5. Ausgewählte Kommunikationsnetze und - prinzipien

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1 5. Ausgewählte Kommunikationsnetze und - prinzipien 5.3 Verbindungslose Netze: Datennetzwerke Standards für Datennetzwerke und Komponeneten Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 1

2 IEEE 802 Protokolle / Einteilung Network Layer LLC D IEEE MAC L C OSI Physical Physical Layer Physical 802.2: Logical Link Control (LLC) 802.5: Token Ring 802.3: CSMA/CD Wireless 802.4: Token Bus Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 2

3 LAN Topologien und Verbindungselemente / Prinzipien der hier betrachteten Topologien bus hub / tree Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 3

4 Beispiele: Drahtgebundene LANs (Ethernet) VG Any LAN Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 4

5 CSMA / CD Bus (802.3, Ethernet) Kapitel Bekanntester Vertreter eines CSMA/CD Systems ist das Ethernet Es wurde Mitte der siebziger Jahre am Xerox Palo Alto Research Center entwickelt IEEE spezifizierte darauf aufbauend den Standard Der Ethernet Standard und IEEE unterscheiden sich jedoch in einigen Details Obwohl heute jede vom Ethernet spricht, wird meistens der IEEE Standard verwendet Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 5

6 IEEE 802.3: Physical Layer Aspekte Während das klassische Ethernet nur für 10 Mbit/s standardisiert wurde, gibt es vom IEEE Standard mehrere Versionen: 10 Mbit/s Ethernet 100 Mbit/s Fast-Ethernet 1000 Mbit/s Gigabit-Ethernet An einer 10 Gbit/s Version wird gerade gearbeitet Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 6

7 IEEE 802.3: Physical Layer Aspekte Zusätzlich zu unterschiedlichen Datenraten unterstützt der IEEE Standard auch unterschiedliche physikalische Übertragungsmedien Die Ursprungstechnik (heute eher selten eingesetzt) ist 10Base5 (10 für 10Mbit/s und 5 für 500 m Leitungslänge) Heute gebräuchlicher sind die Koaxialtechnik 10Base2 und das neuere 10BaseT, 100BaseT (T steht für Twisted-Pair = Kupfer-Doppelader) 10BaseT, 100BaseT verwenden die Sterntopologie (Punkt-zu-Punkt Verbindungen ) Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 7

8 IEEE 802.3: Physical Layer Aspekte / Verbindungselement Repeater Physical Layer Funktionalität Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 8

9 IEEE 802.3: Physical Layer Aspekte / Verbindungselement Repeater Topologie Prinzip Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 9

10 IEEE 802.3: PMD (Physical Medium-Dependent Sublayer des Physical Layers) Kapitel Kabeltypen UTP (unshielded twisted pair) der Kategorie 3 und 5: Nicht abgeschirmtes verdrilltes Kupferkabel der Kategorie 3 bzw. 5; es besteht aus 4 verdrillten Adernpaaren mit 9 Windungen pro Meter. STP(shielded twisted pair): 4 verdrillte Kupferkabelpaare, die jeweils von einer metallischen oder Folienabschirmung umgeben sind. F (fibre): Glasfasern verschiedenster Typen (Multimode, Gradientenindex und Monomode) mit unterschiedlichen Kerndurchmessern und Betrieb bei unterschiedlichen Wellenlängen. Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 10

11 IEEE 802.3: PMD, 10 Mbit/s Alternativen im Vergleich Kapitel Transmission medium Signalling technique 10BASE5 10BASE2 10BASE-T 10BASE- FP coaxial cable (50 Ω) Baseband (Manchester) coaxial cable (50 Ω) Baseband (Manchester) UTP Baseband (Manchester) 850 nm optical fibre pair Manchester on-off Topology Bus Bus Star Star Maximum segment length cable diameter (mm) Nodes per segment 500 m 185 m 100 m 500 m /125µm Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 11

