7.9. Lokale Netze (LAN) Ja, aber ich würde lieber den Bus nehmen. Es gibt nichts schöneres auf der Welt als einen Bus.

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1 7.9. Lokale Netze (LAN) Ja, aber ich würde lieber den Bus nehmen. Es gibt nichts schöneres auf der Welt als einen Bus. (Charles, Prince of Wales, als er gefragt wurde, ob er die Reise mit der königlichen Segelyacht nach Tobruk genossen habe.) Ethernet Der zur Zeit am weitesten verbreitete Standard für lokale Netze ist Ethernet. Er geht auf gemeinsame Spezifikationen von Intel, DEC und Xerox zurück. Der Name (Ether = Äther) weist noch auf die ersten Funknetze (ALOHA; vgl. Skript S. 230) hin. Die Datenübertragung erfolgt mit dem CSMA/CD Verfahren. Auf dem Ethernet können verschiedene Protokolle laufen, z. B. TCP/IP, DECnet, IPX/SPX ( Novell ), etc. Das Ethernet besteht physikalisch aus verschiedenen Typen von 50-Ohm-Koaxialkablen oder paarweise verdrillten Leitungen (Twisted-Pair), Glasfasern oder anderen Medien (siehe Abschnitt ). Die Datenrate beträgt typisch 10 MBit/s, wobei gegenwärtig 100 MBit/s eingeführt wird. Die wichtigsten Eigenschaften nach der ursprünglichen Spezifikation sind: Datenrate: 10 MBit/s maximale Länge des gesamten Netzes: 2500 m maximale Zahl der Knoten: 1024 Medium: Koaxialkabel, Breitbandkabel Zugriffsverfahren: CSMA/CD Datenprotokoll: Frames (Rahmen, hier: Datenpakete) verschiedener Größe Die Daten werden in Paketen gesendet und mit Verwaltungsinformationen zu Beginn und der CRC-Prüfinformation am Ende des Pakets versehen (Ethernet-Frame). Ethernet basiert wie andere Netze auch auf einer Sammlung von Medium- und Protokollspezifikationen. Zuunterst liegt die physikalische Ebene; sie umfasst neben der Verkabelung auch die Signalerzeugung und Signalkodierung. Als Ethernet von DEC, Intel und Xerox aus der Taufe gehoben wurde, gab es nur eine Verkabelungsart, während heutige Ethernet-Standard eine Vielfalt von Topologien kennt. Ethernet-Anwender müssen bei der Vernetzung nicht nur zwischen den Protokollen auf den höheren Schichten wie TCP/IP und IPX/SPX unterscheiden, sondern auch noch den richtigen Ethernet-Frame wählen. Server not found oder ähnliche Fehlermeldungen stellen sich manchmal selbst dann ein, wenn alle Ethernet-Treiber auf Workstation und Server korrekt geladen sind und keine Kabelprobleme bestehen. Der Grund dafür liegt nicht selten darin, dass Ethernet nicht gleich Ethernet ist. Gleich vier verschiedene Dialekte sind heute in Gebrauch, die erschwerender weise ziemlich inkonsistent benannt sind. Kein anderes lokales Netz weist diese Eigentümlichkeit auf. Groß sind die Unterschiede nicht; sie beschränken sich auf ein paar Bytes in den übertragenen Datenpaketen (Frames) und lassen sich in der Regel durch einfache Konfigurationsänderungen der Netztreiber regulieren. Die elektrischen Anschlussbedingungen im weitsten Sinne sind für die verschiedenen LAN-Typen standardisiert. Es handelt sich dabei um die Standards des IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers, USA). Das IEEE ist eine internationale Vereinigung, die sich mit allen wesentlichen Aspekten der Elektrotechnik beschäftigt. Viele ISO-Normen (International Standards Organization) beruhen auf IEEE-Empfehlungen. Verbindlich für lokale Netze sind die Empfehlungen des Subkomitees mit der Kurzbezeichnung 802. Eine relativ neu gegründete Runde beschäftigt sich mit drahtlosen LANs (802.11). Netzker /02

