Az Ethernet-ről alapfokon 1. rész

A szerkesztő előszava: Bár egyre gyakrabban alkalmazzuk az Ethernet-et az automatizálás világában, részleteiben sokan nem ismerjük. "Az Ethernet az Ethernet!" - mondjuk, és örülünk hogy bedugás (és némi konfiguráció) után működik. Egy IT szakember szakember tollából származó cikksorozat talán sokunk hasznára válhat. Az első rész talán semmi újat nem mond, de valahol el kell indulni... Egy kis történelem

A 70-es években a Xerox kezdte el a különböző irodai berendezések közötti adatkapcsolatok  fejlesztését. A soros vonali kommunikáción gyorsan túllépve a kisméretű hálózatok felé indultak. Így született a LAN (Local Area Network) betűszó. Az Ethernet nevet valószínűleg egy Robert Metcalf nevű fejlesztő adta. Az Ethernet 1.0 változata 75 Ohm-os koaxiális kábelen működött, tiszteletre méltó, 3 MBPS sebességgel. A kommunikációt jól ismerteti az 1980-ban kiadott "Kék könyv", mely a Xerox, DEC és Intel közös munkája. Az Ethernet 2.0 nem váratott magára sokáig, 1982-ben jelent meg. Hátránya volt hogy az 1.0 verzióval nem volt kompatibilis, (Ez azért nem jelentett tragédiát, mert az alkalmazások száma alacsony volt, és a már élő Ethernet-ek kis szigetekként működtek.) viszont képes volt üvegszálas kábelen is működni, sőt, max. 2 db repeater közbeiktatásával 2800 m távolságot is áthidalt. Érdekesség, hogy a kártyák firmware-ét Pascal-ban írták meg. 1985-ben az IEEE elfogadta az Ethernet-et, és ezt az ANSI/IEEE 802.3 szabványban rögzítette. A műszaki tartalom viszont több ponton módosult, így az IEEE 802.3 szerinti hálózat és az Ethernet hálózat különböző dolgot kellene hogy jelentsen. Mivel az Ethernet név addigra már széles körben használttá vált, mind a mai napig Ethernet-nek hívjuk az IEEE 802.3 későbbi kibővítéseinek megfelelő - mai használatban levő - hálózatainkat. E cikksorozatban is az Ethernet nevet fogom használni, de mindig az IEEE 802.3 szerinti hálózatról lesz szó. Az "igazi" Ethernet már nem létezik! 

Ugyanebben az időben az USA védelmi minisztériumának egyik fejlesztőrészlege (DARPA) belekezdett egy olyan katonai hálózat kifejlesztésébe, amely akkor is megőrzi működőképességét, ha egyes - akár központi - részei üzemképtelenné válnak. Ezt a célt decentrazilált, útvonalkeresésre képes protokollok segítségével tervezték elérni. A fejlesztés eredményeként előállt hálózatot Internet-nek nevezték el. Az alkalmazott átviteli protokoll neve ezért IP (Internet Protocol) lett. Az Internet kiépítésében fizikai közegként a fejlesztők (az X.25 mellett) Az Ethernet-re alapoztak. Így indulhatott világhódító útjára az Ethernet/IP páros. Kábelek sokfélesége A fejlődés során 3 kábeltípuson jelentek meg Ethernet megvalósítások: Koax, sodrott érpár, üvegszál. Röviden áttekintjük ezek jellemzőit. Koaxiális kábelt alkalmaztak az Ethernet-nél kezdettől fogva. A nagyfrekvenciás átviteltechnikai tapasztalokkal jócskán rendelkező rádiós szakemberek egyértelműen ezt javasolták, hiszen a koax nagy sávszélességet, kis csillapítást és magas elektromágneses védettséget biztosít, valamint csatlakoztatása is jó minőségben, árnyékoltan, robosztusan megoldható. Ellene "csupán" az szól, hogy ára magasabb mint egy sodrott érpáré. A koax-ot használó kapcsolatok tipusai a 10Base5 és a 10Base2.

A jelölésrendszerben az első szám a sebességet jelenti MBPS-ben, a középső "Base" az alapsávi átvitelre utal (nincs vivőfrekvencia), a végén levő szám pedig a szegmenshosszt jelöli, 100 méterekben. 10Base5 esetében tehát max. 500 m lehet egy szegmens hossza, 10Base2 esetében csak 200m. Ennek oka, hogy a 10Base2 vékonyabb, olcsóbb koaxot használt. Az üvegszál szintén a kezdetektől használatban van, az utóbbi időszakban viszont erőteljes térhódítását figyelhetjük meg. Ennek oka - az óriási sávszélesség mellett - az elektromágneses zavarokkal szembeni érzéketlensége, a rádiófrekvenciás kisugárzás megszűnése (lehallgatás nehezebb), és az opto szereléstechnikai eszközök árcsökkenése. E kapcsolatokat 10BaseF és 100BaseF típussal jelölik, ahol az "F" (fibre) az üvegszálra utal. Az optikai átvitel alapjaival a PID.hu Magazin "Tudásbázis" rovatában található cikksorozat is foglalkozik. Itt csak annyit jegyeznék meg, hogy LAN építésre leggyakrabban multimódusú műanyag - néha üveg - kábeleket használunk.

