Neuaufsetzen bei Übertragungsfehlern. Lehrstuhl für Informatik 4. Hier nur noch MAC-Layer: Kapitel 3: Netze. Lehrstuhl für Informatik 4

Transkript

1 Sicherungsebene Netztypen Lokale Netze (LAN): 10m - wenige km, einfache Verbindungsstruktur Ethernet / Fast Ethernet / Gigabit Ethernet Token Ring LAN Wireless LAN (WLAN, bis wenige 100m) FDDI (bis 100km, trotzdem zu den LANs gehörig) Metropolitan Area Network (MAN): km, Stadtbereich DQDB MAN Gigabit Ethernet Weitverkehrsnetze (WAN): km, Zusammenschaltung von Teilnetzen Frame Relay ATM WAN SDH GSM/UMTS Ethernet Entwicklung von Ethernet 70er Jahre: experimentelles Netzwerk auf Basis von Koaxialkabeln, Datenrate von 3 Mb/s. Entwickelt von der Xerox Corporation als ein Protokoll für LANs mit sporadischem aber burst-artigem Verkehrsverhalten. 1980: gemeinsame Weiterentwicklung durch die Digital Equipment Corporation, die Intel Corporation und Xerox zu einer 10 Mb/s-Variante. Original Ethernet-Struktur: Bus-Topologie mit einer maximalen Segmentlänge von 500 Metern, Anschlussmöglichkeit für maximal 100 passive Stationen. Repeater werden verwendet, um mehrere Segmente zusammenzuschließen. Gängigstes Medium: Kupferkabel. Aber auch Glasfaser-Kabel kommen zum Einsatz (erhöht die Segmentlänge). Frühe 90er Jahre: die Bus-Topologie wird mehr und mehr von einer Stern- Topologie verdrängt, bei der ein zentraler Hub oder Switch Punkt-zu-Punkt- Verbindungen (auf Twisted-Pair oder Glasfaserkabel basierend) zu allen Stationen realisiert. Der Switch bietet hierbei den Vorteil, dass mehrere Verbindungen parallel ablaufen können Netztypen für den lokalen Bereich LLC-Schicht: einheitliche Schnittstelle und gleiches Rahmenformat nach oben MAC-Schicht: definiert Medienzugriff LLC MAC CSMA/CD (Ethernet) Token Bus IEEE Logical Link Control Token Ring DQDB ANSI X3T9.5 FDDI ATM Forum ATM LAN Emulation ISO/OSI Reale Netze Hier nur noch MAC-Layer: 1.) Verpacken von Daten in Rahmen, Fehlererkennung bei Rahmenübertragung/- empfang 2.) Media Access Control; dies beinhaltet die Rahmenübertragung und das Neuaufsetzen bei Übertragungsfehlern Ethernet basiert auf dem Standard IEEE CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) mehrere (passive) Rechner - ein gemeinsames Medium (Random Access) ursprünglich Bustopologie: 1. Ist das Medium frei? (Carrier Sense)? 2. Übertragen? 3. Prüfe auf Kollision (Collision Detection) Falls ja: sende Jammingsignal und breche ab. Danach weiter mit Binary Exponential Backoff Algorithmus 22 24

2 Carrier Sense Multiple Access Prinzip: höre vor der Übertragung das Medium ab sende nur, falls das Medium frei ist S 1 1. Station S 1 sendet Nachricht von S 1 2. Station S 2 will ebenfalls senden, merkt aber, dass bereits eine Übertragung stattfindet. S 2 Ausdehnung des Signals auf dem Medium Vorteile: einfach, da keine Mechanismen zur Koordination benötigt werden; mit einigen Erweiterungen trotzdem gute Ausnutzung der Netzkapazität Nachteil: kein garantierter Zugriff, es ist eine große Verzögerung möglich Erkennung von Kollisionen Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Prinzip: wie CSMA zusätzlich: breche die Übertragung ab, wenn eine Kollision auftritt Maximale Entfernung im Netzwerk S 1 S 2 S 1 