De datalinklaag, lokale netwerken en draadloze toegang

Een datagram kan onderweg naar een server wifi, Ethernet en verschillende routerverbindingen overbruggen. De datalinklaag verzorgt elke lokale oversteek. Het pakket van die laag, een frame, omhult het datagram met een header en meestal een afsluitend deel.

Volg de volgende hop

Een knooppunt is een apparaat dat een datalinklaagprotocol uitvoert: een host, router, switch of toegangspunt. Een verbinding verbindt aangrenzende knooppunten. De netwerklaag kiest waar het datagram vervolgens naartoe moet; de datalinklaag levert het af over de gekozen verbinding.

Stel je voor dat een laptop via een toegangspunt en een campusrouter zendt. De laptop stuurt eerst een 802.11-frame naar het toegangspunt. Dat overbrugt het verkeer naar Ethernet. De campusrouter verwijdert het binnenkomende frame, onderzoekt de IP-bestemming en bouwt een frame dat geschikt is voor de uitgaande verbinding. Een switch binnen het lokale Ethernet-netwerk stuurt een frame door zonder de MAC-bron- en bestemmingsadressen te vervangen. Een router maakt een nieuwe omhulling op de datalinklaag voor het volgende netwerk.

Vier diensten, verschillende keuzes

Protocollen kiezen de diensten die hun verbindingen nodig hebben. Ethernet controleert de CRC van een frame en verwerpt een beschadigd frame zonder het te bevestigen. Wifi bevestigt correct ontvangen unicastgegevensframes; een ontbrekende ACK kan een lokale herhaling veroorzaken. Draadloze fouten komen vaak genoeg voor om met herstel op de draadloze hop de vertraging van een eind-tot-eindhertransmissie door TCP te besparen. Een geslaagde wifi-uitwisseling garandeert nog steeds niet dat een datagram alle latere verbindingen overleeft.

Gedeelde en toegewezen kanalen

Een punt-tot-puntverbinding verbindt twee eindpunten, zoals een host en één switchpoort. Een gedeeld medium of broadcastmedium ondersteunt verschillende zenders, zoals bij een wifi-kanaal of de upstream van kabelinternet. Die hebben regels nodig om de zendtijd te delen. Een gedeeld kanaal garandeert niet dat alle stations elkaar kunnen horen: obstakels en afstand kunnen draadloze zenders verbergen.

Bij fullduplex kunnen beide eindpunten tegelijk zenden. Bij halfduplex kan slechts één eindpunt tegelijk zenden. Een moderne Ethernet-verbinding tussen een host en een switch is normaal gesproken fullduplex; wifi-stations delen de radiozendtijd.

Waar het werk gebeurt

De netwerkadapter (NIC) voert framevorming, mediumtoegang en foutcontroles in hardware op lijnsnelheid uit. Software van het besturingssysteem levert datagrammen en adresgegevens, handelt interrupts af en geeft ontvangen datagrammen door naar bovenliggende lagen. Om te zenden bouwt de NIC het frame, berekent de controlebits, volgt de toegangsregels en verzendt de bits. Bij ontvangst controleert de NIC het frame en haalt het datagram eruit als het frame acceptabel is.

Houd de twee adresbereiken gescheiden. Adressen op de datalinklaag identificeren de zender en ontvanger voor een lokale aflevering. IP-bron- en bestemmingsadressen identificeren normaal gesproken de eindpunten over het gerouteerde pad; NAT kan ze herschrijven.

Foutcontroles voegen informatie toe die de ontvanger kan toetsen. Een mislukte controle bewijst schade; een geslaagde controle betekent dat de methode geen fout heeft gevonden. Verschillende controles missen verschillende patronen.

Tel enen met pariteit

Kies bij even pariteit een bit die het totale aantal enen even maakt. De gegevens 1101011 bevatten vijf enen, dus voeg 1 toe: de verzonden reeks is 11010111. Als één bit omklapt, wordt de telling oneven en detecteert de ontvanger de fout. Een oneven aantal omklappingen verandert de pariteit altijd. Een even aantal laat die gelijk, ook bij twee omklappingen die een nul in een één en een één in een nul veranderen.

Tweedimensionale pariteit controleert zowel de rijen als de kolommen van een blok. Voor de rijen 1011, 0110 en 1100 zijn de even rijpariteitsbits 1, 0 en 0. De kolompariteitsbits zijn 0, 0, 0 en 1; een hoekbit vult de pariteit voor de controlebits aan. Als rij 2 0100 wordt, mislukken de controles van rij 2 en kolom 3. Hun snijpunt geeft de veranderde bit aan, die de ontvanger terugzet.

De herstelregel geldt voor één bitfout. Tweedimensionale pariteit detecteert alle foutpatronen met één, twee en drie bits, maar bij meerdere mislukte controles is niet altijd één herstelmogelijkheid aan te wijzen. Vier omgeklapte bits op de hoekpunten van een rechthoek veranderen twee bits in elke betrokken rij en kolom. Elke pariteitscontrole slaagt dan.

Herstel zonder rondlooptijd

Voorwaartse foutcorrectie (FEC) verzendt voldoende redundantie om de ontvanger bepaalde beschadigde gegevens te laten herstellen zonder om een nieuwe kopie te vragen. Dat is nuttig als een hertransmissie te laat zou aankomen, zoals bij realtime verkeer of een lange rondlooptijd via een satelliet. Extra controlebits verbruiken capaciteit, ook als er geen fout optreedt. Moderne FEC-codes bieden sterkere bescherming dan de eenvoudige methode met rijen en kolommen.

Tel 16-bits woorden op

De internetcontrolesom gebruikt eencomplementoptelling. Tel de 16-bits woorden op en voer een eventuele overdracht door overloop terug naar de laagste bit. Keer elke bit van de uiteindelijke 16-bits som om om de controlesom te vormen.

Voor 0x8F3A, 0x6C21 en 0x1E07:

1. Tel de eerste twee woorden op: 0x8F3A + 0x6C21 = 0xFB5B.
2. Tel het derde erbij op: 0xFB5B + 0x1E07 = 0x11962.
3. Voer de overdracht terug: 0x1962 + 0x0001 = 0x1963.
4. Keer de bits om: de controlesom is 0xE69C.

De ontvanger neemt de controlesom mee in de optelling. Hier is 0x1963 + 0xE69C = 0xFFFF, dus slaagt de controle. De overloop weglaten zou de verkeerde controlesom opleveren; terugvoeren hoort bij de rekenmethode.

De controlesom kost weinig rekenwerk in software en wordt gebruikt door IPv4, TCP en UDP. Wat wordt gecontroleerd verschilt: IPv4 controleert zijn header; TCP en UDP controleren hun transportgegevens en een pseudoheader. Het verwisselen van volledige 16-bits woorden laat de som onveranderd, dus kan de controlesom die verandering van volgorde niet detecteren. Ethernet en wifi gebruiken een sterkere CRC die efficiënt in de hardware van de adapter wordt berekend.

Een cyclische redundantiecontrole (CRC) behandelt bits als coëfficiënten in een polynoomberekening. Je kunt die rechtstreeks met bitpatronen uitvoeren: verschuivingen en exclusieve OF vervangen gewoon vermenigvuldigen en aftrekken.

Bepaal de breedte van de controle

Zender en ontvanger spreken een generatorpolynoom, G, af. Een generatorpolynoom met r + 1 bits levert r controlebits op. Voor G = 1011 is r gelijk aan 3. De zender kiest die drie bits zo dat de gegevens gevolgd door de controlebits in modulo-2-rekenen precies deelbaar zijn door G.

Modulo-2-optelling en -aftrekking zijn beide XOR. Gelijke bits geven 0; ongelijke bits geven 1. Dus 1011 XOR 0101 = 1110. Er zijn geen overdrachten en er wordt niet geleend. Door r nullen toe te voegen verschuift een gegevenspatroon D r plaatsen naar links, wat overeenkomt met vermenigvuldigen met $2^r$.

Voer de deling uit

Gebruik D = 11010011 en G = 1011.

1. Voeg drie nullen toe: 11010011000.
2. Begin bij de meest linkse 1, plaats de meest linkse bit van het generatorpolynoom eronder en pas XOR toe.
3. Ga naar rechts naar de volgende overgebleven 1 en herhaal. Sla voorloopnullen over.
4. Stop nadat je de gegevensposities hebt verwerkt; de laatste drie bits vormen de rest R.

