Vorlesung: Netzwerke (TK) WS 2011/12 Kapitel 2 Direktverbindungsnetzwerke Session 06

Transkript

1 Vorlesung: Netzwerke (TK) WS 2011/12 Kapitel 2 Direktverbindungsnetzwerke Session 06 Prof. Dr. Michael Massoth [Stand: ] 6-1

2 6-2 Kapitel 2: Direktverbindungsnetzwerke Hosts physikalisch miteinander verbinden und Topologien Hardware-Bausteine (Teil 1): Verbindungsleitungen Hardware-Bausteine (Teil 2): Knoten Fokus auf Bitübertragungs- und Sicherungsschicht Die 5 wichtigsten Probleme: Kodierung, Frame-Erzeugung, Fehlererkennung, zuverlässige Zustellung und Zugriffssteuerung (bei Mehrfachzugriffsverbindungen) 6-2

3 Das Internet und seine Hardware-Bausteine 6-3 Frage: Was sind die Hardware-Bausteine (Zwischensysteme) eines Netzwerks, wie z.b. des Internets? [Frage ans Auditorium, an Tafel sammeln] 6-3

4 Das Internet und seine Hardware-Bausteine 6-4 Router Bridge Switch 100BaseT Hub ATM-Switch Small Hub (10BaseT) Multilayer Switch Repeater Gateway Modem 6-4

5 6-5 Lernziele heute: Hardware-Bausteine (Teil 2): Knoten (Kopplungselemente) Repeater, Hub, Bridge, Switch, Router und Gateway Lernziele im Detail: Aufgaben, Funktionen und OSI-Schichtzugehörigkeit der wichtigsten Netzwerk-Kopplungselemente kennen und verstehen Die wichtigsten Kodierungsarten kennen und anwenden können 6-5

6 Das Internet und seine Hardware-Bausteine 6-6 Nodes (dt. Knoten) (1): Hosts (Endsysteme, Endgeräte) Beispiele: PCs, Workstations, Großrechner, Notebooks, PDAs, Mobiltelefone, Kühlschränke Switches (Vermittler): Aufgabe: Vermittlung einzelner Datenpakete über Links zwischen Hosts, meist innerhalb eines Netzwerks Router Ein an zwei oder mehr Netzwerke angeschlossener Knoten, der Pakete von einem Netzwerk in ein anderes weiterleitet. 6-6

7 Das Internet und seine Hardware-Bausteine 6-7 Nodes (dt. Knoten) (2): Bridge (Brücke, auch LAN-Switch genannt) Hardware-Gerät der Sicherungsschicht zur Weiterleitung von Frames von einem physikalischen Netzwerk zu einem anderen Unterteilt ein Netzwerk in Segmente und filtern Traffic Hub (Konzentrator für LANs, auch Multiport-Repeater) Hardware-Gerät, das die Bits eines Frames entgegennimmt und sie an Ausgangsports befördert. Sind im Wesentlichen Repeater zur Konzentration innerhalb der Bitübertragungsschicht Repeater Hardware-Gerät, das je zwei Kabelsegmente verbindet, um die Rechweite eines LANs zu vergrößern. Überträgt Signale (Bits), arbeitet auf der physikalischen Bitübertragungsschicht Reinigt, verstärkt und überträgt Signale, die durch lange Kabel abgeschwächt wurden. Filtern keinen Traffic. 6-7

8 Das Internet und seine Hardware-Bausteine 6-8 OSI 7 Application 6 Presentation 5 Session 4 Transport Gateway Hybrid 5 Application 4 Transport 3 Network Router 3 Network 2 Data Link 2 Data Link Switch Bridge 1 Physical 1 Physical Repeater Hub 6-8

9 Repeater 6-9 Repeater sind Verstärker. Sie regenerieren die elektrischen Signale auf den Leitungen und können unterschiedliche Kabelarten (Koax, TP, LWL) miteinander verbinden. Repeater sind Hardware-Produkte, keine Software notwendig. Repeater können nicht zur Kopplung unterschiedlicher Zugriffsverfahren (Ethernet / Token-Ring) verwendet werden. verhindern die Übertragung von fehlerhaften elektrischen Signalen. Repeater verlängern Ethernet-Segmente. Maximal 4 Repeater sind in einem Strang erlaubt. Repeater können keine Datenpakete analysieren. In einem CSMA/CD-Netz ( Ethernet) gehören alle mit Repeatern verbundenen Segmente zu einer Kollisionsgemeinschaft (Kollisionsdomäne). Die Verbindung erfolgt im ISO/OSI-Modell auf der physical layer (Schicht 1, Bitübertragungsebene). 6-9

