Dr. Wührl Tibor Ph.D. LAN; Eth interfész

Dr. Wührl Tibor Ph.D. LAN; Eth interfész

Vezetékes LAN Számos vezetékes helyi hálózati megoldás látott napvilágot, voltak köztük sikeresek és kevésbé sikeresek is. A helyi hálózati megoldások fejlődése robbanásszerű volt és napjainkban is töretlenül folytatódik. Ethernet rendszerek fejlődése (1972-78): 2

Ethernet Az első Ethernet hálózat fizikai közege egy vastag koaxiális kábel volt, mely a monda szerint inkább egy locsolócsőre hasonlított, melynek külső szigetelése sárga színű volt. Az így kialakított hálózat maximális hossza 2,5 km, mely aktív jelismétlőket (jelerősítő és regenerátor) építőelemeket is tartalmazott 500 méteres távolságonként. Az átviteli sebesség még 3 Mbit/s alatti! 3

Ethernet Az Intel és a Xerox jelentős anyagi támogatást biztosított a további munkához. Hamarosan kidolgozták az úgynevezett DIX szabványt (1982 évben), mely az IEEE 802.3 ajánlás alapjainak tekinthető. Ezt követte: IEEE802.3 a (1985) stb IEEE802.3 u (1995) {100Mbit/s}; IEEE802.3 ab (1999) {1 Gbit/s csavart érpáron} Stb. 4

Ethernet réz alapú átviteli közeg Aszimmetrikus jelátvitel: 5

Ethernet réz alapú átviteli közeg Szimmetrikus jelátvitel (TP): 6

Ethernet réz alapú átviteli közeg A BNC és F típusú csatlakozó ajzatok aszimmetrikus átviteli közeg esetén: 7

Ethernet réz alapú átviteli közeg TP kábelek kategorizálása Besorolás: Felső határfrekvencia: CAT-1 körülbelül 150 khz Tipikus alkalmazás POTS PSTN, alapsávi ISDN, xdsl (TIE/EIA nem CAT-2 szabványosította) (TIE/EIA nem 4 Mbit/s token ring hálózatok CAT-3 szabványosította) 16 MHz 10 Mbit/s Ethernet hálózatok CAT-4 20 MHz 16 Mbit/s token ring hálózatok CAT-5 100 MHz Fast Ethernet hálózatok (100 Mbit/s) CAT-5e 125 MHz Fast Ethernet hálózatok (100 Mbit/s), (250 MHz) CAT-6 250 MHz 1000BASE-T Gigabit Ethernet hálózatok Fast Ethernet hálózatok (100 Mbit/s), 1000BASE-T Gigabit CAT-6a 500 MHz hálózatok Ethernet 10G CAT-7 600 MHz Ultra Fast Ethernet hálózatok CAT-7a 1 GHz 40 Gbit/s Ethernet Ethernet (maximum 50 méteres szegmenshosszig) 100 Gbit/s Ethernet (maximum 15 méteres szegmenshosszig) 8

Ethernet réz alapú átviteli közeg (árnyékolatlan) UTP (U/UTP) kábel kialakítása: 9

Ethernet réz alapú átviteli közeg STP (S/UTP) kábel kialakítása: S/STP kábel kialakítása: 10

Ethernet réz alapú átviteli közeg A CAT-7 rendszereknél az érpárakat minden esetben külön-külön árnyékolják, majd az összefogott és árnyékolt párok egy közös árnyékoló védőköpenyt is kapnak. A magasfrekvencián is jó paraméterek elérése érdekében az érpárakat távtartókkal szeparálják. 11

Ethernet réz alapú átviteli közeg Szimmetrikus átviteli közeg egyik elterjedt csatlakozója az RJ45: 12

Ethernet átvitel réz alapú közegen A fizikai réteg feladata, hogy a logikai 1 és 0 információkat, vagyis az egyes bitek állapotát a rendelkezésre álló fizikai közegen továbbítsa, és a vevő oldalon detektálja. Lehetőség szerint ezt a feladatot minél hatékonyabban kell ellátni, vagyis a lehetőségekhez mérten a legnagyobb átviteli sebességet kell biztosítani és ezt a legkisebb hibával kell megoldani. 13

Ethernet átvitel réz alapú közegen A szimbólum létrehozásának módszerét vezetékes Ethernet hálózatok esetén vonali kódolásnak nevezzük. Az IEEE 802.3 ajánlás szerint a vonali kódolás például úgynevezett Manchester / differenciális Manchester kódolással történik: 14

