Készült:

Összeállította:

Tartalomjegyzék

1. Bevezető

2. Az OSI referenciamodell

3. Az Ethernet, és az IEEE 802.3-as szabvány

4. Kábelek, csatlakozók, adóvevők

5. Vonali kódolás

6. Médiumfüggetlen interfész (MII)

7. MAC csomag és a keretszerkezet

8. A mérés eszközei, feladatok

9. Ellenőrző kérdések

Az alábbi segédlet a Villamosmérnöki szak Infokommunikációs rendszerek specializáció laboratórium "Mérések számítógéphálózatokon" című méréséhez készült.

Fő feladata hogy néhány példán keresztül bevezesse a hallgatót a hálózatok vizsgálatának alapvető módszereibe. Az első rész a fizikai (Layer 1), és adatkapcsolati (Layer 2) réteget vizsgálja, míg a további részek a magasabb rétegekkel foglalkoznak.

Az anyag az alábbi témakörökben nyújt eligazítást:

• Az OSI modell
• Az Ethernet, és az IEEE 802.3-as szabvány
• Fizikai hordozók, és csatlakozók (réz és optikai, a rádiós interfészt nem vizsgáljuk)
• Vonali jelek, villamos jellemzők, és jelintegritás
• Vonali kódolás, órajel/adatkinyerés (clock/data recovery)
• A fizikai réteg szabványos interfészei a közeg hozzáféréshez
• Az Ethernet keretszerkezete

És egy kis történelem...

A számítógép hálózatok hajnalán gyártók sokasága versengett, hogy az ő megoldásai legyenek az elsők a piacon, és ezzel iszonyú harc, és káosz keletkezett a hálózatok világában.

Az alábbi ábra ezt jól szemlélteti (jópár eleme még most is él, de sok elem már kihalt)

Hazánkban az elektronikus levelezés őse, az ELLA (ELektronikus Levelező Automata), az X.25-ös nyilvános csomagkapcsolt adathálózaton keresztül üzemelt.

Akkoriban a "Warez site"-ok az analóg telefonhálózatra (POTS - Plain Old Telephone Service) kötött "Dial-Up MODEM"-el elérhető BBS-ek (Bulletin Board System) voltak, vagy a fentebb említett X.25 hálózaton keresztül elérhető számítógépek ahol a file-okat a Kermit (az FTP elődje) segítségével lehetett lehúzni.

Az Internet elterjedésével Layer7-es átjárót (pl. Charon Gateway) kellett biztosítani az SMTP (Simple Mail Transfer Protocol) számára, hogy a külföldi - IP alapú - partnerek is elérhetőek legyenek onnan.

Az egyetemi tanszékek zöme Novell/Netware alapú lokális számítógéphálózati szolgáltatásokra támaszkodott - IPX/SPX protokoll felett, és a Layer1 ArcNet, vékony/vastag Ethernet, TokenRing, vagy pedig az Apple Macintosh AppleTalk-ja volt.

A GUEST témaszámmal több mint száz Novell szervert lehetett elérni - oktatási, vagy egyéb anyagokra vadászva a kampuszon belül...

Az egységes adminisztráció VAX masinákon ment (a DEC-től), DECNET protokoll felett, tipikusan Ethernet alapokon...

Az IP alapú hálózat előretörésével megjelent a "Gopher" (port 70), az ős-böngésző, ami a WWW (port 80) elődjének tekinthető.

Míg az előbbi igyekezett sztatikusan egy fa-szerkezetbe rendezni a világ összes tudását, ez utóbbi - ahogy azt ma is látjuk - egy kusza hálóba kívánja azt rendezni élő adattér felett.
(ez a lap nem az ami tegnap volt)

Így nézett ki az előd TTT tanszék a WEB hajnalán (1996, a https://web.archive.org segítségével), és kishazánk...

https://web.archive.org/web/20000818210341/http://beta.ttt.bme.hu/,
https://web.archive.org/web/20010401001434/http://alpha.ttt.bme.hu/,
https://web.archive.org/web/20050129145558/http://alpha.tmit.bme.hu/,
és most.

Az OSI (Open System Interconnection, nyílt rendszerek összekapcsolása) hivatkozási modell olyan rendszerek összekapcsolásával foglalkozik melyek nyitottak más rendszerekkel való kommunikációra.

Az ISO (International Standards Organisation, Nemzetközi Szabványügyi Szervezet) által kidolgozott ajánláson alapuló modell hierarchikus, és hét egymásra épülő rétegből áll.

Az alább ismertetésre kerülő rétegek működési módját már aránylag jól kézben tartható eljárások és módszerek szabhatják meg, melyek megfelelnek egy-egy ú.n. rétegprotokollnak.

Egy hálózatra kötött számítógépben a referenciamodell egyes rétegei konkrét formát ölthetnek.

A rétegek funkciói különféle rendszertechnikai elemek (szoftver, hardver) formájában jelennek meg.

A 7. réteg az operációs rendszer által felügyelt felhasználói alkalmazás, vagy háttérszolgáltatás lehet.

A 4..6 rétegeket tipikusan szervizdémonokhoz kapcsolódó dinamikus/statikus eljáráskönyvtárak valósítják meg.

Az 1..3 rétegeket kernel szintű (esetleg hardver gyorsított) eljárások, meghajtók, és a kábelezéssel összekötött hálózati csatolóeszközök (hardver) valósítják meg.

Azok az eszközök és eljárások, melyek az adatok átviteléhez, az adatkapcsolati entitások közötti fizikai összeköttetés létrehozásához, fenntartásához, és bontásához szükségesek.

Ez a réteg szabja meg, hogy a számára jelentéssel nem bíró bitsorozatot milyen vonali kódolással, milyen villamos jellemzők mellett, milyen típusú kábelen kell továbbítani úgy, hogy a továbbított jel minél kevésbé sérüljön (signal integrity).

A mérés során találkozni fogunk ezekkel.

Azon eszközök, melyekkel hálózati entitások között egy vagy több adatkapcsolati összeköttetés hozható létre, tartható fenn, szüntethető meg. Ennek a rétegnek feladata az, hogy felfedje, esetleg kijavítsa a fizikai rétegben az átvitel során keletkező hibákat.