2 Physikalisch handelt es sich bei Ethernet immer um einen Bus, an den die Stationen elektrisch parallel angeschlossen sind. Das klassische Ethernet benutzt als Medium das yellow cable, ein dickes, vierfach abgeschirmtes Koaxialkabel. Die beiden Enden des Kabels sind mit speziell angepassten Widerständen abgeschlossen. Wenn eine Station nun Daten an eine andere senden will, schickt sie elektrische Wellen auf Reisen. Diese Wellen breiten sich vom Anschlusspunkt der Station nach beiden Seiten hin gleichmäßig aus. Irgendwo auf dem Weg liegt dann der Empfänger, der die Welle am Kabel abgreifen kann und für die weitere Nutzung aufbereitet. Unabhängig davon wandert die Welle jedoch weiter, bis sie die Leitungsenden des Ethernet-Kabels erreicht hat. Dort wird ihre Energie vollständig von den Abschlusswiderständen aufgenommen, so dass es nicht zu Reflexionen kommt. Nach einer gewissen Zeit, die aus der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle und der Entfernung der sendenden Station zu den beiden Kabelenden resultiert, ist die Signalwelle verschwunden und das Kabel wieder frei. Dieses Prinzip liegt allen Ethernet-Varianten zugrunde. Es gibt jedoch Unterschiede in der Topologie (= geometrische Lage und Anordnung) des Netzes und beim verwendeten Kabel. Der Standard legt aber auch das Aussehen der Daten fest, die auf der Leitung gesendet werden. Die Daten werden in Paketen (den Frames) zusammengefasst. Jedes Paket trägt zu Beginn die Verwaltungsinformationen (z. B. Absender- und Empfängerstation, Länge, etc.) und nach den Nutzdaten schließt sich die Prüfinformation an. Leider gibt es keinen einheitlichen Frame, sondern entwicklungsgeschichtlich bedingt Frames mit unterschiedlichem Aufbau. Es gab bereits Ethernet-Installationen, lange bevor dieses Netz unter der Nummer vom IEEE standardisiert wurde. (Was Novell eigenmächtig als Ethernet bezeichnet, ist jedoch etwas anderes.) Ethernet II Die älteste Framestruktur ist Ethernet II. Charakteristisches Merkmal von Ethernet II ist das Typfeld, das aus zwei Bytes im Anschluss an die Start- und Zieladressen besteht und der Unterscheidung verschiedener höherer Protokolle dient. Alle anderen Formate enthalten hier eine Längeninformation; die Eindeutigkeit von Ethernet II kommt dadurch zustande, dass dessen Typnummer immer größer ist als die maximale Paketgröße von 1518 Bytes (IPX- Pakete etwa sind am Typ erkennbar). Ein Datenpaket besteht aus 576 bis Bits und hat einen entsprechenden Aufbau: Präambel Empfänger Typfeld Absender Starting Frame Delimiter (SFD) Daten Ethernet-II-Frame CRC Netzker /02

3 Die Präambel dient zur Synchronisation; sie besteht aus einer Folge von Bytes. Der SFD hat an der letzten Stelle eine 1 ( ). Die Längen der einzelnen Teile (in Byte) sind in der Grafik eingetragen. Sind weniger als 46 Datenbytes zu übertragen, muss mit Füllbits ergänzt werden, um die minimale Slot-Time zu erreichen Novells raw Als die Firma Novell Netware und das IPX/SPX- Protokoll auf den Markt brachte, war Ethernet noch nicht endgültig standardisiert. Die Netware-Entwickler warteten aber weder die Standardisierung ab, noch benutzten sie das gängige Ethernet-II-Format. Nein, Novell dachte sich für IPX einen eigenen Rahmentyp aus. Dieser Pakettyp enthält keine Protokollerkennung wie Ethernet II, kann also allein IPX transportieren. Zu allem Überfluss benannte Novell diese proprietäre Lösung auch noch nach einer IEEE-Arbeitsgruppe Wie kann ein Rechner oder Router ein solches Novell-Paket aus anderen Frames herausfiltern, die ebenfalls nach Start- und Zieladresse eine Längeninformation tragen? Gegenüber Ethernet II werden die beiden Bytes der Protokoll-ID für die Rahmenlänge genutzt. Der einzige weitere Unterschied besteht darin, dass allein im Novell Paket zwei Bytes folgen, die nur aus Einsen bestehen (FF 16, FF 16 ). Prinzipiell ist