Andmesidekiht¶

Ethernet — lugu, mis muutis maailma¶

1973. aastal tahtis Bob Metcalfe Xerox PARC laboris Californias lahendada üht lihtsat probleemi: kuidas jagada üht laserprinterit mitme arvuti vahel? Tema lahendus oli kirjutada memo pealkirjaga "Alto Aloha Network" — inspiratsiooniks seesama Hawaii ALOHAnet, millest juhtmevabade võrkude peatükis juttu oli. Ainult et Metcalfe pani raadiolainete asemel koaksiaalkaabli. Koos David Boggsiga ehitasid nad süsteemi, mis töötas kiirusega 2.94 Mbps, ja Metcalfe nimetas selle Ethernet — vana füüsikateoreetilise "eetri" järgi, mis pidi täitma kogu universumi.

Mis seejärel juhtus? Xerox hoidis Etherneti lukus. Metcalfe sai vihaseks, lahkus ja asutas oma firma 3Com. Ta veenis kolme suurt — DEC, Intel ja Xerox — koos avatud standardi looma. 1985. aastal sündis IEEE 802.3 ja igaüks võis Etherneti kasutada. IBM'i suletud Token Ring suri välja. Avatud Ethernet võitis — ja võidab siiani. Sellest 2.94 Mbps eksperimendist on saanud tehnoloogia, mis töötab tänapäeval kiirusega 400 Gbps.

Andmesidekiht (Data Link Layer, OSI kiht 2) on see koht, kus Ethernet elab. Mäletad OSI mudelit protokollide peatükist? Kiht 1 oli füüsiline — bitid kaablis. Kiht 2 on esimene, mis nendele bittidele tähenduse annab. Kui füüsiline kiht kannab tooreid bitte, siis andmesidekiht organiseerib need kaadriteks (frames), kleebib peale aadressid ja kontrollib, kas midagi läks teel katki. Mõtle sellest nii: füüsiline kiht on maantee, andmesidekiht on postiteenus — ta teab, kes saatis, kellele läheb ja kas pakk jõudis tervelt kohale.

MAC-aadress — seadme "isikukood"¶

Igal võrguliidesel on MAC-aadress (Media Access Control) — 48-bitine (6 baiti) unikaalne identifikaator.¹ See on nagu isikukood: antakse sünnil (tehasest) ja peaks olema unikaalne kogu maailmas. IP-aadress aga on nagu postiaadress — muutub, kui kolid uude võrku.

AA:BB:CC:DD:EE:FF
└──┬──┘ └──┬──┘
   OUI      Seadme ID
  (tootja)  (unikaalne)

Esimesed 24 bitti on OUI (Organizationally Unique Identifier) — tootja tunnus. Viimased 24 bitti on tootja määratud järjenumber. Näiteks 00:50:56 on VMware, B8:27:EB on Raspberry Pi. Huvi korral saad ükskõik millise MAC-aadressi tootja tuvastada lehel macvendors.com — proovi oma telefoni või sülearvuti MAC-iga.

MAC vs IP-aadress¶

Tabel 4.1. MAC- ja IP-aadresside võrdlus

Miks vajatakse mõlemat? Sest nad teevad erinevat tööd. MAC-aadress toimetab kaadri lokaalses segmendis — su arvutist kommutaatorini ja sealt ruuterini. IP-aadress aga näitab lõppsihtpunkti — kuhu andmed tegelikult lähevad, läbi kogu interneti. Kaadri teekond on alati lokaalne; paketi teekond on globaalne.

Ethernet-kaader — pakk koos aadressiga¶

Andmed liiguvad Layer 2-s kaadritena (frames). Iga kaader on nagu kiri ümbrikus: ümbrikul on saatja, saaja ja postmark, sees on tegelik sisu.

Tabel 4.2. Ethernet-kaadri väljad

Miks on andmeväli minimaalselt 46 baiti? See on Etherneti ajalooline pärand — liiga lühike kaader ei jõuaks kollisiooni tuvastada enne, kui ta kaabli teise otsa jõuab. Kui andmeid on vähem kui 46 baiti, lisatakse täidisbaite (padding).

FCS (Frame Check Sequence) kasutab CRC algoritmi. Saatja arvutab kogu kaadri sisu põhjal kontrollsumma ja lisab selle kaadri lõppu. Vastuvõtja arvutab sama arvutuse uuesti — kui tulemus erineb, on kaader teel rikutud ja visatakse ära. CRC ainult tuvastab vigu, ei paranda neid. Vigade parandamine on ülemiste kihtide töö (TCP tegeleb sellega kiht 4 juures).

Side tüübid — kellele kaader läheb?¶

Mitte kõik kaadrid ei lähe ühele konkreetsele seadmele. Vahel on vaja rääkida kõigiga korraga (broadcast), vahel ainult grupiga (multicast).

