05 - Arbeitsunterlagen

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1 05 - Arbeitsunterlagen DVT GK /2014 OSI-Schicht 2 Fehlererkennung und Fehlerkorrektur, Mehrfachzugriffsprotokolle, Hardwareadressierung 0

2 Strukturierte Phase 1. Teil Arbeitsauftrag Stammgruppe Zeit: 3 Minuten Aufgabe I: Ordnen Sie sich einer Stammgruppe von 3 Personen zu. Die Mitglieder (3 Personen) meiner Stammgruppe sind: Aufgabe II: Auswahl des Themas Entscheiden Sie sich in Ihrer Stammgruppe für ein Thema aus jedem Themenblock und kreuzen Sie Ihr Thema an! Jedes Thema muss mindestens einmal gewählt sein. Mein Thema Expertenthema A Fehlererkennung und Fehlerkorrektur B Mehrfachzugriffsprotokolle C Hardwareadressierung Aufgabe III: Wechsel in die Expertengruppe Gehen Sie nun gemäß Ihres gewählten Themas aus dem Themenblock I in Ihre Expertengruppe und teilen Sie sich dort in Kleingruppen von 3-4 Personen auf! 1

3 Einführungstext OSI-Schicht 2 Bisher haben wir uns mit der Schicht 1 des OSI-Referenzmodells beschäftigt. Dort wurde festgelegt, über welches Medium die Datenübertragung stattfinden soll und auf welche Weise die Daten physikalisch dargestellt werden sollen (Leitungskodierung). In OSI-Schicht 2, der Sicherungsschicht, werden nun vorwiegend folgende Fragen beantwortet: Wie kann ich sicherstellen, dass meine Daten fehlerfrei beim Empfänger ankommen? Fehlererkennungs- und Fehlerkorrekturprotokolle Wie verhindere ich Konflikte, wenn mehrere Teilnehmer gleichzeitig auf das Medium zugreifen wollen? Mehrfachzugriffsprotokolle Wie kann ich bei einem Netzwerk mit mehreren Teilnehmern dafür sorgen, dass die Daten beim richtigen Empfänger landen? physikalische Adressen (MAC-Adressen) Mit der genaueren Beantwortung dieser drei Fragen werden sich die folgenden Infotexte beschäftigen. In den Texten wird eine möglicherweise für Sie ungewöhnliche Terminologie verwendet. Einige Begriffe sind daher zum besseren Verständnis in der folgenden Tabelle einzusehen. Netzwerkteilnehmer Netzwerkkabel (oder auch andere Medien) Netzwerkkarte Dies wird in der Netzwerktechnik oftmals einfach als Knoten bezeichnet. Man spricht auch gerne von einem Übertragungskanal. Dies ist historisch bedingt, da die Netzwerktechnik sich aus der Telekommunikationsund Fernsehtechnik heraus entwickelt hat. Dies wird in der Netzwerktechnik als Adapter bezeichnet. Um die oben genannten Aufgaben erfüllen zu können, müssen zu den eigentlichen Nutzdaten zusätzliche Datenbits hinzugefügt werden. Das daraus entstehende Datenpaket wird in der Schicht 2 auch Frame genannt. Sie werden sehen, dass in den nächsthöheren Schichten auch jeweils weitere Datenbits benötigt werden. Zusatzdaten (z.b. Ziel-MAC- Adresse oder Paritätsbits) Nutzdaten Frame 2

4 Infotext Expertenthema A: Fehlererkennung und Fehlerkorrektur Paritätsprüfung Die Verwendung von Paritätsbits stellt wohl die einfachste Art der Fehlererkennung dar. Angenommen, die zu sendenden Informationen umfassen d Bit. Bei gerader Parität bezieht der Sender einfach ein zusätzliches Bit ein und wählt seinen Wert so, dass die Gesamtzahl von Einsen in den d+1 Bits gerade ist. Bei ungerader Parität wird der Paritätsbitwert so gewählt, dass es eine ungerade Zahl von Einsen gibt. Beispiel für ungerade Parität: d Datenbit Paritätsbit Die Empfängeroperation ist bei diesem Vorgehen ebenfalls einfach. Der Empfänger muss nur die Einsen in den empfangenen d+1 Bit zählen. Ist die Zahl von 1-Bits bei gerader Parität ungerade, weiß der Empfänger, dass mindestens ein Bitfehler vorgekommen ist. Genauer gesagt, er weiß, dass eine ungerade Zahl von Bitfehlern vorgekommen ist. Was aber passiert, wenn eine gerade Zahl von Bitfehlern vorkommt? Sie sollten sich selbst davon überzeugen, dass dies zu einem unerkannten Fehler führt. Wenn die Wahrscheinlichkeit von Bitfehlern gering ist und man davon ausgehen kann, dass Fehler unabhängig von einem Bit zum nächsten vorkommen können, ist die Wahrscheinlichkeit mehrerer Bitfehler in einem Paket extrem gering. In diesem Fall kann ein einzelnes Paritätsbit genügen. Die Praxis zeigt aber, dass Fehler nicht einzeln, sondern in Haufen so genannten Bursts auftreten. Im Fall von Burst-Fehlerbedingungen kann die Wahrscheinlichkeit unerkannter Fehler 50% erreichen. Natürlich ist hier eine robustere Fehlererkennung notwendig (und wird in der Praxis zum Glück auch eingesetzt!). 3

