5. Ethernet

Det fysiska skiktet tillhandahåller transmissionssätt för de bitar som utgör datalänk-ramar. Det fysiska skiktets tjänster och  Datalänk-protokollen skapar goda förutsättningar för olika nätverksteknologier, exempelvis Ethernet.

Bild 1: Protokoll 802.2 och 802.3

Ethernet är den LAN-teknik som är mest dominerande i världen. Ethernet fungerar i Datalänk- och i det Fysiska skikten därmed består Ethernet av flera protokollstandarden som definierar många aspekter av nätverkskommunikationen, inklusive ramformat, ramstorlek, tidshantering och kodning.

Eftersom Ethernet består av standarder från de två OSI-skikten kan Ethernet bäst förstås med hänvisning till OSI-kommunikationsmodellen där Datalänkskiktet delas upp i två underskikt: LLC och MAC. Dessa underskikt beskrivs i standarden IEEE 802.2 och IEEE 802.3

Logical Link Control – kommunikation med övreskiktsprotokoll

Logical Link Control hanterar kommunikationen mellan de övreskiktsprotokoll och de lägre skikten (MAC och Fysiska). Kommunikationshanteringen är typiska tjänster och applikationer i övre skikten. Dessa applikationer tillämpas i hårdvara i de lägre skikten. LLC underskiktet lägger styrinformation i varje IPv4 paket så att paketleveransen kan underlättas.

Bild 2: LLC och MAC underskikt

Bilden ovan ska man tolka som följande:

  • I översta raden är tillgängliga nätverksprotokoll och tjänster i OSI-nätverksskiktet.
  • Datalänk-skiktet delas upp i två underskikt: LLC och MAC.
  • LLC kan kommunicera med Nätverksskiktet och inte MAC.
  • LLC funktioner specificeras i standarden IEEE 802.2
  • MAC tillhandahåller adresser och kontroller över transmissionsmedia.
  • Det fysiska skiktet omvandlar ramar till en uppföljd av ettor och nollor. Dessa ettor och nollor representeras med signaler anpassade till nätverksmediet specificerat av MAC-åtkomstkontroller.
  • Datalänk-skiktet och det fysiska skiktet motsvarar Nätverksåtkomst skiktet i TCP/IP.
  • I Nätverksåtkomst skiktet implementeras Ethernet.
  • Flera varianter av Ethernet finns: 802.3, 802.3u FastEthernet, 802.3z GigaEthernet.

LLC funktioner implementeras i programvara och dess genomförande är oberoende av den fysiska utrustningen. I en dator kan LLC betraktas som drivrutiner för nätverkskortet (NIC).

MAC underskikt

MAC protokollsfunktioner implementeras i hårdvara, vanligtvis i datorns nätverkskort. MAC fungerar som ett interface mellan protokoll i LLC och transmissionsteknik i det Fysiska skiktet. Den primära ansvaret är att flytta datapaket till och från ett nätverkskort och till och från transmissionsmedia. MAC underskiktet emulerar full-duplex kommunikation i en multipunkt nätverk (flera nätverksenheter delar transmissionsmedia) och det stödjer unicast, multicast och broadcast kommunikationssätt.

Studera en stund bild 3.

Bild 3: MAC underskiktets ansvarsområden

Bilden ovan visar att MAC underskiktet har två primära ansvar:

  • Signalering och datainkapsling.
  • Åtkomstkontroller för transmissionsmedier.

Signalering och datainkapsling

Processen kan sammanfattas i tre primära funktioner:

  • Frame delimiting – Ramavgränsningen identifierar grupper av bitar som representerar ramar. Processen genererar synkroniseringsmönster mellan sändande och mottagande kommunikationsparter.
  • Adressering – Datainkapslings processen förser med L3 och L2 adresser.
  • Error detection – Feldetektering görs med mekanismer specificerade i ramarnas Trailer.

