Vorgehen: Election des Spanning Tree Root

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1 Vorgehen: Election des Spanning Tree Root C A B B3 B5 E B2 D B7 F K G I B6 B1 Root behält alle Ports bei. B4 H J SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 19

2 Vorgehen: Bridges berechnen kürzeste Pfade zum Root C A B B3 B5 E B2 D B7 F K G B1 Tree Root H I B6 B4 J SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 20

3 Vorgehen: Jedes Netz behält genau eine Nicht Root Bridge C E B3 2 B2 1 A B D B5 1 B7 1 K F B1 G I B6 1 Auswahlkriterium: Bridge am nächsten zum Root Bei Gleichstand die mit der kleinsten ID 1 B4 H J SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 21

4 Vorgehen: Jedes Netz behält genau eine Nicht Root Bridge C A B B3 B5 E B2 D B7 F K B1 G I B6 1 Ergebnis: Bridges mit keinem oder einem Port erfüllen keine Funktion mehr Trotzdem sinnvoll: Backup Bridges B4 H J SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 22

5 Repeater und MAC Bridges Verteilte Realisierung des Spanning Tree Algorithmus SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 23

6 Start des Algorithmus C E G B2 A B3 D B1 B5 Jede Bridge deklariert sich anfangs als Root Bridge. B Die Root Bridge sendet periodisch über B7alle Ports eine Konfigurationsnachricht mit folgendem Inhalt: K 1. ID der Root BridgeF 2. Hop Distanz zur Root Bridge 3. ID der sendenden H Bridge I B6 B4 Beispiel: Was versendet B3? J SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 24

7 Wechsel von Root zu Nicht Root Bridge C E G B2 I A B6 B3 D B1 B5 Eine Root Bridge deklariert sich nicht mehr als Root B Bridge, sobald eine kleinere Root Bridge ID als die eigene empfangen wurde. B7 Ab dann können nur noch K Konfigurationsnachrichten F (mit um eins erhöhtem Hop Count) über alle (außer dem Empfangsport) H weiter geleitet. Beispiel: Was passiert z.b. B4 nach dem Nachrichtenaustausch zwischen B2 und B3? J SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 25

8 Election der Root Bridge C E G SS 2012 B2 I A B6 B3 D B1 B5 Empfängt eine Nicht Root Bridge eine Konfigurationsnachricht mit B kleinerer Root ID, als die zuletzt B7 empfangene, dann leite die Nachricht K wie vorhin beschrieben weiter F sonst ignoriere die Nachricht einfach H Beispiel: B3 empfängt Nachricht von B1 über B4 B2 B3 empfängt noch alte J Nachricht von B5 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 26

9 Abschalten von Ports C E G B2 A B3 D B1 B5 Nicht Root Bridge schaltet einen Port ab, wenn eine B Konfigurationsnachricht hierüber empfangen wird, welche folgendes B7 speichert: 1. gleiche Root ID wie die K zuletzt empfangene 2. geringerer Hop Count F 3. oder gleicher Hop Count aber Absender ID ist kleiner H I B6 Beispiel: B3 empfängt B4 Root ID B1 von B2 und B5. J SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 27

10 C A Abschalten von Ports B3 B5 Beispiel: B6 empfängt Root ID B1 von B1 und B4. B E B2 D B7 F K G B1 H I B6 B4 J SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 28

11 Hubs und Switches SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 29

12 Hubs Zusammenfassen von Stationen und anderen Hubs in eine große Kollisionsdomäne SS 2012 Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 30

13 (Layer 2) Switches Mit Hubs erreichbare Gesamtkapazität im Netz? Switches schalten kommunizierende Endknoten zusammen. Erreichbare Gesamtkapazität? SS 2012 Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 31

14 Typen von (Layer 2) Switches Store and Forward Cut Through SS 2012 Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 32

15 Abgrenzung zwischen Switch und Bridge Wo werden eingehende Frames behandelt? Paralleles abarbeiten von Frames möglich? Store and Forward oder Cut Throught? Bridge In Software Nein Nur Store and Forward Switch In Hardware Ja Store and Forward oder Cut Through SS 2012 Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks, Fourth Edition, 2003 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 33