5 Eine Verbesserung der Paritätsprüfung stellt die zweidimensionale Paritätsprüfung dar. Hierbei werden die d Datenbits in i Zeilen und j Spalten aufgeteilt. Ein Paritätsbit wird für jede Zeile und jede Spalte berechnet. Daraus resultieren i+j+1 Paritätsbits. Wir nehmen jetzt an, dass ein einzelner Bitfehler in den d Bit der Originaldaten vorkommt. Bei diesem Schema mit zweidimensionaler Parität ist die Parität der Spalte und Zeile, in denen sich das verdrehte Bit befindet, fehlerhaft. Der Empfänger kann somit die Tatsache, dass ein einzelner Bitfehler vorgekommen ist, nicht nur erkennen, sondern diesen auch korrigieren. Im Beispiel ist das 1-Bit in Position (2,2) beschädigt und in eine 0 verdreht. Sie können sich leicht überlegen, dass auch ein einzelner Bitfehler in den Paritätsbits selbst erkannt werden kann. Prüfsummenmethode Bei Prüfsummentechniken werden die d Datenbits als Sequenz vo- k-bit Ganzzahlen behandelt. Bei einer einfachen Prüfsummenmethode werden diese k-bit-ganzzahlen einfach summiert und die resultierende Summe bildet die Fehlererkennungsbits. Die so genannten Internet-Prüfsumme (Internet Checksum) basiert auf diesem Ansatz. Die Datenbytes werden als 16-Bit- Ganzzahlen behandelt und ihre Einerkomlementsumme bildet die Internet-Prüfsumme. Der Empfänger bildet dann auf dieselbe Art die Prüfsumme aus den Daten und vergleicht sie mit der übertragenen Prüfsumme. Sollten diese nicht übereinstimmen, muss ein Übertragungsfehler aufgetreten sein und die Daten werden erneut vom Sender angefordert. Beachten Sie, dass mit dieser Methode Fehler nur erkannt, nicht aber korrigiert werden können. Im Gegensatz zur Paritätsprüfung werden aber auch Fehler erkannt, welche mehr als ein Bit betreffen. Beispiel: Bildung der Prüfsumme durch Zerlegung der Datenbits in 8-Bit-Ganzzahlen Datenbits: Bit-Zahlen: (Prüfsumme) Dezimaldarstellung: = 451 Cyclic Redundancy Check (CRC) 4

6 Eine in den heutigen Computernetzwerken häufig angewandte Fehlererkennungstechnik basiert auf CRC-Codes. CRC-Codes funktionieren wie folgt: Man betrachte das d-bit-datenstück D, das übertragen werden soll. Sender und Empfänger müssen sich zuerst auf ein Bitmuster der Länge r+1 einigen, das als Generator bezeichnet wird, den wir hier G nennen. Für ein Datenstück D wählt der Sender dann r zusätzliche Bit R und hängt sie an D an, so dass das resultierende Bitmuster D+R genau durch G teilbar ist. Der Empfänger muss also nur die empfangenen Daten durch den vereinbarten Generator G teilen. Ist der Rest der Division ungleich Null, ist ein Fehler aufgetreten, andernfalls werden die Daten als korrekt angenommen. Beispiel: Generator G = 1001 (Beispiel bitte gut nachvollziehen! Falls Sie unsicher sind bei der binären Division, fragen Sie ihre Mitschüler und/oder die Lehrkraft) Empfangene Daten D+R = Prüfung durch Division D+R / G / 1001 = Rest gleich Null, Übertragung ohne Fehler Die entscheidende Frage ist nun, wie der Sender die zusätzlichen Bits R berechnet. Diese müssen ja genau so gewählt werden, dass die Division durch G aufgeht. Dazu wird zuerst R=0 gewählt und die Division D+R/G ausgeführt. Der Rest dieser Division stellt dann das gesuchte R dar. Beispiel: 5

