Informations- und Kommunikationssysteme

Transkript

1 Informations- und Kommunikationssysteme Kapitel 2.5 Datensicherungsschicht Acknowledgement: Folien angelehnt an J.F. Kurose and K.W. Ross 1 Kapitel 2.5: Datensicherungsschicht Unsere Ziele: Verständnis für die Prinzipien der Datensicherungsschicht: Fehlerdetektion und -korrektur Teilen eines Broadcast-Kanals: Multiple Access Verlässlicher Datentransfer, Flusskontrolle: Fertig! Am Beispiel einer wichtigen Link Layer Technologie: Ethernet 2

2 Kapitel 2.4: Datensicherungsschicht 5.1 Einführung und Dienste 5.2 Fehlererkennung und -korrektur 5.3 Multiple Access 5.4 Ethernet 5.5 s & Switches 3 Datensicherungsschicht: Einführung Terminologie: Datensicherungsschicht = Data- Link Layer Hosts und Router sind Knoten Kommunikationskanäle die benachbarte Knoten verbinden sind Links: Kabelgebunden Links Funk-Links LANs Layer-2 Pakete sind Rahmen Link Die Datensicherungsschicht transferiert Datagramme von Knoten zu den Nachbarn über Links 4

3 Dienste der Datensicherungsschicht (I) Framing (Rahmenbildung), Link-Zugriff: Verpacken von Datagrammen in Rahmen, Bilden von Header und Trailer Kanalzugriff bei gemeinsamen Medien MAC -Adressen werden zur Identifikation von Quelle und Ziel verwendet Unterscheiden sich von IP-Adressen! Verlässlicher Transport zwischen benachbarten Knoten Im Prinzip wie in Kapitel 2.3 behandelt! Selten verwendet bei guten Links (Glasfaser, Twisted Pair) Aber hohe Fehlerraten bei Funk-Links! F: Warum Link-Level und End-zu-Ende-Sicherung? 5 Dienste der Datensicherungsschicht (II) Flusskontrolle: Anpassung der Geschwindigkeit zwischen benachbarten Sendern und Empfängern Fehlererkennung: Empfänger erkennt Fehler durch Dämpfung, Noise etc.: Fordert Neuübertragung oder verwirft Rahmen Fehlerkorrektur: Empfänger identifiziert und korrigiert Bitfehler ohne Neuübertragung Halb-Duplex und Voll-Duplex Bei Halb-Duplex kann nur einer der zwei Knoten senden, Koordination erforderlich! 6

4 Kommunikation zwischen Netzwerkkarten Sender Datagramm Datensicherungsprotokoll Empfänger Datensicherungsschicht wird in Adapter implementiert (Netzwerkkarte, Network Interface Card, NIC) Ethernet, Karte, UMTS Modem Senderseite: Rahmen Adapter Verpacken der Datagramme Hinzufügen von Bits zur Fehlererkennung, rdt, Flusskontrolle, etc. Rahmen Adapter Empfängerseite Fehlererkennung, Verlässliche Übertragung, Flusskontrolle, etc Rekonstruiert Datagramm, Weitergabe an Empfangsknoten Adapter ist halbautonom! Implementiert Datensicherungs- & physische Schicht 7 Kapitel 2.4: Datensicherungsschicht 5.1 Einführung und Dienste 5.2 Fehlererkennung und -korrektur 5.3 Multiple Access 5.4 Ethernet 5.5 s & Switches 8

5 Fehlererkennung EDC = Fehlererkennungs- und korrektur-bits (Redundanz) D = Geschützte Daten, i.d.r. inkl. Header der Datensicherungsschicht! Fehlererkennung ist nicht 100% verlässlich!! Protokolle können einige Fehler übersehen (selten)! Größeres EDC-Feld für bessere Erkennung und Korrektur 9 Fehlerbehandlung: Paritätsprüfung Parität mit einem Bit: Erkennung von Einzelfehlern 2-dimensionale Parität: Erkennen und Korrigieren von Einzelfehler Bits werden XOR verknüpft Entspricht letztem Bit der Summe über alle Einzelbits

6 Fehlerbehandlung: Cyclic Redundancy Check Betrachten von Daten D als Binärzahl Wähle ein r+1 Bitmuster G (Generatorpolynom) Ziel: Wähle r CRC Bits R, sodass <D,R> ist durch G teilbar (immer bezogen auf Modulo 2) Empfänger kennt G, dividiert <D,R> durch G. Falls Rest ungleich 0: Fehler erkannt! Erkennt alle Burstfehler mit weniger al r+1 Bits Hohe Bedeutung in der Praxis! (Ethernet, HDLC) 11 CRC-Beispiel Ziel: D. 2 r XOR R = ng Äquivalent zu: D. 2 r = ng XOR R Äquivalent zu: Division von D. 2 r durch G, und erhalten von Rest R R = Rest [ ] D. 2 r G 12