sendet S 2 sendet Zeit S 1 entdeckt den Konflikt und weiß, dass die Sendung wiederholt werden muss. S 2 entdeckt den Konflikt und stoppt, Aussendung eines Jamming-Signals. Anmerkung: mit zunehmender Ausdehnung des Netzes steigt die Gefahr eines Konflikts. Daher ist diese Technik nur für "kleine" Netze geeignet (konkret: Ethernet) Problem bei CSMA Problem: die Nachricht, die S 1 sendet, breitet sich mit endlicher Geschwindigkeit auf dem Medium aus. Daher kann es sein, dass S 2 denkt, das Medium wäre frei, obwohl S 1 schon mit der Sendung begonnen hat. Es kommt zu einer Kollision: beide Nachrichten überlagern sich auf dem Medium und werden unbrauchbar. S 1 1. Station S 1 sendet Nachricht von S 1 2. Station S 2 will ebenfalls senden und denkt, das Medium wäre frei. S 2 Nachricht von S 2 Ausdehnung des Signals auf dem Medium 26 Datenübertragung bei CSMA/CD Wann funktioniert die Kollisionserkennung bei CSMA/CD? Die maximale Zeit zur Entdeckung einer Kollision ist knapp zweimal so lang wie die Signallaufzeit auf dem Medium. Kompromiss: man will große Netzwerke realisieren, aber trotzdem eine geringe Kollisionswahrscheinlichkeit haben Resultat: die maximale Ausdehnung wird auf 2800 Meter festgelegt. Die maximale Zeit zur Entdeckung einer Kollision ist knapp zweimal so lang wie die Signallaufzeit auf dem Medium. Bei einer Signalgeschwindigkeit von ungefähr km/s (5 µs/km) erhält man (unter Berücksichtigung der Zeit in Repeatern) eine maximale Ende-zu-Ende- Signallaufzeit von 25.6 µs. Die maximale Konfiktdauer ist damit 51.2 µs. Um einen Konflikt mit Sicherheit zu erkennen, muss die Station mindestens so lange auf dem Medium horchen und senden. Darauf basierend wurde für eine Senderate von 10 MBit/s eine minimale Rahmenlänge (64 Byte) definiert, um eine Kollisionserkennung auch im Wort-Case zu ermöglichen. 28

3 Der Ethernet-Rahmen Präambel: kennzeichnet eine folgende Übertragung und synchronisiert den Empfänger mit dem Sender. Der Start-of-Frame-Delimiter (bzw. die beiden aufeinanderfolgenden Einsen) zeigen an, dass endlich Daten folgen. Destination Address: das erste Bit kennzeichnet den Empfänger: entweder eine einzelne Station (1. Bit = 0) oder eine Gruppenadresse (1. Bit = 1; Broadcast ist auch hier durch gegeben). Nachrichtenformat bei CSMA/CD Length(/Type): entweder sind im Datenteil wirklich Daten enthalten, oder innerhalb des Datenteils wird noch mal ein optionales Format benutzt. Dies zeigt dieses Feld an. Bei einem Wert bis 1500 wird die Angabe als Länge des Datenteils aufgefasst, bei einem Wert ab 1536 wird ein optionaler Rahmentyp benutzt. Was für ein Typ dies ist, gibt der Wert dieses Feldes an. Präambel SFD DA SA Length Data Padding FCS : 7 Byte Synchronisation Jedes Byte beinhaltet : 1 Byte Start Frame Delimiter Markierung des Rahmenbeginns durch das Byte : 6 (2) Byte Destination Address 4: 6 (2) Byte Source Address 5: 2 Byte Length Angabe der Länge des Datenfelds (zulässiger Bereich: Byte) FCS: Checksumme, 32-Bit CRC. Diese erstreckt sich über die Felder DA, SA, Length/Type, Data/Padding. 