Fejezetünk során a következõkkel foglalkozunk:

03TCP.qxd

3/19/2005

1:56 PM

Page 57

3. fejezet Ethernet hálózatok Fejezetünk során a következõkkel foglalkozunk: • • • • • •

Megismerkedünk az IEEE 802.3 CSMA/CD hálózat hardverösszetevõivel. Megtanuljuk, miként építsünk fel 10Base5, 10Base2 és 10BaseT hálózatokat. Leírjuk a CSMA/CD protokoll mûködését. Felsoroljuk az Ethernet adatkeretek mezõit. Felkutatjuk az Ethernet ütközések lehetséges okait, és megtanuljuk, hogyan tegyünk ellenük. Bemutatjuk az Ethernet tervezési szabályok alkalmazását.

IEEE 802.3 CSMA/CD (Ethernet) Az Ethernet hálózati modelljét a Xerox Corporation dolgozta ki a hetvenes évek közepén Palo Alto-i kutatóközpontjában (PARC). A rendszer alapját a Havaii Egyetem kutatóinak korábbi fejlesztése, az ALOHA hálózat adta, amely a különbözõ szigetek egyetemi épületeit rádiókapcsolattal kötötte öszsze. Eredetileg ezt a hálózatot hívták Ethernetnek, hiszen egy olyan hálózatról (net) volt szó, melynek átviteli közege az „éter” (ether). A rendszer mögött álló elgondolás igen egyszerû volt. Ha egy állomás adást kívánt az éterbe bocsátani, azonnal megtehette – a vevõk felelõssége volt az üzenetek nyugtázása, vagyis a visszajelzés a sikeres fogadásról. Ez az egysze-

03TCP.qxd

58

3/19/2005

1:56 PM

Page 58

TCP/IP és Ethernet hálózatok a gyakorlatban

rû hálózat semmit nem tett az ütközések ellen (vagyis két állomás minden további nélkül adhatott egyszerre), viszont visszajelzést várt a sikeres fogadásról rögzített idõtartamon belül. A Xerox eredeti rendszere akkora sikert aratott, hogy a cég hamarosan széles körben használni kezdte – többnyire irodák és megosztott erõforrások, vagyis nyomtatók vagy központi adatbázis-kezelõ számítógépek összekötésére. A 80-as években a Xerox, a Digital Equipment Corporation és az Intel összefogásával született Ethernet Consortium (melyet a résztvevõk neveinek kezdõbetûi alapján DIX konzorciumnak is hívnak) megalkotta az Ethernet Blue Book 1 szabványt a korábbi ethernetes tapasztalatokra építve. Ez késõbb átadta helyét az Ethernet Blue Book 2-nek, melyet bejegyeztetésre az IEEE elé bocsátottak. 1983-ban az IEEE az Ethernet szabvány alapján kiadta 802-3-as szabványát a CSMA/CD helyi hálózatokhoz – ez tovább erõsítette e hálózati elgondolás helyzetét. Mindennek eredményeképpen jelenleg három szabvány ismeretes e hálózati területen. Az Ethernet Version 1-gyel nem érdemes foglalkoznunk, hiszen ma már igen kevés rendszer alkalmazza. Az Ethernet Version 2 (vagy Blue Book Ethernet) jelenleg is sok helyen használatos, sajnálatos lehetõséget adva a 802.3-as szabvány megsértésére. A különbségek aprók, de semmiképpen sem jelentéktelenek. Bár az általános „Ethernet” elnevezést minden CSMA/CD hálózatra használják, valójában ez csak az eredeti DIX szabványra lenne helyes. Könyvünkben magunk is követjük e pontatlan, de elterjedt szóhasználatot, és minden ilyen helyi hálózatot Ethernetnek nevezünk, ha ebbõl nem adódik komolyabb félreértés. Az eredeti Ethernet szabvány a CSMA/CD hálózatokra épül. A késõbbi változatok (100 Mbps-tõl felfelé) támogatják a teljes duplex kapcsolatokat, jóllehet a visszirányú megfelelés miatt a CSMA/CD elérést is. Az Ethernet ipari alkalmazásokban javarészt teljes duplex módban 100 Mbps felett mûködik, és támogatja az IEEE 802.1p/Q módosított keretszerkezetet. Mindez nagymértékben kiszámítható mûködést eredményez.

A fizikai réteg A 802.3 szabvány több kábeltípust is felsorol, amelyek a rá épülõ hálózatokban használhatók. Találhatunk itt koaxiális, csavart érpáras és optikai szálas kábeleket egyaránt. Emellett különbözõ jelzési szabványok és átviteli sebessé-

03TCP.qxd

3/19/2005

1:56 PM

Page 59

Ethernet hálózatok

59

gek is rögzítettek – megtalálhatjuk köztük az alapsávos és szélessávos jelzést, valamint az 1 és 10 Mbps sebességet. A szabvány azonban folyamatosan fejlõdik, így hát mi sem maradhatunk le – a következõ fejezetben a 100 Mbps-os CSMA/CD rendszerekkel is megismerkedünk. Az IEEE 802.3 szabvány leírása (ISO 8802.3) az alábbi kábeltípusokat és átviteli sebességeket támogatja: •