7 Sender Generator G = 1010 Datenstück D = Zusatzbits R = 000 Berechnung von R durch Division D+R/G / 1010 = Rest R=010 Empfänger Generator G = 1010 Datenstück D = Zusatzbits R = 010 Empfangene Daten D+R = Prüfung durch Division D+R / G / 1010 = Rest gleich Null, Übertragung ohne Fehler Die Generatoren werden in der Praxis in den Protokollen der Sicherungsschicht festgelegt. Dabei gibt es für 8-,12-,16- und 32-Bit-Generatoren internationale Standards. In einer Reihe von IEEE-Protokollen der Sicherungsschicht wird z.b. der folgende 32-Bit-Generator verwendet: GCRC-32 = Beachten Sie: Die Angabe von 32-Bit bezieht sich im Regelfall auf die Anzahl der Bits von R. Der Generator besteht aber immer aus r+1 Bits und hat damit im obigen Beispiel 33 Bits. Es lässt sich nun zeigen, dass bei einem r-bit-generator Burst-Fehler von weniger als r+1 Bit und jede ungerade Bitfehleranzahl erkannt werden kann. Selbst bei mehr als r+1 fehlerhaften Bits besteht noch eine gewisse Wahrscheinlichkeit, den Fehler trotzdem zu erkennen. 6

8 Infotext Expertenthema B: Mehrfachzugriffsprotokolle Wir können zwischen zwei Typen von Netzwerkleitungen unterscheiden: den Punkt-zu-Punkt- Leitungen (Peer-to-Peer) und den Broadcast-Leitungen. Eine Punkt-zu-Punkt-Leitung besteht aus einem Sender am einen und einem einzigen Empfänger am anderen Ende der Leitung. Beim zweiten Leitungstyp, der Broadcast-Leitung, können mehrere sendende und empfangende Knoten über die gleiche, gemeinsam genutzte Leitung verbunden sein. Der Begriff Broadcast wird hier aus folgendem Grund verwendet: Wenn ein Knoten einen Frame überträgt, wird dieser über die Leitung an jeden anderen Knoten gesendet. Nur der entsprechende Adressat öffnet das Frame und verarbeitet es weiter, trotzdem empfangen erst einmal alle Knoten eine Kopie der Nachricht (eine Broadcast-Übertragung eben). Seit der Erfindung des Fernsehens sind wir alle mit dem Konzept des Broadcasting (Rundsenden, Ausstrahlen) vertraut. Das traditionelle Fernsehen ist aber Broadcasting in eine Richtung, während Knoten in einem Computernetzwerk über eine Leitung sowohl senden als auch empfangen können. Eine vielleicht bessere Analogie aus dem täglichen Leben zu einem Broadcast-Kanal ist eine Cocktail-Party, auf der viele Leute in einem großen Raum zusammen kommen (und die Luft das Broadcast- Medium bereitstellt), um sich zu unterhalten. Eine zweite gute Analogie ist etwas, mit dem Sie wohl vertraut sind: ein Klassenzimmer, in dem Lehrer und Schüler auf ähnliche Weise das gleiche, einzige Broadcast-Medium teilen. Ein zentrales Problem ist in beiden Szenarien die Feststellung, wer sprechen (d.h. in den Kanal übertragen) kann und wann er dies darf. Wir Menschen haben eine ausgeklügelte Reihe von Protokollen für die gemeinsame Nutzung des Broadcast-Kanals entwickelt: "Gib jedem Gelegenheit zu sprechen." "Rede erst, wenn du angesprochen wirst." "Nimm nicht das Gespräch in Beschlag." "Hebe die Hand, wenn du eine Frage hast." "Unterbrich eine andere Person nicht, die gerade spricht." "Schlafe nicht ein, wenn eine andere Person spricht." Computernetzwerke haben ähnliche Protokolle - die so genannten Mehrfachzugriffsprotokolle. Da alle Knoten in der Lage sind, Rahmen zu senden, können mehr als zwei Knoten gleichzeitig Rahmen übertragen. Wenn dies geschieht, empfangen alle Knoten gleichzeitig Rahmen, d.h., die übertragenen Rahmen kollidieren in allen Empfängern. Wenn eine solche Kollision eintritt, kann normalerweise keiner der Knoten mehr mit dem übertragenen Rahmen etwas Sinnvolles anfangen. In gewissem Sinn verheddern sich die Signale der kollidierenden Rahmen. Alle von 7

