Netzwerktopologien und -begriffe. Local Area Network (LAN)

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1 Local Area Network (LAN) Definition eines LAN ein Netzwerk zur bitseriellen Datenübertragung zwischen unabhängigen, untereinander verbundenen Komponenten befindet sich rechtlich unter der Kontrolle des Benutzers ( privates Datennetz) und ist auf den Bereich innerhalb der Grundstücksgrenzen beschränkt (durch Aufhebung des Monopols der Telekom hier Änderung zu erwarten) Eigenschaften Entfernungen < km schnell (> 1 Mbps) einfacher, preiswerter Anschluß an das Übertragungsmedium Übertragung unterschiedlicher Informationsarten Texte, allg. Daten, Bilder, Animationen in Zukunft: Multimedia = Audio und Video Anschluß unterschiedlicher Geräte Computer Bildschirmgeräte / Drucker Massenspeichereinheiten Modems Aufbau in unterschiedlichen Topologien möglich mehrere Sender/Quellen teilen sich ein Medium Zugriffssteuerung (Medium Access Control) Netzwerktopologien und -begriffe Unterscheide zwischen physikalischer und logischer Auslegung Stern zentrale Station erleichtert Wartung, besorgt selektive Datenverteilung nicht fehlertolerant gegen Ausfall der Zentrale Anwendung in (Nebenstellen-) Telefonanlagen Ring nur Punkt-zu-Punkt Verbindung benachbarter Knoten Verbindung unidirektional Bus Nachrichtentransport wie ein Rundsendenetz verschiedene Zugriffsverfahren denkbar Hub heute werden vielfach logische Bus- und Ringnetze in physikalischer Sternverkabelung ausgelegt in der Zentrale=Hub ist die Verdrahtung konzentriert enthält Signalverstärker (repeater), die alle eingehenden Signale an alle Stationen verteilen (Gegensatz zum Stern) kann ggf. verschiedene Netze u. Protokolle verbinden, auch hierarchisch/baumförmig aufbaubar Vorteil: flexible Administration/Umkonfiguration Nachteil: siehe Stern

2 Weitere Netzwerktopologien Medienzugangssteuerung Vermaschtes Netz Gekoppelte Netze oder internet Sehr ausfallsicher, aber: Leitungsaufwand sehr hoch, Verbindungen i.a. nicht ausgelastet Verbindung verschiedener Netze durch Relaisstationen/Gateway- Rechner Einordnung im OSI-Modell Verfahrensübersicht Logische Verbindungskontrolle (logical link control = LLC) regelt korrekte Datenübertragung zwischen Stationen, Medienzugangskontrolle (medium access control = MAC) die kooperative Nutzung des Mediums Backbone-Netz dediziertes Netz zur Verbindung anderer Netze nutzt sehr schnelle Übertragungstechnik, z.b. Glasfaser

3 Statische Zuteilung feste Zuordnung gewisser Übertragungskapazität zu einzelnen Stationen Beispiele: Frequenzmultiplex (FDMA), Synchroner Zeitmultiplex (STDMA) jedem Kanal ist ein Zeitschlitz bzw. Frequenzband zugeordnet für wenige Stationen/Teilnehmer nur geeignet für konstante Datenströme mit gleichbleibender Datenrate für Audio und Video für Satellitenverbindungen, Richtfunknetze Tatsächliche Situation im LAN meistens viele Stationen/Teilnehmer Datenanfall zufällig, burstartig, selten kontinuierlich im LAN flexible, dynamische Zuteilungsverfahren gefragt Dynamische Zuteilung, Polling auch als Konzentration zu bezeichnen man unterscheidet zwischen einem koordinierten (und damit kollisionsfreien) und einem wahlfreien (potentiell kollisionsgefährdeten) Zugriff die koordinierte Zuteilung kann zentral oder verteilt erfolgen als zentrales Verfahren verwendet: Polling eine Zentralstation fragt zyklisch alle angeschlossenen Stationen auf einen Sendewunsch ab jede abgefragte Station sendet entweder sofort ein EOT (End of Transmission), wenn sie nichts senden möchte - oder - überträgt Daten zu einer anderen Station und markiert das Ende der Übertragung mit einem EOT an die Zentralstation Ausfallgefahr der Zentralstation zyklische, meistens unnötige Abfragen binden Kanalkapazität viele Stationen langer Pollingzyklus