Ethernet átvitel réz alapú közegen Példa a kódolásra: 15

Ethernet átvitel réz alapú közegen A Manchester kódolás elvitathatatlan előnye az, hogy bármilyen logikai információt is közvetítünk a segítségével, szimbólum középnél, ami éppen megegyezik a bitközéppel, egy átmenetet biztosan találunk. Az ilyen jelfolyamból az órajel viszonylag könnyen kinyerhető, vagyis a bitszinkronizáció adó és vevő között külön vezeték nélkül megvalósítható. A bitszinkronizálásnál arra kell ügyelni, hogy az adó és a vevő órajele egy szimbólumidő alatt nehogy annyira elhangolódjon, hogy a szimbólumhatáron előforduló esetleges átmenetet tekintse szimbólumközépnek. 16

Ethernet átvitel réz alapú közegen 1000BASE-T (IEEE802.3ab) Gigabit Ethernet over copper bitcsoport 000 Szimbólum 0 szint 17 001 010 011 100 101 110 111 +1 +2 1 0 +1 2 1

Ethernet átvitel réz alapú közegen 1000Base-T 18

Ethernet keretszervezés 7 x 8 bit 8 bit 6 x 8 bit 6 x 8 bit 2 x 8 bit (46 1500) x 8 bit 4 x 8 bit Preamble SOF Destination Source MAC Type/Length Payload CRC32 MAC 19

Ethernet keretszervezés Az első mező az úgynevezett Preamble, mely 7 byte-on keresztül fix 101010 bitfolyam. Ez adatinformációt nem hordoz, kizárólag a bitszinkronizálást segíti elő a fizikai rétegben. Az SOF (Start Of Frame) szintén a fizikai réteg működését támogatja. Ez a nyolcbites egység (oktet), fix 10101011 és a tényleges keret elejét jelöli. 20

Ethernet keretszervezés A MAC cím az interfész fizikai azonosítója, nevét a Media Access Control-ból kapta. A MAC cím eredetileg teljesen egyedi, a felhasználó által módosíthatatlan volt, azonban jelenleg már egyszerű eszközökkel módosítható, így a globális egyediséget nem lehet garantálni. A MAC cím 48 bitből (6 byte) áll, és azt hexadecimális számrendszerben, 8 bitenként kettősponttal elválasztva ábrázoljuk. A cím egyedisége úgy garantálható, hogy a cím felső 3 byte-ját az IEEE szervezet osztja ki. 21

Ethernet keretszervezés A Type / Length mező két byte-ból áll. A korábbi Ethernet szabványban ez a keret hossz indikálására használták (Length). Tizenhat biten 0-65535 között ábrázolhatunk számokat, ugyanakkor a payload maximális hosszát 1500 byteban határozták meg. Ha a Type / Length mező értéke 1536 (0x0600) vagy ennél nagyobb szám, akkor a mező jelentése a szállított protokoll azonosítására szolgál. A mező tartalmát ekkor EtherTypenak szokás nevezni. 22

Ethernet keretszervezés Abban az esetben, ha az Ethernet keret IPv4 protokoll szerinti adatot szállít a payload mezőben, akkor az EtherType értéke 0x0800. IPv6 protokoll szerinti payload esetén az EtherType ezt a 0x86DD értékkel indikálja. 23

Ethernet keretszervezés A hibaellenőrzés a payload -ot követő négy oktetből álló mező segítségével valósítható meg. Az összeállított kerethez egy úgynevezett FCS-t (Frame Check Sequence) fűznek. Az FCS számítás úgynevezett CRC-vel (Cyclic Redundancy Check) történik, mely eljárás lényege az, hogy egy generátor polinommal elosztjuk a teljes, összeállított keretet (ebbe a preamble és az SOF nem tartozik bele), majd az osztás során kapott maradékot hozzáfűzzük a keret végéhez. 24

Ethernet közeghozzáférés Koaxiális hálózat közös közeg probléma 25

Ethernet közeghozzáférés Csavart érpáras átviteli közeg HUB illesztéssel Szintén közös közeg probléma: 26

Ethernet közeghozzáférés A közeghozzáférési modell (egy szegmensen belül) mindkét közeg esetén leginkább a BUS topológiával egyenértékű, holott láthattuk, hogy a TP kábelezés esetén a hálózat vezetékezése csillagpont rendszerű. Ez utóbbi esetben az átviteli közeg közösítés a HUB nevű eszközben valósul meg! tehát a közös közegen osztozni kell! 27

Ethernet közeghozzáférés Az osztozás módja: CSMA/CD Carrier Sense Multiply Access / Collision Detection 28

Ethernet közeghozzáférés CSMA/CD 29 Van egy közös közegünk, melyhez több eszköz fér hozzá; A hozzáférés során (mielőtt adatot küldenénk a közegbe), figyeljük azt, hogy a közeget más eszköz nem használja ez a vivő figyelés ; Abban az esetben, ha balszerencsések vagyunk, akkor előfordulhat ütközés, tehát az ütközés tényét igyekszünk detektálni.