das Gespann IPX also auch in heterogenen Umgebungen mit vielen Routern einsetzbar, erfordert aber immer einen gewissen Extra- Aufwand. Novell geht die Sache inzwischen etwas vorsichtiger an und nennt sein IPX-Spezial-Ethernet offiziell raw. Es ist daher zu empfehlen, das standardisierte Ethernet Format zu verwenden. Hinter der Bezeichnung Ethernet von Novell verbirgt sich eigentlich das waschechte Format. Aber den Namen hatte Novell bereits vergeben und die Verwechselungsgefahr mit dem raw -Format wäre zu groß geworden. Man übernahm daher einfach die Bezeichnung des IEEE Protokollheaders, den die IEEE Spezifikation vorschreibt und der den Unterschied zum Alleingang von Novell ausmacht FF FF Präambel Empfänger Rahmenlänge Absender Starting Frame Delimiter (SFD) Daten IEEE Frame CRC IEEE und SNAP Bis zur Entscheidung von Novell für die Verwendung von als Standard-Typ gab es kaum Anwendungen dieser Ethernet-Variante abgesehen von der weiter unten beschriebenen SNAP-Erweiterung, die Netware wie einen Pakettyp behandelt. Das IEEE-Gremium ersetzte das Typ-Feld durch eine Längenangabe und ergänzte das Paket durch einen Header von drei weiteren Bytes. Als Ersatz für das alte Typ-Feld mit der Protokoll-ID fungieren der Destination- und der Source Service Access Point (DSAP und SSAP); hinzu kommt ein Control Field, das manche Protokolle für Verwaltungszwecke benötigen. Ein offensichtlicher Nachteil der Definition gegenüber Ethernet II war die Limitierung der Typ-Code auf ein Byte, zumal die Hälfte der möglichen 256 Werte von Anfang an reserviert war. Daher folgte beinahe unweigerlich eine baldige Erweiterung: das Sub Network Access Protocol (SNAP) sorgte für Abhilfe. Netzker /02

4 Präambel Empfänger DSAP SSAP Rahmenlänge Absender Starting Frame Delimiter (SFD) Control Daten IEEE Frame CRC Diese Erweiterung mit der eigenen Protokoll-ID AA 16 stellt weitere fünf Bytes für die Protokoll-Identifikation des darüber liegenden Protokolls bereit, davon drei für eine Herstellererkennung. Der bekannteste Nutznießer hiervon ist Apple Talk. Auch die Millionenschar der TCP/IP-Anwender könnte ihre Ethernet-II-Pakete mit der zwei Byte langen Protokoll-ID dank SNAP in ein IEEE-konformes Format bringen doch TCP/IP funktioniert auch ohne Standard und den zusätzlichen Protokoll-Overhead. Da TCP/IP eine von anderen Transportprotokollen unerreichte Bedeutung hat (man denke allein an das Internet), empfiehlt es sich, wenn irgend möglich, durchgehend den Frame-Typ Ethernet-II einzurichten. Mitunter erzwingen die Gegebenheiten auch die weitere Berücksichtigung von Eternet 802.3: einige ältere, auf NetWare spezialisierte IPX-Printserver zum Beispiel mögen keinen anderen Rahmentyp. Der von Novell zur Zeit als Standardtyp verwendete hat nur dann Berechtigung, wenn statt TCP/IP und IPX die sogenannten OSI- Protokolle zum Einsatz kommen sollen. Zudem sollten auch alle Server und Workstations im Netz den gleichen Frame-Typ verwenden, da sonst die Performance stark abnehmen kann (nämlich dann, wenn einige Server ein Protokoll ins andere umsetzen müssen) Identifizierung des Ethernet-Interfaces Jeder Ethernet-Adapter kann über seine in der Hardware verankerte Adresse eindeutig identifiziert werden. Diese Adresse besteht aus einem 3-Byte-Herstellercode und einer ebenfalls drei Byte (24 Bit) langen laufenden Seriennummer. Auf diese Weise ist eine eindeutige Adressierung möglich was aber auch bedeutet, dass die logische Adresse durch die Netzwerksoftware in eine Hardwareadresse umgesetzt werden muss. Die Angabe der Adresse erfolgt normalerweise hexadezimal (sedezimal), wobei zur besseren Lesbarkeit die einzelnen Bytes durch. oder : getrennt werden, z. B. 20 : 08 : AA : 10 : 00 : CF Signallaufzeiten, Slot-Time Bei jedem Kabel gibt es eine Konstante, die die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektrischen Signale in dem Kabel angibt. Die Maximalgeschwindigkeit, die Lichtgeschwindigkeit c, wird jedoch nie erreicht. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit für elektromagnetische Wellen ist abhängig vom Medium. Medium Ausbreitungsfaktor Vakuum 1.00 Koaxial-Kabel 0.77 Twisted-Pair-Kabel Netzker /02