De opeenvolgende patronen over de volledige breedte zijn:

11010011000
01100011000
00111011000
00010111000
00000001000
00000000011

De rest is 011. Behoud de voorloopnul: het controleveld heeft altijd drie bits. Vervang de toegevoegde nullen door deze rest en verzend 11010011011.

Controleer wat is aangekomen

De ontvanger deelt de volledige ontvangen reeks door hetzelfde generatorpolynoom. Die voegt niet nogmaals nullen toe. De deling van 11010011011 geeft rest 000, dus wordt geen fout gedetecteerd. Als de derde bit verandert, wordt de ontvangen reeks 11110011011; de rest is 010, dus wordt de reeks verworpen.

Dit werkt omdat het geldige verzonden patroon een veelvoud van G is. Een fout verandert dat patroon. De ontvanger detecteert de verandering tenzij het foutpatroon ook een veelvoud van G is.

Ken de bescherming

Een geschikt generatorpolynoom van graad r detecteert elke burstfout die zich over maximaal r bits uitstrekt. Bij langere willekeurige bursts is de kans op een ongedetecteerde fout ongeveer $2^{-r}$. Generatorpolynomen met de factor $x+1$ detecteren ook elk oneven aantal omklappingen. Dit zijn verschillende garanties: de burstlengte is de afstand van de eerste tot de laatste veranderde bit, inclusief onveranderde bits ertussen.

Ethernet en wifi gebruiken een CRC van 32 bits, die als een framecontrolesequentie (FCS) van vier bytes wordt meegestuurd. De kans dat een lange willekeurige burst wordt gemist, is ongeveer één op 4,3 miljard. CRC-32 detecteert maximaal drie omgeklapte bits in een frame ter grootte van een Ethernet-frame. Schuifregisters en XOR-poorten in hardware kunnen de CRC berekenen terwijl bits door de adapter gaan.

Een CRC detecteert onbedoelde schade; die authenticeert geen zender. Wie een frame opzettelijk verandert, kan een nieuwe CRC berekenen. Een CRC biedt ook geen automatisch herstel: Ethernet verwerpt een slecht frame, terwijl een ontbrekende ACK bij wifi een herhaling kan veroorzaken.

Verschillende interfaces die één kanaal delen, hebben een regel nodig voor wie zendt. Als verzendingen bij een ontvanger overlappen en niet kunnen worden gedecodeerd, verspilt een botsing kanaaltijd. Een protocol voor mediumtoegang coördineert de concurrerende zenders.

Wat zou een ideale verdeling bereiken?

Bij een kanaal met snelheid R zou één actieve zender de volledige R moeten krijgen. Bij M actieve zenders zou elk gemiddeld R/M moeten krijgen. De coördinatie moet eenvoudig, goedkoop en decentraal zijn, zonder een kwetsbare controller of gesynchroniseerde klokken. Echte protocollen wegen deze doelen tegen elkaar af.

Drie families maken verschillende keuzes: kanaalverdeling reserveert delen, willekeurige toegang staat pogingen toe en lost botsingen op, en beurtelingse toegang verleent tijdelijk toestemming om te zenden.

Reserveer tijd of frequenties

TDMA wijst in elk terugkerend tijdframe één tijdslot per knooppunt toe. Elke verzending gebruikt tijdens het tijdslot de volledige kanaalsnelheid, maar het langetermijnaandeel van een knooppunt is R/N bij N toegewezen knooppunten. Vier knooppunten die 1 Gb/s delen, krijgen elk gemiddeld 250 Mb/s. Als drie geen gegevens hebben, blijven hun vaste tijdsloten leeg; het vierde krijgt nog steeds gemiddeld 250 Mb/s.

FDMA wijst elk knooppunt een afzonderlijke frequentieband toe. Het knooppunt kan continu in de eigen band zenden, maar een gelijke verdeling geeft opnieuw R/N. Stilte verspilt een gereserveerde band, net zoals die een TDMA-tijdslot verspilt.

Vaste verdeling voorkomt concurrentie tussen toegewezen gebruikers, maar bij burstsgewijs verkeer blijven delen vaak ongebruikt terwijl een andere zender een wachtrij heeft.

Scheid overlappende signalen met codes

CDMA stelt een gegevensbit voor als +1 voor bit 1 of −1 voor bit 0. Vermenigvuldig die waarde met een zenderspecifieke reeks chips, elk +1 of −1. Gelijktijdige chipreeksen worden in het kanaal bij elkaar opgeteld.

Neem de codes $c_1=(1,1,1,1)$ en $c_2=(1,-1,1,-1)$. Hun inwendig product is nul, dus zijn ze orthogonaal. Als zender 1 +1 verzendt en zender 2 −1, zijn hun chipreeksen (1, 1, 1, 1) en (−1, 1, −1, 1). De ontvangen som is (0, 2, 0, 2).

Om zender 1 te decoderen, vermenigvuldig je de ontvangen chips met de bijbehorende code, tel je op en deel je door vier: $(0+2+0+2)\mathrm{/}4=1$. De berekening voor zender 2 is $(0-2+0-2)\mathrm{/}4=-1$. Elke code verwijdert in dit ideale model de bijdrage van de andere zender.

Werkelijke systemen vereisen zorgvuldige vermogensregeling, zodat een sterk signaal dichtbij een zwak signaal ver weg niet overstemt. Orthogonaliteit is een eigenschap van codeparen, geen garantie dat willekeurige radiosignalen perfect te scheiden zijn. CDMA vormde de basis van 3G-toegang; LTE en 5G gebruiken toegang op basis van OFDM, waarbij de uplink van LTE de verwante methode SC-FDMA gebruikt.

Willekeurige toegang laat een knooppunt zenden zonder eerst een deel te reserveren. Na een botsing volgt een onafhankelijk gekozen willekeurige wachttijd. Willekeur helpt voorkomen dat zenders samen steeds dezelfde botsing herhalen.

Voeg tijdslotgrenzen toe

Bij ALOHA met tijdsloten passen frames van gelijke lengte precies in tijdsloten van L/R seconden. Knooppunten synchroniseren hun klokken en beginnen alleen aan het begin van een tijdslot. Een nieuw frame gebruikt het volgende tijdslot. Na een botsing doet een wachtend knooppunt in elk later tijdslot een poging met kans p.

Een tijdslot heeft drie mogelijke uitkomsten: geen knooppunt zendt, precies één zendt met succes of verschillende knooppunten botsen. Een zeer kleine p vermindert botsingen, maar veroorzaakt lege tijdsloten. Een te grote p vult tijdsloten met concurrerende pogingen.

Leid de succeskans af

Stel dat N knooppunten altijd frames hebben en onafhankelijk een poging doen met kans p. Om één bepaald knooppunt te laten slagen, moet het zenden en moeten alle andere N − 1 knooppunten stil blijven. De succeskans is $p(1-p{)}^{N-1}$. Elk van de N knooppunten kan die enige zender zijn, wat de totale efficiëntie geeft:

Bij N = 10 en p = 0,1 is de waarde $10(\mathrm{0,1})(\mathrm{0,9}{)}^9\approx \mathrm{0,387}$. Een kanaal van 100 Mb/s vervoert dus in totaal ongeveer 38,7 Mb/s aan succesvolle frames. Dit is niet 38,7 Mb/s voor elk knooppunt. Symmetrische knooppunten die altijd frames klaar hebben, delen die succesvolle capaciteit.

De beste pogingkans is $p=1\mathrm{/}N$. Naarmate N groeit, nadert het maximale nuttige aandeel $1\mathrm{/}e\approx \mathrm{0,368}$. Het ontbrekende aandeel omvat zowel botsingen als lege tijdsloten. Willekeurige toegang heeft overhead, ook als alle zenders gereed zijn.

Laat synchronisatie weg

Zuivere ALOHA zendt zodra een frame gereed is, zonder tijdsloten. Stel dat een frame T seconden duurt. Een andere verzending die vlak ervoor begint, kan het begin overlappen; een verzending die begint voordat het frame eindigt, kan het einde overlappen. Het kwetsbare interval beslaat 2T.

Tijdsloten voorkomen gedeeltelijke overlappingen doordat elke verzending op een grens moet beginnen. In het standaardkansmodel waarin knooppunten altijd frames klaar hebben, slaagt een zender bij zuivere ALOHA met kans $p(1-p{)}^{2(N-1)}$ en is de maximale totale efficiëntie bij een grote populatie $1\mathrm{/}(2e)\approx \mathrm{0,184}$. Zuivere ALOHA is eenvoudiger te coördineren, maar heeft ongeveer de helft van de beste doorvoersnelheid van ALOHA met tijdsloten.

