Vorlesung Rechnernetze 5. Sicherungsschicht

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1 5. Sicherungsschicht Prof. Dr. rer. nat. habil. Dr. h. c. Alexander Schill Fakultät Informatik,

2 Schichtenübersicht Anwendungsschicht Transportschicht Vermittlungsschicht Anwendungsschicht Transportschicht Vermittlungsschicht Sicherungsschicht Logical Link Control (LLC) Media Access Control (MAC) Kap. 5 Sicherungsschicht Bitübertragungsschicht Bitübertragungsschicht 5.2

3 1. Sicherungsschicht Aufgaben Kommunikation zwischen Partnern im gleichen Subnetz (z. B. via Ethernet) bzw. über Punkt-zu-Punkt-Verbindung (z. B. PPP Point-to-Point-Protocol bei Internet-Zugang oder via VPN Virtuelles Privates Netz) Funktionalität: Bildung von Übertragungsrahmen zur Kontrolle von Prüfsummen Fehlerbehandlung (z.b. Verfälschung, Verlust, Reihenfolge, Duplikate) Flusskontrolle zur Überlastvermeidung Verbindungsverwaltung Interface für die Vermittlungsschicht Verbindung der Sicherungsschicht virtueller Datenpfad physikalischer Kanal tatsächlicher Datenpfad

4 Zuverlässigkeitsebenen Unbestätigter verbindungsloser Dienst durch fehlende Bestätigung gehen Pakete verloren Bestätigter verbindungsloser Dienst zuverlässiger durch Bestätigung Overhead durch Bestätigung Bestätigter verbindungsorientierter Dienst verbindungsorientiert = Aufbau einer Verbindung vor der Übertragung nummerierte Rahmen Garantie, dass der Rahmen ankommt Reihenfolge wird beibehalten genau einmaliger Empfang möglich 5.4

5 Rahmenbildung Problem: Bitstrom aus der Bitübertragungsschicht strukturieren Rahmenstruktur ermöglicht Fehlererkennung und Fehlerkorrektur auf Bit-Ebene Realisierung durch: 1. Bytezahl am Anfang des Rahmens 2. Rahmenbegrenzer auf Sicherungsschicht (Flagbytes, Flagbits) 3. Rahmenbegrenzer auf der Bitübertragungsschicht 4. kombinierte Verfahren, z.b. Ethernet und WiFi: Präambel als Anfang des Rahmens + Bytezahl für die Länge des Rahmens Problem bei Rahmenbegrenzern (Flagbytes, Flagbits): Bitmuster des Rahmenbegrenzers muss auch im Payload zulässig sein Byte-Stuffing bei Flagbytes (z.b. Point-to-Point-Protokoll) Bit-Stuffing bei Flagbits (z.b. HDLC-Protokoll) 5.5

6 Bytezahl Bytezähler Byte Rahmen 5 Byte Rahmen 8 Byte Rahmen 8 Byte Rahmen Fehler Byte Rahmen falscher Rahmen nun eine Bytezahl Problem: Verfälschung des Bytezählfeldes durch Übertragungsfehler 5.6

7 Bitstuffing Ablauf: Füge nach jeder fünften aufeinanderfolgenden 1 in den Nutzdaten jeweils eine 0 ein und entferne diese wieder beim Empfänger eindeutige Rahmenbegrenzung Paket Beispiel: Daten mit Bitstuffing übertragen als: empfangen als:

8 2. Fehlerbehandlung Probleme: Verfälschungen durch thermisches Rauschen, Impulsstörungen, frequenzabhängige Verzerrung etc. Einzelbitfehler und Bündelfehler Fehlerkorrigierende Codes: Redundanz. z.b. bei Satellitenkommunikation Beispiel: A B C A B C Hamming-Distanz d: Minimale Anzahl unterschiedlicher Bits zwischen zwei Quellcodewörtern; hier d = 3 Anzahl erkennbarer Fehler: d-1, hier also 2 Anzahl korrigierbarer Fehler: (d-1)/2, hier also 1 5.8

