Modul 6:

Ethernet Fundamentals

Ethernet

väčšina sieťových zapojení v Internete začína a končí ethernetovým zapojením;

ľahko a lacno sa inštalujú; spoľahlivé; možnosť spolupráce s ďalšími technológiami,

ktoré sa ľahko implementujú; otvorený štandard 802.3 vytvorený s

kompatibilitou ISO a OSI, rôzne verzie Ethernetu majú fyzickú vrstvu

zvyčajne dosť odlišnú, ale spojovú vrstvu dosť podobnú.

Naming of Ethernet

rýchlosť prenosu v Mbps: 10, 100, 1000, 10G

spôsob posielania signálov: BASE (1 frekvencia na prenos), BROAD (jedným káblom viacero nezávislých

signálov, napr. rádio, TV)

typ média: 2, 5, -T, -TX, -SX, -LX F = fiber – optické vlákno T = medený netienený kábelviď: 6.1.2

Why IEEE and Ethernet?

dopĺňanie informácií dôležitých pre tvorbu zariadení kompatibilných so štandardom Ethernet

podpora inovácií medzi výrobcami

Data link layer

2. vrstva OSI modelu; rozdelená na 2 podsiete: MAC (Media Access Control)

súvisí s fyzickými komponentami; komunikácia;

LLC (Logical Link Control) komunikačné procesy nesúvisí s fyzickým pripojením pridáva hlavičku a trailers - uložené

informácie pre 2.vrstvu cieľovej stanice; údaje z LLC sa združia do rámcov medzi

hlavičku a trailer.

Compare 1. and 2.layer

FV – nekomunikuje s vyššími vrstvami LV – slúži na to LLC

FV – neidentifikuje počítače LV – identifikuje počítače na základe MAC

adries

FV – popisuje tok bitov LV – spracúvava skupiny bitov (rámce)

FV – nerozpozná, ktorý počítač práve prenáša údaje, lebo môžu všetky v rovnakom čase

LV – stará sa o to MAC

Ethernet and OSI model

pracuje na prvej vrstve OSI a na nižšej polovici druhej vrstvy (podsieť MAC);

prenos údajov medzi dvoma ethernetovými hostami zvyčajne cez repeater;

problém, ktorý vznikne v časti kolíznej domény ovplyvňuje celú doménu,

1. vrstva – prenos signálov cez prenosové médium; komponenty, ktoré zabezpečujú presun bitov do kábla a rôzne technológie;

2. vrstva - rieši obmedzenia prenosu (funkcií) 1.vrstvy.

Repeater

nerozdeľuje sieť na viaceré segmenty, každý prijatý signál vysiela; všetky údaje posiela všetkým staniciam

v sieti; z portu, na ktorý prišiel signál, sa signál

už nepošle; ak je signál narušený repeater ho

obnoví, ak je zoslabený, tak ho zosilní, pre optimalizáciu prenosu v sieti sa

určilo pravidlo 5-4-3 (viď modul5), 1 kolízna doména.

MAC adresa

2. vrstva OSI modelu; 48 bitov – 12 šestnástkových číslic; (viď: 6.1.4) prvých 6 číslic – určuje výrobcu – ozn. sa ako

OUI (Organizational Unique Identifier); druhých 6 číslic – dodáva výrobca – zvyčajne

sériové číslo rozhrania; burned-in MAC adresy – v ROM a počas

inicializácie NIC sa kopírujú sa do RAM; použitie – NIC na overenie doručenia správy k

vyšším vrstvám OSI modeu, každé zariadenie v LAN – počítač, tlačiareň,

router, switch.

Travel with MAC address

v sieti LAN; cieľová MAC adresa pre komunikáciu

dvoch zariadení; zdroj – k hlavičke správy pridá MAC

adresu cieľa a pošle údaje; cieľ – každé zariadenie zistí, či

prichádzajúca MAC adresa je preň, ak nie, zničí rámec, ak áno, vytvorí kópiu a pošle info vyšším vrstvám;

Framing

proces zapúzdrenia 2. vrstvy; dátová jednotka – rámec; poskytuje informácie o:

komunikujúce počítače, ktorý počítač je začiatkom a ktorý koncom

komunikácie; chyby pri komunikácii pc‘s; ktorý pc bude ďalej komunikovať.viď: 6.1.5