Eén actieve zender kan bij ALOHA met tijdsloten elk tijdslot gebruiken. De grens van 37% beschrijft veel concurrerende knooppunten die altijd frames klaar hebben, geen fysiek maximum voor elk gebruik van het protocol. ALOHA begon als een radionetwerk tussen eilanden in Hawaï; het idee van concurreren en opnieuw proberen komt ook voor in toegangsverzoeken bij kabelinternet en mobiele netwerken.

Meervoudige toegang met draaggolfdetectie (CSMA) laat een knooppunt luisteren voordat het zendt. Botsingsdetectie (CD) laat een zendend knooppunt stoppen wanneer het een botsing detecteert. Luisteren verbetert de efficiëntie, maar kan de vertraging voordat een signaal van ver aankomt niet wegnemen.

Waarom een vrij kanaal toch een botsing kan opleveren

Als B aan het ene uiteinde van een kabel begint te zenden, kan D aan het andere uiteinde nog steeds stilte horen. D kan tijdens dat propagatie-interval beginnen en zo een botsing veroorzaken. Bij CSMA/CD controleren adapters het medium tijdens het zenden. Als een adapter een botsing detecteert, stopt die het frame, zendt een stoorsignaal en plant een nieuwe poging.

Kies een willekeurige wachttijd voor de herhaling

Na botsing n van hetzelfde frame kiest binaire exponentiële wachttijdverlenging een geheel getal K met gelijke kans uit 0 tot en met $2^m-1$, met $m=\min (n,10)$. De wachttijd is K maal 512 bittijden. Het bereik verdubbelt na opeenvolgende vroege botsingen, zodat concurrerende herhalingen over meer mogelijkheden worden verspreid. De adapter geeft een frame na 16 mislukte pogingen op.

Bij 100 Mb/s duurt één bit 10 ns. Een tijdslot van 512 bits duurt dus 5,12 μs. Na de derde botsing kan K 0 tot en met 7 zijn, dus is de langste wachttijd $7(\mathrm{5,12})=\mathrm{35,84}$ μs. Bij 10 Mb/s duren dezelfde 512 bittijden 51,2 μs. Een aantal bittijden is niet bij alle verbindingssnelheden een vast aantal seconden.

Controleer de timing van het netwerk

Botsingsdetectie werkt alleen zolang de zender nog zendt. Een minimaal frame moet langer duren dan de heen- en terugreis naar een botsing op de verst mogelijke afstand. De minimumgrootte van 64 bytes bij klassiek Ethernet levert 512 bittijden op.

Voor een afstand van 2 km en een signaalsnelheid van $2\times {10}^8$ m/s is de propagatietijd voor de heen- en terugweg $4000\mathrm{/}(2\times {10}^8)=20$ μs. Dat is langer dan de 5,12 μs van een tijdslot bij 100 Mb/s, zelfs zonder apparaatvertragingen. Een minimaal frame zou te vroeg klaar kunnen zijn. De afstandsgrens op basis van alleen propagatie is ongeveer 512 m; bij werkelijke grenzen voor gedeelde netwerken moet ook rekening worden gehouden met hubs en adapters.

Schat de efficiëntie

Een veelgebruikte benadering is

waarbij de propagatievertraging geldt voor één richting over het netwerk en de transmissievertraging de tijd is om een frame van maximale grootte te zenden. Voor 200 m bij dezelfde signaalsnelheid duurt de propagatie 1 μs. Een frame van 1.518 bytes bij 100 Mb/s duurt $1518(8)\mathrm{/}{10}^8=\mathrm{121,44}$ μs. Invullen geeft ongeveer 0,96, of 96% efficiëntie. Een kleinere propagatievertraging en langere frames verminderen de relatieve kosten van concurrentie.

Modern geschakeld fullduplex Ethernet heeft geen botsingen op een gedeeld medium en gebruikt geen CSMA/CD. Ethernet van 10 Gb/s en hoger is uitsluitend fullduplex. Wifi detecteert ook de draaggolf, maar gebruikt botsingsvermijding: een zendende radio kan het veel zwakkere signaal van een ander station niet betrouwbaar detecteren en verborgen stations kunnen buiten gehoorsafstand zijn.

Protocollen met beurtelingse toegang proberen één zender vrijwel het hele kanaal te geven en de capaciteit eerlijk te verdelen wanneer veel zenders actief zijn. Ze voorkomen herhaalde botsingen door de toestemming om te zenden te regelen.

Vraag elke zender of geef toestemming door

Bij polling nodigt een controller knooppunten achtereenvolgens uit om te zenden, vaak met een maximumaantal frames per beurt. Die grens voorkomt dat één druk knooppunt alle andere laat wachten. Pollingberichten verbruiken zendtijd en een gereed knooppunt kan moeten wachten terwijl de controller inactieve knooppunten bevraagt. De controller is ook één centraal punt waarvan uitval het systeem stillegt. Klassieke Bluetooth gebruikt centraal gecoördineerde toegang in een piconet.

Bij tokendoorgifte circuleert een klein besturingsframe in een vaste volgorde. Een knooppunt met het token mag een beperkte hoeveelheid verzenden. Een knooppunt zonder gegevens geeft het snel door. Er is geen centrale controller voor polling nodig, maar het protocol heeft procedures nodig voor een verloren token of een onderbreking in de logische kringloop. Token Ring en FDDI gebruikten deze aanpak.

Op een kanaal met tien knooppunten waarvan alleen knooppunt 7 actief is, geeft vaste TDMA het een tiende van de tijd. ALOHA met tijdsloten kan het elk tijdslot laten gebruiken. Polling nadert de volledige snelheid, maar besteedt enige tijd aan het bevragen van de negen stille knooppunten.

Volg upstreamtoegang via de kabel

DOCSIS verbindt kabelmodems met een kabelmodemafsluitsysteem (CMTS). Frequentiemiddelen scheiden kanalen. Op een gewoon downstreamkanaal is de CMTS de enige zender. Op een upstreamkanaal concurreren veel modems om dezelfde CMTS te bereiken.

De upstream is verdeeld in minislots. Een downstream verzonden MAP-bericht kondigt aan welke upstreamzendmogelijkheden bij welke modems horen. De CMTS kan één modem opeenvolgende minislots voor een gegevensburst geven en daarna de volgende mogelijkheid aan een ander modem toewijzen.

Een modem met gegevens in de wachtrij kan een kort bandbreedteverzoek sturen in een tijdslot waarin modems om toegang concurreren. Verzoeken kunnen botsen. Het modem controleert latere MAP-berichten op de uitkomst van zijn verzoek. Zodra de bevestigingstermijn voor het verzoek is verstreken en geen toewijzing of nog te plannen toewijzing het verzoek dekt, probeert het modem het opnieuw met begrensde binaire exponentiële wachttijdverlenging. Het ontbreken van een directe gegevenstoewijzing bewijst op zichzelf geen botsing: een herkend verzoek kan nog op planning wachten.

DOCSIS combineert dus drie ideeën: frequentiedeling organiseert kanalen, willekeurige toegang dient om verzoeken te verzenden en geplande toewijzingen vervoeren upstreamgegevens. DOCSIS 3.1 en 4.0 voegen OFDM downstream en OFDMA upstream toe en verdelen kanalen in smalle subdraaggolven, terwijl toegang via aanvragen en toewijzen behouden blijft. Als je kabeltoegang alleen TDMA noemt, mis je de concurrentie waarmee een zendmogelijkheid wordt verkregen.

Een IP-adres helpt een netwerkbestemming te kiezen. Een MAC-adres identificeert een interface voor lokale aflevering van frames. Een laptop met Ethernet en wifi heeft voor elke interface een afzonderlijk MAC-adres.

Lees een 48-bits adres

Een gebruikelijk MAC-adres heeft zes bytes, geschreven als zes hexadecimale paren: 5C-F9-38-A2-41-07. De 48-bits adresruimte bevat ongeveer 2,8 × 10¹⁴ waarden. In het bekende model voor toewijzing door fabrikanten levert een door de IEEE uitgegeven unieke organisatie-identificatie (OUI) de eerste 24 bits en kent de fabrikant de overige 24 toe.

MAC-adressen zijn vlak: geen enkel deel geeft het huidige IP-subnet van de interface aan. Een interface kan na een verhuizing hetzelfde MAC-adres behouden. Software kan ook een fabrieksadres vervangen; wifi-apparaten gebruiken voor privacy vaak willekeurig gekozen lokaal beheerde adressen. Adressen moeten binnen het lokale netwerk uniek blijven.