12 IEEE 802.3: PMD, 100 Mbit/s Optionen IEEE (100 Mbit/s) 100BASE-X 100BASE-T4 100BASE-TX 100BASE-FX 4 cable pairs category 3 or 5 UTP 2 cable pairs category 5 UTP 2 cables pairs STP 2 optical fibers Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 12

13 IEEE 802.3: PMD, 100 Mbit/s Alternativen im Vergleich Transmission medium Signalling technique 100BASE- TX 2 pair, STP 2 pair, Category 5 UTP 100BASE- FX 100BASE- T4 2 optical fibres 4 pair, Category 3,4, or 5 UTP MLT-3 MLT-3 4B5B, NRZI 8B6T, NRZ Data rate 100 Mbit/s 100 Mbit/s 100 Mbit/s 100 Mbit/s Maximum segment length 100 m 100 m 100 m 100 m Network span 200 m 200 m 400 m 200 m Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 13

14 IEEE 802.3: Physical Layer Aspekte / 100 Base T4 Verwendung der Kabelpaare Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 14

15 IEEE 802.3: Physical Layer Aspekte / 100 Base T4 8B6T Codierung Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 15

16 Präambel SFD 7 Byte 1 Byte Zieladresse 6 Byte Quellenadresse 6 Byte Längenfeld 2 Byte Datenfeld (Schicht 3 und höher) 46 bis 1500 Byte Prüfsumme 4 Byte IEEE 802.3: DLC Rahmenformat Pad (optional) FCS 4 Byte Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 16

17 IEEE 802.3: Switching HUB (Physical Layer / DLC) CD: Collision Detect Do: Data output Di: Data input Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 17

18 IEEE 802.3: Switching HUB (Physical Layer / DLC) Erhöhte Bitrate des Backbone Netzes Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 18

19 100 Base VG AnyLAN (IEEE ) Begriffsdefinition: 100 : 100 Mbit Datendurchsatz pro Sekunde Base : Basisbandübertragung VG : Voice-Grade-Kabel AnyLAN : Es wird sowohl das Ethernet Paketformat als auch das Token Ring Paketformat unterstützt. Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 19

20 Merkmale von IEEE Vernetzung von Stationen mit 100 Mbit/s Betrieb über vierpaarige ungeschirmte Leitungen (UTP) Betrieb über geschirmte Leitungen (STP) Glasfaserverkabelung ist verwendbar Benutzung der (Ethernet) und (Token Ring) - Datenformate Prioritätenunterstützung ermöglicht die Übertragung von Multimedia- und anderen Echtzeitanwendungen Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 20

21 Netzstationen 100 VG AnyLAN Hub Kapitel IEEE Netzwerke bestehen aus einer zentralen Hardwareeinheit, dem Hub, sowie den an diesen Hub angeschlossenen Stationen. Der Netzzugriff der einzelnen Stationen wird vom zentralen Hub mittels des eigens dafür entwickelten Demand Priority Protokolls gesteuert. Da vom zentralen Hub sowohl Ethernet als auch Token Ring- Datenpakete verarbeitet werden und zudem bestehende Verkabelungen genutzt werden können, ist eine Erweiterung von herkömmlichen 10Mbit/s-Ethernet sowie 16Mbit/s Token Ring-Netzen problemlos möglich. Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 21

22 OSI-Modell IEEE Modell Application Presentation Session Transport Network Data Link Physical LLC MAC PMI PMD Medium DPP Link Training MAC-Aufbereitung LLC = Logical Link Control MAC = Medium Access Control DPP = Demand Priority Protokoll PMI = Physical Medium Independent PMD = Physical Medium Dependent Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 22

23 IEEE : MAC-Teilschicht DPP MAC Link Training MAC-Aufbereitung Hauptfunktionen der MAC-Ebene Management der Senderechte mit dem Demand Priority Protokoll (DPP) Link-Training zur Überprüfung neuer Verbindungen und Identifikation von Stationen Aufbereitung bzw. Komplettierung der Datenpakete durch Stopfbits sowie Sende- und Empfangsadressen Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 23