Frames

zložený zo skupín bitov = pole; typy polí:

štartovacie rámcové pole, pole adresy, dĺžka / typ poľa, pole s údajmi, pole Frame Check Sequence (FCS);

špecifické polia: dĺžka rámca, typ poľa (špecifikácia protokolu 3. vrstvy);

Frames II.

pomenované informácie: meno zdrojového uzla; zdrojová MAC adresa; meno cieľového uzla; cieľová MAC adresa;

Ethernet (IEEE 802.3)

PREAMBULA

oddeľovačCieľováMACadresa

ZdrojováMACadresa

Dĺžkatyp

ÚdajePAD

FCS

Description of Ethernet frame I.

preambula – striedanie jednotiek a núl, ktoré sa používa na synchronizáciu v sieťach Ethernet s rýchlosťou 10 Mbps a menej. Rýchlejšie siete ich nepotrebujú;

oddeľovač (Start Frame Delimiter) – označuje začiatok samotného rámca, jeho hodnota je postupnosť bitov 10101011;

cieľová MAC adresa – môže byť typu unicast, multicast, broadcast;

zdrojová MAC adresa – typ unicast;

Typy adries

unicast - adresa jedného konkrétneho zariadenia

multicast - adresa určitej skupiny zariadení

broadcast – adresa, ktorú musia prijať všetky zariadenia v sieti;

Description of Ethernet frame II.

pole dĺžka / typ – dĺžka rámca sa uvádza, ak je jeho hodnota v šestnástkovej sústave menšia ako 0x0600. V tomto prípade protokol na prenos údajov určuje podvrstva LLC. Inak sa uvádza typ protokolu, ktorý sa nachádza na vyššej vrstve a ten prijíma údaje;

pole údaje príp. pad – nešpecifikované údaje (pad) sa pridajú v prípade, že dĺžka prenášaného rámca je menšia ako minimálna dĺžka rámca, ktorý sa dá preniesť Ethernetom. Ethernet podporuje dĺžku rámca v rozmedzí 64 až 1518 oktetov;

FCS – hodnota kontrolného súčtu. Zvyčajne sa udáva hodnota CRC.

FCS

zdroj – určí kontrolné číslo na základe údajov v rámci;

pridá sa na koniec rámca; cieľ – prepočíta FCS a porovná sa s

číslom FCS v rámci; rôzne = chyba – zničenie rámca; zhodné = úspešný prenos; zdroj o chybe nevie – nanovo posielajú

spojovo-orientované protokoly vyšších vrstiev (TCP)

Calculating of FCS

CRC (Cyclic Redundancy Check) – prepočet údajov;

dvojdimenzionálna parita – pre každý riadok a pre každý stĺpec matice s hodnotami 0 a 1 sa pridá jeden kontrolný bajt, ktorý udáva, či je počet jednotiek v ňom párny (0) alebo nepárny (1). Do rohu sa ešte umiestni jeden bajt, ktorý overuje párnosť jednotiek v celej matici.

internetový kontrolný súčet

Sublayer MAC

nižšia podvrstva linkovej vrstvy, pracuje s protokolmi, ktoré určujú, ktorý

počítač v kolíznej doméne alebo na zdieľanom médiu môže vysielať signály.

MAC protokoly: deterministické = v každom momente je

zrejmé, kto pošle údaje; nedeterministické;

Token Ring

logická topológia: kruh riadenie šírenia údajov;

fyzická topológia – hviezda; podávanie špeciálnych údajov – token; čas od prijatia po poslanie údajov je

obmedzený (vráti token / pošle údaje a podá token ďalšiemu);

bezkolízne prostredie – údaje posiela stále len 1 stanica;

deterministická metóda;

FDDI

logická topológia – kruh; fyzická topológia:

dvojitý kruh;

nie je obmedzenie na počet staníc, dĺžku spojenia;

vysoká rýchlosť prenosu; poskytuje dátové, hlasové a video služby; deterministická metóda prenosu;

Technológie 2 vrstvy

FDDI Token Ring Ethernet

logická topológia - zbernica; fyzická topológia – hviezda alebo

rozšírená hviezda;

CSMA/CD I (viď 6.2.2)

(Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)

využívajú aj nedeterministické MAC protokoly (zbernicová topológia);

sieťové karty „počúvajú“ či sa sieťou šíri signál; nie – nastane vysielanie údajov

kolízia - súčasne vysielajú 2 stanice - prerušenie šírenia signálu;

jam signál (zvyčajne striedanie 0 a 1) - rozšíri správu o kolízii po celej sieti;

(vyslaný signál < > signál na zbernici) = zariadenia sa dozvedia o kolízii;

maximálne 16 krát sa opakuje prenos, inak vygeneruje chybu, ktorú oznámi sieťovej vrstve.

