3. Linková vrstva. Úvod do štúdia sieťových technológií Linková vrstva

Transcript

1 3. 3. Základná charakteristika a úlohy ( v odbornej literatúre niekedy tiež nazývaná ako spojová, data link) zabezpečuje prevzatie paketu od sieťovej vrstvy, spracovanie do podoby rámca (frame) a jej odovzdanie fyzickej vrstve na odoslanie po médiu. Pri prijatí signálu zabezpečuje linková vrstva vyhodnotenie hlavičky a traileru rámca a odovzdanie paketu na ďalšie spracovanie sieťovej vrstve. PDU linkovej vrstvy sa nazýva rámec (frame). poskytuje služby predovšetkým pre lokálne siete. To znamená, že poskytuje a využíva fyzické adresovanie a služby na úrovni zdieľaného média a multiaccess prístupu. Pri komunikácii cez WAN sieť sa úloha linkovej vrstvy končí dosiahnutím gateway. Za routerom ovšem komunikácia pokračuje prostredím ďalšej lokálnej siete s využitím služieb linkovej vrstvy ďalšej siete. Model OSI Aplikačná Prezentačná Relačná Transportná Sieťová Linková Model TCP/IP Aplikačná Transportná Internet (sieťová) PDU danej vrstvy Data Data Data Segment Paket Rámec Sieťového prístupu Fyzická Signál (bitstream) Medzi hlavné úlohy linkovej vrstvy patrí: v Organizácia dát do rámca: Vytváranie rámca z paketu, odovzdanie rámca na vysielanie fyzickej vrstve (pri vysielaní) Vytváranie rámca zo signálu prijímaného fyzickou vrstvou, prisúdenie významu jednotlivým bitom hlavičky a traileru rámca, odovzdanie dátového paketu príslušnému protokolu sieťovej vrstvy v Fyzické adresovanie Používanie lineárneho adresovania na adresovanie konkrétneho uzla v lokálnej sieti v Kontrola a riadenie komunikácie Za akých podmienok môže uzol začať vysielať (určuje prístupová metóda, prípadne metóda a parametre multiplexu) Ktoré koncové uzly v LAN sieti vzájomne komunikujú (pomocou MAC adresy) Kedy sa komunikácia začína, kedy sa končí (začiatok a koniec vysielania) Aké chyby nastali v priebehu prenosu Ktorý uzol môže vysielať ako ďalší Ktoré sieťové služby vzájomne komunikujú (pri použití LLC podvrstvy s využitím SAP, resp. SNAP služieb) patrí v modeli OSI do skupiny vrstiev viazaných na médium, štandardne býva súčasťou riešenia priemyselného alebo medzinárodného sieťového štandardu. V modeli TCP/IP je zahrnutá do vrstvy sieťového prístupu (pričom túto vrstvu architektúra TCP/IP osobitne nijako nerieši, z pohľadu tejto architektúry je dôležité iba to, aby existoval vhodný ovladač na prepojenie linkovej vrstvy príslušného štandardu na model TCP/IP). Ing. Jaromír Tříska /5 SPŠE Piešťany, 204

2 3.2 Adresovanie v LAN, súvislosti medzi topológiou a použitým adresovacím systémom 3.2. Štruktúra MAC adresy, vlastnosti Adresovanie - lineárne adresovanie umožňuje doručenie rámca v lokálnej sieti, s využitím lineárnej - MAC - adresy. Neumožňuje využívať rozľahlé siete. Point-to-point topológia (fyzická) si nevyžaduje adresovanie na úrovni lokálnej adresy. Rozľahlé siete s množstvom uzlov a topológia typu mesh si vyžadujú nasadenie hierarchického logického adresovania, ktoré sa však rieši až na sieťovej vrstve. 3.3 Riešenie spoja medzi uzlami Zdielané médium vs. prepínaný dvojbodový (Point-to-Point ) spoj. Rozdiel medzi logickou topológiou a fyzickou topológiou Fyzickou topológiou rozumieme, ako sú uzly siete fyzicky prepojené. Logická topológia predstavuje vzájomné prepojenie uzlov z pohľadu komunikačných protokolov a sieťového software. Príklady: Hviezdicová topológia s prístupovou metódou Token Ring: Fyzicky sú uzly siete prepojené do hviezdy, logická topológia je však kruhová komunikačné protokoly pracujú tak, ako keby boli uzly zapojené do kruhu. Hviezdicová topológia Ethernet s použitím switche ako centrálneho uzla: Fyzicky sú uzly zapojené do hviezdy, logická topológia z pohľadu koncových uzlov je však typu point-to-point. Súvislosť medzi topológiou a použiteľnou prístupovou metódou (na zbernici sa dá použiť aj CSMA, aj Token Passing), logická topológia je potom odlišná Multi-Access topológia má veľa možných príjemcov, Point-to-Point topológia má iba jediného možného príjemcu. Príklad: Fyzická topológia: hviezda, použitý intermediary prvok: HUB => logická topológia: hviezda Multi Access Príklad: Fyzická topológia: hviezda, použitý intermediary prvok: SWITCH => logická topológia: Point-to-Point Ing. Jaromír Tříska 2/5 SPŠE Piešťany, 204