•

•

• • •

10Base2 Vékony koaxiális kábel (0,25 hüvelyk átmérõvel), 10 Mbps átviteli sebesség, egyszeres kábelsín 10Base5 Vastag koaxiális kábel (0,5 hüvelyk átmérõvel), 10 Mbps átviteli sebesség, egyszeres kábelsín 10BaseT Árnyékolatlan csavart érpáras kábel (0,4-0,6 mm vezetékátmérõ), 10 Mbps átviteli sebesség, iker kábelsín 10BaseF Optikai szálas kábelek, 10 Mbps, iker üvegszál 1Base5 Árnyékolatlan csavart érpáras kábelek, 1 Mbps, iker kábelsín 10Broad36 Kábeltelevíziós (CATV) kábel, 10 Mbps, szélessávú

10Base5 rendszerek Ezek a rendszerek az eredeti koaxiális Ethernet kábelt alkalmazzák (vastag Ethernet). A kábel jellemzõ váltóáramú ellenállása 50 ohm, a színe pedig sárga vagy narancsszín. A 10Base5 elnevezés jelentése: 10 Mbps átviteli sebesség, alapsávos (base band) átvitel, legfeljebb 500 m hosszú szakaszokkal. A kábellel meglehetõsen nehézkes dolgozni, így jellemzõen nem vihetõ közvetlenül a csomópontokig – általában egy csõben fut, és az adó-vevõ egységeket (MAU-kat) közvetlenül a kábelre csatlakoztatják. Innen egy összekötõ (attachment unit interface, AUI) kábel fut a hálózati kártyáig. Az AUI kábel öt külön-külön árnyékolt érpárt tartalmaz – kettõt-kettõt (vezérlés és adat) az adás, illetve a vétel számára, valamint egyet a táphoz. A leágazás megoldható a kábel elvágásával, és egy N-, valamint egy T-csatlakozóval, de gyakrabban alkalmazzák az úgynevezett vámpírcsatlakozót. Az elnevezés meglehetõsen találó, hiszen a csatlakozó közvetlenül az ép ká-

03TCP.qxd

3/19/2005

60

1:56 PM

Page 60


belre helyezhetõ, így alakítja ki az elektromos kapcsolatot egy hegyes „fog” segítségével hatolva a kábel magjába. A kapcsolat hardverösszetevõit a 3.1. ábra mutatja.

3.1. ábra A 10Base5 szabvány hardverfelépítése.

A csatlakozók helyzete lényeges, hiszen hibás elhelyezésük elektromos viszszaverõdésekhez vezethet. A könnyebbség kedvéért a vastag Ethernet kábeleken 2,5 méterenként fekete vagy barna gyûrûket helyeztek el, jelölve a csatlakozások lehetséges helyeit. Amennyiben egy csatlakozásra több csomópontot szeretnénk kötni, elosztódobozt alkalmazhatunk. Az AUI kábel végein kallantyús 25 tûs D-csatlakozókat találunk, melyeket a szabványt eredetileg megalkotó konzorcium után DIX-csatlakozónak is neveznek. Ha ezt a kábelezést hálózatban alkalmazzuk, meg kell felelnünk néhány szabálynak: • •

A jelcsillapodás elkerülése végett a kábelszakaszok hossza nem haladhatja meg az 500 métert. Az egyes szakaszokon nem lehet 100-nál több csatlakozó, ami azt jelenti, hogy nem használható ki minden lehetséges csatlakozási pont.

03TCP.qxd

3/19/2005

1:56 PM

Page 61


61

3.2. ábra Az AUI kábel csatlakozói.

• •

A csatlakozók távolsága csak a 2,5 m egész többszöröse lehet. A kábel árnyékolásának egyik vége földelt kell legyen.

A 10Base5 Ethernet csatlakozás fizikai elrendezését a 3.3. ábra mutatja.

Állomás (DTE)

DIX-csatlakozó

N-csatlakozók

AUI kábel, legfeljebb 50 m

2,5 m egész többszöröse 50 W Lezáró

50 W Terminálkiszolgáló (DTE)

MAU vámpírcsatlakozó Lezáró Földelés csak az egyik végén

3.3. ábra A 10Base5 Ethernet szakasz felépítése.

A vastag Ethernet kábelt egészen a legutóbbi idõkig gyakran használták gerinckábelként, napjainkban azonban népszerûbbé vált e célra a 10BaseT és az üvegszálas kábel. Fontos megjegyeznünk, hogy amikor egy MAU-t (csatlakozót) és AUI kábelt alkalmazunk, nem használjuk a hálózati kártya adó-ve-

03TCP.qxd

3/19/2005

62

1:56 PM

Page 62


võjét. Ilyenkor az adó-vevõ a MAU-ban található, ami a tápot az AUI kábelen kapja a hálózati kártyától. Mivel az adó-vevõ nem a hálózati kártyán található, a csomópontnak meg kell gyõzõdnie róla, hogy a csatlakozó másik vége képes az ütközések felderítésére. Erre a MAU jelminõségi hibatesztje (SQE, signal quality error) ad lehetõséget. Az SQE jelet („szívverés”) a MAU küldi a csomópontnak ütközés észlelése esetén. Ezt a jelet azonban még egy esetben elküldi – a keretátvitel végén, hogy ellenõrizze, fennállnak-e a kapcsolatok, és továbbra is felderíthetõk-e az ütközések. Fontos tudnunk, hogy nem minden eszköz támogatja az SQE tesztet – összekeverésük azokkal, amelyek támogatják ezt a módszert, komoly gondokhoz vezethet. Így ha a hálózati kártya egy keret átvitele után úgy kap SQE jelet, hogy erre nem számít, ütközésre gyanakodik. Válaszként pedig – mint a késõbbiekben láthatjuk majd – torlódási jelet küld.

