A LAN/MAN interfészek fizikai (PHY) rétege. Az Ethernet és a WLAN interfész

• Alkalmazás, Szolgálatok, Topológia, Adatcsere vezetékek,
• Vezetékes interfész villamos jellemzők,
• Vezetékes interfész keretformátum
• Vezeték nélküli (WLAN) interfész

Alkalmazás:

A LAN/MAN interfészt széles körben használják különféle LAN/MAN hálózati elemek (végállomások, szerverek, bridzsek stb.) összekapcsolására.
Az interfésznek számos vezetékes (CSMA/CD, Token ring, FDDI, ...) és vezeték nélküli (WLAN, Wi-Fi) fizikai megvalósítása létezik. A segédletben ezek közül a CSMA/CD, vagy a vonatkozó szabvány azonosítója után a 802.3 (Ethernet) interfészt ismertetjük részletesebben.

Az interfészt leíró ajánlás, szabvány elemei:

IEEE 802.3 vezetékes fizikai réteg
IEEE 802.11 vezeték nélküli fizikai réteg
IEEE 802.1 management

Szolgálatok:

Az interfész a következő szolgálatokat nyújtja a magasabb rétegek felé:

• vonali végberendezés funkciók:
  • soros jelek adása és vétele (PMD)
  • vonali jelkódolás, dekódolás (átmenet, blokk kódolás) (PCS)
  • órajel kinyerés
• szinkronizáló előtag (preamble) keltése és leválasztása (64 bit 31x10 1x11)
• soros/párhuzamos, párhuzamos/soros átalakítás (PMA)
• csatornafigyelés (adó mikor adhat, vett keret eleje vége) (CSMA/CD)
• ütközés érzékelés (fizikai réteg: adott/vett jelforma összehasonlítás)
• auto-negiotation - az átviteli közeg paramétereinek mérése, és ennek alapján az optimális átviteli üzemmód beállítása (PCS)
• flow-control - forgalom szabályozás (pause messages, 1000BASE only)

Az interfész két oldalának és belső alrétegeinek jelölése az IEEE 802.3 szabványban

           10BASE:
                ---+    +-+-----PHY-------+     ||
                   |    | |               |     ||átviteli
               MAC |----|P|               |-----||közeg
                   |    |L|      PMA      |     ||(medium)
                   |    |S|               |     ||
                ---+    +-+---------------+  |
                          |                  |
                         AUI                MDI


           100BASE, 1000BASE:

                ---+    +-+-----PHY-------+     ||
                   |    | |               |     ||átviteli
               MAC |----|R|               |-----||közeg
                   |    |S| PCS, PMA, PMD |     ||(medium)
                   |    | |               |     ||
                ---+    +-+---------------+  |
                          |                  |
                         MII                MDI

• PLS - Physical Layer Signalling
• AUI - Attachment Unit Interface
• MDI - Media Dependent Interface
• MII - Media Independent Interface
• RS - Reconciliation (összeegyeztető) Sublayer
• PCS - Physical Coding Sublayer
• PMA - Physical Medium Attachment Sublayer (s/p clock recovery, p/s)
• PMD - Physical Medium Dependent Sublayer
  (tx_bit -> vonali (optikai) jel vonali (optikai) jel -> rx_bit

Adatcsere vezetékek:

Az interfészt többféle átviteli közegen is megvalósították:

átviteli közeg	szabvány szerinti jel	Megjegyzés
vastag koaxiális kábel	..BASE5	vastag ethernet
vékony 50 ohmos koaxiális kábel	..BASE2	vékony ethernet
sodrott érpár	..BASET	twisted-pair: UTP - unshielded twisted pair STP - shielded twisted pair TPE - twisted pair ethernet
optikai szál	..BASEF
vezeték nélküli	802.11 a, b, g

A BASE szó az alapsávi jelátvitelre utal.

Csatlakozó bekötés: RJ-45  10BASE-T/100BASE-TX  (EIA/TIA 568-A/B: Commercial Building Wiring Standard)

                 -A     -B
             1   Tx+    Rx+
             2   Tx-    Rx-
             3   Rx+    Tx+
             4   nc     nc
             5   nc     nc
             6   Rx-    Tx-
             7   nc     nc
             8   nc     nc

topológia	szabvány szerinti jel
sín	10BASE-5, 10BASE-2
csillag	10BASE-T, 100BASE-T
gyűrű

Villamos jellemzők:

Többféle bitsebesség:

bitsebesség	szabvány szerinti jel
10 Mbit/s	10BASE
100 Mbit/s	100BASE
10/100 Mbit/s	10/100BASE
1000 Mbit/s	1000BASE

