Kapcsolódás a hálózathoz 4. fejezet
KAPCSOLÓDÁS A HÁLÓZATHOZ A fizikai réteg protokolljai 4.1
Kapcsolódjunk • A fizikai kapcsolat típusa teljes mértékben a hálózat kialakításától függ. – Vezetékes – Vezeték nélküli (Wireless Access Point segítségével)
Kapcsolódjunk • A hálózati kártyák (NIC) eszközöket csatlakoztatnak a hálózathoz. – Vezetékes -> Ethernet kártya – Vezeték nélküli -> WLAN adapter
• Hálózati kapcsolódás esetén nem minden fizikai kapcsolat egyenértékű a teljesítmény tekintetében.
A fizikai réteg célja • Az OSI modell fizikai rétege biztosítja az adatkapcsolati réteg kereteit alkotó bitek továbbítását a hálózati közegen. • Ez a réteg egy teljes keretet fogad az adatkapcsolati rétegtől, és olyan jelek sorozatává alakítja, amelyek továbbíthatók az átviteli közegen.
A fizikai réteg célja • Rézkábel: A jelek elektromos impulzusoknak felelnek meg. • Optikai kábel: A jelek fényimpulzusoknak felelnek meg. • Vezeték nélküli: A jelek a mikrohullámú átvitel mintáinak felelnek meg.
Első rétegbeli alapelvek • A fizikai réteg szabványai három fő területtel foglalkoznak: – Fizikai összetevők – Kódolás – Jelzés
Fizikai összetevők • Fizikai összetevők alatt olyan elektronikus hardvereszközöket, átviteli közegeket és csatlakozókat értünk, amelyek a biteket reprezentáló jelek továbbítását végzik.
Kódolás • A kódolás vagy vonali kódolás bitek sorozatának előre meghatározott 'kóddá' történő átalakítási módszerét jelenti. • A kódok bitek olyan csoportját jelentik, amelyek elősegítik egy meghatározott minta felismerését a küldő és a fogadó fél által egyaránt.
Kódolás • A leggyakoribb kódolási módszerek az alábbiak: – Manchester-kódolás: A 0 a magas-alacsony, az 1 pedig az alacsony-magas feszültségátmenetet jelenti. – Nullára vissza nem térő (Non-Return to Zero, NRZ): Egy általánosan használt eljárás, amely az adatok kódolására két állapotot különböztet meg: a nullát és az egyet. A semleges vagy nyugalmi állapotot nem értelmezi. A 0 jelölésére meghatároz egy feszültségszintet a közegen, az 1-et pedig egy ettől különböző feszültségszint jelzi.
Jelzés • A fizikai réteg feladata a közegen továbbított, 1-eseket és 0-kat ábrázoló elektromos, optikai vagy vezeték nélküli jelek létrehozása. • A bitek ily módon történő megjelenítésére szolgáló módszert nevezzük jelzési módszernek.
Jelzés • A jelek továbbítása kétféle módon történhet: – Aszinkron módon: Az adatjelek továbbítása órajel hozzárendelése nélkül történik. A keretek elejét és végét jelzőbitekkel kell jelölni. – Szinkron módon: Az adatok elküldése egy órajellel együtt történik, amely egyenlő időközönként, más néven bitidőnként fordul elő.
Jelek továbbítása • Az adatok küldésének legelterjedtebb módja a modulációs technikák használata. • A moduláció olyan folyamat, amelynek során az egyik hullám (jel) módosítja a másikat (vivő).
Modulációs technikák • Frekvenciamoduláció (FM) • Amplitúdómoduláció (AM) • Impulzuskód-moduláció (PCM)
Sávszélesség • A sávszélesség a közeg adatátviteli kapacitását jelenti. • A digitális sávszélességet adott idő alatt egyik helyről a másikra átvitt adatmennyiséggel jellemezhetjük. • Nagyságát általában kb/s vagy Mb/s mérjük.
Sávszélesség • Egy hálózatban a sávszélesség tényleges értékét az alábbi tényezők kombinációja határozza meg: – Az átviteli közeg jellemzői. – A jelátvitelre és jelfelismerésre használt módszerek.
