2. Rechnernetze. 2.1 Netze und Dienste auf Netzen. (Physische) Netze. Dienste auf Netzen. Fernsprechnetz. Integriertes Datennetz (IDN)

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1 2. Rechnernetze 2.1 Netze und Dienste auf Netzen (Physische) Netze Fernsprechnetz Integriertes Datennetz (IDN) Kabelfernsehnetz Standleitungen... Dienste auf Netzen Telefon Telefax Datex-P, Datex-L Bildschirmtext Kabelfernsehen ISDN Rechnernetze 2-1

2 2.2 Netz-Topologien Stern Ring Baum Bus vollständig vermaschtes Netz teilweise vermaschtes Netz Abb. 2-1: Netz-Topologien 2. Rechnernetze 2-2

3 2.3 Lokale Netze Medium Access Control (MAC) - Allgemein Problemstellung: Physikalisches Medium verbindet viele unabhängige Stationen (Rechner) mit einander Stationen können gleichzeitig Sendewünsche haben Folge: Zugriffskonflikte / Kollisionen Lösungsalternativen: Kollisionserkennung Infolge gleichzeitigen Sendens können Kollisionen auftreten Bei Auftreten von Kollisionen muß die fehlerhafte Übertragung wiederholt werden CSMA/CD Kollisionsvermeidung Kollisionen werden durch entsprechendes Zugangsprotokoll verhindert Eine zirkulierende Berechtigungsmarke (Token) gibt das Senderecht jeweils genau einer Station 1 Token Ring, Token Bus 1 Nur der jeweilige "Besitzer" des Tokens darf senden 2. Rechnernetze 2-3

4 2.3.2 CSMA/CD 2 = Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection Typisch für alle CSMA-Verfahren: Sendewillige Station "hört" das Medium ab, um festzustellen, ob die "Leitung" frei ist Sendet gerade eine andere Station, so wird gewartet Sendet gerade niemand, wird selbst gesendet und wie bei einer "Hinterbandkontrolle" mitgehört (gilt nur für CSMA/CD) Testen sendewillige Stationen gleichzeitig, so kann es zu gleichzeitigem Senden kommen Wird bei der "Hinterbandkontrolle" eine Kollision entdeckt (Verstümmelung der Nachricht), wird die Übertragung abgebrochen ein Random-Zeitintervall gewartet die Übertragung des beschädigten Datenpaketes wiederholt 2 MAC-Verfahren für Ethernet sowie den Normen IEEE bzw. ISO Rechnernetze 2-4

5 Carrier Sense? Senden einer Station Ausbreiten der Nachricht Abb. 2-2: Beispiel für eine kollisionsfreie Übertragung 2. Rechnernetze 2-5

6 Multiple Access?? Gleichzeitiges Senden zweier Stationen Kollision Abb. 2-3: Beispiel für das Auftreten einer Kollision 2. Rechnernetze 2-6

7 Bewertung: + Weit verbreitetes Verfahren + Einfach zu realisieren, daher kostengünstig + Bei wenigen Stationen sehr effizient - Keine garantierten Antwortzeiten - Daher nicht realzeitfähig - Netz nur bis zu einem relativ geringen Teil der Nenndatenrate 3 auslastbar 4 3 Bei Ethernet i.d.r. 10 MBit/s 4 Als Daumenregel wird oft empfohlen, das Netz nur bis ca. max. 36% der Nenndatenrate zu belasten 2. Rechnernetze 2-7

8 2.3.3 Token Passing Verfahren Ein zirkulierendes Zeichen (Token) regelt den Netzzugang Nur wer gerade im Besitz des Tokens ist, darf senden ( Token wechselt von Zustand "frei" in Zustand "belegt") Token + Daten werden von Station zu Station "aktiv" weitergereicht Hierdurch konstante Verzögerung (1 Bit Delay) pro angeschlossener Station (d.h. je mehr Stationen, desto langsamer wird das Verfahren) Empfänger kopiert Nachricht (und setzt i.d.r. Bestätigungsbit im Frame-Header) Absender nimmt Nachricht vom Ring und sendet ein "Frei-Token" Jede Station sendet jeweils max. einen Nachrichten-Container (Frame) und gibt dann das Token weiter 2. Rechnernetze 2-8

