Ethernet Basics
Ethernet TCP/IP & Security
Inhoudsopgave 1 Inleiding 1 1.1 Het OSI model...................................... 1 1.2 LAN............................................ 3 2 Ethernet 5 2.1 Inleiding......................................... 5 2.2 De fysische implementaties.............................. 6 2.2.1 Implementaties op basis van coax....................... 7 2.2.2 Implementaties op basis van twisted pair................... 7 2.2.3 Implementaties op basis van fiber....................... 11 2.2.4 Wireless LAN................................... 11 2.2.5 Bluetooth..................................... 14 2.3 De datalinklaag..................................... 16 2.3.1 Inleiding...................................... 16 2.3.2 MAC adres.................................... 16 2.3.3 De Ethernet dataframe............................. 17 2.3.4 CSMA/CD..................................... 18 2.3.5 CSMA/CA..................................... 20 2.4 Structuurelementen voor Ethernet.......................... 21 2.4.1 De hub...................................... 21 2.4.2 De switch..................................... 23 2.5 Belangrijke aanvullingen................................ 24 2.5.1 IEEE802.1Q tagged frame............................ 24 2.5.2 LLDP........................................ 25 2.5.3 Power over Ethernet............................... 25 2.5.4 Netwerkredundantie............................... 28 2.5.5 VLAN....................................... 30 2.5.6 Industrial Ethernet................................ 32 3 TCP/IP 34 3.1 Inleiding......................................... 34 3.2 Het Internet Protocol (IP)................................ 35 3.2.1 Inleiding...................................... 35 3.2.2 Het IP adres.................................... 36 3.2.3 Routers en subnetmasking........................... 39 3.2.4 Subnetten..................................... 40 3.2.5 Classless Inter-Domain Routing........................ 41 3.2.6 Voorbeelden................................... 42 i
Inhoudsopgave ii 3.2.7 Het IP pakket................................... 43 3.2.8 IPv6........................................ 45 3.3 Transmission Control Protocol (TCP).......................... 46 3.3.1 Inleiding...................................... 46 3.3.2 End-to-end transportdienst........................... 46 3.3.3 Hoe betrouwbaarheid wordt bereikt...................... 47 3.3.4 Het TCP segment................................. 48 3.4 UDP............................................ 50 3.5 TCP en UDP poorten binnen de automatisering.................... 52 3.6 Communicatie over TCP(UDP)/IP............................ 53 3.6.1 Client Server model............................... 53 3.6.2 Endpoint en Internetsocket........................... 54 3.6.3 Dynamische Servers............................... 55 3.6.4 Ondubbelzinnige communicatie........................ 55 3.6.5 Status van een socket.............................. 57 3.6.6 Verbindingsgerichte en verbindingsloze communicatie........... 57 4 Uitbreidingsprotocollen en netwerkapplicaties 58 4.1 ARP............................................ 58 4.1.1 Inleiding...................................... 58 4.1.2 Address Resolution Protocol (ARP)....................... 58 4.2 ICMP........................................... 59 4.2.1 Inleiding...................................... 59 4.2.2 Internet Control Message Protocol....................... 59 4.2.3 ICMP bericht................................... 60 4.2.4 Bereikbaarheid van een host controleren................... 61 4.2.5 Een route traceren................................ 61 4.3 IGMP........................................... 62 4.3.1 Inleiding...................................... 62 4.3.2 IGMP berichten.................................. 63 4.3.3 IGMP snooping.................................. 63 4.3.4 Multicast adressen................................ 64 4.4 BOOTP en DHCP..................................... 64 4.4.1 Inleiding...................................... 64 4.4.2 BOOTP....................................... 