3 Prístupová metóda je riešená algoritmom, realizovaným na linkovej vrstve, kým fyzická topológia je súčasťou riešenia fyzickej vrstvy. Obidve vlastnosti však spolu veľmi úzko súvisia: Na fyzickej kruhovej topológii napríklad nie je možné aplikovať metódy založené na CSMA, jediným možným riešením sú prístupové metódy spojené s posielaním Tokenu. Zbernicová topológia je vhodná pre aplikovanie CSMA a menej vhodná pre metódy založené na Tokenu, Hviezdicová topológia je univerzálna a logická topológia je v takom prípade daná typom intermediary zariadenia Prístupové metódy Point-to-Point spoj nepotrebuje riešiť prístupovú metódu, slúži iba dvom zariadeniam. Ak má seriový Point-to-Point spoj agregovať viacero dátových tokov z rôznych zdrojov, rieši sa to spravidla časovým multiplexom TDM (seriový spoj s isochrónnym prenosom). Ak na jediné spoločné komunikačné médium pristupuje nezávisle viacero uzlov, je potrebné riešiť algoritmus prístupu jednotlivých uzlov, aby sa riešili prípadné kolízie. Príkladom zdielaných médií môže byť kruhová topológia, zbernicová topológia, využívanie bezdrôtových prenosov elektromagnetickým rádiovým signálom, alebo hviezdicová topológia s využitím HUB-ov ako intermediary prvkov. Prístupové metódy delíme v zásade na dve hlavné skupiny podľa možnosti predpovedať budúce správanie sa systému: deterministické, bez kolízií: Token Passing (Token Ring, FDDI), demand priority nedeterministické, s detekciou kolízií alebo predchádzaním kolíziám: CSMA /CD /CA (Ethernet, WiFi) Kolízna doména. Prechod od zdieľaného média ku prepínaným spojom Prečo sa umiestňuje okamžite na začiatok rámca: efektivita práce zariadení pracujúcich na linkovej vrstve. Implementácia konkrétnych prístupových metód v rámci zdielaného média: Typické intermediary prvky pracujúce na linkovej vrstve Ukážky: Zdieľané médium, inkrementácia nodov siete. Repeater, Hub princíp činnosti. Zariadenia fyzickej vrstvy. Kolízna doména. Problematika nárastu počtu uzlov v kolíznej doméne. Rozdelenie siete prostredníctvom Bridge zmenšenie veľkosti kolíznej domény. Mechanizmus práce Bridge Porovnanie Bridge a Switch, práca Switche. Bridge a Switch typické intermediary prvky pracujúce na linkovej vrstve. Metóda Cut- Through, metóda Store-and- Forward, porovnanie Parametry switche, funkcia MDII / MDX Half duplex, Full duplex Ing. Jaromír Tříska 3/5 SPŠE Piešťany, 204

4 3.4 Podvrstvy linkovej vrstvy a ich úlohy pozostáva z dvoch podvrstiev: podvrstva MAC (Medium Access Control) podvrstva LLC (Logical Link Control) v Úlohou MAC podvrstvy pri komunikácii s fyzickou vrstvou je fyzická vrstva pri prijímaní dát vyhodnotiť MAC adresu prichádzajúceho rámca ak sa cieľa zhoduje s MAC adresou rozhrania, spracovať prijímaný signál do podoby rámca prepočítať hodnotu FCS a porovnať s hodnotou FCS uloženou v prijatom rámci; v prípade nezrovanosti hodnôt sa buď pokúsiť rámec opraviť (ak to metóda umožňuje), alebo rámec zničiť pri odosielaní dát sformovať rámec do konečnej podoby určiť začiatok a koniec vysielania rámca opatriť rámec MAC adresou odosielajúceho rozhrania opatriť rámec kontrolnou hodnotou FCS riadiť proces odosielania rámca fyzickej vrstve MAC podvrstva obsahuje algoritmus riadenia prístupu na médium (prístupovú metódu): je úlohou je vyhodnocovať, či je komunikačné médium voľné alebo či je obsadené a riadiť proces vyhodnotenia stavu komunikačného média (napr. pri CSMA/CD vyhodnotiť, či došlo ku kolízii a ak áno, riešiť ďalší postup, pri metóde Token Passing vyhodnotiť, či rozhranie obdržalo Token a či je Token prázdny a pod.) MAC podvrstva býva vo všeobecnosti súčasťou firmware sieťovej karty sieťová vrstva linková vrstva podvrstva LLC linková vrstva podvrstva MAC v Podvrstva LLC v značnej miere poskytuje rovnaké služby, aké poznáme u transportnej vrstvy: nadväzovanie logického spojenia, adresovanie cieľovej aj zdrojovej aplikácie, vyžadovanie potvrdzovania doručenia, číslovanie rámcov, riadenie rýchlosti dátového toku. Služby LLC podvrstvy sa však viažu prísne na protokoly z rodiny SAP (Service Access Point) a SNAP (SubNetwork Access Point). LLC však poskytuje tieto služby už na úrovni linkovej vrstvy. Tieto služby však dnes využíva iba malá skupina komunikačných protokolov, väčšina klientov LLC podvrstvy sa uspokojí s adresovaním zdrojovej a cieľovej aplikácie a s nespájanou nepotvrdzovanou službou. V praxi sa stretneme s LLC službami napr. u protokolov: STP, CDP,... v Úlohou LLC podvrstvy pri komunikácii so sieťovou vrstvou je pri prijímaní dát odstrániť z PDU hlavičku a FCS a zvyšný dátový paket odovzdať sieťovej vrstve v prípade, ak rámec obsahuje polia typu LLC (DSAP, SSAP, CTRL, SNAP) vyhodnotiť obsah týchto polí a definovať cieľový protokol vyššej vrstvy, ktorému je dátový paket určený ak príslušný LLC protokol vyžaduje potvrdzovanie, odoslať potvrdenie o doručení ak LLC protokol umožňuje zoradenie rámcov, usporiadať poradie rámcov ak LLC protokol umožňuje riadenie dátového toku, odosielať zdrojovému uzlu informácie o dátovom toku (zrýchliť, spomaliť, zachovať rýchlosť) pri vysielaní dát z dátového paketu prijatého od sieťovej vrstvy zostaviť rámec Ing. Jaromír Tříska 4/5 SPŠE Piešťany, 204

