1. Chapter 5 Link Layer and LANs
A note on the use of these ppt slides:
We’re making these slides freely available to all (faculty, students, readers). They’re in PowerPoint form so you can add, modify, and delete slides (including this one) and slide content to suit your needs. They obviously represent a lot of work on our part. In return for use, we only ask the following:
If you use these slides (e.g., in a class) in substantially unaltered form, that you mention their source (after all, we’d like people to use our book!)
If you post any slides in substantially unaltered form on a www site, that you note that they are adapted from (or perhaps identical to) our slides, and note our copyright of this material.
Thanks and enjoy! JFK/KWR
All material copyright
J.F Kurose and K.W. Ross, All Rights Reserved
Computer Networking: A Top Down Approach 4th edition. Jim Kurose, Keith Ross Addison-Wesley, July 2007.
5: DataLink Layer

2. فصل پنجـم – لایشزه پیوند داده
هدف :
درک اصول پشت سرویس های لایه پیوند داده
شناسایی خطا، اصلاح خطا
به اشتراک گذاری یک کانال پخش گسترده : دسترسی های چندگانه
آدرس دهی لایه پیوند
انتقال مطمئن داده، کنترل جریان: تمام!
نمونه سازی و پیاده سازی تکنولوژیهای مختلف لایه پیوند
Bushehr Islamic Azad University – H.R. Imanikia

3. Link Layer فصل پنجـم – لایه پیوند داده
5.1 Introduction and services
5.2 Error detection and correction
5.3Multiple access protocols
5.4 Link-layer Addressing
5.5 Ethernet
5.6 Link-layer switches
5.7 PPP
5.8 Link virtualization: ATM, MPLS
5: DataLink Layer

4. Link layer: Introduction لایه پیوند : مقدمه
Network Layer

5. Link layer: Introduction لایه پیوند : مقدمه
برخی اصطلاحات
نود (node) : به ماشین های میزبان و مسیریابها، گفته می شود.
لینک (Link): به کانالهای ارتباطی که نودهای مجاور(همسایه) متعلق به یک مسیر را بهم مرتبط می نمایند گفته می شود.
لینک های سیمی
لینک های بی سیم
شبکه های محلی (LAN)
بسته لایه دوم، فریم می باشد، که دیتاگرام را کپسوله می نماید.
لایه پیوند داده، مسئول انتقال دیتاگرام از یک نود به نود همسایه
آن از طریق یک لینک می باشد.
Network Layer

6. Link layer: Context لایه پیوند : متـن
یک قیاس حمل و نقلی
مسافرت از پرینستون به لوزان (در سوئیس)
لیموزین: از پرینستون به JFK
هواپیما : از JFK تا ژنو
قطار : از ژنو تا لوزان
توریست = دیتاگرام
قطعه حمل و نقل = لینک ارتباطی
مد حمل و نقل = پروتکل لایه پیوند
آژانس مسافرتی = الگوریتم مسیریابی
دیتاگرام می تواند توسط پروتکل های مختلف و بر روی لینک های مختلف انتقال داده شود
بطور مثال : بر روی لینک اول، اترنت باشد؛ فریم رله روی لینک میانی و بر روی لینک پایانی
هر پروتکل لینکی، سرویس متفاوتی را ارائه می دهد.
به عنوان نمونه: ممکن است روی یک لینک سرویس انتقال مطمئن فراهم آورد و یا نیاورد.
Network Layer

7. Link layer Services سرویس های لایه پیوند
فریم بندی (framing) و دسترسی به لینک :
کپسوله کردن دیتاگرام درون فریم، اضافه کردن سرآیند و پی آیند به آن
دسترسی به کانال، اگر رسانه مورد استفاده اشتراکی باشد.
از آدرس های “MAC” جهت شناسایی مبدا و مقصد در سرآیند فریم استفاده می شود.
متفاوت از آدرس IP می باشد.
تحوبل مطمئن بین دو نود مجاور
در فصل سوم نحوه انجام چنین کاری را یاد گرفتیم
به ندرت بر روی لینک های با خطای پایین مورد استفاده قرار می گیرد. (فیبر، زوج سیم)
لینک های بی سیم : دارای نرخ خطای بالایی می باشند
سوال : چرا هم قابلیت اطمینان در سطح پیوند و هم انتها به انتها(در لایه انتقال)؟
Network Layer

8. Link layer Services (more) سرویس های لایه پیوند (ادامه)
کنترل جریان (Flow Control)
همگامی (از نظر سرعت) بین نود فرستنده و گیرنده که مجاور هم هستند.
شناسایی خطا (Error Detection)
خطاها می توانند توسط تضعیف شدن سیگنال و یا نویز بوجود آیند.
گیرنده وجود خطا را تشخیص می دهد:
یا به فرستنده جهت ارسال مجدد علامت داده و یا آنرا دور می اندازد.
اصلاح خطا (Error Correction)
گیرنده می تواند خطاهای بیتی را بدون نیاز به ارسال مجدد(توسط فرستنده) شناسایی و اصلاح نماید.
انتقال دوطرفه ناقص (Half Duplex) و دوطرفه کامل (Full Duplex)
با دوطرفه ناقص، نودهای هر دوطرف قادر به ارسال هستند، اما نه بطور همزمان با هم
Network Layer

9. Where is the link layer implemented
در هر میزبان ، لایه پیوند در آداپتور (کارت شبکه – NIC) پیاده سازی می شود.
کارت های اترنت،کارتهای PCMCI، کارتهای
در کارت های شبکه، هم لایه پیوند و هم لایه فیزیکی پیاده سازی می شوند.
کارتهای شبکه به باس سیستمی میزبانها متصل می شوند.
کارت شبکه ترکیبی است از سخت افزار، نرم افزار و سفت افزار (firmware)
controller
physical
transmission
cpu
memory
host
bus
(e.g., PCI)
network adapter
card
host schematic
application
transport
network
link
Network Layer