7 Kapitel 2.4: Datensicherungsschicht 5.1 Einführung und Dienste 5.2 Fehlererkennung und -korrektur 5.3 Multiple Access 5.4 Ethernet 5.5 s & Switches 13 Multiple Access Links und Protokolle Zwei Arten von Links : Punkt-zu-Punkt (Point-to-point) PPP für Modemeinwahl Link zwischen Ethernet Switch und Host Broadcast (Gemeinsames Kabel oder Medium) Traditionelles Ethernet Kabelmodem Wireless LAN 14

8 MAC Protokolle: Einteilung Drei große Klassen: Partitionieren des Kanals Teilen des Kanals in kleinere Stücken (Zeitschlitze, Frequenzund Code-Multiplex) Reservieren der Stücke für exklusive Nutzung durch einen Knoten Random Access Kanal nicht fest eingeteilt, Kollisionen erlaubt Stabilisierung nach Kollisionen Rundenbasiert Knoten senden Reihe um Knoten mit mehr Daten können länger senden 15 Kanalaufteilende MAC-Protokolle: TDMA TDMA: Time Division Multiple Access Zugriff auf Kanal in Runden (fester Periodenlänge) Jede Station bekommt festen Slot jede Runden Länge = Pkt.-Übertragungszeit Unbenutzte Slots bleiben frei Beispiel: 6-Stationen WLAN, 1,3,4 haben Pakete, Slots 2,5,6 frei STD (Synchronous Time Division): Kanal fest geteilt in N Zeitslots, einer pro Nutzer Ineffizient bei burstartigem Verkehr 16

9 Kanalaufteilende MAC-Protokolle: FDMA FDMA: Frequency Division Multiple Access Kanalspektrum in Frequenzbänder Jede Station erhält festes Frequenzband Nicht benötigte Übertragungszeit bleibt ungenutzt Beispiel: 6-Stationen WLAN, 1,3,4 mit Paketen, Frequenzband 2,5,6 frei Zeit Frequenzbänder Ineffizient bei burstartigem Verkehr 17 Random Access Protokolle Wenn ein Knoten ein Paket senden möchte: Übermittlung bei voller Datenrate R Keine a priori Koordination unter den Knoten Zwei oder mehr sendende Knoten?! Kollision! Random Access MAC Protokolle spezifizieren: Wie Kollisionen erkannt werden Wie mit Kollisionen umgegangen wird (e.g., mit späteren Neuübermittlungen) Beispiele für Random Access MAC Protokolle: ALOHA (Slotted, ohne Slots) CSMA, CSMA/CD, CSMA/CA 18

10 CSMA (Carrier Sense Multiple Access) CSMA: Grundidee: Hören bevor gesendet wird: Wenn Kanal frei ist: Sende gesamten Rahmen Wenn Kanal belegt ist: Übermittlung erfolgt später! Analogie aus der Welt der Menschen: Andere nicht unterbrechen! 19 CSMA Kollisionen Räumliche Anordnung der Knoten Kollisionen können trotzdem auftreten: Ausbreitungsverzögerung bewirkt, dass Knoten einander erst später hören Kollision: Paketübermittlungszeit verschwendet Bemerkung: Distanz und Ausbreitungsgeschwindigkeit haben großen Einfluss 20

11 CSMA/CD: Collision Detection (I) CSMA/CD: Carrier Sensing = CSMA + CD Kollisionen werden schnell erkannt Kollidierende Übertragungen werden abgebrochen Reduktion der Kanalauslastung Collision detection (CD): Einfach in kabelgebundenen LANs: Messung der Signalstärke, Vergleich der übermittelten und empfangenen Signale Schwierig in kabellosen LANs: Empfänger ausgeschaltet beim Senden (eine Antenne) Effekte wie Abschattung etc. sehr viel stärker Menschliche Analogie: Konversationen rücksichtsvoll gestalten 21 CSMA/CD: Collision Detection (II) 22

12 Kapitel 2.4: Datensicherungsschicht 5.1 Einführung und Dienste 5.2 Fehlererkennung und -korrektur 5.3 Multiple Access 5.4 Ethernet 5.5 s & Switches 23 Ethernet Dominierende kabelgebundene LAN Technologie: Billig: 20! für 1000Mbs-Adapter! Erste weitverbreitete LAN Technologie Einfacher, billiger als Token-Ring LANs, ATM und FDDI Starke Entwicklung: 10 Mbps 100 Gbps 24

