Nätverk – den hårda sidan

En liten introduktion och överblick av den hårdare sidan av nätverk, den mellan koppar/fiber och protokol så som IP.

av Magnus Danielson

Översikt

Lagermodeller

Några ord om kommunikation och nätverk

Problemen som behöver lösas

Fysiskt lager (“PHY”, linjekod, synkronisering)

Länklagret (paketgräns, checksumma, address)

Teknikexempel (Ethernet, SDH, FDDI, FC)

Lager på lager på lager...

Lager-modeller är ett försök att bryta ned systemfunktionaliteten i hanterbara bitar

ISO definierade en referensmodell under arbetet med Open Systems Interconnection (OSI)

Varje lager i den 7 lager höga OSI-stacken har sin funktionalitet

Bryt inte mot lager-principen genom att göra saker som ligger i ett annat lager

ISO OSI lager modellen

1	Physical layer	Transmission över fysiskt media

10	Financial layer	Visst, vad kostar det och vad kan vi tjäna?

7	Application layer	Ger tillgång till OSI tjänsterna

6	Presentation layer	Döljer detaljer i olika sessioner

8	Religious layer	Arbiträra åsikter om hur saker skall göras

9	Political layer	Maktspelet som inte har med åsikter att göra

5	Session layer	Handtering av flöden

4	Transport layer	Återsändning, flödeskontrol

3	Network layer	Förbindelser över flera data länkar

2	Data link layer	Felfri överföring över fysisk länk, ramar

0	Connection layer	Kablarna i världen – här görs pengar

Där OSI modellen misslyckades

Ursprungligent tänkt för ett specifikt system, senare system passar modellen dåligt för

IP-stackens lageruppfattning sitter “snett” mot OSI

Modellen är inte rekursivt applicerbar

Ett network layer protokol kan inte använda ett transport layer protokol för dataöverföring – resulterar i funktionsduplicering eller rena lögner

Riktiga nät har rekursion – IP-tunnlar, IP över ATM, ATM över IP, Ethernet över IP

Glöm OSI-modellen och “lager foo”

Transport Network Reference Model (TNRM) modeller

I grunden en teknik-oberoende modellering

Delar upp funktioner i lager och atomära funktioner

Connection Function – korskoppling

Trail Termination Function – övervakning

Adaptation Function – anpassning

Kan vara rekursiv

Allt som skall styras och övervakas modeleras

Används i SDH, ATM, DTM mm

Några ord om kommunikation

“Datakom tar nu över telekom” - hur kunde det bli så här fel?

Datakom betyder kommunikation mellan datorer

Telekom betyder kommunikation över avstånd (tele kommer från grekiskans teles, jmfr. teleskop, television och telefon)

Kommunikation är ju överföring av information, eller i alla fall meddelanden (Shannon)

“Datakom” resp “Telekom” är självidentifierande begrepp och inte tekniska termer

Några ord om kommunikation (2)

“bandbreden är 100 Mbps”

Bandbred syftar på hur stort frekvensutrymme en signal kan eller får ta, mäts i Hertz mellan -3 dB punkterna.

Bithastighet (Bitrate) är oftast syftande på den teoretiska informationsöverföringskapaciteten, mäts i bit per sekund (b/s)

Kopplingen mellan bandbredd och bitrate är rent teoretiskt lite halvkomplex (Shannon 1948)

“mer bandbred” syftar egentligen på “mer bitrate”

Några ord om kommunikation (3)

Sända bitar är symboler!

I binära system så är varje “bit” en symbol med två nivåer

Baud (Bd) är antalet sända symboler per sekund

Trinära (eller högre system) kan skicka mer än en bit per symbol (t.ex. PDH, FE)

Modem anges i t.ex. 56 kBd men har bara 8000 symboler per sekund, men 7 bitar per symbol

Gigabit Ethernet har 1,25 GBd men bara 1,0 Gb/s

Problemen - översikt

Fysiska

Signalnivå och dämpning

Ansluta till medium (koppar, fiber, brevduva)

Anpassa signal för transmissionskanalen (impedans)

Kompensera briser i transmissionskanalen (dispersion)

Tolkning av signal – minimera feltolkning

Detektera symboltakt och fas

Detektera och tolka symbolerna

Detektera ramgräns

Problemen – översikt (2)

Effektivitet i överföring

Minimera baudrate för en viss bitrate för att utnyttja bandbredden effektivt

Detektera fel i transmissionskanal och meddelanden

Symboler kommer alltid att riskera tolkas fel

Olika former av kontrol-information behövs

Multiplexera meddelanden från flera källor

fördela kapaciteten

Fysiska problem

Signal dämpas

Alla medier dämpar signalen

Låg signal nivå försvårar korrekt symboldetektion

Olika signal nivåer behöver kompenseras

Automatic Gain Control (AGC)

Anpassar förstärkningen i mottagaränden

Begränsningar i gain/avstånd

Sändsidan har bara en viss styrka

AGCn kan bara förväntas förstärka en viss mängd

Fysiska Problem (2)

