Informatik II SS Überblick. Eigenschaften lokaler Netze. LAN-Entwicklung

Transkript

1 Überblick Informatik II SS 2004 Teil 7: Telematik (omputernetzwerke) 3 Lokale Netze und Zwischensysteme Prof. r. ieter Hogrefe ipl.-inform. Michael Ebner LNs (irektverbindungsnetze) Eigenschaften und Standards IEEE (Ethernet) IEEE (Wireless LN) IEEE (Token Ring) Zwischensysteme Hub/Repeater/Switch/rücke/Router/Gateway Wegewahl/Routing lokal/global adaptiv/nicht adaptiv Lehrstuhl für Telematik Institut für Informatik Eigenschaften lokaler Netze LN-Entwicklung Kennzeichen lokaler Netze (Local rea Networks, LNs): Netze zur bitseriellen Übertragung von aten zwischen unabhängigen, miteinander verbundenen Komponenten. Unter rechtlicher Kontrolle des enutzers/etreibers und meist auf den ereich innerhalb eines Grundstücks beschränkt. Maximaler urchmesser des Netzes im ereich von wenigen Kilometern. Relativ hohe Geschwindigkeit (10 Mbps - 1 Gbps). Leichter, kostengünstiger nschluss für Geräte unterschiedlichster rt (z.. Ps, Workstation, rucker, Messgeräte,...) irektverbindungsnetze Entwicklung der LNs seit Mitte der 70er hre. Weite Verbreitung von Ethernet und Token Ring LNs in den 80er hren. erzeit Entwicklung von Hochgeschwindigkeit-LNs (Fast Ethernet, Gigabit Ethernet) Stark zunehmende Verbreitung von Wireless LNs, luetooth siehe auch Vorlesungen Mobilkommunikation I und II IEEE Standards für lokale Netze ie gebräuchlichsten Standards für lokale Netze (local area networks, LN) stammen von der IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers). IEEE-Standards für lokale Netze werden in den IEEE 802-okumenten veröffentlicht. Einige der IEEE-Standards wurden von der ISO übernommen und als ISO-Standards mit gleichem Inhalt veröffentlicht

2 IEEE-Standards LNs im ISO/OSI-Referenzmodell IEEE IEEE IEEE IEEE IEEE IEEE IEEE IEEE IEEE IEEE IEEE IEEE IEEE IEEE IEEE IEEE High Level Interface Logical Link ontrol SM/ LNs (Produktbezeichnung Ethernet) Token-us LNs Token-Ring LNs Q MNs roadband LNs Fibre Optics Isochronous LNs Security Wireless LNs emand Priority ccess able Modems Wireless Personal rea Network roadband Wireless ccess Resilient Packet Ring ie LN-Protokolle sind in der zweiten Schicht des ISO/OSI- Referenzmodells (Sicherungsschicht, data link layer) angesiedelt. ie Sicherungsschicht wird nach IEEE in zwei Teilschichten aufgeteilt: ie logical link control (LL) Schicht realisiert die normalerweise in der Schicht 2 vorhandenen Sicherungsfunktionen. ie media access control (M) Schicht regelt den Zugang zum Übertragungsmedium. Logical Link ontrol Media ccess ontrol nwendung arstellung Steuerung Transport Vermittlung Sicherung itübertragung IEEE ase 2 IEEE ase 5 Ethernet wurde ursprünglich am Xerox PR entwickelt und von Xerox, E und Intel zu einem gemeinsamen Standard ausgearbeitet. er IEEE Standard definiert ein SM/-Verfahren für verschiedene Medien, während Ethernet das Medium Koaxialkabel mit einer atenrate von 10 Mbps vorschreibt. Transceiver 0,5'' Koaxialkabel (thick wire, yellow cable) bschlußwiderstand (terminator) Transceiverkabel (drop cable) T-Verbinder (coax connector) 0,25'' Koaxialkabel (thin wire, cheapernet) Tap Transceiver unit Protocol control firmware Maximale Kabellänge: 200 m Leitungsquerschnitt: 0.25'' itrate: 10 Mbps Übertragung: asisband bschlußwiderstand (terminator) verdrilltes Kupferkabel (maximal 50 m) Maximale Kabellänge: 500m itrate: 10 Mbps Leitungsquerschnitt: 0.5'' Übertragung: asisband M unit 7.3-8

