Schicht 1 legt fest, wie Daten zwischen 2 benachbarten Rechnern physikalisch. simplex-, halbduplex- oder vollduplex-verbindung

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1 Kapitel 2 Kapitel 2: Protokolle und Dienste im Netz Das OSI-Referenzmodell Internet/Intranet Netzwerk- und Transportprotokolle (TCP/IP) Höhere Dienste (FTP, HTTP, , Telnet, DNS) Hier: Beispielhaft anhand der Internetprotokolle: HTTP, FTP, , Telnet. Hier: Beispielhaft anhand der Internetprotokolle: TCP und IP Kapitel 3: Lokale Netze und Weitverkehrsnetze OSI-Referenzmodell Anwendungsschicht (Application Layer) Darstellungsschicht (Presentation Layer) Sitzungsschicht (Session Layer) Transportschicht (Transport Layer) Netzwerkschicht (Network Layer) Sicherungsschicht (Data Link Layer) Bitschicht (Physical Layer) Kapitel : Grundlagen Seite 49 Basis- und Breitband Die Übertragung von Informationen kann entweder auf dem Basisband oder auf Breitband erfolgen. Dies bedeutet: Basisband Die digitalen Informationen werden so über die Leitung übertragen, wie sie sind. Hierzu sind Codierungsverfahren notwendig, die festlegen, wie bei der Übertragung eine 0 bzw. eine repräsentiert werden. Breitband Die Informationen werden analog übertragen (hierdurch: größere Reichweite). Dazu werden die zu übertragenen Signale auf eine Trägerwelle aufmoduliert. Durch die Verwendung verschiedener Trägerwellen (Frequenzen) können daher mehrere Informationen gleichzeitig übermittelt werden. Breitbandnetze haben sich allerdings trotz einiger Vorteile für die Datenkommunikation nicht richtig durchsetzen können. Erst durch optische Netze und Funknetze wurde diese Technik verbreitet. Kapitel : Grundlagen Seite 5 Schicht Schicht legt fest, wie Daten zwischen 2 benachbarten Rechnern physikalisch übertragen werden. Festgelegt werden z.b. Übertragungsmedium (Kupferkabel, Glasfaser, Funk, ) Steckerbelegung Darstellung der Bits auf dem Medium (Spannung, Frequenzen, ) Übertragungsrate bitserielle oder bitparallele Übertragung synchrone oder asynchrone Übertragung simplex-, halbduplex- oder vollduplex-verbindung Bestimmte Bitfolgen zur Ankündigung des Anfangs einer Übertragung Kapitel : Grundlagen Seite 50 Codierung von Informationen Shannon: Das grundlegende Problem der Kommunikation besteht darin, an einer Stelle genau oder angenähert eine Nachricht wiederzugeben, die an einer anderen Stelle ausgewählt worden ist. Zweck: sinnvolle Darstellung der zu übertragenden Information Codierungsarten: Quellcodierung (Schicht 6 und 7) Kanalcodierung (Schicht 2 und 4) Leitungscodierung (Schicht ) Codierung der ursprünglichen Nachricht Z.B. ASCII-Code (Text), TIFF (Bilder), PCM (Sprache), MPEG (Videos),... Darstellung der zu übertragenden Daten in Codewörtern, die den Eigenschaften des Übertragungskanals angepasst sind (Redundanz). Sicherung gegen Übertragungsfehler durch fehlererkennende bzw. -korrigierende Codes Physikalische Darstellung von Digitalsignalen Kapitel : Grundlagen Seite 52