Átbocsátóképesség • Az átbocsátóképesség a közegen adott idő alatt átvitt bitek mennyiségét jelenti. • Befolyásoló tényezők: – A forgalom nagysága. – A forgalom típusa. – A hálózati eszközök által létrehozott, a forrás és a cél között felmerülő késleltetés.
KAPCSOLÓDÁS A HÁLÓZATHOZ A hálózati átviteli közegek 4.2
Rézkábel Előny • Olcsó • Könnyen telepíthető • Kicsi az ellenállása
Hátrány • Korlátozott kábelhossz (csillapítás) • Érzékenység az interferenciára
Interferencia • Elektromágneses interferencia (EMI) • Rádiófrekvenciás interferencia (RFI) – Világítás – Elektromos motorok – Rádióhullámok
• Áthallás – Ha egy vezetéken haladó jel elektromos vagy mágneses mezője által keltett zavar átterjed a szomszédos vezetéken található jelre.
Védekezési lehetőségek • Árnyékolás (fémháló, fólia), földelés • Ellentétes áramköri érpárok összesodrása.
Védekezési lehetőségek • Az adott hálózati környezetben leginkább alkalmazható kábel típusának vagy kategóriájának kiválasztása. • Kábelezési terv készítése az ismert és az előre látható interferencia források elkerülésére. • A kábelek megfelelő kezelésére és lezárására vonatkozó kábelezési technikák használata.
Kábeltípusok
UTP
STP
Koax
Felhasználási terület • Vezeték nélküli rendszerek antenna kábeleként • Kábeles internet szolgáltatóknál. – Optikai és koaxiális kombinált hálózatok (HFC rendszerek)
Veszélyek, előírások
Az UTP kábel • 8 db 22-es vagy 24-es értékű mérőszámú (AWG) érből áll. • A kábel külső átmérője kb. 0,43 cm (0,17 inch)
Az UTP kábel • Hogyan védekeznek az EMI és RFI ellen? – Kioltás: érpárok csavarása
• A vezetékpárok csavarásszámainak változtatása – A kioltási effektus hatásának fokozása érdekében eltérő számú csavarást alkalmaznak az egyes vezetékpárokban.
UTP kábelezési szabványok • -EIA/TIA-568A – Kábeltípus – Kábelhossz – Csatlakozó – Kábelvégződés – Kábeltesztelési módszerek
• A rézkábel elektromos jellemzőit az IEEE határozza meg.
UTP kábelezési szabványok • Az IEEE az UTP kábeleket a teljesítményük alapján minősíti. • Kategóriákba sorolja őket aszerint, hogy mekkora adatátviteli sebességre képesek. – Cat 3 telefon – Cat 5 és 5e 10Mb/s, 100Mb/s, 5e 1000Mb/s – Cat 6 és 6e 1000Mb/s -10Gb/s
UTP kábel jellemzők • Csatlakozó – RJ45
Az UTP kábel típusai • Egyeneskötésű Ethernet kábel: – Különböző eszközök összekapcsolása
• Keresztkötésű Ethernet kábel – Egyforma eszközök összekötése – Router PC közvetlen
• Rollover kábel: – Konzolkábel (Cisco)
UTP kábelek tesztelése • Vezetéktérkép • Kábelhossz • A csillapítás következtében fellépő jelveszteség • Áthallás
Optikai kábelek • Gerinchálózat • Nagy távolság, nagy sávszélesség • Rugalmas, nagyon vékony, üvegszál (sziliciumdioxid) • Fényimpulzus (lézer, led) • Érzéketlen az EMI-re és RFI-re.
Optikai kábelek • Felhasználás – Nagyvállalati hálózat (gerinc) – FTTH ((Fiber-to-the-home) és felhasználói hálózatok – Nagytávolságú hálózatok – Tenger alatti hálózatok
Optikai kábel szerkezete • Mag (Core) • Héj (Cladding) • Köpeny – Belső burkolat – Kevlár – Külső burkolat
Optikai kábeltípusok • Egymódusú kábel (Single-mode fiber, SMF) – nagyon vékony magból – lézeres technológiát használ a fénysugár elküldésére. – nagy távolság
• Többmódusú kábel (Multimode Fiber, MMF) – Nagyobb a mag átmérője – LED forrást használ a fényimpulzusok kibocsátására. – Helyi hálózatokban népszerű (10 Gb/s, max. 550 m)
Egymódusú szál
Többmódusú szál
Optikai csatlakozók • Az összes generációt figyelembe véve, napjainkban körülbelül 70 csatlakozótípus van használatban. • 3 leggyakrabban használt: – ST csatlakozó (Straight-Tip) • Régi bajonettzáras csatlakozó, amelynek használata a többmódusú szálak esetében elterjedt.