24 IEEE : Demand Priority Protocol (eine Priorität) Port 1 N Kapitel N 4 5 N 6 Sendeanforderung mit normaler Priorität Datenübertragung mit normaler Priorität Anforderungssequenz : Port 3 Port 1 Port 5 Paket-Sequenz : Port 3 Port 5 Port 1 Round Robin Strategie Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 24

25 Port N Anforderung mit normaler Priorität Übertragung mit normaler Priorität Anforderung mit hoher Priorität Übertragung mit hoher Priorität H H Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 25 N H Kapitel IEEE : Demand Priority Protocol (zwei Prioritäten) Anforderungssequenz : N3 N1 H5 H2 N6 H5 Paket-Sequenz : N3 H2 H5 N6 H5 N1 N Round Robin Strategie

26 IEEE : MAC-Teilschicht Link-Training Kapitel VG AnyLAN Hub Training Test Pakete Training Test Pakete Andere Hubs Workstation Laptop Server Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 26

27 IEEE : MAC-Frame Frame-Formate Kapitel IEEE Ethernet Zieladresse 6 Byte Sendeadresse 6 Byte Längenfeld Datenfeld 2 Byte 46 bis 1500 Byte Prüfsumme 4 Byte IEEE Token Ring Starting Delimiter 1 Byte Access Control 1 Byte Frame Control 1 Byte Zieladresse Sendeadresse 6 Byte 6 Byte Datenfeld bis 4502 Byte Prüfsumme Ending Delimiter Frame Status 4 Byte 1 Byte 1 Byte 100 Base VG AnyLAN-Netzwerke können beide Paketformate verarbeiten. Allerdings nicht gleichzeitig, denn die gemischte Verarbeitung wäre aufgrund der unterschiedlichen Paketlängen zu aufwendig. Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 27

28 IEEE : MAC-Frame Frame-Formate Kapitel IEEE Trainings-Paket Zieladresse 1 Byte Sendeadresse 1 Byte Konfiguration 4 Byte Datenfeld bis 496 Byte Prüfsumme 4 Byte Während der Phase des sogenannten Link-Training-Prozesses werden spezielle Trainingspakete ausgetauscht. Das Format dieser Pakete stimmt im wesentlichen mit dem Format von Ethernet- Paketen überein. Dieses Format findet nur Anwendung bei Anschluß einer neuen Station oder nachgeordneten Hubs an den 100 VG-Hub, um die neue Verbindung zu initialisieren. Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 28

29 IEEE : Physikalische Schicht PMI PMD Physical Layer Medium Die physikalische Schicht von IEEE ist in zwei Teilschichten unterteilt : Vom Übertragungsmedium unabhängige Teilschicht Vom Übertragungsmedium abhängige Teilschicht (PMI) (PMD) Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 29

30 IEEE : PMI-Teilschicht (Physical Medium Independent) Kapitel Die Aufgabe der PMI-Teilschicht ist, die Datenpakete für die Übertragung über das Kabel vorzubereiten, bzw.. ankommende Daten für die MAC-Teilschicht zur Weiterverarbeitung aufzubereiten. Dabei werden 4 wesentliche Funktionen ausgeführt: Umwandlung der Datenbytes in Gruppen zu je fünf Bits Verschlüsselung der Daten Codierung der Daten nach einem 5B/6B-Code Erzeugung eines Headers für das Schicht 1-Paketformat Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 30

31 IEEE : PMI-Teilschicht Kapitel Byte 1 Byte 2 Byte 3 Byte 4 Byte Quintette Quintette Die Umwandlung der Datenbytes in Gruppen zu je 5 Bits dient der Vorbereitung der Daten für die parallele Übertragung auf 4 Adern. Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 31

32 IEEE : PMI-Teilschicht (Paketformat) Kapitel Adernpaar 1 PRA SFD Datensextette EFD Adernpaar 2 FLR PRA SFD Datensextette EFD FLR Adernpaar 3 FLR PRA SFD Datensextette EFD FLR Adernpaar 4 PRA SFD Datensextette EFD FLR PRA SFD EFD = Füllbits = Präambel (8 Sextette) = Start-Frame-Delimiter (kennzeichnet hohe oder niedrige Priorität) = End-Frame-Delimiter Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 32