De twee laagste bits van de eerste byte hebben een speciale betekenis. De minst significante bit is 0 voor een individueel adres en 1 voor een groepsadres. De volgende bit is 0 voor universeel beheer en 1 voor lokaal beheer. 5C eindigt binair op 00 en duidt dus een universeel beheerd unicastadres aan. DA eindigt op 10 en duidt dus een lokaal beheerd unicastadres aan. FF-FF-FF-FF-FF-FF is de broadcastbestemming.

Zoek het adres van een IPv4-buur

Het adresresolutieprotocol (ARP) koppelt een IPv4-adres aan een MAC-adres op het lokale subnet. Een ARP-cache bewaart IP-MAC-koppelingen met informatie over het verlopen ervan. ARP-berichten reizen rechtstreeks in frames van de datalinklaag, aangeduid met EtherType 0x0806.

Stel dat A op 192.168.1.10/24 B op 192.168.1.20 nodig heeft en geen koppeling in de cache heeft:

1. A zendt een ARP-verzoek als broadcast met de vraag wie het IPv4-adres van B heeft. Het bevat de eigen IP- en MAC-adressen van A.
2. Alle lokale interfaces ontvangen het verzoek; B herkent het doeladres.
3. B stuurt het antwoord naar het MAC-adres van A en kan de koppeling van A leren.
4. A slaat de koppeling van B op in de cache en stuurt het gegevensframe naar B.

De bestemmingsadapter accepteert een frame dat is geadresseerd aan de adapter zelf, het broadcastadres of een multicastgroep die de adapter ontvangt. Frames aan een andere bestemming verwerpt de adapter normaal gesproken voordat ze IP bereiken.

Verzend buiten het subnet

Voor bestemming 203.0.113.5 herkent A eerst dat het adres buiten het eigen /24-subnet ligt. A kiest gateway 192.168.1.1, zoekt het MAC-adres van die gateway op en stuurt het Ethernet-frame daarheen. Het ingesloten IP-datagram blijft aan 203.0.113.5 geadresseerd. Elke router kiest de volgende hop en bouwt het uitgaande frame.

ARP kan het MAC-adres van een externe server niet via routers vinden. Routers stoppen de lokale broadcast en het externe MAC-adres zou hoe dan ook niet de volgende ontvanger op de kabel van A identificeren.

ARP authenticeert beweringen over eigenaarschap niet, zodat vervalste antwoorden lokaal verkeer kunnen omleiden. IPv6 gebruikt buurdetectie met ICMPv6, met berichten voor het opvragen en bekendmaken van buren, in plaats van ARP.

Ethernet werkt over veel fysieke media en met veel snelheden, maar behoudt een herkenbare framestructuur en 48-bits adressering. Ethernet met gedeelde coaxkabel en Ethernet met hubs gebruikten één botsingsdomein. Een switch geeft elke host een afzonderlijke verbinding, die doorgaans fullduplex werkt.

Lees de velden

De synchronisatiereeks bestaat uit zeven bytes met afwisselende bits en een startscheidingsteken. Die gaat vooraf aan het deel dat meetelt voor de gebruikelijke framelengte van 64 tot 1.518 bytes. EtherTypes zijn onder meer 0x0800 voor IPv4, 0x86DD voor IPv6 en 0x0806 voor ARP. De ontvanger gebruikt dit veld om de nettolading aan het juiste protocol door te geven.

Onderscheid MTU en framegrootte

De gebruikelijke maximale transmissie-eenheid (MTU) van Ethernet is 1.500 bytes: het grootste netwerklaagdatagram dat in het gegevensveld wordt vervoerd. De Ethernet-header en CRC tellen niet mee. Een groter datagram vereist een compatibele grotere MTU of verwerking op de netwerklaag, zoals kleinere pakketten; IPv4 kan waar toegestaan fragmenteren, terwijl IPv6-routers doorgestuurde pakketten niet fragmenteren.

Een datagram van 20 bytes heeft 26 opvulbytes nodig om het minimale gegevensveld van 46 bytes te bereiken. Met 14 headerbytes en vier CRC-bytes erbij krijg je het minimale frame van 64 bytes. De ontvanger gebruikt de IP-pakketlengte om het datagram van de opvulling te onderscheiden. Aan het andere uiterste levert een datagram van 1.500 bytes een frame zonder tag van 1.518 bytes op.

Tel de bezette verbindingstijd mee

Elk frame gebruikt ook de preambule en startreeks van acht bytes en een pauze van 96 bits, gelijk aan 12 bytetijden. Een transmissie van maximale grootte neemt daarom 1.538 bytetijden in beslag. Het aandeel van het gegevensveld is $1500\mathrm{/}1538\approx \mathrm{0,975}$, ongeveer 97,5%.

Een minimaal frame neemt $64+8+12=84$ bytetijden in beslag. Het gegevensveld van 46 bytes vormt ongeveer 55% van die tijd. Als slechts 20 bytes werkelijke IP-gegevens zijn, is de nuttige IP-efficiëntie nog lager: opvulling is geen applicatie-informatie. Benoem bij het rapporteren van efficiëntie altijd welke bytes als nuttig meetellen.

Begrijp de dienst

Ethernet is verbindingsloos: vóór een frame is er geen Ethernet-handshake. Het is ook onbetrouwbaar in de zin van het protocol: een onjuiste CRC leidt tot verwerping zonder Ethernet-ACK of herhaling. TCP of een applicatie kan de verloren gegevens later herstellen.

IEEE 802.3 omvat technologieën van 10 Mb/s tot en met 800 Gb/s over koper en glasvezel. Namen zoals 100BASE-TX en 10GBASE-T coderen de snelheid en details van de fysieke signalering. Sommige datacenters gebruiken jumboframes met een nettolading van ongeveer 9.000 bytes. De ondersteuning moet op het betrokken pad overeenkomen; een snellere verbinding alleen vergroot de normale MTU niet.

Een switch verbindt Ethernet-segmenten en stuurt frames door op basis van het MAC-bestemmingsadres. Hosts adresseren elkaar of een router, niet de switch. Dankzij deze transparantie kan een switch worden geplaatst zonder de adressering van de hosts te veranderen.

Neem twee afzonderlijke beslissingen

Leer bij elk aankomend frame eerst de bron: sla het MAC-adres, de aankomstpoort en de huidige tijd op. Zoek vervolgens de bestemming op om te bepalen waar het frame naartoe moet.

Van de bestemming leren zou een cirkelredenering zijn: de switch heeft niet waargenomen waar die bestemming daadwerkelijk vandaan zendt. Vermeldingen verlopen als ze niet worden vernieuwd, meestal na ongeveer 300 seconden, zodat oude locaties niet voorgoed blijven staan.

Volg een aanvankelijk lege tabel

Verbind A met poort 1, B met poort 2 en C met poort 3.

1. A stuurt naar B. De switch registreert A → 1. B is onbekend, dus verlaat het frame poorten 2 en 3.
2. B antwoordt aan A. De switch registreert B → 2 en stuurt alleen naar poort 1.
3. C stuurt naar B. De switch registreert C → 3 en stuurt alleen naar poort 2.

Een broadcast wordt via flooding verspreid, ook als andere adressen bekend zijn. Een onbekende unicast wordt ook via flooding verspreid, maar blijft aan één interface geadresseerd; andere adapters verwerpen het frame. Een stille bestemming blijft onbekend totdat een frame met het bronadres van die bestemming de switch bereikt.

Als A en D een hub delen die op poort 1 is aangesloten en D daar al is geleerd, komt het frame van A voor D op poort 1 aan. De switch filtert het omdat D zich al op het binnenkomende segment bevindt. D kan de lokale kopie van de hub ontvangen zonder dat de switch nog een kopie verzendt.

Voorkom eindeloze flooding

Ethernet-frames hebben geen hopcount- of TTL-veld. Een lus kan broadcasts herhaaldelijk laten rondgaan, waarbij kopieën zich vermenigvuldigen tot een broadcaststorm. Het Spanning Tree Protocol (STP) maakt een lusvrije actieve boom door redundante verbindingen te blokkeren. Een geblokkeerd pad kan na een storing actief worden. In een laag 2-topologie op basis van STP bieden redundante verbindingen veerkracht, maar worden ze niet allemaal tegelijk voor gewoon doorsturen gebruikt.

Vergelijk de grenzen

Switches scheiden botsingsdomeinen en kunnen poorten met verschillende snelheden verbinden. Ze kunnen binnenkomende frames bufferen en bij drukbezette uitgangspoorten in de wachtrij plaatsen. Ze nemen een knelpunt niet weg wanneer verschillende ingangen om één langzamere uitgang concurreren.