9 Fehlererkennende Codes Paritätssicherung (z.b. gerade Parität): t Zeichenparität t Blockparität Widerspruch Fehler Insgesamt: Kreuzsicherung; Einsatz von Varianten z. B. bei Internet-Protokollen in Software 5.9

10 Cyclic Redundancy Check - CRC Ablauf: Quellwort dyadische (Bit-weise binäre) Polynomdivision Berechnung einer Sicherungssequenz Rahmen M als Polynom m-ten Grades: M(x)=a 1 *x m +a 2 *x m-1 + +a m+1 *x 0 Beispiel: x 5 +x 4 +x+1 Generatorpolynom G(x) r-ten Grades: G(x)=b 1 *x r +b 2 *x r-1 + +b r+1 *x 0 Erstes und letztes Bit müssen ungleich 0 sein M(x) Linksschieben von M(x) um r Stellen G(x) / = Rest 1001 Sicherungssequenz / = Rest 0 o.k liefere aus 5.10

11 CRC Fehlerfall / = Rest Sicherungssequenz / = Rest 1001 Fehler liefere Fehlermeldung sehr gute Fehlererkennung, in der Praxis meist mit 32 Bit-Konstante (CRC-32), z. B. bei Ethernet; Implementierung mittels Schieberegistern effizient in Hardware. 5.11

12 Wahrscheinlichkeit des Erkennens von Bitfehlern bei CRC Rahmen wird mit angehängter Prüfsumme übertragen T(x)=x r *M(x)+PS Fehlerfall: statt T(x) kommt T(x) + E(x) beim Empfänger an jedes 1-Bit in E(x) entspricht einem Fehler Einzelbitfehler: E(x)=x i i=position des fehlerhaften Bits erkannt, wenn G(x) mindestens zwei Terme hat Burstfehler ganze Folge von Bits gestört Polynomcode mit r Prüfbits erkennt alle Burstfehler der Länge r Burstfehler länger als r werden mit einer Wahrscheinlichkeit von mindestens 1/2 r erkannt 5.12

13 3. Protokolle 3 FromNetworkLayer 3 ToNetworkLayer ToPhysicalLayer 1 FromPhysicalLayer sender() { frame s; packet buffer; while (true) { FromNetworkLayer(&buffer); s.info = buffer; ToPhysicalLayer(s); } } receiver() { frame r; eventtype event; while (true) { wait(&event); FromPhysicalLayer(&r); ToNetworkLayer(r.info); } } sehr einfaches Protokoll ohne Fehlerbehandlung und ohne Flusskontrolle 5.13

14 Stop-and-Wait-Protokoll Frame Bestätigte Übertragung, halbduplex einfache Flusskontrolle Bestätigung sender() { frame s; packet buffer; eventtype event; while (true) { FromNetworkLayer(&buffer); s.info = buffer; ToPhysicalLayer(s); wait(&event); } } receiver() { frame r,s; eventtype event; while (true) { wait(&event); FromPhysicalLayer(&r); ToNetworkLayer(r.info); ToPhysicalLayer(s); } } Zusätzliche Bestätigung 5.14

15 Protokoll mit Fehlerbehandlung Ablauf: Wiederhole verlorengegangene Nachrichten nach Timeout, sonst sende nächsten Frame Ignoriere entstehende Duplikate Laufnummern 0/1 zur Erkennung Bei Duplex-Betrieb evtl. anhängen der Bestätigungen an Nutzdaten von Empfänger zu Sender ( Huckepack, Piggyback ). 5.15

16 Protokoll mit Fehlerbehandlung sender() { int nextframe = 0; frame s; packet buffer; eventtype event; FromNetworkLayer(&buffer); while (true) { s.info = buffer; s.seq = nextframe; ToPhysicalLayer(s); StartTimer(s.seq); wait(&event); /*FrameArrival, CRC Error, Timeout*/ if (event == FrameArrival) { FromNetworkLayer(&buffer); invert(&nextframe); } } } receiver() { int frameexpected = 0; frame r,s; eventtype event; while (true) { wait(&event); /*FrameArrival, CRC Error*/ if (event == FrameArrival) { FromPhysicalLayer(&r); if (r.seq == FrameExpected) { ToNetworkLayer(r.info); invert(&frameexpected); } ToPhysicalLayer(s); } } } liefere nur korrekte Frames aus, aber bestätige alle Frames 5.16