5 v prípade, ak služba (protokol) vyššej vrstvy vyžaduje vytvorenie rámca typu alebo SNAP, doplniť do oblasti vyhradenej pre dátový paket príslušné hodnoty ak protokol LLC podvrstvy umožňuje, vytvoriť logické spojenie medzi koncovými bodmi komunikácie; prípadne riadiť dátový tok podľa pokynov cielového uzla, opatrovať rámce poradovými číslami a vyžadovať potvrdzovanie rámcov rámec dovzdať MAC podvrstve na dokončenie a vyslanie LLC podvrstva býva vo všeobecnosti súčasťou operačného systému počítača (v podobe ovladačov) 3.5 Prechod paketu WAN sieťou úloha linkovej vrstvy Príklad prechodu dátového paketu WAN sieťou s rôznymi štandardmi linkovej vrstvy. Typ rámca sa prispôsobuje konkrétnemu sieťovému riešeniu (štandardu). Pri prechode dát sieťou sa paket nemení, ale rámec - tvar rámca, jeho hlavička a pod. - sa môže zmeniť viackrát - v závislosti od použitých prenosových prostriedkov. Príklad: PC - Ethernet - ADSL router - PPP protokol - BBRAS server - Frame Relay - router - optický kábel - router - satelitné spojenie - satelit - satelitné spojenie - router - ATM WiFi-router - WiFi - notebook 3. Príklady štandardov linkovej vrstvy: IEEE: 802.2, 802.3, 802.5, 802., 802. ISO - ITU: HDLC ITU: ISDN, Frame Relay Príklady protokolov linkovej vrstvy (typy rámcov): Ethernet, PPP, HDLC, Frame Relay, ATM, WiFi,... a pri prechode dát sieťou sa môže na trase použiť množstvo týchto rámcov. Príklad jednoduchej komunikácie - prenos dát z HTTP servera na klientský počítač (predpokladáme, že ARP tabuľky sú zaplnené, DNS už prebehlo a IP adresy sú známe) CCNA Exploration, ch rozklikávacia animačka s 22 krokmi - prechod dát cez sieť. 3.7 Všeobecný tvar rámca LAN header, PACKET, LAN trailer start a stop polia - určujú začiatok a koneic vysielania rámca MAC addr určujú fyzické adresy príjemcu a odosielateľa v LAN sieti type - aký typ paketu je enkapsulovaný v rámci control - služby riadenia toku dát (zrýchliť, spomaliť odosielanie) data error - kontrola chýb prenosu, kontrolný súčet Význam poľa FCS (Frame Check Sequence): Pred odoslaním rámca vykoná odosielajúce rozhranie kontrolný výpočet odosielaných dát (veľmi zjednodušene si môžme predstaviť, že spočíta všetky jednotky v rámci; v skutočnosti vykoná z dát v rámci náročnejší výpočet, výsledkom je jedinečné číslo) a výsledok kontrolného súčtu uloží do poľa FCS na konci rámca ( trailer ). Po trase sa vplyvom rušení, interferencií, zlyhaniu synchronizácie a pod. ľahko môže stať, že v priebehu prenosu rámca sa po trase niektoré bity zmenili (zmena hodnoty bitu z 0 na či opačne), alebo sa celkom stratili. Rámec je v cieli podrobený opätovne rovnakému kontrolnému výpočtu a vypočítaná hodnota je porovnaná s hodnotou vyčítanou z poľa FCS. Ak po trase došlo ku Ing. Jaromír Tříska 5/5 SPŠE Piešťany, 204

