Fachhochschule Würzburg-Schweinfurt. Wintersemester 2007/2008. Diplomprüfung im Fach. Datennetze I. (Prof. Dr.-Ing. Ludwig Eckert)

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1 Fachhochschule Würzburg-Schweinfurt Wintersemester 2007/2008 Diplomprüfung im Fach Datennetze I (Prof. Dr.-Ing. Ludwig Eckert) Datum: , Uhr; Raum 5107 Dauer: 90 Minuten Erreichte Punktzahl:... Note:... Hilfsmittel: Ohne schriftliche Unterlagen, ohne Mobiltelefon, Taschenrechner erlaubt Vorname:... Name:... Matrikelnummer:... Erstprüfer:... Zweitprüfer:... Wichtige Hinweise: Bitte tragen Sie alle Antworten auf den folgenden Seiten direkt im Anschluss an die Aufgabentexte ein. Ergebnisse auf Zusatzblättern werden nur in begründeten Ausnahmefällen gewertet. Seite 1 von 16

2 Aufgabe 1: Nachstehend werden Strukturen verschiedener Automatisierungssysteme dargestellt. Nehmen Sie eine Bewertung der Automatisierungssysteme vor, und zwar hinsichtlich Verdrahtungs-, Montage- und Kostenaufwand Verfügbarkeit/ Ausfallsicherheit (LR) Aufwand für die Realisierung struktureller Redundanz Strukturelle Flexibilität Versehen Sie hierzu die Kreise mit den entsprechenden Füllungen oder beschriften Sie die zugehörigen Felder. Verdrahtungs-, Montage- Kostenaufwand Verfügbarkeit/ Ausfallsicherheit (LR) Aufwand für strukturelle Redundanz Strukturelle Flexibilität Legende: sehr gering/ keine gering mittel hoch sehr hoch Seite 2 von 16

3 Aufgabe 2: Durch welche technischen Maßnahmen werden die Übertragungseigenschaften beim RS485-Bussystem verbessert? Bitte skizzieren und beschreiben Sie fünf Maßnahmen und deren Wirkungsweise. Teilnehmer 1 Teilnehmer 2 Aufgabe 3: Stellen Sie das Buszugriffsverfahren 1-persistant CSMA und das non-persistant CSMA grafisch gegenüber und diskutieren Sie die Vor- und Nachteile beider Verfahren. Aufgabe 4: Geben Sie die prinzipiellen Unterschiede zwischen dem Buszugriffsverfahren CSMA/CD und dem Verfahren CSMA/CA hinsichtlich der Kriterien Kollisionen und Determinismus an. Seite 3 von 16

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5 Aufgabe 5: Skizzieren Sie den prinzipiellen Ablauf des Buszugriffsverfahren CSMA/CD. Seite 5 von 16

6 Aufgabe 6: Beschreiben Sie eine Variante des kollisionsfreien Buszugriffsverfahrens CSMA/CA. Aufgabe 7: Wie verändern sich mit wachsender Zahl der an einem CSMA/CD-Netzwerk angeschlossenen Busteilnehmer die Kollisions- und die Nettoübertragungsrate? Anzahl der Kollisionen Anzahl Busteilnehmer Seite 6 von 16

7 Netto-Übertragungsrate Anzahl Busteilnehmer Aufgabe 8: Durch welche infrastrukturellen Maßnahmen können beim Ethernet (CSMA/CD) Buszugriffsverfahren Kollisionen vollständig vermieden werden, ohne dass das Buszugriffsverfahren CSMA/CD modifiziert werden muss? Seite 7 von 16

8 Aufgabe 9: Klassifizieren Sie die Begriffe Simplex, Half-Duplex und Full-Duplex. Fertigen Sie hierzu jeweils eine Skizze mit den benötigten Komponenten und Leitungen an. Aufgabe 10: Geben Sie bitte die wesentlichen Bestandteile eines Datenübertragungsprotokolls an. Erläutern Sie die Funktion der einzelnen Bestandteile. Seite 8 von 16