CSMA/CD II - backoff alg.

spustí sa, keď všetky stanice budú upovedomené o kolízii;

posielanie rámcov sa zastaví; všetky stanice (rovnaká doba čakania

na vyslanie ďalšieho rámca) = väčšia pravdepodobnosť vzniku kolízie;

Riešenie: backoff vygeneruje každej stanici náhodný

čas prístupu k médiu; priorita vysielania - stanice, ktorých signál

nebol v kolízii;

CSMA/CD III

ochrana pred kolíziou: stanica, ktorá chce vysielať, sa dozvie

o kolízii v sieti skôr, ako pošle celý rámec minimálnej veľkosti.

možné, že prekročenie zaťaženia; jeho dôsledok:

rýchlosť siete sa výrazne zníži; počet kolízií sa zvýši.

Types of operation

simplexný prenos šírenie údajov jedným smerom od vysielača

k prijímaču;

plne duplexný prenos (full duplex) vysielanie a prijímanie signálov môže

prebiehať súčasne a ku kolízii nedôjde;

poloduplexný prenos prenos údajov oboma smermi, ale v jednom

časovom okamihu len jedným smerom.

Synchronization

stanica pošle najprv preambulu údaje potrebné k časovej synchronizácii

potom posiela zvyšné časti rámca MAC adresy komunikujúcich zariadení informácie z hlavičky rámca údaje kontrolný súčet

Ethernet < 10 Mpbs = asynchrónny všetky stanice, ktoré prijímajú signál použijú 8 oktetov

na časovanie }synchronizácia prichádzajúcich údajov) Ethernet >= 100 Mbps = synchrónny

nevyžaduje časovacie informácie, postačuje im len preambula a SFD.

Slot time

dôležitý parameter poloduplexného Ethernetu; vypočíta sa vzhľadom na maximálnu

vzdialenosť, ktorú možno dosiahnuť v čo najväčšej možnej sieťovej architektúre;

minimálny čas prenosu celého rámca musí byť menší ako jeden slot time (ľahšie odhalenie kolízie);

oznámenie o kolízii sa šíri rôznou rýchlosťou (v závislosti od siete;

čas na oboznámenie kolízie všetkým staniciam v sieti musí byť menší ako jeden slot time;

Bit time – slot time

bit time = čas potrebný na prenos jedného bitu;

10 a 100 Mbps Ethernet - 512 bit times (64 oktetov);

1000 Mbps Ethernet - 4096 bit times (512 oktetov);

rýchlejšie technológie - čas je podstatne kratší;

Oneskorenie

delay čas potrebný na šírenie signálu medzi

dvoma najvzdialenejšími stanicami v sieti; latencia

oneskorenie, ktoré vzniká od momentu, keď prvé bity rámca opúšťajú vysielajúcu stanicu až po čas, keď prvá časť rámca dôjde k cieľovému zariadeniu;

charakteristická napr. aj pre repeater delay + latencia – faktory ovplyvňujúce

vznik kolízií;

Interframe spacing

najmenší časový interval medzi dvoma nekolidujúcimi rámcami (rozostup rámcov);

od posledného bitu poľa FCS prvého rámca po prvý bit preambuly druhého rámca;

10 Mbps - 96 bit times (9,6 mikrosekúnd); rýchlejší Eth - oveľa menší čas; hodnota sa nemení, čo umožňuje posielanie

rámcov aj pomalším staniciam; pomalá synchronizácia - môže dôjsť ku strate

bitov preambuly (repeater obnovuje celých 64 bitov časovacích informácii prvého poľa rámca)