65 4.4.3 DHCP....................................... 65 4.5 DNS............................................ 66 4.5.1 Inleiding...................................... 66 4.5.2 De structuur van een hostnaam........................ 66 4.5.3 Werking van het DNS protocol......................... 67 4.6 SNMP........................................... 68 4.6.1 Inleiding...................................... 68 4.6.2 SNMP structuur.................................. 69 4.6.3 De MIB en SMI.................................. 70 4.6.4 SNMP protocol.................................. 72 4.7 Overzicht van enkele andere belangrijke applicaties................ 72 4.7.1 HTTP........................................ 72 4.7.2 HTTPS....................................... 73 4.7.3 FTP........................................ 73
Inhoudsopgave iii 4.7.4 TFTP........................................ 73 4.7.5 NTP........................................ 73 5 De switch 75 5.1 Algemeen........................................ 75 5.2 Industriële switches................................... 76 5.2.1 Algemeen..................................... 76 5.2.2 Technische beschrijving van een industriële switch.............. 77 6 De router 82 6.1 Inleiding......................................... 82 6.2 Het routen van berichten................................ 82 6.3 Soorten routers..................................... 84 6.4 Koppeling van een privé netwerk aan het Internet.................. 84 6.5 IP NAT........................................... 86 6.5.1 NAT: IP masquerading.............................. 86 6.5.2 Port Forwarding................................. 87 6.6 1:1 NAT.......................................... 88 7 De firewall 90 7.1 Inleiding......................................... 90 7.2 Soorten firewalls..................................... 90 8 VPN 92 8.1 Inleiding......................................... 92 8.2 Internet Protocol Security, IPsec............................ 92 8.3 VPN implementaties................................... 94 9 Automatiseringsnetwerken & Security 96 9.1 Bedrijfsnetwerk..................................... 96 9.2 Automatiseringsnetwerk................................ 97 9.2.1 Automatiseringscel............................... 97 9.2.2 Automatiseringsnetwerk............................ 97 9.2.3 Koppeling van een automatiseringsnetwerk aan een bedrijfsnetwerk... 99 9.3 Noodzaak aan beveiliging............................... 99 9.3.1 Inleiding...................................... 99 9.3.2 Bewustwording.................................. 99 9.3.3 Doelstelling van security............................ 100 9.3.4 Security in de kantoorwereld versus security in de automatiseringswereld 100 9.3.5 Standaardisatie omtrent security in automatiseringsnetwerken....... 102 9.3.6 Een veiligheidsprogramma........................... 103 9.4 Security in de praktijk.................................. 104 9.4.1 Laag 1 security.................................. 104 9.4.2 Laag 2 security.................................. 104 9.4.3 Laag 3 security.................................. 105
Hoofdstuk 1 Inleiding 1.1 Het OSI model De International Organization for Standardization (ISO) heeft in 1979 een model ontwikkeld om structuur en standaardisatie in de wereld van de datacommunicatie en netwerken aan te brengen. De ISO is de commissie die het Open Systems Interconnection (OSI) referentiemodel heeft ontwikkeld. Doelstelling van de ISO was een referentiemodel te ontwerpen waarbij onderlinge communicatie tussen twee systemen, bijv. twee computers, kon plaatsvinden. Volgens het ISO/OSI model (ook wel het 7-lagenmodel genoemd) kan een systeem A communiceren met een systeem B (2 systemen van 2 verschillende leveranciers). Tussen deze systemen kunnen verschillende netwerken aanwezig zijn, zowel openbare netwerken als privé netwerken. Een openbaar netwerk is een netwerk dat voor iedereen toegankelijk is, mits wordt voldaan aan de op dit netwerk geldende voorwaarden. Een privé-netwerk is veelal bedrijfsgebonden. Figuur 1.1: Het OSI model 1
