Rechnernetze Sommer Rechnernetze. Ethernet. Robert M. Metcalfe, (c) Peter Sturm, Uni Trier 1

Transkript

1 Rechnernetze Ethernet Robert M. Metcalfe, 1976 (c) Peter Sturm, Uni Trier 1

2 Historisches Mai 1973 Bob Metcalfe Xerox PARC, Kalifornien Baut auf Aloha Network, Universität Hawaii auf Radio-Netzwerk zur Verbindung der einzelnen Inseln Ende der 60er Jahre (c) Peter Sturm, Uni Trier 2

3 IEEE 802 LMSC = LAN/MAN Standards Committee (Project 802) 802 zufällig nächste freie Zahl zum Zeitpunkt der Gründung oder weist auf ersten Treffen hin (Februar 1980) Zuständig für Link-Layer (LLC) und Medium- Access (MAC) wikipedia Ziele Einfach zu erweiterndes Kommunikationssystem Mehrere Gebäude Kostengünstige Lösung Passives System Alle Kontrolle in den kommunizierenden Endgeräten Einfache Erweiterbarkeit der Topologie Reliability through Simplicity Keine redundante Verbindungen Kein Store-And-Forward Netz (c) Peter Sturm, Uni Trier 3

4 Varianten Benennung Übertragunsrate Charakteristika 10BASE5 10 MBit/s Original; Thick Ethernet 10BASE2 10 MBit/s Thin Ethernet 10BASE-T 10 MBit/s Twisted-Pair-Kabel (TP) 100BASE-TX 100 MBit/s 100BASE-FX 100 MBit/s Lichtwellenleiter 1000BASE-T 1 GBit/s Häufigste Fassung (verwendet TP) 1000BASE-** 1 GBit/s Diverse Lösungen mittels Glasfaser 10GBASE-** 10 GBit/s Primär Lösungen auf Basis Glasfaser 10GBASE-T 10 GBit/s Oder doch auch mit Kupferkabel? THICK ETHERNET (c) Peter Sturm, Uni Trier 4

5 Topologie Wurzelloser Baum Nur ein Weg zwischen jeweils zwei Rechnern In jeder Richtung erweiterbar Ethernet Segment Terminierung Repeater Maximale Ausdehnung 2800 Meter 25 m 500 m 50 m (c) Peter Sturm, Uni Trier 5

6 Transceiver 10 MB Thick Ethernet Transceiver 10 MB Thick Ethernet (2) (c) Peter Sturm, Uni Trier 6

7 Transceiver 10 MB Thick Ethernet (3) Transceiver 10 MB Thick Ethernet (4) (c) Peter Sturm, Uni Trier 7

8 Aufbau Ethernet-Frame (10 MBit) Preamble SFD Destination Address Source Address Length/Type Indicator Data Pad (optional) Frame Check Sequence 56 Bit 8 Bit 48 Bit 48 Bit 16 Bit Byte 32 Bit Preamble Synchronisation zwischen Sender und Empfänger Nur für die Zeitdauer der Übertragung eines Frames SFD = Start of Frame Delimiter 48 Bit Ethernet-Adressen Pad Auffüllen, falls weniger als 512 Datenbits Minimale Framegröße Frame Check Sequence CRC-Summe zur Fehlererkennung Ethernet-Adresse G/L I/G 00 1b 63 bd 6e 42 Hersteller Fortlaufende Nummerierung Hersteller = 24 Bit OUI (Organizationally Unique Identifier) Wird von IEEE-SA (Standards Association) vergeben Aktuell über Kennungen vergeben (0.07%) I/G-Bit Unicast (0), Multicast (1), Broadcast (alle Bits 1) G/L-Bit GAA Globally administered Address (0, Normalfall) LAA Locally Administered Address (1) (c) Peter Sturm, Uni Trier 8

9 OUI Beispiele Länge/Typ Unterschiedliche Bedeutung je nach Herkunft Typ = ursprüngliches DIX-Format (Ethernet_II) Typ Dezimal Protokoll 0-05dc Länge XEROX IDP IP X ARP RARP 809b AppleTalk Novell (c) Peter Sturm, Uni Trier 9

10 Weitere EtherTypes wikipedia Kodierung Manchester Kodierung Implizite Taktung im seriellen Datensignal Synchronisation über Präambel zu Beginn des Frames Immer Pegelwechsel innerhalb der Bitperiode Erst Komplementärwert, dann eigentliches Bitsignal 1 : 01 0 : 10 (c) Peter Sturm, Uni Trier 10

