15. Hochgeschwindigkeitsnetze 15.1 Standardisierung nach IEEE 802

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1 15. Hochgeschwindigkeitsnetze 15.1 Standardisierung nach IEEE Bridging, Management, Architektur etc LLC Ethernet Token bus Token ring Metropolitan Area Networks DQDB Breitband LANs (BBTAG) Lichtleiternetze / FDDI (FTAG) Harmonisierung Ethernet/ISDN Verschluesselung & Authentisierung Drahtlose LANs Fast Ethernet (100 VG - AnyLAN) Bidirektionale CATV Netze Drahtlose mobile Picozellen-Netze Drahtlose breitbandige Festnetze Die meisten Standards sind frei verfügbar unter: 1 Rechnernetze II, Sommer 2006, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess

2 15.2 Fast Ethernet 802.x Ethernet Stammbaum: Zugriff: CSMA/CD, Demand Priority, Full-Duplex. Geschwindigkeit: 4 Megabit/sec 10 Gigabit/sec. Medium: Koax, Kupferpaare, Glasfaser, Funk. Betriebsart: halb/voll-duplex,autonegotiate. 10 Base-5 10 Base-2 10 Base-T 10 Base-FL 10 Giga (802.3ae) 1000 Base-X 1000 Base-T 1000 Base-SX 1000 Base-LX 1000 Base-CX 1000 Base-LH 100 Base-T 100 Base-TX 100 Base-T4 100 Base-FX IEEE 802.3x 100 VG AnyLAN (802.12) b g h a n Wireless Ethernet 2 Rechnernetze II, Sommer 2006, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess

3 Repeater/Hubs/Switches; Hub wird in der Literatur leider nicht immer einheitlich verwendet: Hubs (=Verteilknoten auf Ebene 2): - Hub kann ein Kollisionssignal erzeugen, - Multiport-Repeater, macht aus physikalischer Sterntopologie einen logischen Bus. - Eingehendes Signal auf einem Port wird an allen anderen Ports verstärkt ausgegeben. - Vorsicht: Begriff Hub oft auch für komplexere Verteilsysteme bis Ebene 3 verwendet! Switches (oft auch Switching Hub oder nur Hub genannt): - Switching, gleichzeitige Übertragung zwischen separaten Portpaaren, - Duplexbetrieb, keine Kollisionen bei ausreichend grossem Speicher, - Umcodierung, verschiedene Signalform an verschiedenen Ports, - Store & Forward, Zwischenspeicherung der Pakete. Repeater: - Verstärkung und Taktung des Signals auf Schicht 1. 3 Rechnernetze II, Sommer 2006, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess

4 Mbit Fast Ethernet: Sterntopologie und nicht mehr Busnetz: - Leitungslänge zwischen Station und Hub/Switch max. 100 m (150m VG AnyLan), End-zu-End max. 200m pro Kollisionsbereich - Ethernet Rahmenstruktur wird beibehalten, - max. 2 Repeater pro Kollisionsbereich. 4B/5B oder 8B/6T Codierung mit NRZI anstelle von Manchester- Codierung ergibt eine niedrigere Baudrate. Nutzung vorhandener Telefonverkabelung: - bis zu 4 verdrillte Adernpaare (Typ 3/4/5), - differentielles Signal auf Doppelader. Full-Duplex Betrieb (optional): - Übertragungsrate bis 200 Mbit/sec, - erfordert "Switching Hub" mit Speicherfunktion, - nur für 100 Base-TX, 10 Base-T und Glasfaser, - allenfalls Cross-Over Kabel. 4 Rechnernetze II, Sommer 2006, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess

5 100 Base-TX: - 2 verdrillte Adernpaare aus RJ45, - Betrieb mit Fullduplex Option, - Doppelte Datenrate möglich, - keine Kollisionen. Senden + Senden - Empfangen + unbenutzt unbenutzt Empfangen - unbenutzt unbenutzt 100 Base-T4: - keine Fullduplex Option, Senden verdrillte Adernpaare aus RJ45, - reduzierte Baudrate für Typ 3 Kabel, - Kollisionsmeldung auf dem Adernpaar "Empfangen", - Wechselnde Übertragungsrichtung auf den bidirektionalen Adernpaaren. Senden - Empfangen + bidirektional + bidirektional - Empfangen - bidirektional + bidirektional - 5 Rechnernetze II, Sommer 2006, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess

6 Automatische Verhandlung der Betriebsart durch die im Adapter verankerte Firmware (Autonegotiate): -> 100 Base-TX, full-duplex? -> 100 Base-T4? -> 100 Base-TX? -> 10 Base-T, full duplex? -> 10 Base-T. 100 Base FX: - Übertragung über Glasfaserpaar, - Elektrooptischer Hub, - Wenig störanfällig. 100 VG AnyLAN (IEEE ): - kein CSMA/CD, sondern Steuerung vom Hub, - Prioritätenregelung für verschiedene Links, - "VG" = "Voice Grade" Leitungen, - Vorschlag von IBM. 6 Rechnernetze II, Sommer 2006, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess

7 Gigabit Ethernet: Sternförmige Verkabelung: - hochwertige Glasfaser (LX, long wavelength), - einfache Glasfaser (SX, short wavelength), - geschirmtes Kupferkabel (CX), - ungeschirmtes Typ 5 Kupferkabel (T), - Weitverkehrsvarianten (LH, long-haul). Frame burst mode (für halbduplex Betrieb): - Minimale Paketlänge: 512 Byte (statt 64 Bytes bei 10/100 Mbit Ethernet). - Sender kann mehrere Frames am Stück senden - Schlechte Performance bei kleinen Paketen. Distanz =100 m pro Anschluss: - Kollisionserkennung, - Pausensignalisierung & Flusskontrolle. Netzarchitektur: - nur noch switching Hubs, - 1 Repeater pro Kollisionsbereich (200m), - Weitverkehrsnetze möglich. 7 Rechnernetze II, Sommer 2006, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess

8 Übertragungstechnik für Kupfer: - 4 Doppeladern (Typ 5), - fullduplex Option, - 5 Signalstufen pro Paar, - Taktrate 125 MHz. Autonegotiation: - 10/100/1000 Mbit, - Duplex, halbduplex Gigabit Ethernet: Fernnetz über Glasfaser. Mischung von Sprache & Daten. Vorläufige Projektautorisierung durch IEEE. Ausschließlich vollduplex Betrieb über Switch Konkurrenz zum europäischen ATM-Konzept. Schwedisches Pilotprojekt Wireless Ethernet: 8 Rechnernetze II, Sommer 2006, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess

9 IEEE Empfehlung. RTS/CTS Zugangsverfahren. Bitrate: 1 Mbit bis 108 Mbit/sec Frequenzbereich: 2.4 GHz und ~5,7 GHz. Peer-to-peer oder über Basisstation. Fast nur noch Spreizspektrum-Technik. IEEE a für 54 Mbit/sec bei ~5,5 GHz. Siehe besonderes Kapitel über Drahtlose LANs. 9 Rechnernetze II, Sommer 2006, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess

10 15.3 CATV Netze Split-Spectrum Breitbandnetz: Auf existierenden Kabelfernsehnetzen: - neben den vorhandenen Fernsehkanälen, - alternativer Telefonteilnehmeranschluss, - für schnelleren Internet-Zugang. Kopfstation: - Richtungstrennung durch Frequenzgetrenntlage - Umsetzung in der Kopfstation, - Nur ein Kabel erforderlich. Frequenzmultiplexverfahren: - Schnelle & langsame LANs, - Modemfestverbindungen, - Frequenzagile Modems, - Videokanäle. Headend Verteilen Rückkanal 10 Rechnernetze II, Sommer 2006, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess

11 Wurzelbaum als Topologie Kommunikation über die Kopfstation: - mit Nachbarn im "LAN", - Internetzugang, CATV-Netze umrüsten. - für bidirektionale Übertragung, - richtungsabhängige Verstärkung, - Frequenzfilter zur Richtungstrennung. Hybridnetze: - Unterschiedliche Medien, - meist schon bidirektional,. - Verteilnetz über Glasfaser, - Teilnehmeranschluss mit Koaxialkabel, 11 Rechnernetze II, Sommer 2006, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess

12 CATV-Netzanschluss: Reflexionsarmer Teilnehmeranschluss: - Abzweigdosen (Taps) und Splitter zum Aufbau des Netzes - Dämpfung im Prinzip ohne Reflexion, - im Unterschied zu Ethernet. Richtkoppler (engl. "Tap"): - ausgekoppelte Energie abhängig von der Fortpflanzungsrichtung der Welle: Umrüstung des Netzes: - auf bidirektionale Ubertragung, - Transponder in der Kopfstation, - Frequenzkompensation, - Verstärker, - Filter. 100% 1% 99% 99% 1% 12 Rechnernetze II, Sommer 2006, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess

13 Aufteilung des Frequenzbandes: Sub Split Schema: MHz zur Kopfstation ("upstream", inbound ), - extended sub split 5-42 MHz upstream, - oberhalb 54 MHz Übertragung von Kopfstation ("downstream", outbound ), - ~20 MHz Schutzband dazwischen. Mid Split Schema: MHz zur Kopfstation, - höher als 168 MHz outbound. High Split Schema: / > 232 MHz. Kabelmodems: - USA: 5-42 / MHz - Europa: 5-65 / MHz Split Aufteilung auf zwei Kabel möglich ohne Split. Hohe Frequenzen unidirektional für TV. [MHz] Rechnernetze II, Sommer 2006, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess

14 Kabelmodem Pro: - Telephondienst möglich, - Dauerverbindung, - hohe Datenrate, TAP Kabel Splitter Contra: - asymmetrische Datenrate, - Verschlüsselung zwingend, - Wettbewerb zw. Teilnehmern im selben Kanal. Upstream: - 3 MBit/s (bis 30 MBit/s geplant), - reservierte Zeitschlitze, - Zeitschlitze mit Wettbewerb ("Contention"), - Justierungszeitschlitze (Slot-Takt, Signalpegel). Downstream: MBit/s, Strom von Zeitschlitzen, - MPEG-Frames von Kopfstation. Hochpassfilter Kabelmodem TV TV PC VCR 14 Rechnernetze II, Sommer 2006, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess

15 Anordnung im TV-Raster: Zentrale Steuerung von Kopfstation (CMTS): - Zeitschlitzvergabe, - Frequenzvergabe, - Anmeldung, - Justierung... 2 MHz Raster 6 oder 8 MHz Raster upstream downstream TV-Kanäle z.b. 65 MHz Standard DOCSIS (USA / MNCS): - Data Over Cable Service Interface Specification, - EuroDOCSIS mit anderer Frequenzzuteilung. - DVB/DAVIC als europäische Konkurrenz: - Integration mit Satellitenstandard, - Dienstequalität und Telephonie. IEEE als Kabelmodem-Empfehlung: - "Store-and-Forward" in der Kopfstation, - Set-Top Box (TV, evtl. POTS-Rückkanal), - externes Modem (Ethernet, USB,...), - interner Adapter (PCI...). f 15 Rechnernetze II, Sommer 2006, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess

16 Richtungsgetrennte Verkabelung: Nicht für existierende Fernsehverteilnetze. Installation von zwei parallelen Kabeln. Volle Ausnutzung des Frequenzbandes. Keine Filter erforderlich. Doppelte Kabelkosten. Passive Kopfstation. 16 Rechnernetze II, Sommer 2006, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess

17 15.4 Distributed Queue Dual Bus (DQDB) Physikalische Realisierung Unidirektionaler Bus in jeder Richtung. Jede Station liegt an beiden Bussen. Stationen ganz außen erzeugen Zeitschlitze. Folgestationen hören und addieren ihre Bits. Übertragungen nur "stromabwärts". Einsatzbereich unter anderem für Metropolitan Area Networks (MANs). A-Bus B-Bus 17 Rechnernetze II, Sommer 2006, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess

18 Reservierungsverfahren Stationen realisieren eine verteilte Warteschlange für jede Richtung. Leere A-Slots Stationen rechts aussen haben Vorrang. Request-Zähler A: A-Slot Reservierungen - A-Reservierung erhöht den Zähler, - leerer A-Slot vermindert den Zähler. - zählt unerfüllte Requests von weiter rechts liegenden Stationen: CountDown-Zähler A hält die Position der Station in der Warteschlange: - Request-Z -> CountDown wenn Ready, - decrementieren für jeden freien Slot, - senden falls CountDown=0. Getrennter Satz von Zählern für beide Übertragungsrichtungen. 18 Rechnernetze II, Sommer 2006, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess

19 Slotformat 8000 Frames pro Sekunde. z.b. 45 Slots bei 155 MBit/sec. Busybit zum Belegen eines Slots. Typbit zum Markieren fester Belegungen. Requestbits für 3 Prioritäten. Pro Priorität separater Reservierungszähler. Header enthält Quell- und Zieladresse. Header Slot 1 Busy Bit Frame 125 µsec Slot 2 Slot 3 Slot N Padding 53 Oktette 1 Oktett 52 Oktette Typ Bit Request Bits (3) Header 4 Oktette Nutzlast 48 Oktette 19 Rechnernetze II, Sommer 2006, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess

20 Fiber Distributed Device Interface FDDI Glasfasernetz mit Ringtopologie: - Doppelring als Ausfallsicherung, 2 gegenläufige Ringe, - Nutzdatenrate 100 MBit/s (@125Mhz), Stationen, 200 km (=66 kbit), - 4B/5B-NRZI Code (statt Manchester), - Multimode Glasfaser, LEDs. Taktung: - jede Station taktet neu, - Taktgewinnung durch lange Präambel, - dezentraler Takt (125 MHz, 0.005%): - Jitter impliziert max. Paketlänge (4500 Byte). - mindestens 10 Bit Puffer pro Station, - implizite Speicherung im Ring. Bei grossen Ringen mehrere Pakete auf dem Ring möglich. 20 Rechnernetze II, Sommer 2006, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess

21 "Early Token Release": Verbessertes Token Ring Zugangsprotokoll: 1. Token umlaufend 2. Token konsumieren. 3. Wartendes Paket senden, 4. Token sofort freigeben, 5. Weitere Pakete möglich, 6. Eigenes Paket entfernen... A 1 B D C A 2 B D C A 3 B D C 4 D A C 5 A B B D C A 6 B D C A B D C A B D C 21 Rechnernetze II, Sommer 2006, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess

22 Erweiterung als FDDI-II Zur Unterstützung von Kanälen mit starrer Synchronisierung (Telefon, Multimedia, Echtzeit..). Zusätzliche Synchronrahmen alle 125 µsec: - für PCM & ISDN-Daten (64 Kbit/s). - erzeugt durch eine Masterstation, - maximal 16 Synchronrahmen, - 96 Byte leitungsvermittelt, - 16 Byte nicht leitungsvermittelt, Zwei Klassen von Stationen (auch FDDI 1): - Typ A ist am Doppelring angeschlossen, - Typ B ist nur an einen Ring und nicht redundant angeschlossen. 22 Rechnernetze II, Sommer 2006, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess

23 15.6 Asynchronones Time Multiplex (ATM) Mischen von Datenströmen mit unterschiedlicher Datenrate. Diensteintegration: - LAN-WAN Interconnection, TV-Verteilung, - Multi-Media Endgeräte, PC-Kommunikation, - Telephonie, ISDN,Videokonferenzen, Standard für Breitband-ISDN (B-ISDN, CCITT I.150): - Pakete mit fester Länge (53 Bytes), wenig Protokollaufwand, - Forward or Drop Verfahren, - kurze Latenzzeiten. Dienstequalität (QoS) anfordern: - Im Augenblick des Verbindungsaufbaus, - 2 Prioritäten, - Broadcast und Multicast möglich, - garantierter/mittlerer/maximaler Durchsatz, - Laufzeitgarantie & -varianz. 23 Rechnernetze II, Sommer 2006, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess

24 Paketformat Für den Transport im ATM- Netz wird im Prinzip nur der VPI verwendet. Erst im Endknoten wird der VCI ausgewertet und zum Beispiel auf Sockets abgebildet. Physical Layer Bits für Cell Loss Priority. Generic Flow Control meldet Netzüberlast. Sequenznummern entfallen. 5 Byte Header 48 Byte Payload Prüfsumme Physical Layer Bits Virtual Circuit # (VCI) Virtual Path # (VPI) Generic Flow Control 24 Rechnernetze II, Sommer 2006, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess

25 ATM Protokollstack Je nach Bedarf kann Anwendungsprogramm Dienste der Adaptierungsebene beanspruchen. Nur ausnahmsweise verarbeiten Programme direkt die 48 Byte Pakete. Für Verbindungsaufbau und Signalisierung sind Bibliotheksprozeduren erforderlich. ATM-Features, die nicht in Bibliothek verankert sind, können vom Programm etwa unter Umgehung der LAPD- Prozeduren gerufen werden. Convergence Sublayer Adaptierungsebene ATM-Ebene Phys. Ebene: Verb.- aufbau Anwendungsprogramm ~ LAPD Null Segmentierung Null Header, Payload, Flusskontr. Fasertyp, Scrambling 25 Rechnernetze II, Sommer 2006, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess

26 Protokollebenen Convergence Layer: - Modifizierte ISDN Q.931 Signalisierung. - Signalisierung z.b. über (VP=0, VC=15). Segmentation and Reassembly: - Prüfsumme für Payload einfügen, - LAPD-Meldungen segmentieren, - TCP-Nachrichten segmentieren. By-Pass Betrieb: - ohne Convergence Layer, mit SAR, - ohne Convergence L., ohne SAR, - Programm erhält direkt die 48 Byte Pakete. STM im Vergleich zu ATM: - (=synchronous time multiplexing), - STM verwendet Leitungsvermittlung, - Bitsynchron zwischen Endpunkten, - Suboptimale Leitungsauslastung. 26 Rechnernetze II, Sommer 2006, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess

27 Host Interfaces ATM ist eine Vermittlungstechnik, aber keine Schnittstellenspezifikation. Verschiedene Anschlusstechniken: - Glasfaser (Physical FDDI,...), - Twisted Pairs (Ethernet, ISDN,...), - Koaxialkabel (Ethernet,...). Datenraten: - variable Datenraten, - SONET Rate 155,52 Mbps (STC-3c), - SONET Rate 622,8 Mbps (STS-12c)... Realisierung in einer Sun-Workstation: - Call Control & höhere Protok. in Sparc CPU, - Message assembly & disassembly auf Karte, - Adapterkarte mit FDDI Anschlusstechnik, - Konvergenzebene auf der Karte, - Framing und CRCs auf Karte. 27 Rechnernetze II, Sommer 2006, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess

28 ATM Adaptierungsklassen: Verstecken die Zellenstruktur vor dem Programm. Benutzer-SDUs werden in der Convergence Sublayer CS mit einem Umschlag versehen. Segmentation and Reassembly Sublayer erzeugt die ATM-Zellen, bzw. setzt diese wieder zusammen. SDU AAL CS CS Header CS Trailer SAR ATM 28 Rechnernetze II, Sommer 2006, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess

29 AAL 1 (ATM Adaptation Layer #1): - dient zur Anpassung von CBR-Verkehr (Constant Bit Rate), z.b. H.261 Video, - Sequenznummer und Prüfsumme, evtl. Vorwärtsfehlerkorrektur, - Nutzlast pro Zelle 46 bzw. 47 Byte. AAL 2: - Variable Bitrate (VBR), z.b. MPEG, - Sequenznummer und Prüfsumme, - Nutzlast pro Zelle 45 Byte, - evtl. Vorwärtsfehlerkorrektur. AAL 3/4: - für VBR Daten entworfen, - ursprünglich AAL 3 verbindungsorientiert und AAL 4 verbindungslos, - Segmentierungs-Information & Prüfsumme pro Zelle, - Nutzlast ist 44 Byte. AAL 5: - ebenfalls für Daten mit variabler Bitrate, - Nutzlast in einer Zelle belegt alle 48 Byte, - nur der CS-Rahmen enthält Verwaltungsinformation und Prüfsumme. 29 Rechnernetze II, Sommer 2006, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess

30 15.7 Frame Relay Sicherung & Retransmission durch Endgerät wie bei ATM. Blockierungsmeldung von Netz entspricht Kollision bei CSMA/CD. Vermittlung evtl. nicht blockierungsfrei. Ähnlich wie ATM, aber: - keine Zellen fester Länge vermitteln, - sondern Messages variabler Länge, - höherer Protokollaufwand in Vermittlung, - kleinere Übertragungsrate ~2 MBit/sec. Format einer Meldung: Extended Address Discard Eligibility Forw. Explicit Congest. Notif. Backw. Explicit Congest. Notif. Data Link Connection Identifier Extended Address Command/Response Data Link Connection Identifier 30 Rechnernetze II, Sommer 2006, VS Informatik, Universität Ulm, P. Schulthess