13 Sterntopologien Bustopologien nur bis in die Mitte der 90er verwendet Inzwischen in der Regel Sterntopologien Hauptvorteil: Einfacheres Beheben von Fehlern ( Babbling Idiot Problem ; Störer können getrennt werden) Erlaubt Switching Wahl zwischen und Switch (später mehr) oder Switch 25 Ethernet Rahmenstruktur (I) Sendender Adapter verpackt IP-Datagram (oder Paket anderen Netzprotokolls) in Ethernet-Rahmen Präambel Ziel- Adresse Quell- Adresse Typ Daten CRC Präambel: 7 Bytes mit Muster gefolgt von einem Byte mit Muster genutzt um Empfänger mit Senderate zu synchronisieren 26

14 Ethernet Rahmenstruktur (II) Adressen: je 6 Bytes Typ: Falls Adapter Rahmen mit passender Zieladresse, oder mit Broadcast-Adresse (e.g. ARP-Paket) empfängt, übergibt er die Daten im Rahmen an Rechner und Netzwerkschicht-Protokoll Andernfalls wird Rahmen verworfen Gibt Protokoll der oberen Schicht an (meist IPv4, aber auch IPv6, Novell IPX oder AppleTalk) CRC: Im Empfänger überprüft, falls Fehler detektiert: einfaches Verwerfen des Rahmens Präambel Ziel- Adresse Quell- Adresse Typ Daten CRC 27 Ethernet nutzt CSMA/CD! Ohne Zeit-Slots Adapter übermittelt nicht falls Medium belegt ist (Carrier Sense) Sendender Adapter bricht beim Detektieren eines anderen Adapters ab (Collision Detection) Vor einer erneuten Übermittlung, wird eine zufällige Zeit gewartet (Random Access) 28

15 Der CSMA/CD Algorithmus in Ethernet (I) 1. Adapter empfängt Datagramm von der Netzwerkschicht & erzeugt Rahmen 2. Falls der Adapter Kanal als frei detektiert: sofortiger Beginn der Übertragung. Falls Kanal belegt: warten bis Kanal frei und anschließendes Senden 3. Wird die Übermittlung des gesamten Rahmens ohne Fehler erkannt: Übermittlung abgeschlossen! 4. Falls der Adapter ein Kollision erkennt, wird Übertragung abgebrochen und ein kurzes Störsignal (Jam-Signal) gesendet 5. Nach Abbruch: Exponential Backoff Nach der m ten Kollision, wählt Adapter ein K aus {0,1,2,", 2 m -1}. Adapter wartet K#512 Bit Runden und geht zu Schritt 2 29 Der CSMA/CD Algorithmus in Ethernet (II) Jam-Signal: Stellt sicher, dass alle anderen Empfängerkollision erkennen; 48-Bits Bit-Zeit: 0.1 $s für 10 Mbps Ethernet! Für K=1023, Wartezeit ist etwa 50 ms Exponential Backoff: Ziel: Anpassung der Neuübermittlung an aktuelle Last Viel Last: Wartezeit im Schnitt länger ~ Staukontrolle Erste Kollision: wähle K aus {0,1}; Verzögerung ist K# 512 Bit-Zeiten Nach zweiter Kollision: wähle K aus {0,1,2,3}" Nach zehn Kollisionen, wähle K aus {0,1,2,3,4,",1023} Beispiel-Applets (u.a. für CSMA/CD) auf Webseite 30

16 10BaseT und 100BaseT 10/100 Mbps Übertragungsrate; letzteres auch Fast Ethernet T steht für Twisted Pair Knoten sind zu zentralem Punkt verbunden: Sterntopologie ; 100 m max. Distanz zwischen Knoten und Twisted Pair 31 s s leiten Pakete auf Bitübertragungsschicht weiter: Bits von einem Link werden auf alle anderen übertragen Alle gleiche Senderate Kein Puffern von Rahmen Kein CSMA/CD im : nur Adapter detektieren Kollisionen Twisted Pair 32

17 Gbit Ethernet Nutzt Standard-Ethernet-Rahmenformat mit 520 Mindestrahmenlänge Erlaubt Punkt-zu-Punkt Links und Buffered Distributors als Gateways zu herkömmlichen Ethernet CSMA/CD-Netzen Regelfall Voll-Duplex bei einem Gbps und Punkt-zu-Punkt- Verbindungen Erfordert mehr Technik als nur s! 10, 40 und 100 Gbps noch nicht verbreitet, aber standardisiert! 33 Kapitel 2.4: Datensicherungsschicht 5.1 Einführung und Dienste 5.2 Fehlererkennung und -korrektur 5.3 Multiple Access 5.4 Ethernet 5.5 s & Switches 34