2 Leitungscodes: Anforderungen Wie sollen digitale Signale z.b. auf Kupferkabel elektrisch repräsentiert werden? Möglichst hohe Widerstandsfähigkeit gegen Dämpfung Übertragung 0 0 T 2T 3T 4T 5T 6T 7T 0 0 T 2T 3T 4T 5T 6T 7T Effizienz: möglichst hohe Übertragungsraten durch Codewörter binärer Code: /? ternärer Code: +5 V / 0V /? quaternärer Code: 4 Zustände (Codierung von 2 Bit gleichzeitig) Taktrückgewinnung beim Empfänger (Synchronisation), d.h. möglichst häufige Pegelwechsel Gleichstromfreiheit positive und negative Signale treten ungefähr gleich oft auf Kapitel : Grundlagen Seite 53 Beispiele für Leitungscodes NRZ Diff. NRZ Manchester Diff. Manchester Kapitel : Grundlagen Seite 55 Leitungscodes NRZ: Non-Return-to-Zero (d.h.eine Spannung von 0 kommt nie vor) 0 negative Spannung (konstant ) positive Spannung (konstant ) Nachteil: bei langen 0- oder -Folgen Taktverlust und keine Gleichstromfreiheit Differentieller NRZ-Code 0 kein Polaritätswechsel Polaritätswechsel Nachteil: Taktverlust und keine Gleichstromfreiheit bei langen 0-Folgen Manchester-Code (B/2B-Code) Lange Folgen gleicher Signale werden durch einen Pegelwechsel in der Mitte jedes Bits verhindert. Damit: Taktrückgewinnung und Gleichstromfreiheit, das Ende einer Übertragung wird leicht erkannt. 0 Polaritätswechsel von positiv () nach negativ () Polaritätswechsel von negativ () nach positiv () Nachteil: durch Pegelwechsel in der Mitte wird die Kapazität nur zur Hälfte genutzt Differentieller Manchester-Code Wie beim Manchester-Code erfolgt ein Pegelwechsel in der Bitmitte, zusätzlich allerdings: 0 Pegelwechsel am Anfang eines Bits kein Pegelwechsel zwischen aufeinanderfolgenden Bits Kapitel : Grundlagen Seite 54 4B/5B-Code Nachteil des Manchester-Codes: 50% Effizienz, d.h. B/2B- Code (ein Bit wird auf zwei Bit kodiert) Eine Verbesserung stellt der 4B/5B-Code dar: vier Bit werden in fünf Bit kodiert: 80% Effizienz Arbeitsweise: Pegelwechsel bei, kein Pegelwechsel bei 0 (Differentieller NRZ-Code) Kodierung von hexadezimalen Zeichen: 0,,..., 9, A, B,..., F (4 Bit) in 5 Bit, so dass lange Nullenblöcke vermieden werden. Auswahl der günstigsten 6 der möglichen 32 Codewörter (maximal 3 Nullen in Folge) Weitere 5 Bit-Kombinationen für Steuerinformationen Erweiterbar auf 000B/00B-Codes? Kapitel : Grundlagen Seite 56 t t

3 Sicherungsebene Beispiel für eine 4B/5B-Codetabelle Decimal Data Transmitted Symbol Assignment Worst case: Nullen Q uiet -line state (status) Invalid Invalid Invalid Halt -line state (status) Invalid Invalid 00 R-Reset (logical 0)-control (control) Invalid Data Data 0 00 Data Invalid T-Ending delimiter (control) Data 5 0 Data Invalid K-starting delimiter (control) Data 9 00 Data Data 2 00 Data Data 23 0 Data J-starting delimiter (control) S - set (logical ) - control (control) Data 27 0 Data Data 29 0 Data 30 0 Data 3 Idle-line state (status) Kapitel : Grundlagen Seite 57 Schicht 2: Aufteilung in zwei Aufgabenbereiche Logical Link Control (LLC) (Schicht 2b) Einteilung der zu sendenden Daten in Rahmen (Frames) Bereitstellung einer (möglichst) fehlerfreien Übertragung zwischen benachbarten Knoten durch: Erkennung (und Behebung) von Übertragungsfehlern (fehlererkennende und -korrigierende Codes) Flusskontrolle Pufferspeicher Medium Access Control (MAC) (Schicht 2a) Regelung des Medienzugriffs bei Broadcast-Netzen LLC MAC CSMA/CD (Ethernet) Token Bus IEEE Logical Link