9 Token 5 1. Station 2 erhält das Token Station 2 sendet seine Nachricht (Adressat sei Station 8) Station 8 kopiert die Nachricht Station 2 entfernt die Nachricht während Station 8 (den Rest) noch kopiert Station 8 beendet das Kopieren Token 5 6. Station 2 erzeugt ein neues (Frei-)Token Abb. 2-4: Prinzip des Token Passing (Beispiel) 5 5 In Anlehnung an H. Kerner: Rechnernetze nach OSI, Addison-Wesley, 1992, S Rechnernetze 2-9

10 Token Ring 6 Verwendet Token Passing-Verfahren als MAC Physischer Ring Bei "Ausstecken" von Stationen aus dem Ring, Kurzschließen des Rings durch ein Relais Bei Verlust des Tokens: Token Recovery B A C Abb. 2-5: Token Ring D Bewertung: + Fairer Zugang zum Netz + Prioritätenschema möglich + Garantierter Zugang ( realzeitfähig) - Technisch relativ aufwendig - Dadurch teurere Komponenten im Vergleich zu Ethernet 6 Standardisiert in IEEE 802.5, ISO 8802/5 2. Rechnernetze 2-10

11 Token Bus 7 Physisches Medium Bus Verwendet ebenfalls Token Passing als MAC Aufprägung einer logischen Ringstruktur "Aktive" Komponenten (Sender + Empfänger) und "passive" Komponenten (nur Empfänger) möglich Haupteinsatzgebiet: Fertigungsbereich F E D C Medium G A B "passive" Komponenten "aktive Komponenten" Abb. 2-6: Token Bus 7 Standardisiert in IEEE 802.4, ISO 8802/4 2. Rechnernetze 2-11

12 2.3.4 Leistungsverhalten 8 Vergleich von CSMA/CD, Token Ring und Token Bus Vergleichsmaß: Erreichter Anteil an nomineller Bitrate ( "normalisierter Durchsatz") Ausgangswerte: Datenrate = 10 MBit/s Kabellänge = 2,5 km Anzahl Stationen = Mean transfer delay (ms) CSMA/CD Token Bus Token Ring Mean transfer delay (ms) CSMA/CD Token Bus Token Ring Throughput (normalized) Frame size = 512 bits Throughput (normalized) Frame size = 1200 bits Abb. 2-7: Performance-Vergleich 8 Entnommen aus F. Halsall: Data Communications, Computer Networks and Open Systems, Addison-Wesley, 1992, pp Rechnernetze 2-12

13 2. Rechnernetze 2-13

14 2.3.5 Early Token Release Normales Token Passing: Token umläuft Ring vollständig Bei langsamen Netzen: Frame-Länge >> Ringbitzahl 9 In diesem Fall, normales Token Passing gut geeignet Schlechte Auslastung der Übertragungskapazität, falls Framelänge << Ringbitzahl 10 Lösung: Early Token Release Frei-Token wird direkt an die Nachricht angehängt Nächste Nachricht wird damit ggf. an diese Nachricht angehängt Dies kann solange wiederholt werden, bis der Ring "voll" ist 9 = Anzahl Bits, die bei der gegebenen Übertragungsgeschwindigkeit auf dem Ring "Platz" haben 10 Dies wäre i.d.r. gegeben bei Hochgeschwindigkeitsnetzen 2. Rechnernetze 2-14

15 Hochgeschwindigkeitsnetze Glasfaserkabel als physikalisches Medium Datenrate 100 MBit/s Hauptanwendung: Backbone für LANs Integration von Daten, Audio, Video Wichtige Standards: FDDI (Fiber Distributed Data Interface) DQDB (Distributed Queue Dual Bus) B-ISDN (Broadband ISDN) auf Basis ATM 2. Rechnernetze 2-15