9 einer Kollision betroffenen Rahmen gehen folglich verloren und der Broadcast-Kanal wird währen des Kollisionszeitraums verschwendet. Wenn viele Knoten häufig Rahmen übertragen möchten, führen natürlich viele Übertragungen zu Kollisionen und ein Großteil der Bandbreite des Broadcast-Kanals wird verschwendet. Um sicherzustellen, dass der Broadcast-Kanal nützliche Arbeit verrichtet, wenn mehrere Knoten aktiv sind, müssen die Übertragungen der aktiven Knoten auf die eine oder andere Art koordiniert werden. Für diese Koordination ist das Mehrfachzugriffsprotokoll zuständig. Obwohl es eine Vielzahl solcher Protokolle gibt, lassen sich alle in drei Kategorien einordnen: Kanalaufteilungs-, Zufallszugriffs- und Rotationsprotokolle. Kanalaufteilungsprotokolle Wie der Name vermuten lässt, lösen solche Protokolle das Problem des Mehrfachzugriffs, in dem die Bandbreite des Broadcast-Kanals auf die einzelnen Teilnehmer aufgeteilt wird. Dies ist leicht durch zwei verschiedene Techniken möglich: Zeitmultiplexen (TDM) und Frequenzmultiplexen (FDM). Beim Zeitmultiplexen wird jedem Knoten ein gewisser Zeitrahmen zugewiesen, in welchem der Knoten Rahmen verschicken kann. Diese Zeiteinheiten werden im Normalfall so gewählt, dass problemlos eine oder mehrere Rahmen verschickt werden können. Wenn wir wieder unsere 8

10 Analogie mit der Cocktail-Party aufnehmen, würde ein Besucher auf einer TDM-regulierten Cocktail-Party über eine feste Zeitdauer sprechen können und dann andere Besucher über die gleiche Zeitdauer sprechen lassen. Nachdem jeder Gelegenheit zum Sprechen gehabt hat, wird das Muster von vorn wiederholt. TDM ist attraktiv, weil es Kollisionen beseitigt und absolut fair ist: Jeder Knoten erhält die gleiche Zeitdauer und damit die gleiche Bandbreite. Beträgt die Bandbreite des Kanals z.b: R bps (bits per second) und sind N Knoten angeschlossen, so hat jeder Knoten eine Bandbreite von R/N bps zur Verfügung. Dies ist aber gleichzeitig der große Nachteil von TDM. Auch wenn nur einer der Knoten überhaupt einen Rahmen senden möchte, hat er trotzdem nur die Bandbreite von R/N bps zur Verfügung und muss darüber hinaus noch warten bis er an der Reihe ist. Während TDM den Broadcast-Kanal in Bezug auf die Zeit aufteilt, werden die R bps des Kanals bei FDM in unterschiedliche Frequenzen (mit jeweils einer Bandbreite von R/N) aufgeteilt und jedem der N Knoten wird eine Frequenz zugewiesen. FDM erzeugt folglich N kleinere Kanäle mit R/N bps aus einem größeren Kanal mit R bps. FDM weist die gleichen Vor- und Nachteile wie TDM auf. Es vermeidet Kollisionen und teilt die Bandbreite fair auf die N Knoten auf. Dagegen wird der Knoten aber auf die Bandbreite von R/N eingeschränkt, auch wenn er der einzige Knoten ist, der Rahmen zu senden hat. Zufallszugriffsprotokolle Die zweite allgemeine Klasse von Mehrfachzugriffsprotokollen sind die so genannten Zufallszugriffsprotokolle. Bei einem solchen Protokoll überträgt ein sendender Knoten immer in der vollen Kanalrate, d.h. R bps. Tritt eine Kollision auf, überträgt jeder von der Kollision betroffene Knoten seinen Rahmen so oft erneut, bis der Rahmen kollisionsfrei durchkommt. Wenn ein Knoten aber an einer Kollision leidet, überträgt er nicht unbedingt den gleichen Rahmen sofort noch einmal. Vielmehr wartet er eine zufällige Verzögerung, bevor er den Rahmen erneut überträgt. Jeder von einer Kollision betroffene Knoten wählt unabhängig zufällige Verzögerungen. Aus diesem Grund ist es möglich, dass einer der Knoten eine Verzögerung aussucht, die wesentlich kürzer als die Verzögerung der anderen kollidierenden Knoten ist, so dass es ihm gelingt, seinen Rahmen kollisionsfrei durch den Kanal zu schleusen. Sie werden in den nächsten Unterrichtsstunden mit der Ethernet-Protokollfamilie vertraut gemacht werden. Dieses verwendet für die Mehrfachzugriffskontrolle ein solches Zufallszugriffsprotokoll. Dieses wird CSMA (Carrier Sense Multiple Access) genannt. 9

