Podstata ethernetu

6.1.1. Úvod do ethernetu

Úspech ethernetu:

  1. jednoduchý a ľahký na údržbu
  2. schopnosť začleniť nové technológie
  3. spoľahlivosť
  4. nízka cena inštalácia a zlepšenia

S narastajúcim počtom užívateľov nastali problémy so vzájomným rušením. Tento problém vyriešili na Havajskej univerzite a pomenovali ho Alohanet.
802.3 – štandard pre Ethernet
Rýchlosť sietí narastala z 10Mbps, na 100M, 1G a na 10Gbps
Ethernet je škálovatelný, časový pobyt paketu na sieti nemení jeho obsah, paket môže začať v 10Mb NIC, cestovať cez 10Gb ethernet a končiť v 100Mb NIC.

6.1.2. IEEE pravidlá pre pomenovanie Ethernetu

Základný frejmový formát a IEEE podvrstvy 1 a 2 zostávajú zhodný pre všetky formy Ethernetu. Na potreby rozšírenia Ethernetu sa pridávajú 1 alebo 2 písmená za 802.3. cisco
cisco
Skrátený popis pozostáva z:

  1. číslo indikujúce počet prenášaných Mbps
  2. svetový základ, indikujúci, ktoré základné pásmo signálov je použité
  3. 1 alebo  viac znakov indikujúcich tip použitého média(F-optika, T-medená netienená krútená 2-linka)

Ethernet pôsobí na 2 vrstvách OSI modelu, v dolnej polovici dátovej linkovej vrstvy, známej ako MAC podvrstva a fyzickej vrstve. Často sa stáva, že medzi 2 stanicami je opakovač, ten zabezpečí zosilnenie signálu a prenos na ďalšie stanice.
Ethernetová vrstva 1 zohráva kľúčovú úlohu v komunikácii ktorá zaberá miesto medzi zaríiadeniami, ale každá funkcia je limitovaná. 2 vrstva adresuje tieto limity:
cisco

ciscoNajpoužívanejšie možnosti ethernety.

 

 

 

 

 

 

 

6.1.4. Pomenovanie

Ethernet používa MAC adresy, ktoré sú 48 bitov dlhé a sú vyjadrené ako 12 hexadecimálnych čísel. Organization Unique Identifer (OUI) - Prvých 6znakov s MAC identifikuje výrobcu alebo predajcu
SN- zvyšných 6 hexa znakov, alebo iná hodnota špecifikujúca zariadenie výrobcu
MAC adresy sú pevne napálené v ROM a sú kopírované do RAM, keď sa NIC inicializuje
V linkovej vrstve MAC hlavičky a ukončenia sú pridávané do hornej linkovej vrstvy. Obsahujú kontrolné informácie určené pre linkovú vrstvu v cieľovom systéme. Dáta s hornej vrstvy sú zapuzdrované v linkovej hlavičke a ukončení. Sieťová karta využíva MAC adresu na určenie, či správa môže byť prevzatá do hornej vrstvy OSI modelu, toto sa dele bez použitia CPU. Pri komunikácii NIC kontroluje hlavičku a číta MAC, ak nie je určené pre túto NIC, zahodí tieto dáta, pri zhode presúva tieto dáta do OSI vrstiev.
Všetky zariadenia pripojené do siete majú MAC.

6.1.5. Vrstva 2 rámcovanie

Rámcovanie pomáha získa podstatné informácie, ktoré by nemohli byť získané ináč, len s kódovaného bitového toku. Príklady takýchto informácií sú:

  1. počítač komunikujúci s ostatným
  2. keď komunikácia medzi jednotlivými PC začína a končí
  3. poskytuje metódu pre detekciu chýb, ktoré sa vyskytujú počas komunikácie

ciscoNa zobrazenie bitov sa používa graf  napätia a času.
Údaje v grafe sú čítané s ľava do prava.
Každý rámec má sekciu zvanú pole, každé pole pozostáva s bitov.
Mená polí:

  1. štartové rámcového poľa
  2. adresové pole
  3. dĺžka / typ poľa
  4. dátové pole
  5. kontrolný súčet

Všetky rámce vždy začínajú signalizačnou sekvenciou bitov.
Všetky rámce obsahujú menovité informácie, ako zdrojovú a cieľovú MAC.
Dôvodom posielania rámcov je dať hornej vrstve dáta, hlavne užívateľské aplikačné dáta, zo zdroja do cieľa.