5 Dieser Wert ist bei Netzen nicht uninteressant, wie die folgenden Berechnungen am Beispiel eines 10Base2- Ethernet-Kabels zeigen sollen Nehmen wir an, dass zwei Stationen A und B, die sich an gegenüberliegenden Enden des Kabelsegments befinden. Die Station A sendet zum Zeitpunkt t ein Datenpaket ab. Die Station B sendet ihrerseits zum Zeitpunkt t + (T - t), also kurz bevor das Signal von A bei B ankommt. Damit A die Kollision erkennen kann, vergeht nochmals die Zeit (T - t), also insgesamt t + 2 (T - t). t Zeit Für den Grenzfall kann man t gegen Null gehen lassen, woraus folgt, T Signaldauer (Periodendauer) dass die Dauer der Übertragung eines Datenblocks mindestens 2 T t zeitliche Änderung betragen muss, damit eine Kollision bei CSMA/CD sicher erkannt wird. Ein Datenblock muss also mindestens diese Zeit 2 T benötigen (minimale Übertragungsdauer). Es gelten folgende Gleichungen: Signalgeschwindigkeit = Ausbreitungsfaktor x Lichtgeschwindigkeit Signalstrecke = Signalgeschwindigkeit x Signaldauer Die kleinste erlaubte Paketgröße von 64 Byte benötigt in einem 10Base2-Kabel 51,2 µs (Schwellwert), um komplett gesendet zu werden. Aufgabe Berechnen Sie die Strecke, die ein Signal mit der Dauer von 51,2 µs (Schwellwert) in einem Coax-Medium (10Base2-Kabel) zurücklegt. Ihre Lösung: Netzker /02

6 Lösung: 8 m ( Signal ) Geschwindigkeit = 0.77 c = = s 6 m 6 Signalstrecke = s = m = km s 6 m s Unter Berücksichtigung der Tatsache, dass die maximale Länge des gesamten Ethernetnetzes 2500 m betragen darf (LAN-Spezifikation; siehe Skript S. 237), benötigt das 64-Byte-Ethernetpaket also für die Strecke von 2 2,5 km = 5 km im idealen Fall nur etwa die Hälfte der minimalen Übertragungsdauer von 51,2 µs. Die LAN-Spezifikation beinhaltet somit offensichtlich eine Sicherheitsreserve, um dem CSMA/CD-Protokoll des Ethernet auch im realen Fall zu genügen. Das ideale Beispiel ist sehr weit von der Realität entfernt. Es liefert jedoch ein Gefühl für die Zeiträume, mit denen im Ethernetverkehr gerechnet wird. Für jeden Planer eines Netzes ist es wichtig, den worst case seines Netzes möglichst genau zu kennen, damit die Kollisionsbehandlung korrekt arbeitet. Dazu werden die jeweils am weitesten entfernten Netzwerkdevices einer Kollisionsdomäne betrachtet. Hierbei ist sowohl die Entfernung als auch die zwischen ihnen liegende Netzhardware zu beachten. Entsprechend jedem physikalischen Element auf der Strecke zwischen den Netzwerk-Devices (Hin- und Rückweg) werden bestimmte Werte addiert. Dies sind die sogenannten Bitzeiten, die spezifisch für jede Hardware sind. Diese Bitzeiten sind entweder aus der Literatur oder der jeweiligen Herstellerbeschreibung zu entnehmen. Aber nicht immer findet man alle Werte; dann muss man allgemeingültige Werte benutzen, z. B. acht Bitzeiten für einen Verstärker (Repeater). Diese Zahl soll das Zeitintervall repräsentieren, die ein Repeater benötigt, um das Ethernetpaket weiterzuleiten. Ist jede auf der Strecke befindliche Hardware in die Rechnung eingeflossen, so erhält man den Round Trip Delay (RTD). Der RTD muss unter einem definierten Schwellwert liegen. Der