Protokol katmanları ve fiziksel katman

Bu hafta ağın iskeletini kuruyoruz. Bir ağ, onlarca protokolün birlikte çalıştığı karmaşık bir sistem. Bu karmaşıklığı yönetmenin yolu katmanlamadır (layering): her katman bir hizmet verir, sadece altındaki katmanın hizmetini kullanır ve sadece karşı taraftaki aynı katmanla “konuşur”. Sınavda üç tip soru çıkar: katman eşleştirme (hangi iş hangi katmanda), kapsülleme ek yükü ve fiziksel katman kapasite hesabı (Nyquist, Shannon).

Altın kurallar:

1. Beş katmanı ve PDU adlarını ezbere bil: message, segment, datagram, frame, bit.
2. Kapsülleme: inerken her katman başlık ekler, çıkarken söker.
3. Bandwidth Hz’dir, bit rate bps’dir. Aynı şey değil.
4. Gürültüsüz kanal Nyquist, gürültülü kanal Shannon. Shannon’da SNR oran olmalı; dB verildiyse çevir.

Neden katman?

Havayolu yolculuğunu düşün: bilet al, bagaj ver, kapıdan geç, kalk, uç, in, kapıdan çık, bagajı al. Her adım karşı havalimanında ters adıma karşılık gelir. Bagaj görevlisinin pilotun nasıl uçtuğunu bilmesi gerekmez. Ağda da öyle: HTTP yazan programcı, verinin fiberden mi Wi-Fi’dan mı gittiğini bilmez.

Katmanlamanın faydaları:

• Modülerlik: bir katmanı değiştirmek (Wi-Fi yerine 5G) diğerlerini bozmaz.
• Anlaşılırlık: her katmanın tek bir sorumluluğu var.

Eksisi: bazı işler iki katmanda tekrar edilir (hata kontrolü hem linkte hem transport’ta), ve bir katman diğerinin bilgisine ihtiyaç duyabilir.

İnternet (TCP/IP) modeli: 5 katman

OSI modeli: 7 katman

ISO’nun OSI (Open Systems Interconnection) modeli iki katman daha içerir:

İPUCU · sırayı ezberlemek. Aşağıdan yukarı: “Please Do Not Throw Sausage Pizza Away” (Physical, Data Link, Network, Transport, Session, Presentation, Application).

Kapsülleme (encapsulation)

Gönderen hostta veri yukarıdan aşağı iner. Her katman üstten gelen paketi payload (yük) olarak alır, önüne kendi başlığını (header) koyar:

Application : [ M ]                                   message
Transport   : [ Ht | M ]                              segment
Network     : [ Hn | Ht | M ]                         datagram
Link        : [ Hl | Hn | Ht | M | trailer ]          frame
Physical    : 0110101011...                           bit

Alıcı tarafta ters işlem olur (decapsulation): her katman kendi başlığını okur, söker, içini bir üste verir. Yol üstündeki router sadece link ve network başlığına bakar; switch sadece link başlığına. Uç hostlar beş katmanın hepsini işler.

Çözümlü örnek: ek yük (overhead)

1000 byte uygulama verisi TCP (20 byte), IPv4 (20 byte) ve Ethernet (14 byte header + 4 byte FCS = 18 byte) ile gönderiliyor.

Çerçeve = 1000 + 20 + 20 + 18 = 1058 byte
Verim   = 1000 / 1058 = 0.9452  -> %94.52
Ek yük  = 58 / 1058   = %5.48

Küçük mesajlarda verim çöker: 1 byte’lık bir tuş vuruşu (SSH) 59 byte’lık çerçeve olur. Bu yüzden protokoller küçük paketleri birleştirmeye çalışır.

TUZAK · başlık sayısı. Her katman bir başlık ekler; fiziksel katman başlık eklemez (preamble ayrı konu). Ethernet ayrıca sona bir trailer (FCS, CRC) koyar. Bunu 3. haftada CRC olarak hesaplayacaksın.

Fiziksel katman temelleri

Fiziksel katman bitleri sinyale çevirir: bakırda voltaj, fiberde ışık, havada radyo dalgası.

Temel kavramlar

Bir sembol $V$ farklı değer alabiliyorsa $\log_2 V$ bit taşır:

$\text{bit rate} = \text{baud rate} \times \log_2 V$

Örnek: 9600 bps ve 2400 baud ise sembol başına $9600/2400 = 4$ bit, yani $2^4 = 16$ seviye.

TUZAK · günlük dilde “bandwidth”. Pazarlamada “100 Mbps bandwidth” denir. Bu derste fiziksel katman sorusunda bandwidth Hz demektir. Soru “bandwidth of 3 kHz” diyorsa bu bir frekans aralığı, bit hızı değil.

Nyquist: gürültüsüz kanal

Bant genişliği $B$ Hz olan gürültüsüz bir kanalda saniyede en fazla $2B$ sembol gönderilebilir. $V$ seviyeyle:

$C_{Nyquist} = 2B\log_2 V$

B = 3000 Hz, V = 2 :  2 x 3000 x 1 = 6,000 bps
B = 3000 Hz, V = 4 :  2 x 3000 x 2 = 12,000 bps

Nyquist’e göre seviye sayısını artırarak hızı sınırsız artırabilirsin. Gerçekte gürültü buna izin vermez.

Shannon: gürültülü kanal

Gürültü, birbirine yakın seviyeleri ayırt edilemez yapar. Shannon kapasitesi, seviye sayısından bağımsız, mutlak üst sınırdır:

$C_{Shannon} = B\log_2(1 + \text{SNR})$

SNR genelde desibelle verilir:

$\text{SNR}_{dB} = 10\log_{10}(\text{SNR}) \quad\Longleftrightarrow\quad \text{SNR} = 10^{\text{SNR}_{dB}/10}$

Çözümlü örnek: telefon hattı

$B = 3000$ Hz, SNR = 30 dB.

SNR oranı = 10^(30/10) = 1000
C = 3000 x log2(1 + 1000) = 3000 x 9.967 = 29,902 bps (yaklaşık)

Klasik çevirmeli modemlerin 30 kbps civarında tıkanmasının sebebi bu sınır.

İki formülü birlikte kullanmak

Sınavda sık bir soru: “Shannon kapasitesine ulaşmak için kaç seviye gerekir?” Önce Shannon’dan $C$‘yi bul, sonra Nyquist’te $V$‘yi çöz.

B = 1 MHz, SNR = 255
Shannon: C = 10^6 x log2(256) = 8 Mbps
Nyquist: 8 x 10^6 = 2 x 10^6 x log2 V  ->  log2 V = 4  ->  V = 16

Hat kodlama (line coding)

Uzun 0 ya da 1 dizilerinde NRZ’de alıcı saati kayar. Manchester her bitte geçiş yaptığı için saat sinyali kendinden gelir (self-clocking), ama iki kat sinyal hızı ister: 10 Mbps Ethernet 20 Mbaud.

İletim ortamları

Güvenlik notu: kablosuz ortam bir yayın (broadcast) ortamıdır. Menzildeki herkes sinyali alabilir. Bu yüzden Wi-Fi’da şifreleme (WPA2/WPA3) şarttır. Fiberi dinlemek fiziksel erişim ister ve çok daha zordur.

Sık yapılan hatalar