Hoofdstuk 1. Inleiding 2 Het OSI model bestaat uit zeven functionele lagen. Elke laag bezit een aantal gedefinieerde functies. Hieronder volgt een beperkte opsomming van de verschillende lagen: FYSIEKE LAAG (laag 1) Deze laag verzorgt de koppeling met het medium waarover de informatie tussen twee punten in het netwerk wordt verstuurd: dit betekent dat deze laag voorziet in de mechanische, elektrische of optische entiteiten die nodig zijn om de fysieke verbinding tot stand te brengen, te onderhouden en te verbreken. DATALINKLAAG (laag 2) De protocollen van laag 2 geven aan hoe de frames uiteindelijk over het netwerk moeten verstuurd worden. Laag 2 handhaaft een foutdetectie- en correctiemechanisme om er zeker van te zijn, dat transmissiefouten worden afgehandeld en dat de gegevens aan de andere zijde juist ontvangen worden. NETWERKLAAG (laag 3) Op dit niveau wordt de adressering, dat wil zeggen het vinden van een route door het netwerk en het voorkomen van opstoppingen binnen het netwerk geregeld. De netwerklaag zorgt voor het transport van berichten van het ene knooppunt naar het andere op de weg van de zender naar de uiteindelijke ontvanger. TRANSPORTLAAG(laag 4) De transportlaag is verantwoordelijk voor een betrouwbare overdracht van de gegevens. De transportlaag zorgt voor een logische verbinding tussen de beide eindsystemen van het netwerk (een logische punt tot punt verbinding). Hierdoor wordt een foutloos datatransport gerealiseerd, waarbij de gegevens in de goede volgorde aankomen bij de ontvanger. SESSIELAAG (laag 5) Hier wordt voorzien in de controlestructuur van de dialoog (sessie) tussen twee applicaties over het netwerk, alsmede in het opzetten en verbreken van een dergelijke sessie. PRESENTATIELAAG (laag 6) De protocollen in laag 6 bepalen hoe data wordt weergegeven: dit is nodig omdat verschillende computersystemen getallen en tekens verschillend representeren. Deze laag verzorgt dus onder andere de vertaling van codes, bv. van ASCII naar EBCDIC. APPLICATIELAAG (laag 7) Deze laag levert diensten aan de toepassingen die draaien ten behoeve van de gebruikers op de systemen van het netwerk. De afspraak bij het referentiemodel is dat het te versturen bericht van de zender deze zeven lagen doorloopt. Iedere laag van het model voorziet het bericht van een header, startend vanaf laag 7 en vervolgens afdalend naar laag 1, zie figuur 1.2. In de header staat aangegeven welke datacommunicatiefuncties moeten worden uitgevoerd. Voor het functioneren van de communicatieprotocollen wisselt iedere laag informatie uit met de corresponderende laag aan de andere kant van de verbinding, los van de applicatiedata die de uiteindelijke gebruikers van de verbinding naar elkaar toesturen. In het OSI model voegt elke laag een stukje informatie toe (header) aan de gebruikersdata van de verzendende kant, die er vervolgens aan de ontvangende kant weer door de corresponderende laag wordt afgepeld. De datalinklaag plaatst meestal niet alleen extra informatie voor de
Hoofdstuk 1. Inleiding 3 Figuur 1.2: Protocoloverhead in het OSI model doorgegeven data maar ook erachter. Dat staartstuk bevat een checkcode ten behoeve van de detectie van mogelijke transportfouten. Alleen de fysieke laag voegt er niets meer aan toe. 1.2 LAN Een lokaal netwerk, Local Area Network (LAN), is ontwikkeld om de communicatie tussen computers, werkstations en randapparatuur in een gebied met zeer beperkte geografische omvang te verzorgen. In een LAN zijn de aangesloten stations autonoom, dat wil zeggen dat er geen primaire en secundaire stations bestaan. Elk station kan een verbinding tot stand brengen, onderhouden en afbreken met een ander station. De vier onderste lagen van het OSI model vragen voor een LAN een iets andere benadering ten opzichte van publieke netwerken. De commissie 802 van het Institute for Electrical and Electronic Engineers heeft voor LAN s een aantal standaards vastgelegd. Figuur 1.3: Situering LAN binnen het OSI model