17 4. Schnittstellenereignistypen Primitive des Dienstes Bezeichner besteht aus: - Dienstname, z.b. Sicherung (Link, L) Netzwerk (Network, N) Transport (Transport, T) Darstellung (Presentation, P) - Dienstprimitivname, z.b. ConnectionEstablishment (Con) Data Transfer (Dat) ConnectionRelease (Dis oder Rel) ConnectionReset (Res) ConnectionAbort (Abo) - Grundform der Dienstleistung: Anforderung (Request, Req) Anzeige (Indication, Ind) Antwort (Response, Rsp) Bestätigung (Confirmation, Cnf) Bsp.: Schnittstellenereignistyp Verbindungsaufbau-Anforderung eines Transportdienstes : T_ConReq 5.17

18 Dienstbeschreibung durch Zustandsdiagramme Instanz 1 (Initiator) ConReq ConCnf, DisInd, AboInd1 Instanz 2 (Responder) ConRsp, ConInd, DisReq AboInd2 DisReq; DisInd oder - ; AboInd1, AboInd2 DatReq; DatInd - ; AboInd1, AboInd2 Ruhe- zustand ConReq; ConInd DisReq; DisInd Verbin- dung im Aufbau ConRsp; ConCnf Verbin- dung auf- gebaut ConReq; AboInd1 Eingabe Ausgabe Übergänge der Datenaustausch- und der Verbindungsabbauphase - keine Eingabe - Indeterministischer Zustandsautomat mit Spontanübergängen - Vollständige Beschreibung des Verhaltens, also sämtlicher Alternativen Beispiel: ConReq ConInd ConRsp ConCnf... AboInd1/2 5.18

19 Ein Beispiel im Überblick Stop-and-Wait / Alternating Bit ODtReq(n) ODtCnf(m) ODtRsp(m) ODtInd(n) A O Medium O B O bestätigt Instanz S Instanz E UDtReqAB(n) UDtIndBA(g,m) UDtReqBA(m) UDtIndAB(g,n) A U Medium U B U unbestätigt Bestätigte Datenübertragung über unbestätigten Kommunikationsdienst. gesucht: Instanzverhalten 5.19

20 Parameter UDtReqAB(<n,b>) UDtIndBA(g,<m,b>) Nutzdaten Kontrollparameter (Reihenfolge-Kennung) Kontrollparameter für Fehleranzeige (0 = korrekt, 1 = fehlerhaft) Angegeben werden: - Zustände - Übergänge - Ein-/Ausgaben - Datenparameter/-variablen Parameter dienen der Modellvereinfachung (Spezialsprachen: ESTELLE, SDL) 5.20

21 Beispiel: Oberer Dienst Zieldienst: ODtReq(n) ODtCnf(m) ODtRsp(m) ODtInd(n) A O Medium O B O Start- und Ruhe- zustand 2 ODtReq(n); ODtInd(n) 5 ODtRsp(m); ODtCnf(m) Warten auf Response 5.21

22 Beispiel: Unterer Dienst Basisdienst: UDtReqAB(n) UDtIndBA(g,m) UDtReqBA(m) UDtIndAB(g,n) A U Medium U B U Start- und Ruhe- zustand 2 UDtReqAB(n); UDtIndAB(0,n) UDtReqAB(n); UDtIndAB(1,x) UDtReqBA(m); UDtIndBA(0,m) UDtReqBA(m); UDtIndBA(1,y) 5 Warten auf Response Störungsanzeige 5.22

