selv om den allerede er kommet riktig frem ramme ACK ramme ACK tidsfrist tidsfrist 2/6/

38 Stop-and-Wait Problem 2 med grunnleggende algoritme: Kanskje vi sendte rammen om igjen for tidlig Vi må godta at ACK kommer for sent ramme ACK ramme ACK tidsfrist tidsfrist 2/6/

39 Stop-and-Wait ramme ramme Må sende rammen på nytt og på nytt helt til ACK kommer tilbake Hvordan vet mottaker at det er den samme rammen som sendes på nytt? ramme tidsfrist tidsfrist tidsfrist ACK ramme ACK ACK 2/6/

40 Løsning: sekvensnummer ACK (send meg k+1) k+1 k+1 k+1 Mottaker A B k+1 k k k k k Ramme nr. k Det er nok med en en-bit teller (0 og 1) k, k+1 regnes da ut modulo 2. (En buffers Sliding window protokoll) 2/6/

41 Sekvensnummer som 0 og 1 0 og 1 som sekvensnummere En bit er nok når vi sender én ramme av gangen og venter på kvittering ACK 1: Send ramme med odde sekvensnummer ACK 0: Send ramme med like sekvensnummer Altså: ramme 0, 1, 2, 3, 4, 5, sendes som ramme 0, 1, 0, 1, 0, 1, Går dette bra? Hva betyr det at det går bra? 2/6/

42 0-1 sekvensnummer Egenskaper til korrekt løsning? Mottaker leverer aldri samme ramme to eller flere ganger til laget over (nettlaget) Ingen rammer går tapt (forutsatt at alle meldinger før eller siden kommer frem når de resendes tilstrekkelig antall ganger) Rammene leveres i samme rekkefølge hos mottager som de sendes i av senderen (forutsatt at en ramme leveres straks den er korrekt mottat og ikke mottatt før) 2/6/

43 0-1 sekvensnummer ramme 0 Analyse av sender ramme 0 - like ramme (0) sendes ut - ignorerer (gamle) ACK 0 - resender like ramme (0) tidsfrist tidsfrist tidsfrist ramme 0 ACK 1 ramme 0 ramme 1 ACK 1 ACK 0 ACK 1 I det ACK 1 kommer: - odde ramme (1) sendes ut - ignorerer (gamle) ACK 1 - resender odde ramme (1) I det ACK 0 kommer: - like ramme (0) sendes ut - ignorerer (gamle) ACK 0 - resender like ramme (0) I det ACK 1 kommer: osv. Vanskelig? levér ramme 0 ignorér ramme 0 ignorér ramme 0 levér ramme 1 ramme 0 2/6/

44 Stop-and-Wait Grunnleggende svakhet: utnytter linjekapasiteten dårlig senderen kan bare ha én utestående ramme til enhver tid Eksempel: 1.5Mbps link x 45ms RTT = 67.5Kb (8KB) dvs. 8KB data kan være underveis på linjen anta rammestørrelse 1KB stop-and-wait bruker ca. 1/8 av linjekapasiteten (om ingen feil) Mål: senderen må kunne sende opp til 8 rammer før den må vente på en ACK moralen er: fyll opp røret Avsender Mottaker 2/6/

45 Fyll opp røret Utnytte linjen bedre. Sender flere pakker rett etter hverandre: A Pakker B Pakker Putte ACK/NAK på ryggen til meldinger som går den andre veien ( piggyback ) 2/6/

46 Glidende vindu Idé: Tillat senderen å sende flere rammer før den mottar ACK for derved å holde røret fullt. Det må være en øvre grense på antall rammer som kan være utestående (som det ikke er mottatt ACK for). sender mottaker Eksempel: maks. 5 utestående rammer 2/6/

47 Glidende vindu Sendt men ikke fått ack, må kanskje sendes på nytt (vil bli resendt om ack aldri mottas) Disse tre er motatt og kvittert (ack sendt) (men kan ikke sendes videre før x motatt) Ikke motatt ack/nack x x Pakker 2/6/