10. Adaptors Communicating ارتباط بین آداپتورها
controller
sending host
receiving host
datagram
frame
سمت فرستنده:
دیتاگرام را در فریم، کپسوله می نماید.
به آن کدهای خطایابی، انتقال مطمئن و کنترل جریان اضافه می نماید
سمت گیرنده:
به دنبال کدهای خطایابی، انتقال مطمئن و کنترل جریان اضافه می گردد.
دیتاگرام را از فریم استخراج نموده و آنرا به لایه بالایی در گیرنده تحویل می دهد.
Network Layer

11. Link Layer فصل پنجـم – لایه پیوند داده
5.1 Introduction and services
5.2 Error detection and correction
5.3Multiple access protocols
5.4 Link-layer Addressing
5.5 Ethernet
5.6 Link-layer switches
5.7 PPP
5.8 Link virtualization: ATM, MPLS
5: DataLink Layer

12. Error Detection شناسایی(کشف) خطا
EDC= Error Detection and Correction bits (redundancy)
D = Data protected by error checking, may include header fields
EDC- بیت های کشف و اصلاح خطا ( افزونه)
D- داده که توسط بررسی خطا محافظت می شود، ممکن است شامل فیلدهای سرآیند نیز باشد.
کشف خطا بطور 100 درصد قابل اطمینان نیست!
ممکن است (بسیار نادر)، برخی خطاها توسط پروتکل شناسایی نشوند.
هر چه اندازه فیلد EDC بزرگتر باشد، شناسایی و اصلاح خطای بهتری خواهیم داشت.
Network Layer

13. Error Detection شناسایی(کشف) خطا
Network Layer

14. Parity Checking بررسی توازن
بیت توازن دو بعدی
قادر به شناسایی و اصلاح خطای یک بیتی می باشد.
بیت توازن تکی
قادر به شناسایی خطای یک بیتی می باشد.
Network Layer

15. Internet checksum (review) مجموع مقابله ای در اینترنت(مرور)
هدف: شناسایی خطاها (بطور مثال عوض شدن بیت ها) در بسته های ارسالی (توجه : فقط در لایه انتقال مورد استفاده قرار می گیرد)
گیرنده:
جمع مقابله ای سگمنت دریافتی را محاسبه می نماید.
بررسی می نماید آیا جمع مقابله ای محاسبه شده با مقدار درون فیلد جمع مقابله ای برابر است؟
خیر – خطا اتفاق افتاده
بله – هیچ خطایی تشخیص داده نمی شود. اما ممکن است به هر حال خطایی بوده باشد!
فرستنده:
محتوای سگمنت را بصورت اعداد صحیح 16 بیتی در نظر می گیرد.
جمع مقابله ای : جمع ( جمع مکمل اول) این اعداد 16 بیتی
فرستنده این جمع مقابله ای را در مربوطه قرار می دهد.
Network Layer

16. Checksumming: Cyclic Redundancy Check (CRC) مجموع مقابله ای: چک افزونه چرخشی
الگوی r+1 بیتی (به نام تولید کننده – G) را انتخاب می نماییم.
هدف: انتخاب r بیت CRC (به نام R)، بطوریکه :
<D, R> دقیقاً بر G بخش پذیر باشد (به پیمانه 2)
گیرنده که G را میداند، <D, R> را بر G تقسیم می نماید. اگر باقیمانده غیر صفر باشد: آنگاه خطا تشخیص داده می شود.
قادر به تشخیص تمام خطاهای فورانی کمتر از r+1 بیت می باشد.
بطور گسترده ای در عمل (اترنت، WiFi و ATM) مورد استفاده دارد.
Network Layer

17. CRC Example D.2r XOR R = nG D.2r = nG XOR R Want: equivalently:
if we divide D.2r by G, want remainder R
D.2r G
R = remainder[ ]
5: DataLink Layer

18. Link Layer فصل پنجـم – لایه پیوند داده
5.1 Introduction and services
5.2 Error detection and correction
5.3 Multiple access protocols
5.4 Link-layer Addressing
5.5 Ethernet
5.6 Link-layer switches
5.7 PPP
5.8 Link virtualization: ATM, MPLS
5: DataLink Layer

19. (shared air, acoustical)
Multiple Access Links and Protocols پروتکل ها و لینک های دسترسی چندگانه
دو نوع لینک داریم:
نقطه به نقطه
استفاده از پروتکل PPP برای دسترسی های شماره گیری
لینک های نقطه به نقطه بین سوئیچ اترنت و میزبان
پخش گسترده (سیم یا رسانه اشتراکی)
تکنیک اترنت قدیمی
شبکه های محلی بی سیم
shared wire (e.g.,
cabled Ethernet)
shared RF
(e.g., WiFi)
(satellite)
humans at a
cocktail party
(shared air, acoustical)
Network Layer

20. Multiple Access Protocols پروتکل های دسترسی چندگانه
یک کانال پخش گسترده اشتراکی داریم.
استفاده از پروتکل PPP برای دسترسی های شماره گیری
لینک های نقطه به نقطه بین سوئیچ اترنت و میزبان
انتقال همزمان توسط دو یا بیتشر نود، باعث بروز تصادم می شود
اگر نودی دو یا بیشتر سیگنال را به طور همزمان دریافت کند تصادم روی داده است.
پروتکل دسترسی چند گانه
الگوریتم توزیع شده ای است که تعیین می کند نودها چگونه کانال را به اشتراک بگذارند. بطور مثال چه زمانی یک نود می تواند اقدام به ارسال نماید.
ارتباطات مربوط به اشتراک گذاری کانال (عملیات هماهنگی) نیز بایستی از همان کانال استفاده نماید!
برای هماهنگی بین نودها کانال دیگری موجود نیست.
Network Layer

21. Ideal Multiple Access Protocols پروتکل دسترسی چندگانه ایده آل
زمانی که M نود بخواهند ارسال داشته باشند، هر کدام می تواند تا نرخ متوسط R/M ارسال نماید.
کاملا غیر متمرکز باشد.
از هیچ نود خاصی برای هماهنگی استفاده ننماید.
نیاز به هیچ نوع عملیات همزمان سازی ساعت و شکاف (اسلات) نباشد.
ساده باشد.
Network Layer