Routers sturen door op basis van IP, scheiden subnetten en stoppen broadcasts van de datalinklaag. Hun hiërarchische adressering en routeringsprotocollen ondersteunen grotere netwerken; IP-TTL beperkt datagrammen die in een lus terechtkomen. Lokale netwerken met switches hebben daarentegen een lusvrije doorstuurtopologie en beheersing van de groei van broadcastverkeer nodig.

Zelflerend gedrag brengt ook een zwak punt aan het licht: vervalste bronadressen kunnen de tabel van een switch uitputten. Daardoor worden meer legitieme bestemmingen onbekend en kunnen frames daarvoor via flooding worden verspreid. VLAN-grenzen beperken nog steeds de reikwijdte van die flooding; het leren van tabellen is geen authenticatiemechanisme.

Eén groot lokaal netwerk met switches verspreidt broadcasts naar veel hosts en koppelt logische groepen aan fysieke bekabeling. Een virtueel lokaal netwerk (VLAN) verdeelt dezelfde switchinfrastructuur in afzonderlijke laag 2-netwerken.

Wijs logisch lidmaatschap toe

Bij poortgebaseerde VLAN's hoort elke toegangspoort bij een gekozen groep. Poorten 2–8 kunnen bij VLAN 10 voor de technische afdeling horen en poorten 9–15 bij VLAN 20 voor de financiële afdeling. Een broadcast die VLAN 10 binnenkomt, bereikt de andere VLAN 10-poorten, niet de poorten van de financiële afdeling. Om een gebruiker tussen groepen te verplaatsen, kan het voldoende zijn de VLAN-toewijzing van een poort in software te wijzigen.

Een VLAN is een broadcastdomein. Het kan meerdere fysieke switches omvatten en één switch kan meerdere VLAN's ondersteunen. Hosts op gewone toegangspoorten verzenden en ontvangen gewone frames zonder tag; ze hoeven niet te weten hoe de switches het lokale netwerk verdelen.

Routeer tussen groepen

Verschillende VLAN's kunnen niet rechtstreeks frames uitwisselen. Een host van de technische afdeling op 10.1.10.25 die naar een host van de financiële afdeling op 10.1.20.40 stuurt, herkent een extern subnet en stuurt naar het MAC-adres van de gateway. De router verwijdert het VLAN 10-frame en stuurt het IP-datagram in een nieuw frame door naar VLAN 20. Een laag 3-switch kan deze routering intern uitvoeren.

Scheiding op laag 2 verbiedt gerouteerde communicatie op zichzelf niet. Filterregels op het gerouteerde pad bepalen welk verkeer tussen VLAN's is toegestaan. Twee poorten aan verschillende VLAN's toewijzen vervangt dat beleid niet.

Vervoer VLAN-lidmaatschap over een trunk

Een trunk vervoert verschillende VLAN's tussen switches, beperkt tot de VLAN's die erop zijn toegestaan. Als tags worden gebruikt, voegt IEEE 802.1Q na het MAC-bronadres vier bytes in:

• Een tagprotocolidentificatie van twee bytes, meestal 0x8100.
• Drie prioriteitsbits.
• Eén bit die aangeeft of het frame mag worden verworpen.
• Een VLAN-identificatie van 12 bits, of VID.

De ontvangende switch gebruikt de tag om het frame in het juiste VLAN te houden. Bij aflevering aan een gewone toegangspoort zonder tag wordt de tag verwijderd. Trunks kunnen ook een eigen VLAN zonder tag ondersteunen; de tagregels moeten aan beide uiteinden overeenkomen.

De VID heeft $2^{12}=4096$ bitpatronen. De waarden 0 en 4095 zijn gereserveerd, zodat 4094 gewone VLAN-ID's overblijven. Een tag vergroot een maximaal frame zonder tag van 1.518 bytes tot 1.522 bytes. Een wijziging van de bytes die de FCS controleert, vereist een nieuwe CRC.

Breid isolatie uit over een gerouteerd schakelnetwerk

Cloudnetwerken kunnen meer dan 4094 geïsoleerde groepen nodig hebben. VXLAN kapselt een Ethernet-frame in UDP en IP in en gebruikt een virtuele netwerkidentificatie van 24 bits. Dit biedt ongeveer 16,7 miljoen identificaties, terwijl de onderliggende routers het buitenste IP-pakket doorsturen.

Het binnenste frame geeft de lokale aflevering van het virtuele netwerk aan; het buitenste pakket doorkruist het fysieke gerouteerde schakelnetwerk. Zo kunnen virtuele netwerken meerdere servers omvatten zonder het hele datacenter tot één enorm fysiek broadcastdomein te maken. VLAN's kunnen ook op basis van andere criteria worden toegewezen, zoals het MAC-bronadres of het protocol, hoewel poortlidmaatschap het eenvoudigste model is.

Een datacenter bedient externe clients en verplaatst ook grote hoeveelheden verkeer tussen de eigen servers. Opslagreplicatie, het verdelen van zoekopdrachten en gedistribueerd machinelearning kunnen de verbindingen tussen racks zwaar belasten.

Bouw het schakelnetwerk

Servers verbinden met een top-of-rackswitch (ToR-switch), vaak één voor 20–40 servers. In een klassieke hiërarchie verbinden ToR-switches via switches van niveau 2 met switches van niveau 1. Grensrouters verbinden het schakelnetwerk met het internet. Een lastverdeler ontvangt verkeer voor een dienst en verdeelt verzoeken over servers; clients kunnen één publiek dienstadres gebruiken terwijl de interne groep servers verandert.

De centrale vraag is hoeveel verkeer een rack kan verlaten. Snelle serververbindingen garanderen niet dezelfde bandbreedte via de uplinks.

Bereken de overboekingsverhouding

Stel dat 40 servers elk een verbinding van 25 Gb/s hebben. Hun totale potentiële vraag is $40(25)=1000$ Gb/s. Vier uplinks van 100 Gb/s bieden 400 Gb/s. De overboekingsverhouding is

Dat is 2,5 : 1. Als alle 40 servers evenveel naar andere racks zenden en deze uplinks het knelpunt zijn, is hun gemiddelde elk $400\mathrm{/}40=10$ Gb/s. Verkeer dat binnen het rack blijft, belast de uplinks niet op dezelfde manier. De verhouding beschrijft de totale capaciteit, geen automatische vaste snelheidslimiet voor elke server.

Voeg paden toe met Clos-netwerken

Een Clos-schakelnetwerk biedt meerdere paden tussen racks met veel kleinere switches. Voor even k heeft een fat-tree-topologie met drie niveaus en k poorten per switch k pods, elk met k/2 randswitches en k/2 aggregatieswitches, plus (k/2)² kernswitches. Met verbindingen van gelijke snelheid ondersteunt die $k^3\mathrm{/}4$ hosts met $5k^2\mathrm{/}4$ switches.

Voor k = 4 is het aantal hosts $4^3\mathrm{/}4=16$ en het aantal switches $5(4^2)\mathrm{/}4=20$. Voor k = 48 worden dit 27.648 hosts en 2.880 switches. De topologie biedt volledige totale capaciteit voor toelaatbaar verkeer bij een geschikte padtoewijzing. Ze garandeert niet elke host de volledige verbindingssnelheid wanneer alle hosts naar één bestemming zenden of wanneer routering verkeersstromen concentreert.

Verdeel verkeersstromen over paden met gelijke kosten

Routering via meerdere paden met gelijke kosten (ECMP) berekent een hash uit pakketvelden zoals IP-adressen en transportpoorten om een pad te kiezen. Pakketten van één verkeersstroom volgen normaal gesproken hetzelfde pad en behouden zo hun volgorde, terwijl verschillende verkeersstromen verschillende paden kunnen nemen.

Hashing verdeelt de belasting niet perfect. Twee grote verkeersstromen kunnen één pad kiezen terwijl een ander ongebruikt blijft. Als afzonderlijke pakketten vrij over paden worden verplaatst, kunnen ze uit volgorde raken en onnodig TCP-herstel veroorzaken. De capaciteit van de topologie en de capaciteit die een bepaald verkeerspatroon gebruikt, zijn verschillende maten.

Moderne ontwerpen gebruiken ook softwaregedefinieerde besturing, VXLAN-overlays voor verplaatsbare virtuele machines en containers, en congestiebeheersing op basis van ECN voor korte wachtrijen en lage vertraging. Beheerders wegen bandbreedte en veerkracht af tegen de kosten en het energieverbruik van switches, optische apparatuur en verbindingen.

