Modul 3: Ethernet. 3.1 Ethernet-Einführung 3.2 CSMA/CD Medien-Zugriffsprotokoll 3.3 Ethernetframe. Prof. Dr. Martin Leischner Netzwerksysteme und TK

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1 Modul 3: Ethernet 3.1 Ethernet-Einführung 3.2 CSMA/CD Medien-Zugriffsprotokoll 3.3 Ethernetframe :32:07 M. Leischner Netze, BCS, 2. Semester Folie 1

2 3.1 Ethernet- Einführung :32:07 M. Leischner Netze, BCS, 2. Semester Folie 2

3 Geschichte des Ethernets 1970 Norman Abramson und seine Kollegen der Universität von Hawaii verbinden Rechner auf den verschiedenen Inseln miteinander ALOHA- Protokoll 1976 Metcalfe und David R. Boggs: "Ethernet: Distributed Packet Switching for Local Computer Networks" [1]. Skizze des Ethernets von Robert Metcalfe anlässlich einer Konferenz 1976 [1] ACM, Classics of the month, April 1996 ( :32:08 M. Leischner Netze, BCS, 2. Semester Folie 3

4 Geschichte des Ethernets 1980 DIX (DEC, Intel und Xerox ) veröffentlichte Standard für Ethernet-LANs "Ethernet Version 1(10 MBit/s). IEEE-Komitee formiert sich, um die LAN-Technologie herstellerunabhängig zu standardisieren 1982 DIX-Gruppe veröffentlicht "Ethernet Version 2", um kompatibel zu bleiben 1985 IEEE-Standard formell verabschiedet 1995 Fast-Ethernet mit dem Dokument IEEE 802.3u verabschiedet Gigabit-Ethernet mit Dokument IEEE 802.3z) verabschiedet IEEE verabschiedet 10 Gigabit-Ethernet-Standard IEEE 802.3ae (heute: 802.3, Clause 52) für Ethernet über Glasfaser 2004 IEEE verabschiedet 10 Gigabit-Ethernet-Standard IEEE P802.3ak (802.3, Clause 55) für Ethernet über Kupfer (bis 15m) IEEE verabschiedet den Standard IEEE 802.3ba-2010 für 40-Gigabit- Ethernet und das 100-Gigabit-Ethernet. Frage: Warum hält sich Ethernet so hartnäckig? :32:08 M. Leischner Netze, BCS, 2. Semester Folie 4

5 Überblick Ethernet-Standards Klassiker breite Anwendung IEEE-Standard Bezeichnung Jahr Datenrate Kabel 802.3, Clause 8 10Base MBit/s Koaxialkabel (DIX/AUI), 500 m 802.3, Clause 2 10Base MBit/s Koaxialkabel (BNC), 185 m 802.3, Clause 14 10Base-T MBit/s Twisted-Pair-Kabel (RJ-45), 100 m 802.3, Clause 18 10Base-FL MBit/s Glasfaserkabel 802.3, Clause Base-T MBit/s Twisted-Pair-Kabel (RJ-45), 100 m 802.3, Clause Base-Fx MBit/s Glasfaserkabel 802.3, Clause Base-T GBit/s Twisted-Pair-Kabel (RJ-45) 802.3, Clause 52 10GBase-SR GBit/s Glasfaserkabel (SR = Short Range, 100m ) 802.3, Clause 55 10GBase-T GBit/s Twisted-Pair-Kabel über 100m IEEE 802.3ba GbE 100GbE GBit/s 100 GBit/s verschiedene physische Realisierungen März 2013: IEEE Gb/s Ethernet Study Group ( 400 Gb/s Ethernet: Why Now? ) Oktober 2013: Telekom Rekord: 100 Gbit/s über Langstrecken-Ethernet. (TeraStream-Technik) :28:37 M. Leischner Netze, BCS, 2. Semester Folie 5