Ethernet közeghozzáférés CSMA/CD Pl. az A eszköz adatot kíván küldeni. Mielőtt ezt megtenné, ránéz a közegre ( Carryer Sense ), hiszen a közös szegmensben mindenki, mindenkinek az adását érzékeli. Ha üresnek találja a közeget, akkor megkezdi az adást. Adás közben pedig folyamatosan figyeli, hogy volt-e ütközés ( Collision Detect ). Miután az A állomás befejezte az adást, nemsokára az ütközés figyelést is lekapcsolja. 30

Ethernet közeghozzáférés CSMA/CD Miért szükséges az ütközés detekció, ha üres közegbe kezdtük meg az adást? A jel terjedési sebessége véges!! A jel terjedési sebessége rézhálózatban körülbelül a fény vákuumbeli terjedési sebességének (c=299 792 458 m/s) körülbelül a kétharmada (a gyakorlatban általában 200 000 000 m/s értékkel szoktunk számolni). 31

Ethernet közeghozzáférés CSMA/CD Ütközés érzékelés és kezelése: A két ütköző állomás adása egymáshoz képest szinkronizálatlan, így a két jel szuperpozíciója ( összege ) gyakorlatilag visszafejthetetlen lesz. Az összeütközött információk elvesztek, így azok pótlásáról (újraküldéséről) az állomásoknak kell gondoskodniuk. Ehhez az szükséges, hogy az ütközésben résztvevő eszközök értesüljenek az ütközés tényéről (collision detect). 32

Ethernet közeghozzáférés CSMA/CD Az ütközés tényét a fizikai rétegben lehet felismerni. A szinkronizálatlan jelfolyamok találkozása esetén már nem lesz igaz az egy szimbólumra jellemzően az, hogy a DC átlag nulla. Ha valamely állomás ütközést detektál, akkor a vonalra egy úgynevezett JAM szignált kapcsol, mely jel segítségével a többi állomás is biztos, hogy értesül az ütközés tényéről. A JAM jel tulajdonképpen egy fizikai rétegben működő jelzés, ami 32 bitből álló logikai 1. sorozat. 33

Ethernet közeghozzáférés CSMA/CD Az ütköző állomások ha detektálták az ütközés tényét, adásukat befejezték, és arra várnak, hogy az elveszett kereteket újraküldhessék. Az újraküldés egy véletlen időzítéssel fog elindulni, de természetesen csak akkor, ha a vivő figyelés (Carrier Sense) eredménye ezt megengedi. Az újraküldési időt minden eszközben az úgynevezett truncated binary exponential backoff algorithm nevű eljárás fogja kiszámítani. 34

Ethernet közeghozzáférés CSMA/CD A közeg megfigyelhetőségét javítja az egyes keretek közé kötelezően beiktatott úgynevezett InterFrame Gap time (IFG). Ezt az időzítést az adó eszköznek kötelezően be kell szúrnia, miután elküldte a keret végén található ellenőrző összeget (CRC-t). Az időzítés mértéke minimum 12 oktet idő, ami 96 bit idővel egyezik meg 35

Ethernet közeghozzáférés CSMA/CD Késői ütközés (Late Collision) 36

Ethernet közeghozzáférés szegmentálás Az Ethernet hálózatok közös közeg problémái napjainkban viszonylag könnyen feloldhatók. Strukturált TP kábelezés esetén a vezeték rendszert is változatlanul hagyhatjuk! A feladatunk mindössze annyi, hogy az adatforgalom irányítását már a második rétegben megkezdjük, a keret irányítás a MAC cím alapján történik. Ehhez a HUB eszközöket SWITCH-re kell cserélni. 37

Ethernet közeghozzáférés szegmentálás A switchelt hálózatok gépei között az adatforgalom irányítás MAC cím alapján történik, így a forgalmak szeparáltak az egyes portok között. Az egyes portokon lehetőség van a full-duplex adatátvitelre. 38

Ethernet közeghozzáférés szegmentálás A switchelt hálózatok esetén ha az adatforgalom Unicast, akkor a kapcsolás egyértelmű, mert az üzenetváltás két kommunikációs pont között zajlik. A multicast forgalom viszont minden porton megjelenik. Multimédiás tartalmak (IP TV műsorszórás ) tipikusan multicast eljárást alkalmaznak. Ebben az esetben minden porton megjelenik a nem túl kicsi adatforgalom, még azokon is ahol azt nem használják fel! 39

