E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
1
EE 586 Communication andSwitching Networks
Lecture 21
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
5-2
underline_base
Chapter 5: Link layer
our goals:
understand principles behind link layerservices:
error detection, correction
sharing a broadcast channel: multiple access
link layer addressing
Ethernet, WiFi, FDDI, etc.
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
5-3
underline_base
Link layer, LANs: outline
5.1 introduction, services
5.2 error detection,correction
5.3 multiple accessprotocols (+ selectedsections in Ch. 6)
5.4 LANs
addressing, ARP
Ethernet
switches
VLANS
5.5 link virtualization:MPLS
5.6 data centernetworking
5.7 a day in the life of aweb request
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
5-4
underline_base
Link layer, LANs: outline
5.1 introduction, services
5.2 error detection,correction
5.3 multiple accessprotocols (+ selectedsections in Ch. 6)
5.4 LANs
addressing, ARP
Ethernet
switches
VLANS
5.5 link virtualization:MPLS
5.6 data centernetworking
5.7 a day in the life of aweb request
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
5-5
underline_base
Link layer: introduction
terminology:
hosts and routers: nodes
communication channels thatconnect adjacent nodes alongcommunication path: links
wired links
wireless links
LANs
layer-2 packet: frame,encapsulates datagram
data-link layer has responsibility of
transferring datagram from one node
to physically adjacent node over a link
access_point_stylized_small
access_point_stylized_small
access_point_stylized_small
desktop_computer_stylized_medium
desktop_computer_stylized_medium
desktop_computer_stylized_medium
desktop_computer_stylized_medium
car_icon_small
iphone_stylized_small
antenna_radiation_stylized
access_point_stylized_small
antenna_stylized
laptop_keyboard
screen
laptop_keyboard
screen
laptop_keyboard
screen
desktop_computer_stylized_medium
laptop_keyboard
screen
global ISP
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
5-6
underline_base
Where is the link layer implemented?
in each and every node
link layer implemented inadaptor (aka networkinterface card NIC) or on achip
Ethernet card, 802.11card; Ethernet chipset
implements link, physicallayer
attaches into hosts systembuses
combination of hardware,software, firmware
controller
physical
transmission
cpu
memory
host
bus
(e.g., PCI)
network adapter
card
application
transport
network
link
link
physical
desktop_computer_stylized_medium
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
5-7
underline_base
Link layer services
framing:
encapsulate datagram into frame, adding header, trailer
MAC addresses used in frame headers to identifysource and destination
reliable delivery between adjacent nodes
we learned how to do this already (chapter 3)!
seldom used on low bit-error link (fiber, some twistedpair)
wireless links: high error rates
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
5-8
underline_base
error detection:
errors caused by signal attenuation, noise.
receiver detects presence of errors:
signals sender for retransmission or drops frame
error correction:
receiver identifies and corrects bit error(s) without resorting toretransmission
flow control:
pacing between adjacent sending and receiving nodes
Multiple access
Which host gets to send in a shared-medium?
Link layer services (more)
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
5-9
underline_base
Error Correction
522 Single Bit Parity
single bit parity:
detect single biterrors
523 Double Bit Parity
two-dimensional bit parity:
 detect and correct single bit errors
0
0
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
5-10
underline_base
Cyclic redundancy check
more powerful error-detection coding
view data bits, D, as a binary number
choose r+1 bit pattern (generator), G
goal: choose r CRC bits, R, such that
 <D,R> exactly divisible by G (modulo 2)
receiver knows G, divides <D,R> by G.  If non-zero remainder:error detected!
