3. Adatkapcsolati réteg

(1)

UNIVERSITY OF SZEGED

D

epartment of Software EngineeringUNIVERSITAS SCIENTIARUM SZEGEDIENSIS

3. Adatkapcsolati réteg

Dr. Bilicki Vilmos

Szoftverfejlesztés Tanszék

(2)

D

Tartalom

 Az adatkapcsolati réteg feladata

– Keretezés

■ Logikai Link Vezérlés (LLC alréteg)

– Hibajavítás (?) – Hibadetektálás (?)

– Folyam szabályozás (?) – Titkosítás (?)

■ Közeghozzáférési alréteg

– Csatorna allokálás

– Többszörös hozzáférési protokollok

 Példák

■ PDH

■ PPP

■ SDH

■ OTN

■ 3,4G

22-05-12 Számítógép Hálózatok 2

(3)

D

IP homokóra

(4)

D

Kommunikációs hálózatok

Számítógép Hálózatok

(5)

D

Hálózatok fejlődése

(6)

D

Hibrid hálózat

(7)

D

Adatkapcsolati réteg

 Logikai Vonal Vezérlés (LLC) alréteg

 Medium Access Control alréteg

(8)

D

Adatkapcsolati réteg

 A fizikai csatornát

„vezetékszerűvé teszi”

■ Keretezés

■ Címzés

■ Hibadetektálás

■ Hibajavítás

■ Forgalom vezérlés

(9)

D

 Az adatkapcsolati réteg feladata adatok átvitele valamilyen soros

adatkapcsolaton.

■ Az átviteli vonal lehet:

• vezetékes pont-pont fizikai áramkör (csavart érpár, koaxiális kábel, optikai szál),

• vezeték nélküli kapcsolat (mikrohullám, stb.),

• fizikai vagy logikai kapcsolat valamilyen kapcsolt hálózaton keresztül.

■ Az átviteli mód lehet:

• aszinkron,

• szinkron.

■ Az átvitelt vezérlő protokoll lehet:

• karakter-orientált,

• bit-orientált.

■ A magasabb hálózati rétegek számára nyújtott szolgáltatás lehet:

• megbízhatatlan (best-try), kapcsolat nélküli,

• megbízható (reliable), kapcsolat-orientált.

22-05-12 9

Adatkapcsolati réteg (Data link layer)

(10)

D

Keretezés

 A kommunikáció alapegysége

 Ebben vannak megvalósítva a réteghez tartozó szolgálati primitívek adatstruktúrái

■ Címzés

■ Hibadetektálás

■ Forgalomszabályozás

■ …

(11)

D

Keretezés

 Hol kezdődik, hol végződik a keret?

■ Karakter számlálás?

■ Bájtok megjelölése (bájt beszúrássa)?

■ Kezdő és vég zászlók bit beszúrással?

■ Fizikai réteg kódolási szabály sértésekkel?

■ ?

(12)

D

Karakter számlálás

 A fejlécben megvan a hossz

 Probléma:

■ Átviteli hiba

(13)

D

Bájt alapú zászlókkal

 Minden keret kezdetnél újraszinkronizálunk

 Speciális bájtok

 Probléma:

■ Bináris adatok -> ESC karakter

(14)

D

Bit alapú zászlókkal

 Tetszőleges bájt ábrázolás

 Bit beszúrás

(15)

D

A lehető legnagyobb valószínűséggel kell érzékelni, hogy a vett információ hibát tartalmaz.

Ha a vevő hibát észlel, szükség van valamilyen mechanizmusra, amellyel a remélhetően hibamentes információt megkapja.

Ez kétféleképpen érhető el:

• Hibajavítással

Az átvitt karakter vagy keret olyan redundáns információt tartalmaz, amelyből

nemcsak a hiba jelenléte észlelhető, hanem a helye is. A hibás bit-ek invertálásával a hiba javítható.

• Visszacsatolásos hiba kezeléssel

Az átvitt karakter vagy keret olyan redundáns információt tartalmaz, amelyből a hiba jelenléte észlelhető. Ezután a vevő a hibás keret újra átvitelével juthat a remélhetően hibamentes információhoz.

A hálózatok világában a visszacsatolásos módszer dominál, mivel a hibajavításhoz szükséges redundáns információ jelentősen megnöveli a továbbítandó adat mennyiségét.

Hiba érzékelés

(16)

D

Visszacsatolásos hiba kezelés két részre osztható:

• a megbízható hiba érzékelésre és

• az újra átvitelt bonyolító vezérlő algoritmusokra

A hiba érzékelés módszerei (az információelméletből ismert módszerek, ezért csak megemlítjük ezeket):

• Paritás bit (parity) használata

Karakterenként (byte-onként) képzett páros vagy páratlan paritás bit. Páratlan számú bit-hibát jelez.