11 Rotationsprotokolle Wie bei den Zufallszugriffsprotokollen gibt es Dutzende von Rotationsprotokollen. Wir werden uns daher auf die zwei wichtigsten Vertreter beschränken. Das erste ist das Polling-Protokoll. Es setzt voraus, dass einer der Knoten als Master-Knoten fungiert. Der Master-Knoten pollt die einzelnen Knoten rundum ab. Das heißt, er sendet zuerst eine Nachricht an Knoten 1, in der er ihm mitteilt, dass er bis zur maximalen Rahmenanzahl übertragen kann. Der Master-Knoten weiß, dass ein Knoten mit der Übertragung seiner Rahmen fertig ist, wenn er feststellt, dass auf dem Kanal kein Signal mehr anliegt. Die Prozedur wird auf diese Weise fortgesetzt, indem der Master-Knoten jeden einzelnen Knoten im Rundumverfahren pollt. Das Polling-Protokoll vermeidet die Kollisionen und die Leerlaufzeiten, an denen die Zufallszugriffsprotokolle leiden, so dass eine viel höhere Effizienz erreicht wird. Es hat aber auch ein paar Nachteile. Erstens führt das Protokoll eine Polling-Verzögerung ein, d.h. die erforderliche Zeit für die Benachrichtigung eines Knotens, dass er übertragen kann. Ist beispielsweise nur ein Knoten aktiv, überträgt dieser Knoten in einer geringeren Rate als R bps, weil der Master-Knoten alle inaktiven Knoten nacheinander jedes Mal pollen muss, wenn der aktive Knoten mit der Übertragung einer maximalen Rahmenanzahl fertig ist. Der zweite Nachteil ist gravierender: Wenn der Master-Knoten ausfällt, bricht der Betrieb des gesamten Kanals zusammen. Das zweite Rotationsprotokoll ist das Token-Passing-Protokoll. Bei diesem Protokoll gibt es keinen Master-Knoten. Vielmehr wird ein kleiner spezieller Rahmen, den man als Token bezeichnet, zwischen den Knoten in einer festgelegten Reihenfolge ausgetauscht. Beispielsweise darf Knoten 1 das Token immer an Knoten 2, Knoten 2 an Knoten 3 und Knoten N an Knoten 1 senden. Wenn ein Knoten das Token empfängt, behält er es nur, falls er Rahmen übertragen muss; andernfalls gibt er es sofort an den nächsten Knoten weiter. Hat ein Knoten Rahmen zu übertragen, wenn er das Token empfängt, sendet er bis zur maximalen Rahmenanzahl und gibt das Token dann an den nächsten Knoten ab. Token-Passing ist dezentral und sehr effizient. Es ist aber auch nicht ganz frei von Problemen. Der Ausfall eines Knotens kann z.b. den gesamten Kanal zum Absturz bringen. Und wenn ein Knoten versehentlich das Token nicht mehr freigibt, muss eine Wiederherstellungsprozedur aktiviert werden, um das Token wieder in Umlauf zu bringen. 10