6 Ethernet im OSI-Schichtenmodell / Ethernet-Sublayering Schicht 3 Schicht 2 Schicht 1 Leitungsschicht Vermittlungsschicht LLC (Logical Link Control) MAC (Medium Access Control) Bitübertragungsschicht LAN-Standards (nach IEEE 802) Medium LLC-Schicht: stellt einheitliche Schnittstelle zur MAC-Schicht zur Verfügung (Aufgabe Demultiplexing) die LLC-Schicht ist heute bei Ethernet II nicht mehr von Bedeutung. MAC (Medium Access Control)-Schicht: steuert den Zugriff auf das gemeinsame Medium verwendet das CSMA/CD-Protokoll (aber nicht mehr bei 10-Gigabit-Ethernet ). generiert das Frame (und gibt es weiter an die Bitübertragungsschicht) üblich ist heute das "Ethernet II-Frame" :32:08 M. Leischner Netze, BCS, 2. Semester Folie 6

7 3.2 CSMA/CD Medien- Zugriffsprotokoll :32:08 M. Leischner Netze, BCS, 2. Semester Folie 7

8 Problemstellung, Randbedingungen und Eigenschaften der MAC- Schicht Grundproblem (historisch bedingt): Datenübertragung bei "shared medium" (Bus-Topologie) Anforderungen: faires Zugriffsverfahren, gleichberechtigte Stationen >100 unabhängige Stationen möglich dezentral hohe Datenrate Eigenschaften: nicht deterministisch keine garantierte Antwortzeit Zielkonflikt: große Netzausdehnung / kleine Frames / hohe Datenrate Schicht 1 Schicht 2 Ethernet- Board Transceiver AUI-Kabel klassischer Ethernetanschluss Coax-Kabel (10Base5) :32:08 M. Leischner Netze, BCS, 2. Semester Folie 8

9 Carrier Sense 1. Jede Station überwacht das Medium ( carrier sensing, listen before talking ). Sicherheitsproblematik: Jeder hört mit 2. Ist das Medium belegt, so wird es überwacht, bis es frei ist, und dann wird mit der Übertragung begonnen. Zwischen zwei Frames muss ein zeitlicher Mindestabstand (Inter Frame Gap) von 96 Bitzeit eingehalten werden. (So wird das Ende eines Ethernet-Frames erkannt.) A C B :32:13 M. Leischner Netze, BCS, 2. Semester Folie 9

10 Carrier Sense 3. Ist das Medium frei, kann mit der Übertragung begonnen werden. A C B :32:13 M. Leischner Netze, BCS, 2. Semester Folie 10

11 Multiple Access 4. Während eine oder mehrere Station(en) sendet(n), wird das Medium weiter abgehört ( listen while talking ). A C B :32:14 M. Leischner Netze, BCS, 2. Semester Folie 11

12 Collision Detection 5. Wird vom Sender eine Kollision entdeckt, wird die Übertragung sofort abgebrochen und ein spezielles Störsignal gesendet ( jam signal ). Jam Signal: Spezielle Bitkombination (z.b. 0xAAAAAAAA), die eindeutige einen defekten Rahmen signalisiert. Ein Kollision wird vom Sender dadurch entdeckt, dass er beim Senden den Pegel des Ausgangssignals mit dem des Eingangssignals vergleicht (Feststellung einer Signalüberlagerung). A C B :32:14 M. Leischner Netze, BCS, 2. Semester Folie 12

13 Collision Detection 6. Nach der Absendung des Störsignals wird eine zufallsbestimmte Zeit (die mit der Anzahl der Fehlversuche wächst siehe nächste Folie) gewartet und die Übertragung bei Schritt 1 neu versucht (back-off-time). A C B :32:14 M. Leischner Netze, BCS, 2. Semester Folie 13

14 Binärer exponentieller Backoff-Algorithmus Die Grundwartezeit S ("Slotzeit") ist die Übertragungszeit eines minimalen Ethernetframes (64 Byte) Kollisionszähler k zählt Anzahl der Kollisionen. Die Back-off-Time berechnet sich zu Back-off-Time = n *S, wobei n zufälliges Element aus {i : 0 i < 2 k und i 2 10 } Beispiel: k=1: i zufällig aus {0,1} Back-off-Time = 0*S oder 1*S k=2: i zufällig aus {0,1,2,3} Back-off-Time = 0*S, 1*S, 2*S oder 3*S Bei mehr als 16 Kollisionen: Abbruch (d.h. CSMA/CD "gibt auf") Es wird ein Fehler an die darüberliegende Schicht gemeldet :32:14 M. Leischner Netze, BCS, 2. Semester Folie 14