Jelszintek, vonali kódolás:

szabvány szerinti jel	jelszint	kábel (medium)	vonali kódolás	Megjegyzés
10BASE-2	0V ... -2V	egy koaxiális	Manchester	"vastag" ethernet
10BASE-5	0V ... -2V	egy koaxiális	Manchester	"vékony" ethernet jelzési sebesség: 20 MBaud
10BASE-T	+/-2.5V (2.2V...2.8V)	kettő sodrott érpár	Manchester
100BASE-TX	0V...+/-1V	kettő sodrott érpár (Cat 5)	4B/5B, MLT-3	"fast" ethernet, Bemenet: MII bus jelzési sebesség: 125 MBaud
100BASE-FX		optikai szál	4B/5B, NRZI	"fast" ethernet, Bemenet: MII bus
100BASE-T4	3.5V +/-10%	négy sodrott érpár (Cat 3,4,5)	8B/6T
100BASE-T2	1.81V +/-0.5dB	két sodrott érpár (Cat 3)		nincs használatban
1000BASE-SX		két optikai szál (Short wave length, multimode)	blokk, 8B/10B	GigaBit Ethernet (GBE)
1000BASE-LX		két optikai szál (Long wave length, mono/multimode)	blokk, 8B/10B	GigaBit Ethernet (GBE)
1000BASE-CX	ECL (3...1.1V)	négy sodrott érpár (150 Ohm) length: 0.1...25m jelzési sebesség: 1250 MBaud	blokk, 8B/10B	GigaBit Ethernet

Az adatvezetékeken a jeleket oszcillogrammokkal illusztráljuk.

10BASE-5 vonali jel oszcillogram:

A diagram alsó része mutatja egy Ethernet keret kezdetét, felső része pedig annak egy kinyújtott részletét (SFD) mutatja. Ha nincs továbbítandó csomag, nincs jel az interfészen. A vonali kódolás Manchester (a bináris 0-nak a -2V -> 0V jelátmenet, a bináris 1-nek a 0V -> -2V jelátmenet felel meg.

10BASE-T oszcillogram:

Az érpár erei közt mérhető jel hasonló a 10BASE-5 vonali jeléhez.

100BASE-TX vonali jel oszcillogrammok:

Idődiagram részletek:

A következő ábrán tipikus 100BASE-TX jelrészlet látható. A jel háromszintű, a jelamplitúdó 1V. A jelrészleten a lengéseket a kábel és az adó-vevők közti illesztetlenség (reflexió) okozza. Az ábrán nem látható, de két csomag közt is van jel. Nem látható, de a jelzési sebesség 125 MBaud, azaz vízszintesen két raszter vonal között 10 vonali szimbólum helyezkedik el.

Szemábra:

Az MLT-3 kódolás illusztrálása (1 vonali szimbólum/kocka vízszintes eltérítés mellett):

  forrás sorozat: 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

  vonali sorozat: 0 1 0-1 0 1 0-1 0 1

  

Az MLT-3 kódolás illusztrálása (2 vonali szimbólum/kocka vízszintes eltérítés mellett):

A jel spektruma:

Az első minimumhely a jelzési sebességnél (125 MHz) van. A jel energiájának túlnyomó része a 0...125/4=31.25 MHz sávba esik. Ez az MLT-3 kódolás eredménye.

Vezetékes interfész keretformátumok (Layer1)

IEEE.802.3 (Ethernet) frame

          bytes
              +--------------------------------+
            7 | Preamble                       |   7 x  10101010  vevő óra szinkronizálása az adóhoz
              +--------------------------------+
            1 | SFD Start of Frame Delimiter   |        10101011  keret kezdet
              +================================+
              | D  basic MAC Data field        |
      60-1514 |    tagged MAC Data field       |
              |                                |
              +================================+
            4 | Frame Check Sequence           |
              +--------------------------------+

Teszt és felügyeleti funkciók

Felügyeleti jelzések:

• Transmitted frames
• Received frames
• Received errored frames
• Received error free frames discarded
• Error free frames not transmitted
• Received frames with alignment errors
• Received frames that are too long
• Received frames with bad FCS

A 802.11 szabvány legfontosabb elemei

Az IEEE 802.11-es szabványcsalád a vezeték nélküli lokális adatátviteli hálózatok kialakításában játszik szerepet. A család több tagját is használják jelenleg is a WLAN hálózatok kialakításában.

Név	Elfogadás éve	Frekvencia - GHz	Moduláció	Bitsebesség - Mbps	Megjegyzés
802.11	1997	2.4 vagy IR	PSK (FHSS vagy DSSS)	2, 1	-
802.11a	1999	5	OFDM	54 (24, 12, 6)	wireless ATM
802.11b	1999	2.4	CCK (DSSS)	11 (5.5, 2, 1)	wireless Ethernet
802.11g	2003	2.4	OFDM	20-54	-

A rövidítések feloldása:

• FHSS - Frequency-hopping spread spectrum
• DSSS - Direct-sequence spread spectrum
• OFDM - Orthogonal frequency-division multiplexing
• CCK - Complementary Code Keying
• CSMA/CA - Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance -
  A CSMA típusú eljárások egyike. Olyan esetetekben használjuk, amikor a CSMA/CD-t nem lehet. Ilyen például a vezeték nélküli hálózatok esete (lásd az ún. hidden terminal problémát). Az IEEE 802.11 esetén ezért az adó és a vevő egy rövid csomagváltás t végeznek el: az adó a Request to Send jelzés szétküldésével értesíti a saját környezetét, hogy forgalmazni szeretne, míg a vevő a Clear to Send jezést sugározva a saját hatótávolságán belül értesít minden állomást (IEEE 802.11 RTS/CTS exc hange).

