Rechnernetze und Organisation

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1 LAN 1

2 Übersicht Motivation Netzwerke Netzwerkschichten Ethernet Mehrfachzugriff Hub Switch 2

3 Motivation Local Area Networks (LAN) Lokales Netzwerk Zur Nutzung gem. Ressourcen Netzwerkkabel, Drucker,... Historie / Zukunft: Mainframe, PC, PC-Netzwerk, Alles Netzwerk, Unsichtbare Computer Foto Fibre-Optics.com 3

4 Netzwerk-Architektur Netzwerk-Typen Local area network (LAN) Metropolitan area network (MAN) Wide area network (WAN) Netzwerke sind hierarchisch. Netzwerk-Komponenten Server, Clients, Hubs, Switches, Router,... Koax-, Twisted Pair-, Glasfaser- Kabel, LAN Switch Firmennetzwerk Router WAN ISP-1 Internet Service Provider WAN Router ISP-2 Router ISP-3 Internet Webstore Internet-Service Service-2 Internet-Service 4

5 Netzwerkansätze Leitungsvermittlung ( Circuit switched network ) Reservierung einer Leitung von Quelle bis zum Ziel Beispiel: Festnetztelefon Aufbau der Verbindung zu Gesprächsbeginn Konstante Übertragungsrate Unabhängig vom tatsächlichen Verkehr Paketvermittlung ( Packet switched network ) Unterteilung großer Daten in kleine Pakete Ressourcen-Nutzung nur bei Paketversand Jedes Paket kann anderen Weg nehmen Alle Computer-Netzwerke sind paketvermittelnd. 5

6 Netzwerk-Layer OSI Schichtmodell TCP/IP: Transmission Control Protocol Transport-Layer (Layer 4) Gesicherte Datenverbindung IP: Internet Protocol Network-Layer (Layer 3) Datenvermittlung im Internet Ethernet (IEEE 802.3) Data-Link Layer (OSI Layer 2) Sicherung Physical Layer (OSI Layer 1) Bitübertragung OSI-Modell hat eigentlich 7 Layer Anwendung Transport Reale Protokolle (HTTP) unterscheiden nicht zwischen Layer 5-7 5: Sitzung, 6: Darstellung, 7: Anwendung Protokoll: Konvention wie Daten übertragen werden. Netz Netzzugang FTP HTTP SMTP DHCP TCP IP Ethernet UDP ARP 6

7 Ethernet Idee: Funksystem für Kabel Kommunikationsteilnehmer teilen ein Kabel Jeder Teilnehmer kann alles mithören Daher Namensgebung an Äther angelehnt Eindeutige Kennung der Teilnehmer Eindeutige 48-Bit Adresse: MAC-Adresse Zeit-Multiplex-Verfahren Pakete in zeitlicher Abfolge auf Leitung Digitale Datenübertragung Basisband-Übertragung Keine Modulation Foto Metcalfe Kollisionen können auftreten Gleichzeitiges Senden verschiedener Teilnehmer 7

8 Ethernet-Frame Paket allgemein Kleine Datenmenge ( Payload ) plus Zusatzinformation ( Header ) Ab Layer-2: Frame statt Paket Ethernet-Frame Mindestlänge von 64 Byte Präambel 56 Bit: Abwechselnd 0 und 1 Zur Synchronisation SFD Start of Frame Delimiter Präambel SFD AAAAAAAAAAAAAAAB Zieladresse Quelladr. Ethernet-Frame VLAN (Size) Ziel-, Quell-Adresse: 48-Bit MAC-Adresse Jede Netzwerkkarte hat eindeutige MAC-Adresse Hersteller-Prefix Hat nichts mit IP-Adresse zu tun Längen oder VLAN-Feld Paket-Typ z.b. 0x0800: IP Prüfsumme CRC Typ IP Daten (1-1500)... (Pad) CRC 8

9 Netzwerkkarte Network Interface Card (NIC) Schnelle serielle Schnittstelle Meist 100 Mbit/s FIFO-Buffer für Ein- und Ausgabe Paket-orientierter Datentransfer DMA für Datentransfer von und ins Memory Media-Access Controller Steuert Zugriff auf Physical Layer Framing des Pakets Prüfsumme für Daten Physical Layer Elektrischer Standard für Übertragung Basisband-Kodierung: keine Modulation Netzwerk- Karten sind mittlerweile integriert. Keine echte Einsteckkarte; Teil des Motherboards Netzwerke erfordern Hardwareund Software-Unterstützung NIC FIFO MAC PHY Foto Realtek FIFO + - 9

10 Netzwerk-Kabel und -Stecker Twisted Pair (-T) Verdrillte Zweidraht-Leitung mit RJ45-Stecker Jeweils für Transmit und Receive Voll-Duplex-Betrieb ist möglich Differentielle Signale 10 Base-T: 10 MBit/s 100 Base-T: 100 MBit/s ( Fast Ethernet ) Seit 1995; Benötigt Cat5-Kabel 1000 Base-T: 1 GBit/s ( Gigabit Ethernet ) Cat5-Verkabelung (4*Zweidraht) ausreichend Koaxial-Kabel ~ Fernseh-Antennenkabel Nur 1 Leitung: Nur Halb-Duplex möglich Garantierter Wellenwiderstand BNC-Stecker Kaum mehr für LAN verwendet Elektrische Terminierung nötig (70 Ohm) Foto a-c-design.com Foto Steren 10