6 porušeniu prenášaných dát, bude vypočítaná hodnota v cieli odlišná od hodnoty uloženej v poli FCS a rámec je vyhodnotený ako poškodený. Niektoré linkové štandardy používajú samoopravné prenosové kódy, ktoré umožňujú aj u mierne poškodených rámcov dopočítať správnu hodnotu všetkých bitov a poškodený rámec rekonštruovať; v sieti Ethernet je však poškodený rámec zničený cieľové rozhranie s ním nepracuje. Spoľahlivosť prenesených dát súvisí s prostredím (porovnaj: satelit alebo WiFi vs. optický kábel) - potreba kontroly správnosti doručených dát na úrovni prenesených bitov - FCS 3.8 Konkrétne typy rámcov a ich štruktúry: HDLC PPP Token Ring Presná štruktúra rámca wireless podľa IEEE 802., ), význam polí Ethernet Ethernet s rozšírením LLC o SAP polia Ethernet s rozšírením o SNAP polia Ethernet II Vysvetlenie rozdielov medzi rámcami, algoritmus identifikácie typu rámca Ukážky rôznych typov zachytených rámcov Wireshark Rámce pre Ethernet Štruktúra rámcov pre štandard Ethernet vychádza z rovnakého základu a skladá sa z nasledovných polí: Preambula (8 Byte) označuje začiatok vysielania, ale nenesia žiadnu informáciu. Je tvorená úvodným sledom siedmich preambulačných bajtov, skladajúcich sa zo striedajúcich sa jednotiek a núl. Posledný bajt preambuly sa označuje ako SFD (Start Frame Delimiter). SFD sa skladá zo striedajúcich sa jednotiek a núl, ale je ukončený dvoma jednotkami. Preambula v hexadecimálnom vyjadrení: AA AA AA AA AA AA AA AB. Slúži na signalizáciu, že sa začína vysielanie rámca (alokácia zdielaného média), ďalej ku úvodnej synchronizácii prenosu a označení samotného začiatku rámca. V rámci vysielania preambuly by malo dôjsť tiež ku vyriešeniu prípadných kolízií, tak, aby kolíziami neboli postihované samotné vysielané dáta. Preambula sa zvyčajne nezahŕňa medzi polia samotného rámca, nenesie žiadne užitočné dáta slúži ako úvod vysielania. Hlavička (4 Byte) hlavička rámca sa skladá z troch polí. Sú to dve polia o bytoch, obsahujúce fyzické MAC adresy cieľa a zdroja rámca a ďalej potom dvojbytové pole nesúce informáciu o dĺžke Ukážka konfigurácie protokolu IPX v systéme Windows výber typu rámca. Ing. Jaromír Tříska /5 SPŠE Piešťany, 204

7 paketu alebo o type paketu prenášaného v rámci. Interpretácia tohoto poľa je hlavným rozdielom medzi najpoužívanejšími Ethernetovskými rámcami rámcom Ethernet a rámcom Ethernet II. Dáta (4 500 Byte) obsahuje paket vyššej vrstvy. Táto datová časť musí byť minimálne 4 bytov dlhá, aby celková dĺžka rámca nebola menšia ako 4 bytov. Trailer (4 Byte) (nie je na obrázku znázornený) zakončenie rámca obsahujúce tzv. FCS (Frame check sequence), kontrolný súčet CRC Cyclic redundancy check, umožňujúci jednoduchú detekciu chýb vzniklú pri prenose. Táto časť je rovnaká pre všetky Ethernetovské rámce. Minimálna dĺžka rámca: 4 B data, B MACd, B MACs, 2 B dĺžka, 4 B FCS, spolu 4 B. Preambula a SFD sa do dĺžky rámca nezapočítava. Ak je celková dĺžka menšia ako 4 B je rámec považovaný za fragment vzniklý pri kolízii a je sieťovou kartou odfiltrovaný. Pokiaľ je paket vyššej vrstvy menší ako 4 bytov, je pole data na úrovni linkovej doplnené pomocou tzv. padding bajtov na potrebnú veľkosť Rámec Ethernet RAW Tento typ rámca bol navrhnutý ako pôvodný štandard firmy Novell, ktorý podporuje (enkapsuluje) iba paket typu IPX. Tento rámec býva niekedy označovaný ako RAW (základný), pretože neobsahuje informácie subvrstvy LLC. Pre tento rámec je ešte typické, že dátové pole začína vždy hodnotami FF FF 00, takto totiž začína hlavička paketu IPX. Tento rámec bol v minulosti implicitným rámcom pre siete so systémom Novell NetWare, a nevie prenášať iný paket ako IPX (Architektúra IPX/SPX bola základnou protokolovou architektúrou pre siete Novell). Tento rámec má tretie pole v hlavičke označené ako lenght dĺžka. Toto pole obsahuje hodnotu ktorá udáva, ako je veľká datová časť rámca v bytoch. Práve dvojbytové pole lenght (dĺžka) určuje vlastne veľkosť enkapsulovaného paketu IPX. Veľkosť dátového poľa Ethernetového rámca môže nadobudnúť maximálnu hodnotu 500 Byte (t.j. 05 DC h číslo 500 vyjadrené v hexadecimálnej sústave). Pokiaľ je hodnota poľa lenght väčšia ako 05 DC h, nemôže ísť o rámec typu RAW. (Vtedy ide evidentne o rámec Ethernet II ako je vysvetlené ďalej). Ukážka štruktúry rámca IEEE (RAW) Preambula 7 SFD cieľa zdroja Dĺžka (encapsulované ho paketu ) 2 Dáta FCS Rámec Ethernet Rámec je veľmi podobný rámcu Pochádza taktiež z dielne firmy Novell Netware. V poli data však pribúdajú kontrolné polia, ktoré prenášajú ďalšie informácie slúžiace vrstve LLC. Sú to tri jednobytové polia DSAP (Destination Service Address Point) a SSAP (Source Service Address Point) a pole Control. Účelom polí DSAP a SSAP je špecifikovať službu sieťovej vrstvy, ktorej je prenášaný dátový paket určný (SSAP analogicky špecifikuje sieťovú službu, ktorá je zdrojom paketu). Pole Control ( alebo 2 byty, v obrázku a v príkladoch budeme používať pre pole Control vždy Byte) špecifikujúce typ požadovanej služby subvrstvy LLC (napr.: connectionless alebo connection-oriented služba, žiadosť o potvrdzovanie doručených rámcov, žiadosť o číslovanie rámcov a ich zoradenie v cieli). Hodnoty DSAP a SSAP sú špecifikované v číselníku služieb LSAP Logical Service Address Point. Zmyslom identifikátorov DSAP a SSAP je určiť službu, pre ktorú je paket určený, a to už na úrovni linkovej vrstvy. Ing. Jaromír Tříska 7/5 SPŠE Piešťany, 204

