Ethernet LAN Temelleri

Tipik SOHO LAN’ları

Small Office / Home Office ağlarına denir. Sadece Ethernet LAN teknolojileri kullanan ağlardır.

Yukarıdaki resimde tipik bir SOHO LAN modelini görmekteyiz. 3 PC ve 1 Printer bir Ethernet teknolojisi olan Switch adında bir cihaza fiziksel kablolar yoluyla bağlanmıştır. Bu switch de yine kablo yoluyla network katmanı cihazı olan router’a bağlıdır. Bu SOHO LAN ağı, bu router yoluyla internete çıkmaktadır.

Yukarıda da yine bir SOHO LAN görebiliriz ama bu seferkinde bir AP yani Access Point dahil edilmiştir. AP’ler normalde bir switch gibi davranır ancak yine de bir fiziksel bağlantı gerektirir. Yine de günümüz SOHO network’leri tüm bu işleri bir arada yapan “wireless router” tercih ederler.

Tipik Enterprise LAN’ları

Karşılaştırıldıklarında SOHO network’ler gibidir ancak çok daha genişlerdir. Her katta kilitli dolaplar içinde muhafaza edilmiş network teknolojileri bulunur ve elektrikçiler bunların bağlantılarını yaparlar. Wireless LAN’ları desteklerler.

Yukarıdaki resimde tipik bir enterprise ağı görülmektedir. Aynı zamanda dağıtım switch’inin mantığı da açık bir şekilde görülür. Her katta bir switch bulunur ve bu switch’lerin hepsi dağıtım switch’ine bağlıdır. Yani, PC3, PC2 ile iletişime geçmek isterse ilk olarak dağıtım switch’inden geçer ve öyle SW2 ile bağlantı kurar. Cevap alma sürecinde ise tam tersi mantığında SW3’e dağıtım switch’i üzerinden ulaşım ile olur.

Ethernet Physical Layer Standartları

Hangi tip kablo üzerinden, hangi hızla data iletileceğinin belirli standartları vardır. Diğer standartlar Ethernet node’larının Ethernet LAN’ının bir parçası olabilmek adına protokolleri ya da kuralları tanımlar.

Aşağıdaki tabloda kablo tipleri ve bu kabloların tiplerine göre isimlendirilmesi görülmektedir. İsimlendirilmeleri aynı zamanda belirli bir mantık çerçevesi içinde yapılmıştır.

Örneğin; 10 Mbps hıza sahip bir kablonun ismi 10BASE-T’dir. Veya 100 Mbps hıza sahip bir kablonun isimlendirmesi, 100BASE-T. Harflere gelecek olursak T, UTP kabloyu, X ise fiber kabloyu temsil eder.

Yine de bu kabloların tipi ya da hızı ne olursa olsun, aynı data-link katmanı standartlarını ve protokollerini kullanırlar.

UTP kullanarak Physical Ethernet inşa etmek

Fiziksel Ethernet’te iletim gerçekleşmesi için UTP (Unshielded Twisted Pair) kabloların kullanıldığını görmüş olduk.

Yukarıdaki şekilde Twisted pair bir kablonun her bir pair’lerinin elektrik akımının nasıl gerçekleştiği görülmektedir. Loop sonucu akım gerçekleşir.

Twisted pair kablolar paralel yerine yukarıdaki şekildeki gibi loop şeklinde birbirine bağlanırlar. Elektrik akımı herhangi bir kablo üzerinden geçtiğinde electromagnetic interference (EMI) yaratır. EMI, kablonun yakınlardaki elektrik sinyalleriyle karışır (aynı kablo içerisindeki teller de dahil). Aynı kablo içerisindeki tel çiftleri arasındaki EMI’ye crosstalk denir. Aynı tel çiftlerini aynı kablo içerisinde bükmek çoğu EMI’yi engeller. Bu yüzden networking’te fiziksel linklerde Twisted pair kablolar tercih edilir.

Aşağıda ise iki Ethernet node’un birbiriyle bağlanmasını görüyoruz.

10BASE-T ve 100BASE-T kablo standartları 2 pair gerektirirken, 1000BASE-T kablo standartları 4 pair gerektirir. Her bir pair renkler ile kodlanmıştır. Örneğin bir pair’de tellerin birinin rengi yeşil iken diğerinin rengi çizgili yeşil-beyazdır.

Çoğu Ethernet UTP kablolarının uçları RJ-45 denen jaklar bağlıdır. RJ-45 connector’unun 8 fiziksel kablo lokasyonu bulunur. Bu da demektir ki kablodaki 8 tel buradaki pinlere sokulabilir. (Pin, her bir lokasyona verilen ad) Günümüz bilgisayarlarının çoğunda RJ-45 portları bulunur. (Network Interface Card — NIC) Switch’lerde ise çokça bulunur.

Yine de Cisco Switch’ler üzerinde sadece RJ-45 connector’leri olmaz. Başkaları da olabilir. Hangisini kullanmak istediğimize biz karar veririz. Esneklik sağlaması açısından bu connector’ler switch satın alınmışsa dahi sonradan değiştirilebilir.