16 Virtual LANs (VLANs) SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 34

17 Motivation: Aufteilen der Broadcast Domain SS 2012 Skalierbarkeit Sicherheitsaspekt (Eindämmen von Broadcast Storms) Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Ninth Edition, 2011 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 35

18 Lösung: Einfügen eines Routers Nachteil: Aufteilung durch physikalische Knotenverteilung vorgegeben. Was wenn z.b. X und Z in eine Broadcast Domäne gehören sollen? SS 2012 Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Ninth Edition, 2011 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 36

19 Verwendung von virtuellen LANs Besser: logische Aufteilung in virtuelle LANs. Erfordert aber auch IP Routing Logik: entweder mit separaten Routern realisiert oder mit LAN Switches (Layer3 Switch) Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Ninth Edition, 2011 SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 37

20 Definition der VLAN Zugehörigkeit Varianten Zugehörigkeit durch Port Gruppe Jeder End Port (Switch Host Verbindung) ist einem VLAN zugeordnet Zugehörigkeit durch MAC Adresse Jede MAC Adresse wird einem VLAN zugeordnet Vorteil: Knoten können verschoben werden Zugehörigkeit durch Protokollinformation Zuordnung auf Basis von IP Adresse, Transport Protokoll Info oder sogar höhere Schicht Switches müssen für ihre Trunk Ports (Switch Switch Verbindung) wissen welche VLANs damit versorgt werden Manuell konfiguriert Dynamisch erlernt (grob: erweitere Spanning Tree Algorithmus um VLAN IDs) Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks, Fourth Edition, 2003 SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 38

21 Fallstudie Ethernet SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 39

22 IEEE MAC 1 persistent CSMA/CD mit Binary Exponential Backoff Auch in geswitchten Netzen in denen es keine Kollisionen gibt MAC Frame: < 1536 bedeutet Length sonst Type Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 40

23 IEEE Physical Layer Generelle Unterscheidung von Medien: <Datenrate><Signalisierungsmethode><Maximale Segmentlänge in 100 Meter Schritten> 10 Mbps Alternativen: 10BASE5 10BASE2 10BASE T 10BASE FP Medium Coax Coax Unshielded Twisted Pair Optisch Signalisierung Manchester Manchester Manchester Manchester Topologie Bus Bus Star Star Max. Länge (m) Knoten pro Segment Bemerkung Erweiterung mit max. 4 Repeater auf 2500m Erweiterung mit max. 4 Repeater auf 2500m für optische Leitung auf 500m spezifiziert Erlaubt auch Repeater Erweiterung en bis 2km SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 41

24 IEEE Physical Layer 100BASE T Alternativen (Fast Ethernet) 100BASE TX 100BASE TX 100BASE FX 100BASE T4 Medium 2 Paar STP 2 Paar Category 5 UTP 2 Optische Leitungen 4 Paar Category 3, 4 oder 5 UTP Signalisierung MLT 3 MLT 3 4B5B, NRZI 8B6T, NRZ Topologie Star Star Star Star Datenrate 100 Mbps 100 Mbps 100 Mbps 100 Mbps Max. Segmentlänge 100 m 100 m 100 m 100 m Netzausdehnung 200 m 200 m 200 m 200 m MLT 3 ein ternärer Code, der ungewünschte elektromagnetische Emissionen vermeidet. Dazu wird Energiekonzentration des Signals im verlauf der Übertragung um 0 Volt gemittelt. (siehe nächste Folie) 4B5B was war das noch mal? siehe Folien zur Verbindungsschicht 8B6T ein Signal Encoding, welches 8 Bit auf 6 ternäre Symbole mapped (keine weiteren Details hier) SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 42

25 Ergänzung: MLT 3 (ein Beispiel für ein ternäres Encoding) Vermeiden von langen Symbolfolgen ohne Änderung wird mittels Scrambling erreicht (siehe folgende Folie). Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 43

26 Ergänzung: Scrambling Scrambling am Beispiel: die Eingabe Bits A m werden wie folgt in Ausgabe Bits B m berechnet: B m = A m B m 3 B m 5 Die ursprüngliche Sequenz bestimmt man wiederum durch: C m = B m B m 3 B m 5 In der Tat: Beispiel: wird zu SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 44

27 IEEE Physical Layer Gigabit Ethernet: 1Gbps Verbindungen Beispielkonfiguration: Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 45

