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
IPTV alapok
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
IPTV alapok
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
IPTV alapok
Ethernet – réz alapú átviteli közeg Aszimmetrikus jelátvitel:
5
IPTV alapok
Ethernet – réz alapú átviteli közeg Szimmetrikus jelátvitel (TP):
6
IPTV alapok
Ethernet – réz alapú átviteli közeg A BNC és „F” típusú csatlakozó ajzatok aszimmetrikus átviteli közeg esetén:
7
IPTV alapok
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
IPTV alapok
Ethernet – réz alapú átviteli közeg (árnyékolatlan)
UTP (U/UTP) kábel kialakítása:
9
IPTV alapok
Ethernet – réz alapú átviteli közeg STP (S/UTP) kábel kialakítása:
S/STP kábel kialakítása:
10
IPTV alapok
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
IPTV alapok
Ethernet – réz alapú átviteli közeg Szimmetrikus átviteli közeg egyik elterjedt csatlakozója az RJ45:
12
IPTV alapok
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
IPTV alapok
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
IPTV alapok
Ethernet – átvitel réz alapú közegen Példa a kódolásra:
15
IPTV alapok
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
IPTV alapok
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
IPTV alapok
Ethernet – átvitel réz alapú közegen 1000Base-T
18
IPTV alapok
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
IPTV alapok
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
IPTV alapok
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
IPTV alapok
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
IPTV alapok
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
IPTV alapok
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
IPTV alapok
Ethernet közeghozzáférés Koaxiális hálózat – közös közeg probléma
25
IPTV alapok
Ethernet közeghozzáférés Csavart érpáras átviteli közeg – HUB illesztéssel Szintén közös közeg probléma:
26
IPTV alapok
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
IPTV alapok
Ethernet közeghozzáférés
Az „osztozás” módja: CSMA/CD „Carrier Sense Multiply Access / Collision Detection”
28
IPTV alapok
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. IPTV alapok
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
IPTV alapok
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
IPTV alapok
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
IPTV alapok
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
IPTV alapok
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
IPTV alapok
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
IPTV alapok
Ethernet közeghozzáférés – CSMA/CD Késői ütközés (Late Collision)
36
IPTV alapok
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
IPTV alapok
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
IPTV alapok
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
IPTV alapok
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
IPTV alapok
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
IPTV alapok
Ethernet közeghozzáférés – szegmentálás Redundáns összeköttetést tartalmazó switch-elt hálózat:
42
IPTV alapok
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
IPTV alapok
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
IPTV alapok
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
IPTV alapok
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
IPTV alapok
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
IPTV alapok
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
IPTV alapok
WLAN Access Point-tal kialakított WLAN hálózat:
49
IPTV alapok
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
IPTV alapok
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
IPTV alapok
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
IPTV alapok
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
IPTV alapok
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
IPTV alapok
WLAN DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) eljárásnál is ki kell egészíteni szinkronizáló és a fizikai réteg számára információt nyújtó bitekkel.
55
IPTV alapok
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
IPTV alapok
WLAN Fázismodulált vivőjel teljesítményspektrum abszolút értéke:
57
IPTV alapok
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
IPTV alapok
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
IPTV alapok
WLAN
60
IPTV alapok
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
IPTV alapok
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
IPTV alapok
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
IPTV alapok
WLAN – közeghozzáférés – CSMA/CA „Rejtőzködő állomások”
Mindkét állomás („A” és „B”) látja az AP-t, de egymást nem!
64
IPTV alapok
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). IPTV alapok
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
IPTV alapok
Köszönöm a Megtisztelő figyelmet! Dr. Wührl Tibor Ph.D.
[email protected]
67
IPTV alapok