22. MAC Protocols: a taxonomy رده بندی پروتکل های ”کنترل دسترسی به رسانه“
سه کلاس عمده موجود است:
پارتیشن بندی کانال
کانال به بخش های کوچکتر ( شکاف های زمانی، فرکانسی یا کد) تقسیم می شود.
به هر نود بطور انحصاری یک بخش اختصاص داده می شود.
دسترسی تصادفی
کانال تقسیم نمی شود و اجازه تصادم داده می شود.
امکان بازیابی از تصادم ها موجود است.
نوبتی
نود ها می توانند نوبت بگیرند، نودی که بیشتر بخواهد ارسال داشته باشد می تواند نوبت بیتشری داشته باشد.
Network Layer

23. TDMA: time division multiple access
Channel Partitioning MAC protocols: TDMA پروتکل های ”کنترل دسترسی به رسانه“ تقسیم بندی کانال :TDMA
TDMA: time division multiple access
دسترسی به کانال به صورت ”دوری“
هر ایستگاه یک اسلات(شکاف) با طول ثابتی (طول شکاف برابر با زمان انتقال یک بسته می باشد) را در هر دور دریافت می دارد.
شکاف های بلااستفاده بصورت ”بیکار- Idle“ می مانند.
مثال : شبکه محلی با 6 ایستگاه، شکاف های 1و3و4 دارای بسته بوده و شکاف های 2و5و6 بیکار هستند. 1 3 4
6-slot
frame
Network Layer

24. Channel Partitioning MAC protocols: FDMA پروتکل های ”کنترل دسترسی به رسانه“ تقسیم بندی کانال :FDMA
FDMA: frequency division multiple access
طیف (فرکانسی) کانال به باندهای فرکانسی تقسیم می شود.
به هر ایستگاه، یک باند فرکانسی ثابتی نسبت می شود.
زمان های ارسال بلااستفاده در باندهای فرکانسی بصورت ”بیکار- Idle“ می مانند.
مثال : شبکه محلی با 6 ایستگاه، باند های 1و3و4 دارای بسته بوده و باند های 2و5و6 بیکار هستند.
frequency bands
time
FDM cable
Network Layer

25. Random Access Protocols پروتکل های دسترسی تصادفی
زمانی که نودی بسته ای برای ارسال داشته باشد:
با نرخ کامل کانال یعنی R ارسال می دارد.
هیچ هماهنگی قبلی بین نودها وجود ندارد.
اگر دو یا بیشتر نود ارسال داشته باشند  ”تصادم“ خواهیم داشت و
پروتکل ”کنترل MAC دسترسی تصادفی، تعیین می نماید که:
چگونه تصادم ها را شناسایی نماییم.
چگونه تصادم ها را بازیابی نماییم.( بطور مثال از طریق ارسال های مجدد تاخیر دار)
مثالهایی از این نوع پروتکل ها:
slotted ALOHA
ALOHA
CSMA, CSMA/CD, CSMA/CA
Network Layer

26. Slotted ALOHA فرضیات: عملکرد:
تمام فریم ها دارای طول یکسانی هستند.
زمان به شکاف های با طول یکسانی تقسم می شود( به اندازه زمان ارسال یک فریم)
نودها فقط در ابتدای شکاف اقدام به ارسال می کنند.
نودها با هم همزمان نیستند.
اگر دو یا بیشتر نود در یک شکاف ارسال داشته باشند، تمام نودها تصادم را شناسایی خواهند نمود.
عملکرد:
زمانی که نود، فریم تازه ای را برای ارسال دریافت می دارد، آنرا در شکاف بعدی ارسال می نماید.
اگر تصادمی رخ ندهد: نود می تواند در شکاف بعدی اقدام به ارسال فریم جدیدی بنماید.
اگر تصادم رخ دهد: نود، فریم را در هر شکاف بعدی با احتمال p، ارسال مجدد می نماید، تا اینکه موفق بشود. (بدون تصادم ارسال نماید)
Network Layer

27. Slotted ALOHA محاسن : معایب :
اگر نودی بصورت تنها فعال باشد، می تواند با نرخ کامل کانال ارسال داشته باشد.
بطور زیادی غیر متمرکز است: تنها نیاز به همزمان کردن شکاف ها بین نود ها می باشد.
ساده است.
معایب :
تصادم ها، شکاف های بیهوده ای می باشند.
شکاف های بیکار
نیاز به همزمان کردن ساعت (برای شکاف ها) می باشد.
Network Layer

28. Slotted Aloha efficiency
حداکثر کارایی : یافتن p* که مقدار Np(1-p)N-1 را حداکثر نماید.
برای تعداد نود زیاد، مقدار حد زیر را وقتی که N به سمت بینهایت میل کند را بدست می آوریم:
Np*(1-p*)N-1
حداکثر کارایی : 1/e = خواهد شد.
کارایی: نسبت شکافهای موفق در دوره زمانی طولانی ( با تعداد نود زیاد و تمام نودها تعداد زیادی فریم برای ارسال داشته باشند)
فرض کنید : N نود با تعداد زیادی فریم برای ارسال داریم، در هر شکاف احتمال ارسال برابر p است.
احتمال اینکه نود خاصی در یک شکاف موفق باشد: p(1-p)N-1
احتمال اینکه هر نود در یک شکاف موفق باشد: Np(1-p)N-1
در بهترین حالت : کانال فقط برای 37% زمان جهت انتقال مورد استفاده قرار می گیرد. (بقیه زمانها صرف تصادم می شود) !
Network Layer

29. Pure (unslotted) ALOHA
آلوهای خالص (غیر اسلاتی شده) : ساده تر بوده و نیازی به همزمان سازی ندارد.
به محض ورود فریمی برای ارسال، آنرا سریعاً ارسال میدارد.
بدین ترتیب، احتمال بروز تصادم بالا می رود.
فریم ارسالی در زمان t0 با فریم های دیگر در محدوده [t0-1, t0+1] تصادم می نماید
Network Layer