Sodrott érpáras kábelek használata ma a legelterjedtebb, ezeket a kapcsolatokat 10BaseT és 100BaseT  jelöléssel azonosítjuk. ("T" = twisted pair.) Az Ethernet kapcsolat megvalósításához 2 db sodrott érpárra van  szükség, külön az adás- és vételi iránynak. Ezeket a kábeleket csillapításuk alapján kategóriákba sorolják.  Napjainkban már csakis a legjobb, "Category:6" kábeleket érdemes vásárolni. E kategórián belül a 100 Ohmos hullámimpedaniájú kábelezés terjedt el. A sodrott érpáras kábeleket felhasználás szempontjából két csoportba sorolhatjuk: Első a falikábelek csoportja,  amit általában a fali Ethernet dugalj és a központi HUB/Switch közé húznak, másik a patch (bekötő) kábelek  csoportja, melyet a fali dugalj és a PC (PLC) közé gyártottak. A patchkábelek flexibilisebbek, erősebb köpennyel rendelkeznek, viszont csillapításuk sokkal nagyobb. Kivitel szempontjából 3 tipust különböztetünk meg: UTP, FTP, STP. Az UTP (Unshielded Twisted Pair) árnyékolatlan kivitelt jelent. Sávszélességre nagy, de zavarokra érzékenyebb. CSAKIS irodai környezetre javaslom. Az FTP (Folied Twisted Pair) alufóliával árnyékolt sodrott érpárat jelent. Jobb a zavarok elleni védelme. Az STP (Shielded Twisted Pair) kábelek szövött árnyékolással rendelkeznek, szerelhetőbbek, biztonságosabbak mint a másik kettő. Áruk is magasabb.

Csatlakozók:

Koaxiális kábeleknél BNC csatlakozók voltak használatban, üvegszálnál pedig többfélével is találkozhatunk,  melyekről a "Tudásbázis" rovatban található cikksorozatban is olvashatnak. Sodrott érpárak esetén a csatlakozó a telefontechnikában is elterjedt RJ45. A csatlakozó bekötése: 1. és 2. láb az  adás, 3. és 6. láb a vétel érpára. Fontos megjegyezni, hogy ez a bekötés akkor érvényes, ha a kábel egyik vége csillagpontképző eszközbe (HUB, switch, router) kerül, a másik végét pedig a PC-be ill. PLC-be dugjuk. Abban az esetben, ha két készüléket közvetlenül (HUB közbeiktatása nélkül) kívánunk összekötni, "fordítós" kábelt kell használni, melyben az adás és vétel érpárai helyet cserélnek az egyik végen. A polaritásokra itt is ügyelni kell! A csatlakozó létezik árnyékolt kivitelben is, FTP és STP kábelekhez értelemszerűen ezeket használjuk.

Topológiák

Korábban, a koaxiális kábelek időszakában lánctopológiát alkalmazott az Ethernet. Ennek előnye,  hogy a megvásárolandó kábel hossza minimális volt, mivel egyik géptől a másikig haladt a hálózati  kábel, "T" leágazásokon keresztül. Nagy hátrányt jelentett, hogy egyetlen csatlakozó kilazulása,  széthúzása az egész szegmens eltűnését eredményezte. Ennek kiváltására a sodrott érpáras és optós rendszerek csillag topológiát alkalmaznak (baloldali  ábra). Ez jóval nagyobb rendelkezésre állásával ellensúlyozza a nagyobb kábelezési költségeket. A  csillagpont(ok)ban található elosztók neve HUB vagy Switch, ezeket, valamint a velük kapcsolatos  megszorításokat később ismertetjük. (Egy hálózatban több csillagpont is lehet!) Figyeljük meg, hogy a csillag topológiában - ahol többnyire csavart érpárakat használunk - fizikailag pont-pont kapcsolatokról van szó, tehát egy kábelen mindig csak kettő hálózati interfész található. Ez jelentősen egyszerűsíti az Ethernet-kártya felépítését, lehetővé téve annak fillérekért való előállítását.