• Ellenőrző összeg (block sum check)

A paritás ellenőrzést egészíti ki. Az adat byte-okat összeadják és az így kapott összeget a blokk végére illesztik. A vevő szintén kiszámolja a blokk összeget és összehasonlítja az átvitt blokk összeggel. Ez a módszer csak egy bites véletlen hibák érzékelésére alkalmas.

• Ciklikus redundancia ellenőrzés (Cyclic redundancy check)

A blokkosan előforduló hibák észlelésére is alkalmas módszer.

16 vagy 32 bites ellenőrző kód készül, amelyet az adó a blokk végén helyez el. A vevő újra számolja az ellenőrző kódot, majd összehasonlítja az átvitt ellenőrző kóddal.

Az ellenőrző kód az ún. polinomikus kódra épül.

Hiba érzékelés

(17)

D

Hiba javítás - Hamming kódolás

 Redundáns információt viszünk át

 FEC – Forward Error Correction

 Hamming távolság

■ D+1 hiba detektálás

■ 2D+1 hiba javítás

 Hamming kód

■ 2 hatvány

bitenként paritás

bit

(18)

D

OTN – FEC (ITU-T G.709)

(19)

D

Folyam vezérlés

 Csúszóablakos protokollok:

■ A küldő nyilvántartja a kiküldhető sorozatszámú kereteket (ablak)

■ A vevő is nyilvántartja a fogadható sorozatszámú kereteket (ablak)

 Típusai:

■ Egy bites csúszóablak protokoll

■ Visszalépés N-nel

■ Szelektív válasz

(20)

D

Elemi Adatkapcsolat réteg protokollok

 Protokoll:

 Szabályok és szabályozások halmaza melyek megadják az adat átvitelének módját adatkommunikációs és telekommunikációs hálózaton

(21)

D

Petri háló

(22)

D

Közeghozzáférési alréteg-MAC

(23)

D

Csatorna hozzárendelés

 Statikus -> Kapcsolt

■ Csomós forgalom esetén nem hatékony

 Dinamikus -> Üzenetszórás

 Model:

■ Egy közös csatorna

■ Független állomások

■ Ütközés lehetséges, az állomások ezt tudják detektálni

■ Idő

– Folyamatos – Diszkrét

■ Jel érzékelés

– Van vivő érzékelés – Nincs vivő érzékelés

(24)

D

Többszörös hozzáférésű protokollok

 Aloha

■ Egyszerű Aloha

■ Ütemezett Aloha

 Vivő érzékeléses többszörös hozzáféréű protokollok (Carrier Sense Multiple Access)

■ Tartós és nem tartós CSMA

■ CSMA ütközés detektálással

 Ütközés mentes protokollok

■ Bit térkép protokoll

■ Bináris visszaszámlálás

(25)

D

Egyszerű ALOHA

 Ha van adnivaló akkor adjuk

 Ha ütközés volt akkor újraadjuk

■ A csatornát figyeli

■ Visszajelzés érkezik

 Újraküldés előtt

véletlenszerű ideig várakozik

 ~18%-os csatorna kihasználtság

(26)

D

Ütemezett ALOHA

 Diszkrét időablakok, csak ezek kezdetén szabad elkezdeni az adást

(27)

D

Vivő érzékeléses

 Helyi hálózatokban az adások érzékelhetőek

 CSMA – Carrier Sense Multiple Access Protocoll

■ 1 persistent CSMA – amikor érzékeli, hogy nincs adás akkor 1 valószínűséggel adni kezd

■ non persistent CSMA – véletlenszerű időnként néz rá a csatornára, hogy az szabad-e

■ p-persistent CSMA – a csatorna diszkrét időrésekre osztott s az állomás amikor egy időrésben érzékeli azt, hogy szabad akkor p valószínűséggel adni kezd

(28)

D

Hatékonyság

(29)

D

CSMA/CD (ütközés érzékeléssel)

 Népszerű protokoll (pl.: régi Ethernet)

 Állapotai:

■ Verseny (itt lehet ütközés)

■ Adás (az hiba ha itt ütközés történik)

■ Üresjárat

(30)

D

Ütközésmentes

 A közös médium foglalását valamilyen módon előrejelzik

 Foglalásos protokollok

 Bit-térkép protokoll (bit-map protocol)

■ Egy bites adminisztrációs teher

(31)

D

Bináris visszaszámlálás

 Az előző nem skálázódik, ha több ezer állomást kell kezelni

 Bináris állomáscímek

 Verseny a csatornáért

 A magasabb című nyer

(32)

D

Telekommunikációs Gerinc

(33)

D

33

A távközlő hálózatok története I.