3 IEEE ase T/F IEEE Rahmenformat 10 ase T (twisted pair) und 10 ase F (fibre optics) beruhen auf einer Stern-Topologie, die aber als gemeinsames, geteiltes Medium betrieben wird. Repeater electronics Rx Tx Rx Tx Rx Tx Hub M unit M unit M unit verdrilltes Kupferkabel (twisted pair) Rx Tx Rx Tx Rx Tx Ein Hub wiederholt eingehende Signale auf allen usgangsleitungen, wobei eine Verstärkung bzw. npassung des Signals (elektrisch - optisch) stattfinden kann. ie Preamble besteht aus dem itmuster und dient zur Synchronisation. as Startzeichen (SF) besteht aus dem itmuster und kennzeichnet den nfang eines Rahmens. ie Ziel- und Quelladressen sind normalerweise 6 ytes lang. as Längenfeld beschreibt die nzahl ytes im folgenden atenbereich. Falls erforderlich wird der Rahmen auf die Mindestlänge von 64 ytes aufgefüllt. ie Prüfsumme (FS) wird mit Hilfe des R-32-Polynoms berechnet. Preamble Start-of-frame delimiter (SF) estination M address Source M address Length indicator ata Padding (optional) Frame check sequence (FS) 7 bytes 2 or 6 bytes 2 or 6 bytes 2 byte <= 1500 byte 0-46 bytes 4 bytes IEEE SM/ Switched IEEE LNs blauf einer Kollision: beginnt zu senden: beginnt zu senden: erkennt die Kollision: sendet JM Signal: Station Station ackoff: eim i-ten Versuch wird die Übertragung nach n Slotzeiten wiederholt, wobei n eine Zufallszahl aus dem ereich i -1 ist. ie Slotzeit für ein 10 Mbps Koaxialkabel mit maximal 2.5 km Länge entspricht 512 itzeiten oder 51.2 us. pplet-emo: Problem mit Hubs: alle Stationen sind in einer sogenannten Kollisionsdomäne dadurch kann der erreichbare urchsatz gering sein Verbesserung der Leistung durch höhere atenrate (bspw. 100ase-T) Switching Switch lokalisiert richtigen usgang kein roadcast dadurch keine Kollisionen

4 Fast Ethernet IEEE 802.3u, 802.3z IEEE 802.3u: High-Speed LN kompatibel mit Ethernet aber bei 100 Mbit/s eibehaltung der Prozeduren, Formate, Protokolle itzeit verkürzt von 100 ns zu 10 ns aber geringe Netzausdehnung IEEE 802.3z: Ethernet bei 1 Gigabit / s Eigentliches Ziel: eibehaltung der Prozeduren, Formate, Protokolle aber wenn itzeit von 100 ns über 10 ns zu 1 ns verkürzt wird, dann ist maximale usdehnung auch nur noch 1/100 (ca. 30m) daher zur bhilfe: zwei Modi Full uplex, Half uplex arrier Extension zur ufblähung der Rahmen inzwischen gibt es auch 10 Gbit/s Ethernet: IEEE 802.3ae IEEE (Wireless LN) der IEEE Standard spezifiziert drahtlose Netze zwei Kommunikationsformen über eine Infrastruktur (mit asisstationen, die an ein kabelgebundenes Netz angebunden sind) in Form von d hoc Netzen, wo keine Infrastruktur vorhanden ist, sondern die Endgeräte aten weiterleiten Übertragung im ISM-and ( GHz) (Frequenzbereich für industrielle, wissenschaftliche und medizinische nwendungen) Infrarot-Übertragung im ereich ,000 GHz verschiedene Modulations- und Kodierungstechniken mit theoretische atenraten von 1, 2, 11 oder 54 Mbit/s Wireless LN setzt sich als drahtlose Technik durch und wird auch als UMTS-Rivale gesehen! IEEE Prinzip Token-Ring Übersicht Ringtopologie mit Sternverkabelung. Nur eine Senderichtung. Typischerweise STP-Kabel (andere möglich, z.. koaxial). 4/16 Mbps, < 260 Stationen, < 100 m zwischen den Stationen. M-Protokoll Token rotation (token passing) protocol. Unterstützung von Echtzeitdatenverkehr: beschränkte Wartezeit für den Medienzugriff wegen begrenzter token holding time. Prioritäten. Interface Interface Token Token oncentrator oncentrator IEEE Rahmenformat as Startzeichen (S) und das Endezeichen (E) sind itmuster mit spezieller Kodierung. as Zugriffskontrollbyte () enthält Prioritätsbits, Token und Monitorbits und Reservierungsbits. as Rahmenkontrollbyte (F) definiert den Typ des Rahmens. Kontrollrahmen werden von jedem Knoten interpretiert. ie Ziel- und Quelladressen sind normalerweise 6 ytes lang. er atenbereich enthält entweder aten oder Kontrollinformationen. ie Prüfsumme (FS) wird mit Hilfe des R-32-Polynoms berechnet. as Rahmenstatusbyte (FS) zeigt an, ob die Nachricht von einem Empfänger erkannt wurde und ob die aten vom Empfänger kopiert worden sind. Start delimiter (S) ccess ontrol () Frame ontrol (F) estination ddress () Source ddress (S) ata Frame check sequence (FS) 4 bytes End elimiter (E) Frame Status (FS) < 5000 byte