Control Token Ring DQDB ANSI X3T9.5 FDDI ATM Forum ATM LAN Emulation ISO/OSI Reale Netze Kapitel : Grundlagen Seite 59 Betriebsarten: simplex, halbduplex & vollduplex Sendeeinrichtung Empfangseinrichtung Simplex S E Leitung Übertragung nur in eine Richtung Verteilung von Informationen (Rundfunk, Fernsehen) In der Datenkommunikation unüblich S E Halbduplex E eingleisige Bahnstrecke Bidirektional betreibbares Übertragungsmedium Übertragung der Kommunikationspartner erfolgt wechselseitig Kommunikationspartner müssen sich einigen, wer senden darf S Vollduplex zeitgleiche Übertragung in beide Richtungen realisierbar durch: zwei Leitungen eine Leitung mit zwei Kanälen gleichzeitiges Senden mit Filterung S E E S Kapitel : Grundlagen Seite 58 LLC: Rahmenerstellung Einteilung einer Nachricht in einheitliche Einheiten (einfachere Übertragung) wohldefinierte Schnittstelle nach oben (Schicht 3) Kennzeichnung der Einheiten: Header Daten Trailer Fehlerprüfung (Prüfsumme zum Rahmen) FCS = Frame Check Sequence Kontrollinformationen (Adressen, Rahmennummern,...) Nächste Aufgabe der LLC-Schicht: sichere Übertragung der Rahmen zum Kommunikationspartner. Die Übertragung über Schicht ist nicht unbedingt fehlerfrei! Durch die Abschwächung der Signale bei der Übertragung oder durch Störungen erkennt der Empfänger möglicherweise einige Bits falsch! Frage: wie können Übertragungsfehler erkannt und behoben werden? Kapitel : Grundlagen Seite 60

4 LLC: fehlererkennende und -korrigierende Codes Fehlererkennung: berechne aus den Daten eine kurze Prüfsumme und sende sie mit den Daten zusammen zum Empfänger. Der Empfänger berechnet aus den empfangenen Daten auch eine Prüfsumme und vergleicht sie mit der des Senders. Einfachstes Verfahren - Parity Bit : Zählt die Anzahl der en Sender: 0 00 PB: -Bit Fehler werden erkannt Empfänger: PB: 0 2-Bit Fehler werden nicht erkannt Korrekturen sind nicht möglich! Variante: Längs- und Querparität Verbesserung des Parity Bit -Verfahrens durch weitere Prüfbits. Dazu werden mehrere Blöcke gruppiert und gemeinsam behandelt: Sender: 0 Empfänger: Durch dieses Verfahren kann ein fehlerhaftes Bit identifiziert und korrigiert werden. Kapitel : Grundlagen Seite 6 Fehlersicherung bei Protokollen Unterscheidung zwischen Fehlerkorrektur und -erkennung Fehlerkorrektur: FEC (Forward Error Correction) Verwendung fehlerkorrigierender Codes Verfälschte Daten können in den meisten Fällen berichtigt werden. Nicht korrigierbare Daten werden verworfen. Feedback vom Empfänger zum Sender ist nicht erforderlich Geeignet für Übertragungen, bei denen keine Verzögerungen auftreten dürfen (Video, Audio). Fehlererkennung: ARQ (Automatic Repeat Request) Verwendung eines fehlererkennenden Codes (CRC) Fehler werden erkannt, können aber nicht korrigiert werden! Daher müssen verfälschte Daten neu angefordert werden. Einführung einer Flusskontrolle: Nummerierung der zu sendenden Datenblöcke Quittierung von Blöcken durch den Empfänger Wiederholung fehlerhaft übertragener Blöcke Geeignet für Übertragungen, bei denen es keine Fehler geben darf. Kapitel : Grundlagen Seite 63 LLC: fehlererkennende und -korrigierende Codes Weit verbreiteter Code zur Fehlererkennung: Cyclic Redundancy Checksum (CRC) Basiert auf Polynomdivision Sender und Empfänger vereinbaren ein Generatorpolynom G(x). Der Sender interpretiert einen Datenblock als Polynom und führt eine Division mit G(x) durch. Der Rest der Division wird als Prüfsumme an den Datenblock angehängt. Der Empfänger kennt G(x) und führt eine Division der erhaltenen Daten mit G(x) durch. Bei korrekter Übertragung stimmt die eigene Prüfsumme mit der übertragenen überein. Eignet sich zur Erkennung sogenannter Fehlerbüschel (lange Folgen verfälschter Bits). Da in der Datenkommunikation meistens solche Fehler auftreten, hat sich CRC durchgesetzt. Fehlerkorrektur Generell bedeutet Fehlerkorrektur: Übertragung von Redundanzen. Einfachstes Beispiel: wenn 0 übertragen werden soll, dann sende Wenn eine Übertragung verfälscht wird, kommen immer noch zwei korrekt an. Kapitel : Grundlagen Seite 62 Flusskontrolle: Send-and-Wait Einfaches Verfahren: Der Sender überträgt einen Datenblock und wartet, bis eine Quittung des Empfängers eintrifft oder ein Time-Out erreicht ist. Bei einem fehlerhaften Block erfolgt eine Wiederholung, sonst wird der nächste Block gesendet. Nachteil: große Wartezeiten zwischen der Übertragung einzelner Blöcke. Dadurch wird viel Übertragungskapazität verschwendet. Wartezeit Sender ACK Time-out ACK Empfänger F 2 3 ACK: Acknowledgement, d.h. alles ok Kapitel : Grundlagen Seite 64

5 Flusskontrollmechanismen Fenstermechanismus (Sliding Window) Gängiges Verfahren, um lange Wartezeiten des Senders zu vermeiden Sender und Empfänger vereinbaren ein Übertragungsfenster. Ist W die Fenstergröße, bedeutet dies: der Sender darf maximal W Nachrichten verschicken, ohne eine Bestätigung empfangen zu haben. Die Nachrichten werden im Header fortlaufend nummeriert (0,, 2,..., MODULUS-, 0,...; wobei W < MODULUS). Sender darf bis zu W fortlaufend nummerierte Nachrichten verschicken, ohne eine Quittung für die erste erhalten zu haben. Empfänger bestätigt durch Quittungen (ACK). Sender rückt Fenster vor, sobald ACK eintrifft. Vorteile des Verfahrens: Der Sender kann die Netzkapazität ausnutzen zu schnelle Sender werden gebremst (kann der Empfänger nur langsam Daten vom Netz lesen, sendet er seltener ACKs) Sende- und Empfangsgeschwindigkeit werden angepasst Kapitel : Grundlagen Seite 65 Fehlerbehebung: Go-Back-N Der Sender überträgt kontinuierlich (innerhalb des Übertragungsfensters) Frames. Der Empfänger antwortet: ACK j : alles bis Block j ist in Ordnung REJ j /NACK j : bis Block j- ist alles in Ordnung, Block j ist fehlerhaft Go-Back-N: bei einem REJ j wird ab Block j alles noch einmal übertragen Nachteil: Bei einem REJ j muss der Sender alle Blöcke ab j wiederholen Beispiel für W = 5; MODULUS = 8 Quelle Ziel ACK 0 REJ 2 ACK 2 Übertragungsablauf Kapitel : Grundlagen Seite 67 Sliding Window Beispiel (für 3-Bit Sende-/Empfangsnummer) mit 3 Bits aus Sende-/Empfangsnummer m = 8 mögliche Kombinationen Stationen vereinbaren eine Fenstergröße W mit W < m, z.b. W = 7 das Fenster beschränkt die Anzahl der unbestätigten Frames, die zu einem Zeitpunkt unterwegs sein dürfen (hier max. 7 wegen W = 7) bei Empfang einer Quittung wird das Fenster entsprechend verschoben