12 Infotext Expertenthema C: Hardwareadressen In der Einleitung haben wir gesehen, dass Knoten in LANs einander Rahmen über einen Broadcast-Kanal zusenden. Das heißt, wenn ein Knoten in einem LAN einen Rahmen überträgt, empfängt jeder andere im LAN angeschlossene Knoten diesen Rahmen. Normalerweise möchte ein Knoten in einem LAN einen Rahmen aber nicht unbedingt an alle anderen LAN- Knoten, sondern nur an einen bestimmten senden. Um diese Funktionalität bereitzustellen, müssen die Knoten im LAN in der Lage sein, sich beim Versenden von Rahmen zu adressieren. Das heißt, die Knoten brauchen LAN-Adressen und der Rahmen der Sicherungsschicht benötigt ein Feld für die Aufnahme einer solchen Zieladresse. Wenn dann ein Knoten einen Rahmen empfängt, kann er feststellen, ob er an ihn oder an einen anderen Knoten im LAN adressiert ist: Wenn die Zieladresse des Rahmens mit der LAN-Adresse des empfangenden Knotens übereinstimmt, nimmt der Knoten den Rahmen an und reicht ihn an die nächsthöhere Schicht weiter. Wenn die Zieladresse nicht mit der Adresse des empfangenden Knotens übereinstimmt, verwirft der Knoten den Rahmen. In Wirklichkeit hat nicht der Knoten selbst (also z.b. der Computer), sondern sein Adapter (z.b. die Netzwerkkarte) eine LAN-Adresse. Eine LAN-Adresse wird auch als physikalische, Ethernet- oder MAC-Adresse (Media Access Control) bezeichnet. Bei LANs sind die LAN-Adressen sechs Byte lang, so dass 2 48 mögliche LAN-Adressen zur Verfügung stehen. Diese 6-Byte-Adressen werden normalerweise in hexadezimaler Notation ausgedrückt, wobei jedes Adressbyte als hexadezimales Zahlenpaar ausgedrückt wird und durch Bindestriche getrennt dargestellt wird. Die LAN-Adresse eines Adapters ist permanent. Sie wird bei der Herstellung in das ROM des Adapters eingebrannt. Eine interessante Eigenschaft von LAN-Adressen ist, dass nie zwei Adapter die gleiche Adresse haben. Dies mag angesichts der Tatsache, dass Adapter in vielen verschiedenen Ländern von unterschiedlichen Firmen hergestellt werden, überraschen. Wie kann ein Adapterhersteller in Taiwan sicherstellen, dass er andere Adressen als ein Hersteller aus Belgien verwendet? Die Antwort ist, dass IEEE den physikalischen Adressraum verwaltet. Wenn eine Firma Adapter herstellen möchte, kauft sie einen Teil des aus 2 24 Adressen bestehenden Adressraums gegen eine geringe Gebühr. IEEE weist die ersten 24 Bit einer physikalischen Adresse zu und überlässt es der Firma, mit den letzten 24 Bit für jeden Adapter eindeutige Kombinationen zu bilden. Die LAN-Adresse eines Adapters ändert sich nie, ganz egal, wohin der Adapter ausgeliefert oder angeschlossen wird. Im Gegensatz dazu sind IP-Adressen (OSI-Schicht 3) dynamisch und können sich im Laufe der Zeit ändern. Die LAN-Adresse eines Adapters ist vergleichbar mit der 11

13 Sozialversicherungsnummer einer Person, die sich ebenfalls nie ändert, egal, wohin die Person geht. Die IP-Adresse entspricht dann der Postanschrift einer Person; sie ist hierarchisch und ändert sich, wenn die Person umzieht. Man bezeichnet die IP-Adresse auch als logische Adresse. Mit Hilfe der LAN-Adressen können Rahmen nun gezielt an einen Empfänger gesendet werden. Nach wie vor empfangen alle Knoten die Nachricht, aber nur der richtige Empfänger verarbeitet diese Daten auch. Manchmal möchte ein sendender Adapter aber, dass alle anderen Adapter im LAN einen Rahmen empfangen und verarbeiten. In diesem nutzt der Adapter eine spezielle LAN-Broadcast-Adresse, welche nur aus Einsen besteht (d.h. FF-FF-FF-FF-FF-FF in der hexadezimalen Notation). Adressauflösung Will nun ein Rechner A an einen Rechner B Daten versenden, muss er die physikalische Adresse des Empfängers ermitteln. Ohne diese kann er keine definitive Empfängeradresse angeben, und ohne diese weiß kein Rechner, dass die Daten für ihn bestimmt sind. Bekannt ist erst einmal nur die logische Adresse des Empfängers. Dass innerhalb eines LAN-Segments die physikalische Adresse bekannt sein muss, ist transparent, in der Regel sieht ein User nichts davon. Nach Abschluss der Schicht 3 werden wir die Zusammenhänge zwischen der logischen und der physikalischen Adresse und die Zweistufigkeit der Adressen in Schicht 2 und 3 richtig verstehen. Der sendende Rechner sendet also als Erstes ein Paket an alle Rechner, indem er eine Adressanfrage macht. Er sendet seine logische (zum Beispiel die IP-Adresse) und seine physikalische Adresse, die logische des Empfängers und ein Fragezeichen an die Broadcast-Adresse FF- FF-FF-FF. Alle Rechner betrachten dieses Paket und sehen nach, ob ihre logische Adresse darin enthalten ist. Wenn nicht, wird das Paket verworfen. Wenn ja, füllt der Rechner seine physikalische Adresse ins Fragefeld ein, merkt sich die Daten des Senders und schickt das Paket zurück. Nun ist beiden, Sender und Empfänger, alles bekannt, sie können Daten austauschen. Sender und Empfänger kennen die zur logischen gehörige physikalische Adresse des Partners und können miteinander kommunizieren. Diese Art der Adressauflösung nennt man einen ARP-Request. ARP steht für Address Resolution Protocol. 12