Jelszint

A sodrott érpárokat használó Ethernet kommunikáció (pl. 10BaseT) hálózati csatlakozó kártyáin általában galvanikus elválasztást is biztosító, szimmetrikus illesztőtranszformátorokat találunk. Az érpárra oszcilloszkóppal rámérve max. 1.5 - 2 Vpp nagyságú nagyfrekvenciás jelet láthatunk. Mivel a kommunikáció a MHz-es tartományban történik, nagyon fontos, hogy a hálózati kártyáink és a kábelünk hullámimpedanciája azonos legyen, így biztosítva a visszaverődésmentes hullámterjedést. A technika elég megbocsájtó, egy 10 MBPS kapcsolat még egy "villanyszerelő módra", szigszalaggal megtoldott hálózati kábelen is működni képes. 100 MBPS esetén ezzel már ne próbálkozzunk... Kódolás

A számítógépekben előálló bináris adatfolyamot valamiképpen át kell vinni a másik eszközre. Ennek legegyszerűbb módja az lenne, hogy a "0" bithez 0V-ot, az "1" bithez pl. 5V-ot hozzárendelve az adatfolyamot simán rákapcsolnánk egy érpárra, egy másik érpáron pedig jeleznénk azokat a pillanatokat, amikor az adatfolyamot olvasni kell (órajel). Ez a primitív módszer látható a baloldali ábrán. Hátrány, hogy az órajel közléséhez egy külön érpár szükséges. Olyan módszert kellene találni, ahol az órajel és az információ azonos jelbe van foglalva, így egyetlen érpáron átvihető. Több ilyen módszer is van, az Ethernet esetében a Manchester-kódolást alkalmazzuk. Ez azt jelenti (baloldali ábra) hogy "0" bitnek egy lefutó él felel meg, "1"-nek pedig egy felfutó él. Ahhoz, hogy egy ilyen kapcsolatban már az első bitet is értelmezhessük, a vevőnek tudomására kell hoznunk, mennyi időnként keresse az éleket. E célból egy néhány bájtos 101010101010... (szinkronozó) sorozatot küldünk az adatok előtt, amiből az élek közötti időt a vevő megmérheti. Figyeljük meg a szinkronozás végét jelző "11" bitpárt!

A keretek

Az Ethernet-en az adatállományokat nem egyben viszik át, hanem apró szeletekre bontva. Ezen szeletek neve frame, magyarul keret. Alábbiakban közöljük a keretek felépítését. Figyelem! Ennek a TCP/IP protokollhoz még semmi köze, ez a kommunikáció legalacsonyabb rétege, amit csak a hálózati illesztőkártyák "beszélnek" egymás között! A keretek több szakaszra oszthatóak, ezek időrendben a következők: Szinkonozó: Nyolc bájt hosszú sorozat "10101010..." ami a vevő szinkronozását szolgálja. Az utolsó két bit "1",ezzel jelzi a sorozat végét.

MAC címek

A MAC (Media Access Protocol) az a fukciója az Ethernet kártyának, amely a kábelen való adás jogát vezérli. Az OSI modell szerinti tágyalásban ez már az Adatkapcsolati Rétegbe tartozó funkció. (Az OSI modellről később...) Jelenleg számunkra az a fontos, hogy nyilvánvalóan egy hálózaton meg kell mondanunk, kinek küldjük az adatokat és hogy kik vagyunk. Hogy kinek küldjük, azt egy 6 bájtos (MAC) címmel adjuk meg. A cím első 3 bájtja egyértelműen azonosítja a címzett hálózati interfész gyártóját, a második 3 bájt pedig a kártya gyári száma. Hogy a mi kártyánk honnan tudja, melyik kártyának kell címeznie küldeményét, az egy magasabb szintű funkció, később tárgyaljuk. Az automatizálással foglalkozó olvasók számára talán érdekesek az alábbi gyártóazonosító MAC számok:

A következő 6 bájt a küldő hálózati kártya gyártóját és gyári számát tartalmazza. (Ezek alapján bizony még a végtelen Internet-en is megmondható, hogy egy adott frame arról a hálózati kártyáról származik-e, illetve megnézhetjük hogy egy nagynevű cég feliratával ellátott kontrollerben/processzorban milyen gyártó hálózati interfésze lapul.) Adathossz Két bájt hosszú mező, ami az ezután következő adatblokk hosszát adja meg bájtokban. Az adatblokk hossza minimum 46, maximum 1500 bájt lehet. Ha 46 bájtnál rövidebb üzenetet akarunk küldeni, a hálózati kártya PAD funkciója 46-ra kiegészíti, és az adathossz mezőben is jelzi, hogy a valós adatsor hány bájt. Adatsor E rész átvitele végett van szükség az egész keretrendszerre, mégsem foglalkozunk most azzal, mi van az adatblokkban. Lehet hogy már egy jpg fájl töredéke, lehet, hogy még a TCP/IP kommunikáció egy része. Lényeg hogy 46 és 1500 bájt közötti hosszúságú adatsor. Ellenőrző összeg (CRC) Az Ethernet-nél egy négybájtos átvitel ellenőrző számot használunk. Ennek segítségével a vevő kiszámolhatja, hogy minden bájtot helyesen vett-e. Ezzel zárul minden keret. Szünet a keretek között Minden keret leadása után az adónak tartania kell 8 bájtnyi átvitelnek megfelelő szünetet. Ez a visszajelzések és mások szóhoz jutásának esélyét teremti meg, ezzel azonban már a következő részben foglalkozunk.