Frames werden fortlaufend modulo m numeriert (für m = 8 also Nummern von 0 bis 7) ACK 6 0 ACK 2 ACK Station sendet Frames 0-6 Station erhält Quittung 0 Station verschiebt Fenster um, Station erhält Quittung, 2 Station verschiebt Fenster um 2, sendet Frame 7 sendet Frame 0, Zeit Kapitel : Grundlagen Seite 66 Rahmenaufbau bei HDLC Protokoll für Schicht 2: High Level Data Link Control (HDLC) 00 Address Control Data FCS 00 Flag Header Daten Trailer 8 8 8(6) Flag Bits Zur Synchronisation auf Schicht N(S) N(R) Im Idle-Zustand werden ""en gesendet. Der Empfänger erkennt eine Sendung an der ersten "0. Das Address -Feld enthält die Hardwareadresse des Empfängers. FCS enthält die mittels eines Generator-Polynoms berechnete Prüfsumme. Da durch die FCS nur eine Fehlererkennung stattfindet, keine Fehlerkorrektur, ist eine Flusskontrolle nötig. Diese wird durch das Control -Feld gewährleistet: N(S) ist die Folgenummer für die Nachricht, mittels N(R) können gleichzeitig in Gegenrichtung Nachrichten quittiert werden ( Piggybacking ). Kapitel : Grundlagen Seite 68

6 Medium Access Control (MAC) Regelung des konkurrierenden Zugriffs mehrerer Nutzer auf ein gemeinsames Medium Einfachste Verfahren: feste Zuweisung einer begrenzten Kapazität Time Division Multiple Access (TDMA) Frequenz Jeder Nutzer bekommt für feste Zeit-Slots die gesamte Übertragungskapazität Zeit (Basisband-Übertragung) Frequency Division Multiple Access (FDMA) Frequenz Nutzer Nutzer 2 Nutzer 3 Zeit Jeder Nutzer bekommt für die gesamte Zeit einen festen Anteil der Übertragungskapazität (einen Frequenzbereich) (Breitband-Übertragung) Kapitel : Grundlagen Seite 69 MAC - Verfahren Token-Verfahren Einführung eines Tokens (bestimmte Bitfolge) Nur die Station, die das Token besitzt, darf senden. Das Token wird zyklisch zwischen allen Stationen weitergeleitet Besonders geeignet für Ringe (Token Ring, FDDI) Vorteile: garantierter Zugriff, keine Kollisionen, sehr gute Ausnutzung der Netzkapazität, garantierte Antwortzeiten Nachteil: aufwändig und teuer Teilgesteuerte Verfahren Jede Station, die senden will, prüft zunächst, ob bereits eine andere Station sendet. Wenn nicht, fängt sie selbst an zu senden. (Carrier Sense Multiple Access, CSMA) Vorteile: einfach, da keine Master-Station und keine Token benötigt werden; trotzdem gute Ausnutzung der Netzkapazität Nachteil: kein garantierter Zugriff, es ist eine große Verzögerung bis zum Sendebeginn möglich Kapitel : Grundlagen Seite 7 MAC - Verfahren Reservierungsverfahren Eine Kommunikation folgt einem zweiphasigen Ablauf: in der Reservierungsphase macht der Sender eine Reservierung unter Angabe der Länge der zu sendenden Daten In der Übertragungsphase erfolgt nach erfolgreicher Reservierung die Datenübertragung Vorteil: sehr effiziente Nutzung der Kapazität Nachteil: Verzögerung durch zweiphasiges Verfahren; weiterhin wird eine Master-Station benötigt, die das Senderecht zuteilt. Ungesteuerte Verfahren Jede Station sendet bei Bedarf völlig unkontrolliert. Beispiel: ALOHA, entwickelt für die Satellitenkommunikation auf den hawaiianischen Inseln Nachteil: keine garantierten Antwortzeiten, geringer Durchsatz. Kapitel : Grundlagen Seite 70