Datainkapslings processen inkluderar information om ramuppbyggnad före transmissionen och bitgruppering vid mottagandeRamuppbyggande i MAC-underskiktet förser en header och en trailer till L3 PDU.

En ytterligare funktion av datainkapsling är feldetektering. Varje Ethernet-ram innehåller en trailer med en cyklisk redundanskontroll (CRC) för styrinformation i en rams header. Vid mottagning av en ram, räknar den mottagande nätverksenheten ut en CRC summa grundad i ramens innehåll. Därefter jämförs mottagarens uträknat CRC värde med den CRC värde inkluderad i ramen. Om dessa två CRC värde stämmer kan ramen betraktas vara utan fel och därmed accepteras av mottagaren, annars är ramen ogiltig och därför tas den bort från nätverket.

Åtkomstkontroller för transmissionsmedier

Det andra ansvaret för MAC-underskiktet är åtkomstroller för transmissionsmedier. Media Access Control underskiktet ansvarar för placering av ramar på och från transmissionsmedia i direkt kommunikation med det fysiska skiktet.

Den grundläggande logiska topologin hos Ethernet är en multi-access-buss där delar alla nätverksenheter på en enda transmissionsmedia. Ethernet är en kollisionsbaserad nätverksteknik. En sådan teknik tillåter endast en nätverksenhet per gång att sända data över det gemensamt transmissionsmediet. Åtkomstrollen Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection (CSMA/CD) används i halvduplex Ethernet LAN för att upptäcka och hantera kollisioner. Dagens Ethernet har stöd för full-duplex överföringar vilket möjliggör samtida överföringar utan kollisioner.

Ethernet utveckling

Sedan etableringen av Ethernet år 1973 har nya standarder utvecklats för att specificera snabbare och mer flexibla versioner av Ethernet.

  • 1973 Ethernet skapas av Dr Robert Metcalf och Xerox koncern
  • 1980 DIX standard och Ethernet II standarder. Digital Equipment, Intel och Xerox släpper standard för 10 Mbps över koaxialkabel.
  • 1983 publiceras nya versioner av Ethernet IEEE 802.3 och 10 BASE-5. 10 Mbps över koaxialkabel.
  • 1985 grundas SynOptics företag för utveckling av TP Ethernet hubbar.
  • 1990 grundas Crescendo företag för utveckling av TP FDDI nätverksprodukter och Ethernet hubbar.
  • 1995 grundas Granite Systems för utveckling av Gigabit Ethernet nätverksprodukter.
  • 1998 Ethernet fyller 25 år

Denna utvecklingsförmåga är en av huvudorsakerna till att Ethernet blivit så populär som LAN-nätverksteknologi. Tidiga versioner av Ethernet var relativt långsamma vid 10 Mbps. De senaste versionerna av Ethernet arbetar med 10 Gigabit per sekund och snabbare. Ethernet stödjer bandbredden på:

  • 10 Mbps
  • 100 Mbps
  • 1000 Mbps (1 Gbps)
  • 10 000 Mbps (10 Gbps)
  • 40 ooo Mbps (40 Gbps)
  • 100 000 Mbps (100 Gbps)

Vid datalänk skiktet är ramkonstruktionen nästan identisk för alla Ethernet-hastigheter. Ethernet-ramkonstruktionen lägger header och trailer runt Layer 3 PDU så att det kan skickas ut till destinationsnätverket.

Bild 4: Ethernet II frame

Ethernet II är Ethernet-ramformatet som används i TCP / IP-nätverk.

Ethernet ramformat

Som bekant lägger Ethernet ramkonstruktionen header och trailer runt L3 PDU. Både Ethernet-header och trailer har flera fält som innehåller styrinformation och som används av Ethernet-protokollet.

Det finns två typer av inramning för Ethernet:

  • DIX Ethernet standard som idag kallas Ethernet II
  • IEEE 802.3 standard som har uppdateras flera gånger för att inkludera nya nätverksteknologier.