6: 0 (0-1500) Byte Daten 7: 0 Byte Padding Auffüllen des Rahmens auf mindestens 64 Byte (Kleinere Fragmente werden im Netz verworfen, abgesehen von dem Jamming-Signal) 8: 4 Byte Frame Check Sequence Verwendung eines zyklischen Codes 29 Auflösung von Sendekonflikten Auflösung von Sendekonflikten p-persistent: bei dieser Variante sollen Konflikte zwischen gleichzeitig wartenden Nachrichten vermieden werden bei einem freien Kanal wird nur mit Wahrscheinlichkeit p gesendet im Konfliktfall benötigt die Nachricht im Mittel 1/p Versuche Wie wählt man p? p groß = hohes Risiko für Folgekonflikte p klein = lange Wartezeiten Start p=0 nicht möglich, p=1 = 1-persistent senden frei Ende Verschiedene Kategorien: Nonpersistent (Beispiel: ALOHA): warte nach einem Konflikt mit einer zufälligen Wartezeit aus einem vorgegebenen Intervall bis zu einer Neuübertragung Problem: möglicherweise ineffiziente Nutzung des Mediums 1-persistent Idee: es ist sehr unwahrscheinlich, dass während einer laufenden Übertragung zwei oder mehr neue Nachrichten anfallen. Starte den nächsten Sendeversuch so bald wie möglich, also sobald der Kanal frei ist bzw. nach einem Konflikt abgebrochen wurde. Problem: Folgekonflikte! klappt Carrier Sense klappt Konflikt belegt z p senden warten bis frei würfle eine Zahl z [0,1] Konflikt z > p

4 Leistungsfähigkeit von CSMA Verglichen mit ALOHA hat CSMA in jeglicher Form eine gute Leistungsfähigkeit: Trotzdem ist für Ethernet ein weiteres Verfahren entwickelt worden: der Binary-Exponential-Backoff-Mechanismus Binary Exponential Backoff Vorteil: kurze Wartezeiten (durch kleines Intervall) bei wenig Verkehr, Verteilung von Wiederholungsversuchen (durch großes Intervall) bei viel Verkehr Nachteil: Stationen, die bei einer Wiederholung einen neuen Konflikt hatten, müssen eine Wartezeit aus einem doppelt so großen Intervall ziehen. Haben sie wieder einen Konflikt, wird das Intervall wieder verdoppelt,... Dadurch können solche Stationen benachteiligt werden Vorgehen bei Kollisionen Binary Exponential Backoff Um nach einer Kollision die gleichzeitige Wiederholung der kollidierten Sendungen zu vermeiden (Folgekollision), wird eine zufällige Wartezeit aus einem vorgegebenen Intervall gezogen. Das Intervall wird klein gehalten, um große Wartezeiten bis zur Widerholung zu vermeiden. Dadurch ist allerdings das Risiko eines Folgekonflikts groß. Kommt es so zu einer weiteren Kollision, wird das Intervall vor dem nächsten Versuch vergrößert, um mehr Spielraum für alle sendenden Parteien zu schaffen. Die Wartezeit wird dabei folgendermaßen ermittelt: Hatte eine Station bereits i Kollisionen, würfelt sie eine Zahl x aus dem Intervall [0, 2 i -1] (bei Kollision bleibt das Intervall fix bei [0, ], nach der 16. Kollision erfolgt ein Abbruch) Sobald das Medium frei ist, wartet der Sender x Zeitslots, wobei ein Zeitslot der minimalen Ethernet-Rahmenlänge von 512 Bit, also bei 10 Mbit/s 51.2 ms, entspricht. Nach dem x-ten Zeitslot beginnt die Station erneut mit Carrier Sense. 34 Ethernet Basiert auf IEEE CSMA/CD 4 Klassen von Ethernet-Varianten: Standard Ethernet 10 Mb/s Fast Ethernet 100 Mb/s Gigabit Ethernet 1000 Mb/s Noch teilweise im Einsatz Heute die meistverbreitete Variante Groß im kommen 10Gigabit-Ethernet Mb/s Gerade fertig standardisiert Ethernet hat sich im LAN-Bereich durchgesetzt. Es wird in der überwiegenden Anzahl der LANs als Infrastruktur eingesetzt: Es ist einfach zu verstehen, umzusetzen und zu überwachen Das Netzwerk ist in der Anschaffung billig Bringt Flexibilität bzgl. der Topologie mit sich Es gibt keine Kompatibilitäts-Probleme, jeder Hersteller kennt und befolgt den Standard 36