4 Dynamische & dezentrale Zuteilung: Reservierung Bit-Map-Protokoll: Reservierungsphase Ein Zeitschlitz wird als spezieller Reservierungs-Schlitz (RS) vereinbart In diesem ist für jede Station ein Bit reserviert Wünscht eine Situation zu senden, setzt sie im RS ihr Bit auf Eins, ansonsten bleibt es Null Sendephase die erste Station sendet, deren Bit gesetzt ist, dann die nächste... anschließend erneute Reservierungsphase Reservierungsschlitze Dynamische & dezentrale Zuteilung: Token Stationen bilden einen logischen oder realen Ring Auf dem Ring zirkuliert unidirektional eine Marke (Token) Eine Station darf nur senden, wenn sie im Besitz des Token ist Nach einer fest vorgegeben Zeit wird das Token weitergegeben Physischer und logischer Ring Bewertung einfach zu realisieren geringes Datenaufkommen und viele Stationen : fast nur RS großer Overhead durch RS die Station mit dem ersten Bit im RS muß am frühesten wissen, daß sie senden will wenn ihr Sendewunsch direkt nach ihrem Bit im RS entsteht, muß sie warten den Rest des aktuellen RS evtl. einige Daten den gesamten nächsten RS sie hat die längste Reaktionszeit großes Datenaufkommen und wenige Stationen : die Station mit dem ersten Bit im RS wird immer als erste bedient unfair Vorteil: garantierte obere zeitliche Schranke, bis Station senden kann deterministisches Verfahren Nachteile: Verwaltungsaufwand bei Umkonfiguration, Rechnerausfall Tokenverlust durch Störung Physischer Bus und logischer Ring

5 Kategorie: Reines ALOHA-Verfahren dynamisch, wahlfrei (= zufällig, unkoordiniert) Ursprung war die Universität Hawaii, die damit 1970 die auf die einzelnen Inseln verteilten Rechner an einen Zentralrechner koppelte Prinzip: Sender sendet sofort, wenn Bedarf besteht Fehlerfreie Übertragung durch Quittung oder Kanalabhören erkennbar Bei Kollision Neuübertragung nach Abwarten einer Zufallszeit (Vermeidung gegenseitiger Blockade) Beispiel Universität Hawaii, 1972 Slotted-ALOHA wie reines Aloha, aber Zeitachse wie TDMA in Zeitschlitze aufgeteilt Zugriff nur zu Beginn eines beliebigen Zeitschlitzes Kollisionsfenster gegenüber reinem ALOHA halbiert = t weniger Kollisionen als reines ALOHA Eine genaue Analyse zeigt die maximale Kanalausnutzung: Reines ALOHA: 18 % Slotted ALOHA: 36 % t: Zeit für das Senden eines Blocks Kollisionsfenster: wenn innerhalb dieses Zeitraums mehr als ein kompletter Block übertragen werden soll (also 2,3,4...komplette Blöcke), ergibt sich eine Kollision unnütze Belegung des Kanals < 2t beide ALOHA-Verfahren haben keine praktische Bedeutung mehr, da durch einfache Maßnahmen eine bedeutende Verbesserung möglich ist Bewertung Viele Kollisionen