14 300 Sekunden nach dem letzten Kontaktverfallen diese Informationen. (Dies ist ein empfohlener Richtwert, hier ist alles nicht so ganz starr implementiert und stark vom Hersteller abhängig, gültig ist eine Zeit von 10 bis 10 Millionen Sekunden). Wollen beide nach dieser Zeit wieder kommunizieren, müssen sie wieder Anfragepakete austauschen. Der Speicher, in dem die Daten zwischengespeichert werden, nennt sich der ARP-Cache. Dies hört sich sehr kompliziert an. Warum werden die Daten nicht dauerhaft gespeichert? Die logischen Adressen werden vom Computerbetreuer vergeben. Er muss sie jederzeit ändern können. Durch dieses Verfahren ist sichergestellt, dass ein Netzwerkgerät nach Änderung seiner logischen (zum Beispiel IP- )Adresse ohne irgendwelche Konfigurationen immer noch/wieder erreichbar ist. Analog gilt dasselbe auch für eine Änderung der physikalischen Adresse (zum Beispiel durch den Austausch eines defekten Netzwerkadapters). Es ist möglich, diesen ARP-Cache permanent zu machen. Der ARP-Request entfällt dadurch. Es ist aber beliebig gefährlich, dies zu tun. Denn kommt es zu Änderungen an der Hardware des Netzwerkadapters, zum Beispiel durch einen Ersatz bei Defekt, ändert sich die MAC- Adresse, und der Rechner kann nicht mehr erreicht werden. Der Sender fragt nicht an, sondern schickt die Daten blind an die alte Adresse, die es nicht mehr gibt. Die Daten werden verworfen. Genauso gibt es den umgekehrten Weg. Bootet zum Beispiel eine Station ohne Festplatte direkt vom Netzwerk, weiß sie ihre physikalische, aber nicht ihre logische Adresse, sie hat kein Speichermedium, von dem sie sie lesen könnte. Die MAC-Adresse aber ist fest im Netzwerkadapter eingebrannt. Also muss die Station ihre logische Adresse auflösen. Sie sendet also ein Anfragepaket ins Netz. Hier aber fragt sie nach ihrer eigenen logischen Adresse. Diese Anfrage nennt man RARP, Reverse Arp-Request. Dieser Vorgang weist schon darauf hin, warum Schicht 2 und 3 eigene Adressen haben müssen. Die physikalische LAN-Adresse ist notwendig für viele Netzwerkvorgänge. Die logische IP-Adresse ist aber von der Software verwaltet, sie wird im Betriebssystem konfiguriert und steht erst zur Verfügung, wenn dies gestartet ist. Hubs und Bridges Die einfachste Möglichkeit, mehrere LANs zu verbinden, ist die Verwendung von Hubs. Ein Hub ist ein einfaches Gerät, das eine Eingabe (d.h. die Bits eines Rahmens) entgegennimmt und sie an die Ausgangsports des Hubs befördert. Hubs sind im Wesentlichen Repeater, die mit Bits arbeiten. Damit sind sie Geräte der Bitübertragungsschicht (Schicht 1). Ein Hub verstärkt alle Signale, die er aufnimmt, und gibt sie durch alle Ports wieder aus. Daher sind ständig alle Pakete, die irgendwo im LAN gesendet werden, überall präsent. Jeder Adapter 13

