BİLGİSAYAR AĞLARI & Ns2 AĞ SİMÜLATÖRÜ Hafta-6 Bağlantı Kurma

Transkript

1 1Chapter 2

2 BİLGİSAYAR AĞLARI & Ns2 AĞ SİMÜLATÖRÜ Hafta-6 Bağlantı Kurma Dr. Zafer ALBAYRAK 2015 ref: lary l. Peerson (computer networks-fifth edition)

3 Hafta konuları Ağa bağlanan düğümler Kodlama (encoding) Çerçeveleme (framing) Hata Tespiti (Error detection) Güvenilir İletim (Reliable Transmission) Kablosuz Ağlar (Wireless Networks)

4 Data Link Katmanı İşlevler: Application Presentation Session Transport Network Data Link Physical Düğümler arası veri bloklarının gönderilmesi (frames). Fiziksel ortama girişi düzenler Paketler nasıl tanımlanacak? Hata tespiti? Ortam erişimi nasıl kullanacak (media access control-mac)? Çarpışmaları nasıl tespit edip önleyecek?

5 Ağ bağlantısı görünümü Son kullanıcının internete bağlanması

6 Bağlantılar (Links) Tüm bağlantılar bir ortam aracılığıyla yayılan elektromanyetik dalgalardan oluşur. Bazı durumlarda bu yayılım uzay boşluğunda olur. Kullanılan ortamlar: Tipik bakır kablolar (Digital Subscriber Line (DSL) ve coaxial cable), Optik fiber (as in both commercial fiber-to-the home services and many long-distance links in the Internet s backbone), or Hava/Boşluk ( wireless links)

7 Bağlantılar Genel Bağlantı servisleri

8 Kodlama (Encoding) Adaptörler arasında sinyallerin iletilmesi NRZ(Sıfıra Dönmeyen Kodlama): Bit akışının kodlanması RS-232D ara yüzü bu kodlamayı kullanmaktadır.

9 Kodlama NRZ Baseline wander Alıcı sürekli gelen sinyallerin ortalamasını tutar. Bu ortalamalar vasıtasıyla low ve high sinyalleri ayırt eder. Sinyal ortalamadan belirli bir şekilde çok düşükse 0 değilse 1 olur. Ardışık olarak çok fazla 0 ve birlerin gelmesi ortalamanın değişmesine ve karar vermeyi zorlaştırır.

10 Kodlama NRZ kodlama problemi Zamanlama (Clock recovery) Sıklıkla higy ve low sinyallerine geçişte zamanın elde edilmesi gerekir. Gönderme ve decoding işlemi zamanla yapılmaktadır (driven by a clock). Her saat dönüşü gönderici bit gönderir alıcı bu biti alır. Gönderici ve alıcı tam olarak senkronize olmalıdır.

11 Kodlama Manchester Kodlama Sinyal ile iletilen veri Ex-Or edilir. Yani NRZ ile saat Ex-Or edilir. Manchester kodlamada Low/high çifti bir saat döngüsünü (one clock cycle) oluşturur. 0: low high transition 1: high low transition

12 Kodlama Farklı kodlamalar (NRZ, Manchester)

13 Paketleme (Framing) Paket anahtarlamalı ağlarda, yani blok halindeki veriler(frames), bit akışı olmayan veriler, düğümler arası gönderilip alınır. Ağ adaptörleri düğümlerin paketleri birbirleri arasında değişimini sağlar. Adaptörler arası bitlerin akışı, Sunucular arası paketler

14 Paketleme A düğümü B düğümüne paket göndermek istediğinde, A düğümü adaptörüne hafızadaki paketi göndermesini söyler. Böylelikle bit dizisi bağlantı üzerinden gönderilir. B düğümündeki adaptör sıralı olarak gelen bu bitleri alarak B düğümünün hafızasına sıralı bir şekilde kaydeder. Burada adaptörün en önemli işi paketlerin nerede başlayıp nerede bittiğinin tespit edilmesidir.

15 Paketleme Byte-oriented Protocols Her bir paket bit yerine bytelardan (characters) meydana gelir. BISYNC (Binary Synchronous Communication) Protocol IBM (late 1960) tarafından geliştirilmiştir. DDCMP (Digital Data Communication Protocol) DECNet tarafından kullanılır.

16 Hata Tespiti (Error Detection) Bit hataları paketlerde meydana gelir Bu durum, Elektrik sinyallerinden ve parazitlerden meydana gelir. Hata tespiti Hata düzeltilmesi Alıcı hatayı algıladığında, iki yaklaşım vardır. Göndericiye mesaj göndererek gönderilen mesajın hasar gördüğünü belirtip veriyi tekrar göndermesini istemek. Hata az ise yeniden gönderildiğinde tekrar iletilen paket hatasız olacaktır. Hata düzeltme algoritmaları kullanarak paketin düzeltilmesini sağlamak.