6 CSMA (Carrier Sense Multiple Access) I Prinzip Abhören des Kanals/Trägersignals vor dem Senden ( besser als ALOHA) Wenn frei, sende alle gewünschten Information Erkennung von Kollisionen durch fehlende Quittung dann Zufallszeit abwarten zur Vermeidung von Blockaden CSMA (Carrier Sense Multiple Access) II p-persistent Sendewunsch Abhören des Kanals frei: mit Wahrscheinlichkeit p senden mit Wahrscheinlichkeit (1-p) erst Zeit τ abwarten, dann erneut abhören belegt: warten, bis Kanal frei ist 2 Varianten dieses Prinzips (außerdem noch Zeitschlitz-Varianten möglich) nicht persistent (persistent = beharrend) Sendewunsch Abhören des Kanals frei: sofort senden belegt: Zufallszeit abwarten; Erneutes Abhören ( es wird nicht sofort gesendet, wenn der Kanal wieder frei ist) Eigenschaften berücksichtige, daß andere Stationen auch warten können deshalb besser zufälligen Sendezeitpunkt wählen guter Gesamtdurchsatz (Auslastung) aber teilweise unnötige Verzögerungen, bis Sendung wirklich erfolgt Eigenschaften durch Wahl von p einstellbar Extremfall: p = 1 Minimierung der eigenen Verzögerung Gesamtdurchsatz aller Stationen durch Kollisionen nicht optimiert p bestimmt Kompromiß zwischen Verzögerung und Durchsatz τ = Laufzeit eines Bits auf der Leitung wenn bei 2 wartenden Stationen und Freiwerden des Kanals die 1. sendet und die 2. wartet, wird die 2. nach τ wieder den Kanal abhören ihre Wartezeit und damit der Zeitverlust für den Fall, daß niemand anderes gesendet hätte, ist für diese Wahl von τ minimiert da die 1. hier aber immer noch sendet, würde die 2. das feststellen und erneut warten

7 Leistungsvergleich Aloha und CSMA Das CSMA/CD Verfahren Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection Erweiterung des CSMA-Prinzips Abhören des Kanals auch während des Sendens Kollisionserkennung durch Soll/Ist Vergleich des Gesendeten mit dem Empfangenen Sender unterbricht Übertragung im Kollisionsfall sofort damit andere Stationen diese Kollision eindeutig erkennen, werden kurzzeitig zusätzliche Störbits (Jam-Bits) gesendet Einsparung von Zeit und Bandbreite verwendet im Ethernet Kollisionsfenster Eine Station kann erst nach 2τ sicher sein, daß sie den Kanal kollisionsfrei belegt hat (1 km Koaxialkabel: τ» 5 ms) t = t Voraussetzungen sehr viele Stationen t Zeit zum Senden eines Rahmens t = τ- t G S alle Sendewünsche (Wiederholungen + neue Sendewünsche S) pro Rahmenzeit t Last (Versuche pro Rahmenzeit) neue Sendewünsche pro Rahmensendezeit t, poissonverteilt Kanalausnutzung 0 < S < 1, darüber Kanalkapazität erschöpft nur Kollisionen reines Aloha: Maximum für G = 0,5 (Fenstergröße = 2), S = Ge -2G Slotted-Aloha: Maximum für G = 1 (Fenstergröße = 1), S = Ge -G t = τ t = 2τ τ

8 Kombinierte statische und dynamische Zuteilung Prinzip bisher haben alle Stationen gleiche Möglichkeiten auf den gemeinsamen Kanal zuzugreifen jetzt asymmetrischer Ansatz: Bildung von Clustern unterschiedliche Zugriffswahrscheinlichkeiten zuordnen jedem Cluster eine feste Menge von Betriebsmitteln (Frequenz, Zeit, etc.) zuordnen Eigenschaften i.a. nicht optimal ausgelegt für Extremfälle : nur eine Station sendet, hat jedoch begrenzte Bandbreite Rest unbelegt sehr unterschiedliche Datentransferraten kein dynamischer Ausgleich möglich korrelierende Sendewünsche alle Stationen, die sich ein Betriebsmittel teilen, haben gleichzeitig Sendewünsche Realisierung z.b. durch switched Ethernet