48 Glidende vindu: sender Tilordner sekvensnummer til hver ramme (SeqNum) Vedlikeholder tre tilstandsvariable send window size (SWS) last acknowledgment received (LAR) last frame sent (LFS) Vedlikeholder invariant: LFS - LAR SWS Rammer som venter Rammer som er bekreftet på å bli bekreftet Rammer som ikke er sendt N N+1 N+2 N+3 N+4 N+5 N+6 N+7 N+8 N+9 N+10 N+11 N+12 N+13N+14 LAR SWS LFS Når ACK mottas, økes LAR, og derved kan ny ramme sendes slik at LFS økes. SWS=8 flyt stoppet Buffer for opptil SWS rammer, dvs SWS rammer i røret samtidig 2/6/

49 Glidende vindu: mottaker Vedlikeholder tre tilstandsvariable receive window size (RWS) largest acceptable frame (LAF) last frame received (LFR) (with all smaller frames also received) Vedlikeholder invariant: LAF - LFR RWS Rammer som er mottat Rammer som kan mottas (muligens ute av orden) N N+1 N+2 N+3 N+4 N+5 N+6 N+7 N+8 N+9 N+10 N+11 N+12 N+13N+14 LFR RWS LAF 2/6/

50 Glidende vindu: mottaker Kumulativ kvittering ( go back n protokoll), dvs. vi ack-er ikke nye pakker hvis det er hull i sekvensen av mottatte pakker if LFR < MottatRamme.SeqNum < LAF then ta-imot-pakken-og-legg-den-på-plass; beregn-nye-grenser (MottattRamme.SeqNum); // se neste lysark else kast pakken; send ACK (LFR + 1) Rammer som er mottatt Rammer som kan mottas (muligens ute av orden) N N+1 N+2 N+3 N+4 N+5 N+6 N+7 N+8 N+9 N+10 N+11 N+12 N+13N+14 LFR RWS LAF 2/6/

51 Glidende vindu: mottaker Invariant: LFR + 1 er første pakke som ikke er mottatt beregn-nye grenser(seqno) if seqno = LFR + 1 { beregn ny LFR og LAF: for (i= LFR + 1; ramme i er mottatt; i++) { } ; LFR = i-1; LAF = LFR + RWS; } første som ikke er mottatt N N+1 N+2 N+3 N+4 N+5 N+6 N+7 N+8 N+9 N+10 N+11 N+12 N+13N+14 SeqNum LFR LAF 2/6/

52 Glidende vindu: mottaker Varianter til go back n protokoll Negativ kvittering (NAK) mottaker sender NAK på rammer som savnes Selektiv kvittering (SAK) mottaker sender ACK på nøyaktig de rammer som mottas disse behøver da ikke re-sendes Både SAK og NAK øker kompleksiteten til implementasjonen, men kan potensielt bedre utnyttelsen av linjen 2/6/

53 Glidende vindu: endelige sekvensnummer I praksis representeres sekvensnummer med et endelig antall biter. n biters sekvensnummer => intervall sekv. nr. = (0..2 n -1) I HDLC: n = 3, dvs. sekvensnummerintervall (0..7) sekvensnummer må gjenbrukes Problem skille mellom ulike inkarnasjoner av samme nummere Minimum krav: sekvensnummerintervallet må være større enn maks. antall utestående rammer 2/6/

54 Glidende vindu: endelige sekvensnummer SWS MaxSeqNum+1 er ikke tilstrekkelig anta 3 biters SeqNum felt (0..7) SWS=RWS=8 senderen transmitterer rammene 0..6 mottas uten feil, men ACK går tapt senderens tidsfrist utløper, rammene 0..6 sendes på nytt mottaker forventer 7,0..5, men mottar andre inkarnasjon av 0..5 SWS,RWS (MaxSeqNum+1)/2 er riktig regel Hindrer overlapp mellom nedre kant av sendervinduet og øvre kant av mottakervinduet. 2/6/

55 Glidende vindu: endelige sekvensnummer Eksempel: SWS, RWS = 4 LAR LFS LAR NFE LFA send rammer 0..3 LFA ACK LFS NFE Hva bør mottaker nå gjøre? send rammer /6/

56 Oppsummering Pålitelig overføring av rammer krever metoder for 1. Feildeteksjon 2. Feilkorrigering Metoder for feil-deteksjon Cyclic Redundency Check (CRC) Paritet - to-dimensjonal paritet Sjekksum Metoder for feilkorrigering Forward-error-correction (benyttes relativt lite i datanett) Retransmisjon (stop-and-wait, glidende vindu) 2/6/