Een nieuwe Ethernet-verbinding moet adresgegevens verkrijgen voordat een browser een externe site kan bereiken. Volg een laptop op 192.0.2.0/24, met gateway 192.0.2.1, DNS-server 198.51.100.53 en webserver 203.0.113.80. De uitwisseling gebruikt HTTPS over TCP.

Verkrijg de netwerkinstellingen

De laptop heeft aanvankelijk een MAC-adres maar geen bruikbaar IPv4-adres. De laptop stuurt een DHCP-ontdekkingsbericht van UDP-poort 68 naar poort 67, met IP-bron 0.0.0.0, IP-bestemming 255.255.255.255 en Ethernet-bestemming FF-FF-FF-FF-FF-FF.

De switch leert het MAC-bronadres van de laptop en verspreidt de broadcast via flooding. Hier voert de router ook de DHCP-server uit. De uitwisseling van vier berichten bestaat uit ontdekking, aanbod, verzoek en bevestiging. De ACK levert 192.0.2.37/24, gateway 192.0.2.1 en het adres van de DNS-server. Een antwoord aan het MAC-adres van de laptop kan worden doorgestuurd met de vermelding die de switch heeft geleerd; voor de eerste broadcast was geen ARP-opzoeking nodig.

Zoek de eerste volgende hop

De browser heeft een IP-adres voor www.example.com nodig, dus bereidt de laptop een DNS-verzoek voor, normaal gesproken naar UDP-poort 53. De DNS-server bevindt zich buiten het subnet van de laptop. De laptop heeft daarom het MAC-adres van de gateway nodig, niet dat van de DNS-server.

Zonder gatewaykoppeling in de cache zendt de laptop een ARP-verzoek voor 192.0.2.1 als broadcast. De router antwoordt met het MAC-adres van de lokale interface. De laptop slaat deze koppeling op in de cache en plaatst het DNS-datagram in een Ethernet-frame aan die interface.

Doorkruis het gerouteerde pad

De bestemming van het frame is lokaal, terwijl de IP-bestemming van het ingesloten datagram 198.51.100.53 is. De campusrouter verwijdert het Ethernet-frame, zoekt de IP-route op en bouwt het frame voor de volgende verbinding. OSPF en BGP kunnen de routes leveren die binnen en tussen netwerken worden gebruikt. Elke volgende router herhaalt het doorsturen naar de volgende hop.

DNS geeft 203.0.113.80 terug. De laptop kan nu een transportverbinding met de webserver maken. Het MAC-adres van de gateway staat al in de cache; om een ander extern IP-adres te bereiken hoeft geen ander lokaal MAC-adres te worden opgezocht.

Wissel versleutelde webgegevens uit

TCP maakt verbinding met poort 443 via SYN, SYN-ACK en ACK. Daarna brengt een TLS-handshake het versleutelde kanaal tot stand. De browser stuurt een HTTP GET-verzoek binnen TLS over TCP. De server stuurt de pagina via die verbinding terug.

Op het retourpad plaatst de campusrouter het laatste IP-datagram in een frame aan de laptop. De switch stuurt het door naar de geleerde poort. De NIC controleert de FCS, IP levert aan TCP, TCP ordent de bytes, TLS verwerkt de versleutelde records en de browser leest het HTTP-antwoord.

Switches binnen één lokaal Ethernet-netwerk laten de MAC-adressen van de eindpunten onveranderd. Routers vervangen het frame voor elk volgend netwerk; de IP-adressen van de eindpunten blijven in dit verloop onveranderd. NAT op een ander netwerk kan een IP-adres en poort herschrijven. Noch het uitgaande frame, noch het terugkerende frame heeft het MAC-adres van een switchpoort als bestemming nodig.

Een draadloos netwerk combineert hosts, radioverbindingen en vaak een basisstation. Het kanaal verandert als apparaten bewegen, objecten paden blokkeren en andere zenders actief worden. Die veranderingen bepalen mede de transmissiesnelheden en het herstel van fouten.

Classificeer de verbinding

De infrastructuurmodus verzendt via een basisstation: een wifi-toegangspunt of een mobiel basisstation. De ad-hocmodus heeft geen dergelijke infrastructuur. Beide vormen kunnen één draadloze hop of meerdere gebruiken.

Een centraal Bluetooth-apparaat coördineert zijn piconet, maar is in deze indeling geen basisstation voor internettoegang. Wisselen van het bedienende toegangspunt of mobiele basisstation heet een handover.

Verklaar een zwak of vervormd signaal

Padverlies vermindert het ontvangen vermogen door afstand en obstakels. Interferentie voegt ongewenste energie van andere zenders toe; wifi op 2,4 GHz deelt spectrum met Bluetooth en magnetrons. Multipadpropagatie brengt gereflecteerde kopieën via routes van verschillende lengtes aan, waardoor symbolen bij de ontvanger kunnen vervagen.

De signaal-ruisverhouding (SNR) vergelijkt het ontvangen signaalvermogen met het ruisvermogen:

Een vermogensverhouding van 100 geeft 20 dB. In een vrijeruimtemodel neemt het vermogen af met het kwadraat van de afstand. Bij een verdubbeling van de afstand blijft een kwart van het vermogen over, een daling van ongeveer 6 dB als de ruis gelijk blijft. Binnenshuis beïnvloeden ook muren en reflecties het ontvangen signaal, dus bepaalt afstand alleen de SNR niet.

Weeg snelheid af tegen fouten

Een modulatie die meer bits per symbool vervoert, kan sneller zenden, maar de signaaltoestanden zijn moeilijker te onderscheiden. Bij een vaste modulatie verlaagt een hogere SNR doorgaans het bitfoutpercentage. Snelheidsaanpassing kiest een robuustere, langzamere modus als de ontvangst verslechtert en een snellere modus als die verbetert. De hoogst vermelde snelheid is onder de huidige omstandigheden niet altijd de modus die de meeste bruikbare gegevens aflevert.

Lokaliseer de verborgen botsing

Stel dat A en C allebei B kunnen bereiken, maar elkaar niet kunnen horen. A kan stilte horen terwijl C al naar B zendt. A begint dan te zenden en de frames storen elkaar bij B. Dit probleem van verborgen stations laat zien waarom het resultaat van draaggolfdetectie bij een zender de omstandigheden bij de ontvanger niet beschrijft.

Klassieke Bluetooth bedient persoonlijke apparaten op korte afstand, vaak rond 10 m, in de 2,4 GHz-band. Eén centraal apparaat kan maximaal zeven actieve perifere apparaten coördineren. Bluetooth springt tussen 79 kanalen van één megahertz met 1.600 sprongen/s. Bluetooth Low Energy gebruikt 40 kanalen van twee megahertz. Dit zijn verschillende fysieke kanaalindelingen, hoewel beide energiezuinige persoonlijke apparaten ondersteunen.

Wisselende radioverliezen zijn een reden voor lokale ontvangstbevestigingen, hertransmissies en FEC. Een verlies door zwakke ontvangst kan de TCP-doorvoersnelheid nog steeds verminderen als het transportherstel dit als congestie behandelt.

Wifi is de IEEE 802.11-familie voor draadloze lokale netwerken. Een toegangspunt (AP) overbrugt draadloze frames naar een distributienetwerk, vaak Ethernet. Het hoeft geen IP-routering uit te voeren.

Onderscheid een naam van een radio

Een basisserviceset (BSS) bestaat uit een toegangspunt in infrastructuurmodus en de daarmee geassocieerde stations. De SSID is de netwerknaam; de BSSID identificeert een specifieke BSS, normaal gesproken met het MAC-adres van de radio van het toegangspunt. Verschillende BSS'en die door een gemeenschappelijk distributiesysteem zijn verbonden en een SSID delen, vormen een uitgebreide serviceset (ESS). Twee niet-gerelateerde toegangspunten die dezelfde naam gebruiken, vormen daardoor niet automatisch één ESS.

Een station kan een toegangspunt vinden door passief te scannen, waarbij het luistert naar periodieke bakenframes, of door actief te scannen, waarbij het een zoekverzoek stuurt en naar antwoorden luistert. Bakenframes kondigen informatie aan zoals de SSID en BSSID, doorgaans ongeveer tien keer per seconde. Het station kiest een BSS en wisselt een associatieverzoek en -antwoord uit. Een sterk signaal is nuttig, maar een toegangspunt met veel concurrerende clients kan nog steeds een lagere doorvoersnelheid leveren dan een iets zwakker, rustiger toegangspunt.