Az Ethernet esetén az IEEE 802.x sorozatú ajánlások szerint ez a réteg két részre hasad:

• LLC (Logical Link Control) amely a közeghozzáférési módszertől független logikai kapcsolatvezérlést végez. A gyakorlatban a vegyes protokollok szétválasztását, illetve a hibakezelést, és a folyamvezérlést (flow control) másutt végzik, így ez az alréteg kihalóban van. (nem is tárgyaljuk)
• MAC (Media Access Control) amely az adott fizikai réteghez történő hozzáférést szabályozza. Az ős Ethernet esetén ez a CSMA/CD (Carrier sense multiple access with collision detection) volt.
  Manapság a közeg valójában egy hálózati kapcsolóeszköz (switch), és a kapcsolat valójában mindig pont-pont közötti. Az Ethernet keretek tárolása (ütközés helyett), a MAC cím, és kerettípus alapján történő továbbítása is ott történik.
  Esetünkben a vizsgálat tárgyát csak a keretszerkezet, illetve a különféle fizikai címzési módok képezik.
  (unicast - pont/pont, broadcast - mindenkinek, L2 multicast - L2 csoportnak)

A TCP/IP rétegmodell hálózati interfész rétege egybefonja az OSI első két rétegét.

Létezik egy titkos két és feledik réteg is (mint a Harry Potter-ben a 9 és háromnegyedik vágány).
Ez az MPLS (Multiprotocol Label Switching), ami lehetővé teszi a csomagok útvonalválasztásának hardver gyorsított irányítását - függetlenül a kettes, és hármas rétegbeli címzési módoktól.

A kommunikáló entitásokat tartalmazó állomások között a hálózati összeköttetés létrehozásáról, fenntartásáról és bontásáról gondoskodik a megfelelő útvonalkinyerés (kijelölés, vagy keresés) mellett.

Pl. a helyi hálózatokat összekötő utvonalválasztó eszközöknek (router) kell ezt a réteget a legerősebben támogatnia.

Ezt a hálózat topológiáját dinamikusan kinyerve (routing protocol), és/vagy sztatikusan leíró adatbázis felhasználásával tudja megtenni.

A gyakorlatban az IP protokoll hálózati rétegével találkozhatunk a leggyakrabban.

Az IP protokoll címzési/útvonalválasztási eljárásai, és a további rétegek vizsgálata nem tárgya a mérésünknek.

Az üzeneteknek a hálózaton át történő megbízható, végponttól végpontig végzett hibamentes szállításáról gondoskodik.

A réteg az üzeneteket transzparens módon közvetíti az adatfolyam alkalmas csomagolása mellett.

Ugyancsak gondoskodik a csomagok sorrendhelyes összeállításáról a felsőbb rétegek felé.

A leggyakrabban az IP szállítási rétegével, a TCP-vel találkozhatunk.

Ez a réteg gondoskodik a megjelenítési entitások közti együttműködés szervezéséről, az egy vagy kétirányú viszony létrehozásáról/bontásáról, és dialógusaik szinkronizálásáról.

Az IP alapú modellnél egyszerűbb esetben a TCP (szállítási réteg) végzi el ezt a feladatot.

Az összeköttetés mentes, pl. UDP alapú kommunikáció esetén az alkalmazások valósítják meg ezeket a funkciókat.

Az alkalmazások számára szemantikailag helyes információt szolgáltat, a platformfüggetlen működés biztosítására. Ilyen pl. a kódkonverzió.

Tipikus gond e réteg hiánya a TCP/IP protokoll feletti file átvitel esetében (FTP) ahol a felhasználó az applikáció szintjén kell hogy közölje a túlsó oldallal az átvinni kívánt file típusát (text/bin).

A végfelhasználóknak, vagy magas szintű rendszerelemnek nyújt közvetlen szolgáltatásokat.

Ezt a munkaállomásra, vagy a szerverre telepített hálózati alkalmazások realizálják, melyek vagy felhasználói felülettel rendelkeznek, vagy pedig az adott operációs rendszer erőforráskészletét egészítik ki a hálózati erőforrásokkal.

Ilyen pl. a WEB-es alkalmazások, az elektronikus levelezés, a nyomtatás, a file-ok átvitele, a távoli asztal szolgáltatás, stb...

Az Ethernet alapú lokális számítógéphálózati architektúra több évtizedes múltra tekinthet vissza.

Akkoriban még számtalan versenytársa volt, mint például az IBM Token-ring-je, az Apple LokalTalk-ja, vagy az ArcNet.

Ugyancsak számtalan hálózati architektúra, és protokoll létezett. A Novell IPX/SPX-e, a DEC DECNET-je, az IBM SNA-ja, és a többiek is mára már történelemmé váltak - az Ethernet, és a TCP/IP vitte el a pálmát.

Az Ethernet azóta folyamatosan fejlődik, és mostanra a vezetékes helyi hálózatok esetében egyeduralkodóvá vált.

De nem csak a helyi, hanem a nagy távolságú, és nagy kiterjedésű hálózatok esetén is egyre gyakoribb. A szinkron Ethernet még az SDH alapú távközlési hálózatokkal való versenyt is lehetővé teszi.

Jelenleg a rá vonatkozó IEEE 802.3-as szabvány hat kötetes, és összességében a több ezer oldal nem könnyű olvasmány. Az ebben leírtak az OSI modell első két rétegének funkcióit szabványosítják.
(www.ieee.org, Institute of Electrical and Electronics Engineers)

A mérésünk során az alábbi kötetek néhány fontosabb passzusát nézzük meg "előben".

Az alábbi ábra az IEEE 802.3-as szabvány architektúrájának kulcs elemeit mutatja, illetve mindezek fizikai (balra), és OSI rétegbeli (jobbra) megfelelőit.

Az alábbi táblázatban összefoglaljuk az Ethernet leggyakoribb változatait a sebességük, és fizikai rétegbeli megvalósításuk szerint.

A továbbiakban a fentiek néhány tipikus megvalósítását tárgyaljuk - a teljesség igénye nélkül.

Ahogy a címből is kiderül, fejezetünk a PMD alréteg kézzel fogható elemeit tárgyalja.