30. Pure Aloha efficiency
P(success by given node) = P(node transmits) .
P(no other node transmits in [p0-1,p0] .
P(no other node transmits in [p0-1,p0]
= p . (1-p)N-1 . (1-p)N-1
= p . (1-p)2(N-1)
… choosing optimum p and then letting n -> infinity ...
= 1/(2e) = .18
حتی بدتر از آلوهای اسلاتی شده!
5: DataLink Layer

31. CSMA (Carrier Sense Multiple Access) دسترسی چند گانه با قابلیت شناسایی حامل
اگر کانال ”بیکار“ تشخیص داده شد : آنگاه اقدام به ارسال فریم بطور کامل کن.
اگر کانال ”مشغول“ تشخیص داده شد : آنگاه ارسال را به تاخیر بینداز.
قیاس انسانی : زمانی که دیگران در حال صحبت هستند، نبایستی صحبت نمود !
Network Layer

32. CSMA Collisions تصادم ها در CSMA
spatial layout of nodes
هنوز هم امکان بروز تصادم وجود دارد:
زیرا تاخیر انتشار باعث می شود که دو نود نتوانند ارسال همدیگر را بشنوند.
(در زمانهای t0 و t1 دو نود A و Dکانال را بیکار تشخیص می دهند)
تصادم :
تمام زمان ارسال بسته بیهوده خواهد شد.
توجه:
فاصله و تاخیر انتشار در تعیین احتمال تصادم، نقش دارد.
Network Layer

33. CSMA/CD (Collision Detection) دسترسی چند گانه با قابلیت شناسایی حامل/ شناسایی تصادم
CSMA/CD: حامل را تشخیص داده و همانند CSMA ارسال را به تاخیر می اندازد.
در فاصله زمانی کوتاهی تصادم تشخیص داده می شوند.
ارسال های تصادم دار بلافاصله متوقف شده و باعث کاهش بیهوده ماندن کانال می شود.
شناسایی تصادم :
در شبکه های محلی بسیار ساده می باشد: با اندازه گیری قدرت سیگنال (روی خط) یا با مقایسه سیگنال ارسال شده با دریافت شده
در شبکه های محلی بی سیم، بسیار دشوار می باشد: زیرا قدرت سیگنال دریافت شده توسط قدرت سیگنال ارسالی پوشانده و نابود می شود.
قیاس انسانی : فرد خوش صحبت مودب !
Network Layer

34. CSMA/CD collision detection
5: DataLink Layer

35. “Taking Turns” MAC protocols پروتکل های MAC نوبتی
کانال را بطور کارایی به اشتراک گذاشته و در بار کاری بالا منصفانه می باشند.
در با کاری پایین غیر کارا عمل می نمایند: در دسترسی به کانال تاخیر وجود دارد و حتی اگر فقط یک نود فعال وجود داشته باشد، پهنای باند 1/N را می تواند داشته باشد.
پروتکل های MAC با دسترسی تصادفی:
در بار پایین کارا عمل می نمایند: نود فعال تکی، می تواند کانال را بطور کامل به کار بگیرد.
اما در بار بالا : سربار تصادم بالایی دارد.
پروتکل های MAC نوبتی :
به دنبال خوبی هر دو روش می گردد!
Network Layer

36. “Taking Turns” MAC protocols پروتکل های MAC نوبتی
سرشماری
نود اصلی (پایه)، نودهای پیرو را دعوت به ارسال بصورت نوبتی می نماید.
عموماً برای نودهای پیرو ”غیر هوشمند“ مورد استفاده قرار می گیرد.
نکات مربوطه:
سربار سرشماری وجود دارد.
زمان بیکاری (Latency)وجود دارد.
خرابی یک نود (اصلی) باعث از کار افتادن کل سیستم خواهد شد.
master
slaves
poll
data
Network Layer

37. “Taking Turns” MAC protocols پروتکل های MAC نوبتی
انتقال توکن(نشانه – علامت)
نشان کنترلی بطور ترتیبی از یک نود به نود بعدی داده می شود.
نکات مربوطه:
سربار انتقال توکن وجود دارد.
زمان بیکاری (Latency)وجود دارد.
خرابی یک نود (اصلی) باعث از کار افتادن کل سیستم خواهد شد.
(nothing
to send) T
data
5: DataLink Layer

38. Summary of MAC protocols خلاصه پروتکل های ”کنترل دسترسی به رسانه“
تقسیم بندی کانال ، توسط زمان، فرکانس یا کد
تقسیم زمانی و تقسیم فرکانسی
دسترسی تصادفی(دینامیک)
Alloha, Slotted Aloha, CSMA, CSMA/CD
روش شناسایی حامل : در برخی تکنولوژیها(سیمی) ساده بوده و در برخی (بی سیم) دشوار می باشد.
در تکنولوژی اترنت از CSMA/CD استفاده می شود.
در اترنت بی سیم ( WiFi) از CSMA/CA استفاده می شود.
نوبتی :
از طرف نقطه مرکزی، سرشماری نود ها انجام می شود و روش انتقال توکن
در بلوتوث، FDDI و IBM Token Ring استفاده می شود.
Network Layer

39. Link Layer فصل پنجـم – لایه پیوند داده
5.1 Introduction and services
5.2 Error detection and correction
5.3 Multiple access protocols
5.4 Link-layer Addressing
5.5 Ethernet
5.6 Link-layer switches
5.7 PPP
5.8 Link virtualization: ATM, MPLS
5: DataLink Layer

40. MAC Addresses and ARP آدرس های MAC و ARP
آدرس های IP 32 بیتی می باشند:
به عنوان آدرس های لایه شبکه می باشند.
برای رساندن دیتاگرام به زیر شبکه IP مقصد مورد استفاده قرار می گیرد.
آدرس MAC (آدرس LAN، آدرس فیزیکی یا آدرس اترنت)
کارکرد : رساندن فریم از یک اینترفیس به اینترفیس دیگری که از نظر فیزیکی به آن متصل می باشد ( در همان شبکه می باشد)
آدرسی 48 بیتی می باشد ( برای اکثر شبکه های محلی)
در حافظه ROM کارت شبکه حک شده است (توسط شرکت سازنده)
گاهی اوقات توسط نرم افزار هم قابل تنظیم می باشد.
Network Layer

