Двоичная арифметика без переноса

Как нетрудно заметить с отменой переноса исчезают и различия между сложением и вычитанием. Для каждой позиции есть 4 варианта:

0 + 0 = 0 - 0 = 0

0 + 1 = 0 - 1 = 1

1 + 0 = 1 - 0 = 1

1 + 1 = 1 - 1 = 0

То есть, фактически, сложение и вычитание в CRC-арифметике эквивалентны операции XOR, которая является обратной самой себе, и это очень удобно.

Особенности различных алгоритмов

В последнее время стали популярными сложные алгоритмы, далеко отстоящие от обычной схемы деления. В первую очередь это так называемая табличная реализация и ее модификации, цель которых в переходе от цикла по всем битам к циклу по большим порциям данных - байтам, словам, и.т.д. Особенности различных реализаций привели к новым модификациям самого алгоритма. Появились такие понятия как начальное и конечное значения.

Начальное (стартовое) значение записывается в аккумулятор перед началом генерации CRC. Алгоритм CRC16 инициализирует аккумулятор нулем, выполняя обыкновенную схему деления. Однако выбор нулевого стартового значения не самый удачный. Нетрудно видеть, что нули в начале сообщения являются "слепым пятном" алгоритма (т.е. их число не повлияет на значение контрольной суммы), и, в то же время, такие сообщения достаточно часто встречаются. Введение начального значения, которое с точки зрения схемы деления эквивалентно дописыванию в начало сообщения ненулевого значения позволяет обойти эту проблему.

Конечное значение просто складывается (XOR) с остатком деления.

Модификация CRC16/CITT использует стартовое значение FFFFh. Алгоритм CRC32 использует FFFFFFFFh в качестве начального и конечного значений.

 

Кодирование сигналов на физическом уровне

Для передачи информации по коммуникационным линиям данные преобразуются в цепочку следующих друг за другом битов (двоичное кодирование с помощью двух состояний: "0" и "1").

При цифровом кодировании дискретной информации применяют потенциальные и импульсные коды.

В потенциальных кодах для представления логических единиц и нулей используется только значение потенциала сигнала, а его перепады, формирующие законченные импульсы, во внимание не принимаются. Импульсные коды позволяют представить двоичные данные либо импульсами определенной полярности, либо частью импульса — перепадом потенциала определенного направления.

Существуют несколько наиболее распространненых кодов:

 

1. Потенциальный код без возвращения к нулю (Non Return to Zero, NRZ)
2. Метод биполярного кодирования с альтернативной инверсией AMI
3. Потенциальный код с инверсией при единице (Non Return to Zero with ones Inverted, NRZI).
4. Биполярный импульсный код
5. Манчестерский код
6. Потенциальный код 2В1Q

 

Рис. 11. Способы дискретного кодирования данных

 

Манчестерский код

В локальных сетях до недавнего времени самым распространенным методом кодирования был так называемый манчестерский код. Он применяется в технологиях Ethernet и Token Ring.

В манчестерском коде для кодирования единиц и нулей используется перепад потенциала, то есть фронт импульса. При манчестерском кодировании каждый такт делится на две части. Информация кодируется перепадами потенциала, происходящими в середине каждого такта. Единица кодируется перепадом от низкого уровня сигнала к высокому, а ноль — обратным перепадом. В начале каждого такта может происходить служебный перепад сигнала, если нужно представить несколько единиц или нулей подряд. Так как сигнал изменяется по крайней мере один раз за такт передачи одного бита данных, то манчестерский код обладает хорошими самосинхронизирующими свойствами. Полоса пропускания манчестерского кода уже, чем у биполярного импульсного. У него также нет постоянной составляющей, а основная гармоника в худшем случае (при передаче последовательности единиц или нулей) имеет частоту N Гц, а в лучшем (при передаче чередующихся единиц и нулей) она равна N/2 Гц, как и у кодов AMI или NRZ. В среднем ширина полосы манчестерского кода в полтора раза уже, чем у биполярного импульсного кода, а основная гармоника колеблется вблизи значения 3N/4. Манчестерский код имеет еще одно преимущество перед биполярным импульсным кодом. В последнем для передачи данных используются три уровня сигнала, а в манчестерском — два.