10Base2 rendszerek Az Ethernet hálózatok másik koaxiális kábeltípusa a 10Base2, vagy más néven vékony Ethernet kábel. A kábel maga RG-58 A/U vagy C/U típusú, 50 ohm jellemzõ impedanciával és 5 mm-es átmérõvel. A hálózati kártyákkal a csatlakozás BNC T-csatlakozókkal történik, soros jellegû kábelezéssel. A kábel használata során itt is be kell tartanunk néhány szabályt: • • • • • •

Mindkét végén le kell zárnunk 50 ohmos lezáró ellenállással. A kábelszakasz hossza legfeljebb 185 méter lehet, nem pedig 200! Egy szakaszhoz nem csatlakozhat 30-nál több adó-vevõ. A csomópontok között legalább 0,5 m távolság kell legyen. A kábel nem használható összekötõként két vastag kábeles szakasz között. A kábel görbületi sugara sehol nem lehet kisebb 5 cm-nél.

A 10Base2 Ethernet szakasz fizikai felépítését a 3.4. ábrán láthatjuk. A vékony Ethernet kábel népszerû volt és az is maradt, hiszen a hálózatok kiépítésének olcsó és egyszerû módját adja. Sajnálatos módon azonban ez a megközelítés hátrányokkal is jár, hiszen egy kábelhiba könnyen megbéníthatja a hálózat mûködését. Az ilyen gondok megelõzésére a vezetékeket gyakran fali csatlakozókhoz vezetik ki, és a csomópontokhoz azonos típusú „szabad kábeleket” húznak ki. Fontos, hogy a hossz-számításokba ezeket a szabad kábeleket is belevegyük. Mindemellett lehetnek a rendszerben távoli MAU-k is, amelyek AUI kábellel csatlakoznak a csomópontokhoz, hasonlóan a vastag Ethernet kábeles felépítéshez.

03TCP.qxd

3/19/2005

1:56 PM

Page 63


63

3.4. ábra 10Base2 Ethernet kábelszakasz.

10BaseT rendszerek Az Ethernet hálózatok 10BaseT szabványa AWG24 árnyékolatlan csavart érpáras (UTP) kábelt alkalmaz a csomóponthoz csatlakozáshoz. A szabvány fizikai topológiája csillag, melyben a csomópontok egy huzalközponthoz vagy koncentrátorhoz csatlakoznak. Ez utóbbiak kapcsolódhatnak egy gerinckábelhez, amely koaxiális vagy üvegszálas lehet. A csomóponti kábel lehet 3-as vagy 4-es kategóriájú, új rendszerek esetén pedig érdemes elgondolkozni az 5-ös kategóriájú kábelek alkalmazásán. Ez átállási lehetõséget kínál a késõbbiekben nagyobb sebességû hálózatokra, ami jó befektetés a jövõre nézve, ha a kábelek kis részét teszik ki a kiépítés teljes költségének. A csomóponti kábelek legfeljebb 100 méter hosszúak lehetnek, két érpárat tartalmaznak az adás és a vétel céljára, és RJ45 csatlakozókban végzõdnek. A huzalközpont belsõ felépítését tekintve helyi sínnek tekinthetõ, így a hálózat logikai sín kialakítást követ. A 3.5. ábra bemutatja, miként kapcsolódnak egymáshoz a 10BaseT csomópontok az elosztón keresztül. Az ütközések érzékeléséért a hálózati kártya felel, így a bemeneti jelet az elosztónak továbbítania kell minden kimeneti érpáron. Az elosztó elektronikájának biztosítania kell, hogy az újra elõállított jelek ne zavarják a gyengébb,

03TCP.qxd

3/19/2005

64

1:56 PM

Page 64


Elosztó

Tx

Rx

Tx

Rx

Tx

Rx

Tx

Rx

Tx

Rx

Tx

Rx

MAC DTE

MAC DTE

MAC DTE

1. állomás

2. állomás

3. állomás

3.5. ábra Egy 10BaseT rendszer vázlata.

bemeneti jeleket. Ezt a jelenséget távoli végponti áthallásnak (FEXT) nevezik, kezelésére adaptív áthallási visszhang-semlegesítõ áramköröket alkalmaznak. Újabb hálózatokban egyre gyakrabban találkozhatunk e szabvány megvalósításaival, ez azonban nem szabad, hogy elterelje a figyelmünket néhány hátrányos tulajdonságáról: •

A kábel nem igazán ellenálló az elektromos zajjal szemben, így egyes ipari környezetekben nem használható.

•

A kábelek ugyan olcsók, de a huzalközpontok jelenléte miatt a csomóponti kábelek hossza nem haladhatja meg a 100 métert.

A szabványnak persze jelentõs elõnyei is vannak: •

•

Léteznek olyan intelligens elosztók, amelyek képesek meghatározni, mely útvonalak fogadják valójában a kimenõ adatokat. Ez megnöveli a hálózat biztonságát – ami jelentõs elõrelépés az Ethernethez hasonló adatszóró, közös átviteli közeggel rendelkezõ hálózatokban. Az új épületek sûrûn behálózhatók, így kezdetben a kelleténél több csatlakozási pont keletkezik, ami azonban jelentõs rugalmasságot biztosít a késõbbiekben. Ilyen esetekben csatlakozó-, illetve sodrottérpár-illesztõ dugaljakat beépítve tovább növelhetjük a rugalmasságot.