41. LAN Addresses and ARP آدرس های LAN و ARP
هر آداپتور(کارت شبکه) در شبکه دارای یک آدرس منحصر به فردی می باشد.
Broadcast address =
FF-FF-FF-FF-FF-FF
= adapter
1A-2F-BB AD
58-23-D7-FA-20-B0
0C-C4-11-6F-E3-98
71-65-F7-2B-08-53
LAN
(wired or
wireless)
Network Layer

42. LAN Addresses (more) آدرس های LAN
اختصاص آدرس های MAC توسط IEEE مدیریت می شود.
سازندگان کارت های شبکه، بخشی از فضای آدرس MAC را خریداری می نمایند. ( برای تضمین منحصر به فرد بودن آن)
قیاس :
آدرس MAC : شبیه شماره ملی شخص
آدرس IP: شبیه آدرس پستی منزل
آدرس های MAC بصورت خطی هستند  امکان جابجایی را فراهم می آورد.
می توان یک کارت شبکه را از یک شبکه به شبکه دیگری منتقل نمود.
آدرس های IP بصورت سلسله مراتبی هستند و بنابراین قابل حمل نیستند.
آدرس IP میزبان ، بستگی به آدرس زیر شبکه ای دارد که در آن قرار دارد.
Network Layer

43. ARP: Address Resolution Protocol ARP: پروتکل تحلیل آدرس
هر نود IP (میزبان یا مسیریاب) در شبکه محلی دارای یک جدول ARP می باشد.
جدول ARP : شامل نگاشت های IP به MAC برای برخی از نود های شبکه می باشد.
< IP address; MAC address; TTL>
TTL(Time to Live) : مدت زمانی است که بعد از آن این نگاشت فراموش می شود (معمولاً 20 دقیقه می باشد)
سوال : چگونه می توان با دانستن آدرس IP میزبان B، آدرس MAC آن را بدست آورد؟
1A-2F-BB AD
58-23-D7-FA-20-B0
0C-C4-11-6F-E3-98
LAN
Network Layer

44. ARP protocol: Same LAN (network) پروتکل ARP: در همان شبکه محلی
A این جفت IP/MAC را در جدول ARP خود کش (ذخیره) می نماید، تا اینکه این اطلاعات منقضی بشود.
”حالت“ (state) نرم : اطلاعاتی که منقضی می شوند (دور ریخته می شوند) مگر اینکه تازه سازی شوند)
ARP بصورت Plug-and-Play می باشد.
نود می تواند جدول ARP را بدون نیاز به مداخله مدیر شبکه، آنرا ایجاد نماید.
A می خواهد به B دیتاگرام ارسال کند، اما آدرس فیزیکی B در جدول ARP مربوط به A نیست.
A یک بسته درخواست ”پخش فراگیر“ که شامل آدرس IP مربوط به B است را به مقصد همه ارسال می دارد.
آدرس MAC مقصد = FF-FF-FF-FF-FF-FF
تمام ماشین های درون شبکه محلی این درخواست ARP را دریافت میدارند.
B این بسته ARPرا دریافت نموده و با آدرس MAC خودش به A جواب میدهد. (بصورت unicast)
Network Layer

45. Addressing: routing to another LAN آدرس دهی: مسیریابی به شبکه محلی دیگری
ارسال دیتاگرام از A به B از طریق R، بافرض اینکه A آدرس IP مربوط به B را می داند. R
1A-23-F9-CD-06-9B
E6-E BB-4B
CC-49-DE-D0-AB-7D A
C-E8-FF-55
88-B2-2F-54-1A-0F B
49-BD-D2-C7-56-2A
در مسیریاب R، دو جدول ARP موجود است، یکی برای هر شبکه IP
5: DataLink Layer

46. R A B A یک دیتاگرام IP با آدرس مبدا A و مقصد B درست می نماید.
A از ARP برای بدست آوردن آدرس MAC مربوط به R با آدرس استفاده می نماید.
A یک فریم لایه پیوند با آدرس MAC مربوط به R بعنوان آدرس مقصد ایجاد می کند؛ فریم شامل دیتاگرام IP از A-به-B می باشد.
کارت شبکۀ A فریم را ارسال می دارد.
کارت شبکۀ R این فریم را دریافت می دارد.
R دیتاگرام IP را از درون فریم اترنت برداشته و می بیند که مقصد آن B است.
R از ARP برای بدست آوردن آدرس MAC مربوط به B استفاده می نماید.
R فریمی را که شامل دیتاگرام IP از A-به-B می باشد، ایجاد می نماید و به B می فرستد.
This is a really important
example – make sure you
understand! R
1A-23-F9-CD-06-9B
E6-E BB-4B
CC-49-DE-D0-AB-7D A
C-E8-FF-55
88-B2-2F-54-1A-0F B
49-BD-D2-C7-56-2A
5: DataLink Layer

47. Link Layer فصل پنجـم – لایه پیوند داده
5.1 Introduction and services
5.2 Error detection and correction
5.3 Multiple access protocols
5.4 Link-layer Addressing
5.5 Ethernet
5.6 Link-layer switches
5.7 PPP
5.8 Link virtualization: ATM, MPLS
5: DataLink Layer

48. طرح دست نوشته اترنت متکالف
Ethernet
تکنولوژی غالب در شبکه های محلی سیمی می باشد.
کارت شبکه آن ارزان تر از 20 دلار می باشد.
اولین تکنولوژیی است که بطور گسترده در شبکه های محلی مورد استفاده قرار گرفت.
نسبت به شبکه های محلی Token و ATM بسیار ساده تر و ارزان تر می باشد.
در رقابت سرعت دوام آورد. 10 Mbps  10 Gbps
طرح دست نوشته اترنت متکالف
(خالق اترنت)
5: DataLink Layer

49. Star topology توپولوژی ستاره
تا اواسط دهه 1990، توپولوژی خطی بسیار محبوب بود.
تمام نود ها در یک دامنه تصادم قرار دارند( می توانند با همدیگر تصادم داشته باشند)
امروزه: تکنولوژی ستاره غالب می باشد.
یک سوئیچ فعال در مرکز قرار دارد.
هر پره (نودها) در یک پروتکل اترنت جداگانه ای عمل می نمایند.( نودها با همدیگر تصادم ندارند)
switch
bus: coaxial cable
star
5: DataLink Layer