Errors in a network

chyby v ethernetových sieťach - najčastejšie počas kolízií;

kolízia znižuje prenosový výkon siete, čím vzniká prenosové oneskorenie ;

vplýva na celú sieť; znižuje priechodnosť siete; kolízie, ku ktorým dôjde pred prenosom

SFD, sa oznamujú vyšším vrstvám len zriedkavo;

Jam signal

slúži na propagáciu chyby v sieti; vysielajúca stanica pošle 32-bitový jam

signál hneď po zistení chyby; zosilní kolíziu; prenos práve vysielaných údajov sa

úplne preruší; umožní staniciam v čo najkratšom čase

detekovať kolíziu; (viď 6.2.5)

Types of collisions I.

jednoduchá nastane ešte pred poslaním rámca; najbližší pokus o doručenie rámca bude úspešný;

viacnásobná opakovane neúspešné posielanie toho istého rámca;

lokálna v koaxiálne káble

k zrážke signálov dôjde na spoločnom médiu; dôjde k prekrytiu vĺn, niektoré časti signálu sa

vzájomne vyrovnajú, iné sa zosilnia alebo zdvoja; zdvojený signál má väčšie napätie ako je povolená

hranica, čo sa prejaví ako kolízia; UTP káble

stanica prijíma signál na Rx v rovnakom čase ako vysiela na Tx.;

kolízia sa zistí len v poloduplexnom prenose.

Types of collisions II.

vzdialená pri rámcoch kratších ako minimálna dĺžka kontrolný súčet je nesprávny neprejavujú sa znaky prekročenia maximálneho

napätia a ani súčasný prenos na krútených pároch. dochádza k nim na vzdialených stranách pripojenia

cez repeater (prenesie len povolenú výšku napätia, nepovolí ani súčasný prenos na Rx a Tx);

neskorá po poslaní prvých 64 oktetov; ak by ku kolízii došlo skôr, sieťová karta je schopná

opäť poslať poškodený rámec;

Sources of Ethernet error I.

dlhý rámec rámec je dlhší ako je najväčšia povolená hodnota;

duch šum, ktorý vzniká v kábli, vytvorí samostatný rámec

s neplatným SFD; FCS

kontrolné súčty vysielajúcej a prijímajúcej stanice sa nezhodujú;

kedy?: poškodená sieťová karta, softvér ovládačov, nesprávne nainštalovaný kabelážny systém, chybný port na hube, šum v kábloch;

chyba v zarovnávaní (alignment) strata niekoľkých bitov rámca ( zvyčajne z konca); napr. chýba kontrolný súčet; kedy,? chybný softvér ovládačov alebo pri kolíziách;

Sources of Ethernet error II.

jabber prenos jedného rámca trvá minimálne 20 000 až 50 000 bit

times; krátky rámec

rámec je menší ako je najmenšia povolená hodnota (64 oktetov), ale kontrolný súčet je správny;

neskorá kolízia; out of range

dĺžka rámca, uvedená v príslušnom poli rámca, presahuje prípustnú hodnotu;

range v rámci je uvedená správna hodnota dĺžky pôvodného

rámca; skutočná veľkosť posielaného rámca je menšia, t.j. počas

prenosu došlo k strate niekoľkých bitov až oktetov; runt

posielanie rámcov s veľkosťou o niečo menšou ako je najmenšia povolená hodnota

Auto-negotiation I.

umožňuje komunikáciu technológií Ethernetu s rôznymi rýchlosťami prenosu;

rozhrania pomocou funkcie auto-negotiation automaticky zmenia svoju konfiguráciu

neprebehne ak jedno rozhranie pracuje s optickými signálmi a druhé s elektronickými; dôvod: náročná zmena v konfigurácii portov;

Auto-negotiation II.

najskôr sa vyšle testovací signál, spojový pulz, ktorým zistia možnosti prenosu svojho komunikačného partnera;

nastavia najväčšiu možnú rýchlosť prenosu, prípadne zmenia aj komunikačný mód (na poloduplexný alebo plne duplexný);

pri prerušení komunikácie sa preruší aj spojenie medzi stanicami;

obe strany prenosu sa pokúsia o opätovné spojenie na poslednej dohodnutej rýchlosti;

pri zlyhaní alebo dlhodobom prerušení spojenia - dohoda o najvyššej možnej rýchlosti prenosu začne od začiatku;