03TCP.qxd

3/19/2005

1:56 PM

Page 65


65

10BaseF rendszerek Ez a szabvány is a 10BaseT-hez hasonló csillag topológiára és huzalközpontokra épül. Elkészülte némileg késlekedett más területek fejlesztései miatt, hivatalos elfogadására végül 1993 szeptemberében került sor. Valójában háromféle rendszer tartozik ide: •

•

•

10BaseFL Ez az üvegszálas szabvány gyakorlatilag nem más, mint a meglevõ köztes száloptikai ismétlõ (FOIRL, fiber optic inter repeater link) szabvány 2 km-es szakaszt lehetõvé tevõ bõvítése. Az eredeti, 802.3-as szabványban megadott változat ugyanis csak 1 km-es kábelszakaszt engedett meg két ismétlõ között, 5 szakasz esetén tovább korlátozva az összhosszt 2,5 km-re. Fontos észrevennünk, hogy itt a jelismétlõk közti kapcsolatokról van szó, amelyeken nem lehetnek csomópontok. 10BaseFP A passzív optikai szálas csatolóra épülõ csillagkapcsolású hálózat, csillagonként legfeljebb 33 ággal, legfeljebb 500 m hosszú szakaszokkal. A passzív elosztó teljességgel érzéketlen mindenféle külsõ zajra, így nagyszerû választás lehet zajos ipari környezetekben. 10BaseFB Optikai szálas kapcsolati szakasz, amelyben szinkron adatátvitel lehetséges. A szabvány kifejezetten a jelismétlõk közötti szakaszok megvalósítását célozza – olyan ismétlõk esetében, amelyek beépített adó-vevõvel rendelkeznek. Mindez lecsökkenti a keret átviteli idejét a jelismétlõn. A szakasz hossza nem lehet nagyobb 2 km-nél, de akár 15 ismétlõt is sorba köthetünk, ami jelentõs rugalmasságot biztosít a hálózat felépítésében.

10Broad36 rendszerek Ez a rendszer szerepel a 802.3-as szabványban, új hálózatok felépítésénél azonban már nem alkalmazzák. A szabvány valójában az Ethernet szélessávú változatát takarja, amely az adatátvitelt 75 ohmos koaxiális kábellel valósítja meg. Az adó-vevõk egy frekvencián adnak, egy másikon pedig a vétel zajlik. Maga az adás, illetve vétel folyam 14 Mhz sávszélességet igényel, emellett azonban szükség van további 4 MHz-re az ütközések felderítésére és jelzésére. Összesen így 36 MHz sávszélességre van szükség. A kábelek hossza nem lehet nagyobb 1800 méternél, viszont az egyes jelek kétszer is végighaladhatnak a kábelen, ami legrosszabb esetben 3600 métert jelent. Mindez talán érthetõvé teszi a szabvány elnevezését is.

03TCP.qxd

66

3/19/2005

1:56 PM

Page 66


1Base5 rendszerek E felépítés szintén szerepel a 802.3-as szabványban, de ez sem jelenik már meg új hálózatokban. Elosztókra és legfeljebb 500 méter hosszú UTP kábelekre épül. Adatátviteli sebessége 1 Mbps, így különleges intézkedésekre van szükség, amennyiben 10 Mbps sebességû hálózatba szeretnénk illeszteni. Napjainkban e szabvány helyét a 10BaseT vette át.

Jelzési módok Az Ethernet hálózatokban haladó jeleket Manchester kódolásnak vetik alá. Ez lehetõvé teszi, hogy a jelekbõl a vevõ oldalon kiolvassák az órajelet, és így összehangolják az adás–vétel folyamatát. A kódolás a gyakorlatban egyszerûen egy kizáró vagy mûvelet elvégzését jelenti a 20 MHz-es órajel és az adatfolyam között. Az eredményként kapott jelben a 0 bitet egy magasról alacsony, az 1 bitet pedig egy alacsonyról magas feszültségszintre történõ ugrás jelzi a bitcella közepén. A bitsorozat összetételétõl függõen az egyes cellák elején is lehet ugrás, ezeket azonban a vevõ figyelmen kívül hagyja. Az, hogy minden cella közepén van valamilyen átmenet, lehetõvé teszi az összehangolást az adóval. Manchester kódolás

20 MHz-es órajel

1

0

1

1

0

0

1

0

1

0

0

1

Adat

Kódolt eredmény

Az adatok és az órajel közötti XOR mûvelet eredménye

3.6. ábra A Manchester kódolás.

03TCP.qxd

3/19/2005

1:56 PM

Page 67


67

A feszültségszint az eredeti Ethernet szabványban –0,225 és –1,825 V között ingadozott, míg a 802.3-as szabvány koaxiális kábelein 0 és –2,05 V között, 10 Mbps sebességnél 25 ns felfutási idõvel.

A közegelérés szabályozása Itt lényegében valamiféle versengéses módszert használunk. Amint a fejezet elején már említettük, minden csomópont egy adó-vevõvel – ami egyidejûleg képes jelek adására és vételére – kapcsolódik a közös sínhez. A csomópontok az alábbi három állapot valamelyikében lehetnek: • • •

Üresjárat, illetve hallgatás Adás Versengés

Üresjáratban a csomópont nem tesz mást, mint figyeli a sín forgalmát. Ha adni kíván, vár, amíg bármilyen mozgást észlel a sínen (vivõjel-érzékelés). Ha a sín forgalma leáll, a csomópont ezt érzékelve adni kezd. Adás módba kerül tehát, de eközben figyeli is a sín forgalmát. Erre azért van szükség, mert elõfordulhat, hogy vele egyidejûleg egy másik csomópont is adásba kezdett, felbátorodva a forgalom megszûntén. A két jel tehát feltartóztathatatlanul rohan egymás felé, így végül összeütköznek. Nyilvánvaló, hogy ebbõl semmi jó nem sülhet ki, hiszen két összekeveredett analóg jelet nem lehet „szétszedni”. Az adó-vevõ hamar értesül az ütközésrõl, hiszen mind a kimenetet, mind a bemenetet figyeli, és így nem nehéz rájönnie a turpisságra. Ekkor lép a harmadik, vagyis versengési állapotba. Egy rövid adás erejéig még igénybe veszi a kimenetet (a torlódási jel küldésére), azután egy visszalépési algoritmust futtat, amely meghatározza, hogy mikor kezdje újra az adást.