Zet de instelstappen op volgorde

Beveiliging en associatie zijn afzonderlijke handelingen. WPA2 gebruikt eerst open 802.11-authenticatie en associatie. WPA2-Personal brengt daarna sleutels tot stand met de vierweg-handshake; WPA2-Enterprise voert vóór die sleutelhandshake een 802.1X-uitwisseling van inloggegevens uit. WPA3-Personal gebruikt daarentegen SAE-wachtwoordauthenticatie vóór de associatie, gevolgd door de vierweg-handshake. Na een geslaagde verbinding kan DHCP de IP-instellingen leveren.

Vergelijk banden en generaties

De getallen zijn fysieke pieksnelheden met de relevante maximale mogelijkheden, niet de applicatiedoorvoersnelheid van elke gebruiker. Voor ondersteuning van oudere generaties is een band en modus nodig die beide apparaten delen. Nieuwere OFDMA-functies kunnen gebruikers inplannen, terwijl concurrentie centraal blijft staan bij wifitoegang.

Begrijp kanaaloverlap

In de gewone 2,4 GHz-kanaalreeks liggen de middenfrequenties 5 MHz uit elkaar. Kanalen 1, 6 en 11 hebben hun middenfrequentie op 2.412, 2.437 en 2.462 MHz. Een signaal van ongeveer 20 MHz overlapt nabije kanalen: kanalen 1 en 4 liggen slechts 15 MHz uit elkaar, terwijl 1 en 6 25 MHz uit elkaar liggen.

De 5 en 6 GHz-banden bieden meer afzonderlijke kanalen. Kanaalbundeling voegt spectrum samen tot kanalen van 40, 80 of 160 MHz; Wi-Fi 7 ondersteunt ook kanalen van 320 MHz. Beschikbare kanalen en toegestane breedtes hangen af van lokale radioregelgeving, vooral bij 6 GHz. Bredere kanalen kunnen de snelheid verhogen, maar de vermelde breedte creëert geen eigen spectrum voor elk station.

Wifi gebruikt CSMA/CA, draaggolfdetectie met botsingsvermijding. Het eigen radiosignaal van een zender overstemt zwakke inkomende signalen en verborgen stations zijn mogelijk niet hoorbaar. De zender verstuurt een volledig frame en verneemt uit een ontvangstbevestiging of het is gelukt.

Tel alleen af tijdens vrije tijdsloten

In de basisprocedure voor concurrerende toegang wacht een station op een vrij DIFS-interval. Als het heeft moeten wachten, kiest het een willekeurige wachttijd en telt die af tijdens vrije tijdsloten. Bij een bezet kanaal wordt de resterende tellerstand stilgezet. Nadat de uitwisseling is afgelopen en DIFS is verstreken, gaat het aftellen verder.

Als X 3 kiest en Y 7, bereikt X als eerste nul. Y zet de teller stil met nog 4 tijdsloten over terwijl X zendt. Een correct unicastgegevensframe krijgt na het kortere SIFS-interval een ACK. SIFS geeft dat antwoord voorrang op stations die op DIFS wachten. Y gaat na de uitwisseling verder; Y begint niet automatisch opnieuw bij 7 en telt niet door tijdens de verzending van X.

Een ontbrekende ACK veroorzaakt een herhaling met een groter concurrentievenster. Dit kan betekenen dat de gegevens of de ACK verloren zijn gegaan. Volgnummers laten de ontvanger in het laatste geval een duplicaat onderdrukken. Gewone broadcast- en multicastgegevensframes krijgen geen individuele ACK's.

Reserveer zendtijd voor verborgen zenders

Optionele RTS/CTS-uitwisselingen reserveren een tijdsduur vóór een lang gegevensframe. Een zender stuurt een zendverzoek; de ontvanger antwoordt met toestemming om te zenden. Een verborgen station dat de CTS hoort, wacht gedurende de aangekondigde tijd, ook als het de RTS nooit heeft gehoord. Korte besturingsframes voegen overhead toe, maar kunnen voorkomen dat een lange gegevensverzending door een botsing verloren gaat. Ze verminderen schade door verborgen stations zonder het kanaal botsingsvrij te maken.

Volg drie adresrollen

Een basisgegevensframe bevat achtereenvolgens framebesturing, duur, adressen 1–3, volgordebesturing, een optioneel adres 4, een nettolading en een CRC van 32 bits. De traditionele maximale nettolading is 2.312 bytes; nieuwere aggregatieformaten voegen verdere structuur toe. Een vierde adres komt voor in formaten met vier adressen, zoals bij draadloze bruggen. In gewone gegevensframes in infrastructuurmodus is adres 1 de directe radio-ontvanger en adres 2 de radiozender. Adres 3 bewaart het eindpunt aan de kant van het distributiesysteem.

Voor host H1 die via een toegangspunt naar routerinterface R1 zendt:

1. Naar het toegangspunt: adres 1 = toegangspunt, adres 2 = H1, adres 3 = R1.
2. Het toegangspunt zendt een Ethernet-frame met bron H1 en bestemming R1.
3. Terug heeft het Ethernet-frame bron R1 en bestemming H1.
4. Het toegangspunt zendt radiogegevens met adres 1 = H1, adres 2 = toegangspunt, adres 3 = R1.

Adres 3 kan bij een andere host op het lokale netwerk horen in plaats van bij een router. De radiorol van het toegangspunt mag het oorspronkelijke Ethernet-eindpunt in het overbrugde frame niet vervangen.

Beweeg of slaap

Een verplaatsing van AP1 naar AP2 op hetzelfde subnet behoudt het IP-adres van H1. Herassociatie verandert het radioaansluitpunt. Een frame dat via AP2 aankomt met bron H1, leert switches de nieuwe locatie van H1. Een verplaatsing naar een ander subnet vereist nieuwe adressering of mobiliteitsondersteuning om bestaande verbindingen te behouden.

Voor energiebesparing vertelt een station het toegangspunt dat het gaat slapen. Het toegangspunt buffert de frames voor dat station en kondigt wachtend verkeer aan in bakeninformatie. Het station wordt wakker om gegevens te controleren en op te halen en kan daarna weer slapen. Slapen bespaart radio-energie, maar kan de aflevering vertragen tot het volgende ontwaakmoment.

Een mobiel netwerk verdeelt het dekkingsgebied in cellen die door basisstations worden bediend. De telefoon of het modem heet gebruikersapparatuur (UE). De simkaart bevat een abonnee-identiteit, de IMSI, en een langdurig gebruikte geheime sleutel voor authenticatie.

Onderscheid netwerkrollen

Een IMSI heeft maximaal 15 cijfers: een mobiele landcode van drie cijfers, een netwerkcode van twee of drie cijfers en een abonneenummer. De testidentiteit 001 01 0123456789 illustreert die velden. Die identificeert een abonnement, niet het IP-adres van de UE.

Het LTE-basisstation, een eNodeB, plant radiomiddelen, verzorgt de eigen cel en neemt deel aan handovers. De backhaul leidt naar de Evolved Packet Core (EPC).

Besturingsberichten brengen connectiviteit tot stand en beheren die. Pakketten in het gebruikersvlak vervoeren de werkelijke gegevens van de abonnee. Als je de MME beschouwt als de router voor elk webpakket, haal je die vlakken door elkaar.

Meld stap voor stap aan

De UE vindt synchronisatiesignalen en kiest een cel. De UE stuurt via de eNodeB een aanmeldverzoek naar de MME. De MME haalt authenticatiegegevens op bij de HSS in het thuisnetwerk van de abonnee. De UE en het netwerk authenticeren elkaar en brengen beveiliging tot stand. Daarna coördineert de MME de gegevenspaden van de dragers via de gateways. De P-GW levert het IP-adres van de UE.

LTE is een pakketsysteem dat volledig op IP werkt; ondersteunde spraakdiensten reizen net als gewone gegevens via IP. Tussen de eNodeB, S-GW en P-GW vervoert GTP-U de pakketten van de UE door tunnels over UDP en een buitenste IP-laag. Het binnenste datagram behoudt het eindpuntadres van de UE, terwijl buitenste adressen tunneleindpunten identificeren. Een verandering van radioaansluitpunt kan daardoor een tunneleindpunt veranderen zonder het IP-adres van de UE te veranderen.

Verdeel het radiowerk

De datalinkstack heeft drie hoofdsublagen. PDCP voert onder meer headercompressie en versleuteling uit. RLC segmenteert gegevens en stelt ze weer samen en kan in bevestigde modus hertransmissie bieden. MAC beheert geplande zendmogelijkheden en hybride ARQ, dat snelle herhalingen met codering combineert.