15 muss alle Pakete ansehen, um zu entscheiden, ob das Paket für ihn bestimmt ist oder nicht. Die zunehmende Verkehrsflut, die durch immer mehr Endgeräte in einem LAN ausgelöst wurde, führte daher dazu, dass man in hoch belasteten Segmenten mit vielen Endgeräten, die viel Kommunikation verursachten, bald alleine durch die Zahl der Verbindungen am Ende der Übertragungsfähigkeit der Netzwerke angelangte. Die Anzahl der Kollisionen wurde zu hoch. Die Lösung brachte hier nicht ein anderes Zugriffsverfahren, sondern ein Gerät, das diese Probleme entschärft. Dieses Gerät besitzt zwei Anschlüsse und wird im Medium zwischengeschaltet, teilt also das Medium in zwei physikalische Bereiche. Dieses Gerät nennt sich Bridge, die Brücke. Die Bridge überwacht alle ARP-Pakete und merkt sich an der Source-Adresse in den Paketen, welche MAC-Adresse auf welcher Seite der Bridge installiert ist. Ein Paket, das nicht ins andere Segment (auf die andere Seite der Bridge) gehört, wird nicht weitergeleitet. Die Bridge sieht sich jedes Paket an, das sie empfängt, und trägt in eine Tabelle die MAC-Adresse und den Anschluss ein. Jedes weitere Paket für dieses Gerät wird danach nur noch an dieses Segment weitergeleitet. Anhand dieser Information kann die Bridge verhindern, dass Daten, die für Geräte innerhalb desselben Segmentes bestimmt waren, das andere Segment stören, sie kann die Verkehrslast kanalisieren. Die MAC-Tabelleneinträge werden aus demselben Grund wie die ARP-Caches nach 300 Sekunden gelöscht (empfohlener Richtwert, herstellerabhängig). Sonst wäre ein Rechner, der von einer Seite der Bridge zur anderen umgezogen wird, nicht mehr erreichbar. Bei einer erneuten Kommunikation nach mehr als 300 Sekunden Pause muss die Bridge wieder neu lernen. Eine Rundsendung an alle (Broadcast), wie zum Beispiel ein ARP-Request, muss die Bridge an alle Ports ausgeben, ebenso Sendungen an noch unbekannte Adressen und Multicasts. Eine Adressauflösung zum Beispiel wäre sonst nicht möglich. Der Einsatz der Bridges war natürlich nur dann sinnvoll, wenn die Topologie klug gewählt wurde. Rechner, die untereinander viel Verkehr produzierten, mussten sinnvoll gruppiert werden. Die Topologie der Verbindungen musste regelrecht designt werden. 14

16 Kann-Liste für die Freie Phase Zeit: 40 min Ich kann TNW Tax die Fehlererkennung durch Paritätsbits anwenden. A-01 XXX die zweidimensionale Paritätsprüfung anwenden. A-02 XXX die Fehlererkennung durch Prüfsummen erläutern. A-03 (Text) XX 15

17 die Fehlererkennung durch CRC-Codes anwenden. A-04 XXX XXX erläutern, wozu Mehrfachzugriffsprotokolle benötigt werden. A-05 (Text) XX die drei Hauptkategorien von Mehrfachzugriffsprotokollen nennen und erläutern. A-06 (Text) XX den Aufbau einer physikalischen Adresse nennen. A-07 (Text) X den Unterschied zwischen physikalischen und logischen Adressen erläutern. A-08 (Text) XX die Funktionsweise von Hub und Bridge erläutern. A-09 (Text) XX Kompetenzprofil! Ihre persönliche Gesamtsumme: maximal möglich: Kreuze Ich bin mit meiner Anzahl von Kreuzen zufrieden nicht zufrieden 16

18 A-01 Aufgabensammlung für die Freie Phase Geben Sie an, ob bei den folgenden Datenbits ein Übertragungsfehler aufgetreten ist oder nicht. Gerade Parität: Datenbits Paritätsbit Ergebnis Fehlererkennung Ungerade Parität: Datenbits Paritätsbit Ergebnis Fehlererkennung A-02 Geben Sie an, ob ein Fehler erkannt wird und markieren Sie die Position des Fehlerbits. In allen Beispielen soll eine gerade Parität verwendet werden Ergebnis Fehlerkorrektur: 17

19 Ergebnis Fehlerkorrektur: Ergebnis Fehlerkorrektur: A-03 Erläutern Sie, wie die Fehlererkennung mit der Prüfsummenmethode funktioniert. A-04 Führen Sie eine Datenübertragung mit einer Fehlererkennung mit Hilfe von CRC- Codes durch. Berechnen Sie dazu beim Sender die entsprechenden Zusatzbits R und weisen Sie durch Rechnung beim Empfänger nach, dass die Datenübertragung ohne Fehler stattgefunden hat. Datenbits: Generator:

20 A-05 Erläutern Sie, wozu Mehrfachzugriffsprotokolle verwendet werden. A-06 Mehrfachzugriffsprotokolle können in drei Hauptkategorien eingeteilt werden. Nennen und erläutern Sie diese. A-07 Beschreiben Sie den Aufbau einer physikalischen Adresse (MAC-Adresse). A-08 Erläutern Sie den Unterschied zwischen physikalischer und logischer Adresse. A-09 Erläutern Sie Funktionsweise und Einsatzzweck von Hubs und Bridges. 19