– SC csatlakozó (Subscriber Connector) • Négyzetes vagy szabványos csatlakozónak is nevezik. Széles körben elterjedt LAN és WAN hálózati csatlakozótípus, amely megnyom-kihúz (push-pull) típusú mechanizmust használ a biztos csatlakozás érdekében. Egy- és többmódusú kábelek esetében egyaránt használják ezt a típust.
– LC csatlakozó (Lucent Connector) • A kicsi vagy helyi csatlakozó néven is említett típus gyors népszerűségre tett szert a kis mérete miatt. Leginkább egymódusú kábeleknél használják, de támogatja a többmódusú szálakat is.
Optikai csatlakozók • Az optikai lengőkábelek (patch kábelek) a full duplex átvitel megvalósításához két optikai szálat foglalnak magukban, a végződésüket pedig szabványos optikai csatlakozópárral valósítják meg. – SC-SC többmódusú patch kábel – LC-LC egymódusú patch kábel – ST-LC többmódusú patch kábel – SC-ST egymódusú patch kábel
Optikai kábelek tesztelése • A három leggyakoribb hiba a következő: – Nem megfelelő illesztés: Az optikai kábelek nem pontosan igazodnak egymáshoz az összeillesztéskor. – Záró hézag: A kábel nem teljesen érintkezik az illesztésnél vagy a lezárásnál. – A végek megmunkálása: A kábelvégek nincsenek megfelelően megtisztítva, illetve a lezárásnál szennyeződés található.
Réz és optikai kábelek összehasonlítása
A vezeték nélküli hálózatok • Nincs szükség kábelre! ;-) • Problémák: – Lefedettségi terület – Interferencia – Biztonság
Vezeték nélküli átvitel típusai
Vezeték nélküli átvitel típusai • Fizikai réteg specifikációja: – Az adatok rádiójelekké történő átalakítása. – Átviteli frekvencia és teljesítmény – A jel vételére és dekódolására vonatkozó követelmények. – Antennák tervezése és kivitelezése.
A WLAN • Vezeték nélküli hozzáférési pont (Access Point, AP) • Vezeték nélküli kártya vagy adapter
802.11 Wi-Fi szabványok
KAPCSOLÓDÁS A HÁLÓZATHOZ Az adatkapcsolati réteg protokolljai 4.3
Az adatkapcsolati réteg célja • Fogadja a 3. rétegbeli csomagokat, majd egy keretnek nevezett adategységbe helyezi őket. • Vezérli a közeghez való hozzáférést, és hibakeresést végez.
Az adatkapcsolati réteg alrétegei • Az adatkapcsolati réteg két alrétegre tagolódik: – Logikai kapcsolatvezérlés (Logical Link Control, LLC – Közeghozzáférés-vezérlés (Media Access Control, MAC)
LLC • Meghatározza azokat a szoftveres folyamatokat, amelyek a hálózati réteg protokolljainak nyújtanak szolgáltatásokat. • Információkat helyez el a keretben annak a hálózati rétegbeli protokollnak az azonosítására, amelyik a keretet használni fogja.
MAC • Meghatározza a hardver által végzett közeghozzáférési folyamatokat. • Biztosítja az adatkapcsolati szintű címzést, valamint az átviteli közeg jelzési rendszerének és a használatban lévő adatkapcsolati protokollnak megfelelő adatcsomag keretezését.
Közeghozzáférés-vezérlés • Közeghozzáférés – A csomag keretbe ágyazását, valamint a keret közegre bocsátását és a közegről történő kiolvasását 2. rétegbeli protokollok határozzák meg. – Azt a technikát, amelynek használatával a keret a közegre kerül, vagy kiolvassák onnan, közeghozzáférés-vezérlésnek nevezzük.