Hoofdstuk 1. Inleiding 4 Figuur 1.3 toont de invulling van de lagen 1 en 2 in het OSI model door de IEEE802 standaard. Voor het algemene concept voor LAN s kan de standaard IEEE802.1 worden geraadpleegd. Binnen de IEEE802 commissie zijn momenteel volgende werkgroepen aktief: IEEE802.1 Bridging (networking) and Network Management IEEE802.2 Logical Link Control IEEE802.3 CSMA/CD (Ethernet) IEEE802.5 Token Ring IEEE802.11 Wireless LAN & Mesh (Wi-Fi certification) IEEE802.15 Wireless PAN IEEE802.15.1 (Bluetooth certification) IEEE802.15.4 (ZigBee certification) IEEE802.16 Broadband Wireless Access (WiMAX certification) IEEE802.16e (Mobile) Broadband Wireless Access IEEE802.16.1 Local Multipoint Distribution Service IEEE802.17 Resilient packet ring IEEE802.18 Radio Regulatory TAG IEEE802.19 Coexistence TAG IEEE802.20 Mobile Broadband Wireless Access IEEE802.21 Media Independent Handoff IEEE802.22 Wireless Regional Area Network
Hoofdstuk 2 Ethernet 2.1 Inleiding Ethernet is de basis van LAN netwerken. De huidige LAN markt kenmerkt zich door een tot nog toe ongekende mate van standaardisatie op Ethernet. Door zijn enorm marktaandeel verbant Ethernet, ondanks enkele nadelen, alle alternatieve technologieën naar de niche. Een kort historisch overzicht: 1980: Digital Equipment Corporation, Intel en Xerox zorgen voor de release van de eerste Ethernet specificatie, version 1.0, onder de naam Ethernet Blue Book of DIX standaard. Het definieert Thick Ethernet bij 10Mbps CSMA/CD. De eerste Ethernet controllers gebaseerd op de DIX standaard waren beschikbaar vanaf 1982. De tweede en finale versie van de DIX standaard, versie 2.0, werd gereleased in november 1982: Ethernet II. 1983: The Institute of Electrical and Electronic Engineers (IEEE) brengt de eerste IEEE standaard voor Ethernettechnologie. Het werd ontwikkeld door de 802.3 groep van de IEEE802 commissie en dit onder de naam IEEE802.3 Carrier Sense Multiple Acces with Collision Detection Acces Method and Physical Layer Specifications. IEEE herwerkte sommige delen van de DIX-standaard vooral wat betreft de definiëring van de framebepaling. 1985: IEEE802.3a; definiëring van thin Ethernet, cheapernet of 10Base2 1987: IEEE802.3d; Fiber Optic Inter Repeater Link (FOIRL) Gebruik van twee fiber optic kabels om de afstand tussen 10 Mbps repeaters te verlengen tot 1000m. 1987: IEEE802.3e; 1Mbps over twisted pair 1990: IEEE802.3i; release van de populaire 10Base-T; 10Mbps over UTP categorie 3 1993: IEEE802.3j; 10Base-F: afstanden groter dan 2 km over fiber optic 1995: IEEE802.3u; 100Base-T en 100Base-F 1997: IEEE802.3x: full-duplex Ethernet 1997: IEEE802.3y; 100Base-T2 5
Hoofdstuk 2. Ethernet 6 1998: IEEE802.3z; 1000Base-X standaard; algemeen bekend onder de naam Gigabit Ethernet 1999: IEEE802.3ab; Gigabit Ethernet over twisted pair 1999: IEEE802.3ac; 802.1Q: definiëring van de Q-tag met VLAN en prioriteitsinformatie. 2003: IEEE802.3af; Power over Ethernet 2006: IEEE802.3an; 10GBase-T 2006: IEEE802.3aq; 10GBase-LRM, Ethernet over multimode fiber Ethernet is alleen een specificatie van lagen 1 en 2 in het OSI-model. Het is geen volledig netwerkprotocol maar een subnet waarop andere protocollen kunnen werken zoals bijv. de TCP/IP suite. De belangrijkste functies van ETHERNET zijn: Invulling van de fysische laag het verzenden en ontvangen van seriële bitstromen over het medium. het detecteren van botsingen (collisions). Invulling van de datalinklaag MAC sublayer: toegangsmechanisme tot het netwerk (CSMA/CD). opbouw van de dataframes. LLC sublayer: databetrouwbaarheid. voorzien van datakanalen voor bovenliggende applicaties. 2.2 De fysische implementaties De belangrijkste implementaties door de jaren heen zijn: Thick Ethernet (10Base5) Thin Ethernet (10Base2) Broadband Ethernet (10Broad36) Ethernet over twisted pair (10Base-T) Ethernet over Fiber (10Base-F) Fast Ethernet (100Base-T / 100Base-F) Gigabit Ethernet (1000Base-T) Wireless Ethernet