8 Ukážka štruktúry rámca s rozšírením podľa IEEE Preambula 7 SFD cieľa zdroja Dĺžka (encapsulovanéh o paketu ) 2 Dáta - enkapsulovaný paket Contr SSAP ol DSAP Dáta FCS Rámec Ethernet SNAP (Sub-Network Access Protocol) Rámec Ethernet_SNAP je variantou rámca Ethernet 802.2, obsahuje teda informácie LLC subvrstvy a naviac obsahuje ďalších 5 bytov tzv. SNAP informácií. Zmyslom tejto úpravy bolo umožniť špecifikáciu ďalších typov prenášaných paketov. Postupom času pribúdali ďalšie inštitúcie, ktoré navrhovali vlastné služby, vlastné typy paketov, ktoré chceli prenášať Ethernetovskými rámcami, ale ktoré nebolo z najrôznejších dôvodov (organizačných aj logických) identifikovať prostredníctvom DSAP a SSAP identifikátorov. Nový číselník Sub-Network Access Protocol SNAP obsahuje údaje o mnohých ďalších protokoloch ktoré môžu byť enkapsulované do Ethernet paketu. Implementácia SNAP do rámca potom má nasledovný tvar: Pole DSAP aj SSAP sa naplní hodnotou Aah a pole Control nadobúda hodnotu 03h. Pribúda pole SNAP, ktoré zaberá vnútri dátového rámca ďalších 5 Byte. Ide sa o dve polia: Organization Code (3 byty), špecifikujúce organizáciu, ktorá zodpovedá označeniu typu prenášaného paketu, ktorý je uvedený v poli Type (2 byty). Pole Type označuje protokol vyššej vrstvy, ktorému enkapsulovaný paket prislúcha Vďaka tomuto rozšíreniu môže rámec typu Ethernet SNAP prenášať nielen dáta enkapsulované do IPX paketu, ale môže prenášať aj pakety IP a mnohé ďalšie. Ukážka štruktúry rámca Ethernet s rozšírením SNAP Preambula 7 SFD cieľa zdroja Dĺžka (encapsulovanéh o paketu ) 2 Dáta - enkapsulovaný paket DSAP SSAP Con trol SNAP 5 Dáta FCS 4 Je treba uviesť, že rozšírenie rámca o LLC polia (SAP a SNAP) nie je vyhradené iba pre rámce typu Ethernet, ale používa sa aj u mnohých iných typov rámcov. Rámec Ethernet II Rámec Ethernet II je v súčasnosti jednoznačne najpoužívanejší. Má štruktúru prakticky zhodnú s pôvodným rámcom RAW, ale pole lenght už má mierne posunutý význam: Vieme, že dĺžka paketu, teda hodnota v poli lenght u rámca RAW, môže byť maximálne 500 dec., teda 05DC (hex). Číselník enkapsulovaných paketov sa však začína hodnotamy vyššími, ako je 05DC (hex), preto bol protokol popisujúci rámec Ethernet II upravený proti Ethernetu RAW nasledovne: Ak je hodnota v poli lenght/typ menšia ako 05DCh, interpretuje sa hodnota ako dĺžka enkapsulovaného paketu a ďalej sa analyzuje začiatok poľa DATA. Analýza prvých byte poľa DATA potom upresňuje o aký typ rámca a prenášaných dát ide: Ak sa začína FF FF 03, ide o IPX paket a je to rámec RAW. Ak sa začína AA AA 03, ide o SNAP rámec. Ak je hodnota iná, ide o rámec a treba prvé tri byty interpretovať ako DSAP, SSAP a CTRL. Ing. Jaromír Tříska 8/5 SPŠE Piešťany, 204

9 Ak je hodnota v poli lenght/typ vyššia ako 05 DC h, interpretuje sa pole lenght/typ ako TYP enkapsulovaného rámca (typ sa zistí pomocou číselníku) a hodnota dĺžky sa už nezisťuje (dĺžka je zakódovaná ako súčasť prepravovaného paketu). Ethernet II má zo všetkých ethernetovských rámcov najjednoduchšiu štruktúru, vďaka univerzálnosti poľa lenght/typ je najuniverzálnejší.. Podporuje IPX/SPX aj TCP/IP, umožňuje aj enkapsuláciu podľa s využitím LSAP číselníku. Vyhodnotenie typu a prenášaných dát si však vyžaduje podrobnú analýzu jednotlivých polí Ukážka štruktúry rámca Ethernet II Preambula 7 SFD cieľa zdroja Dĺžka/ typ (encapsulované ho paketu ) 2 Dáta FCS Dôležité parametre rámcov Medzi dôležité parametre patrí bit time, slot time, interframe space, maximálna a minimálna veľkosť rámca. Bit time je čas potrebný na prenesenie jediného bitu danou technológiou. V režime basebandu vieme bit time ľahko vypočítať ako prevrátenú hodnotu prenosovej rýchlosti. Príklad: Ak prenosová rýchlosť = 00 Mb/s, bit time = / 00 * 0 = / *0 8 = *0 8 = 0 ns Slot time je doba od začiatku vysielania rámca, po ktorý počúva rozhranie (karta), či na sieti nenastane kolízia. Tento čas prakticky určuje minimálnu veľkosť rámca (veľmi malý rámec, ktorý by bol odvysielaný v čase kratšom ako je určený slot time, by totiž mohol spôsobiť kolíziu, ktorá by nebola všetkými kartami detekovaná). Dĺžka slot time sa vyjadruje počtom bit time a je určená ako súčasť špecifikácie pre jednotlivé štandardy. Interframe space (označuje sa tiež ako interframe gap) je povinná medzera medzi rámcami. Po tento čas nesmie dôjsť ku vysielaniu. Po odvysielaní rámca nesmie po tento čas žiadna stanica začať vysielať. Interframe space sa vyjadruje počtom bit time a je určená ako súčasť špecifikácie pre jednotlivé štandardy. Minimum size je najmenšia povolená veľkosť rámca pre daný štandard. Minimálna veľkosť rámca je prakticky určená veľkosťou time slotu. Taktiež je určená ako súčasť špecifikácie pre jednotlivé štandardy. Maximum size je najväčšia povolená veľkosť rámca pre daný štandard a je určená ako súčasť špecifikácie pre jednotlivé štandardy. Ing. Jaromír Tříska 9/5 SPŠE Piešťany, 204

