Fallstudie Ethernet. Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 39

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1 Fallstudie Ethernet SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 39

2 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

3 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

4 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

5 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

6 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

7 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

8 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

9 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

10 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

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

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

13 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

14 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

15 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

16 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

17 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

18 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

19 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

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

21 802.11a, b, g und n a b g n Peak Datendurchsatz 23Mbps 6Mbps 23Mbps 60Mbps (20MHz Kanal) 90Mbps (40MHz Kanal) Peak Signalisierungsrate 54Mbps 11Mbps 54Mbps 124Mbps (20MHz Kanal) 248Mbps (40MHz Kanal) RF Band 5GHz 2,4GHz 2,4GHz 2,4GHz oder 5GHz Kanalbandbreite 20MHz 20MHz 20MHz 20MHz oder 40MHz Anzahl Streams ,2,3 oder b verwendet DSSS mit derselben Chipping Rate (11MHz) wie in DSSS festgelegt. Zur Erhöhung der Datenrate wird ein verbessertes Modulationsschema verwendet (Complementary Code Keying (CCK); keine weiteren Details hierüber in dieser Vorlesung) a verwendet OFDM anstatt DSSS. Dieses und die Kombination aus Modulationstechnik (Alternativen: BPSK, QPSK, 16 QAM oder 64 QAM) und Faltungs Codes (keine weiteren Details hier) verbessern den Datendurchsatz gegenüber b deutlich. SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 59

22 802.11a, b, g und n a b g n Peak Datendurchsatz 23Mbps 6Mbps 23Mbps 60Mbps (20MHz Kanal) 90Mbps (40MHz Kanal) Peak Signalisierungsrate 54Mbps 11Mbps 54Mbps 124Mbps (20MHz Kanal) 248Mbps (40MHz Kanal) RF Band 5GHz 2,4GHz 2,4GHz 2,4GHz oder 5GHz Kanalbandbreite 20MHz 20MHz 20MHz 20MHz oder 40MHz Anzahl Streams ,2,3 oder g arbeitet im selben Frequenzband wie b und somit sind Geräte aus b oder g zueinander kompatibel. Bei niedrigen Raten arbeitet g mit denselben Modulationen wie b. Für höhere Rate wird OFDM (wie auch für a) verwendet n erreicht die angegebenen extrem hohen Datenraten mittels Verbesserungen bzgl. Radio Übertragung; insbesondere: Channel Bonding (Zusammenfassen von zwei 20MHz Kanälen für doppelte Kanalkapazität) MAC Verbesserungen; insbesondere Aggregation von MAC Frames, die nur einmal bestätigt werden müssen und einer MIMO Antennenarchitektur... SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 60

23 Was bedeutet MIMO? Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Ninth Edition, 2004 SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 61

24 Schlussbemerkung: Distanz versus Datenrate Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Ninth Edition, 2004 SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 62

25 Zusammenfassung und Literatur SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 63

26 Skalierbarkeit in LANs Zusammenfassung Kollisionsdomäne klein halten Idealerweise automatische Konfiguration von Netzknoten (z.b. Learning Bridges) Umgang mit Dynamik Bedarf für drahtlose LANs Angestrebte Transparenz Striktes Layering kann aber nicht immer eingehalten werden (Beispiel: VLANs und Inspektion von IP Paketen) SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 64

27 Literatur William Stallings, Data and Computer Communications, Ninth Edition, LAN Protocol Architecture 15.3 Bridges 15.4 Hubs and Switches 15.5 Virtual LANs 16 Ethernet 17 Wireless LANs Larry L. Peterson and Bruce S. Davie, Computer Networks: A Systems Approach, Spanning Tree Algorithm SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 65

Ergänzung: MLT 3. (ein Beispiel für ein ternäres Encoding)

Ergänzung: MLT 3. (ein Beispiel für ein ternäres Encoding) 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

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