Hoofdstuk 2. Ethernet 7 2.2.1 Implementaties op basis van coax Het oorspronkelijke Ethernet was ontworpen rond het concept van een bustopologie. De eerste implementaties van Ethernet waren gebaseerd op een dikke gele coaxkabel, thick Ethernet ook 10Base5 genaamd. Kenmerken van het oorspronkelijke Ethernet: 10Mbps Baseband (basisband transmissie) max. 5 x 100 = 500 meter max. 100 transceivers per segment Thick Ethernet coaxiale kabels hebben een markering iedere 2.5m om een goede plaatsing van de 10Base5 transceivers (of MAU s) te verzekeren. Deze transceivers worden gebruikt om stations aan het netwerk te koppelen. De transceivers mogen iedere 2.5m geplaatst worden, dit voorkomt reflecties van de signalen, wat zorgt voor een slechte transmissiekwaliteit. Deze vorm van implementatie is voorbijgestreefd. Al snel werd de stugge dikke gele coax vervangen door de zwarte soepeler coax wat leidde tot de implementatie van thin Ethernet, 10Base2. De aansluiting van de verschillende stations wordt gerealiseerd door T-vormige BNC aansluitstukjes waarbij een maximale segmentlengte van ongeveer 200 meter kan toegepast worden. Belangrijk bekabelingsdetail dat in veel bustechnologieën vereist is: de afsluitweerstand (terminator) - een klein, goedkoop apparaatje dat op alle uiteinden van de coax-kabels die een Ethernet vormen, gemonteerd moet worden. Een afsluitweerstand bestaat uit een weerstand die de centrale ader van de kabel met de afscherming verbindt: als een elektrisch signaal de afsluitweerstand bereikt, wordt het weggegooid. Voor de correcte werking van een netwerk is de afsluitweerstand onontbeerlijk omdat het uiteinde van een niet-afgesloten kabel elektrische signalen reflecteert zoals een spiegel licht terugkaatst. Als een station probeert een signaal over een niet-afgesloten kabel te versturen, wordt dit signaal door het kabeleinde teruggekaatst. Wanneer de reflectie het zendende station bereikt, treedt interferentie op. 2.2.2 Implementaties op basis van twisted pair Het grote probleem bij coax is dat enkel half duplex communicatie kan toegepast worden. Ook de toegepaste busstructuur is niet ideaal indien bepaalde problemen optreden. Om de bustopologie te doorbreken is Ethernet overgestapt op een topologie waar ook twisted pair kan gebruikt worden: alle stations zijn verbonden met één of meerdere centrale hubs. Op deze manier kan een stertopologie uitgewerkt worden. Het netwerk is op deze manier gemakkelijker uit te breiden, te controleren en is het eenvoudiger om fouten op te sporen. De maximale segmentlengte tussen een deelnemer en een hub is 100 meter. De varianten op basis van twisted pair zijn geëvolueerd van 10Base-T (10Mbps) over 100Base- T (100Mbps) tot 1000Base-T (1000Mbps).
Hoofdstuk 2. Ethernet 8 Figuur 2.1: De MAU voor 10/100Base-T De MAU, ontwikkeld voor twisted pair, is voorzien van 4 datapinnen: 2 voor te zenden, 2 voor te ontvangen. Dit is de basis voor full duplex Ethernet. In principe is enkel punt tot punt communicatie mogelijk. Vandaar dat ieder host rechtstreeks moet verbonden worden met een structuurelement: een hub of een switch. Fast Ethernet De UTP kabel, bv. CAT5 (Category 5) UTP (Unshielded Twisted Pair), ondersteunt snelheden tot 100Mbps. De kabel bestaat uit 8 draden, geordend in 4 paar. De 4 paren zijn herkenbaar doordat er steeds 1 volledig gekleurd is en het andere met witte onderbrekingen in dezelfde kleur. Van de 4 paren worden er in 10/100Base-T slechts 2 gebruikt (paar 2: oranje/wit en oranje en paar 3: groen/wit en groen). De IEEE specificatie voor Ethernet 10/100Base-T vereist dat het ene gebruikte paar aan pin 1 en pin 2 van de connector wordt aangesloten terwijl het tweede paar aan pin 3 en pin 6 wordt aangesloten. De andere twee niet gebruikte paren zullen aangesloten worden op pin 4 en 5 en op pin 7 en 8. Tabel 2.1: Pinconfiguratie voor Fast Ethernet Pin Kleur Functie 1 groen met wit +TD 2 groen -TD 3 oranje met wit +RD 4 blauw niet gebruikt 5 blauw met wit niet gebruikt 6 oranje -RD 7 bruin met wit niet gebruikt 8 bruin niet gebruikt Tabel 2.1 toont de pinconfiguratie voor 10/100Base-T. TD staat voor Transmitted Data, RD staat voor Received Data. Het plus- en minteken geven aan dat het signaal gespiegeld verstuurd wordt langs twee datalijnen, zie ook figuur 2.2.