10 Fast-Ethernet Class-I-Repeater 6-10 Es können unterschiedliche physikalische Medien (100BaseTX auf 100BaseFX) miteinander verbunden werden. Sie haben deshalb eine relativ lange Signallaufzeit. Weisen zwischen dem Eingangsport und Ausgangsport eine maximale Verzögerungszeit von 168-Bit-Zeiten auf. Es ist pro Datenpfad nur ein Class-I Repeater erlaubt. Alle Ports gehören zur gleichen Kollisionsdomäne (shared Port) und teilen sich die 100MBit/s auf dem Weg zum File-Server. Alle Ports haben die gleiche Übertragungsgeschwindigkeit von 100MBit/s. Class-I Repeater TP max. 100m LWL max. 400m 6-10

11 Fast-Ethernet Class-II Repeater 6-11 Es sind nur Verbindungen mit identischen Medien möglich. Sind optimiert auf Signallaufzeiten. Weisen zwischen dem Eingangsund Ausgangsport eine max. Verzögerungszeit von 92-Bit-Zeiten auf, da keine Umsetzung auf andere Übertragungsmedien notwendig ist. Es sind zwei Class-II Repeater pro Datenpfad erlaubt. Die Entfernung der Repeater ist fabrikatsabhängig und liegt zwischen 5m bis 25m. Alle Ports gehören zur gleichen Kollisionsdomäne (shared Port) und teilen sich die 100MBit/s auf dem Weg zum File-Server. Alle Ports haben die gleiche Übertragungsgeschwindigkeit von 100MBit/s. 2 Class-II Repeater TP max. 100m Max. 25m TP max. 100m 6-11

12 Funktionen eines Repeater 6-12 Taktgerechte Signalregenerierung: Regeneriert das Datensignal nach Takt und Amplitude. Jeder Repeater erhöht die Signallaufzeit um 7 bis 9 Bit-Zeiten. Kollisionerkennung: Ein Repeater untersucht jedes angeschlossene Segment auf Kollisionen und teilt allen Stationen des Segmentes über das Jam-Signal ( Bit-Kombinationen) die Kollision mit. Separation fehlerhafter Netzsegmente: Moderne Repeater erkennen Kurzschlüsse, Unterbrechungen (fehlende Abschlußwiderstände), usw und sperren bis zur Fehlerbeseitung automatisch fehlerhafte Segmente. 6-12

13 Collision Domain

14 Ethernet: Regel 6-14 Topologien für 10Base5 und 10Base2 Collision Domain 6-14

15 Ethernet: Regel 6-15 Maximal 5 Segmente mit maximal 4 Repeater, davon maximal 3 Segmente mit Rechnern, also 2 reine Link-Segmente ergibt 1 zulässige Collision-Domain 6-15

16 Hub 6-16 Der Hub ist der Verteiler in einem sternförmig aufgebauten Netz. Er stellt jedem Rechner einen eigenen Port (Anschluß) zur Verfügung. Hubs gibt es mit 4, 8, 16, 24 und mehr Ports. Der Hub ist ein Multiport-Repeater, der alle Rechner intern zu einem Bus verbindet. Somit gehören alle Rechner, die an einen Hub angeschlossenen sind, zu einer Kollisiondomäne. Deswegen können Koax-Segmente mit TP-Segmenten direkt gekoppelt werden. Jeder Rechner kann allerdings über den Port des Hubs überwacht und selektiv abgeschaltet werden. Die Verbindung erfolgt im ISO/OSI-Modell auf der physical layer (Schicht 1, Bitübertragungsebene ). 6-16

17 Bridge (1) 6-17 Die Bridge arbeitet auf der Media Access Control (MAC)- Schicht (untere Hälfte der Schicht 2) Entscheidet über die Weiterleitung von Paketen auf Grund der physikalischen MAC Adresse ( deshalb muss die MAC-Adresse weltweit eindeutig sein) Eine Bridge teilt ein Datennetz in kleinere, besser überschaubare Einheiten und trennt im CSMA/CD-Netz die Kollisionsdomänen voneinander. Eine Bridge verbindet Netze mit gleichen oder unterschiedlichen Zugangsverfahren (z. B. CSMA/CD und Token-Ring) miteinander. 6-17