Ezek az elemek fizika megjelenésük alapján vizuálisan is könnyen azonosíthatóak. A továbbított jel integritásának megőrzése szempontjából ezek az elemek is kulcsfontosságúak.

Jó minőségű hálózat kiépítéséhez jó minőségű csatlakozókra, és kábelekre van szükség (lehetőleg minnél kevesebb toldási ponttal).

Lássuk hát őket!

Az alábbi ábra az Ethernet csavartérpáras csatlakoztatását mutatja (4 db érpár), amely a gyakorlatban szinte mindig RJ45-ös, vagy azzal kompatibilis csatlakozókkal történik.

Kisebb sebességeknél (10/100-as Ethernet) irányonként egy-egy dedikált érpárat használunk a kétirányú kommunikációra (pl. Transmit - PC-től a switch felé, Receive a switch-től a PC felé).

Nagyobb sebességeknél ( >100 Mbps ) mind a négy érpárat egyidejű, és kétirányú kommunikációra használjuk. Az irányok szétválasztása hibridáramkörökkel történik. (mint a hagyományos telefonnál az egy érpáron történő két irányú beszédjel átvitel - telephone hybrid)

A nagy sebességű hibamentes átvitel eléréséhez fontos, hogy a közelvégi áthallás kicsi legyen (Near End Crosstalk - NEXT).

Régen felmerült a kérdés, mi van ha két PC-t akarunk összekötni?
Egyenes kábel esetén a két adó kerül szembe egymással. . .
A megoldás az ú.n. keresztkábel volt (piros színű csatlakozókkal).

Manapság a 10/100/1000-es interfészek az automatikus egyeztetés (Autonegotiation) során nem csak a sebességet, hanem a keresztkábelezést is egyeztetik (Auto MDI-X), így elegendő mindenütt egyenes kábelt használni.

Ugyancsak az automatikus egyeztetés során dől el az is hogy az kommunikáció egy, vagy kétirányú. (half-duplex/full duplex)
A half-duplex működés az ősi, koax-os ethernet (10BASE-5, 10BASE2) idejéből ered, ahol az eszközök egyetlen hosszú koaxiális kábelre csatlakoztak (sín topológia), és ez a médium közös volt. (a közeghozzáférés módja CSMA/CD - Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection volt). Soha ne kapcsoljuk be ezt a módot, hacsak nincs rá valami különleges okunk!

Az Ethernet szabvány előírásai rézkábeles átvitel esetén a 100 méteres távolság üzembiztos áthidalását célozzák meg.

Ez tipikusan egy épületen belüli struktúrált kábelezést jelent, illetve egy helyiségen belül a számítógépek bekötését egy helyben telepített kapcsoló eszközbe.

Ennek eléréséhez minimum követelményeket fogalmaz meg a kábel kategóriájára, és a minőségi osztályára vonatkozóan.

A köznyelvben csak Cat5-ös (minőségi osztályba még nem sorolt, Categoty 5) kábelként emlegetett típust már nem is igazán lehet beszerezni.

Az alábbi táblázat azt a napjainkban alkalmazott két, árnyékolatlan, sodrott érpáras (Unshielded Twisted Pair, UTP) kábelfajtát mutatja, amely teljesíti a szabványban előírtakat.

Típus	Kinézete	Sebesség
Category 5, Class E (Cat5e)		10..1000 Mbps
Category 6, Class A (Cat6a)		10 Gbps

Látható, hogy a Cat6-os kábelnél egy középső, kereszt alakú műanyag sín biztosítja az érpárak jól kézbentartott szeparációját, és a párok egymás körüli csavarodását, ezzel is csökkentve az érpárak közötti áthallást, illetve javítva a zavarvédettséget.

Érdemes megjegyezni, hogy a rezes 10 Gbps (10GBASE-T) nem költséghatékony. Túl nagy az egy portra vetített fogyasztása, és a kábel is drágább.

Nagyobb távolságra inkább optikai szálat használnak. Rövid távolságra, például a Datacenterekben, inkább a koaxiális DAC-okat (Direct Attached Copper) használják k.b. 5 méter erejéig.

Persze jobb és rosszabb kábeleket is alkalmaznak a gyakorlatban (nem javasolt).

Saját tapasztalatból, illetve a netes fórumokon zajló beszélgetésekből az alábbiakat tudjuk leszűrni.

Külső zajoktól erősen terhelt környezetben a jelminőség megőrzésének érdekében árnyékolást alkalmaznak a csavart érpárköteg körül.
Ez lehet olcsó, fóliás megoldás (F/UTP, Foiled Unshielded Twisted Pairs), vagy a jobb minőségű fémharisnyás árnyékolás (S/UTP, Shielded Unshielded Twisted Pairs).
Az érpáronkénti árnyékolás túlságosan drága, pláne ha a csoport is árnyékolt (FTP,STP,F/FTP,S/FTP).

Érdemes megjegyezni, hogy a hosszú, egyedül álló kábel esetén az árnyékolás bizonyos esetekben akár ronthat is a helyzeten.

Két ponton földelve, egy erősáramú ipari környezetben földhurok alakulhat ki, amely komoly zavarokat vihet be a jelvezetékekre.

Egy ponton földelve érzékenyebb lesz a rádiófrekvenciás zavarokra (állóhullámok alakulnak ki a köpenyen).

Nagyobb távolságok áthidalására rézvezető helyett optikai szálat szoktak alkalmazni, az épületszárnyak összekötésétől a városi hálózatok kiépítéséig. Az elérhető sebesség, és a távolság itt is nagyban függ a szál típusától, illetve minőségétől.

A nagyobb magátmérőjű multi módusú (Multi Mode - MM) szál esetén a fény több módusban reflektálódik (Er2>Er1), míg a vékonyabb egymódusú (Single Mode - SM) szálban egy úton terjed a fény. Nagy távolságok leküzdésére SM szálat használnak.

Az alábbi táblázat összefoglalja a gyakoribb kábelkategóriákat, és azok fontosabb tulajdonságait,

Az alábbi táblázatban a sebesség/távolság mátrix keresztpontjaiban a legolcsóbb arra alkalmas kábeltípus található.

Itt is fontos hogy minél kevesebb toldási pont legyen az útvonalon, és azok is jó minőségű optikai csatlakozókkal legyenek kivitelezve.