Schwellwert von 51,2 µs aus unserem Beispiel entspricht 512 Bitzeiten. Zur Erinnerung: das kleinste Paket hat 64 Byte = 512 Bit Länge. Dieser Wert wird auch als Slot-Time bezeichnet. Das Kabel zwischen Transceiver (AUI) und Media Attachment Units (MAU) hat abweichende Spezifikationen. Es handelt sich um ein abgeschirmtes Twisted-Pair Kabel, das jeweils für Senden und Empfangen getrennt ist. Seine Maximallänge beträgt 50 m, die Mindestsignalausbreitungsgeschwindigkeit beträgt 0,65 c = km s -1. Daraus folgt eine maximale Laufzeit von 0,05 km / km s -1 = 0,256 µs. Zu lange Kabel, zu viele hintereinandergeschaltete Repeater, aber auch das Ausreizen der im Standard angegebenen Parameter können durchaus im Zusammenspiel mit Komponenten, die am Rande der Toleranzgrenze liegen, zu Fehlfunktionen führen. Daher sollte man die angegebenen Kabellängen immer unterschreiten. Auch ist bei der Planung von Netzen zu berücksichtigen, dass Kabel niemals in Luftlinie verlegt werden und sich die Kurven und Schleifen in den Kabelkanälen schnell addieren. Weiteres dazu im Abschnitt Übertragungsmedien Netzker /02

7 Einordnung von Ethernet in das OSI-7-Schichten-Referenzmodell Layer Aufgabe 7 bis 4 Applikation, siehe Skript Seiten 224 bis 226 Presentation, Session Transport 3 Network Wegewahl, Vermittlung 2 Data Link Zusammenfassung der Bits in Blöcke (Bytes, Frames), Flusssteuerung, Reihenfolgesicherung, Fehlererkennung in Blöcken und Korrektur 1 Physical mechanische Charakteristika (z. B. Pin-Belegung, etc.), elektrische, elektromagnetische, akustische u. optische Charakteristika, Übertragungsart (z. B. analog / digital, synchron / asynchron, Modulation etc.) Ethernet und IEEE sind im OSI-7-Schichtenmodell in der zweiten Schicht angesiedelt, wobei man diese Schicht beim IEEE zusätzlich in die Schichten 2a: Media ACCESS Control (MAC) und 2b: Logical Link Control (LLC) unterteilt. In der nachfolgenden Übersicht sind als Beispiel in Schicht 3 die Protokolle IPX (Internetwork Package Exchange) von Novell und IP (Internet Protocol) aufgeführt. Novell IPX Internet Protocol IP Layer 3 Network IEEE LCC Layer 2 Data Link Ethernet II IEEE CSMA/CD Media Access Control SNAP Sub Network Access Protocol Type 1 Connectionless Service Layer 1 Physical IEEE CSMA/CD Media Access Control Ethernet 50 Ohm Coax Yellow Cable Thin wire 50 Ohm Coax Broadband 75 Ohm Coax 1Base-5 StarLAN 10BROAD-36 10Base-T Twisted-Pair 10Base-5 Yellow Cable 10Base-2 Cheapernet 10Base FA 10Base FX 100 Base T 100 Base X Netzker /02

8 Historisches 1972 Entwicklung begann bei Xerox 1976 erste Vorstellung (3 MBit/s Datenrate) 1980 Standard Ethernet V1.0 (DEC, Intel, Xerox) 1981 Standard IEEE Standard Ethernet V2.0 Entwicklung der Übertragungsmedien (IEEE 802.3) Jahr Bezeichnung Spitzname Base-5 Yellow Cable Base-2 Cheapernet Broad-36 Breitband Base-5 StarLAN Base-T Twisted Pair Base-F Fibre Optics Base-X Fast Ethernet 1998 Gigabit Ethernet Kontrollfragen Bitte beantworten Sie die folgenden Fragen schriftlich: 1. Wie heißt der am weitesten verbreitete Standard für lokale Netze? 2. Welche Übertragungsmedien kommen bei lokalen Netzen zum Einsatz? 3. Aus welchem Grund müssen die Kabelenden bei LANs mit Abschlusswiderständen abgeschlossen werden? 4. Die Framestruktur Ethernet II enthält keine Längeninformation. Wie kommt die Eindeutigkeit von Ethernet II dennoch zustande? 5. Warum soll innerhalb eines Netzes der gleiche Frame-Typ verwendet werden? 6. Ein Datenpaket von 256 Byte soll über ein Koaxialkabel versendet werden. Wie lang ist die Signalstrecke? 7. Nennen Sie Gründe, aus denen eine Fehlfunktion eines LAN resultieren kann. Netzker /02