A közeghozzáférés biztosítása • Router feladata: – Fogadja a keretet a közegtől. – Kibontja a keretet. – A csomagot egy új keretbe ágyazza be. – Továbbítja az új keretet a hálózati szegmens közegének megfelelő formában.
Keretszerkezet • Fejléc: A keret elején található, és a vezérlési információkat tartalmazza, például a címzési adatokat. • Adatrész: Az IP és a szállítási réteg fejlécét, valamint az alkalmazási réteg adatait tartalmazza. • Utótag: A keret végén található, és a hibadetektáláshoz szükséges vezérlési információkat tartalmazza.
2. rétegbeli keretszerkezet • A keret kezdetét és végét jelző bitek: A MAC alréteg használja a keret kezdetének és végének jelölésére. • Címzés: A MAC alréteg használja a forrás- és célállomások azonosítására. • Típus: Az LLC alréteg használja a 3. rétegbeli protokoll azonosítására. • Vezérlés: Speciális adatfolyam-vezérlési szolgáltatásokat azonosít. • Adatrész: A keret hasznos részét tartalmazza (azaz a csomag fejlécét, a szegmens fejlécét és az adatokat). • Hibafelismerés: Az adatrész után található utótagot alkotja, hibák észlelésére használjuk.
2. réteg szabványai
KAPCSOLÓDÁS A HÁLÓZATHOZ A közeghozzáférés vezérlés 4.4
Közeghozzáférés-vezérlés • Az adatkeretek közegre helyezésének szabályozása a közeghozzáférés-vezérlési alréteg feladata. • Mi befolyásolja a közeghozzáférés vezérlését? – Topológia: Milyennek látja az adatkapcsolati réteg az állomások közötti kapcsolatot. – A közeg megosztása: Az állomások miként osztoznak a közegen. A közegmegosztás lehet pont-pont típusú, mint a WAN kapcsolatoknál, de lehet megosztott is, mint a LAN hálózatok esetében.
Topológiák • Fizikai – Fizikai összeköttetésekre utal
• Logikai – Milyen módon szállítja a kereteket? – Virtuális kapcsolatok
WAN topológiák • Pont-pont • Csillagpont • Hálós
Fizikai pont-pont topológia • A fizikai pont-pont összeköttetések közvetlenül két végpontot kapcsolnak össze egymással.
Logikai pont-pont kapcsolatok • A végberendezések pont-pont hálózaton keresztüli kommunikációja során a kapcsolat közvetítő eszközökön keresztül jöhet létre. • Bizonyos esetekben az állomások közötti logikai kapcsolat úgynevezett virtuális áramkört alkot. • A virtuális áramkör a hálózaton belül kiépített logikai kapcsolatot jelent, amely két hálózati eszköz között jön létre.
Félduplex vagy duplex? • Félduplex kommunikáció – Mindkét eszköz képes adatküldésre és -fogadásra a közegen, de nem egyidejűleg.
• Duplex kommunikáció – Mindkét eszköz képes az egyidejű továbbításra és fogadásra is a közegen.
LAN fizikai topológiák • • • •
Csillag Kiterjesztett csillag vagy hibrid Busz Gyűrű
Logikai topológia • A hozzáférési módszereket a közeg elérésének szabályozására alkalmazzák a hálózatokban. • Két alapvető közeghozzáférési módszer van: – Versengéses hozzáférés: Az állomások versengenek a közeg használatáért, ütközés esetén viszont meghatározott rend szerint viselkednek. – Szabályozott hozzáférés: Az állomások meghatározott időszeletet kapnak a közeg használatára.
Versengéses hozzáférés • Nem determinisztikus • A hálózati eszköz bármikor hozzáférhet a közeghez. • Káosz elkerülésére vivőérzékeléses többszörös hozzáférés (Carrier Sense Multiple Access, CSMA) nevű technikát használják.
Versengéses hozzáférés • A CSMA-t általában a közegért történő versengés megoldási módszerével együtt alkalmazzák. A két leggyakrabban használt módszer a következő: – Vivőérzékeléses többszörös hozzáférés ütközésfigyeléssel (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, CSMA/CD) – Vivőérzékeléses többszörös hozzáférés ütközéselkerüléssel (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA/CA)
Logikai többes hozzáférés • Több állomás számára is lehetővé teszi a kommunikációt egy közös, megosztott közeg használatával. • Egyszerre csak egy eszköz küldhet adatot. • Minden eszköz megkapja a közegen lévő összes keretet, de csak az dolgozza fel a tartalmát, amelynek címezték.