Keretek küldése Keret küldésekor a közegelérési szabályozó megvizsgálja, van-e forgalom a sínen. Amennyiben semmilyen mozgást nem észlel, 96 bitidõt (keretközi szünet) vár – lehetõvé téve ezzel a korábban a sínre küldött keretek fogadását és feldolgozását –, majd megkezdi a keret küldését. Mivel beletelik bizonyos idõbe, amíg az üzenet eljut a kábel végeire, jelezve a csatorna foglaltságát, az adó-vevõ azonnal bekapcsolja az ütközésérzékelést. Ha bizonyos számú bitet már elküldött (10 Mbps sebességû rendszereken 576-ot), az üt-

03TCP.qxd

68

3/19/2005

1:56 PM

Page 68


közésérzékelõ biztonsággal kikapcsolható – feltéve, hogy a szabvány követelményeit betartották a kábelszakaszok kiépítésénél. Amennyiben ezután következik be ütközés, az újraküldés intézésének feladata magasabb szintû protokollokra hárul, ami jóval lassabb folyamat, mint a hardveres ütközésvizsgálat. Nos, ez elég nyomós ok arra, hogy betartsuk a kábelszakaszokra vonatkozó szabványt! A fent bemutatott „veszélyes” idõszakot ütközési ablaknak (collision window) nevezzük, hossza gyakorlatilag annak az idõtartamnak a kétszerese, ami ahhoz szükséges, hogy az átvitel elsõ bitje a hálózat minden részébe eljusson. A hálózat résideje azt az idõtartamot takarja, ameddig egy csomópontnak a legkedvezõtlenebb esetben várnia kell, mielõtt biztonsággal értesül egy esetleges ütközésrõl. résidõ = 2 * (átviteli útvonal késleltetése) + biztonsági ráhagyás 10 Mbps sebességû rendszerekben a résidõ rögzített, értéke 512 bit-, illetve 64 oktetthossz.

Keretek fogadása A csomópontok adó-vevõi folyamatosan figyelik a sínt, adási jelre várva. Ha végre észlel egyet, a hálózati kártya vivõjel-érzékelési jelet küld, megtiltva másoknak az adást. A MAC keret elsõ bitjei az elõtagot alkotják – ez egy 56 elemû bitsorozat, melyben felváltva szerepelnek 1-esek és 0-k. E jelsorozat segítségével a vevõ egyezteti órajelét az adóval, és így már képes a Manchester kódolású jelet binárissá alakítani. A nyolcadik oktett a kerethatár, ami jelzi a vevõnek, hogy távolítsa el a kapott elsõ nyolc oktettet. Ezután következik a célállomás címe, melynek alapján a vevõ eldönti, neki szól-e az üzenet. Amennyiben a cím megfelelõ, az adatok bekerülnek a hálózati kártya kerettárolójába. A kártya ezután összeveti a keretben kapott és a számított CRC értéket, ellenõrzi, hogy a keret egész számú oktettbõl áll, valamint nem túl rövid, illetve hosszú-e. Ha minden rendben van, a keret további feldolgozásra átkerül az LLC rétegbe.

03TCP.qxd

3/19/2005

1:56 PM

Page 69


Ütközések Fontos megértenünk, hogy az ütközések teljesen hétköznapi velejárói a CSMA/CD hálózatoknak – figyelésük és felismerésük segítségével biztosíthatják a csomópontok maguk számára az osztott közeg kizárólagos elérését. Gondok csak akkor adódnak, ha túl sok ütközés jelenik meg a rendszerben. Ez ugyanis a jelentõs számú adási kísérlet miatt csökkenti az elérhetõ sávszélességet, és lelassítja a rendszert. Ilyen helyzet különbözõ okokból elõállhat – ezekrõl röviden a következõkben szólunk. Az ütközések okait és felderítési módszerét az alábbi ábra alapján érthetjük meg: Idõ 0 Az 1. csomópont megkezdi az adást 1. csomópont

2. csomópont

0 A 2. csomópont megkezdi az adást 1. csomópont

2. csomópont

0

1. csomópont

2. csomópont

Ütközés történik A 2. csomópont észleli az ütközést

0

1. csomópont

A 2. csomópont abbahagyja az adást Az 1. csomópont 2. csomópont folytatja az adást

0

1. csomópont

A 2. csomópont észleli az ütközést Az 1. csomópont 2. csomópont abbahagyja az adást

3.7. ábra CSMA/CD ütközések.

