Modul 6:

1. Modul 6: Ethernet Fundamentals

2. 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.

3. 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 kábel viď: 6.1.2

4. Why IEEE and Ethernet? • dopĺňanie informácií dôležitých pre tvorbu zariadení kompatibilných so štandardom Ethernet • podpora inovácií medzi výrobcami

5. 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.

6. 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

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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;

11. 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

12. 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);

13. Frames II. • pomenované informácie: • meno zdrojového uzla; • zdrojová MAC adresa; • meno cieľového uzla; • cieľová MAC adresa;

14. Ethernet (IEEE 802.3)

15. 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;

16. Typy adries • unicast - adresa jedného konkrétneho zariadenia • multicast - adresa určitej skupiny zariadení • broadcast – adresa, ktorú musia prijať všetky zariadenia v sieti;

17. 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.

18. 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)

19. 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

20. 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;

21. 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;

22. 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;

23. Technológie 2 vrstvy • FDDI • Token Ring • Ethernet • logická topológia - zbernica; • fyzická topológia – hviezda alebo rozšírená hviezda;

24. 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.

25. 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;

26. 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.

27. 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.

28. 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.

29. 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;

30. 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;

31. 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;

32. 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)

33. 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;

34. 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)

35. 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.

36. 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;

37. 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;

38. 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

39. Auto-negotiation I. • umožňuje komunikáciu technológií Ethernetu s rôznymi rýchlosťami prenosu; • rozhrania pomocou funkcieauto-negotiation automaticky zmenia svoju konfiguráciu • neprebehne ak jedno rozhranie pracuje s optickými signálmi a druhé s elektronickými; • dôvod: náročná zmena v konfigurácii portov;

40. 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;