16 Token Bus Gateway Ethernet FDDI-Ring Token Ring Gateway Computer Ethernet Abb. 2-8: FDDI-Ring als LAN + Backbone für andere LANs In Anlehnung an A.S. Tanenbaum: Computer Networks, Prentice-Hall, 1989, p Rechnernetze 2-16

17 FDDI Hochgeschwindigkeitsnetz (100 MBit/s) Verwendet Variante des Early Token Release als MAC Verschiedene Stationstypen Dual Attachment Stations (DAS) Single Attachment Stations (SAS) Doppelte Auslegung des Rings für Fehlertoleranz mittels DAS- -Stations bei Leitungsunterbrechung umschalten auf "Reservestrang" DAS-Station SAS-Station redundanter Ring SAS-Station Konzentrator DAS-Station SAS-Station Abb. 2-9: FDDI-Ring DAS-Station 2. Rechnernetze 2-17

18 2.4 Weitverkehrsnetze Leitungsarten Telex: 50 Bit/s Datex-L mit elektronischer Vermittlung: 300 Bit/s Bit/s Fernsprechkanal 2.400, 4.800, Bit/s Breitbandkanal Bit/s - 2 MBit/s Datex-P mit Paketvermittlung ISDN: u.a. 2 B-Kanäle mit je 64 KBit/s B-ISDN (zukünftig) Metropolitan Area Network (MAN) Im Prinzip stets die Wahl zwischen fest geschalteten Leitungen Wählleitungen 2. Rechnernetze 2-18

19 B-ISDN Übertragungsrate > 100 MBit/s Lange Zeit zwei konkurrierende Verfahren: STM ATM STM: Synchronous Time Division Multiplexing feste Zuordung je eines Zeitschlitzes zu einem Kanal ( isochrone Übertragung) Vermittlung durch "Umsortierung" ( Verzögerung) Übertragung "leerer" Slots wenn keine Datenübertragung von/zum Teilnehmer Abb. 2-10: Nachrichtenübertragung bei STM 2. Rechnernetze 2-19

20 ATM: Asynchronous Time Division Multiplexing Dynamische Zuordnung von Kanälen zu Zeitschlitzen (je nach Nachrichtenaufkommen) variabel lange Datenströme durch Verteilung auf mehrere Zeitschlitze Vermittlungsstelle (Switch) komplizierter ( Pufferung) ATM wird Übertragungstechnik für B-ISDN! Abb. 2-11: Nachrichtenübertragung bei ATM 2. Rechnernetze 2-20

21 2.5 Wegwahl (Routing) Im allg. verschiedene Wege vom Sender zum Empfänger Knoten führen Wegewahl-Tabellen (routing tables) Aufbau/Aktualisierung der Wegewahl-Tabellen: statisch Vorab-Berechnung reagiert nicht auf aktuelle Netzlast z.t. mit "Second-Choice"-Eintrag für Störungen adaptiv dynamische Anpassung an den Datenverkehr Folge: Nachrichten von A nach B nehmen ggf. unterschiedliche Wege mit unterschiedlichen Laufzeiten Übertragungsarten verbindungsorientierte Kommunikation Schalten von echten oder virtuellen Leitungen (wie beim Telefon) Reihenfolge der Nachrichten von A nach B bleibt erhalten verbindungslose Kommunikation Versenden von Einzelpaketen korrekte Reihenfolge der Nachrichten von A nach B nicht garantiert 2. Rechnernetze 2-21