Ethernet közeghozzáférés szegmentálás Multimédiás alkalmazásokra használt switch-ek esetén ugyan a kapcsolás a 2. rétegben történik, de bele szokás hallgatni a felsőbb rétegek üzeneteibe is. Az egyik ilyen talán legfontosabb jellemző az IGMP-snooping. Az IGMP üzenetek megfigyelésével eldönthető, hogy egy adott IP multicast stream megjelenjen-e egy adott switch porton vagy sem. 40

Ethernet közeghozzáférés szegmentálás Egy helyi hálózati kapcsolat több switch összeépítéséből is állhat. Fa struktúrájú kialakítás esetén egy switcheket összekapcsoló összekötő ág meghibásodása több berendezés hálózati hozzáférés kiesését jelenti! Megoldás: A switch-ek között redundáns (például haránt) összeköttetés kialakítása. 41

Ethernet közeghozzáférés szegmentálás Redundáns összeköttetést tartalmazó switch-elt hálózat: 42

Ethernet közeghozzáférés szegmentálás A redundás kapcsolat viszont problémát vet fel a multicast és broadcast üzenetek továbbítása során. A kialakított hurkok a továbbított multicast vagy broadcast keretek végtelen keringését vonja maga után (3. rétegben alkalmazott TTL mező most nem segít, mert a kapcsolás a 2. rétegben történik!). Megoldás: Segédprotokollok, melyeknek az ilyen hurkok felderítése és felvágása a feladat. Ezek lehetnek nyitottak, vagy gyártóspecifikusak. 43

Ethernet közeghozzáférés szegmentálás STP Spanning Tree (feszítőfa) Protocol (IEEE802.1D) RSTP Rapid Spanning Tree Protocol (IEEE802.1w) Mindkét protokoll nyitott, és legfontosabb jellemzője az, hogy a hálózat konvergálása automatikusan történik, vagyis konfigurálást nem igényelnek az eszközök. 44

Ethernet közeghozzáférés szegmentálás Az STP konvergálási ideje 30 60 másodperc, link meghibásodás esetén is hasonló idő szükséges a redundáns összeköttetés aktivizálásához. Az RSTP esetén ezt az időt jelentősen lecsökkentették, de linkhiba esetén a kommunikáció helyreállás ideje így is több másodperc. 45

Ethernet közeghozzáférés szegmentálás Ipari alkalmazások esetén a több másodperces kommunikáció kiesések nem megengedettek, ezért az ipari kommunikációra készített switch eszközök gyakran gyártóspecifikus, redundáns összeköttetést kezelő protokollokat használnak. Például MOXA és SIEMENS is kifejlesztett redundás protokollokat, melyek a kommunikáció helyreállást hiba esetén néhány 100ms időtartamon belül garantálják. 46

WLAN Az otthoni és irodai alkalmazásokban gyakran nehezen valósítható meg a kábeles hálózat kialakítás, ekkor előtérbe kerülnek a kis hatótávolságú vezeték nélküli megoldások (optikai vagy rádiós). A WLAN rendszerek rádiós kialakítás esetén az ISM frekvenciasávokat használják a kommunikációra. 47

WLAN Ad-Hoc hálózat (A és B állomás P2P kapcsolata) Ad-Hoc esetben a BSS-ek (Basic Service Set azok a WLAN interfésszel rendelkező eszközök, melyek képesek egymással kommunikálni), a kapcsolatot közvetlenül egymás között építik fel. 48

WLAN Access Point-tal kialakított WLAN hálózat: 49

WLAN és a Wi-Fi (kis kitérő) Egy fogalom tisztázása A Wi-Fi a Wireless Fidelity szavakból képzett védjegy, tehát nem szabadon használható, a WiFi Alliance (WFA) tulajdonát képezi. vagyis nem minden WLAN interfész Wi-Fi! Mivel az IEEE802.11 ajánlások egyre bővülnek, a Wi-Fi megfelelőség tesztjeinek ezt állandóan követniük kell. 50

WLAN A fontosabb WLAN specifikációkat az IEEE802.11 ajánlások foglalják össze. Mint már megszoktuk az IEEE802 ajánlásoktól, most is két réteg (fizikai és adatkapcsolati réteg) elemeinek definícióját adja. A hétköznapi használatban lévő WLAN rendszerek leginkább a 2,4 GHz és az 5 GHz-es ISM sávot használják. 51

WLAN Adatátviteli sebességek: 52 Ajánlás sorszám: Elméleti legmagasabb IEEE802.11a sávszélesség: 54 Mbit/s IEEE802.11b 11 Mbit/s IEEE802.11g 54 Mbit/s IEEE802.11n 450 Mbit/s