Tételezzük fel, hogy mind az 1., mind a 2. csomópont adásra készül, a közegen megszûnt minden forgalom és letelt a keretközi szünet is. Az 1. csomó-

69

03TCP.qxd

70

3/19/2005

1:56 PM

Page 70


pont küldeni kezdi az elõtagjelet, ami azonnal terjedni kezd mindkét irányba a kábelen. Bal oldalon a lezáró elnyeli a jelet, jobbra azonban tovább terjed. Mindeközben a 2. csomópont MAC alrétege is kap egy továbbítandó keretet az LLC alrétegtõl, és mivel nem lát semmiféle forgalmat a kábelen, megkezdi saját elõtagja küldését. A jelek terjedni kezdenek a kábelen, és hamarosan bekövetkezik az ütközés. A 2. csomópont adó-vevõje szinte azonnal érzékeli, hogy a kábelen érkezõ jelek meghibásodtak, így a hálózati kártya ütközésérzékelõ jelet ad. Ennek hatására a 2. csomópont torlódási jelet, vagyis 32 véletlen bitet küld, majd leállítja az adást. A szabvány itt gyakorlatilag bármilyen adat küldését megengedi, amennyiben az nem szándékosan a keret CRC mezõjének értéke. A legtöbb esetben a torlódási jel az adatkeret következõ 32 bitje, hiszen ez kéznél van. A torlódási jel továbbterjed a kábelen versengési jel alakjában, hiszen összekeveredik az 1. csomópont által továbbra is küldött jellel. Elkerülhetetlenül bekövetkezik az a pillanat, amikor a 2. csomópont is tudomást szerez az ütközésrõl, és ennek hatására ugyanazon a folyamaton megy keresztül, mint az 1. csomópont. Mindebbõl látható, hogy a helyes ütközéskezeléshez szükséges, hogy az 1. csomópont által küldött keret hossza ne legyen kisebb a hálózat két legtávolabbi pontja közti idõeltolódás (késleltetési idõ) kétszeresénél. Az 1. csomópont torlódási jele továbbterjed a véglezárók felé, így végül is a rendszer sérülékeny ideje a két legtávolabbi pont közti terjedési idõ háromszorosát is kiteheti. A torlódási jelsorozat küldése után az adás leáll, majd a csomópont meghatározza az új adás megkezdésének idõpontját egy csonkolt bináris exponenciális visszalépés néven ismert algoritmussal. A késleltetés ideje egy véletlen szám, ami elegendõen nagy ahhoz, hogy az újabb ütközés valószínûsége kicsi legyen, de még értelmes határokon belül maradjon. Lényeges, hogy a késleltetés ideje mindig a résidõ egész számú többszöröse legyen. Elsõ alkalommal a csomópont véletlenszerûen választ a 0 vagy 1 résidõnyi késleltetés között. Ha újabb ütközés történik, már a 0, 1, 2 és 3 résidõnyi késleltetés között választ egyenlõ valószínûséggel. Ez a folyamat akár egymás után tízszer is megismétlõdhet, minden lépésben megkétszerezve a választható résidõk számát. Tíz kísérlet után a csomópont még hatszor próbálkozik, de most már nem növeli a választható tartományt. Végezetül, ha 16 kísérlet után sem jár sikerrel, feladja a próbálkozást, hiszen nagy valószínûséggel a hálózatban van a hiba.

03TCP.qxd

3/19/2005

1:56 PM

Page 71


71

A MAC keretformátum A 802.3 szabványnak megfelelõ hálózatok keretformátumát a következõ ábrán mutatjuk be. Minden keret nyolc mezõbõl áll, amelyekrõl az alábbiakban részletesen szót ejtünk.

Keret A legkisebb hossz: 64 oktett, illetve 512 bit Legnagyobb hossz: 1518 oktett (az elõtag és az SFD nélkül)

7

Elõtag

10101010

1

SFD

10101011

6

Cél címe

6

Forrás címe

2

Hosszjelzõ

0-1500

Adat

0-46

Kitöltés

4

Keretellenõrzõ sorozat

Oktettek száma

3.8. ábra A MAC keretformátum.

Elõtag Ez a mezõ hét 10101010 mintázatú oktettbõl áll, segítségével a vevõ összhangba kerülhet az adóval.

Kezdetjelzõ (SFD, start frame delimiter) Egyetlen oktettbõl (10101011) álló mezõ, amely jelzi, hogy a címmezõk következnek.

Forrás és cél címe Itt találjuk a forrás- és a célcsomópont fizikai címét. A mezõk 2 vagy 6 oktett hosszúságúak lehetnek (utóbbi a gyakrabban alkalmazott szabvány). A hat oktettbõl álló mezõ két hármas részre oszlik: az elsõ egy, a hálózati kártya típusára és gyártójára jellemzõ számot tartalmaz, a második hármasban találhatjuk az eszköz azonosítóját, amely adott gyártó esetében egyedi. Végeredményben az Ethernet kártyák 248 féle egyedi címmel rendelkezhetnek.

03TCP.qxd

3/19/2005

72

1:56 PM

Page 72


A hálózatban három címzési mód alkalmazható: • •

•

Adatszóró (Üzenetszóró, sugárzási; broadcast) A cél címét csupa 1-esre állítjuk, vagyis értéke FFFFFFFFFFFF. Csoportos (multicast) A cél címének elsõ bitje 1 – ilyenkor az adatátvitel egy csoportra korlátozódik. Egyedi vagy pont–pont A cím elsõ bitje 0, a többi pedig a célcsomópont címét adja meg.

Hossz Ez a két oktettbõl álló mezõ adja meg az adatmezõ hosszát – tárolására azért van szükség, mert az adatmezõ végét nem tudjuk jelölni.

Adat Itt találhatóak az LLC mezõtõl kapott adatok.