Az hatótávolság természtesen függ az aktuális helytől illetve az egyes szabványokban használt modulációtól is, a B és a vele visszafelé kompatibilis G szabvány esetén épületen belül 30-50 méter, épületen kívül (ha rálátunk az AP-re) 1 km lehet. Az A szabv ány esetén a hatótávolság valamivel kisebb. Megjegyzendő, hogy kis hatótávolságú, kis energiájú (de ehhez képest nagysebességű) vezeték nélküli kommunikációra a Bluetooth (IEEE 802.15), míg nagy hatótávolságú összeköttetésekre nagyvárosi környezetben a WiMax (IEEE 802.16) használatos.

Érdeklődésre tarthat számot, ezért megemlítjük a 802.11-es család további két tagját:

• Az IEEE 802.11n egy jelenleg is kidolgozás alatt álló terület, amely a többek között a MIMO (multiple-input multiple-output) technológiát használatva akár 600 Mbps fizikai rétegbeli sebesség elérését célozza meg.
• Az IEEE 802.11y egy 2008 novemberében kiadott protokoll, ami OFDM-et használ 3650 és 3700 MHz közötti vivőkön az Egyesült Államokban. Maximális sebessége 54 Mbps lehet, vagyis nem nagyobb, mint az A vagy a G szabvány esetében, azonban az adóte ljesítmény jóval nagyobb lehet, ami szabadtéren akár 5 km-es hatótávolság elérését is lehetővé teszi.

A legelterjedtebb WLAN-szabványban, a 802.11g-ben használt csatornakiosztást tanulmányozhatjuk az alábbi ábrán. Láthatjuk a csatornák egymást átfedhetik, 22 MHz szélesek. A vivők 5 MHz-nyire esnek egymástól, így egy, a frekvenciatartomány közepén elhelyezkedő csatorna legfeljebb 8 másikkal interferálhat. Nem ezt a szabályosságot követi a 14. csatorna elhelyezése. Megjegyezzük, hogy nem minden csatornát használnak az összes földrajzi régióban. Emellett az egyes régiókban másként választják ki a neminterferáló csatornák halmazát is. (Az ábrán a folytonos vonallal jelölt spektrumrészletek az USA-ban és Kínában érvényes kiválasztást szemléltetik.)

Protocol Structure - WLAN: Wireless LAN by IEEE 802.11, 802.11a, 802.11b,802.11g, 802.11n

801.11 protocol family MAC frame structure:

• Frame Control Structure:

• Protocol Version - indicates the version of IEEE 802.11 standard.
• Type - Frame type: Management, Control and Data.
• Subtype - Frame subtype: Authentication frame, Deauthentication frame; Association request frame; Association response frame; Reassociation request frame; Reassociation response frame; Disassociation frame; Beacon frame; Probe frame; Pro be request frame and Probe response frame.
• To DS - is set to 1 when the frame is sent to Distribution System (DS)
• From DS - is set to 1 when the frame is received from the Distribution System (DS)
• MF- More Fragment is set to 1 when there are more fragments belonging to the same frame following the current fragment
• Retry indicates that this fragment is a retransmission of a previously transmitted fragment. (For receiver to recognize duplicate transmissions of frames)
• Pwr - Power Management indicates the power management mode that the station will be in after the transmission of the frame.
• More - More Data indicates that there are more frames buffered to this station.
• W - WEP indicates that the frame body is encrypted according to the WEP (wired equivalent privacy) algorithm.
• O - Order indicates that the frame is being sent using the Strictly-Ordered service class.
• Duration/ID (ID) -
• Station ID is used for Power-Save poll message frame type.
• The duration value is used for the Network Allocation Vector (NAV) calculation.
• Address fields (1-4) - contain up to 4 addresses (source, destination, transmittion and receiver addresses) depending on the frame control field (the ToDS and FromDS bits).
• Sequence Control - consists of fragment number and sequence number. It is used to represent the order of different fragments belonging to the same frame and to recognize packet duplications.
• Data - is information that is transmitted or received.
• CRC - contains a 32-bit Cyclic Redundancy Check (CRC).

"6.1.4 MSDU format This standard is part of the IEEE 802 family of LAN standards, and as such all MSDUs are LLC PDUs as defined in ISO/IEC 8802-2: 1998. In order to achieve interoperability, implementers are recommended to apply the procedures described in ISO/IEC Technical Report 11802-5:1997(E) (previously known as IEEE Std 802.1H-1997 [B13]), along with a selective translation table (STT) that handles a few specific network protocols, with specific attention to the operations required when passing MSDUs to or from LANs o r operating system components that use the Ethernet frame format. Note that such translations may be required in a non-AP STA."