Gigabit Ethernet Interface Converter (GBIC): Gigabit arayüzleri için çıkarılabilir alıcı. SFP’lerden daha büyüktür.

Small Form Pluggable (SFP): GBIC’lerin yerine Gigabit arayüzlerinde kullanılır. GBIC’den daha küçük bir boyuta sahiptir. Network card ya da switch üzerinde daha az yer kaplar.

Small Form Pluggable Plus (SFP+): SFP ile aynı büyüklük ancak 10-Gbps arayüzlerde kullanılır. (+ işareti SFP’nin hız kıyaslamasına temsilidir.)

Yine de bu kablolamaların standartları ve çalışma kuralları vardır.

Straight-Through Cable Pinout

10BASE-T ve 100BASE-T 2 çift pair kullanırlar.

Bağlantının sağlanabilmesi için doğru tellerin doğru pinlere bağlanması gereklidir. Her bir telin iletim yapabilmesi için diğer pinin pozisyonunu bilmesi gereklidir.

Pozisyonların mantığını bilmeden önce NIC ve switch’lerin çalışma mantığını bilmemiz gerekir. Kural olarak Ethernet NIC vericileri pin 1 ve pin 2’ye bağlı pinleri kullanırlar. Ethernet NIC alıcıları ise pin pozisyonları 3 ve 6 olan pinlere bağlı pini kullanır. LAN switch’leri NIC ne yapıyorsa tersini yapar. (Alıcılar 1,2 — Vericiler 3,6)

Bu yüzden PC NIC’i Switch’e bağlamak istersek Straight-through cable Pinout kullanırız. Yani pin 1 pin 1 ile, pin 2 pin 2 ile, pin 3 pin 3 ile vb. şeklinde eşleştiririz. Yukarıdaki ve aşağıdaki şekilde zaten yine görmekteyiz.

Eğer iki cihaz da iletim sırasında alıcı pinleri aynı ise bu kablo düzgün çalışmayabilir. Bu zamanlar da bir diğer kablo tipi olan crossover cable tercih ederiz.

Yukarıdaki resimde 2 switch birbirine bağlıdır. 2 switch’in de alıcı pini 1–2 ve gönderici pini 3–6’dır. Bu yüzden iki switch birbirine crossover kablo ile bağlanması daha doğru olur. Kısaca iki kablonun farkını özetlersek;

Crossover cable: İki cihazın son noktalardaki iletim pinleri aynıysa

Straight-through cable: İki cihazın son noktalardaki iletim pinleri farklıysa

1000BASE-T için UTP kablolama pinout’u

1000BASE-T, 10BASE-T ve 100BASE-T’den farklı çalışır. 4 tel pair standardına sahiptir ve alıcı-verici pinleri için eş zamanlı iletim gerçekleştiren daha gelişmiş bir sistem ile çalışır.

Straight-through kablosu devre yaratmak için 4 tel pair’i kullanır ancak pinler eşleşmek zorundadır. 2 pair ile çalışan 10BASE-T ve 100BASE-T ile aynı standartlar altında çalışır. Sadece işin içerisine 4–5 ve 7–8 pinleri de dahil olur.

Crossover kablo için de aynı mantık geçerlidir. 1–2 ve 3–6 aynıdır. 4–5 ve 7–8 de bunun gibi eşleşir.

1–3, 2–6, 3–1, 4–7, 5–8, 6–2, 7–4, 8–5

Fiber kullanarak Physical Ethernet inşa etmek

En dış 3 katman koruma görevi görür. Diğer 2 katman iletimden sorumludur. Bir ışık kaynağı core kısmına ışık verir. Işık, core’dan geçebilir. Ancak ışık, cladding kısmından core’a geri yansır.

Bu çoklu moda ait bir kablodur. Işık birçok açıdan geri yansır.

Single-Mode Fiber daha küçük çaplı bir core kullanır. Işık tek bir açıdan iletilir.

İki modun da farklı rolleri vardır. Multimode UTP üzerinden maksimum mesafeyi iyileştirir ve Single-Mode’a göre daha ucuz vericiler kullanır. Standartlar değişir. Örneğin, Fiber üzerinden 10 Gigabit Ethernet 400 metre mesafeye kadar müsaade eder. Single-Mode ise onlarca kilometreye müsaade eder ancak SFP/SFP+ donanımı olarak daha pahalıdır.

Yine de karşılaştırma yaparsak UTP maliyet bakımından kazanır. Yine de negatif yanları da vardır. UTP fabrika gibi elektrik kirliliğinin çok olduğu alanlarda çok verimli çalışmayabilir. Çünkü UTP, EMI’den etkilenir. UTP kablosu sinyallerinin bir kısmını dışarı atabilir. Bu yüzden yüksek güvenlik içeren network’ler fiber tercih edebilir.