Kitöltés Mivel az ütközésérzékelés gördülékeny mûködése miatt meghatároztuk a keret legkisebb hosszát is (64 oktett, vagyis 512, illetve az elõtaggal együtt 576 bit), szükség van egy kitöltõ mezõre, amennyiben túl kevés adatot kívánunk átvinni. Itt többnyire véletlenszerû adatok szerepelnek, amelyek azonban nem maradnak ki a CRC számítás hatáskörébõl. A vevõ azután a CRC vizsgálat elvégeztével megszabadul ezektõl a bitektõl, a hosszjelzõ mezõ segítségével.

Keretellenõrzõ sorozat (FCS) 32 bites CRC érték, amelyet az adó hardvere számít ki és csatol a kerethez. Az algoritmus megegyezik a 802.4 és a 802.5 szabványokban használttal.

A 802.3 és az Ethernet közti különbség A korábbiakban már említettük, hogy a 802.3 és a Blue Book Ethernet hálózatok között bizony vannak különbségek – ezek elsõsorban a keretszerkezetben jelennek meg (lásd az alábbi táblázatot). A keretben tapasztalható legfontosabb különbség, hogy a 802.3 szabványban az adatok hosszát tartalmazó mezõ az Ethernet szabványban a magasabb szintû protokollt azonosítja. Mivel a 802.3 keretei nem lehetnek hosszabbak 1500 bájtnál, az Ethernet V2 protokolltípus-mezõjének lehetséges értékei 1500-nál nagyobbak. Ez lehetõvé teszi a protokollelemzõk számára a két kerettípus elkülönítését.

03TCP.qxd

3/19/2005

1:56 PM

Page 73


73

3.1. táblázat

Az IEEE 802.3 és a Blue Book Ethernet (V2) közti különbségek 802.3 Ethernet Csillag topológia lehetséges, Csak sín topológia lehetséges UTP vagy száloptikai kábellel Alap- és szélessávú jelzés Csak alapsáv Az adatkapcsolati réteg szétválik Az adatkapcsolati réteg nem felosztott az LLC és MAC alrétegre 7 oktettes elõtag és SFD 8 oktettes elõtag, nincs SFD A mezõ hossza az adatkeretben A mezõ az adatkapcsolati réteget felkap helyet használó magasabb szintû protokollt jelöli Az SQE alkalmazható hálózatAz SQE csak a 2.0-s változatban kezelési eszközként használható

Az ütközések gyakoriságának csökkentése Az ütközések gyakoriságának alakulásában az alábbi tényezõk játszanak szerepet az Ethernet hálózatokban: • • • •

A másodpercenként küldött csomagok száma A terjedési késleltetés a csomópontok között A csomagokat küldõ állomások száma A sávszélesség kihasználtsága

Íme, néhány jótanács az ütközések számának leszorítására: • •

• • •

Alkalmazzunk a lehetõ legrövidebb kábeleket. Próbáljuk egymáshoz minél közelebb elhelyezni a nagy aktivitású forrásokat és célállomásaikat. Esetleg érdemes lehet ezek forgalmát hidak, illetve útválasztók segítségével leválasztani a gerinckábelrõl. Alkalmazzunk bitismétlõk helyett tárolásos jelismétlõket. Szûrjük ki az adatszórással nem létezõ csomópontoknak küldött csomagokat. Ne feledjük, hogy a hálózat vizsgálatára szolgáló felügyeleti eszközök is hozzájárulhatnak a forgalomhoz, és így az ütközések számát is növelhetik.

03TCP.qxd

74

3/19/2005

1:56 PM

Page 74


Az Ethernet hálózatok tervezési szabályai Az alábbiakban rögzítünk néhány szabályt a kábelszakaszok hosszára, a csomópontok elhelyezésére, valamint a hardverfelhasználásra vonatkozóan. Fontos, hogy ezeket tüzetesen átolvassuk és betartsuk!

A kábelszakaszok hossza Az Ethernet szabványok fontos részét képezi a kábelhossz korlátozása – a kábelszakaszok semmiképpen nem léphetik túl a megadott legnagyobb hosszúságot. Így például a 10Base2 szabvány legfeljebb 185 méteres hosszt enged meg, míg az ajánlott hossz ennek 80%-a. Egyes gyártók azt ígérik, hogy termékeikkel túlléphetjük ezeket a határokat – komolyan gondoljuk meg, mikor érdemes vállalnunk az ezzel járó kockázatokat! 3.2. táblázat Szabvány 10Base5 10Base2 10BaseT 1Base5

A kábelszakaszok hosszának korlátozásai Legnagyobb hossz Ajánlott hossz 500 m 185 m 100 m 500 m

400 m 150 m 80 m 400 m

A kábelszakaszok nem kell, hogy feltétlenül egyetlen összefüggõ kábelbõl álljanak – felépülhetnek több részletbõl is, amelyeket koaxiális csatlakozás köt össze (két apacsatlakozó és egy kettõs dugalj). Jóllehet a vastag (10Base5) és a vékony (10Base2) Ethernet kábelek névleges impedanciája egyaránt 50 ohm, vegyes használatuk a nagyobb kábelhossz elérésére csak a 10Base2 szakaszokon belül megengedett. A 10Base5 szakaszokat a hatékonyabb mûködés érdekében érdemes egyetlen kábeldarabból felépíteni, de legalábbis egy kábeltekercsbõl származó darabokból összeállítani. Ha mégis különbözõ gyártók kábeleit használjuk, ragaszkodjunk a szabványos hosszakhoz, vagyis a 23,4 m (félhullámhossz a kábelben 5 MHz-nél) páratlan többszöröseihez: 23,4 m, 70,2 m, illetve 117 m (±0,5 m). Ezek használata biztosítja, hogy a kábelek közti esetleges impedanciaugrások okozta visszaverõdések fáziskülönbsége ne tegye lehetõvé e nemkívánt jelek felerõsödését. Ha ezeket a hosszakat alkalmazzuk, 500 méteres kábelszakaszt is gond nélkül összeállíthatunk belõlük.