28 IEEE Physical Layer Gigabit Ethernet Erweiterungen zu CSMA/CD, wenn kein Switching verwendet Carrier Extension (schnellere Übertragung erfordert für CD längere Pakete) Frame Bursting (mehrere Pakete unmittelbar hintereinander, anstatt CSMA/CD pro Paket) Medien Optionen: Signaling: 8B/10B Signaling: 4D PAM5 Signaling: 8B/10B Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 46

29 IEEE Physical Layer 10 Gigabit Ethernet Optionen Signaling: 64B/66B Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 47

30 IEEE Physical Layer 100 Gigabit Ethernet Optionen (IEEE802.3ab) 1m Backplane 40 Gbps 100Gbps 40GBASE KR4 10 m Copper 40GBASE CR4 100GBASE CR m Multimode fiber 40GBASE SR4 100GBASE SR10 10 km Single Mode Fiber 40GBASE LR4 100GBASE LR4 40 km Single Mode Fiber 100GBASE ER4 Copper: K=backplane; C= cable assembly Optical: S = Short Reach (100m); L = Long Reach (10km); E = Extended Long Reach (40km) Coding Scheme: R = 64/66B block coding Final Number: number of lanes (copper wires or fiber wavelengths) SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 48

31 VLAN erforderte Modifikation Frame Tagging Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks, Fourth Edition, 2003 SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 49

32 Fallstudie Wireless LAN SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 50

33 Wireless LAN Typen Infrastructure Wireless LAN Ad Hoc LAN Single Hop Multi Hop Single Cell Multiple Cell Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 51

34 LAN Kategorien Spread Spectrum LAN (2,4 GHz ISM Band) OFDM LAN (2,4 GHz oder 5 GHz ISM Band) Infrarot LAN Bemerkung: ISM Band ISM = Industrial, Scientific and Medical Regulierungsbehörden Freie Frequenzbänder; dennoch Vorgaben, z.b.: Abgestrahlter Leistung Modulation etc. SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 52

35 Standard IEEE IEEE Standards Anwendungsbereich Medium access control (MAC): ein gemeinsamer MAC für WLAN Anwendungen Physical Layer: Infrarot bei 1Mbps und 2Mbps Physical Layer: 2,4GHz FHSS bei 1Mbps und 2Mbps Physical Layer: 2,4GHz DSSS bei 1 Mbps uns 2Mbps IEEE a Physical Layer: 5GHz OFDM bei 6 bis 54Mbps IEEE b Physical Layer: 2,4GHz DSSS bei 5,5Mbps und 11Mbps IEEE g Physical Layer: Erweiterung von b auf >20Mbps IEEE n Physical/MAC: Aufwertung für mehr Durchsatz WiFi Alliance: (Wireless Fidelity Alliance) Industriekonsortium mit einer Test Suite, die die Interoperabilität von b Produkten unterschiedlicher Hersteller zertifiziert. Wurde auch auf g erweitert. (Wi Fi5: Zertifizierungsprozess für a) SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 53

36 Architektur (Extended Service Set (ESS) stellt sich dem LLC als ein einziges logisches LAN dar) Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 54

37 MAC P CSMA (kein CD, da dies bei drahtloser Kommunikation nicht realisierbar ist) Zugriffsmethoden: Data ACK Zyklus oder optional RTS CTS Data ACK Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 55

38 MAC: DCF CSMA mit Binary Exponential Backoff Bei freiem Medium wird ein Inter Frame Space gewartet und dann geschaut, ob das Medium immer noch frei ist Ermöglicht Zugriffspriorisierung. Hier konkret: SIFS, PIFS und DIFS SIFS wird verwendet für ACK, CTS, Poll Response (gehört zur PCF) PIFS wird verwendet für weitere Polling Nachrichten (gehören zur PCF) DIFS wird verwendet für gewöhnlichen asynchronen Verkehr Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 56

39 MAC: PCF Knoten werden von einem Point Coordinator per Round Robin gepollt. Super Frame besteht aus PCF und DCF Anteil, damit bei dauerhaftem PCF Verkehr auch noch der DCF Verkehr möglich ist Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 57

40 Polling Beispiel Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Ninth Edition, 2011 SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 58