Ethernet Network’lerde Data Gönderimi

Yukarıdaki resim bir Ethernet data-link katmanı frame’dir. Başta Ethernet header’ı, ortada enkapsüllenmiş data ve sonda ise Ethernet trailer’ı bulunur.

Preamble: Senkronizasyon

Start Frame Delimiter (SFD): Sıradaki byte Destination MAC adres alanı ile başlayacağını belirtir.

Destination MAC Address: Alıcının kimliği MAC adresi.

Source MAC Address: Göndericinin kimliği yani MAC adresi.

Type: Frame içinde listelenmiş protokolleri tanımlar. (Çoğunlukla IPv4 mü yoksa IPv6 mı)

Data and Pad: Daha üst katmanların datasını tutar.

Frame Check Sequence (FCS): Frame’de iletim sırasında hata oluşmuş mu diye alıcı NIC için metotlar belirler.

Ethernet adresi olarak Media Access Control (MAC) kullanılır. 6 byte yani 48 bittir. Bilgisayarlar 12 basamaklı hexadecimal gösterim kullanırlar. Çoğu MAC adres tek bir NIC ya da Ethernet portu temsil eder. Bu yüzden çoğunlukla unicast Ethernet address olarak adlandırılırlar. MAC adresleri tektir ve aynı MAC adrese sahip bir bilgisayar olamaz. Yoksa karışıklık çıkar. Üretici bir MAC adresi ataması yapmadan evvel ilk IEEE onayını alır ve 24 biti üreticiyi temsil eder. Buna OUI denir. İlk 3 byte üreticiyi temsil ederken, son 3 bit unique olmak zorundadır. Bu yöntem ile MAC adresleri hep unique olarak üretilir.

Unicast gibi tek adreslerin yanında bir de grup adresleri vardır. Tek bir MAC adresine iletilmesi yerine birden fazla MAC adresine iletim yapılır.

Broadcast Address: Ethernet LAN içerisindeki tüm MAC adreslerine iletim yapılır. Adresi FFFF.FFFF.FFFF

Multicast Address: Belirli adresleri almaya gönüllü olan birkaç belirli MAC adreslerine iletim yapılır. Bu adrese iletilen frame’ler kopyalanır ve gönüllü MAC adreslerine iletilir.

Frame’de bahsedilen Type, yukarıdaki resimde daha detaylı gösterilmiştir.

Bazen iletim yapılırken electrical interference ya da kötü NIC yüzünden frame bitlerinde değişiklikler gerçekleşebilir. Bu yüzden frame, trailer kısmında FCS yani hata tespit alanı bulundurur. Trailer kısmındaki tek alandır.

Gönderici gönderdiği frame adına karmaşık bir matematik formülü uygular ve FCS alanında saklar. Alıcı aynı formülü aldığı frame için uygular ve göndericinin FCS sonucu ile karşılaştırır. Hata tespiti bu şekilde gerçekleşir.

Dikkat edilmelidir ki bu kısım sadece hata tespit kısmıdır. Tespit edilen hata iyileştirilmez. Hata tespit edilen frame çöpe atılır. Hata düzeltmeden TCP sorumludur.

Half Duplex: Cihaz eğer o anda bir frame alıyorsa, gönderim için beklemek zorundadır. Aynı anda hem gönderim hem iletim yapamaz.

Full Duplex: Cihaz gönderimden önce beklemek zorunda değil. Aynı anda hem data alımı ve iletimi yapabilir.

Bazen yine de half duplex’e ihtiyaç duyabiliriz.

Bir de eski zamanlarda kullanılan Hub denen bir cihaz var. Bu cihaz data-link katmanı standartlarını kullanmaz. Kabloların standartlarını kullanır. Bir mesaj iletileceği zaman bu mesajı alır ve tüm portlarına mesajı gönderir. MAC adresi kullanmaz çünkü. Bu yüzden birtakım sorunlar ortaya çıkar.

Yukarıda görüldüğü gibi bir collision gerçekleşmiş. Kablo full duplex. Bu problem aynı anda iki ya da daha fazla cihazın iletim yapması sonucu gerçekleşiyor. Half duplex kablo kullanılsaydı, bir başka cihaz iletim yapıyorsa diğer cihazlara beklenilmesi söylenirdi.

Half duplex kablolar basit olarak Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection (CSMA/CD) kullanır. Yani:

Step 1: Frame gönderecek cihaz ilk Ethernet’in meşgul olup olmadığını dinler.

Step 2: Ethernet meşgul değilse, gönderici frame’in iletimine başlar.

Step 3: Gönderici iletim yaparken çarpışma var mı yok mu diye Ethernet’i dinlemeye devam eder. Eğer collision gerçekleşirse, tüm iletim yapan node’lar aşağıdakileri yapar:

A. Diğer tüm node’lara collision gerçekleştiğine dair bir jamming sinyali gönderilir.

B. Gönderime tekrar denemeden önce rastgele bir zaman seçilir.

C. Sıradaki adım tekrar Step 1 ile başlar.