Fel impedans ger

Reducerad signal amplitud

Reflexer

Utsmetning av symboler

Konsekvens

Koppar förbindelser är normalt koaxiala eller “twisted-pair” - kräver rätt kontakt och impedans

Fiber förbindelser är multi eller single mode, med olika storlek på fiberkärnan – kräver rätt kontakt, våglängd och core-storlek

Fysiska Problem (3)

Impedans-problem

Impedansen är förhållandet mellan ström och spänning

Olika ledar-konfigurationer har olika impedanser

Koax typiskt 50-75 Ώ

Twisted pair typiskt 90-120 Ώ

Vid varje förändring av impedans kommer

En del av energin att bli en reflektion

En del av energin att bli transmission

Fysiska Problem (4)

Dispersion

Dispersion är skillnaden i gångtid för olika frekvenser

En signal består av många olika frekvenser

Utspridning leder till att en tidigare sänd symbol påverkar senare sända symboler – utsmetning

Åtgärder

Val av medium som har låg dispersion

Kompensering av dispersion

För längre sträckor kan dispersion och inte dämpning sätta gränsen för snabba signaler!!!

Fysiska Problem (5)

Symbol-sampling och jitter

Varje symbol mäts vid en viss samplingstidpunkt

Samplingstidpunkten bestäms av klockåterviningen

Klockåtervinningen använder en PLL för att återskapa den sända klockan

Dispersion gör det svårt att avgöra var symbolgränserna är i tid – signalberoede jitter

Alla oscillatorer har i sig jitter – gaussiskt jitter

Fel symbolsamplingstidpunkt ger bitfel

Problemen – Fysiska (6)

Summering

Minimera dämpning

Minimera impedansfel

Minimera dispersion

Stabil impedans

Bestämd signalstyrka och form

AGC

Dispersionskompensering

Problemen – Tolkning av signal

Symboler

Informationen kodas till symboler – linjekod

Symbolerna sänds normalt i jämn takt – baudrate

Den verkliga symboltakten måste detekteras

Varje symbol detekteras vid en viss samplingstidpunkt

Sampling av symbol kan ske vid fel tidpunkt

Det magiska ögondiagrammet

Det magiska ögondiagrammet

Mäts med oscilloskop eller amplitud/tid-räknare

Visar hur en symbol ser ut

hur stigtid, falltid och ringning påverkar symbolerna

hur dispersionen påverkar symbol-gränserna

hur dispersionen smetar ihop symbol-nivåerna

hur jitter påverkar symbol-gränserna

Masktester

sätter förbjudna områden

klassisk metod som inte fungera bra för BER=10-15

Ögondiagrammet – 3 m

Ögondiagram – 25 km

Ramgränser

Var är bitarna?

Detektera symbolgränserna – PLL

Detektera symbolerna

Men var är vilka bitar?

Definiera en ram – där informationen har en känd struktur

Definiera en ramstart – där ramen har en detekterbar start

Ramgränser (2)

Ramstabilitet

Bitfelssannolikhet gör ramdetektionen instabil

Redundant information ger säkrare detektion

Cykliskt återkommande ramar

Mönster med redundant tolkning

Mönster med känd jitter innan tolkning

Ramstartsmönster problem

Unika ramstart mönster förenklar men fördyrar ofta

Ej unika ramstartmönster kan förekomma i data

Linjekod

Transformatorer tål inte DC ström

Kodning måste undertrycka DC

AGC kräver konstant modulerad nivå

Kodning kräver jämn fördelning mellan symbolerna eller minst DC-balancering för att undvika modulation

PLL lär sig fas-skillnader på transitionerna

Kräver kontinuerliga symbolskiftningar

Maximalt antal symboler som är samma

Helst hög symbolväxlningsfrekvens

Linjekod (2)

AGC och PLL kräver uppträning

För icke-cykliska sändningar (klassisk Ethernet) krävs upptränings-period (preamble)

Minimal bandbredd

Bandbredd kostar i kabel och förstärkare

Maximal bithastighet för investerad bandbredd

Minimerad komplexitet

Komplex modulation ger dyr lösning

Modulation sker ofta i hög fart

Feldetektion

Fel förekommer alltid

Klockjitter

Dispersion

Brus

Inget system är optimalt designat

Konsekvens av oupptäckta fel

Vi litar på trasiga förbindelser

Trasig data påverkar tillstånd

Mota Olle i grind bättre design-princip

Feldetektion (2)

Principer

Generera ett fingeravtryck av sänd data

Skicka fingeravtrycket med data på känt ställe

Generera ett nytt fingeravtryck i mottagaren

Jämföra det medsända fingeravtrycket med det genererade

Problem

Stora fingeravtryck tar kapacitet från överföring

Sannolikheten för att fel slinker igenom oupptäckta måste minimeras

Fysiskt lager

Kontakter

Anpassning till media

impedansanpassning

drivare och mottagare

Automatic Gain Control (AGC)

signal nivå övervakning (Loss Of Signal)

dispersionskompensering

Fysiskt lager (2)