15 Raumzeitdiagramm CSMA/CD das beabsichtigen die Stationen zu senden Raum Zeit :32:17 M. Leischner Netze, BCS, 2. Semester Folie 15

16 Raumzeitdiagramm CSMA/CD Raum Zeit :32:17 M. Leischner Netze, BCS, 2. Semester Folie 16

17 Timing bei CSMA/CD Station A Netzdurchmesser Station B Frame-Übertragungszeit Roundtrip Time Ethernetframe Zeit :32:17 M. Leischner Netze, BCS, 2. Semester Folie 17

18 Timing bei CSMA/CD Kollisionserkennung bei CSMA/CD: Korrekte Funktion der Kollisionserkennung ist nur dann gegeben, wenn das maximale Round-Trip-Delay in der Kollisionsdomäne kleiner als die Zeit ist, die benötigt wird, um einen minimalen Ethernet-Rahmen (=64 Byte (+8 Byte Präambel/Delimiter) ) auf das Medium zu übertragen. Daraus ergibt sich Rechenformel: Maximales_Round_Trip_Delay (*) < Übertragungszeit_für_minimalen_Rahmen 1 Dieser Quotient wird als Konfliktparameter bezeichnet. Im Weiteren nehmen wir folgende idealisierenden Bedingungen an: Die Signalausbreitungsgeschwindigkeit im Netz besitzt einen konstanten Wert Die durch Vernetzungskomponenten, wie Repeater oder Ethernet-Karten, bewirkten Verzögerungen sind zu vernachlässigen :32:17 M. Leischner Netze, BCS, 2. Semester Folie 18

19 Timing bei CSMA/CD Es sei D c α Ü L der Netzdurchmesser (= die maximal mögliche Entfernung zwischen zwei Komponenten einer Kollisionsdomäne unter Berücksichtigung der tatsächlichen, physischen Kabelverlegung), die Lichtgeschwindigkeit, die medienabhängige Konstante (bei Kupfer α=0,6) die Übertragungsgeschwindigkeit im Netz und die minimale Rahmenlänge, so ergibt sich aus (*) durch Einsetzen die folgende Formel: 2 D (**) α c L = Konfliktparameter < Ü :32:17 M. Leischner Netze, BCS, 2. Semester Folie 19

20 Übungsaufgabe Aufgabe Berechnen Sie mit Hilfe der Formel (**) unter den angegebenen idealisierenden Bedingungen den maximal möglichen Netzdurchmesser für folgende Fälle: (a) Klassisches Ethernet (mit 10 MBit/s). (b) Fast-Ethernet (mit 100 MBit/s). (c) Gigabit-Ethernet (mit 1000 MBit/s) :32:19 M. Leischner Netze, BCS, 2. Semester Folie 20

21 Lösungsskizze Schritt 1: Auflösen der Formel (**) 2 D α c L Ü < 1 nach Netzdurchmesser D ergibt: D < L α c 2Ü Schritt 2: Einsetzen der Werte L= (512+64)Bit, c= 3*10 8 m/s, α=0,6 und Ü= 10/100/1000 MBit/s liefert: (a) D < 5184 m (b) D < 518 m (c) D < 52 m :32:20 M. Leischner Netze, BCS, 2. Semester Folie 21

22 Kollisionsdomäne (heute nicht mehr relevant) Mit Hilfe von Repeatern lassen sich einzelne Ethernet-Kabelsegmente zu größeren Ethernet- Netzen zusammenfügen. Der wesentliche Punkt ist, dass ein Repeater neben den Rahmen auch alle in einem Segment auftretenden Kollisionen in alle angeschlossene Kabelsegmente überträgt, so dass eine Kollision im ganzen mit Repeatern verbundenen Netz sichtbar ist. Dies führt zum Begriff der Kollisionsdomäne. Zwei Rechner gehören zu ein und derselben Kollisionsdomäne, wenn die von ihnen ausgesandten Rahmen kollidieren können. Aus Sicht der MAC-Schicht verhält sich ein mit Repeatern verbundenes Netz wie ein einziges Medium. Damit ist die maximale geographische Ausdehnung eines derartigen Netzes, also einer Kollisionsdomäne, dadurch gegeben, dass der CSMA/CD-Protokollmechanismus korrekt arbeitet. Bei Hub-Systemen ist die Repeater-Funktionalität die gemeinsam genutzte Ressource. Beim Aufbau größerer, über Repeater gekoppelter Ethernetnetzen sind die durch das Timing von CSMA/CD gegebenen Dimensionierungsrestriktionen zu beachten :32:20 M. Leischner Netze, BCS, 2. Semester Folie 22