A csatlakozópár (dugó, és aljzat) fő feladata, hogy nagy pontossággal, és stabilan illessze egymáshoz a két optika végződést (üvegszál vs. üvegszál, vagy adóvevő), minél kisebb csillapítás, és reflexió mellett. Az alábbi táblázat néhány gyakori típust foglal össze:

Típus	Kinézet	Csap méret (Ferrule)
LC (Lucent/Little Connector)		1.25mm
SC (Subscriber/Square Connector, Stick and Click)		2.5mm
ST (Straight Tip, Bayonet, Stick and Twist)		2.5mm
FC (Ferrule/Fibrechannel Connector)		2.5mm
MPO (Multi-Fiber Push On/MultiPath Optical)		6.4 x 2.45mm

Normál esetben az üvegszál végét a szálra merőlegesen vágják el, és polírozzák (PC-Physical Contact). Ennél a reflexiós csillapítás <-35dB

A jobb minőségű APC (Angular Physical Contact) esetén az üvegszál végét ferdén (+8 fokos szögben) vágják/polírozzák. Itt a reflexiós csillapítás jobb mint -65dB. Az ilyen csatlakozókat zöld színnel jelölik.

A beiktatási csillapítás 0.2..0.3 dB körül van az esetek többségében. Ez a kis érték lehetővé teszi az optikai szálas struktúrált kábelezést is.

A kábelrendezők, berendezések aljzatait két végén dugaszokkal szerelt patch-kábelekkel kötik össze. Erre több példát is láthatunk a laborban.

Az optikai adóvevők számtalan fajtáját alkalmazzák. Az alábbiakban csak néhány gyakori megoldást tárgyalunk - illusztrációként.

A legegyszerűbb alapfunkció a nagysebességű elektromos jelzéssorozat egyszerű átalakítása optika jellé az adóoldalon, illetve a vevő oldalon a visszaalakítás. Az adás tipikusan LED illetve lézer diódákkal, míg a vétel fotodiódákkal történik.

Az adóvevő minőségét az alkalmazott alkatrészek sebessége, teljesítménye, érzékenysége, illetve a kiegészítő jelkondicionálás szabja meg.

Régebbi berendezéseken az optikai adóvevő fixen az interfész kártyákra volt szerelve. Ez a megoldás nem tette lehetővé a berendezés upgrade-jét a teljes kártya cseréje nélkül.

Manapság a transceiver-eket szabványosított mechanikai, és elektromos jellemzőkkel rendelkező modulon helyezik el. A berendezés ekkor mindig ugyanazt az elektromos interfészt látja, míg az optikai jellemzők a modultól függenek.

A szabványosítás részben a gyártók közötti MSA-kon (Moulti Source Agreement), részben az SFF (Small Form Factor) Committee kiadványain alapult. Azóta az SFF beolvadt az SNIA-ba (Storage Networking Industry Association).

Kinézet	Típus	Alkalmazás	"Szabvány"	Csatlakozó
	GBIC GigaBit Interface Converter	1000BASE	SFF-8053 (lejárt)	SC
	SFP Small Form-factor Pluggable SFP+	1000BASE 10GBASE	INF-8074 (lejárt) SFF-8431	LC
	XFP Small Form-factor Pluggable	10GBASE	INF-8077 (lejárt)	LC
	QSFP Quad Small Form-factor Pluggable QSFP+	10GBASE 40GBASE 100GBASE	INF-8438 (lejárt) SFF-8436 (lejárt) SFF-8665	LC/MPO

Érdemes megjegyezni, hogy az SFP, és GBIC modulok esetén létezik rezes vonali interfész is, RJ45-ös csatlakozóval.

Az optika kábelek minél jobb kihasználása érdekében gyakran alkalmazzák a hullámhossz alapú multiplexálást (WDM: Wavelength-Division Multiplexing). Ennek célja lehet a sebességnövelés több vonal nyalábolásával (pl. QSFP esetén a négy vonal négy különböző hullámhosszon mehet sima LC csatlakozás mellett), és/vagy a kétirányú kommunikáció egy üvegszálon (BiDi - mint a GPON esetén - TTMER9).

A kábeleket, és csatlakozókat kitárgyaltuk. Lássuk mi megy a drótón/üvegen!

A vonali kódolás feladata az MII felől érkező, adott bitsebességű (pl. 100 Mbit/sec) bitek adott szimbólum-sebességű (pl. 125 Mbaud) jelsorozattá történő átalakítása, amit az Ethernet esetén a PCS/PMA páros végez.

A cél az hogy:

• a szimbólumsorozat a legkevésbé sérüljön az átviteli úton (illeszkedjen a csatornához)
• a vételi oldalon egyértelműen dekódolható legyen
• kinyerhessük belőle a küldött adatot, és a szinkront. (Clock/Data Recovery, azaz CDR).
• lehetőleg minél kisebb sávszélességet foglaljon a jel spektruma
• a vonali jel globális menetét (spektrum és időbeli lefolyás) ne befolyásolja az átvitt adat
• a szibólumsorozat egyenkomponense csak lassan változzon (rézvezető esetén ne is legyen)
• lehetőleg tartalmazzon hibajelzést a kódhibák esetén

Az Ethernet esetén a vonali kódolási eljárások folyamatosan fejlődnek, változnak.
Nézzünk néhány gyakorlati, még létező esetet:

Az ős Ethernet kódolása a fenti ábrán látható. Itt a bitsebesség 10 Mbps, a jelzési pedig 10 Mbaud. A vonali jelet úgy képezzük, hogy a bitidő közepén felfutó él van ha a küldött bit bináris 1. Bináris 0 esetén az él lefutó.

A MAC rétegből jövő adatok direkt módon, soros bitfolyamként, burst-ösen kerülnek továbbításra. (a legkisebb helyértékű bit megy először - LSB first):

0V (nincs meghajtva)-----

_~_MAC csomag sorosan_~_

---- 0V (nincs meghajtva)

Ennek előnye hogy az órajel nagyon egyszerűen kinyerhető. Az adat dekódolása és előállítása is az.

Nagy hátránya hogy szükségesnél jóval nagyobb sávszélességet igényel, és rossz minőségű közeg, vagy nagy távolság esetén a jelminőség romlása a link elvesztéséhez vezet.