Для обозначения начала и конца кадра флаги, которые включают запрещенные для данного кода сигналы (code violations, V). Например, при манчестерском кодировании вместо обязательного изменения полярности сигнала в середине тактового интервала уровень сигнала остается неизменным и низким (запрещенный сигнал J) или неизменным и высоким (запрещенный сигнал К).

Начало кадра отмечается последовательностью JK0JK000, а конец - последовательностью JK1JK100. Этот способ очень экономичен, так как не требует ни бит-стаффинга, ни поля длины, но его недостаток заключается в зависимости от принятого метода физического кодирования.

 

Сетевые адаптеры

Сетевой адаптер (Network Interface Card, NIC) вместе со своим драйвером реализует второй, канальный уровень модели открытых систем в конечном узле сети - компьютере. Более точно, в сетевой операционной системе пара адаптер и драйвер выполняет только функции физического и МАС-уровней, в то время как LLC-уровень обычно реализуется модулем операционной системы, единым для всех драйверов и сетевых адаптеров. Собственно так оно и должно быть в соответствии с моделью стека протоколов IEЕЕ 802.X

 

Сетевой адаптер совместно с драйвером выполняют две операции: передачу и прием кадра.

 

Передача кадра из компьютера в кабель состоит из перечисленных ниже этапов (некоторые могут отсутствовать, в зависимости от принятых методов кодирования).

 

· Прием кадра данных LLC через межуровневый интерфейс вместе с адресной информацией МАС-уровня. Обычно взаимодействие между протоколами внутри компьютера происходит через буферы, расположенные в оперативной памяти. Данные для передачи в сеть помещаются в эти буферы протоколами верхних уровней, которые извлекают их из дисковой памяти либо из файлового кэша с помощью подсистемы ввода/вывода операционной системы.

· Оформление кадра данных МАС-уровня, в который инкапсулируется кадр LLC (с отброшенными флагами 01111110). Заполнение адресов назначения и источника, вычисление контрольной суммы.

· Формирование символов кодов при использовании избыточных кодов типа 4В/5В. Скрэмблирование кодов для получения более равномерного спектра сигналов. Выдача сигналов в кабель в соответствии с принятым линейным кодом - манчестерским, NRZI, MLT-3 и т. п.

 

Прием кадра из кабеля в компьютер включает следующие действия.

 

· Прием из кабеля сигналов, кодирующих битовый поток.

· Выделение сигналов на фоне шума. Эту операцию могут выполнять различные специализированные микросхемы или сигнальные процессоры DSP. В результате в приемнике адаптера образуется некоторая битовая последовательность, с большой степенью вероятности совпадающая с той, которая была послана передатчиком.

· Если данные перед отправкой в кабель подвергались скрэмблированию, то они пропускаются через дескрэмблер, после чего в адаптере восстанавливаются символы кода, посланные передатчиком.

· Проверка контрольной суммы кадра. Если она неверна, то кадр отбрасывается, а через межуровневый интерфейс наверх, протоколу LLC передается соответствующий код ошибки. Если контрольная сумма верна, то из МАС-кадра извлекается кадр LLC и передается через межуровневый интерфейс наверх, протоколу LLC. Кадр LLC помещается в буфер оперативной памяти.

Сетевые атаки и способы защиты от них

Перехват данных

Простейшей формой перехвата данных является прослушивание сети. В этом случае злоумышленник может получить массу полезной информации: имена пользователей и пароли (многие приложения передают их в открытом виде), адреса компьютеров в сети, в том числе адреса серверов и запущенные на них приложения, адрес маршрутизатора, собственно передаваемые данные, которые могут быть конфиденциальными (например, тексты электронных писем) и т. п.

Однако если сеть разбита на сегменты с помощью коммутаторов, то злоумышленник может перехватить только кадры, получаемые или отправляемые узлами сегмента, к которому он подключен. Простое прослушивание также не позволяет злоумышленнику модифицировать передаваемые между двумя другими узлами данные. Для решения этих задач злоумышленник должен перейти к активным действиям, чтобы внедрить себя в тракт передачи данных в качестве промежуточного узла. (Такие атаки в англоязычной литературе называют man-in-the-middle attack.)