18 Bridge (2) 6-18 Bridges sind neugierige Elemente (sehen sich alle Pakete im LAN an und entscheiden ob diese weiter geleitet werden sollen) Eine Bridge erhöht die Datensicherheit, da die Informationen nicht im gesamten Netz verteilt werden. Eine Bridge erhöht die Ausfallsicherheit, da Störungen in einem Segment nicht auf andere Segmente übertragen werden. Die Koppelung der Netze erfolgt über die Logical Line Control (LLC) Schicht (2b) in der Schicht 2 (Data Link Layer). Deshalb können die Zugangsverfahren unterschiedlich sein. 6-18

19 Bridge (3): Ethernet-Bridges 6-19 Ethernet-Bridges arbeiten auf der Schicht 2 und verteilen deshalb nicht die Datenpakete im gesamten Netz wie Repeater. Ethernet-Bridges unterteilen das Netz in Kollisionsdomänen. Datenpakete Filtern und Weiterleiten Bridge Kollisionsdomäne 3 Hub TP Koax Kollisionsdomäne 1 Kollisionsdomäne

20 Bridge (5): Learning, Filtering, Forwarding 6-20 Learning: Eine Bridge wertet die Adressen in den empfangenen Datenpaketen aus und legt portabhängige Adresstabellen an. Da die Adresstabellen der Subnetze, die an die Bridge angeschlossen sind, automatisch erstellt werden, nennt man dies Learning-Mechanismus. Filtering: Wird bei der Analyse eines Datenpakets erkannt, daß die Destinations-Adresse in der lokalen Tabelle des gleichen Segment liegt, so wird keine Weiterleitung veranlasst. Diesen Vorgang nennt man Filtering. Forwarding: Wird bei der Analyse eines Datenpakets erkannt, daß die Destinations-Adresse in der Tabelle eines anderen Segments liegt, so wird eine Weiterleitung veranlasst. Diesen Vorgang nennt man Forwarding. Wird kein Eintrag in allen Tabellen gefunden, wird eine Kopie des Datenpaketes an alle physikalische Subnetze geschickt (sog. flooding). 6-20

21 Bridge (6): Aging-Mechanismus 6-21 Die Adressen in den Tabellen werden mit Zeitstempel versehen. Bei jedem Auftreten der Adresse wird der Zeitstempel auf Null gesetzt. Der Zeitstempel wird zyklisch inkrementiert. Die Adresstabellen werden nach dem Alter der Einträge sortiert. Aktuelle Adressen befinden sich somit immer am Anfang. Suchvorgänge während einer Übertragung benötigen deshalb relativ wenig Zeit. Adressen, deren Zeitstempel einen vorgegebenen Wert überschritten haben (meist 10 Minuten), werden aus der Tabelle gelöscht. Dadurch werden die Tabellen klein und aktuell gehalten. Sie können sehr schnell durchsucht werden. Defekte Rechner verschwinden somit automatisch aus den Listen. Rechner, die in ein anderes Segment verlegt werden, aktualisieren die Tabellen automatisch. 6-21

22 Switch (1) 6-22 Vermittlung (engl. Switching): Mechanismus, der die Zusammenschaltung von Verbindungsleitungen ermöglicht, um so ein größeres Netzwerk zu bilden ATM Switch (dt. Vermittler): Verfügt über mehrere Ein- und Ausgänge Sind mehrere Verbindungsleitungen angeschlossen Für jede dieser Verbindungsleitungen läuft ein entsprechendes Protokoll der Sicherungsschicht (engl. Data Link Layer, Schicht 2), um mit dem Knoten am anderen Ende zu kommunizieren Primäre Aufgabe Empfängt die auf einer Verbindungsleitung ankommenden Pakete und überträgt sie über eine andere Leitung Funktion Vermittlung (engl. Switching) und Weiterleitung (engl. Forwarding) Merke: Ein LAN-Switch (L2) ist eine Bridge mit vielen Ports! 6-22

23 Switch (2) 6-23 Port bei einem Switch Eingang, an dem Frames empfangen bzw. Ausgang, von dem Frames gesendet werden Jeder Switch muss die Ein- und Ausgangsports identifizieren können Dafür gibt es mindestens zwei Möglichkeiten: Jeder Port wird nummeriert Port wird mit dem Namen des Knotens (Switch oder Host) identifiziert, zu dem er führt Switching protocol T3 T3 STS-1 Input ports Switch T3 T3 STS-1 Output ports T3 T3 STS-1 Beispiel-Switch mit drei Eingangsund Ausgangsports Beispiel eines Protokollgraphen für einen Switch 6-23