22 2.6 Das ISO/OSI-Referenzmodell Endziel: Festlegung von Kommunikationsstandards für offene Systeme Zunächst: Festlegung einer einheitlichen Terminologie Ansatz: "Geschichtete" Protokolle Knoten A Knoten B auszutauschende Informationseinheit 7 Application Application Protocol Application Application Protocol Data Unit Interface 6 Presentation Presentation Protocol Presentation Presentation Protocol Data Unit Interface 5 Session Session Protocol Session Session Protocol Data Unit 4 Transport Transport Protocol Transport Transprot Protocol Data Unit 3 Network Network Packet 2 Data Link Data Link Frame 1 Physical Physical Bit Netzwerk Abb. 2-12: ISO/OSI Referenz-Modell 2. Rechnernetze 2-22

23 End-user application process Distributed information services File transfer, access and management, document and message interchange, job transfer and manipuation Application layer Syntax-independent message interchange service Transfer syntax negotiation data representation transformations Presentation layer Dialogue and synchronization control for application entities Session layer End-to-end message transfer (connection management, error control, fragmentation, flow control) Network-independent message interchange service Transport layer Network-routing, addressing, call set-up and clearing Network layer Data link control (framing, data transparency, error control) Link layer Mechanical and electrical network interface definitions Physical layer Physical connection to network Data communication network Abb. 2-13: Kurzbeschreibung der ISO/OSI-Schichten In Anlehnung an F. Hallsall,..., p Rechnernetze 2-23

24 Schichten jeweils funktionsorientiert beschrieben Verschiedene Implementierungen einer Schicht konkrete "Ausfüllung" durch spezielle Standards Kommunikation zwischen zwei "ISO/OSI-Systemen" nur möglich, wenn auf allen Ebenen jeweils dieselben Standards verwendet werden Für "operativen" Einsatz eine Reihe von Schwächen: Anwendungsschicht (Schicht 7) überladen ( Sub-Schichten) Anwendungsschicht für systemnahe Anwendungen "zu hoch" (Noch) Kein Netzwerk-Management Implementierung als geschichtetes Protokoll aufwendig Ungeeignet (?) für Hochgeschwindigkeitsnetze Rechnernetze 2-24

25 2.7 Zusammenfassende Würdigung Zwischenzeitlich weite Verbreitung von Rechnernetzen Große Fortschritte hinsichtlich Durchsatz und "Inter- Networking-Fähigkeiten" Aber: Hohe Übertragungsgeschwindigkeiten nur bei langen Datenströmen effektiv nutzbar (siehe Vergleich CSMA/CD, Token Ring und Token Bus in Abb. 2-7) Verzögerungen bei der Nachrichtenübermittlung bei CSMA/CD (und ähnlichen Verfahren) unter Last nicht abschätzbar Adaptive Routing-Verfahren können Reihenfolge von Nachrichten verfälschen Semantisch hohe Netzwerkschnittstellen ( ISO/OSI) können ggf. wichtige Information im Problemfall unterdrücken Fazit: Leistungsfähige und sichere vdbms- Implementierungen brauchen enge Integration mit Kommunikationssystem 2. Rechnernetze 2-25

26 2.8 Ergänzende Literatur A.S. Tanenbaum: Computer Networks, Second Edition, Prentice-Hall, 1989 H. Kerner: Rechnernetze nach OSI, Addison-Wesley, 1992 F. Halsall: Data Communications, Computer Networks and Open Systems, Addison-Wesley, Rechnernetze 2-26

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Inhalt: 1. Layer 1 (Physikalische Schicht) 2. Layer 2 (Sicherungsschicht) 3. Layer 3 (Vermittlungsschicht) 4. Layer 4 (Transportschicht) 5.

Inhalt: 1. Layer 1 (Physikalische Schicht) 2. Layer 2 (Sicherungsschicht) 3. Layer 3 (Vermittlungsschicht) 4. Layer 4 (Transportschicht) 5. Inhalt: 1. Layer 1 (Physikalische Schicht) 2. Layer 2 (Sicherungsschicht) 3. Layer 3 (Vermittlungsschicht) 4. Layer 4 (Transportschicht) 5. Ethernet 6. Token Ring 7. FDDI Darstellung des OSI-Modell (Quelle:

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