50. Ethernet Frame Structure ساختار فریم اترنت
کارت شبکه فرستنده، دیتاگرام IP (یا هر بستۀ لایه شبکه دیگری) را درون فریم اترنت کپسوله (جاسازی) می نماید.
دیباچه (Preamble)
7 بایت با الگوی که با یک بایت الگوی تمام می شود.
برای همزمان شدن گیرنده مورد استفاده قرار می گیرد ( بعنوان سرعت ساعت فرستنده)
5: DataLink Layer

51. Ethernet Frame Structure(more) ساختار فریم اترنت(ادامه)
آدرس ها : 6 بایتی می باشند
اگر کارت شبکه، فریمی را که آدرس مقصد آن با آدرس کارت مطابقت داشته باشد و یا دارای آدرس پخش فراگیر باشد (بعنوان نمونه بسته ARP باشد)، آنرا گرفته و به پروتکل لایه شبکه تحویل می دهد
در غیر اینصورت از فریم صرفنظر می نماید.
فیلد نوع (Type) : نشان می دهدکه پروتکل لایه بالایی کدام است، که بسته باید به آن تحویل داده شود. ( عموماً IP است ولی می تواند Novell IPX و یا Apple Talk هم باشد)
فیلد CRC: در گیرنده چک می شود. اگر خطایی تشخیص داده شود، فریم را دور می اندازد.
5: DataLink Layer

52. Ethernet: Unreliable, connectionless اترنت: غیر مطمئن و بدون اتصال
بدون اتصال : هیچ نوع دست تکانی بین کارت های شبکه فرستنده و گیرنده انجام نمی شود.
غیر مطمئن : کارت شبکه گیرنده، هیچ نوع پاسخی شامل Ack و یا Nak به کارت شبکه فرستنده نمی دهد.
استریم دیتاگرام های تحویلی به لایه شبکه، ممکن است دارای فاصله (گپ) باشد. (دیتاگرام ها از دست رفته باشند)
اگر برنامه کاربردی از TCP استفاده نماید، فاصله ها توسط پروتکل TCP پر خواهند شد.
در غیر اینصورت برنامه کاربردی، فاصله ها را خواهد دید.
پروتکل مورد استفاده توسط MAC اترنت : CSMA/CD غیر اسلاتی می باشد.
5: DataLink Layer

53. Ethernet CSMA/CD algorithm الگوریتم CSMA/CD اترنت
کارت شبکه، دیتاگرام را از لایه شبکه دریافت کرده و از روی آن فریم می سازد.
اگر کارت شبکه تشخیص دهد که کانال بیکار است، اقدام به ارسال فریم می نماید و اگر کانال مشغول باشد، تا آزاد شدن کانال صبر می نماید.
اگر کارت شبکه فریم را بدون ارسال فریم دیگری(تصادم) تشخیص دهد، آن را بطور کامل تحویل داده شده در نظر می گیرد.
اگر کارت شبکه، ارسال دیگری را در هنگام ارسال تشخیص دهد(تصادم)، ارسال را متوقف نموده و سیگنال شلوغی (jam) را ارسال می دارد.
بعد از قطع کردن ارسال، کارت شبکه وارد عقب گرد نمایی می شود:
بعد از mامین تصادم، کارت شبکه عدد تصادفی k را از محدوده {0, 1, 2, … 2m-1} انتخاب می نماید.
کارت شبکه به اندازه k.512 تا زمان ارسال بیت صبر می نماید
سپس به مرحله 2 بر می گردد.
5: DataLink Layer

54. Ethernet’s CSMA/CD (more)
عقب گرد نمایی:
هدف: تطبیق سعی های مجدد برای تخمین بار ترافیک جاری
بار ترافیک بالا: زمان انتظار تصادفی طولانی تر می شود.
اولین تصادم: k از بین {0,1} انتخاب می شود؛ زمان انتظار k.512 تا زمان ارسال بیت می باشد.
بعد از دومین تصادم : k از بین {0, 1, 2, 3} انتخاب می شود. و ...
بعد از 10 تصادم : k از بین {0, 1, 2, …, 1023} انتخاب می شود.
سیگنال شلوغی : باعث می شود که دیگران در مورد تصادم آگاه شوند. شامل 48 بیت است.
زمان بیت : یک دهم میکرو ثانیه برای اترنت 10 مگا بیت بر ثانیه می باشد
برای k=1023، زمان انتظار حدود 50 میلی ثانیه می باشد.
5: DataLink Layer

55. CSMA/CD efficiency کارایی CSMA/CD
Tprop : حداکثر تاخیر بین دو نود در شبکه محلی
Ttrans : زمان لازم برای ارسال یک فریم با حداکثر طول
کارایی زمانی به 1 نزدیک می شود که :
یا Tprop به 0 نزدیک شود
یا Ttrans به بینهایت نزدیک شود.
کارایی بهتر نسبت به ALOHA دارد : ساده، ارزان و غیر متمرکز می باشد!
5: DataLink Layer

56. 802.3 Ethernet Standards: Link & Physical Layers استانداردهای اترنت 802.3 : لایه های پیوند و فیزیکی
استانداردهای بسیار متنوعی برای اترنت می باشد.
در پروتکل MAC و قالب فریم مشترک می باشند.
با سرعت های مختلف : 2 Mbps, 10 Mbps, 100 Mbps, 1 Gbps, 10Gbps
رسانه های لایه فیزیکی مختلف : فیبر و کابل
MAC protocol
and frame format
application
transport
network
link
physical
copper (twister
pair) physical layer
100BASE-TX
fiber physical layer
100BASE-T2
100BASE-FX
100BASE-T4
100BASE-SX
100BASE-BX
5: DataLink Layer