24 Router 6-24 Ein Router koppelt zwei oder mehrere Netze mit verschiedenen Bitübertragungs- und Sicherungsebenen aneinander (Schicht 1 und Schicht 2 ). Die Koppelung erfolgt über die Netzwerkebene (Schicht 3, Network Layer). Auf der Schicht 3 werden mehrere voneinander getrennte Netzwerke zu einem logischen Gesamtnetzwerk gekoppelt. Die Schicht 3 stellt die dafür notwendigen Adressfunktionen und die Wegefindung (Routing) zwischen den Datennetzen bereit. Ein Router unterstützt mehrere Protokolle der Schicht 3 (TCP/IP; IPX, XNS, usw). Ein Router packt die Protokolle bis zur Schicht 3 aus, packt sie - wenn notwendig - um (Anpassen der Adressinformation bei vermaschten Netzen) und schickt sie wegoptimiert weiter. Router optimieren das Datentransferaufkommen. 6-24

25 Was ist Routing?

26 Routing durch das Internet

27 Routing: Basics (1)

28 Routing: Basics (2) 6-28 Problem: Find lowest cost path between two nodes!!! 6-28

29 Unterschied: Bridge/Switch versus Router 6-29 Switch 6-29

30 Unterschied: Routing versus Switching 6-30 Features Router Switch Speed Slower Faster OSI Layer Layer 3 Layer 2 Addressing used IP MAC Broadcasts Blocks Forwards Security Higher Lower 6-30

31 Unterschied: Weiterleitung versus Routing 6-31 Weiterleitung versus Routing: Wir betonen (hier) die wichtige, oft vernachlässigte Unterscheidung zwischen Weiterleitung und Routing. Merke: Weiterleitung besteht darin, dass die Zieladresse eines Pakets (z. B. eines IP Datagramms) in einer Tabelle nachgesehen wird. Dann wird das Paket in die Richtung versendet, die von der Tabelle vorgegeben ist. Weiterleitung ist ein relativ gut definiter, einfacher Prozess, der lokal in einem Knoten ausgeführt wird Merke: Routing ist der Prozess, bei dem die Weiterleitungstabellen erstellt werden. Routing hängt von komplexen verteilten Algorithmen ab, die sich im Verlauf der Geschichte ständig weiterentwickeln. 6-31

32 Einzelprotokoll versus Multiprotokoll Routing 6-32 Einzelprotokoll (z.b. nur IP) versus Multiprotokoll Routing: Siehe Beispiel: 6-32

33 Die Power von IP 6-33 Router data packet Ethernet ATM data packet HTTP TCP IP Eth HTTP TCP IP ATM Separate physical networks communicate to form a single logical network 6-33

34 Gateway 6-34 Mit einem Gateway werden Netze miteinander gekoppelt, die überhaupt nichts mehr gemeinsam haben z. B. unterschiedliche Zugriffsverfahren, Übertragungsprotokolle, Bildschirmansteuerungen, Code-Konvertierungen (Umsetzung der Daten), usw. Zum Beispiel wird der Zugang einer Arbeitsstation eines Novell- Netzes (IPX) zu dem T-Online-Netz der Telekom über einen Gateway-Rechner realisiert. Ein Gateway-Rechner wird oft als Kommunikations-Server bezeichnet. Ein Gateway erstreckt sich (meist) über alle 7 Schichten des OSI-7-Schichtenmodells. 6-34

35 6-35 Lernziele heute: Broadcast Domäne und Collison Domäne Lernziele im Detail: Broadcast Domäne und Collison Domäne verstehen und unterscheiden können 6-35

36 Broadcast Domain und Collision Domain (1) 6-36 Broadcast Domain: Eine Broadcast Domain umfasst alle Rechner eines IP-Subnetzes Broadcasts (= dt. Rundruf) müssen von Repeatern, Hubs, Bridges und Switches durchgereicht werden Broadcast Domain 6-36

37 Broadcast Domain und Collision Domain (2) 6-37 Collision Domain: Bridges und Switches können Ethernet in mehrere Collision Domains unterteilen Geräte lernen, welche MAC-Adressen in welchem Segment sind Ziel ist bessere Performance (weniger Kollisionen) und größere Ausdehnung des Netzes Collision Domain 1 Collision Domain