Dátový paket má 2 časti:

  1. užívateľské aplikačné dáta
  2. zapuzdrené bity posielané na cieľový počítač.

V dátovom poli sú tiež obsiahnuté logické linkové kontrolné (LLC) byty. Vrstva 2 komunikuje s hornou vrstvou cez LLC.
Všetky rámce a bity, bajty, a polia obsiahnuté v nich, sú citlivé na chyby s množstva zdrojov.
Rámcová kontrolná sekvencia (FCS) poľa obsahuje číslo, ktoré je vypočítané podľa zdrojového uzla založenom na dátach v rámci, je pridávaný na koniec rámca. Pri prenose rámcov je v cieľovej stanici FCS číslo prepočítané a porovnané s FCS číslom obsiahnutým v rámci, ak sú rozdielne, rámec je zahodený a vyžiada sa nový.
3 Základné cesty výpočtu FCS:
- cycli redundancy check (CRC), vykonáva sa z výpočtu dát
- 2 rozmerových parít, pridávaním ôsmeho bitu, ktorý vytvára párne alebo nepárne binárne číslo
- internetový kontrolný súčet, pridáva hodnoty od všetkých dátových bitov do súčtu

6.1.6. Štruktúra rámcov v Ethernete

cisco

6.1.7. Rámcové polia Ethernetu
cisco
Preambula je alternatívny vzor 1 alebo 0 používané pre časovú synchronizáciu v asynchrónnych 10Mbps alebo pomalších Ethernetoch. Rýchlejšie verzie sú synchrónne a preto táto informácia je prebytočná, ale ponechaná pre spätnú kompatibilitu.
Štartový rámcový oddeľovač pozostáva s 1 octetu poľa, ktorý značí koniec časovacej informácie a pozostáva zo sekvencie 10101011
Cieľové adresné pole MAC cieľovú adresu.
Zdrojové adresné pole obsahuje zdrojovú MAC adresu.
Dĺžka/typ poľa podporuje 2 rôzne využitia. Ak hodnota je menšia ako 1536, hodnota indikuje dĺžku. Dĺžka prekladu je použitá keď LLC vrstva poskytuje protokolovú identifikáciu. Pri väčšej hodnote ako 1536, tip a popis dátového poľa sú dekódované podľa protokolu.
Maximálny prenášaný unit (MTU) pre Ethernet je 1500 octetov, data by nemali presahovať túto veľkosť. Ethernet vyžaduje dĺžku dát od 46 do 1500 oktetov.
FCS obsahu 4 bity pre CRC

6.2.1. Media access control (MAC)

MAC sa odkazuje na protokoly ktoré určujú ktorý PC alebo zdieľané zariadenie môže vysielať. MAC a LLC sú súčasti 2 vrstvy.
Delia sa na deterministické (token ring a FDDI) a nedeterministické.
Token ring – hosti sú umiestnený v kruhu a špeciálne dáta tokenu cestujú dookola cez každého hosťa. Keď host chce vysielať, uchopí token, vyšle dáta pre limitný čas, a potom vyšle token k nasledujúcemu hostu. V token ring môže vysielať dáta len 1 host vo vyhradenom čase.
V nedeterministickom MAC protokole sa používa kto skôr príde, ten skôr melie. CSMA/CD je jednoduchý systém. NIC načúva, či niekto nevysiela, ak nie začne vysielanie. Ak naraz začnú vysielať 2 NIC, potom nastane kolízia a žiaden s nich nie je schopný prenášať.
Všeobecné technológie:

  1. Ethernet, logická zbernicová topológia, fyzická hviezda alebo rozšírená hviezda, inf. prúdia po lineárnej zbernici
  2. Token ring, logická kruhová topológia, inf. prúdia v kontrolovanom kruhu
  3. FDDI, logická kruhová topológia, fyzická kruhová dvojitá topológia, inf. prúdia v kontrolovanom kruhu

6.2.2. MAC pravidlá a detekcia kolízií

Prístupová metóda CSMA/CD používa v Ethernete 3 funkcie:

  1. prenášať a prijímať dátové pakety
  2. dekódovať dátové pakety a kontrolovať ich na správnosť pred prechodom do vyššej vrstvy ISI modelu
  3. detekovať chyby vo vnútri paketu alebo na sieti

ciscoV CSMA/CD prístupovej metóde sieťové zariadenie pred vysielaním pracuje v móde počúvaj- pred vysielaním, to znamená, že pred vyslaním dát čaká, kým sieť nebude používaná, čas testovania je náhodný. Pri nepoužívanej  sieti začne vysielať a načúvať, či iné zariadenie nezačalo v tom istom čase vysielanie. Po ukončení dátového vysielania sa prepne do stavu počúvania.
Kolízie sa detekujú zväčšením amplitúdy signálu. Pri kolízii bude prenos na staniciach, ktoré vysielali, pokračovať po krátkom čase, keď sa ubezpečia, že všetky zariadenia počuli kolíziu. Vo všetkých  zariadeniach sa spustí obnovovací algoritmus, v zariadenia sa vygeneruje náhodný čas, po ktorom opäť skúsia vysielať. Zariadenia, ktoré vyvolali kolíziu, majú najmenšiu prioritu.

6.2.3. Časovanie ethernetu.

V Ethernetovej sieti môžu nastať kolízie aj vplyvom oneskorení, tie sa vytvárajú jednak na opakovačoch a sieťových komponentoch.
Pokiaľ je stanica schopná naraz vysielať a prijímať, kolízie by nastať nemali. Plný duplex mení časovanie a eliminuje koncept pozičných časov.
Pri polovičnom dulpexe sa najskôr vysiela 64 bitov, známich ako preambula, na synchronizáciu a potom sa vysielajú nasledujúce informácie:

  1. cieľová a zdrojová MAC
  2. určené hlavičkové informácie
  3. dáta
  4. kontrolný súčet

Prijímacia stanica si najskôr overí CRC a potom posunie dáta vyššej vrstve.
10Mbps a pomalšie verzie Ethernetu sú asynchrónne, teda pred prijímacia stanica použije 8 oktetov na synchronizáciu.
100Mbps a rýchlejšie sú synchrónne, teda synchronizácia nie je potrebná, ale pre spätnú kompatibilitu je preambula a SFD zachovaná.
Slot time pre 10 a 100Mbps Ethernet je 512 bit-times alebo 64 oktetov
Slot time pre 1000Mbps Ethernet je 4096 bit-times alebo 512 oktetov
ciscoSlot time je počítaný s maximálnej predpokladanej dĺžky na najväčšej dovolenej sieťovej architektúre.
Výpočet slotového času pozostáva s času o niečo dlhšieho, ako je treba, aby signál prešiel s najvzdialenejšieho bodu, dostaním sa do kolízie s iným vysielaním a vrátil sa späť do vysielacej stanice, kde má byť zdetekovaný.

 


6.2.4. Medzirámcový odstup a backoff

Medzirámcový odstup – minimálny odstup medzi 2 nekolíznymi rámcami
cisco
Po poslaní rámca, všetky stanice na 10 Mbps Ethernete musia minimálne čakať 96 bit-times (9,6ms), kým sa vyšle ďalší rámec. Na vyšších rýchlostiach ostáva odstup rovnaký. Tento interval je spacing gap. Tento úsek (gap) je plánovaný pre spracovanie predchádzajúceho rámca a pripravenie ďalšieho. 
Pri kolízii sa všetky stanice stanú nečinnými, stanice, ktoré vyvolali kolíziu si vygenerujú náhodný čas, kým sa opäť pokúsia poslať kolízny rámec. Ak sa MAC vrstve nepodarí odoslať rámec po 60 pokusoch, vygeneruje sa chyba na sieťovej vrstve. Tento stav nastáva len zriedka a je príznakom nejakých fyzických problémov na sieti.

6.2.5. Spracovanie chýb.

Kolízie sú mechanizmom pre rozlíšenie sporov pre sieťový prístup. Kolízie majú za následok pokles šírky pásma spôsobenej oneskorením pôsobiacim na všetky body v sieti. Značná väčšina kolízií sa stáva na začiatku rámca, skôr než SFD. Hneď ako je detekovaná kolízia, stanica, ktorá vysielala, vyšle 32bit „jam“ signál.
ciscoPopis obrázku:
2 stanice načúvajú, či je linka prázdna, začnú vysielať. Stanica 1 prenesie značnú časť signálu, keď dojde ku kolízii, hneď zastaví prenos dát a okamžite vyšle JAM signál. Stanica 2 odsekne aktuálne vysielanie a nahradí ho 32bitovým JAM signálom, nato zastaví prenos.