Hoofdstuk 2. Ethernet 9 Figuur 2.2: Transmissietechnolgoie voor 10/100Base-T De straight-through kabel, de rechtdoor kabel ook wel de patchkabel genoemd, is de kabel die we bekomen als we langs beide zijden van de kabel paar 2 met pin 1 en pin 2 verbinden, terwijl paar 3 met pin 3 en pin 6 verbonden wordt. Deze kabel kan gebruikt worden voor verbindingen tussen het patchpanel en de hub/switch, de PC en de hub/switch of de PC en de muur. Algemeen wordt deze kabel gebruikt voor de verbinding van een structuurelement en een eindelement. Een cross-over kabel is nodig om de PC-PC verbindingen tot stand te brengen (verbinding van twee eindelementen) en om verbindingen tussen hub/switch en een andere hub/switch te bekomen (verbinding van twee structuur elementen). Om een cross-over kabel te maken moeten we de gebruikte paren omwisselen. Langs één zijde moet paar 2 met pin 3 en pin 6 verbonden worden terwijl paar 3 met pin 1 en pin 2 moet verbonden worden. Figuur 2.3: Twisted pair bekabeling, 10/100Base-T Huidige Ethernetpoorten ondersteunen autocrossing. Hierdoor wordt automatisch gedetecteerd welke kabel er gebruikt wordt en zal indien nodig de crossing intern gecorrigeerd worden. Als uitbreiding op de 10Base-T heeft de IEEE Fast Ethernet, 100Base-T gedefinieerd.
Hoofdstuk 2. Ethernet 10 Fast Ethernet wordt gekenmerkt door: Datatransmissie op een snelheid van 100Mbps Full Duplex communicatie Switched Ethernet In Fast Ethernet is er een mechanisme voorzien voor autonegotiation: dit maakt het mogelijk Ethernet interfaces te bouwen welke automatisch omschakelen tussen 10Mbps en 100Mbps. Bij de 10Base-T standaard wordt iedere databit gecodeerd in één fysische bit. M.a.w. voor een groep van acht databits worden acht signalen gegenereerd op de kabel. De 10Mbps datarate betekent een kloksnelheid van 10MHz. Bij iedere klokpuls wordt één enkele bit verstuurd. 100Base-T gebruikt het zogenaamde 4B/5B schema waarbij elke groep van vier bits gecodeerd wordt in een 5 bit signaal. Eén enkele bit wordt dus niet exact vertaald in één enkel signaal op de kabel. Datastroom: 0111010000100000 4 bitpatroon: 0111 0100 0010 0000 5 bitcode: 01111 01010 10100 11110 De toegepaste kloksnelheid is 125MHz (5/4 x 100). Cat5 kabels zijn gecertificeerd voor een transmissiesnelheid tot 125 MHz. Gigabit Ethernet Gigabit Ethernet streeft een datarate van 1000Mbps na. Indien hiervoor bv. de CAT5 Ethernet kabels moeten gebruikt worden is er een probleem gezien deze enkel een kloksnelheid tot 125MHz ondersteunen. Om dit te realiseren moet de technologie aangepast worden. Vooreerst codeert 1000Base-T twee bits per kloksignaal (00, 01, 10 en 11) en gebruikt hiervoor vier spanningsniveaus. Verder gebruikt 1000Base-T alle vier de dataparen van een Ethernetkabel. De vier dataparen worden hierbij bidirectioneel toegepast. Langs alle vier de dataparen wordt data verzonden of wordt data ontvangen. Gigabit Ethernet gebruikt dus nog steeds de 100Base-T/Cat 5 kloksnelheid van 125MHz. Gezien bij iedere klokpuls 2 bits verwerkt worden en dit langs vier dataparen wordt een datarate van 1000Mbps bereikt. Deze modulatietechnologie wordt 4D-PAM5 genoemd en gebruikt actueel vijf verschillende spanningsniveaus. Het vijfde spanningsniveau wordt gebruikt voor het errormechanisme. Tabel2.2 toont de Gigabit Ethernet pinconfiguratie. BI staat voor bidirectioneel terwijl DA, DB, DC en DD staan voor data A, data B, data C en data D.