 Telefon beszélgetés átvitele

■ Analóg rendszer (FDM)

– A fül hallás görbéje és a beszéd érthetősége alapján 300-3400 Hz-es tartományt kellett átvinni – A telefonközpontba minden

előfizetőnek egy dedikált érpár.

– Telefonközpontok között ez nem megoldható (x 100 érpár)

» Megosztott közeg

» Frekvenciaosztás minden beszélgetés egy-egy külön frekvenciasávot kapott ezt szűrökkel és modulálással érték el.

» Rossz hangminőség, nehézkes karbantarthatóság, nehezen vagy nem skálázható

(34)

D

34

A távközlő hálózatok története II.

 Időosztásos közegosztás (TDM)

 Digitális rendszer (1962 Bell Labor)

■ Nyquist – egy periodikus analóg jel a

frekvenciájának kétszeresével mintavételezve veszteség nélkül visszaállítható a mintákból

■ Pulzus Kód Moduláció (PCM Pulse code modulation) (PAM, PPM,..)

– ITU-T G.711 (CCITT)

– Mintavételezés – 8000 Hz

– Kvantálás - a 8 bites lineáris hozzárendelésnek nincs elég dinamikája (fül 0-120dB) ezért 12-14 bites mintavételezés van és ezeket az értéket logaritmikusan 8 bithez rendelik (több lépés az alsó szinten, kevesebb a felsőn)

» A szabály - Európában

» szabály – USA

– Kódolás – A jelet a csatorna feltételeihez illesztik.

Pl.: órajel kinyerés



m 1 m A

, 1 m

a m ln A 1

ln 1

) m sgn(

A 1 m

, m m

m A ln 1

A y

p p



 







 





 





 



 



 



(35)

D

Kódolás

 A fizikai közegen való átvitelhez a jelet érdemes átalakítani (pl. ne legyen egyáramú összetevő, szinkron jel kinyerés, …)

 Vonali kódolás

■ NRZ (Non Return Zero)

■ RZ (Return Zero)

■ AMI (Alternate Mark Inversion)

■ HDB3 (High Density Bipolar Three Zeros)

■ CMI(Coded Mark Inverted)

(36)

D

A távközlő hálózatok története III.

 Időosztásos közegosztás (TDMA)

■ Multiplexelés – egy csatornán több csatorna továbbítása

■ 125 mikrosec a keret hossza

■ E1 – Európa - 30 csatorna 2048 Mbit/s

■ T1 – USA – 24 csatorna 1,544 Mbits/s

(37)

D

Plesiochronous digital hierarchy

 Max.: 140Mbit/s

 Bit multiplexelés

 A T1-re vagy az E1-re épül

 Minden következő szint négy

alsóbbszintű csatornát tartalmazhat

(38)

D

Szinkronizáció

 Független oszcillátorok, szabványba foglalt pontosság

 A pont-pont kapcsolatoknál nincs

probléma mert a jelből ki lehet venni az órajelet

 A multiplexereknél probléma

■ Üres bitek beiktatásával (Justification) szabályozzák a kimenő jel sebességét

■ Ezek végül összeadódnak és egy keret kihagyást, vagy ismétlést eredményeznek

(39)

D

PDH hátrányok

 Különböző szabványok, csak átalakítóval lehetett őket összekötni

 Adat átvitelnél zavaró lehet a fázisugrás

 Rézvezetékre tervezték

 Nem tartalmaz hálózatfenntartáshoz szükséges információkat (backup vonal, …)

 Az egyes adatfolyamokhoz csak a teljes demultiplexálás után lehet hozzáférni

 Pont-pont topológiára lett tervezve

 Nehéz konfigurálni

(40)

D

40

Point-to-Point Protocol 1.

 Telefonos, pont-pont adatátvitelre tervezték

 A PPP keret IP, IPX, NetBEUI csomagokat fogadhat be

 Egy kapcsolat az alábbi fázisokból áll:

1. PPP vonal felépítés (Link Control Protocol – paraméter csere)

2. Felhasználó azonosítás

– Password Authentication Protocol (PAP)

» Titkosítatlan jelszó átvitel (a NAS kéri a kliens küldi)

– Challenge Handshake Authentication Protocol (CHAP)

» Titkosított (NAS véletlen szám -> Kliens MD5 passwd+véletlen szám)

» A szerver tudja a felhasználó jelszavát

(41)

D

41