Fizikai rétegbeli hibajelzés nincs.

Az 5.1-ben taglalt hibák leküzdésére itt kétfokozatú a kódolás. Az első fokozat a bejövő 4 bites csoportokhoz 5 bites szimbólumokat rendel, ezzel a kódtér szétbomlik érvénytelen és érvényes adat/vezérlő szimbólumokra.
A vonali jel jellemzői sokkal jobbak, és lehetőség nyílik a szimbólumhibák detektálására.

+----------+----------+ +-----------+----------------------+
|  5 bit   | 4 bit    | |  5 bit    |                      |
| PCS kód  | MII [Hex]| | PCS kód   | control/data         |
+----------+----------+ +-----------+----------------------+
|1 1 1 1 0 |  0       | | 1 1 1 1 1 | I  Idle              |
|0 1 0 0 1 |  1       | | 0 0 0 0 0 | P  Sleep             |
|1 0 1 0 0 |  2       | | 1 1 0 0 0 | J  Start Of Stream 1 |
|1 0 1 0 1 |  3       | | 1 0 0 0 1 | K  Start Of Stream 2 |
|0 1 0 1 0 |  4       | | 0 1 1 0 1 | T  End Of Stream 1   |
|0 1 0 1 1 |  5       | | 0 0 1 1 1 | R  End Of Stream 2   |
|0 1 1 1 0 |  6       | | 0 0 1 0 0 | H  Error             |
|0 1 1 1 1 |  7       | | Others... | .  Invalid code      |
|1 0 0 1 0 |  8       | | x x x x x | x                    |
|1 0 0 1 1 |  9       | | x x x x x | x                    |
|1 0 1 1 0 |  A       | | x x x x x | x                    |
|1 0 1 1 1 |  B       | | x x x x x | x                    |
|1 1 0 1 0 |  C       | | x x x x x | x                    |
|1 1 0 1 1 |  D       | | x x x x x | x                    |
|1 1 1 0 0 |  E       | | x x x x x | x                    |
|1 1 1 0 1 |  F       | | x x x x x | x                    |
+----------+----------+ +-----------+----------------------+

Itt a bitsebesség 100Mbps, a jelzési pedig 125 Mbaud.

A MAC rétegből jövő adatok adat típusú szimbólumokként kerülnek továbbításra, (4 bitenként, a táblázat első oszlopának szimbólumai) az alábbiak szerint

I (Idle) I I I I I

J K (start)

D D D D (adat) D D D D D D

T R (stop)

I (Idle) I I I I I

ahol az adat-szimbólumok sorozatát vezérlő-szimbólumok keretezik.

Optikai (100BASE-FX, már ritkán használt) PMD esetén a PMA igen egyszerű, a PCS kódcsoportot sorosan, 125 Mbaud-al kivezetjük az optikai adóra NRZI (Non-Return-to-Zero Inverted) kódolással, azaz "0" esetén van fény, "1" esetén nincs. A fenti táblázatból látható, hogy nyugalmi helyzetben (Idle) az üvegszál sötét marad.

Rézvezető esetén sokkal bonyolultabb a helyzet. Itt a háromszintű MLT-3-as (Multi-Level Transmit - 3) kódolást alkalmazzák, a jobb spektrumforma eléréséhez (lágyabb a jel menete).

Az kódolási séma elég egyszerű, a jel szintje ciklikusan vándorol a három lehetséges szint között: −1V, 0V, +1V, 0V,-1V....
Ha a bejövő PCS kód "1" akkor lép egyet, ha a PCS kód "0" akkor marad a jelszint.

Ha pontosabban akarjuk mérni a vonali jel jellemzőit, célszerű a jel több lefutását is rögzíteni az oszcilloszkóp perzisztens üzemmódjában, ahogy az az alábbi ábrán is látható.

Maga a 4B5B kódoló és egy scrambler gondoskodik róla, hogy ne maradhasson túl sokáig egy szinten a jel - ezzel megbénítva a vevő oldali CDR működését.

Scrambler nélkül, nyugalmi (Idle - kód 11111) helyzetben állandó szintváltás lenne, ami egy 31,25 MHz-es igen erős zavaró zavaró sugárzást eredményezne (más eszközök felé). Ennek kiküszöbölésére iktatták be a scrambler-t a rendszerbe, így az oszcilloszkópos vizsgálattal (majdnem) reménytelen dekódolni a vonali jelet.

A side stream típusú scrambler generátora egy visszacsatolt shift regiszter (X[n] = X[n-11] + X[n-9]), a kezdőértéket (seed) pedig tipikusan az adó oldal MAC címből származtatják.

A vevő úgy szinkronizál, hogy egy tetszőleges de nem nulla seed-en tartja a descrambler shift regiszterét (nem fut), és megvárja hogy az alsó öt bittel XOR-olt bejövő kódszó a kimeneten Idle kódszót produkáljon. Ekkor engedi el a shiftelést.

Az idők folyamán az egyre növekvő sávszélesség igény nagyobb sebességű linkeket kívánt. A következő lépcső a Gigabites Ethernet lett.

A nagyobb sebesség még kiegyenlítettebb, és még jobb spektrumképű kódolási eljárást kívánt.

Optikai (1000BASE-SX,LX, stb..) PMD esetén a PMA szintén elég egyszerű, a PCS kódcsoportot sorosan, 1.25 Gbaud-al kivezetjük az optikai adóra NRZ (Non-Return-to-Zero) kódolással, azaz "1" esetén van fény, "0" esetén nincs.

Itt a 8B10B kódolást alkalmazzák, ahol a 4B5B-hez hasonlóan a kódtér szétbomlik érvénytelen, és érvényes adat/vezérlő szimbólumokra. 1004 vonali szimbólumból csupán 443 hordoz adatbiteket. Azért nem 256, mert az előző szimbólumhoz a futó diszparitás (RD - Running Disparity) függvényében vagy egy pozitív, vagy egy negatív, vagy egy semleges (emiatt nem 512) paritású szimbólumot választunk.

Itt a bitsebesség 1Gbps (a byte clock 125MHz), a jelzési pedig 1.25 Gbaud.