38 Broadcast- und Collision-Domain 6-38 Aufgabe: Einzeichnen der a) Broadcast-Domains b) Collision-Domains Switch Router Router Switch 6-38

39 Broadcast-Domain 6-39 Broadcast-Domains Switch Router Router Switch 6-39

40 Collision-Domain 6-40 Collision-Domains Switch Router Router Switch 6-40

41 Zusammenfassung: HW-Bausteine (1) 6-41 Repeater: Regeneriert und verstärkt das elektrische Signal Es findet keine Bitinterpretation statt Hub: Konzentrator für LANs Im Wesentlichen ein Multiport-Repeater Bridge/Switch: Nimmt physikalische Trennung von Netzen vor Führt Fehler- und Lasttrennung durch Mechanismen zum Filtern meist implementiert Rudimentäre Mechanismen zur Wegefindung u.u. vorhanden ( Routing Bridge ) 6-41

42 Zusammenfassung: HW-Bausteine (2) 6-42 Router: Entkoppelt die (Teil-) Netze auf logischer (Protokoll-) Basis aufgrund von Layer-3-Adressen (z.b. IP Adressen) Steuert den Verkehr zwischen Netzen Wegefindung (= Routing) Arbeitet Protokollabhängig! Gateway: Nimmt eine Umwandlung von Diensten vor Security-Mechanismen möglich Firewall, Proxy 6-42

43 Zusammenfassung: HW-Bausteine (3) 6-43 OSI 7 Application 6 Presentation 5 Session 4 Transport Gateway Hybrid 5 Application 4 Transport 3 Network Router 3 Network 2 Data Link 2 Data Link Switch Bridge 1 Physical 1 Physical Modem Repeater Hub 6-43

44 6-44 Ausblick auf nächste Session Kapitel 2: Direktverbindungsnetzwerke Hosts physikalisch miteinander verbinden Hardware-Bausteine: Knoten und Verbindungsleitungen Fokus auf Bitübertragungs- und Sicherungsschicht (Layer 1+2) Die 5 wichtigsten Probleme: Kodierung, Frame-Erzeugung, Fehlererkennung, zuverlässige Zustellung und Zugriffssteuerung (bei Mehrfachzugriffsverbindungen) 6-44

45 6-45 Lernziele heute: Erzeugung von Frames (Problem Nr. 2), Fehlererkennung (Problem Nr. 3) und zuverlässige Zustellung (Problem Nr. 4) Lernziele im Detail: Die verschiedenen Methoden zur Erzeugung von Frames (dt. Rahmen) kennen und verstehen Zeichen- und Bitstopfen, Byte- Zählmethode, taktbasierte Erzeugung von Frames Verschiedene Fehlererkennungsmethoden kennen und verstehen Verschiedene Methoden der zuverlässigen Zustellung kennen und verstehen 6-45

46 Die 5 wichtigsten Probleme 6-46 Fragestellung: Angenommen 2 Knoten sind direkt über ein physikalisches Medium miteinander verbunden. Bevor diese Knoten erfolgreich Pakete austauschen können, müssen noch 5 weitere Probleme gelöst werden: Problem 1: Kodierung von Bits Für die Übertragung müssen Bits kodiert werden, sodass sie vom empfangenden Host verstanden werden. Problem 2: Erzeugung von Frames Wie können Bitsequenzen, die übertragen werden, zu vollständigen Nachrichten zusammengefasst und dem Zielknoten zugestellt werden? 6-46

47 Die 5 wichtigsten Probleme 6-47 Problem 3: Fehlererkennung Weil Frames während der Übertragung manchmal beschädigt werden, müssen diese Fehler erkannt werden können. Problem 4: Zuverlässige Zustellung Da einige beim Zielknoten ankommende Frames Fehler enthalten können und daher verworfen werden, lautet die nächste Aufgabe, wie solche Fehler behoben werden können. Das Ziel ist dabei, die Verbindungsleitung für höhere Schichten und Anwendungen als zuverlässig erscheinen zu lassen. Problem 5: Zugriffssteuerung bei Mehrfachzugriffsverbindungen Eine Verbindungsleitung soll von mehreren Hosts gemeinsam genutzt werden können ( Effizienz) Wie soll der Zugriff auf das gemeinsame Übertragungsmedium gehandhabt werden, damit alle Knoten irgendwann die Gelegenheit erhalten, ihre Daten zu übertragen? 6-47

48 6-48 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Noch Fragen? Fragen und Diskussion 6-48