De downlink van LTE gebruikt OFDMA; de uplink gebruikt de verwante methode SC-FDMA. Subdraaggolven liggen 15 kHz uit elkaar. Een resourceblok beslaat 12 subdraaggolven, of 180 kHz, gedurende een tijdslot van 0,5 ms. Planning wijst middelen doorgaans toe in subframes van 1 ms. Meer toegewezen blokken en een hogere bruikbare modulatiesnelheid kunnen de gegevenssnelheid van een UE verhogen; de standaard schrijft geen specifiek algoritme voor eerlijke verdeling voor.

Een inactieve UE bespaart energie met slaap- en ontwaakprocedures. Alleen de toegangshop hoeft via radio te verlopen: backhaul kan via glasvezel, koper of microgolven lopen en gateways scheiden het radionetwerk nog steeds van het internet.

5G breidt mobiele toegang uit met flexibele radiotiming en een opnieuw ontworpen kern. Hoge pieksnelheden, lage vertraging en grote aantallen apparaten dienen verschillende toepassingen; je moet niet verwachten dat één apparaat alle ontwerpdoelen tegelijk haalt.

Interpreteer de ontwerpdoelen

IMT-2020 definieert verbeterd mobiel breedband, eMBB; ultrabetrouwbare communicatie met lage vertraging, URLLC; en grootschalige machinecommunicatie, mMTC. Bijbehorende eisen omvatten een pieksnelheid van 20 Gb/s op de downlink, 1 ms radiovertraging in het gebruikersvlak voor URLLC en één miljoen apparaten per vierkante kilometer voor dichte machinecommunicatie. Dit zijn evaluatiedoelen onder bepaalde omstandigheden, geen garanties voor gewone internetdownloadsnelheid of rondlooptijd.

Verander de radiotiming

New Radio (NR) gebruikt OFDM met schaalbare afstand. Bij numerologie μ is de afstand tussen subdraaggolven $15(2^{\mu })$ kHz en duurt een normaal tijdslot van 14 symbolen $1\mathrm{/}{2}^{\mu }$ ms. Bij 30 kHz is μ = 1 en duurt het tijdslot 0,5 ms. Bij 120 kHz is μ = 3 en duurt het 0,125 ms. Kortere tijdsloten maken snellere planningsmogelijkheden mogelijk, al omvat de eind-tot-eindvertraging ook transport, verwerking en wachtrijen.

NR FR1 beslaat 410 MHz–7,125 GHz, inclusief de gebruikelijke middenband rond 3,5 GHz. FR2 beslaat in zijn deelbereiken 24,25–71 GHz. De hoge banden die vaak millimetergolfbanden worden genoemd, bieden brede kanalen maar worden sterk geblokkeerd en hebben een kort bruikbaar bereik. Kleine cellen en gerichte bundels van grote antenne-arrays helpen om ze te gebruiken. Veel 5G-netwerken gebruiken FR1 en hebben geen millimetergolfverbinding nodig.

Breng de verantwoordelijkheden van de kern in kaart

Een gNB is een 5G-basisstation. Niet-zelfstandige (NSA) implementaties combineren NR-toegang met een LTE-anker en een 4G-kern. Zelfstandige (SA) implementaties gebruiken de servicegebaseerde organisatie van de 5G-kern.

De functies verdelen verantwoordelijkheden; de koppeling betekent niet dat één oud apparaat wordt vervangen door één nieuw apparaat met een identieke werking. Door het doorsturen in het gebruikersvlak van de besturing te scheiden kan een operator een UPF dicht bij een lokale applicatie plaatsen. Netwerkslicing ondersteunt virtuele netwerken met verschillende diensteigenschappen op gedeelde infrastructuur.

Vergelijk mobiele toegang en wifitoegang

Mobiele netwerken gebruiken doorgaans spectrum waarvoor een vergunning nodig is, door operators beheerde abonnees en centraal geplande radiomiddelen over grote gebieden. Wifi gebruikt doorgaans vergunningsvrij lokaal spectrum en op concurrentie gebaseerde toegang die door een organisatie of gebruiker wordt beheerd. Wi-Fi 6 en later ondersteunen ook door het toegangspunt geplande OFDMA, dus planning is niet uniek voor mobiele netwerken. Beide families passen radiosnelheden aan en herstellen bepaalde verliezen lokaal. 5G-Advanced zet de 5G-familie voort; 6G blijft een ontwikkelinspanning gericht op ongeveer 2030.

Een verandering van radioaansluitpunt is gemakkelijk te verbergen als een apparaat zijn IP-adres behoudt. Bewegen tussen netwerken is moeilijker: een gewone TCP-verbinding wordt geïdentificeerd door eindpuntadressen en poorten. Mobiliteitsmechanismen behouden de bereikbaarheid terwijl het fysieke afleverpad verandert.

Onderscheid stabiele identiteit en huidige locatie

Het thuisnetwerk bewaart de abonnementsgegevens; een bezocht netwerk bedient een abonnee die elders gebruikmaakt van roaming. In Mobile IP identificeert een stabiel thuisadres het apparaat en geeft een tijdelijk locatieadres de locatie van het huidige aansluitpunt aan. Voor elk bewegend apparaat een afzonderlijke route over het hele internet adverteren zou een enorme, voortdurend veranderende routeringslast veroorzaken.

Bij indirecte routering stuurt de communicatiepartner naar het thuisadres. Een thuisagent onderschept het verkeer en tunnelt het naar het tijdelijke locatieadres. De communicatiepartner hoeft de beweging niet te volgen, maar het pad kan via het thuisnetwerk omleiden. Bij een Braziliaanse abonnee in Tokio die gegevens van een server in Tokio ontvangt, kan dat verkeer eerst door Brazilië worden gestuurd: driehoeksroutering.

Bij directe routering leert de communicatiepartner de huidige locatie en tunnelt het verkeer naar het bezochte netwerk. Dat voorkomt de omweg via het thuisnetwerk, maar vereist deelname van de communicatiepartner en updates of doorsturen als het apparaat opnieuw beweegt. Bij LTE-roaming bieden routering via een P-GW in het thuisnetwerk en lokale internettoegang verwante keuzes.

Volg een LTE-handover

Binnen een LTE-netwerk kan de S-GW het datapad blijven verankeren terwijl de UE van eNodeB wisselt:

1. Signaalmetingen die de UE rapporteert, brengen de bron-eNodeB ertoe een handover bij een doel-eNodeB aan te vragen.
2. De doel-eNodeB reserveert middelen en stuurt de toegangsgegevens terug.
3. De bron-eNodeB geeft de UE opdracht te verplaatsen en stuurt gegevens die nog onderweg zijn door naar de doel-eNodeB.
4. De UE synchroniseert met de doel-eNodeB, verkrijgt toegang en meldt dat de handover is voltooid.
5. De doel-eNodeB vraagt via de MME om omschakeling van het pad; de S-GW verandert het tunneleindpunt.
6. De oude radiomiddelen worden vrijgegeven en het verkeer volgt de nieuwe tunnel.

De voorbereiding vindt plaats voordat de UE beweegt; de omschakeling van het kernpad volgt na aankomst bij de doel-eNodeB. Een handover kan pakketten kort vertragen of verloren laten gaan zonder het binnenste IP-adres te veranderen.

Onderscheid Mobile IP-versies

Mobile IPv4 ondersteunt een tijdelijk locatieadres van een buitenlandse agent of een adres dat het mobiele apparaat rechtstreeks verkrijgt. Via ontdekking en registratie wordt de thuisagent geïnformeerd. Mobile IPv6 heeft geen buitenlandse agent nodig: gewone IPv6-configuratie levert het tijdelijke locatieadres en een bindingsupdate registreert het bij de thuisagent. Deze IETF-mechanismen zijn minder breed ingevoerd dan mobiliteitsbeheer specifiek voor mobiele netwerken.

Verbind verliezen met transportgedrag

Conventioneel verliesgebaseerd TCP behandelt verlies doorgaans als congestie. Daardoor kan een radiofout of verlies tijdens een handover de verzendsnelheid verlagen, ook als wachtrijen niet overbelast waren. Lokale ARQ en FEC kunnen sommige draadloze verliezen verbergen. Andere benaderingen onderscheiden verliesoorzaken of splitsen een transportverbinding over een draadloos en een bekabeld deel. Splitsing verandert de oorspronkelijke eind-tot-eindopzet van het transport. Applicaties zoals streamingvideo kunnen hun bitsnelheid ook verlagen als de beschikbare bandbreedte afneemt.