Symboltakt generering och detektering

referensoscillator/PLL

klockåtervinning (PLL)

Symbol detektering

Sampling

Symbol avkodning

Linjekodning

Omvandla bitar och styrsignaler till symboler

Omvandla symboler till bitar och styrsignaler

Länk lagret (data link)

Ram-detektion och ram generering

Addressering

Checksummor

Multiplexering

Asynkron multiplexering (kollision/token/buffer)

Synkron multiplexering (tidluckor)

Ethernet Classic

Carrier Sense Multiple Access with Collision Detect (CSMA/CD)

Gemensamt medium

10 Mb/s halv duplex

50 Ω koax – Thick Ethernet (“guleböj”)

Vampyr kontaktering

500 meter

Manchester kod (20 MBd, 0 => 10 & 1 => 01)

Ethernet Classic – Ram

64 bit preamble & byte alignment – 10101010...1011 (5 MHz ton)

48 bit destination & source address

16 bit packet type

46-1500 octeter data

32 bit CRC checksum “CRC-32”

Ram 72-1526 octeter

preamable, header, data, CRC

Ethernet Classic - Partylinan

Carrier Sense

detektera att någon sänder

Paketgap på 96 bitar (9,6 μs)

tystnad på linan för att annan sändare skall höra att linan är ledig

Collision Detect

Oj, någon annan sänder!

Exponential Backoff

Försök senare – båda två

Ethernet repeater och hub

Repeater

har två portar

förstärker signalen mellan portarna

isolerar fel mellan nätsegmenten

Hub

repeater mer fler portar

skapar stjärnstruktur

Ethernet växel

Funktion

skickar vidare kompletta paket

lär sig var en viss mottagare finns (port)

skickar packet enbart till rätt port (unicast)

Trafikseparation

paket syns bara på segment med sändare och mottagare

andra trafiksegment kan sända utan kollision

Bitrate konvertering

olika portar kan ha olika bitrate

Ethernet doing the Twist

Tvistad kabel

100 Ω oskärmad par-tvinnad kabel

kabeltypen fanns redan i telefoni-installationer

två par, transmitt (Tx) och receive (Rx)

full duplex möjligörs (retrospektivt)

behändig och billig kontakt – RJ45

Stjärntopologi med hub

emulerar gemensamt medium

isolerar felen till enskilda förbindelser

FDDI – nyttig fiber

Fiber baserad ring-struktur

100 Mb/s

125 MBd med 4B/5B kodning

support för dubbel-ring (port redundans)

token passing mekanism

Bra

klarar hög last bra, 80% last inga problem

Dåligt

dyr teknologi, få tidiga tillverkare

Ethernet going Fast

100BASE-T

Twisted pair

100 Mb/s

125 MBd med 4B/5B kod (samma som för FDDI)

Automatisk förhandling om hastighet

Auto negotiation

10 Mb/s eller 100 Mb/s förhandlas efter vad som supportas av båda ändar på kabeln

blev tyvärr inte helt bra

Fibre Channel

Fiber baserad ringstruktur

850 Mb/s

1,0625 GBd med 8B/10B (3B/4B + 5B/6B) kod

Support för SCSI

Storage Area Network

diskfarmar

Gigabit Ethernet

1000BASE-X

1 Gb/s

1,25 GBd med 8B/10B-kod

Fiber (850 nm, 1310 nm och 1550 nm)

Koppar – 50 Ώ koax

1000BASE-T

Twisted pair

Flow control

men du, lugna ned dig lite!!!

SDH/SONET

Synchronous Digital Hierarchy

ursprungligen digitalt telefoni

hierarkisk aggregering (i steg om 4)

synkron/plesiokron transmission

fiberbaserat optosystem

ramar kommer i 8 kHz

återkommande struktur vid olika farter

effektivt utnyttjande av fiber med scrambling

låg bitfelssannolikhet

SDH/SONET farter

10G Ethernet

10GBASE-X

10 Gb/s

10,3125 GBd med 64B/66B kod

64 bit med scrambling

2 bit för ord-synkronisering (01 samt 10)

Fiber

IP över brevduva

Vi har en lång historia med att använda olika bärare av meddelanden

Brevduvor bär meddelanden längre än vi orkar kasta pappersflygplan och pingviner

Brevduvor har “self generating carrier” vilket kommer runt de klassiska problemen med dämpning av bärvåg

Brevduvor erbjuder en närmast oöverträffat fin service av hög fördröjning och låg kapacitet

Floobydust

Frågor, eventuellt några undvikande svar

Ankedotter och andra rövarhistorier

Allt annat som behövs

Förevisning av T-shirt

“lasershow”???

Avslutning

För er som fortfarande är vakna, dags att resa sig upp och gå över till Stacken-lokalen!

Kast med stor föreläsare undanbedes.

Magnus Danielson

2005-03-20T17:20:33