23 Protokollbeschreibung: Instanzablauf-Sender S Alternating Bit Protokoll: 1 ODtReq(n) 7 ODtCnf(m) Zugangspunkt A o Medium O Instanz S UDtIndBA(0,<m,1>); ODtCnf(m) Start-u. Ruhezu- stand 2 UDtIndBA(0,<m,1>); - oder UDtIndBA(1,<m,b>); UDtReqAB(<n,0>) Falsches Bit Störung Quittung 1 erwartet UDtIndBA(0,<m,0>); - oder UDtIndBA(1,<m,b>); UDtReqAB(<n,1>) ODtReq(n); UDtReqAB(<n,0>) Quittung 0 erwartet ODtReq(n); UDtReqAB(<n,1>) Ruhe- zustand 5 UDtIndBA(0,<m,0>); ODtCnf(m) 6 Fehler => Wiederhole Quittung o.k. 3 UDtReqAB(<n,b>) UDtIndBA(g,<m,b>) 4 Medium U Zugangspunkt A U 5.23

24 Protokollbeschreibung: Instanzablauf-Empfänger E 5 ODtRsp(m) 4 ODtInd(n) Zugangspunkt A Medium O 7 Instanz E ODtRsp(m); UDtReqBA(<m,1>) Antwort 1 erwartet UDtIndAB(0,<n,0>) ; UDtReqBA(<m,0>) od. UDtIndAB(1,<n,b>); - UDtReqBA(m) Start-u. 2 UDtIndAB(0,<n,1>); Ruhezu- UDtReqBA(<m,1>) stand od. UDtIndAB(1,<n,b>); 3 - UDtIndAB(0,<n,0>); ODtInd(n) Antwort 0 erwartet UDtIndAB(0,<n,1>); ODtInd(n) Ruhe- zustand 4 6 ODtRsp(m); UDtReqBA(<m,0>) UDtIndAB(g,<n,b>) 1 Medium U Falsches Bit Störung Fehler => Wiederhole Quittung o.k. Zugangspunkt A U 5.24

25 Beispielablauf A S O A B U B O U U E ODtReq(XX) Wiederhole UDtReqAB(<XX,0>) Störanzeige UDtIndBA(1,<YY,0>) <XX0> Störung <YY0> UDtIndAB(0,<XX,0>) UDtReqBA(<YY,0>) ODtInd(XX) ODtRsp(YY) UDtReqAB(<XX,0>) <XX0> <YY0> UDtIndAB(0,<XX,0>) falsches Bit Bestätige sofort UDtReqBA(<YY,0>) ODtCnf(YY) UDtIndBA(0,<YY,0>) 5.25

26 Beispielablauf A S O A B U B O U U E ODtReq(ZZ) UDtReqAB(<ZZ,1>) <ZZ,1> UDtIndAB(0.<ZZ,1>) ODtInd(ZZ) ODtCnf(UU) UDtIndBA(0,<UU,1>) <UU,1> UDtReqBA(<UU,1>) ODtRsp(UU) korrekter Ablauf 5.26

27 Protokollbeispiel: High Level Data Link Control (HDLC) Einsatz: u. a. GSM Modi: NRM (Normal Response Mode): Polling einer Primärstation ABM (Asynchronous Balanced Mode): Gleichberechtigte Partnerstationen Bitorientiertes Protokoll: Variabel 2 1 Byte Adresse Steuerung Daten Prüfsumme Rahmenarten: Information Überwachung (Receive (not) Ready, Reject (go-back-n), Selective Reject) Unnumeriert (Steuerung, Verbindungsverwaltung, Polling) Steuerfeld bei Informationsrahmen: Byte SeqNo P/F AckNo SeqNo = Laufnummer 0..7 P/F = Poll/Final für Polling-Steuerung AckNo = Piggyback-Bestätigung (ähnlich bei Überwachungsrahmen) in der Praxis sehr verbreitetes Protokoll Vorbild für zahlreiche andere Protokolle, z.b. im LAN-Bereich 5.27