Rendszertechnikailag itt egy 5B6B, és egy 3B4B kódolót kombinálnak az RD függvényében. Az alábbi táblázat csak a fontos vezérlő szimbólumokat (úgynevezett "comma" karakter), és a hozzájuk használt adatszimbólumokat foglaltuk össze:

+----+---+-------+-------------+-------------+   +----+---+-------+-------------+-------------+ 
| Din| K | Szimb.|  RD-        | RD+         |   | Din| K | Szimb.|  RD-        | RD+         | 
+----+---+-------+-------------+-------------+   +----+---+-------+-------------+-------------+ 
| BC | 1 | K28.5 | 001111 1010 | 110000 0101 |   | 50 | 0 | D16.2 | 011011 0101 | 100100 0101 |
| F7 | 1 | K23.7 | 111010 1000 | 000101 0111 |   | 42 | 0 | D2.2  | 101101 0101 | 010010 0101 |
| FB | 1 | K27.7 | 110110 1000 | 001001 0111 |   | 9A | 0 | D26.4 | 010110 1101 | 010110 0010 |
| FD | 1 | K29.7 | 101110 1000 | 010001 0111 |   | A6 | 0 | D6.5  | 011001 1010 | 011001 1010 |
| FE | 1 | K30.7 | 011110 1000 | 100001 0111 |   | B5 | 0 | D21.5 | 101010 1010 | 101010 1010 |
+----+---+-------+-------------+-------------+   | C5 | 0 | D5.6  | 101001 0110 | 101001 0110 |
                                                 +----+---+-------+-------------+-------------+

A fentiekből összeállított sorozat (ordered sets) vezérlési információt hordoz az alábbiak szerint:

A MAC rétegből jövő adatok adatszimbólumokként kerülnek továbbításra, (8 bitenként, a táblázat második oszlopának szimbólumai) az alábbiak szerint

I2 (Idle) I2 I2 I2

S (start)

D D D D (adat) D D D D D

T R (stop)

I2 (Idle) I2 I2 I2 I2 I2

ahol az adatszimbólumok sorozatát itt is vezérlőszimbólumok keretezik.

Rézvezető esetén (1000BASE-T) még a 100BASE-T-nél is sokkal bonyolultabb a helyzet, ezért részleteiben nem tárgyaljuk.

A rövidített verzió:

• A CAT5E kábel mind a négy érpárján egyszerre megy a kétirányú kommunikáció.
  A végpontokon hibrideket alkalmaznak az irányok elkülönítésére.
  A hibrid transzformátorait tipikusan az RJ45-ös csatlakozó aljzatba integrálják (RJ45 integrated magnetics)
• A négy érpáron a vonali jel 5 szintű (4xquinary, 4D/PAM-5), és egy 9 bit-es Sd kód szabja meg az adott szimbólum konstellációját (páros/páratlan+8B/1Q4 kódolás).
• Egy érpáron a szint két szimbólum között több lépcsőt is ugorhat.
  Az öt lépcső: -1V, -0.5V, 0V, 0.5V, 1V
• A szimbólumsebesség 125 Mbaud
• A 9 bites Sd kódhoz a GMII-ről scrambler, és trellis kódololó után jutunk
• Az adatok a MAC-ből 8 bites GMII interfészen jönnek 125MHz-es órajel mellett

A 64B66B kódolás egyszerűbb mint a 8B10B. A MAC felől jövő adatokat 64-bites blokkokra bontják, és egy önszinkronozó (self-synchronizing) scrambler-nek továbbítják (G(x) = 1 + x^39 + x^58).

A blokk ezután két bites szinkronfejlécet kap, ahol az
- 10 - Vezérlés
- 01 - Adat
- 00 és 11 - érvénytelen szimbólum

Ez a szabály lehetővé teszi a vevő számára, hogy aránylag egyszerűen ki tudja nyerni a blokkszinkront (ha szinkronban van, minden 64 és 65.-ik bitnek különböznie kell).

A sorozat ezután egy sebváltón (Gearbox) keresztül kerül ki a vonalra NRZ kódolással.

Az adatsebesség 10 Gbps, míg a jezési sebesség 10.3125 Gbps. Ugyan a szabvány rögzíti az xGMII interfészt (4x8=32 bites adat, és 312.5 MHz-es órajel), de ennek alkalmazása opcionális (pl. chipen belül gyakori a 64 bit, és a 156.25 MHz-es óra).

Régebben az XAUI esetén volt érdekes a négy részre bontás (4 x 2.5 Gbps), mert az olcsóbb soros átalakítók nem bírták a tempót.

Ezen a sebességen rézvezetős összeköttetést tipikusan datacenterekben, pár méteres távolság áthidalására alkalmaznak. Ezt nem tárgyaljuk.

A fizikai réteg és a MAC határán helyezkedik el a médiumfüggetlen interfész (MII- Medium Independent Interface). Az MII-nek persze számtalan variánsa van, amelyből néhányat az alábbi táblázatokban foglaltunk össze (Fast Ethernet: xMII, Gigabit Ethernet: xGMII):

Ahol:

  TX_CLK Transmit Clock - Adás irányú órajel
  TXD Transmit Data - Adni kívánt adat
  TX_EN Transmit Enable - MAC frame-t küldünk a TXD-re
  TX_ER Transmit Error - Hibabeiktatás az adásnál
  COL Collision - Ütközés detekció
  RX_CLK Receive Clock - Vételnél kinyert óra
  RXD Receive Data - Vett adat
  RX_DV Receive Data Valid - MAC frame jön az RXD-n
  RX_ER Receive Error - Vételi hiba
  CRS Carrier Status - vivő detekció
  MDC Management Data Clock
  MDIO Management Data Input/Output

Egy switch-ben például a kapcsolót megvalósító chip ilyen interfészen keresztül kapcsolódik a fizika rétegbeli (PHY) chip-hez. Nagy portszám esetén gondot okoz a normál MII, és GMII jeleinek nagy száma. Ezért dolgozták ki a redukált verziókat. (RMII,RGMII).

A fölöslegesnek ítélt jeleket elhagyták, egyeseket időben multiplexáltak, az adatbitek számát megfelezték, a tempót viszont megduplázták (az RGMII esetén a DDR - Double Data Rate technikát alkalmazzák - az órajel felfutó, és lefutó élénél is van új érvényes adat).