5 Token Rotation Protocol IEEE Fehlerkorrektur Token Ring interface Repeat mode: token Monitorstationen: Jeder Ring besitzt genau eine aktive Monitorstation. Transmit mode: Rx Rx Tx Tx 1. waits for the token frame to frame to 2. seizes the token and starts transm. In jeder anderen Station ist eine passive Monitorstation in ereitschaft. Zur Fehlerkorrektur werden spezielle Verwaltungsrahmen (management frames) verschickt: laim Token, uplicate Token, ctive Monitor Present, Standby Monitor Present, eacon, Purge ufgaben der Monitorstation: Erkennung und eseitigung zirkulierender Rahmen. Erkennung verlorengegangener Token. 3. starts copying the frame frame to 4. removes own frame token 5. passes on the token Erkennung mehrerer aktiver Monitore. pplet-emo: Zwischensysteme: ufteilung der Netzwerkkomponenten Verbindung von Netzen Verkabelung (Passive Komponenten) Im Gebäude (oder außerhalb) verlegte Kabel (Twisted Pair, Koaxial, Glasfaser etc.) Patchfelder meist eingebaut in 19 -Schränken nschlussdosen in Räumen Patchkabel zur nbindung der ktiven Komponenten und lients ktive Netzwerkkomponenten (meist mit Stromaufnahme) Hubs 10 bzw. 100 Mit, Repeater Switches (auch Kopplung von 10 Mit auf 100 Mit bzw. Git) Router (ISN, SL, Interne LN-LN-Kopplung, WN-Kopplung) Firewalls, pplication Level Gateways, Level 7 Switches etc. Server und lients (Hosts/ Stationen) P s, Server, Workstations, rucker, NS, Scanner, etc. Klassifikation von Verbindungen: Verbindung von homogenen Netzen über rücken Verbindung von heterogenen Netzen über rücken oder Gateways Zwischensysteme Repeater und Hubs (bis Schicht 1) rücken (bridges) und Switches (bis Schicht 2) Router (bis Schicht 3) Gateways (bis Schicht 4 oder höher) iese Zwischensysteme gibt es oft nicht in Reinform, da verschiedene Funktionalitäten angeboten werden z.. Router haben oft Funktionalitäten eines Gateways, wie z.. Port-Filter (für Firewalls) ie ezeichnungen von Zwischensystemen werden auch desöfteren falsch verwendet!