Szabályozott hozzáférés • Determinisztikus vagy ütemezett • A hálózati eszközök felváltva egy adott sorrendben használják a közeget. • Ehhez egy vezérjelet használnak. Akinél van az adhat.
Összehasonlítás • Nem determinisztikus (Versengéses) – CSMA/CA – CSMA/CD
IEEE 802.11 Ethernet
• Determinisztikus (Szabályozott) – Vezérjeles gyűrű (Token Ring, IEEE 802.5) – Vezérjeles busz FDDI IEEE 802.4
Logikai gyűrű • A logikai gyűrű topológiában a csomópontok minden körben kapnak egy keretet. Ha a keret nem nekik szól, akkor tovább adják azt a következő csomópontnak. • Így egy szabályozható közeghozzáférési technika használata válik lehetővé a gyűrűben, amelyet vezérjel-továbbításnak hívunk. • Ne feledjük, hogy az adatkapcsolati réteg „látja” a logikai gyűrű topológiát! A kábelezés tényleges fizikai topológiája ettől eltérő típusú is lehet.
Adatkapcsolati keret • Amiben megegyeznek: – Fejléc – Adatrész – Utótag
• Amiben eltérhetnek: – A keret felépítése. – A fejlécben és az utótagban található mezők.
Fejléc • Tartalmazza azokat a vezérlési információkat, amelyeket az adatkapcsolati protokollok meghatároznak, valamint megfelelnek a használt logikai topológiának és közegnek.
Fejléc • Ethernetnél – Keretkezdet mező: A keret kezdetét jelzi. – Forrás- és célcím mezők: A közegen található forrás- és célállomásokat jelzi. – Típus mező: A keretben szereplő felsőbb rétegbeli szolgáltatást jelzi.
Fejléc • Máshol: – Prioritás/szolgáltatásminőség mező: Bizonyos típusú kommunikációs szolgáltatásokat jelez. – Logikai kapcsolatvezérlés mező: Csomópontok közötti logikai kapcsolat létrehozására szolgál. – Fizikai kapcsolatvezérlés mező: Fizikai kapcsolat létrehozására szolgál. – Adatfolyam-vezérlés mező: A közegen zajló forgalom elindítására és megállítására szolgál. – Torlódásvezérlés mező: A közegen jelentkező torlódást jelzi.
2. rétegbeli cím • 2. rétegben azonosítja az eszközt. • Fizikai cím • Nem hierarchikus, nem azonosít hálózatot.
Utótag • Az utótag annak meghatározására szolgál, hogy a keret hiba nélkül érkezett-e meg. • FCS mező – CRC összeg – A keret küldésekor és érkezéskor is kiszámításra kerül. Ha nem egyezik eldobásra kerül a keret.
• Stop Frame – Keret végét jelzi.
LAN és WAN keretek • Az adatkapcsolati réteg elterjedt protokolljai a következők: – Ethernet – Pont-pont protokoll (PPP) – 802.11 szabványú vezeték nélküli
• Tananyagban még szerepel a HDLC és a Frame Relay is.
Ethernet • LAN technológia IEEE 802.2 és 802.3 • 10 Mb/s, 100 Mb/s, 1 Gb/s és a 10 Gb/s sávszélességeket is támogatja. • CSMA/CD
Point-to-Point protokol • A PPP két csomópont közötti kerettovábbításra használt protokoll. • RFC-ben meghatározott. • WAN összeköttetéseknél különféle közegeken használható. • PPP réteges architektúra. – Két csomópont között egy logikai kapcsolatot hoz létre. – Lehetővé teszi, hogy két csomópont egyeztesse a kapcsolat részleteit a PPP munkameneten keresztül. (hitelesítés, tömörítés és a több fizikai kapcsolat (multilink) )
PPP keret
802.11 keretek • Az IEEE 802.11 szabvány ugyanazt a 802.2 logikai kapcsolatvezérlést (LLC) és 48 bites címzési rendszert használja, mint számos más 802-es szabványú helyi hálózat. • A MAC alréteg és a fizikai réteg használatában számos eltérés van.
