Chapter 2: fundamentals of Ethernet LANs

An Overview of LANs

Typical SOHO LANs

• SOHO: small office/home office
• 家庭用routerだとswitch portも生えてたりする
• さらに無線Access Pointも兼ねていたりする
• が、概念的には別々の機器

Typical Enterprise LANs

• 例: 3階建の会社

  • 各階にSW1,SW2,SW3を配置
  • 階内での通信はこのスイッチで行う
  • SW1-SW3に分配するSWDを配置 (distribution switch)
  • 階をまたいだ通信はこのスイッチで
  • SWDにrouterを接続
  • インターネット接続や、企業ネットワークの他の部分への接続

The Variety of Ethernet Physical Lyer Standards

• IEEE802.3系

• 意味

  • T: UTP (Unshielded Twisted Pair)
  • X: Fiber

Consistent Behavior over All Links Using the Ethernet Data-Link Layer

• 物理層はケーブルでビットを送信する仕様
• データリンク層はEthernet frameを送信する仕様
• 「frame」 … header + trailerでくるむことから

Building Physical Ethernet LANs with UTP

Transmitting Data Using Twisted Pairs

• 「pair」の理由は電気回路上の理由から

  • 片方がtransmitter -> receiver
  • もう一方が逆向き

• encoding scheme

  • なにをもって0,なにをもって1とするかの取り決め
  • 例: 10BASE-T: Manchester
  • high -> low: 0
  • low -> high: 1

Breaking Down a UTP Ethernet Link

• 「Ethernet Link」ってなに

• Ethernet Node間の物理的なケーブル

  • RJ-45 connectors (さすやつ)
  • cable
  • RJ-45 ports (受け)
• PCでは、RJ-45 portsは NIC: Network Interface Cardの一部として実装されていたりする

• transceiver

  • ポートを変換するやつ
  • Cisco製品
  • Gigabit Ethernet Interface Converter (GBIC)

  • Small Form Pluggable(SFP)

    • GBICの後継。小さい

  • Small Form Pluggable Plus(SFP+)

    • 10Gbps対応

UTP Cabling Pinouts for 10BASE-T and 100BASE-T

Straight-Through Cable Pinout

• ストレートケーブル

  • PCとswitchなどをつなぐやつ
  • (1,2)-(1,2)、(3,6)-(3,6)

• クロスケーブル

  • switch同士などをつなぐやつ
  • (1,2)-(3,6)、(3,6)-(1,2)

• 左のグループ同士、右のグループ同士を接続する場合はクロスケーブル
• 左と右を接続する場合はストレートケーブル
• きょうびのスイッチングハブにはAuto-MDIX機能が備わっているので間違えてもいい感じに動いてくれる

UTP Cabling Pinouts for 1000BASE-T

• 10BASE-T, 100BASE-Tと異なり、1000BASE-Tは4ペア

  • (1,2),(3,6),(4,5),(7,8)
  • クロスケーブルだと(4,5)と(7,8)が入れ替わる

Builing Physical Ethernet LANs with Fiber

Fiber Cabling Transmission Concepts

• 10BASE-Tでpairが2つあるように、fiberでもtransmitter-receiverが2対ある

Tx ----- Rx 
Rx ----- Tx

Using Fiber with Ethernet

• UTP交えた比較

• EMI: Electromagnetic Interference (電磁気妨害)

• copying from cable emissions

  • 漏れ信号を披露って盗聴できる脆弱性
  • 【補】サイドチャネル攻撃の一種

Sending Data in Ethernet Networks

Ethernet Data-Link Protocol

Header

• Preamble (7 bytes)

  • (10101010) x 7オクテット

• SFD: Start Frame Delimiter (1 byte)

  • 10101011

• Destination (6 bytes)

  • MACアドレス

• Source (6 bytes)

  • MACアドレス

• Type (2 bytes)

  • 上位プロトコルのタイプ
  • IPv4: 0800
  • IPv6: 86DD

Trailer

• FCS: Frame Check Sequence (4 bytes)

  • 誤り検出
  • CRC32

  • 訂正はしない

    • error recoveryはもっと上位のレイヤの仕事(TCP)

Ethernet Addressing

• MACアドレスは重複しないように管理されている

  • 前半3バイト: OUI (Organizationally Unique Identifier)
  • ベンダーがIEEEにお願いして割り当ててもらうやつ
  • Ciscoなら00:60:2Fとか00:00:0Cとか
  • 後半3バイト: Vendor Assigned
  • ベンダーが重複しないように割り当てるやつ
• CiscoのCLI上では0000.0C12.3456のように2バイトずつで区切られて表示されたりする

• BIA: Burned-In Address, Burnt In Address

  • ROMに焼きこまれたアドレス

• 種類

  • unicast
  • multicast
  • 前半25ビットが決まっている: 01:00:5E, つぎ0
  • マルチキャストIPv4アドレスの下位23ビットが残りの部分にマッピングされる
  • 例: マルチキャストIPv4アドレス224.10.1.1はマルチキャストMACアドレス01:00:5E:0A:01:01にマッピングされる
  • broadcast
  • FF:FF:FF:FF:FF:FF

Sending Ethernet Frames with Switches and Hubs

Sending in Modern Ethernet LANs Using Full Duplex

• Half Duplex

  • 送信と受信を同時にできない

• Full Duplex

  • 送受信を同時にできる

Using Half Duplex with LAN Hubs

• LAN Hub

  • 【所感】「リピータハブ」ってやつかな
  • Switch (L2)のようにRJ-45のポートがいっぱい生えている
  • 振る舞い的にL1のデバイスである
  • イーサネットフレームのことやMACアドレスのことなどを知らない
• 何も考えずにL1の信号を転送するので、衝突がおきる
• 衝突がおきるので、full-duplex logicではなくhalf-duplex logicが必要になる

• CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)

  • ぶつかったらランダムに待って再送するやつ
• LAN Hubに接続された機器は、ネットワークを共有し、そのネットワークでは一度に1つのフレームしか送信できない

• cf. CCNA試験における「point-to-point」という言葉は、full-duplexであるとを強調する言葉

  • switchで構成されたpoint-to-point linkは互いに独立であり、同時にフレームを送信できる