33 IEEE : PMI-Teilschicht - Übertragung eines MAC- Datenpaketes und Generierung der vier physikalischen Teilpakete Daten Bytes Oktett-Quintett-Konverter Verschlüsselung Verschlüsselung Verschlüsselung Verschlüsselung 5B/6B-Encoder 5B/6B-Encoder 5B/6B-Encoder 5B/6B-Encoder Rahmen-Generator Rahmen-Generator Rahmen-Generator Rahmen-Generator Datenstrom 1 Datenstrom 2 Datenstrom 3 Datenstrom 4 Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 33

34 IEEE : PMD-Teilschicht (Physical Medium Dependent) Kapitel Für 100 VGAnyLAN wurden drei Übertragungsmedien spezifiziert : Vierpaariges ungeschirmtes Kupferkabel (UTP) Zweipaariges geschirmtes Kupferkabel (STP) Zweiadriges Glasfaserkabel Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 34

35 IEEE : PMD-Teilschicht Kommunikation über 4-adriges UTP-Kabel Kapitel VGAnyLAN Hub 100 VGAnyLAN Hub 100 VGAnyLAN Hub Protokoll-Signalisierung und Link-Training Übertragung zum Hub Empfang vom Hub Voll-Duplex Halb-Duplex Halb-Duplex Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 35

36 IEEE : PMD-Teilschicht Kommunikation über geschirmtes zweiadriges Kupferkabel und über Glasfaser Kapitel VGAnyLAN Hub 100 VGAnyLAN Hub Die Funktionen der vom Übertragungsmedium abhängigen Teilschicht für geschirmtes, zweiadriges Kabel sowie für Glasfaserverkabelung sind identisch. In beiden Fällen werden im Gegensatz zu vieradrigem ungschirmten Kabel lediglich zwei anstelle von vier Übertragungs- wegen benutzt. Shielded Twisted Pair (STP) Glasfaser Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 36

37 802.12: Aufbau und Design Token Ring Pakete Ethernet Pakete 100VG Hub 100VG Bridge 100VG Hub 2500 m Das Netzwerk muß eine sternförmige Verkabelungsstruktur aufweisen Die maximal zulässige Anzahl von Stationen in einem 100 VG-Netz ist 1024 Die Entfernung innerhalb einer 100 VG-Domäne darf 2500 m nicht überschreiten Alle Stationen in einer Domäne müssen dasselbe Paketformat benutzen Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 37

38 Verbindungselemente Bridge Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 38

39 Bridge Kapitel Typische LAN Struktur unter Verwendung von Repeatern und Bridges Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 39

40 Bridge: Layer 1 und Layer 2 Funktionalität Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 40

41 Bridge: Architektur Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 41

42 Bridge: Beispiel Kapitel Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 42

43 Bridge: Spanning Tree Algorithmus Port Zustände und Übergänge Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 43

44 Bridge: Spanning Tree Algorithmus a) LAN Topologie Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 44

45 Bridge: Spanning Tree Algorithmus Definitionen: DPC = Designated path cost PC = Port cost DC = Designated cost RP = Root port RPC = Root path cost DP = Designated port = Forwarding state = Blocking state Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 45

46 Bridge: Spanning Tree Algorithmus b) root port Auswahl Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 46

47 Bridge: Spanning Tree Algorithmus c) designated port Auswahl Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 47

48 Bridge: Spanning Tree Algorithmus d) Beispiel: aktive Topologie Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 48

49 Bridge: Spanning Tree Algorithmus e) Beispiel: aktive Topologie Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 49

50 Bridge: Spanning Tree Algorithmus f) Beispiel: aktive Topologie Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 50

51 Bridge: Spanning Tree Algorithmus g) Beispiel: aktive Topologie Kommunikationsnetze Prof. Dr. Joachim Habermann / 51

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