Tabel 4.3. Ethernet side tüübid

Igapäevatöös kohtad enamasti unicast liiklust — su brauser küsib veebilehe konkreetselt serverilt. Aga kui su arvuti esimest korda võrku ühendub, kasutab ta broadcast liiklust: "Hei, kas keegi jagab IP-aadresse?" (DHCP) ja "Kelle MAC-aadress kuulub IP-le 192.168.1.1?" (ARP). Broadcastiga on üks probleem: kõik segmendis olevad seadmed peavad selle kaadri vastu võtma ja töötlema, isegi kui see neid ei puuduta. Suures võrgus, kus sadu seadmeid pidevalt broadcastivad, tekib "broadcastitorm" ja kõik läheb aeglaseks.

Kommutaator — "tark postkontor"¶

Kommutaator (switch) on Layer 2 seade ja andmesidekihi peamine tegija. Mäletad füüsilise kihi peatükist, kuidas hub saatis kõigile? Kommutaator on targem — ta teab, milline seade on millises pordis, ja saadab kaadri ainult sinna, kuhu vaja.

Aga kuidas ta teab, milline seade kus pordis on? Keegi ei ütle talle seda ette — ta õpib ise liiklusest.

Õppimise protsess¶

Kommutaator alustab tühja MAC-tabeliga (MAC address table ehk CAM table). Iga sissetuleva kaadriga ta õpib ühe uue aadressi:

1. PC1 saadab kaadri PC2-le. Kommutaator loeb lähte-MAC-i ja salvestab: "PC1 MAC on port 1". Aga ta ei tea veel, kus PC2 on — nii et saadab kaadri kõigile portidele (flooding). See tundub ebatõhus, aga toimib ainult esimest korda.

2. PC2 vastab PC1-le. Kommutaator loeb PC2 lähte-MAC-i ja salvestab: "PC2 MAC on port 2". Nüüd teab ta mõlema asukohta.

3. PC1 saadab uuesti PC2-le. Seekord leiab kommutaator PC2 MAC-i tabelist ja saadab ainult porti 2. PC3, PC4, PC5 — keegi ei näe midagi. See on privaatsem ja kiirem kui hub.

Cisco kommutaatoril saad MAC-tabelit vaadata käsuga:

Switch# show mac address-table
          Mac Address Table
-------------------------------------------
Vlan    Mac Address       Type        Ports
----    -----------       --------    -----
   1    AA:AA:AA:AA:AA:01 DYNAMIC     Fa0/1
   1    BB:BB:BB:BB:BB:02 DYNAMIC     Fa0/2

DYNAMIC tähendab, et kommutaator õppis selle aadressi ise liiklusest. Kirjed aeguvad tavaliselt 300 sekundi (5 minuti) pärast — kui seade selle aja jooksul midagi ei saada, kustutab kommutaator kirje tabelist ja järgmine kaader läheb jälle floodimisele.

MAC-aadress on lokaalne¶

See on üks tähtsamaid asju kogu kursuses, nii et võta hetk.

Kujuta ette, et sa lähed Haapsalust Tallinnasse. Sa istud taksosse (taksojuht Jaan), sõidad Haapsalu bussijaamani. Seal istud bussi (bussijuht Mati), sõidad Tallinna bussijaama. Seal istud trammi (trammijuht Kati), sõidad lõpp-peatusse.

Sinu reisikorraldaja teab ainult kahte asja: sa lähed Haapsalust Tallinnasse. See ei muutu, ükskõik mitme sõidukiga sa teel oled. Aga iga etapil on erinev juht ja erinev sõiduk.

Võrgus on täpselt samamoodi:

• IP-aadress = su reis Haapsalust Tallinnasse. Algus ja lõpp ei muutu kogu tee jooksul.
• MAC-aadress = praegune sõiduk ja juht. Muutub iga etapiga.

Kui su arvuti saadab päringu Google'ile, jääb IP-aadress samaks (192.168.1.10 → 8.8.8.8) kogu tee jooksul. Aga igal hüppel (hop) eemaldab ruuter vana kaadri ja ehitab uue — uue lähte-MAC ja siht-MAC-iga. Su kodune ruuter paneb kaadri peale oma MAC-i, järgmine ruuter paneb oma, järgmine jälle oma. IP on reis, MAC on praegune sõiduk.

Miks see nii on? Sest MAC-aadress töötab ainult ühes võrgusegmendis — sinu arvutist lähima ruuterini. Ruuter on kahe võrgu piir. Tema ühel pool on su kodune võrk, teisel pool interneti järgmine lõik. Igal lõigul kehtivad oma MAC-aadressid.

Kokkuvõte¶

Andmesidekiht on see, kus Ethernet elab — tehnoloogia, mis sündis 1973. aastal sellest, et Bob Metcalfe tahtis printerit jagada. Kihi ülesanne on organiseerida bitid kaadriteks, kleepida peale MAC-aadressid ja kontrollida CRC abil, kas andmed jõudsid tervelt kohale. MAC-aadress on 48-bitine identifikaator, mis kehtib ainult lokaalses segmendis — erinevalt IP-aadressist, mis on globaalne. Kommutaator õpib MAC-aadresse lähte-MAC väljast ja ehitab MAC-tabeli, mille abil saadab kaadrid ainult õigesse porti.

Enesekontroll¶