18 Verbindungen mit s Backbone verbindet einzelne LAN Segmente Erweitert maximale Distanz zwischen Knoten Aber einzelne Kollisionsdomänen werden zu einer großen Mischung zwischen 10BaseT & 100BaseT nicht möglich 35 Switches und Bridges Geräte auf Datensicherungsschicht Empfangen und leiten Ethernet Rahmen selektiv auf Basis der MAC Ziel-Adresse weiter Wenn ein Rahmen auf ein Netzsegment weitergeleitet wird: Nutzung von CSMA/CD auf diesem Segment Transparent Hosts erkennen den Einsatz von Switchen nicht Plug-and-play, Selbstkonfigurierend Switches müssen in einfachen Fällen nicht konfiguriert werden Terminologie: Ein Switch verbindet Hosts Eine Bridge verbindet Netzwerke (mehr Funktionalität e.g. STP, nicht hier behandelt) Heutzutage wird i.d.r. nur von Switches gesprochen 36

19 Weiterleiten zwischen Switches Switch/Bridge! Wie wird bestimmt an welches Segment weitergeleitet wird?! Sieht aus wie ein Routing-Problem Selbstkonfiguration Jeder Switch besitzt Switch Table Eintrag im Switch Table: Tupel aus (MAC-Adresse, Next-Hop-Interface, Zeitstempel) Alte Einträge in der Tabelle werden automatisch gelöscht TTL beispielsweise 60 Minuten Switch lernt welche Hosts über welches Interface zu erreichen sind Wenn Rahmen empfangen wird, lernt Switch Position des Senders Verzeichnet Sender und Position in Switch Table = Backward-Learning ohne Hop-Count F: Warum funktioniert das? 38

20 Weiterleitung (oder Vermeiden Broadcasts) Wenn Switch Rahmen empfängt: Suche in Switch Table nach MAC Zieladresse if Eintrag für Ziel gefunden then { if Ziel auf gleichem Segment wie eingehender Link then Verwerfe Rahmen } else Leite Rahmen auf gespeichertem Link weiter else Fluten Weiterleiten auf allen Interfaces (bis auf eingehendes) 39 Switching - Beispiel (I) Annahme C sendet Rahmen an D A Switch Adresse Interface I A B E G B C D E F G H! Switch empfängt Rahmen von C an D! Vermerkt in Switch Table dass C an Interface 1 ist! Da D nicht in Tabelle, Weiterleitung auf Interfaces 2 und 3! Rahmen wird von D empfangen 40

21 Switching - Beispiel (II) Angenommen D antworten mit Rahmen an C. A B 1 Switch 2 3 C D F E G H Adresse Interface I A B E G C ! Switch empfängt Rahmen von D! Vermerkt in Switch Table dass D an Interface 2 ist! Da C in der Tabelle ist: nur Weiterleitung an Interface 1! Rahmen wird von C empfangen 41 Switch: Isolation von Kollisionen Switches trennen Subnetze in LAN Segmente Switches filtern Pakets: Rahmen zwischen Hosts des gleichen Segmentes wird i.d.r. nicht an andere weiter geleitet Segments werden separate Kollisionsdomänen Switch Kollisionsdomäne Kollisionsdomäne Kollisionsdomäne 42

22 Switches: Dedizierter Zugriff Switches mit vielen Interfaces Hosts haben direkte Verbindung zum Switch Keine Kollisionen; Voll-Duplex C A B Heute Regelfall, aber ebenfalls Hierarchien Switch Switching: zwischen A-zu-A und B-zu-B simultan keine Kollisionen B A C 43 Institutionelle Netze zum externen Netzwerk Router Mail Server Web Server Switch IP-Subnetz Switch Switch 44

23 Switches/Bridges vs. Routers Beides Store-and-Forward Geräte Routers: arbeiten auf Netzwerkschicht Switches/Bridges arbeiten auf Datensicherungsschicht Routers besitzen Routing Tabellen, nutzen Routing Algorithmen Switches besitzen Switch Tables, implementieren Filter- und Lern- Algorithmen Switch/Bridge 45 Kapitel 2.5: Zusammenfassung Prinzipien der Datensicherungsschicht: Fehlererkennung und korrektur Bei gemeinsamen Broadcast-Kanal: Multiple Access Adressierung in Datensicherungsschicht Beispiele immer an wichtigster Technologie: Original Ethernet Switched LANs 46