Hoofdstuk 2. Ethernet 11 Tabel 2.2: Pinconfiguratie voor Gigabit Ethernet Pin Kleur Functie 1 groen met wit +BI_DA 2 groen -BI_DA 3 oranje met wit +BI_DB 4 blauw -BI_DB 5 blauw met wit +BI_DC 6 oranje -BI_DC 7 bruin met wit +BI_DD 8 bruin -BI_DD 2.2.3 Implementaties op basis van fiber Om langere segmentafstanden mogelijk te maken werd de glasvezelkabel geïntegreerd als mogelijke interface. De eerste glasvezelvarianten staan bekend onder de naam 10Base-F en 100Base-F. Er worden telkens gescheiden fibers gebruikt voor het verzenden van data en het ontvangen van data. Gigabit Ethernet over fiber is ontwikkeld voor de full-duplex mode bij een datarate van 1000Mbps. Er zijn twee verschillende varianten voor Gigabit Ethernet: 1000Base-SX en 1000Base-LX. 1000Base-SX gebruikt lichtpulsen met korte golflengte over multimode fiber. 1000Base-LX gebruikt lichtpulsen met lange golflengte over multimode of single-mode fiber. Recentelijk is er ook 10Gigabit Ethernet over fiber met verschillende varianten. 2.2.4 Wireless LAN IEEE802.11 Verschillende standaarden voor wireless LAN zijn gedefinieerd door de IEEE in hun beschrijving IEEE802.11. De radioverbindingen van een Wireless LAN vinden plaats in de 2,4 GHz frequentieband, de zogenaamde ISM-band (Industrial, Scientific and Medical) of in de 5 GHz band. Hiervoor zijn geen licenties nodig. Een Wireless LAN gebruikt de zogenaamde spread spectrum technologie. Deze technologie is specifiek bedoeld voor storingsgevoelige transmissiekanalen. Dit is belangrijk omdat deze frequentiebanden (vooral de 2,4 GHz) ook door veel andere apparatuur worden gebruikt waaronder bijv. Bluetooth. Een draadloos netwerk is over het algemeen een stuk minder snel dan een vast bedraad netwerk. Een groot voordeel is de flexibiliteit. Wat de fysische implementatie betreft voorziet de IEEE802.11 de infrastructuurconfiguratie of de Ad Hoc configuratie.
Hoofdstuk 2. Ethernet 12 Figuur 2.4: Fysische implementatie van WLAN Infrastructuurconfiguratie is de configuratie waarbij gebruik gemaakt wordt van een wireless access-point om een draadloos LAN te verbinden met een bekabeld LAN. Het wireless access-point fungeert als centraal punt voor het routeren van al het draadloze dataverkeer. Draadloos werkende computers die worden opgenomen in een infrastructuurmodus vormen een groep die een Basic Service Set (BSS) wordt genoemd. Op een bepaald ogenblik kunnen maximaal 64 individuele computers in een BSS worden opgenomen. Dit komt doordat de capaciteit van het wireless access-point beperkt is tot 64 clients. Het hele draadloze netwerk heeft een unieke SSID (Service Set Identifier), en wordt ook wel gewoon een netwerknaam genoemd. Deze naam slaat enkel op het draadloze netwerk. Ad hoc of peer-to-peer heeft betrekking op een draadloze configuratie waarin elke deelnemer rechtstreeks met de andere communiceert. Een echte organisatie van het netwerk is hier dus niet mogelijk. Een ad hoc draadloos LAN bestaat uit een groep toestellen, elkeen uitgerust met een draadloze adapter, die via radiosignalen rechtstreeks met elkaar zijn verbonden en zo een onafhankelijk draadloos LAN vormen. WLAN standaarden Binnen de IEEE802.11 zijn verschillende standaarden gedefinieerd. Deze standaarden gebruiken verschillende modulatietechnologieën om zo tot verbeterde transmissiesnelheden te komen. Tabel 2.3 toont een overzicht van de verschillende standaarden. Tabel 2.3: WLAN standaarden binnen de IEEE802.11 Standaard Frequentieband Datatransmissie IEEE802.11b 2.4GHz 11Mbps IEEE802.11g 2.4GHz 54Mbps IEEE802.11a 5GHz 54Mbps IEEE802.11h 5GHz 54Mbps IEEE802.11n 5GHz en/of 2.4GHz 600Mbps
Hoofdstuk 2. Ethernet 13 IEEE802.11b/g IEEE802.11b/g maakt gebruik van het 72 MHz breed gedeelte van de 2.4 GHz band. Onder de regels van de FCC worden hierin 11 kanalen van 22MHz breed gedefinieerd. Theoretisch zou dit betekenen dat de bandbreedte voor deze 11 kanalen 242 Mbps (11x22Mbps) zou bedragen. In de praktijk moet dit zeer sterk genuanceerd worden aangezien deze kanalen elkaar grotendeels overlappen. Figuur 2.5 toont dat er slechts drie niet overlappende kanalen zijn: kanaal 1, kanaal 6 en kanaal 11. Figuur 2.5: De 2.4GHz band voor WLAN Voor Europa definieert de ETSI een ietwat ruimere frequentieband met daarin 13 kanalen van 22MHz breed. Daardoor kunnen we in Europa in principe 4 nauwelijks overlappende kanalen gebruiken, zijnde kanaal 1, 5, 9 en 13. De IEEE802.11b ondersteunt een maximale snelheid tot 11Mbps. De IEEE802.11g ondersteunt een maximale snelheid tot 54Mbps. Bij een slechte verbinding of grote afstand tot het Access Point wordt de snelheid dynamisch teruggeschakeld. IEEE802.11a/h IEEE802.11a maakt gebruik van de volledige 5GHz band. Door het toepassen van OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) worden met de IEEE802.11a maximale (theoretische) snelheden tot 54Mbps bereikt. Figuur 2.6 toont de verschillende kanalen binnen de 5GHz band. Voor Europa betekent dit dat er over de twee laagste banden van de 5GHZ UNII band 8 niet-overlappende kanalen van 20MHz breed te gebruiken zijn.