Az órajel mellet a legfontosabb jelek az RX_DV/RXD, illetve TX_EN/TXD páros. A DV, és EN jelek magas szintje jelzi azt hogy az adatvezetékeken a MAC frame adatai mennek (lásd következő fejezet). A mérés során a valóságban is megvizsgáljuk ezeket a jeleket.

A PHY állapotának lekérdezése, működési módjának vezérlése a menedzsment interfészen keresztül (MCIO,MDC) történik. (pl. az autonegotiation engegélyezése)

Az ős Ethernet esetén, ahol a médiumon több állomás is osztozott, a közeghozzáférést jól meg kellett szervezni. Ez a CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) volt. A MAC csomag metrikája is ebből az időből származik. Képesnek kellett lennie az eszköznek arra, hogy detektálja hogy a saját elküldött csomagja biztosan megsérült, mert egy tőle akár 100m-re levő állomás (még nem tudva hogy adni fogunk) is elkezdett adni. Ezért ez az elvileg 10 Mbps hálózat csak 30%-ra volt kihajtható.

A modern kapcsolt hálózat esetén ilyen típusú ütközés nincs, a kapcsoló ú.n. pause frame-el jelzi ha túlterhelt.

Az Ethernet MAC feladata a szervezésen/vezérlésen túl az LLC alrétegből érkező adatok keretezése, és továbbítása az MII interfészen keresztül. Egy MAC csomag szerkezete az alábbi ábrán látható.

Az előtag (preamble) az ős Ethernet (10BASE) idejéből származik, és a bit-időzítés (órajel) kinyerését hivatott megkönnyíteni. Utána következik a keret-start (SFD -Start Frame Delimiter), ami egyrészt jelzi hogy a következő octet-től a címek jönnek, másrészt az octet szinkron kinyerését biztosítja. E kettő nem része az ú.n. MAC frame-nek, ami a címekkel kezdődik, és a CRC-vel zárul.
A Gigabites Ethernet-nél ezekre éppenséggel nem is lenne szükség, de ez a keret definíció a Layer 2-es kompatibilitás miatt került rögzítésre.

A keret ezen részét egy sima Ethernet kártyával, és mondjuk WireShark-al vagy tcpdump-al nem látjuk, ugyanúgy ahogy a záró ellenőrző kódot sem.

A MAC frame a célállomás, és a küldő állomás MAC címeivel kezdődik, melyek egyenként 6 byte-osak. A hálózati kapcsolóeszközök (switch) a célcím alapján végzik a csomagok irányítását a megfelelő portra.

Az első byte alsó két bitje alapján (ezek a soros bitfolyamban az elsők) a címeket az alábbi kategóriákba sorolják:

A globális egyedi cím felső három byte-ja az OUI (Organizationally Unique Identifier - ebből találja ki a Wireshark, hogy ki a gyártó). Az alsó három byte a konkrét hálózati adapter/port címe. Ezt az IEEE regisztrálja, és az igen hosszú lista itt érhető el.

A globálisan adminisztrált csoport-címeket az IEEE osztja (pénzért), és több nagy szervezet is rendelkezik (pl. IANA, ITU) felette.
Jópárat persze meg is tartott magának, mint pl. a 01-80-C2-00-00-08, ami felett a switchek közötti STP (Spanning Tree Protocol) megy (IEEE802-es szabványok).

Az IPV4 multicast IP->MAC cím hozzárendelését például az RFC1112 6.4-es szakasza írja elő. Ennek prefixe 01-00-5E, amit az IANA vásárolt meg, és az alsó 23 bit-et simán "leejtik" a Layer3-as IP multicast címből (alsó címbitek).

A címek után jön a 16 bites hossz vagy típus. Ha a T/L mező értéke nagyobb mint 1500, akkor ez típust (Ethertype) jelent.
Ez utóbbi az Ethernet_II-es kerettípus, amit az asztali számítógépek, laptopok, és egyéb kommersz termékek használnak.
Ha a T/L mező értéke kisebb vagy egyenlő mint 1500, akkor ez a hossz, és egyéb keret típust jelent pl. Ethernet_SNAP, Ethernet_802.2. Az alábbi ábrán illusztrációként összefoglaltuk őket.

A típuskódokat az IANA (Internet Assigned Numbers Authority) regisztrálja, és a
http://www.iana.org/assignments/ieee-802-numbers/ieee-802-numbers.xhtml -linken érhető el. A 800-as kód például azt jelenti, hogy a Layer3-as MAC kliens az IPV4 (Internet Protocol Version 4).

Érdemes megjegyezni, hogy virtuális LAN (VLAN) esetén az igazi típus, és a kliens adat 4 byte-al jobbra csúszik, helyet adva a 8100-és típuskódnak (Customer VLAN Tag Type), és a VLAN azonosítójának (tag, 2 byte).

Ez után jön a MAC klienstől származó adat, esetleges kitöltéssel, ha a keret túl rövidre adódna.

Végül egy 32 bites CRC (FCS - Frame Check Sequence) teszi lehetővé hogy a vevő detektálhassa ha a frame hibásan érkezett meg.
(G(x) = x^32 + x^26 + x^23 + x^22 + x^16 + x^12 + x^11 + x^10 + x^8 + x^7 + x^5 + x^4 + x^2 + x + 1)

Az időbeli metrika fontosabb értékei:

• A MAC csomagok közötti minimális távolság (interPacketGap) 96 bit
• A MAC kliens adat maximális hossza (maxEnvelopeFrameSize) 2000 byte
  Azért léteznek ú.n. jumbo (9000), vagy super-jumbo (64k) keretek továbbítására alkalmas eszközök is. (10 Gbps felett a packet-rate már túl magas lehet rövid keretek esetén)
• A keret minimális hossza (minFrameSize) 512 bit (64 byte), ha a kliens adat hossza ehhez túl rövid, akkor kitöltést kell alkalmazni (padding, tipikusan nullákkal).

Az alábbi térkép a mérés során érintett hálózatépítő elemek (piros pöttyök), és a mérőhelyek (narancssárga) elhelyezkedését mutatja a tanszék laboratóriumaiban.