10 Parametre rámcov pre jednotlivé štandardy: 0 BASE 00 BASE 000 BASE 0G BASE bit time 00 ns 0 ns ns 0, ns slot time 52 bit-times 52 bit-times 409 bit-times nie je určený * interframe space 9 bit-times tj. 9, us 9 bit-times tj 90 ns 9 bit-times t.j. 9 ns 9 bit-times t.j. 0,9 ns min. size 52 bits (4 Byte) 52 bits (4 Byte) 52 bits (4 Byte) 52 bits (4 Byte) max size 58 Byte 58 Byte 58 Byte 58 Byte * Keďže nepovoľuje kolízie ani neráta s ich vznikom, nemá zmysel určovať time slot Ďalší vývoj Rámce 802.3, 802.2, SNAP a Ethernet II boli koncipované pre 0 Mb/s a 00 Mb/s varianty Ethernetu. S príchodom nových technológií postavených na vysokých frekvenciách nosných došlo ku dramatickému zníženiu bit-time a tým aj času prenosu rámcov. Paradoxne vysoké rýchlosti nutia programátorov navrhovať špeciálne opatrenia na elimináciu príliš malých rámcov doplňovaním neužitočných dát vypchávok. Pre G Base Ethernet bol definovaný Jumbo rámec, a v súčasnosti pracuje skupina IEEE AS na definícii nového tvaru rámca, ktorý bude prenášať aj viacero riadiacich informácií, bude teda obsahovať viacero polí v hlavičke. 3.9 Základy analýzy rámcov Ethernetu V tejto kapitole riešime dva typy úloh:. Zo zachytených dát v podobe streamu zobrazeného v hexakóde určiť dôležité parametre zachyteného rámca: typ rámca charakter enkapsulovaných dát (protokol sieťovej vrstvy určený na spracovanie enkapsulovaného paketu, zdrojová a cieľová služba podľa čísleníkov SAP, resp. SNAP) celková veľkosť rámca vrátane hlavičky a traileru 2. Z dát ktoré definujú vlastnosti rámca a údajov o charaktere fyzickej vrstvy (predovšetkým bittime) určiť čas potrebný na odoslanie, resp. prenos rámca 3.9. Analýza typu rámca a typu enkapsulovaného paketu V skutočnom bitstreame na linkovej vrstve sa nenachádzajú žadne oddelovníky, medzery či iné znaky oddelujúce jednotlivé polia hlavičky. Definovaný je iba začiatok rámca poľom SFD, a koniec rámca poľom FCS. Pri analýze bistreamu, resp. hexastreamu musíme vychádzať striktne z vedomostí o štruktúre rámca, o veľkosti a význame polí: obr.: ukážka zachyteného hexastreamu Ako bolo uvedené, pred samostným rámcom býva odvysielaná preambula, končiaca sa SFD. Hexastream v tvare AA AA AA AA atď. až AB na začiatku streamu nemôže byť nič iné iba preambula. Pozn.: Inteligentné analyzátory zachytených bitstreamov, ako napr. Wireshark či Ethereal, preambulu automaticky odfiltrujú a nezobrazujú. Takisto odstraňujú FCS. Preto v ukážke nie sú preambula ani FCS zobrazené. Ing. Jaromír Tříska 0/5 SPŠE Piešťany, 204