17 Hata Tespiti Hata denetimin temel fikri Pakete ilave bilgi eklenerek veride iletim sırasında hata olup olmadığı tespit edilir. Örnek (Aşırı vaka) Verinin iki kopyasının iletimi(transmitting two complete copies of data) Aynı hata yok farklı hata var İyi bir tasarım mı? n bit mesaj, n bit ekstra bilgi Hata yakalana yamayabilir. Genel olarak, Şu teknik kullanılır: k ilave biti, n paket biti, k << n Ağ kartında, bir paket 12,000 bit veri taşımakta yalnızca 32-bit CRC hata kontrol biti bulunur.

18 Hata Tespiti Fazladan bitler ilave bitlerdir Herhangi bir mesaj taşımazlar Bazı algoritmalar vasıtasıyla paketteki orijinal bilgiden çıkarılır. Gönderici ve alıcı bu algoritmayı bilmektedir. Gönderici m r Alıcı m r Ralıcı r yi m yi kullanarak hesaplar eğer eşleşirseler hata yoktur.

19 İki Boyutlu Parite (Two-dimensional parity) Basit olarak bir boyutlu parite tabanlıdır. 7 bitlik koda bir bit ilave edilmesiyle oluşur. Örnek olarak, Tek parite sekizinci biti temsil eder. Yedi bitin toplamı tekse parite biti 1 olur.

20 İki Boyutlu Parite Two Dimensional Parity

21 Hata Tespiti İletim hatalarının tespitinde kullanılan teknikler. CRC (Cyclic Redundancy Check) HDLC, DDCMP, CSMA/CD, Token Ring Other approaches Two Dimensional Parity (BISYNC) Checksum (IP)

22 Cyclic Redundancy Check (CRC) Döngüsel artıklık denetimi, sayısal şebekelerde ve depolama cihazlarında kullanılan ve ham veride yapılan hatalı değişimleri algılayan, uygulaması kolay ve güvenliği güçlü bir hata bulma yöntemidir. CRC'ler, denetim (veri doğrulama) değerinde bir artıklık ve döngüsel kodların temelini oluşturan bir algoritma olduğu için bu adla adlandırılır. İkili donanımlarda uygulaması basit, matematiksel analizi kolay ve bilhassa iletim kanallarında gürültünün neden olduğu genel hataları algılamada iyi olduğu için CRC'lerin kullanımı yaygındır. Çünkü denetim değeri sabit bir uzunluğa sahiptir.

23 Cyclic Redundancy Check (CRC) CRC hesaplama n bitlik ikili CRC'yi hesaplamak için, bir satırdaki girişi ifade eden bitler ve (polinom olarak adlandırılan) CRC'nin bölenini ifade eden (n+1)bitlik dizinin konumu satırın sol alt köşesindedir. Aşağıdaki örnekte 14 bitlik mesajın kodunu 3 bitlik CRC ve x³+x+1 polinomu ile çözeceğiz. 3.dereceden bir polinomdur ve dört katsayıya sahiptir. Bu polinom ikili sayı sisteminde katsayılarla şöyle yazılır; 1x³+0x²+1x+1. Bu durumda katsayılar; 1, 0, 1 ve 1'dir. Hesaplama sonucu 3 bit uzunluğundadır.

24 Cyclic Redundancy Check (CRC) Mesaj şu kod çözülerek başlar: CRC'nin n bit uzunluğuna uygun olarak ilk önce sıfırlar eklenir. 3 bitlik bir CRC'yi hesaplamak için ilk hesaplama adımı şöyledir: <--- 3 bit girişin sağına eklenir 1011 <--- bölen (4 bit) = x³+x <--- sonuç

25 Cyclic Redundancy Check (CRC)

26 Cyclic Redundancy Check (CRC) Alınan mesajın geçerliliği kolayca yeniden Yukarıdaki hesaplama yaparak kontrol edilebilir, kontrol değeri ile bu kez yerine sıfır katılır. Saptanabilir hatalar yoksa kalan sıfıra eşit olmalıdır.

27 Cyclic Redundancy Check (CRC)

28 Güvenilir İletim (Reliable Transmission) CRC hataları tespit etmek için kullanılır. Hata kodları hataları düzeltmek için yeterince güçlüdür. Yapılan işlemler(overhead) çok yüksektir. Bozuk paket atılmalıdır. Güvenilir paketleri teslim etmek isteyen bir bağlantı düzey protokol bu atılan paketleri kurtarması gerekir. Bu iki temel mekanizma bir kombinasyonu kullanılarak gerçekleştirilmektedir Teşekkür ve zaman aşımı (Acknowledgements and Timeouts)

29 Güvenilir İletim acknowledgement (ACK for short) küçük bir pakettir. Paketi gönderen düğüme gönderilerek paketi henüz aldığı bilgisi gönderilir. Bu pakette sadece header (başlık) bilgisi bulunur. (veri bulunmaz) Ack paketinin alınması orijinal paketin iletildiğini belirtir.