11 Senden eines Frames ohne Kollision 1. Sendeauftrag für Frame e wird an MAC übergeben 2. Warten bis Medium frei (CSMA) Frame e 1 aktuell übertragenes Frame 3. Interframe gap (9.6ms) Zeit für Empfang und Weiterverarbeitung beim Empfänger Senden von Frame e Zeit Senden mit Kollision A B Frame e 1 Frame f 2 1. Sendeauftrag Frame e an A 2. Sendeauftrag Frame f an B 3. Warten auf freies Medium und Interframe Gap; Senden von e 3 4. Kollisionserkennung (CD) 5. Abbruch der Übertragung und senden der Jam Sequence 6. analog Station B 4 5 Zeit (c) Peter Sturm, Uni Trier 11

12 Reaktion auf Kollisionen Kritisches Kollisionsfenster Länge des Fensters? Zeitpunkt der Wiederholung? Warum ist es nicht sinnvoll, konstante Zeit zu warten? Truncated Binary Exponential Backoff Zufallszeit in Intervall I warten Intervall I wächst exponentiell mit jeder Wiederholung Obere Schranke bei Wiederholungen Repeater und Hubs Repeater OSI-Layer 1 Bereit Signal lediglich auf Hub Ein Segment versteckt sich in einem Gehäuse Mehrere Anschlüsse Keine Trennung von Kollisionsdomainen (c) Peter Sturm, Uni Trier 12

13 THIN ETHERNET 10BASE2 Bild: Bautechnische Vereinfachung (c) Peter Sturm, Uni Trier 13

14 MODERN ETHERNET (SWITCHED) Fast Ethernet 100 MBit/s 1 GBit/s und mehr Halbduplex : CSMA/CD Vollduplex : Sterntopologie, keine Kollisionen mehr Hauptproblem Hohe Datenrate bei möglichst geringer Frequenzerhöhung 1 GBit/s über TP braucht nur 250 MHz (c) Peter Sturm, Uni Trier 14

15 Kodierung 100 MBit/s 4B/5B Kodierung Aus 4 Datenbits werden 5 übertragene Bits Ausreichend viele Bitwechsel für implizite Taktung NRZI-Kodierung 1 : Pegelwechsel innerhalb der Bitperiode 0 : Kein Pegelwechsel Geringere Frequenz als bei Manchester notwendig 1 GBit/s CSMA/CD nicht mehr umsetzbar Kollisionsdomäne bestimmt Segmentlänge Unverändert ergeben sich maximal 20 Meter Minimale Paketlänge erhöhen Von 64 Byte auf 512 Byte (c) Peter Sturm, Uni Trier 15

16 Jetzt wird es heftig! Kodierung Ziel: Frequenz so wenig wie möglich erhöhen 8B/10B Kodierung (Glasfaser) Codegruppe hat mindestens 4 und nicht mehr als 7 Pegelwechsel Gleichspannungsfreiheit über 2 Codegruppen Kodierung (TP) Nutzung von 4 seriellen Aderpaaren Vollduplex durch Echo-Cancellation 4D-PAM5 / 8B1Q4 Kodierung Aus 8 Bits werden 4 fünfwertige Symbole 5 Spannungswerte -1 V, -0.5 V, 0 V, +0.5 V, 1 V Trellis-Kodierung Scrambling ~ Spread Spectrum VLAN (c) Peter Sturm, Uni Trier 16

17 SWITCHES (c) Peter Sturm, Uni Trier 17

18 Ethernet-Switching Kreuzverschaltung von n Ports Crossbar-Switch Ab 1 GBit Ethernet zwingend notwendig Port = Einzelne Station (1 Adresse) Keine Kollisionen Full-Duplex Segment Nominalleistung zwischen jeweils 2 Ports Pi und Pj Benötigte Gesamtleistung bei 16 Ports, 1000 Mbit? Weitergabe von Frames Store-and-Foreward Cut-Through Vor- und Nachteile? P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 Große Switches Cisco Nexus 7000 Gehäuse ~ $ bis 18 Erweiterungen z.b. 48 Port 10/100/1000 für ~ $ (c) Peter Sturm, Uni Trier 18

19 Literatur R.M. Metcalfe, D.R. Boggs, Ethernet: Distributed Packet Switching for Local Computer Networks, CACM, Vol. 19, No. 7, pp , Juli 1976 J. Rech, Ethernet, 2. Auflage, Heise Verlag, 2008 C.E. Spurgeon, Ethernet The Definitive Guide, O Reilly, 2000 Altes Ethernet CSMA/CD-Verfahren Carrier Sense Multiple Access Collision Detection 10/100/1000 MBit/s und mehr nominal T-Stück Medium Access Controller (MAC) Thick Ethernet Bridge Thin Ethernet Transceiver Repeater Twisted Pair Hub/Switch Terminierung (c) Peter Sturm, Uni Trier 19