WLAN FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) Az IEEE802.11 ajánlás az FHSS eljárást kizárólag a 2,4GHz ISM sávra definiálta. A frekvenciasáv határai Európában 2,400 GHz 2,4835 GHz terjednek, kivéve Spanyolországot (itt 2,445 GHz 2,475 GHz), valamint Franciaországot (itt 2,4465 GHz 2,4835 GHz). A rendelkezésre álló európai sávot 79 db 1 MHz sávszélességű csatornára bontották. Az adók és a vevők egymással összhangban, egy előre meghatározott séma szerint váltják (hoprate szerint) a frekvenciát. 53

WLAN Az adó és a vevő eszközök szinkronizálása a fizikai rétegben történik, ezért a második réteg kereteit szinkronizáló információkkal kell kiegészíteni, melyet PLCP preamble (physical layer convergence procedure) mezőnek nevezünk. Ez a mező két almezőből, a SYNC {80 bit} és SFD - Start Frame Delimiter ami 0000 1100 1011 1101 ) áll. 54

WLAN DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) eljárásnál is ki kell egészíteni szinkronizáló és a fizikai réteg számára információt nyújtó bitekkel. 55

WLAN OFDM Az OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) többvivős modulációs eljárás elméletét már az 1960-as években kidolgozták, de az áramköri megvalósítás bonyolultsága miatt csak napjainkban terjedt el a felhasználása. Az OFDM-nél az egyes vivőket valamilyen digitális szögmodulációval, vagy digitális QAM-mel modulálják. 56

WLAN Fázismodulált vivőjel teljesítményspektrum abszolút értéke: 57

WLAN Ha a szomszédos vivők távolságát f értékre választjuk meg, ahol f = 1/Ts, akkor a vivőfrekvencia értékeknél a spektrumok egymást nem zavarják, a vivők egymástól függetlenek, ortogonálisak. 58

WLAN Az egyes OFDM csatornák vivői a digitális logikai kódokat BPSK, QPSK, 16QAM vagy 64QAM modulációs eljárással szállítják az ISM 2,4 GHz és az 5GHz sávban. 59

WLAN 60

WLAN - közeghozzáférés Az adatkapcsolati réteg feladata a jelek keretszervezése, az interfészek fizikai címzése, a hibaellenőrzés és nem utolsó sorban a közös közeg hozzáférés szabályozása. A keret komponensek: Úgynevezett MAC-Header (MAC fejléc), ami tartalmazhat Frame Control mezőt, címeket, sorrendiség vezérlést és QoS információt; Változó hosszúságú keret törzset, mely a felsőbb rétegek üzeneteit hordozza; Ellenőrző összeget, ami 32 bites CRC kód. 61

WLAN - közeghozzáférés Általános keretfelépítés: 2 byte 2 byte 6 byte 6 byte 6 byte 2 byte 6 byte 2 byte 0-23124 4 byte byte Frame Duration Control /ID Addr1 Addr2 Addr3 Sequenc e Control MAC Header 62 Addr4 QoS Control DATA FCS

WLAN közeghozzáférés CSMA/CA A CSMA/CD közeghozzáférés rádiós közeg esetén nem alkalmazható. A rádiós interfészek esetén az egyidejű adás és vétel csak igen költségesen oldható meg és a sávszélesség is pazarló lenne; rejtőzködő állomások kezelése is szükséges. 63

WLAN közeghozzáférés CSMA/CA Rejtőzködő állomások Mindkét állomás ( A és B ) látja az AP-t, de egymást nem! 64

WLAN közeghozzáférés CSMA/CA CSMA/CA fontosabb működés szempontjai: 65 Van vivő figyelés (Carrier Sense), de nem ad pontos információt; Minden hibátlanul vett keretet az AP pozitívan nyugtáz; Nincs negatív nyugta üzenet, de negatív nyugtának számít a hibásan megérkezett, vagy elmaradt pozitív nyugta; A kliensek adatot kizárólag a nekik dedikált időablakban küldhetnek az AP felé; Az időablak kérés és jóváhagyás rövid, adatinformációt nem tartalmazó jelzés keretekkel történik (RTS és CTS).

WLAN közeghozzáférés CSMA/CA CSMA/CA működése: A NAV(RTS) és a NAV(CTS) a kommunikációban nem részt vevő Other eszköz számára tiltó üzenetként jelentkezik. 66

Köszönöm a Megtisztelő figyelmet! Dr. Wührl Tibor Ph.D. wuhrl.tibor@kvk.uni-obuda.hu 67