can detect all burst errors less than r+1 bits
widely used in practice (Ethernet, 802.11 WiFi, ATM)
524 CRC code
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
5-11
CRC example
want:
D.2r XOR R = nG
equivalently:
D.2r = nG XOR R
equivalently:
    if we divide D.2r byG, want remainder Rto satisfy:
R = remainder[           ]
D.2r
G
underline_base
1001
101110000
1001
1
101
01000
000
1010
1001
010
000
100
000
1000
0000
1000
D
G
R
r = 3
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
5-12
MAC addresses and ARP
32-bit IP address:
network-layer address for interface
used for layer 3 (network layer) forwarding
MAC (or LAN or physical or Ethernet) address:
function: used locally to get frame from one interface toanother physically-connected interface (same network, in IP-addressing sense)
48 bit MAC address (for most LANs) burned in NICROM, also sometimes software settable
e.g.: 1A-2F-BB-76-09-AD
underline_base
hexadecimal (base 16) notation
(each number represents 4 bits)
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
5-13
underline_base
LAN addresses (more)
MAC address allocation administered by IEEE
manufacturer buys portion of MAC address space(to assure uniqueness)
analogy:
MAC address: like Social Security Number
IP address: like postal address
 MAC flat address   portability
can move LAN card from one LAN to another
IP hierarchical address not portable
 address depends on IP subnet to which node isattached
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
Link Layer
5-14
underline_base
ARP: address resolution protocol
ARP table: each IP node (host,router) on LAN has table
IP/MAC addressmappings for some LANnodes:
          < IP address; MAC address; TTL>
TTL (Time To Live):time after which addressmapping will beforgotten (typically 20min)
Question: how to determine
interfaces MAC address,knowing its IP address?
1A-2F-BB-76-09-AD
58-23-D7-FA-20-B0
0C-C4-11-6F-E3-98
71-65-F7-2B-08-53
   LAN
137.196.7.23
137.196.7.78
137.196.7.14
137.196.7.88
desktop_computer_stylized_medium
desktop_computer_stylized_medium
desktop_computer_stylized_medium
desktop_computer_stylized_medium
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
Link Layer
5-15
ARP protocol: same LAN
A wants to send datagramto B on the same LAN
Bs MAC address not in AsARP table.
broadcasts ARP querypacket, containing B's IPaddress
dest MAC address = FF-FF-FF-FF-FF-FF
all nodes on LAN receiveARP query
B receives ARP packet,replies to A with its (B's)MAC address
frame sent to As MACaddress (unicast)
A caches (saves) IP-to-MAC address pair in itsARP table untilinformation becomes old(times out)
soft state: information thattimes out (goes away)unless refreshed
ARP is plug-and-play:
nodes create their ARPtables without interventionfrom net administrator
underline_base
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
5-16
walkthrough: send datagram from A to B via R
 focus on addressing – at IP (datagram) and MAC layer (frame)
 assume A knows Bs IP address
 assume A knows IP address of first hop router, R (how?)
 assume A knows Rs MAC address (how?)
Addressing: routing to another LAN
desktop_computer_stylized_medium
desktop_computer_stylized_medium
R
1A-23-F9-CD-06-9B
222.222.222.220
111.111.111.110
E6-E9-00-17-BB-4B
CC-49-DE-D0-AB-7D
111.111.111.112
111.111.111.111
74-29-9C-E8-FF-55
A
222.222.222.222
49-BD-D2-C7-56-2A
222.222.222.221
88-B2-2F-54-1A-0F
B
desktop_computer_stylized_medium
desktop_computer_stylized_medium
underline_base
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
desktop_computer_stylized_medium