30 Güvenilir İletim Paket gönderen makul bir süre içerisinde bir onay almazsa(ack), o zaman orijinal paket tekrar gönderilir. makul bir süre ye zaman aşımı(timeout) denir. Güvenilir teslim için bildirimler ve zaman aşımları kullanma genel stratejisi otomatik tekrar talebi (ARQ) olarak adlandırılır.

31 Dur ve Bekle Protokolü (Stop and Wait Protocol) stop-and-wait protocol mantığı basittir. Bir paket gönderildikten sonra, Gönderici Ack paketi alana kadar bekler. Onay belli bir süre içerisinde gelmezse, göndericinin gönderdiği paket zaman aşımına uğrar ve orijinal paker tekrar gönderilir.

32 Stop and Wait Protocol Timeline showing four different scenarios for the stop-and-wait algorithm. (a) The ACK is received before the timer expires; (b) the original frame is lost; (c) the ACK is lost; (d) the timeout fires too soon

33 33 Chapter 2

34 Stop and Wait Protocol Eğer Ack göndericiye gönderirken gecikir veya kaybolursa Gönderici süresi (sender times) biterse orijinal paket tekrar gönderilir. Fakat alıcı duğum (receiver) gönderilen tekrar paketi bir sonraki paket olarak düşünebilir. Bunun sebebi alıcı düğüm gönderici düğüme henüz ack paketi göndermiştir. Sonuç olarak orijinal paket iki defa gönderilmiş olur. Bu problem nasıl çözülür 1 bit sıra numarası (sequence number) (0 veya 1) Gönderici düğüm paket 0 ı yeniden gönderdiğinde, alıcı bu paketin paket 0 ın bir kopyası olduğunu anlar ve o paketi paket 1 değil paket 0 olarak değerlendirir. Bu durumda paketi kabul etmez fakat ack paketini tekrar alıcıya gönderir.

35 Stop and Wait Protocol Timeline for stop-and-wait with 1-bit sequence number

36 IEEE Wi-Fi olarakta bilinmektedir Ethernet ve token ring gibi sınırlı bir coğrafi alanda kullanılmak üzere tasarlanmıştır (evler, ofis binaları, kampüsleri) Bu durumda, uzayda yayılan sinyallerle - Birincil zorluk, paylaşılan iletişim ortamına erişim aracılığı etmektir Ek özellikleri destekler güç yönetimi ve güvenlik mekanizmaları

37 IEEE Çarpışmadan Kaçınma (Collision Avoidance) Örnek olarak A ve C düğümleri B düğümü ile haberleşmek(paket göndermek) istiyor. A ve C düğümleri birbirinden habersizdir. Gönderilen iki paket B düğümünde çarpışabilir. Ethernet protokolünün aksine A ve B düğümleri bu çarpışmadan habersizdir. Bu durumda A ve C düğümleri birbirleri ile Saklı düğüm(hidden nodes) olarak adlandırılır.

38 IEEE Collision Avoidance The Hidden Node Problem.

39 IEEE Collision Avoidance Diğer bir problem patlama düğüm (exposed node) olarak adlandırılır. Örnek olarak B düğümü A düğümüne paket gönderiyor. C düğümü B düğümünün iletim alanında olduğundan bu iletişimden haberdardır. C düğümü B düğümünün veri iletiminden haberdar olduğundan hiç bir düğüme paket iletmeyecektir. C düğümünün D düğümüne paket iletmek istediğini farz edelim. Bu bir problem değildir. C düğümünden D düğümüne giden paketler B den A ya giden paketleri etkilemeyecektir.

40 IEEE Collision Avoidance Exposed Node Problem. Although B and C are exposed to each other s signals, there is no interference if B transmits to A while C transmits to D. (A and D s reaches are not shown.)

41 IEEE Collision Avoidance bu iki problemi MACA(Multiple Access with Collision Avoidance) protokolü ile çözmüştür. Gönderici ve alıcı düğüm gerçek veri iletişimine geçmeden önce kontrol paketlerini birbirlerine gönderir. Bu kontrol paketleri tüm komşu düğümlere gönderilerek veri iletişiminin başlamak olduğu bilgisi iletilir. Böylelikle gönderici (Sender) iletim talebi paketini (Request to Send -RTS) alıcıya gönderir. Aynı zamanda RTS paketi iletimin ne kadar süreceği bilgisini içerir. - İletilecek veri paketi büyüklüğü. Alıcı (Receiver) gönderim için güvenli ortam (Clear to Send - CTS) paketini alıcıya gönderir.

42 IEEE Collision Avoidance Herhangi bir düğüm (D) CTS paketi gördüğünde şunlar bilmektedir: Alıcıya yakın bir düğümüm bundan dolayı, Belirtilen süre içerisinde veri göndermemeliyim. Herhangi bir düğüm CTS paketi almamış fakat RTS paketi aldıysa: Alıcıya sinyalleri çakışması için çok fazla yakın değilim Böylelikle veri iletebilirim.