6 Repeater und Hub Ein Repeater ist eine aktive Netzwerkkomponente, die eine Regenerierungsfunktion übernimmt. Ein Repeater empfängt Signale, verstärkt sie und gibt sie an alle nschlüsse weiter. Ein Repeater arbeitet auf OSI-Ebene 1 Kann auch zur Kopplung unterschiedlicher Medien eingesetzt werden Repeater besitzen keine Protokollfunktionen und verarbeitet keine aten Ein Hub (oder auch Sternkoppler) hat die gleichen ufgaben wie ein Repeater Er bildet den Konzentrationspunkt für eine sternförmige Verkabelung zur ildung logischer LNs. Somit werden mehrere abgehende Signale erzeugt. Kaskadierung ist möglich, erhöht aber nicht den Gesamtdurchsatz (im Gegensatz zu einem Switch) rücke Eine rücke (bridge) verbindet zwei oder mehr Netze auf Schicht 2. rücken dienen somit der Kopplung gleicher oder verschiedener Netze z.. Ethernet-Ethernet oder Ethernet-Token-Ring er atenstrom wird gefiltert, weshalb nur Pakete für angeschlossene Endsysteme weitergeleitet werden (einfache Wegewahl entgegen der eigentlichen Schichtenfunktionalität) Formatumwandlung der atenpakete bei heterogenen Netzen Netze werden partitioniert rücken können somit als Mini-Firewall zur bschottung eingesetzt werden Verkehrsunterscheidung Intranetz-Verkehr: atenstrom zwischen Endsystemen eines LNs Internetz-Verkehr: atenstrom zwischen Endsystemen in verschiedenen LNs, welche über eine oder mehrere rücken miteinander verbunden sind Switch Router Mischform einer rücke und Hubs Mit der Verwendung eines Switches als lternative zum Hub ist es möglich, jedem nschluss die volle Übertragungsbandbreite eines LN bereitzustellen. atenpakete werden dabei nicht mehr auf allen, sondern nur noch auf dem richtigen (Ziel-) nschluss ausgegeben. Es können mehrere atenpakete, im Gegensatz zur rücke, gleichzeitig vermittelt werden Kollisionen (siehe SM/ - Kollisionserkennung) können somit beim Medienzugriff nur selten auftreten und jede Station kann (theoretisch) die volle andbreite des Mediums in nspruch nehmen. (erfordert Vollduplex-Übertragung, sprich für jede Richtung ein Übertragungsmedium) Ein Switch setzt verschiedene Geschwindigkeiten untereinander um (z.. 10 Mit auf 100 Mit) Ein Switch arbeitet auf OSI-Ebene Ein Router ist ein Gerät, das Netzwerke koppeln und große Netzwerke in Subnetze aufteilen kann. iese Kopplung kann eine Verbindung zwischen zwei oder mehr lokalen Netzen oder die Verbindung zwischen LN und WN bzw. WN und WN sein. Ein Router arbeitet auf OSI-Ebene 3 und erfüllt auch alle ufgaben einer rücke Führen die Wegewahl anhand weltweit eindeutiger dressen durch und sind somit die Vermittlungseinrichtungen des Internets und wesentliche Komponente in WNs Tabellen für die Wegewahl können leicht über Einträge haben Segmentieren und Reassemblieren Pakete entsprechend den Paketgrössen auf Schicht 2. Haben erweitere Fähigkeiten der Paketfilterung Gehören zu den leistungsfähigsten Netzkomponenten (atendurchsätze im Multi-Gigabit-ereich)

7 Gateway / Layer 7 Switch Zwischensysteme: Zusammenfassung Ein Gateway (nwendungs-gateway oder Layer7 Switch/ Router) verbindet Netzwerke mit völlig unterschiedlichen Protokollen und dressierungen. Es kann also eigentlich inkompatible Netze miteinander verbinden. Möglich wird dies dadurch, dass ein Gateway auf allen 7 Schichten des OSI-Modells tätig werden kann und somit im Extremfall eine ankommende Nachricht bis auf Schicht 7 entpackt, um sie dann für andere Netze passend wieder bis auf Schicht 1 zu verpacken. Es setzt also real ein Protokoll in ein anderes um und hat daher auch vollen Zugriff auf die Inhalte. Isolation des Verkehrs Plug & Play Optimale Wegewahl Hub rücke Switch Router Ein Gateway ist ein Übergangsrechner zwischen verschiedenen Netzwerken. urchleiten ohne Zwischenspeicherung Wegewahl (Routing) Graphenmodell Modell eines Kommunikationsnetzes: Endsystem Verbindungsleitung Problem: uf welchem Weg gelangen die aten vom Endsystem zum Endsystem? Ermittlung des Weges mit den geringsten Kosten durch Routing- lgorithmen Zwischensystem Kosten Endsystem Rechnernetz kann als Graph aufgefasst werden: Knoten (Endsysteme oder Zwischensysteme) Kanten (Verbindungsleitungen) Gewichtung der Kanten (Kosten) Optimierungsziel: Minimum der Summe der Kantengewichte Routing-lgorithmen arbeiten auf dem Graphenmodell