28 Protokollbeispiel: Point-to-Point Protocol (PPP) Protokoll der Sicherungsschicht für Internet-Zugang, z.b. über Modem, ISDN, xdsl oder Kabelmodem etc. Protokoll der Sicherungsschicht für Packet over SONET (WAN) und ADSL NCP (Network Control Protocol) Aushandeln von Optionen auf der Vermittlungsschicht, unabhängig von dem auf der Vermittlungsschicht benutztem Protokoll LCP (Link Control Protocol) Verbindungssteuerungsprotokoll zum Verhandeln von Optionen und Aktivieren, Testen und Beenden von Verbindungen Funktionsweise basierend auf HDLC Byteorientiertes Protokoll: oder 2 Variabel 2 oder 4 1 Byte Protokollangabe Nutzdaten Prüfsumme Rahmen Adresse Steuerung meist bis 1500 Byte CRC-Variante Rahmen 5.28

29 Protokollbeispiel: Point-to-Point Protocol (PPP) Ablauf bei Internet-Einwahl eines privaten Nutzers: 1. Physikalischer Verbindungsaufbau (z. B. bei Modem) bzw. bestehender Kanal (z. B. bei DSL oder Kabelmodem) 2. Einsatz von PPP als Link Control Protocol (Protokolltyp: LCP) zur Auswahl bzw. Aushandlung von Verbindungsparametern auf Schicht 2 (beispielsweise Kompression, Fehlerbehandlung etc.) 3. Durchführung einer gegenseitigen Authentisierung 4. Einsatz von PPP als Network Control Protocol (Protokolltyp: NCP) zur Auswahl bzw. Aushandlung von Parametern auf Schicht 3 (beispielsweise Zuordnung einer IP-Adresse) Zustandsdiagramm zum Auf- und Abbau von PPP-Verbindungen Träger entdeckt Establish Vereinbaren von Optionen beider Seiten Authenticate Authentifizierung erfolgreich Dead nicht erfolgreich nicht erfolgreich Network Träger freigeben Terminate fertig Open NCP-Konfiguration 5.29

30 Ethernet Sicherungs -schicht ADSL Überblick & Protokollstapel verbindet Privathaushalte über bestehende Telefonleitung mit dem Internet Ethernet IP PPP AAL5 ATM ADSL DSL- Modem Teilnehmeranschlussleitung PPP AAL5 ATM ADSL IP DSLAM (mit Router) Internet ATM (Asynchronous Transfer Mode) Übertragung von Zellen mit fester Länge asynchron = kein kontinuierlicher Bitstrom, nur bei Informationsaustausch verbindungsorientiert, dh. jede Zelle hält ID der virtuellen Verbindung im Header Zellenlänge 53 Byte = 48-Byte-Nutzlast + 5-Byte-Header o geringe Verzögerung bei z.b. Sprachpaketen 5.30

31 ADSL AAL5 (ATM Adaption Layer 5) ermöglicht Abbildung einer Folge von Zellen zum Senden der Daten über ATM-Netz AAL5-Rahmen mit PPP-Nutzdaten (PPPoA PPP over ATM): 1 oder 2 Variable 0 bis Byte PPP-Protokoll PPP-Nutzdaten Fülldaten frei Länge CRC AAL5-Nutzdaten AAL5-Trailer Trailer anstelle eines Headers Fülldaten vervollständigen Zellenlänge nur PPP-Nutzdaten (keine PPP-Rahmenbildung), da ATM und AAL5 diese schon haben benötigt keine Adresse, da ID der virtuellen Verbindung mit jeder Zelle übertragen wird 5.31

32 Weiterführende Referenzen Tanenbaum, Wetherall: Computernetzwerke; Pearson Studium, 2012, Kapitel 3 - Sicherungsschicht (Beispiel und weitere Details zu CRC) de.wikipedia.org/wiki/point-to-point_protocol (Protokollabläufe und zugehörige Beispiele zu PPP) 5.32

33 Gliederung 1. Einführung 2. Bitübertragungsschicht 3. Netztechnologien Teil 1 4. Netztechnologien Teil 2 5. Sicherungsschicht 6. Vermittlungsschicht 7. Transportschicht 8. Netzwerkperformance 9. Internetdienste 10. Multimediakommunikation 11. Verteilte Systeme 12. Mobile Computing 5.33