Ethernet Basics Rev. 02

Ethernet Basics

Rev. 02

Contents

1 Introduction

1

1.1 The OSI model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 LAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

2 Ethernet

5

2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

2.2 The physical implementations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.2.1 Implementations based on coax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2.2 Implementations based on twisted pair . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2.2.3 Implementations based on fibre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.2.4 Wireless LAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.2.5 Bluetooth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.3 The data link layer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.3.2 MAC address . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

2.3.3 The Ethernet dataframe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.3.4 CSMA/CD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.3.5 CSMA/CA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.4 Structure elements for Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.4.1 The hub . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.4.2 The switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.5 IEEE802.1Q tagged frame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.6 Power over Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.6.1 PSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.6.2 PD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.6.3 Alternative A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.6.4 Alternative B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.7 VLAN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.7.1 Advantages of VLANs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.7.2 Trunking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.7.3 VLAN types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.8 Network redundancy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.8.2 The Spanning Tree Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.8.3 The Rapid Spanning Tree Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.8.4 Bridge Protocol Data Units (BPDUs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.8.5 Multiple Spanning Tree Protocol (MSTP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.8.6 Media Redundancy Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

Contents

ii

2.8.7 Parallel Redundancy Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.9 Important additions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.9.1 LLDP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.9.2 IEEE 802.1x . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.9.3 Link Aggregation with LACP to IEEE 802.3ad . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.10Industrial Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3 TCP/IP

37

3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3.2 The Internet Protocol (IP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.2.2 The IP address . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.2.3 Routers and subnet masking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.2.4 Subnetting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

3.2.5 Classless Inter-Domain Routing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.2.6 Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.2.7 The IP packet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.2.8 IPv6 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.3 Transmission Control Protocol (TCP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.3.2 End-to-end transport service . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.3.3 How reliability is achieved . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

3.3.4 The TCP segment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

3.4 UDP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

3.5 TCP and UDP ports within the automation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.6 Communication over TCP(UDP)/IP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

3.6.1 Client Server model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

3.6.2 Endpoint and Internetsocket . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3.6.3 Dynamic Servers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.6.4 Unambiguous communication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.6.5 Status of a socket . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3.6.6 Connection-oriented communication and connectionless communication . 60

4 Extension protocols and network applications

61

4.1 ARP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

4.1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

4.1.2 Address Resolution Protocol (ARP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

4.2 BootP and DHCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

4.2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

4.2.2 BootP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

4.2.3 DHCP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

4.2.4 DHCP Relay Agent - DHCP option 82 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

4.3 ICMP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

4.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

4.3.2 Internet Control Message Protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

4.3.3 ICMP message . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4.3.4 Check accessibility of a host . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4.3.5 Trace a route . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

4.4 IGMP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

Contents

iii

4.4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 4.4.2 IGMP messages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 4.4.3 IGMP snooping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 4.4.4 Multicast addresses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 4.5 GMRP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.5.1 IEEE 802.1p . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.5.2 GMRP processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.6 DNS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.6.2 The structure of a host name . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.6.3 Functioning of the DNS protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.7 SNMP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.7.2 SNMP structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.7.3 The MIB and SMI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.7.4 SNMP protocol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.8 HTTP and HTTPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.8.1 TLS/SSL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.8.2 HTTP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.8.3 HTTPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.9 Overview of some other important applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.9.1 FTP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.9.2 TFTP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.9.3 NTP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.9.4 SSH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.9.5 CLI (Command Line Interface) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

5 The switch

80

5.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

5.2 Industrial switches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

5.2.1 General . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

5.2.2 Technical description of an industrial switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

6 The router

86

6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

6.2 Routing messages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

6.3 Types of routers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

6.4 Layer 3 switch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

6.5 Linking of a private network to the Internet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

6.6 IP NAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

6.6.1 NAT: IP masquerading . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

6.6.2 Port Forwarding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

6.7 1:1 NAT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

7 The firewall

95

7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

7.2 Types of firewalls . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

Contents

iv

8 VPN

97

8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

8.2 Internet Protocol Security, IPsec . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

8.3 VPN implementations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

9 Automation networks & Security

101

9.1 Corporate network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

9.2 Corporate network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

9.2.1 Automation cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

9.2.2 Automation network . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

9.2.3 Linking of an automation network to a corporate network . . . . . . . . . . 104

9.3 Necessity of security . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

9.3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

9.3.2 Awareness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

9.3.3 Objective of security . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

9.3.4 Security in the office world versus security in the automation world . . . . 105

9.3.5 Standardisation with regard to security in automation networks . . . . . . 107

9.3.6 A security programme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

9.4 Security in practice . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

9.4.1 Layer 1 security . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

9.4.2 Layer 2 security . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

9.4.3 Layer 3 security . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

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