8 Ziele und Randbedingungen Klassifikation von Wegewahl-Strategien (2/2) Ziele der Wegewahl: Geringe urchlaufzeiten von Nachrichten durch das Netz Gleichmäßige uslastung der Netzknoten Geringe Zahl von Knoten, die zu durchlaufen sind uswahl alternativer Wege bei Störungen uswahl alternativer Wege bei Lastspitzen Nachrichten sollen nicht zyklisch im Netz umherlaufen Stabilität der Wegewahl (gleicher blauf bei gleichen Verhältnissen) Randbedingungen: Möglichst keine nnahmen über die Netztopologie Robustheit gegenüber Topologieänderungen, usfällen und Störungen Korrektheit, Fairness, Effizienz Einfachheit des Verfahrens Nicht-adaptive Verfahren: ie Wegewahlentscheidung wird statisch durch Wegewahltabellen vorgegeben. ei der Erstellung von Wegewahltabellen ist zu berücksichtigen: Zahl und Lage der Netzknoten Leitungen zwischen den Knoten und deren Kapazität nnahmen und Kenntnisse über den zu erwartenden atenfluss Priorität der Netzteilnehmer Klassifikation von Wegewahlverfahren (2/2) Nicht-adaptive Verfahren (1/2) daptive Verfahren: ie Wegewahlentscheidungen werden dynamisch getroffen. Zu berücksichtigen sind: usfälle und Zuverlässigkeit von Leitungen und Knoten Kenntnis alternativer Wege Informationen über die aktuelle uslastung von Leitungen und Knoten Länge der Warteschlangen vor den usgangsleitungen Lokale daption: Es wird nur die am Knoten lokal verfügbare Information ausgewertet. Globale daption: Es werden globale Informationen ausgewertet, die allerdings veraltet sein können. Zufallssteuerung: Für jedes atagramm wird geprüft, ob es am Ziel angekommen ist. Falls dies nicht der Fall ist, wird es an einen zufällig ausgewählten Nachbarknoten weitergeleitet. Einfaches und robustes Verfahren, das aber nur von theoretischem Interesse ist. Verbesserung durch usschluss der Leitung, auf der das atagramm empfangen wurde und reihum uswahl der Nachbarknoten