11 Za preambulou, resp. bajtom s hodnotou AB, sa začína B pole s MAC adresou cieľa. Za ním nasleduje B pole s MAC adresou zdroja. Identifikácia uvedených polí je jednoduchá a ich interpretácia je jednoznačná. Problematickou môže byť interpretácia poľa type/ lenght. Ak je hodnota tohto poľa vyššia ako 05DC, ide jednoznačne o rámec typu Ethernet II a pole TYPE sa interpretuje pomocou číselníka Ethertype ako definícia protokolu tretej vrstvy na spracovanie enkapsulovaných dát. Ak je hodnota poľa type/ lenght menšia ako uvedená hodnota, ide o rámec 802.3; ten však môže obsahovať rozširujúce LLC polia (SAP, SNAP). Potrebné je vyhodnotiť prvé tri bajty za poľom type/ lenght. Ak sa na týchto pozíciách nachádza hodnota FF FF 00, ide s istotou o typ bez LLC polí a enkapsulovaným paketom je IPX. Ak sa na týchto pozíciách nachádza hodnota AA AA 03, ide s istotou o typ Ethernet SNAP a je nutné podľa SNAP číselníka dekódovať význam nasledovných 5 bajtov. Ak je hodnota bajtov bezprostredne za poľom type/ lenght odlišná od uvedených hodnôt, ide o rámec s rozširujúcimi LLC poliami podľa a ich význam je nutné interpretovať podľa číselníka služieb SAP Analýza polí rámca v ukážke: Prvých B predstavuje MAC adresu cieľa, ďalších B predstavuje MAC adresu odosielateľa. Nasledovné pole je typu lenght/type V ukážke je hodnota poľa lenght 0x2, tzn. ide o definíciu veľkosti enkapsulovaného paketu, pričom enkapsulovaný paket má 38B. Minimálna veľkosť je však 4 B. Preto je za enkapsulovaný paket doložená vypchávka zložená zo samých núl tak, že celková dĺžka enkapsulovaného paketu je 4 B. Za poľom lenght sa nachádza sekvencia Podľa vyššie uvedeného kľúča ide jednoznačne o DSAP a SSAP polia s hodnotou 42. Pohľadom do SAP číselníku zistíme, že ide o IEEE 802. Spanning Tree Protocol, ktorý je enkapsulovaný vnútri paketu. Polia DSAP, SSAP a CTRL sa rátajú do hodnoty celkovej dĺžky enkapsulovaného paketu Určenie času potrebného na prenos rámca. Na určenie tejto veličiny potrebujeme v zásade dva údaje: celková veľkosť rámca vrátane réžie bittime Základom je poznať veľkosť enkapsulovaného paketu. Táto hodnoty musí byť uvedená buď v poli lenght, alebo musí byť uvedená v zadaní príkladu. Ku tejto hodnote pričítame veľkosť hlavičky rámca vrátane traileru, preambulu a interframe gap. Je dôležité vyjadriť všetky hodnoty v rovnakých jednotkách; pracovať buď v bitoch, alebo bajtoch a nemiešať v priebehu sčítania hodnoty vyjadrené v bitoch aj v bajtoch. Bittime vyjardíme jednoducho, ako prevrátenú hodnotu deklarovanej komunikačnej rýchlosti siete. Celkový čas potrebný na prenos rámca pak získame ako súčin ceľkovej veľkosti rámca (vrátane preambuly a interframe gap vyjadrenej v bitoch) a bittime. Špeciálna situácia nastáva u rámcov typu a SNAP. LLC polia DSAP, SSAP a CTRL sa započítávajú do celkovej veľkosti enkapsulovaného paketu, teda v poli lenght figuruje hodnota veľkosť enkapsulovaného paketu + 3 bajty, ale medzi užitočné dáta (čisto dáta určené na spracovanie sieťovou vrstvou) sa nezarátavajú. Obdobná situácia nastáva u rámca typu SNAP; v takom prípade musíme ku užitočným dátam pripočítať 8 bajtov a túto hodnotu ukladať do poľa lenght. Ing. Jaromír Tříska /5 SPŠE Piešťany, 204

12 Analýza času potrebného na prenesenie rámca v ukážke: V ukážke máme deklarovanú veľkosť enkapsulovaného paketu (vrátane DSAP, SSAP a CTRL polí) 38 B. Dáta sa teda končia sekvenciou 0f 00, zvyšné nuly slúžia ako vypchávka. Môžme teda uvažovať minimálnu povolenú veľkosť paketu: 8B preambula + SFD, 8 B hlavička + FCS, 4B dáta + SAP polia, 2 bajttime interframe gap. Za predpokladu, že rámec je prenášaný po 00 Mbps sieti, je hodnota bittime 0ns. Veľkosť rámca spolu: = 84 Btime = 72 bittime. Čas prenosu: 72 * 0 = 720 ns =,720 us Riešený príklad Zadanie: Pole lenght zachyteného rámca obsahuje hodnotu 0x40 a začiatok enkapsulovaného paketu obsahuje dáta BC BC 03. Určte veľkosť celého rámca vrátane hlavičky. Určte veľkosť samotného enkapsulovaného paketu, ktorý bude odovzdaný sieťovej vrstve. Určte čas potrebný na odoslanie tohto paketu, ak bude prepravovaný sieťou 00 BASE TX. Riešenie: Určenie typu rámca a enkapsulovaného paketu. Začneme údajom, že začiatok enkapsulovaného paketu obsahuje hodnoty BC BC 03. V číselníku SAP služieb vyhľadáme, že hodnota 0xBC predstavuje enkapsulovaný paket typu Banyan Vines. Ide o rámec typu Ethernet Preamb SFD MACd MACs Lenght Encaps data FCS gap DSAP SSAP CTRL DATA dĺžka [B] B 4 2 dĺžka spolu 030 B hodnota [hex] AA AA... AB 040 BC BC 03 LLC polia definujú Banyan Vines protokol pre enkapsulované DATA Hodnota v poli lenght 0x40 predstavuje ceľkovú veľkosť enkapsulovaných dát 030B (ružové pole). Po odčítaní 3B spotrebovaných na polia DSAP, SSAP a CTRL (žlté polia) ostáva 027B užitočných dát (enkapsulovaný paket tretej vrstvy modré pole). Výpočet času potrebného na prepravu paketu. Bittime pre sieť 00BASE TX, tzn. 00 Mbps, predstavuje 0ns (/ *0 8 = *0-8, t.j. 0 ns) Celková veľkosť rámca: 8B preambula, 8 B hlavička + trailer, 030 B enkapsulovaných (užitočné dáta + LLC polia), 2 ( bajttime ) gap. Spolu 08 bajttime, t.j bittime. Výpočet potrebného času: 8554 * *0-8 = 8,554 *0-5 = 85,54 μs. Ďalšie riešené príklady sú spracované v dokumente Analýza rámcov na web stránke PK info. Ing. Jaromír Tříska 2/5 SPŠE Piešťany, 204