5 Daten zu Ethernet Parameter Ethernet Fast Ethernet Gigabit Ethernet Maximale Ausdehnung bis zu 2800 Meter 205 Meter 200 Meter Kapazität 10 Mb/s 100 Mb/s 1000 Mb/s Minimale Rahmenlänge 64 Byte 64 Byte 520 Byte Maximale Rahmenlänge 1526 Byte 1526 Byte 1526 Byte Signaldarstellung Maximale Anzahl Repeater Manchester-Code 4B/5B-Code, 8B/6T-Code,... 8B/10B, Zusätzlich wird zum Jamming bei Kollisionen Bitmuster aus 4 Byte versendet. 10Base-5 (Yellow Cable) verwendet klassisches Koaxialkabel (teuer, wenig biegsam) Endgeräte über Transceiver angeschlossen (Vampirstecker) max. 5 Segmente (über Repeater verbunden) max. 100 Stationen pro Segment mind. 2.5 m Abstand zwischen Anschlüssen max. 500 m Segmentlänge max. Anschlusskabel max. Ausdehnung 2.5 km (ohne Anschlusskabel) auch Glasfaser-Zwischenstücke ohne Stationen möglich Vampir-Stecker Koaxialkabel Benennung von Ethernet-Varianten Angabe der verwendeten Ethernet-Variante durch 3 Namenskomponenten: 1 Kapazität in MBit/s (also 10, 100, 1000 oder 10G) 2 Übertragungstechnik (z.b. Base für Basisband, Broad für Broadband) 3 maximale Segmentlänge in Einheiten von 100 Metern, bzw. Art des verwendeten Mediums Beispiele: 10Base-T: 10 Mb/s, Basisband, Twisted-Pair-Kabel 100Base-T2: 100 Mb/s, Basisband, 2 Twisted-Pair-Kabel (d.h. zwei Adern) 1000Base-X: 1000 Mb/s, Basisband, Glasfaser-Kabel Von der Variante hängen noch Parameter wie z.b. die minimale Rahmenlänge ab (wegen unterschiedlicher Signallaufzeiten): 1000Base-X: minimale Rahmenlänge 416 Bytes 1000Base-T: minimale Rahmenlänge 520 Bytes Ethernet - Konfigurationen 100 Stationen 2.5 m Terminator Segment1 Repeater Segment2 500 m Grundeinheit: Segment Kopplung zweier Segmente 500 m 500 m 500 m Glasfaserkabel 1000 m Ethernet maximaler Länge 38 40

6 10Base-2 (Cheapernet) billiges Koaxialkabel (biegsam) Endgeräte über BNC-Stecker angeschlossen (T-Stücke) max. 5 Segmente (über Repeater verbunden) max. 30 Stationen (bzw. T-Stücke) pro Segment mind. 0.5 m Abstand zwischen Anschlüssen max. 185 m Segmentlänge maximale Ausdehnung 925 m T-Stück Koaxialkabel Fast Ethernet Prinzip: behalte Ethernet bei, aber mache es schneller: Kompatibilität mit existierenden Ethernet-Netzen 100 MBit/s an Übertragungsrate, erreicht durch bessere Technik, effizientere Codes, Nutzung mehrerer Leitungspaare, Switches,... Resultat: IEEE 802.3u, 1995 Problem: Die minimale Rahmenlänge zur Kollisionserkennung bei Ethernet beträgt 64 Byte. Bei 100 Mb/s wird der Rahmen aber ca. 10 Mal so schnell abgesendet, so dass eine Kollisionserkennung nicht mehr gewährleistet ist. Resultat: für Fast Ethernet musste die Ausdehnung ca. um den Faktor 10 auf etwas mehr als 200 Meter reduziert werden... Daher baut es auf 10Base-T mit einem zentralen Hub/Switch auf Base-T (Twisted Pair) sternförmig verkabelt mit Twisted Pair Geräte über RJ-45-Stecker angeschlossen (Western-Stecker), allerdings werden nur 2 der 4 Kabelpaare benutzt mehrere Geräte