 

 

 

 

 

6.2.6. Typy kolízií.

Kolízie nastávajú pri súčasnom vysielaní  2 alebo viac staníc v kolíznej doméne.
Jednoduchá kolízia je vtedy, keď sa po 1. kolízii podarí uskutočniť prenos.
Viacnásobná kolízia je vtedy, ak 1 rámec počas prenosu má viacnásobnú kolíziu, kým je úspešne doručený.
Kolízia nastáva, keď dĺžka rámca je menšia ako 64 octetov alebo je nesprávne FCS
ciscoTypy kolízií:

  1. miestna
  2. vzdialená
  3. oneskorená

 

 

Lokálna kolízia na koaxiálnom kábli, signál cestuje cez kábel až na razí na signál od inej stanice. Pri strete dojde k zvýšeniu napäťovej úrovne nad dovolenú úroveň.
Pri UTP kábli je kolízia detekovaná, keď stanica detekuje signál na RX páre v rovnakom čase ako vysiela na TX pár. Takéto  kolízie nastávajú len pri polovičnom duplexe. Ak stanica nevysiela, nevie zdetekovať kolíziu.
Vzdialené kolízie sú charakteristické menšou dĺžkou rámca, nesprávny FCS, ale nezvyšujú napätie alebo nespôsobujú simultánnu RX/TX aktivitu.
Neskoré kolízie, ak nastane po prenose 64 oktetov, NIC kolíziu neprepošle automaticky.
6.2.7. Chyby Ethernetu

Zdroje Ethernetových chýb:

  1. kolízia alebo RUNT, simultánne vysielanie pred uplynutím slot time
  2. lokálna kolízia, simultánne vysielanie po uplynutím slot time
  3. Jabber, dlhé rámcové a rozsahové chyby, neprimerane dlhé vysielanie, od 20 000 - 5 0000 bit time
  4. Krátky rámec, príliš krátke vysielanie
  5. FCS chyby, poškodený prenos
  6. Aligment chyby, nedostatočné alebo prebytočné číslo bitového prenosu
  7. Chyba rozsahu, aktuálny a oznámený počet oktetov vo rámci nesúhlasí
  8. Ghost alebo Jabber, nezvyčajne dlhá preambula alebo JAM udalosť

6.2.8. Kontrolný súčet (FCS)
cisco

 

 

 

Prijímané rámce, ktoré majú zlý FCS. V FCS je hlavička pravdepodobne správna, ale kontrolný súčet pre prijímaciu stanicu nesúhlasí so súčtom na konci rámcu, rámec bude zahodený.
Vysoký počet FCS s jednej stanice vždy indikuje vadný NIC alebo poškodený ovládač, alebo vadný kábel.
Vysoký počet FCS pri veľa staniciach indikuje vadnú kabeláž, alebo vadnú verziu NIC ovládača, vadný HUB port, alebo šumy v káblovom systéme.
Chyba Aligment – správy, ktoré nemajú oktetový koniec, rámec je odseknutý. Spôsobené to býva zlým softwarovým ovládačom alebo kolíziami, je sprevádzaný FCS.
Chyba rozsahu – správna hodnota dĺžky poľa ale nesúhlasí s aktuálnou hodnotou oktetov vypočítanej s dátového poľa
Chyba Ghosting – šumy detekované na vedení sa javia ako rámec, ale nemajú správnu SFD, musia byť dlhé min. 72 oktetov a obsahovať preambulu, inač sú klasifikované ako vzdialená kolízia.

6.2.9. Ethernet auto – negatiation

Auto negatiation of speed- automatické dohodnutie maximálnej rýchlosti, 2 zariadenia sa synchronizujú
Pri 10base-T sú vyžadované každých 16 ms pulzy, keď stanica nevysiela správu. Auto negatiation prijala tieto pulzy a premenovala ich na Normal Lipnk Pulse (NLP). Keď séria NLP je poslaná ako skupina pre účel auto n., skupina je nazvaná Fast Link Pulse (FLP). FLP sú posielané v rovnakom časovom intervale ako NLP.
cisco

6.2.10. Zavedenie linky a plný a polovičný duplex

Duplex sa dá nastaviť manuálne, ale všetky stanice ho musia mať nastavený rovnako.
cisco
Half duplex – všetky koaxiálne médiá, UTP a optika vie oboje
Full duplex – 10Gbps
V polovičnom môže vysielať len 1 stanica, v plnom viac.