11 Synchronisation Sender und Empfänger müssen Auf selber Frequenz und Phase arbeiten Übermittlung des Taktsignals 1. Auf eigener Leitung Zu aufwändig 2. Implizit mit den Daten Erfordert besondere Datenkodierung Wiederholung von 0 (1) unterbinden Bitstuffing Zu Beispiel bei USB Manchester-Encoding Binäre Signale durch Flanken darstellen Präambel vor Paketübermittlung Enthält keine Information Zur Synchronisation des Empfängers t 11

12 Mehrfachzugriff Mehrfachzugriff (Multiple Access) Kabel ist gemeinsam genützt Niemand vergibt Zugriffsberechtigungen Kollisionen (gleichzeitiger Zugriff) können auftreten Idee: Erkennen von Kollisionen Und Hoffen das Zufall weitere Kollision verhindert Kollision bei Mehrfachzugriff Leitung scheint frei zu sein: beide beginnen zu senden Endliche Signalausbreitungs-Geschwindigkeit: 2/3 c Z.B. bei 100 Mbit/s: 0,5 µs für 100m t = 0,1 µs 100 m t = 0,5 µs 12

13 Mehrfachzugriff: CSMA/CD Sendebeginn Zunächst Prüfen auf freie Leitung Kollisionserkennung Überwachung des Signals am Kabel Während des gesamten Sendevorgangs Kollision: überwachte Daten gesendete Daten Kann während der Übertragung auftreten Wegen langer Signallaufzeit am Kabel Macht Mindestlängen von Paketen nötig» Bei Unterschreiten: Padding Erneutes Senden der Daten Nach zufälliger Wartezeit ms Verlängerung der Wartezeit bei erneuter Kollision Kollisionen werden ab 60% Auslastung häufig Leistungseinbuße von Ethernet Keine volle Nutzung der Bandbreite möglich 13

14 Manchester Encoding Jedes übertragene Bit bewirkt Signaländerung 1: steigende Flanke 0: fallende Flanke Einfache Kodierungshardware XOR-Gatter Verknüpft Datensignal Data Clock Manchester Encoding Mit Clocksignal Clock hat doppelte Frequenz Clock-Signal Kann durch Empfänger rekonstruiert werden Data Clock XOR Manchester Encoding 14

15 Hub HUB ( Knotenpunkt ) Ermöglicht sternförmiges Verkabelung Einfacher Anschluss neuer Teilnehmer Aus logischer Sicht: busförmiges Netz Sonst: busförmiges Netz Netzwerkkabel als geteilte Ressource Kabelunterbrechung für neuen Teilnehmer Kabelausfall betrifft viele Elektrische Isolation der Teilnehmer Multiport-Repeater Dennoch Alle Teilnehmer hören jede Kommunikation Kollisionen können auftreten Teilnehmer teilen sich Bandbreite Hubs sind kaum mehr gebräuchlich. Hub Foto Netgear 15

16 Switch Interface-zu-Interface Verbindung Paket wird nur zu Ziel-Port weitergeleitet Viele Switches prüfen Paketgültigkeit U.U unterschiedliche Übertragungsraten Paket-Pufferung nötig Switched Ethernet Keine Kollisionen mehr möglich CSMA/CD eigentlich nicht mehr nötig Switch erlaubt mehrere Verbindungen gleichzeitig Bessere Ausnützung der Verkabelung Kaskadierung von Switches Ist möglich Erlaubt hierarchisches Netz Switch Foto Netgear 16

17 Ethernet-Routing Next-Hop Routing Ethernet ist Link-Layer-Protokoll Macht kein allgemeines (Internet-) Routing Frames werden nur von einem Interface Zum nächsten geleitet Ethernet-Adresse Verfügbare Interfaces Durch ARP-Protokoll ausfindig gemacht Nicht verfügbare Interfaces Werden an Gateway weitergeleitet Ethernet kann keine Pakete routen! Das passiert auf anderer Netzwerke-Ebene (Layer 3: IP) 17

18 ARP-Protokoll Zum Ausfindigmachen von MAC-Adresse Netzwerk-Daten-Verkehr auf IP-Ebene Benötigt Routing-Information auf Ethernet-Ebene An welche MAC-Adresse muss Paket geschickt werden? 1. ARP-Broadcast Wer kennt IP-Adresse ARP-Protokoll: Typ 0x0806 ARP-Broadcast an alle Subnetz-Rechner Zieladresse = FF:FF:FF:FF:FF:FF (=Broadcast) Z:\>arp -a 2. ARP-Antwort Ein (oder mehrere) Host antworten Adresse des Antwort-Hosts ist gesuchte Next-Hop-Adresse Host muss nicht Zielrechner sein Könnte auch Gateway (Router) sein Windows und Linux Speichern MAC-Adressen in ARP-Cache Einträge 20 Minuten gültig Interface: x2 Internet Address Physical Address Type f6-ab-ce dynamic e f-a0 dynamic d-de-92 dynamic e d1 dynamic e0-18-6a-c8-90 dynamic 18

19 Ethereal: Netzwerkanalyse-Tool 19

20 Auf Ethernet aufbauend IP Protokoll UDP Routing von Paketen durch das Internet Verbindungsloses Protokoll Keine Garantien Paketverlust Reihenfolge des Eintreffens TCP/IP Verbindungsorientiert Garantien: Daten sind... vollständig in richtiger Reihenfolge Nächste Woche in RNO! 20

21 Zusammenfassung Ethernet Protokoll am Link-Layer Zum Transport von Daten innerhalb eins LANs Busförmiges Netzwerk Netzwerkkabel als Äther ; Kollisionen sind möglich Switched Ethernet Literatur: Sternförmiges Netzwerk ohne Kollisionen Rob Williams, Computer Systems Architecture, Addision-Wesley, 2001: Kapitel

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