sind über einen Hub verbunden Kabellänge bis zum Hub max. 100 m Gesamtausdehnung damit max. 200 m Lange Zeit die meistverbreitete Variante Hub 100Base-T (Fast Ethernet) 100Base-T4 Twisted Pair-Kabel (UTP) der Kategorie 3 (billig) benutzt alle 4 Leitungspaare: eins zum Hub, eins vom Hub, die anderen beiden je nach Übertragungsrichtung 100Base-TX Twisted Pair-Kabel (UTP) der Kategorie 5 (teurer, aber weniger Dämpfung) benutzt nur 2 Leitungspaare, für jede Richtung eins zur Zeit am weitesten verbreitete 100 MBit/s-Version 100Base-FX Glasfaser-Verkabelung, benutzt eine Faser pro Richtung maximale Kabellänge zum Hub/Switch: 400 Meter Variante: Kabellänge bis 2 km bei Verwendung eines Switches. Hubs sind hierbei nicht erlaubt, da bei dieser Länge keine Kollisionserkennung mehr möglich ist. Bei Verwendung eines vernünftigen Switches treten allerdings keine Kollisionen mehr auf! 42 44

7 Wechsel zu Gigabit-Ethernet 1998 standardisierte die IEEE den Standard 802.3z, Gigabit-Ethernet Auch hier: Kompatibilität zu Fast Ethernet beibehalten! Problem: zur Kollisionserkennung müsste eine Reduktion der Kabellänge auf 20 Meter erfolgen daher wurde die Ausdehnung von Fast Ethernet beibehalten statt dessen wird eine neue Rahmen-Minimallänge von 520 Byte festgelegt, diese wird durch eine Erweiterung der Standardrahmen durch ein nodata -Feld (hinter der FCS, wegen Kompatibilität zu Ethernet) erreicht. Dieses Verfahren wird Carrier Extension genannt. PRE SFD DA SA Length /Type Data Padding FCS nodata Base-T/X (Gigabit Ethernet) 1000Base-T basiert auf Fast Ethernet Twisted Pair-Kabel (Kat. 5, UTP); Verwendung von 4 Kabelpaaren Segmentlänge: 100 m 1000Base-CX Twisted-Pair-Kabel (STP); Verwendung von 2 Kabelpaaren Segmentlänge: 25 m nicht oft verwendet 1000Base-SX Multimode-Glasfaser mit 5 Segmentlänge Übertragung auf dem 850nm-Band 1000Base-LX Mono- oder Multimode über 5000 m Übertragung auf 1300nm Nachträglich hinzugenommen: 1000Base-LH Monomode auf 1550nm Reichweite bis zu 70 km WAN! 47 Wechsel zu Gigabit-Ethernet Zusätzlich ist bei Gigabit Ethernet das Versenden mehrerer aufeinanderfolgender Rahmen möglich (Frame Bursting), ohne wiederholt CSMA/CD anzuwenden. Damit können Stationen bis zu 5,4 Rahmen auf einmal versenden. Der sendende MAC-Controller füllt die Lücken zwischen den Rahmen mit Interframe-Bits (IFG), dadurch ist das Medium für andere Stationen belegt. MAC-Rahmen (mit nodata) IFG MAC-Rahmen IFG... MAC-Rahmen Im Normalfall werden bei Gigabit-Ethernet keine Hubs mehr eingesetzt. Bei Verwendung eines Switchs treten aber keine Kollisionen mehr auf, daher ist die maximale Kabellänge hier nur noch durch die Signalabschwächung bestimmt. Zukunft von Ethernet... Und seit neuestem: 10GBase-X (10-Gigabit Ethernet, IEEE 802.3ae) Nur noch für Glasfaser spezifiziert (LX oder SX) Denkbare Varianten auch für Twisted Pair? Soll auch im MAN/WAN-Bereich eingesetzt werden (Reichweite bis 40 km) Nebenbemerkung: der Einsatz von Switches statt Hubs ist inzwischen sehr weit verbreitet. Da der Switch Punkt-zu-Punkt-Verbindungen realisiert, sind Kollisionen mit den Nachrichten anderer Stationen nicht mehr möglich... die Frage ist also, inwiefern die Bezeichnung 'CSMA/CD' noch angebracht ist