desktop_computer_stylized_medium
R
1A-23-F9-CD-06-9B
222.222.222.220
111.111.111.110
E6-E9-00-17-BB-4B
CC-49-DE-D0-AB-7D
111.111.111.112
111.111.111.111
74-29-9C-E8-FF-55
A
222.222.222.222
49-BD-D2-C7-56-2A
222.222.222.221
88-B2-2F-54-1A-0F
B
desktop_computer_stylized_medium
desktop_computer_stylized_medium
5-17
Addressing: routing to another LAN
IP
Eth
Phy
IP src: 111.111.111.111
   IP dest: 222.222.222.222
A creates IP datagram with IP source A, destination B
A creates link-layer frame with R's MAC address as dest, framecontains A-to-B IP datagram
MAC src: 74-29-9C-E8-FF-55
   MAC dest: E6-E9-00-17-BB-4B
underline_base
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
desktop_computer_stylized_medium
desktop_computer_stylized_medium
R
1A-23-F9-CD-06-9B
222.222.222.220
111.111.111.110
E6-E9-00-17-BB-4B
CC-49-DE-D0-AB-7D
111.111.111.112
111.111.111.111
74-29-9C-E8-FF-55
A
222.222.222.222
49-BD-D2-C7-56-2A
222.222.222.221
88-B2-2F-54-1A-0F
B
desktop_computer_stylized_medium
desktop_computer_stylized_medium
5-18
Addressing: routing to another LAN
IP
Eth
Phy
frame sent from A to R
IP
Eth
Phy
frame received at R, datagram removed, passed up to IP
MAC src: 74-29-9C-E8-FF-55
   MAC dest: E6-E9-00-17-BB-4B
IP src: 111.111.111.111
   IP dest: 222.222.222.222
IP src: 111.111.111.111
   IP dest: 222.222.222.222
underline_base
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
desktop_computer_stylized_medium
desktop_computer_stylized_medium
R
1A-23-F9-CD-06-9B
222.222.222.220
111.111.111.110
E6-E9-00-17-BB-4B
CC-49-DE-D0-AB-7D
111.111.111.112
111.111.111.111
74-29-9C-E8-FF-55
A
222.222.222.222
49-BD-D2-C7-56-2A
222.222.222.221
88-B2-2F-54-1A-0F
B
desktop_computer_stylized_medium
desktop_computer_stylized_medium
Link Layer
5-19
Addressing: routing to another LAN
IP src: 111.111.111.111
   IP dest: 222.222.222.222
R forwards datagram with IP source A, destination B
R creates link-layer frame with B's MAC address as dest, framecontains A-to-B IP datagram
MAC src: 1A-23-F9-CD-06-9B
  MAC dest: 49-BD-D2-C7-56-2A
IP
Eth
Phy
IP
Eth
Phy
underline_base
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
desktop_computer_stylized_medium
desktop_computer_stylized_medium
R
1A-23-F9-CD-06-9B
222.222.222.220
111.111.111.110
E6-E9-00-17-BB-4B
CC-49-DE-D0-AB-7D
111.111.111.112
111.111.111.111
74-29-9C-E8-FF-55
A
222.222.222.222
49-BD-D2-C7-56-2A
222.222.222.221
88-B2-2F-54-1A-0F
B
desktop_computer_stylized_medium
desktop_computer_stylized_medium
Link Layer
5-20
Addressing: routing to another LAN
R forwards datagram with IP source A, destination B
R creates link-layer frame with B's MAC address as dest, framecontains A-to-B IP datagram
IP src: 111.111.111.111
   IP dest: 222.222.222.222
MAC src: 1A-23-F9-CD-06-9B
  MAC dest: 49-BD-D2-C7-56-2A
IP
Eth
Phy
IP
Eth
Phy
underline_base
E l e c t r i c a l    &   C o m p u t e r
Department of
Electrical & Computer Engineering
desktop_computer_stylized_medium
desktop_computer_stylized_medium
R
1A-23-F9-CD-06-9B
222.222.222.220
111.111.111.110
E6-E9-00-17-BB-4B
CC-49-DE-D0-AB-7D
111.111.111.112
111.111.111.111
74-29-9C-E8-FF-55
A
222.222.222.222
49-BD-D2-C7-56-2A
222.222.222.221
88-B2-2F-54-1A-0F
B
desktop_computer_stylized_medium
desktop_computer_stylized_medium
Link Layer
5-21
Addressing: routing to another LAN
R forwards datagram with IP source A, destination B
R creates link-layer frame with B's MAC address as dest, framecontains A-to-B IP datagram
IP src: 111.111.111.111
   IP dest: 222.222.222.222
MAC src: 1A-23-F9-CD-06-9B
  MAC dest: 49-BD-D2-C7-56-2A
IP
Eth
Phy
underline_base