13 3.0 Príklady: Analýza konkrétnych zachytených rámcov Rámec typu s rozšírením o LLC polia Polia DSAP aj SSAP obsahujú hodnotu 0x42, ktoru je identifikovaná služba STP ako zdrojová aj cieľová služba. Hodnota 0x2 v poli lenght určuje veľkosť encapsulovaných dát, na konci paketu je potrebná vypchávka z núl. STP protokol predstavuje sám o sebe službu, neenkapsuluje žiadne iné protokoly ani nevyužíva vyššie vrstvy modelu OSI. Rámec typu Ethernet II Hodnota v poli type 0x080 identifikuje enkapsulovaný protokol tretej vrstvy ako ARP. Z hodnoty MAC adresy destination vidíme, že ide o broadcast výzvu. Veľkosť paketu nie je v rámci definovaná. ARP protokol predstavuje sám o sebe službu, neenkapsuluje v sebe žiadne iné protokoly ani nevyužíva žiadne ďalšie vrstvy modelu OSI. Ing. Jaromír Tříska 3/5 SPŠE Piešťany, 204

14 Rámec typu Ethernet II Hodnota v poli type 0x0800 identifikuje enkapsulovaný protokol tretej vrstvy ako IP v.4. V IP protokole je enkapsulovaný UDP paket s cieľovým portom 900 a zdrojovým portom UDP paket prenáša enkapsulovaný HTTP paket. Veľkosť paketu nie je v hlavičke rámca definovaná, dá sa vyčítať až z hlavičky IP paketu. Rámec typu SNAP. Hodnota v poli lenght 0x0F určuje veľkosť enkapsulovaného paketu na 37 B (vrátane SNAP polí). Hodnota AA AA 03 za poľom lenght definuje, že nasledujú SNAP polia. Hodnota SNAP poľa definuje enkapsulovaný CDP protokol. CDP protokol predstavuje sám o sebe službu neenkapsuluje už žiadne iné protokoly, ani nevyužíva služby vyšších vrstiev. Ing. Jaromír Tříska 4/5 SPŠE Piešťany, 204

15 Rámec typu Ethernet II Hodnota v poli type 0x837 identifikuje enkapsulovaný protokol tretej vrstvy ako IPX. Z hodnoty MAC adresy destination vidíme, že ide o broadcast advertisement. IPX je protokol sieťovej vrstvy, v sebe enkapsuluje protokol SAP. 3. Poruchy pri prenose Ethernetom musí identifikovať a riešiť chyby prenosu na fyzickej vrstve. Pre Ethernet sú definované minimálne a maximálne časové úseky nazývané Time Slot v ktorých môže prebiehať vysielanie rámca. Minimálna veľkosť rámca je 4B dátový paket + B MACd + B MACs + 2B lenght + 4B FCS, spolu 4 B, t.j. 52 bit. Minimálna dĺžka vysielania rámca je teda 52 bittime (počíta sa čas vysielania samotného rámca, bez preambuly a nezapočítava sa povinná interframe gap) Maximálna povolená veľkosť rámca je 500B dátový paket + B MACd + B MACs + 2B lenght + 4B FCS, spolu 58 B, t.j. 244 bit. Maximálna dĺžka vysielania rámca je teda 244 bittime 3.. Typy porúch rámcov Ethernetu: Collision or runt (kolízia alebo zakrslík) pred uplynutím očakávaného minimálneho time slotu nastane simultánny prenos (zmiešanie dvoch rôznych signálov) Late collision (oneskorená kolízia) simultánny prenos nastane po uplynutí predpokladaného času odosielania rámca Jabber, long frame and range errors (džavot, príliš dlhý rámec alebo chyba deklarovanej veľkosti) príliš dlhý alebo nepovolený čas prenosu Short frame, collision fragment or runt nelegálne krátky prenos FCS error pri prenose došlo ku poškodeniu rámca Alignment error skutočne prenášaný počet bitov rámca je buď nedostatočný, alebo naopak nadmerný Range error nesúhlasí ohlásený počet bajtov rámca a skutočne prenášaný počet bajtov rámca Ghost or jabber neočakávane dlhá preambula alebo stav kolízie Slot Time je minimána dĺžka vysielania rámca (počíta sa bez preambuly a bez interspace gap) aby boli spoľahlivo zachytené prípadné kolízie. Slot time nemá význam u full-duplex prenosov. Zo Slot Time sa odvodzuje minimálna povolená dĺžka rámca. Slot Time je stanovený na 4B (=52 bit) Minimálna veľkosť rámca (veľkosti polí v bakjtoch): = 4 B Ing. Jaromír Tříska 5/5 SPŠE Piešťany, 204