Hoofdstuk 2. Ethernet 14 Figuur 2.6: De 2.4GHz band voor WLAN Het gebruik van de 5GHz band in Europa kent heel wat beperkingen t.o.v. de VS. Daarom werd de IEEE802.11a aangepast tot de IEEE802.11h. Twee belangrijke protocollen werden toegevoegd om uiteindelijk te voldoen aan de Europese regelgeving: DCS (Dynamic Channel Selection):het AP gaat automatisch op zoek naar een ander kanaal indien blijkt dat het kanaal in gebruik genomen wordt door een andere applicatie. TPC (Transmit Power Control): er wordt niet meer vermogen uitgestuurd dan nodig, als twee deelnemers elkaar zien, dan zal het AP het vermogen aanpassen naar het benodigde niveau IEEE802.11n Deze recente standaard maakt gebruik van MIMO (multiple input - multiple output), een techniek om met behulp van meerdere ontvangst- en zendantennes, data draadloos over te dragen waarbij een transmissiesnelheid van maximaal 600Mbps bekomen wordt indien 4 kanalen van elk 40MHz gebruikt worden. 2.2.5 Bluetooth De basistechnologie (twee onderste lagen van het OSI model) is gestandaardiseerd in de IEEE802.15.1. Aanvullend definieert de Bluetooth SIG (Special Interest Group) verschillende applicatieprofielen voor ondermeer seriële communicatie en overdracht van Ethernet dataframes. Bluetooth maakt gebruik van de 2,4 GHz licentievrije ISM band. In tegenstelling tot WLAN wordt de te verzenden data niet gespreid over een bredere frequentieband maar wordt er FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) toegepast. Hierbij wordt de 2,4 GHz band opgedeeld in 79 kanalen van 1 MHz. Figuur 2.7 toont de werking van FHSS. Er worden 1600 hops per seconde uitgevoerd. Ieder dataframe wordt telkens op een andere frequentie verstuurd. Zo kunnen verschillende logische kanalen naast elkaar actief zijn.
Hoofdstuk 2. Ethernet 15 Figuur 2.7: FHHS technologie Een groot voordeel voor het gebruik van Bluetooth in de industrie is de perfecte coexcistentie met WLAN. Indien er interferentie is op een Bluetooth frequentie omdat een WLAN kanaal op dezelfde frequentie actief is kan Bluetooth deze frequentie( s) vermijden. Omdat dit een veelvoorkomend fenomeen is heeft Bluetooth een automatisch coexistentie mechanimse geïntegreerd: Adaptive Frequyency Hopping (AFH). Dit mechnaisme maakt het mogelijk dat Bluetooth bepaalde slechte frequenties tijdelijk uit de hopping lijst schrapt. Figuur 2.8 toont hoe er voldoende ruimte is bij een volzette 2,4GHz band waar drie gescheiden WLAN kanalen actief zijn. Het WLAN kanaal gebruikt een statische frequentieband, Bluetooth kan zich aanpassen en heeft keuze uit voldoende frequenties om interferentie te vermijden. Figuur 2.8: Coëxcistentie van Bluetooth en WLAN