A mérés során az egyes helyszíneket a koordinátáik alapján azonosítjuk, pl. az U01-es ponton a vizsgáló laboratóriumbeli (VL) Siemens gyártmányú ADSL DSLAM található.

Ha a mérőpáros rendelkezik okostelefonnal, az egyes részleteket le is lehet fényképezni, és a fotók a labor "carthog2"-es WiFi hotspotján keresztül tölthetők fel. (jelszó a táblán)

A mérőhelyeken a számítógépen kívül rendelkezésre áll digitális tárolós oszcolloszkóp, RJ45-ös csatlakozókkal + vizsgálati pontokkal ellátott passzív TAP (Test Access Point, a vonali jelalak vizsgálatához), valamint egy FPGA alapú ATLYS típusú fejlesztői kártya a Digilent-től.

8.1 Oszcilloszkóp

A Rigol gyártmányú oszcilloszkópokhoz tartozó szoftver indítása a windows asztalon elõre elhelyezett ikon segítségével történik.

Elsõ lépésként csatlakozni kell az oszcilloszkóphoz, majd az alábbi ábrák szerint ki kell nyerni az jelalakot, végül pedig képfile-ként exportálni.

A csatlakozás ikonra bökve az USB-s kapcsolatot kell választani.

A csatlakozás, után a hullámforma ablakban a frissítés gombra kell bökni.
Ekkor fogja áthozni a hullámformát a szkópból.

Végül a bal alsó sarokban levő export gombbal lehet menteni az ernyőképet.

A Digilent gyártmányú ATLYS kártya fő eleme egy Xilinx gyártmányú, Spartan xc6slx45-3-csg324 típusú FPGA.

Ehhez csatlakozik egy Marvell gyártmányú, 88E1111 típusú 10/100/1000 Ethernet PHY.

Az xMII interfész jeleit az FPGA-ba feltöltött core ChipScope moduljával rögzítjük, és a Xilinx ISE fejlesztőcsomag Analyzer szoftverével vizsgáljuk.

8.3 Chipscope Analyzer

Az analizátor indítása a desktop-icon-ra kattintva történik.

A vizsgálat lépései:

1. Az USB/JTAG kapcsolat felépítése a kártyával (JTAG menü, Digilent kábel)
2. Az FPGA felprogramozása a JTAG-en keresztül (Device/Configure), a mérési utasításban szereplő bit-file-al.
3. A core-hoz tartozó projekt-file (.cpj) betöltése. Ez tartalmazza a jelek neveit, és beállításokat
4. A jelek rögzítésének indítása. Ha a beállított triggerfeltétel teljesül, megjelenik a rögzített jelfolyam.
5. A jelekre rá lehet közelíteni, hogy jobban értékelhető eredményt kapjunk
6. A triggerfeltételeket lehet módosítani. Az egyes jelek pozíciójába írt betűk az alábbiak lehetnek:
   X - Érdektelen
   R - Rise - felfutó él
   F - Fall - lefutó él
   0 - Logikai nulla
   1 - Logikai egy
7. A trigger pozíció is megadható az analizátor órajelének ciklusszámában
8. A hullámforma (Waveform) ablak vízszintes tengelyosztása órajelciklusban van megadva. A mérési jegyzőkönyvbe majd csak a Waveform-okat kell beilleszteni.

A mérési utasítás/jegyzőkönyv template az alábbi címről tölthető le.

1. Sorolja fel az OSI 7 rétegét.
2. Mi a szerepe az OSI első rétegének?
3. Mi a szerepe az OSI második rétegének?
4. Mi a szerepe az OSI harmadik rétegének?
5. Mi az MDI?
6. Mi a PMD?
7. Mi a PMA?
8. Mi a PCS?
9. Mi az MII?
10. Az IEEE 802.3-as ajánlás milyen távolságot kíván elérni pont-pont között, UTP kábelezés estén?
11. Tipikusan milyen típusú hálózati csatlakozó található az asztali PC-ken?
12. Tipikusan milyen távolság hidalható át fémvezető alapú összeköttetés esetén (max. 1Gbps)?
13. Tipikusan milyen távolság hidalható át fényvezető alapú összeköttetés esetén (Single-Mode, 1Gbps)?
14. Tipikusan milyen távolság hidalható át fényvezető alapú összeköttetés esetén (Multi-Mode, 1Gbps)?
15. Vázolja egy CAT5-ös kábel felépítését (rajz).
16. Vázolja egy CAT6-os kábel felépítését (rajz).
17. Hány érpárt használ egy CAT5-ös kábelen a 10BASE-T?
18. Hány érpárt használ egy CAT5-ös kábelen a 100BASE-TX?
19. Hány érpárt használ egy CAT5-ös kábelen a 1000BASE-TX?
20. Soroljon fel pár optikai csatlakozótípust.
21. Tipikusan milyen színű lehet egy Single-Mode (SM) optikai kábel?
22. Tipikusan milyen színű lehet egy Multi-Mode (MM) optikai kábel?
23. Mi a különbség a PC, és az APC optikai csatlakozás között?
24. Mi az SFP?
25. Mi az XFP?
26. Mi a QSFP?
27. A 40GBASE-LR4-et hogyan továbbíthatják egy optikai érpáron?
28. Milyen sebességek esetén tipikus az MPO optikai csatlakozást?
29. Mik az elvárások a vonali kódolással szemben?
30. Hol használjuk a Manchester kódolást?
31. Hol használjuk a 4B5B kódolást?
32. Hol használjuk a 8B10B kódolást?
33. Hol használjuk a PAM-5 kódolást?
34. Vázolja az MLT-3-as vonali jelalakot a villamos jellemzők feltüntetésével?
35. Vázolja az PAM-5-ös vonali jelalakot a villamos jellemzők feltüntetésével?
36. Hogy néz ki az Ethernet csomag?
37. Hogy néz ki az Ethernet_II keretszerkezet?
38. Sorolja fel a MAC címek főbb típusait.
39. Mi az FCS (mire jó)?.
40. A Wireshark honnan tudhatja, hogy ki gyártotta a csomagot küldő/fogadó eszközt?.
41. Hogyan néz ki a Ethernet_II keretszerkezet tag-gelt VLAN esetén?