57. Manchester encoding کدینگ منچستر
در استاندارد 10BaseT استفاده می شود.
هر بیت دارای یک انتقال (تغییر حالت) می باشد.
امکان همزمانی را به ساعت های فرستنده و گیرنده می دهد.
نیازی به یک ساعت متمرکز و سراسری بین نودها نیست.
آهای! این موضوعات مربوط به لایه فیزیکی می باشد!!
5: DataLink Layer

58. Link Layer فصل پنجـم – لایه پیوند داده
5.1 Introduction and services
5.2 Error detection and correction
5.3 Multiple access protocols
5.4 Link-layer Addressing
5.5 Ethernet
5.6 Link-layer switches
5.7 PPP
5.8 Link virtualization: ATM, MPLS
5: DataLink Layer

59. Hubs هابها ... تکرار کننده های (غیر هوشمند) لایه فیزیکی می باشند:
بیت ورودی از یک لینک ورودی به تمام لینک های دیگر، با همان سرعت ارسال می شود.
تمام نودهای متصل به هاب، می توانند با همدیگر تصادم داشته باشند ( یک دامنه تصادم)
قابلیت بافر کردن فریم را ندارد. ( در واقع اصلاً فریم را تشخیص نمی دهد – زیرا وسیله ای در لایه فیزیکی می باشد)
قابلیت کار CSMA/CD را ندارد: کارتهای شبکه خود این کار را انجام می دهند.
twisted pair
hub
5: DataLink Layer

60. Switch سوئیچ
دستگاهی در لایه پیوند داده می باشد: هوشمند تر از هاب و می تواند نقش فعالی داشته باشد.
فریم های اترنت را دریافت، ذخیره و سپس هدایت می نماید. (Store and forward)
آدرس MAC فریم ورودی را بررسی کرده و بطور انتخابی بسته را به یک یا چند لینک خروجی مناسب هدایت می نماید زمانی که بایستی فریم را به یک سگمنتی ارسال کند از CSMA/CD برای دسترسی به سگمنت استفاده می نماید.
شفاف یا ناپیدا (Transparent) می باشد
میزبانها از حضور سوئیچ (در شبکه) آگاه نیستند!
”نصب کن و بکار بگیر ” و خود آموز“ می باشد. (Plug-and-Play, Self learning)
سوئیچ ها نیازی به تنظیم و پیکر بندی (توسط مدیر شبکه) ندارند. (برخلاف مسیریاب)
5: DataLink Layer

61. switch with six interfaces
Switch: allows multiple simultaneous transmissions سوئیچ: امکان ارسال همزمان چندگانه
میزبانها دارای ارتباط اختصاصی و مستقیم با سوئیچ می باشند.
سوئیچ ها بسته ها را بافر می نمایند.
در هر لینک ورودی، پروتکل اترنت استفاده می شود، اما هیچ تصادمی وجود ندارد؛ ارتباطات دوطرفه کامل می باشد.
هر لینک به تنهایی دارای دامنه تصادم خود می باشد. (با دیگران تصادم ندارد)
قابلیت سوئیچ کردن : می تواند بدون بوجود آمدن تصادم ارتباط A-A’ و B-B’ را بطور همزمان فراهم آورد.
چنین قابلیتی به هیچ عنوان در هاب وجود ندارد. A C’ B 1 2 6 3 4 5 C B’ A’
switch with six interfaces
(1,2,3,4,5,6)
5: DataLink Layer

62. Switch Table جدول سوئیچ
جواب : هر سوئیچ دارای یک جدول سوئیچ می باشد، که هر ورودی جدول شامل:
(MAC address of host, interface to reach host, time stamp)
شبیه به یک جدول مسیریابی!
چنین قابلیتی به هیچ عنوان در هاب وجود ندارد.
سوال : ورودیهای جدول چگونه ایجاد می شوند؟
به نوعی شبیه به یک پروتکل مسیریابی؟ A C’ B 1 2 6 3 4 5 C B’ A’
switch with six interfaces
(1,2,3,4,5,6)
5: DataLink Layer

63. Switch : Self Learning سوئیچ: خود یادگیری
Source: A
Dest: A’ A
A A’
سوئیچ یاد می گیرد که کدام میزبانها می توانند از طریق کدام اینترفیس ها، قابل دسترس باشند.
زمانی که فریمی دریافت می شود، سوئیچ موقعیت فرستنده (سگمنت ورودی LAN) را یاد می گیرد.
و در جدول خود جفت فرستنده / موقعیت را ذخیره می نماید. C’ B 1 2 6 3 4 5 C B’ A’
MAC addr interface TTL A 1 60
Switch table
(initially empty)
5: DataLink Layer

64. Switch: frame filtering/forwarding سوئیچ: فیلترکردن/هدایت کردن فریم
زمانی که فریمی دریافت می شود:
لینک مرتبط با میزبان فرستنده را ذخیره می نماید.
جدول سوئیچ را با استفاده از آدرس MAC مقصد، جستجو می نماید
اگر ورودیی برای آدرسِ مقصد پیدا شد آنگاه { اگر مقصد در همان سگمنتی است که فریم دریافت شده است آنگاه فریم را دور می اندازد در غیر اینصورت، فریم را به اینترفیس مشخص شده (توسط جدول) هدایت می نماید. } در غیر اینصورت انتشار سیلابی
فریم را به تمام اینترفیس ها
به جز اینترفیس ورودیش ارسال میدارد.
5: DataLink Layer

65. Self-learning, forwarding: example
Source: A
Dest: A’ A
A A’ C’ B
frame destination unknown: 1 2
flood 6 3
A A’
A A’
A A’
A A’
A A’ 4 5
destination A location known: C
A’ A
selective send B’ A’
MAC addr interface TTL A 1 60
Switch table
(initially empty) A’ 4 60
5: DataLink Layer

66. Interconnecting switches بهم وصل کردن سوئیچ ها
سوئیچ ها می توانند به همدیگر متصل شوند. D E F S2 S4 S3 H I G S1 A B C
سوال : ارسال از A به G – چگونه S1 می داند که بایستی فریمی به مقصد G را از طریق S4 و سپس S3 ارسال نماید؟
جواب : از طریق ”خود یادگیری“ ! ( این کار دقیقا همانند مورد تک سوئیچ عمل می نماید! )
5: DataLink Layer