9 Nicht-adaptive Verfahren (2/2) Statische Wegetabellen Fluten: Jedes empfangene atagramm wird vervielfältigt und an alle Nachbarknoten weitergeleitet, solange es noch nicht beim Empfänger angekommen ist. atagramme dürfen nicht endlos im Netz verweilen (begrenzte maximale Lebensdauer). Einfaches und robustes Verfahren, das aber schnell zu Verstopfungen im Netz führt. Statische Wegetabellen: Jeder Knoten speichert eine Tabelle, die für jeden Zielknoten d den nächsten Knoten h auf dem optimalen Weg angibt. ie Wegetabellen können sehr groß werden, was zu langen Suchzeiten führt. Topologieänderungen können zu umfangreichen Änderungen in den Wegetabellen führen. Statische Wegetabellen müssen aus der Topologie und den Kosten für die enutzung einer Kante im Topologiegraphen ermittelt werden. Für jeden Knoten wird ein Quelle- Senke-aum ermittelt, der die in ezug auf die Kosten kürzesten Wege festlegt (shortest path). Ist ein optimaler Weg gegeben, so ist auch jeder Teilweg optimal. Es reicht also den jeweils nächsten Knoten auf dem optimalen Weg zu kennen Lokale adaptive Verfahren (1/2) Lokale adaptive Verfahren (2/2) Hot Potato Routing: Eine ankommende Nachricht wird so schnell wie möglich auf einer freien usgangsleitung weitergeleitet. ies Verfahren bewirkt eine lokale Minimierung der Knotenverweilzeit, wobei die Verlängerung der Gesamtlaufzeit in Kauf genommen wird. as Verfahren führt bei Hochlastsituationen auf einzelnen Leitungen fast automatisch zu lockaden im ganzen Netz. aran s heuristische Methode (backward learning): Jeder Knoten kann aus dem bisherigen Weg der von ihm weitergeleiteten Nachrichten Informationen ableiten, die bei ihm ein etwa aktuelles ild des Netzes entstehen lassen. Zusatzinformationen in den Nachrichten kennzeichnen die Länge des bisher zurückgelegten Wegs. Eintreffende Nachrichten von dem gleichen Sender mit einem kürzeren Weg als bisher bekannt bewirken, dass der lokal bekannte Weg zum Sender aktualisiert wird. Verfahren benötigt eine hinreichend große nzahl von Nachrichten von allen Knoten, um die lokale Wegetabelle aktuell halten zu können. Ping-Pong-Effekte und Oszillationen bei Leitungsausfällen möglich

10 Globale adaptive Verfahren (1/2) Globale adaptive Verfahren (2/2) Zentrale Wegelenkung: ie Knoten melden einer zentralen Routingstation regelmäßig oder bei wichtigen Veränderungen die lokal anstehende, für die Wegewahl relevanten Informationen. Wegetabellen werden an der Routingstation erzeugt und an die Knoten im Netz verteilt. ie Routingzentrale besitzt eine globale Sicht auf die Topologie und die aktuelle Netzbelastung und kann daher ein globales Optimum anstreben. Es können komplexe lgorithmen zur estimmung optimaler Wege eingesetzt werden, da die zentral vorhandene Verarbeitungskapazität dafür ausgelegt werden kann. llerdings veraltern die bei der Routingstation vorhandenen Informationen schnell. ie benötigte andbreite zur Übertragung von Routinginformationen und Wegetabellen nimmt in der Nähe der Routingzentrale rasch zu. eim usfall der Routingzentrale finden keine npassungen der Wegetabellen mehr statt (single point of failure). eim usfall einer Leitung in der Nähe der Routingzentrale können unter Umständen keine aktualisierten Wegetabellen mehr übertragen werden, um die ausgefallene Leitung zu umgehen. usfälle der Routingzentrale können durch mehrere redundante Routingzentralen aufgefangen werden, wobei dann eine Koordination der zentralen erforderlich ist ustausch von Übertragungszeitvektoren: bschätzung der Übertragungszeiten durch den ustausch von Übertragungszeitvektoren zwischen benachbarten Knoten. Jeder Knoten korrigiert aufgrund der lokalen Situation (Warteschlangenlängen) und der eingetroffenen Übertragungszeiten seine Wegetabelle und sendet seinerseits die neuen Übertragungszeitvektoren an alle benachbarten Knoten. Synchrone Verfahren tauschen die Übertragungszeitvektoren periodisch nach dem blauf eines Zeitintervalls aus. synchrone Verfahren tauschen die Übertragungszeitvektoren nach Änderung eines charakteristischen Wertes aus. as Verfahren liefert eine automatische npassung bei Leitungs- oder Knotenausfall. Geringer Rechen- und Speicheraufwand, da jeder Knoten nur die nzahl der Knoten im Netz und die Nachbarknoten kennen muss. as Verfahren tendiert dazu, auf positive Nachrichten sofort zu reagieren. Negative Nachrichten breiten sich dagegen nur langsam aus. haotische Oszillationen innerhalb des Netzes möglich, solange sich noch kein stabiler Zustand eingestellt hat Inhalte Grundlagen von Netzen Grundlegende Protokollmechanismen Lokale Netze und Zwischensysteme (Schicht 2 und 3) Internet-Technologien (Schicht 3 und 4) TP/UP/IP NS HTTP SMTP