03TCP.qxd

3/19/2005

1:56 PM

Page 75


75

Ha a különbözõ gyártók kábelei közt összeférhetetlenségre gyanakszunk, vizsgáljuk meg, hogy az impedanciaeltérésekbõl adódó visszaverõdött hullámok összteljesítménye eléri-e a rendes hullámok teljesítményének 7 %-át.

Az adó-vevõ kábel maximális hossza A 10Base5 rendszerek adó-vevõ kábeleinek legnagyobb hossza 50 m, de rögtön meg kell jegyezni, hogy ez csak meghatározott, az IEEE 802.3-nak megfelelõ kábelekre igaz. Bármilyen más – szalag- vagy irodai – AUI kábel csak kisebb távolságokon (12,5 méterig) használható. Fontos, hogy ilyen esetekben áttanulmányozzuk a gyártó termékleírását.

Csomópont-elhelyezési szabályok Az adó-vevõk közegelérési egységei (MAU-k) és a kábel közti csatlakozások áthidalási impedanciájuk miatt jelvisszaverõdést okoznak. A MAU-k elhelyezésére ezért nagy figyelmet kell fordítanunk, hogy elkerüljük a közeli fázisú visszavert jelek összeadódását. A 10Base5 rendszerekben a MAU-k távolsága a 2,5 m egész többszöröse kell legyen, míg a 10Base5 kábeleken a legkisebb távolság 0,5 m lehet.

A leghosszabb átviteli útvonal A leghosszabb átviteli útvonal öt szakaszt jelent négy jelismétlõvel. A szakaszok között legfeljebb három koaxiális szerepelhet, amelyeken köztes állomások is lehetnek, és két állomásokat nem tartalmazó összekötõ szakasz. Ez utóbbiak az IEEE 802.3 szerinti 10BaseFL száloptikai kábelek lehetnek. A fent leírtakat röviden 5-4-3-2 szabálynak nevezzük. 3.3. táblázat 5 szakasz 4 jelismétlõ 3 koaxiális szakasz 2 összekötõ szakasz

Az 5-4-3-2 szabály

vagy

5 szakasz 4 jelismétlõ 3 összekötõ szakasz 2 koaxiális szakasz

Fontos, hogy meggyõzõdjünk arról, hogy a hálózat bármely két csomópontja között teljesül az 5-4-3-2 szabály.

03TCP.qxd

76

3/19/2005

1:56 PM

Page 76


1. koaxiális szakasz

1. összekötõ szakasz

1. jelismétlõ

2. koaxiális szakasz

2. jelismétlõ

1. állomás

2. összekötõ 3. koaxiális szakasz szakasz

3. jelismétlõ 4. jelismétlõ 2. állomás

3. állomás

3.9. ábra A leghosszabb átviteli útvonal.

Fontos megjegyeznünk, hogy a 4 jelismétlõt tartalmazó, az IEEE 802.3 által még megengedett legnagyobb méretû hálózatokban idõzítési gondok léphetnek fel. A méretet valójában a terjedési késleltetés korlátozza. Fel kell hívnunk továbbá a figyelmet arra, hogy 10Base2 szakaszok nem alkalmazhatók 10Base5 szakaszok összekötésére.

A hálózat maximális mérete 10Base5 = 2800 m csomóponttól csomópontig (5 × 500 m-es szakasz + 4 ismétlõkábel + 2 AUI) 10Base2 = 925 m csomóponttól csomópontig (5 × 180 m-es szakasz) 10BaseT = 100 m csomóponttól elosztóig

A jelismétlõkrõl Az adó-vevõkhöz kapcsolódó jelismétlõk a szakaszokon egy-egy csomópontnak számítanak. A jelismétlõk összekötésére különleges adó-vevõk alkalmasak, amelyek nem képesek az SQE teszt megvalósítására. Léteznek száloptikai ismétlõk, amelyek 10 Mbps-en akár 3000 m-es szakaszok használatát is lehetõvé teszik. Ezeknél nézzük meg a termékleírásban, hogy megfelelnek-e az IEEE 802.3-ban meghatározott követelményeknek, valamint a FOIRL szabványnak.

03TCP.qxd

3/19/2005

1:56 PM

Page 77


77

A kábelek földelése A földelés részben biztonsági, részben zajvédelmi szerepet tölt be a hálózatokban. Az IEEE 802.3 szabvány szerint a koaxiális kábelek árnyékolása egyetlen ponton csatlakozhat a föld viszonyítási ponthoz. Ez a pont az Ethernet rendszerekben többnyire valamelyik véglezárónál található. Itt legtöbbször találhatunk egy csavarmenetet a földelési saru csatlakoztatására. A jó földelés érdekében használjunk fonott kábelt. Ügyeljünk arra, hogy a többi csatlakozó és végzõdés burkolata ne tegye lehetõvé az érintkezést fémtárgyakkal. A soros koaxiális csatlakozóknál használjunk megfelelõ szigetelõ tokokat a nemkívánt földérintkezés meggátolására.

03TCP.qxd

3/19/2005

1:56 PM

Page 78

Fejezetünk során a következõkkel foglalkozunk:

Recommend Documents