9 Aufgabe 11: Gegeben ist nachstehend ein Programmausschnitt zur Implementierung der Zustandsmaschine des Empfängers für das XMODEM-Protokoll: Das XMODEM-Protokoll wird vom Empfänger gesteuert. Der Empfänger agiert, der Sender reagiert. Alle Aktionen sollen im Fehlerfall bis zu 10 mal wiederholt werden, bis auf den Vorgang zur erstmaligen Herstellung der Datenverbindung selbst. Der Empfänger sendet am Anfang der Übertragung alle 10 Sekunden ein NAK -Zeichen, um dem Sender anzuzeigen, dass der Empfänger bereit ist Daten entgegen zu nehmen. Der Sender hat eine einzige lange Timeout-Phase von ungefähr einer Minute. Erhält der Sender in dieser Zeit kein NAK, so bricht er ab. Erhält er ein NAK-Zeichen, so sendet er den ersten Block. Der Empfänger versucht beim anfänglichen Senden der NAK-Zeichen in den 10 Sekunden langen Pausen ein SOH-Zeichen zu empfangen. Sobald dies der Fall ist, beginnt die Übertragung, und der Empfänger versucht jetzt mit einer Sekunde Timeout die restlichen Zeichen des Blockes zu empfangen. Hierbei überprüft der Empfänger die richtige Reihenfolge der Blocknummern, die Richtigkeit der komplementierten Blocknummer und die Richtigkeit der Prüfsumme. Ist dies alles in Ordnung, so sendet der Empfänger ein ACK-Zeichen (Acknowledge ASCII Code 5), das den Sender veranlasst, den nächsten Block zu senden. Trat jedoch ein Fehler auf, so wird das Zeichen NAK gesendet, und der Sender sendet denselben Block noch einmal. Ist der Sender mit der Übertragung fertig, so sendet er ein EOT-Zeichen (End of Text ASCII Code 4). Der Empfänger bestätigt dies ein letztes Mal mit einem ACK-Zeichen. Nachstehend wird der Vorgang nochmals grafisch wieder gegeben. Sender <SOH> 01 FE DATEN <xx> --> <-- Sendet alle 10 Sekunden ein NAK <-- ACK Empfänger <SOH> 02 FD DATEN xx --> Daten sind ungültig <-- NAK <SOH> 02 FD DATEN <xx> --> <-- ACK <SOH> 03 FC DATEN <xx> --> Übertragungsfehler <-- NAK <SOH> 03 FC DATEN <xx> --> EOT --> <-- ACK <-- ACK Zugehörige Programmimplementierung (nicht vollständig): Seite 9 von 16

10 state=0; while (1) { switch (state) { case 0: // Sende ein ASCII "NAK" zur Sende-Aufforderung putc('nak'); state=1; break; } case 1: if (getc() == SOH) { for (i=0; i<132; i++) buffer[i]=getc(); state=2; } else state=0; break; case 2: if (xmodem_crc(buffer)!= 0) putc(nak); else { save_buffer(buffer); putc(ack); } state=3; break; case 3: c=getc(); if (c == SOH) { for (i=0; i<132; i++) buffer[i]=getc(); state=2; } else if (c == EOT) { putc(ack); state=0; } else state=0; break; Bild 1: C-Programm zur Implementierung der empfängerseitigen Protokollmaschine beim Übertragungsprotokoll XMODEM Seite 10 von 16

11 Aufgabe 11.1: Welche Aspekte des Datenübertragungsprotokolls wurden in der Codierung nicht berücksichtigt? Aufgabe 12: Gegeben ist die nachstehende Protokollbeschreibung für die sender- und empfängerseitige Protokollmaschine gemäß dem XMODEM-Protokollstandard. Das XMODEM-Protokoll wird vom Empfänger gesteuert und dient zur Übertragung von Dateien. Alle Aktionen sollen im Fehlerfall bis zu 10 mal wiederholt werden, bis auf den Vorgang zur erstmaligen Herstellung der Datenverbindung selbst. Der Empfänger sendet am Anfang der Übertragung alle 10 Sekunden ein NAK -Zeichen, um dem Sender anzuzeigen, dass der Empfänger bereit ist Daten entgegen zu nehmen. Sendet der Empfänger am Anfang der Übertragung alle 10 Sekunden ein C -Zeichen, dann zeigt er dem Sender damit an, dass alle nachfolgenden Datenpakete mit einer gültigen Prüfsumme zu versehen sind. Die Prüfsumme wird beim Sender berechnet und beim Empfänger ausgewertet. Der Sender hat eine einzige lange Timeout-Phase von ungefähr einer Minute. Erhält der Sender in dieser Zeit kein NAK, so bricht er ab. Erhält er ein NAK-Zeichen, so sendet er den ersten Block. Der Empfänger versucht beim anfänglichen Senden der NAK-Zeichen in den 10 Sekunden langen Pausen ein SOH-Zeichen zu empfangen. Sobald dies der Fall ist, beginnt die Übertragung, und der Empfänger versucht jetzt mit einer Sekunde Timeout die restlichen Zeichen des Blockes zu empfangen. Hierbei überprüft der Empfänger Seite 11 von 16