Skillnader mellan dessa två standarder och hur paket inkapslas i ramar är minimala. Den viktigaste skillnaden mellan dessa två standarder är tillägget i 802.3 av en Start Frame Delimiter (SFD) och en liten förändring till fältet Type för att omfatta Length, så som visas i figuren.

ch9-ethernet-09
Bild 5: Frame format: IEEE 802.3 och Ethernet II

Ethernet rams fält

  • Preamble and Start Frame Delimiter fälten Preamble (7 bytes) och Start Frame Delimiter (SFD) (1 byte) används för synkronisering mellan sändande och mottagande nätverksenheter. Dessa första åtta byte används för att få uppmärksamhet från mottagande nätverksenheter. Egentligen är den första byte som berättar för mottagarna att göra sig redo för att ta emot en ny ram.
  • Destination MAC Address (6 byte) fält identifierar mottagaren. Adressen används av enheter i skikt 2.
  • Source MAC Address (6 byte) fält identifierar den sändande interface (NIC).
  • Length/Type (2 byte) fält definierar den exakta längden på ramens datafält. Fältens innehåll används sedan som en del av FCS för att kontrollera om meddelandet togs emot utan deformationer. Om fältet Type används indikerar detta att ramar hanteras av Ethernet II.
    • Dessa två användningsområden (Length/Type) kombinerades officiellt år 1997 i IEEE 802.3x-standarden eftersom båda var allmänt i bruk. När en nod tar emot en ram måste den undersöka Length fältet för att avgöra protokoll i bruk.
    • Om de två oktett är lika med eller större än 0x0600 hexadecimal eller 1536 decimal då innehållet i datafältet avkodas enligt Ethernet II frame-format (Type) i vilket definieras ett protokoll. (> 1536 då Ethernet II, Type)
    • Om värdet är lika med eller mindre än 1500 decimal eller hexadecimal 0x05DC då Length fältet används för att indikera användning av IEEE 802.3 frame-format. Detta är hur Ethernet II och 802.3 differentieras. (< 1500 då Ethernet 802.3, Length).
  • Data och Pad fälten (46-1500 bytes) innehåller de inkapslade data från ett högre skikt vilket är en L3 PDU eller IPv4-paket. Alla ramar måste vara minst 64 byte långa. Om ett litet paket är inkapslat används Pad fältet för att öka storleken på ramen till den minimala storleken.
  • Frame Check Sequence fält (4 bytes) används för feldetektering i en ram. Ethernet använder en cyklisk redundanskontroll (CRC) som går ut på att jämföra mottagarens egen CRC värden med avsändarens CRC värd. Den mottagande enheten tar emot ramen och genererar en CRC för att leta efter fel. Om beräkningarna stämmer inträffade inga fel. Men om CRC värden inte stämmer med varandra är detta en indikation på att data har förändrats, därför kommer ramen att tas bort. En förändring i data kan vara ett resultat av en störning av de elektriska signaler som representerar de bitarna.

Ethernet ramstorlek

Båda Ethernet standarder, II och 802.3, definierar den minsta ramstorleken som 64 byte (6+6+2+46+4) och det maximala som 1518 byte (6+6+2+1500+4). Det inkluderar alla byte från Destinations MAC-adressfältet till Frame Check Sequence (FCS) fält.

ch9-ethernet-09-1
Bild 6: Ethernet 802.3 standard ramstorlek 1518 byte

Fälten Preamble och Start Frame Delimiter inkluderas inte när man beskriver ramstorleken.

IEEE-standarden 802.3ac som släpptes 1998 förlängde den högsta tillåtna ramstorleken till 1522 byte. Ramstorleken ökades för att anpassa en ny teknik som kallas Virtual Local Area Network (VLAN).

ch9-ethernet-09-2
Bild 7: Ethernet 802.3 max ramstorlek med stöd för VLAN

Om storleken på en överförd ram är mindre än den minsta (64 byte) eller större än den maximala tas bort ramen vid mottagande. Borttagna ramar anses vara deformerade och därför ogiltiga.