67. Self-learning multi-switch example مثالی از خود یادگیری چند سوئیچه
فرض کنید C فریمی را به I می فرستد و I به C جواب می دهد. A B S1 C D E F S2 S4 S3 H I G 1 2
سوال : جداول سوئیچ ها و هدایت بسته در S1 ، S2، S3 و S4 را نشان دهید.
5: DataLink Layer

68. Institutional network شبکه سازمانی
mail server
to external
network
web server
router
IP subnet
5: DataLink Layer

69. Switches vs. Routers سوئیچ ها در مقابل مسیریابها
هر دو بصورت دستگاههای ذخیره و هدایت می باشند.
مسیریابها : دستگاههای لایه شبکه می باشند ( سرآیند لایه شبکه را بررسی می نمایند)
سوئیچ ها : دستگاههای لایه پیوند می باشند.
مسیریابها جداول مسیریابی را نگهداری می نمایند و الگوریتم های مسیریابی را اجرا می نمایند.
سوئیچ ها، جداول سوئیچ را نگهداری نموده و الگوریتم های فیلترکردن و یادگیری را انجام می دهند.
5: DataLink Layer

70. Link Layer فصل پنجـم – لایه پیوند داده
5.1 Introduction and services
5.2 Error detection and correction
5.3 Multiple access protocols
5.4 Link-layer Addressing
5.5 Ethernet
5.6 Link-layer switches
5.7 PPP
5.8 Link virtualization: ATM, MPLS
5: DataLink Layer

71. Point to Point Data Link Control کنترل پیوند داده بصورت نقطه به نقطه
یک فرستنده، یک گیرنده و یک لینک : ساده تر از لینک های پخش گسنرده
کنترل دسترسی به رسانه (MAC) وجود ندارد .
نیازی به آدرس دهی صریح MAC نیست.
مورد استفاده در لینک های شماره گیری (dial up) و خطوط ISDN
پروتکل های کنترل پیوند داده نقطه به نقطۀ رایج
PPP : point-to-point protocol
HDLC: High level data link control
5: DataLink Layer

72. PPP Design Requirements [RFC 1557] نیازمندیهای طراحی PPP
فریم بندی بسته : کپسوله کردن دیتاگرام لایه شبکه در درون فریم لایه پیوند
بایستی داده لایه شبکۀ هر پروتکل لایه شبکه ای را ( و نه فقط IP) را در یک زمان حمل نماید.
قابلیت دی مالتی پلکس کردن به سمت بالا را داشته باشد.
شفافیت بیت (Bit Transparency): بایستی بتواند هر نوع الگوی بیتی را در فیلد داده خود حمل نماید
قابلیت شناسایی خطا ( و نه اصلاح آن را) داشته باشد.
قابلیت حفظ برقراری ارتباط را داشته باشد. (خرابی لینک را شناسایی کرده و به لایه شبکه اطلاع دهد)
قابلیت مذاکره بر روی آدرس لایه شبکه را داشته باشد : (نقاط پایانی می توانند آدرسهای همدیگر را یاد گرفته/ پیکربندی نمایند
5: DataLink Layer

73. PPP non-Requirements غیر نیازمندیهای PPP
عدم نیاز به اصلاح و بازیابی خطا
عدم نیاز به کنترل جریان
تحویل خارج از ترتیب
عدم نیاز به پشتیبانی از لینک های چند گانه (همانند سرکشی)
بازیابی خطا، کنترل جریان و مرتب کردن داده ها، تماماً به لایه های بالاتر واگذار می شوند.
5: DataLink Layer

74. PPP Data Frame فریم داده PPP
Flag: حائل فریم بندی (نشان دهنده شروع و پایان فریم است)
Address : هیچ عملی انجام نمی دهد ( فقط یک انتخاب است)
Control : هیچ عملی انجام نمی دهد، در آینده ممکن است چندین فیلد کنترلی شود.
Protocol : پروتکل لای بالایی که بایستی فریم به آن تحویل داده شود ( بطور مثال PPP-LCP, IP, IPCP, etc)
5: DataLink Layer

75. PPP Data Frame فریم داده PPP
Info: داده لایه بالایی که بایستی حمل شود.
Check : چک افزونه چرخشی (CRC) برای شناسایی خطا
5: DataLink Layer

76. Byte Stuffing لاگذاری بایت
نیازمندی ”شفافیت داده ” : در فیلد داده بایستی بتوان هر داده ای را، از جمله الگوی < > ( که همان الگوی بایت Flag است ) بتوان قرارد اد.
سوال : داده دریافت شده که بصورت < > می باشد، داده است یا Flag؟
فرستنده : یک بایت مازاد < > را بعد از هر الگوی دادۀ < > اضافه (لاگذاری) می نماید.
گیرنده :
اگر دو بایت را پشت سر هم دریافت کند، اولی را صرفنظر کرده و به دریافت داده ها ادامه می دهد.
تکی، همان Flag می باشد.
5: DataLink Layer

77. Byte Stuffing لاگذاری بایت
الگوی بایت پرچم در
داده های ارسالی وجود دارد
الگوی بایت پرچم همراه با بایت مازاد لاگذاری شده در
داده های ارسال شده
5: DataLink Layer

78. PPP Data Control Protocol پروتکل کنترل دادۀ PPP
قبل از مبادله داده های لایه شبکه، طرفین لایه پیوند داده بایستی :
لینک PPP را پیکر بندی نمایند: پارامترهایی نظیر حداکثر طول فریم، اعتبار سنجی)
یادگیری/پیکربندی اطلاعات لایه شبکه :
برای IP : پیام های پروتکل کنترل حمل IP، برای یادگیری/پیکربندی آدرس IP
5: DataLink Layer

79. Link Layer فصل پنجـم – لایه پیوند داده
5.1 Introduction and services
5.2 Error detection and correction
5.3 Multiple access protocols
5.4 Link-layer Addressing
5.5 Ethernet
5.6 Link-layer switches
5.7 PPP
5.8 Link virtualization: ATM, MPLS
5: DataLink Layer