12 die richtige Reihenfolge der Blocknummern, die Richtigkeit der komplementierten Blocknummer und die Richtigkeit der Prüfsumme. Ist dies alles in Ordnung, so sendet der Empfänger ein ACK-Zeichen (Acknowledge ASCII Code 5), das den Sender veranlasst, den nächsten Block zu senden. Trat jedoch ein Fehler auf, so wird das Zeichen NAK gesendet, und der Sender sendet denselben Block noch einmal. Ist der Sender mit der Übertragung fertig, so sendet er ein EOT-Zeichen (End of Text ASCII Code 4). Der Empfänger bestätigt dies ein letztes Mal mit dem ACK-Zeichen. Nachstehend wird der Vorgang nochmals grafisch wieder gegeben. Sender Empfänger <SOH> 01 FE DATEN <xx> --> <-- Sendet alle 10 Sekunden ein NAK <-- ACK <SOH> 02 FD DATEN xx --> Daten sind ungültig <-- NAK <SOH> 02 FD DATEN <xx> --> <-- ACK <SOH> 03 FC DATEN <xx> --> Übertragungsfehler <-- NAK <SOH> 03 FC DATEN <xx> --> EOT --> <-- ACK <-- ACK Weitere Anmerkungen zu den State Tables n+ ist die aktuelle Blocknummer, d. h. n-1 stellt die vorherige Blocknummer dar. Das + steht für die Inkrementierung des Zählers r+ ist ein Wiederholungszähler, nach 10 fehlerhaften Übertragungen wird der aktuelle Vorgang abgebrochen und der Ausgangszustand wieder erreicht. Der Benutzer erhält eine Fehlermeldung. Das + steht für die Inkrementierung des Zählers Ein action n+ hat automatisch ein Reset des Wiederholungszählers r zur Folge, also r = 0. Das bedeutet, dass ein erfolgreich übertragener Datenblock automatisch zu einem Reset des Wiederholungszählers r führt. Die dreieckigen Klammern, z. B. < NAK > stellen den Empfang des Zeichen NAK dar. Seite 12 von 16

13 Bild: XMODEM PROTOCOL STATE TABLE - Senderseitige Protokollmaschine Bild: XMODEM PROTOCOL STATE TABLE - Empfängerseitige Protokollmaschine Seite 13 von 16

14 Aufgabe 12.1: Erstellen Sie auf Basis der obigen Protokollbeschreibung das senderseitige Zustandsdiagramm zum XMODEM-Protokoll. Seite 14 von 16

15 Aufgabe 13: Gegeben ist nachstehend der sender- und empfangsseitige Zustandsautomat eines Datenübertragungsprotokolls. Aktion: - Datenpacket aufbereiten u. senden - ACK empfangen Aktion: - warte auf Datenpacket - Datenpacket empfangen ACK erhalten Datenpacket gesendet ACK gesendet Datenpacket erhalten Time Out eingetreten (d.h. Quittung nicht rechtzeitig erhalten) Aktion: - warten auf Quittung u. Quittungsempfang - inkrementiere Time Out -Zähler Datenpaket erneut gesendet Aktion: - Datenpaket speichern - ACK senden Wiederholungszähler n nmax Aktion: - Datenpacket senden Aktion: - inkrementiere Wiederholungszähler n - prüfe Wiederholungszähler n Wiederholungszähler n = nmax (d. h. Verbindung gestört) Aktion: - Verbindungsabbruch - Meldung Verbindung ist gestört generieren Legende: Time Out => Wiederholungszähler := Wiederholungszähler + 1; ACK => Nachricht löschen, Wiederholungszähler: = 0; Seite 15 von 16

16 13.1: Welche Vorkehrungen müssen auf Sende- und Empfangsseite getroffen werden, damit der Übertragungsvorgang insgesamt noch sicherer wird? (Textuelle Beschreibung reicht aus.) 13.2: Durch welche prinzipiellen Maßnahmen auf der Sende- und Empfangsseite könnte die Übertragung großer Dateien beschleunigt werden? (Textuelle Beschreibung reicht aus) Seite 16 von 16