23 3.3 Ethernetframe :32:20 M. Leischner Netze, BCS, 2. Semester Folie 23

24 Adressierung MAC-Schicht 1 I/G individual(0) / group(1) U/L OUI OUA universal(0) / local(1) administration flag organisationally unique identifier organisationally unique address 48 Bit in Übertragungsreihenfolge Beachte: MAC- Adresse besteht aus 6 Byte, jedes Byte wird gemäß least significant bit first übertragen. I/G-Bit (Individual oder Group Bit) 0 zur Adressierung einer einzelnen Station 1 für eine Gruppen- oder Broadcast-Adresse Broadcast-Adresse 0xFF-FF-FF-FF-FF-FF U/L-Bit (Universal oder Local Bit) 0 globale von IEEE verwaltete, weltweit eindeutige, fest eingebrannte Adresse 1 lokale (von Software konfigurierte) Adresse OUI: dem Hersteller fest zugewiesen, Hersteller-ID OUA: vom Hersteller fest vergeben, Stations-ID :32:20 M. Leischner Netze, BCS, 2. Semester Folie 24

25 Ethernet II Frame Präambel Rahmenbegrenzung Zieladresse Quelladresse VLAN-Tag 4 Byte MAC Typenfeld Daten Hierüber kann ein Switch den Datenverkehr virtuellen LANs zuordnen (siehe IEEE 802.1Q) CRC-Prüfsumme 7 Byte 1 Byte 6 Byte 6 Byte 2 Byte x Byte 4 Byte 1 1 MAC MAC LLC 3/4/ MAC Präambel: Bitsequenz (für Synchronisationszwecke) Rahmenbegrenzung (Start of Frame Delimeter): Datenfeld: 46 bis 1500 Bytes CRC-Prüfsumme gemäß Cyclic-Redundancy-Check-Polynomprüfverfahren :39:59 M. Leischner Netze, BCS, 2. Semester Folie 25

26 Multiplex/Demultiplexfunktion der LLC-Schicht (historisch) Typfeld Protokoll Schicht 2: LLC LLC LLC Schicht 2: MAC Schicht 1 Prot. A Prot. B Prot. C Karte 1 MAC 1 PHY 1 Karte 2 MAC 2 PHY 2 Karte 3 MAC 3 PHY 3 Die Multiplex/Demultiplexfunktionfunktion der LLC-Schicht wird über die Auswertung des Typenfelds im Ethernet-II- Frame realisiert (Diese sehr einfache Funktion der LLC-Schicht ist heute in die MAC-Schicht integriert. Realisierung über Typfeld.) 0x0800 0x0806 0x8035 IP Internet Protocol (IPv4) Address Resolution Protocol (ARP) Reverse Address Resolution Protocol (RARP) 0x809b Appletalk (Ethertalk) 0x80f3 0x8100 Appletalk Address Resolution Protocol (AARP) VLAN-tagged frame (IEEE 802.1Q) 0x8138 Novell IPX 0x86DD Internet Protocol, Version 6 (IPv6) :39:26 M. Leischner Netze, BCS, 2. Semester Folie 26

27 VLAN-Tagging nach 802.1Q im Detail Präambel Rahmenbegrenzung Zieladresse Quelladresse 4 Byte Typenfeld Daten CRC-Prüfsumme 7 Byte 1 Byte 6 Byte 6 Byte 2 Byte x Byte 4 Byte 7 Byte 1 Byte 6 Byte 6 Byte 4 Byte 2 Byte x Byte 4 Byte Problem: Identifikation des Frames als ein IEEE 802.1Q-tagged frame :05:00 M. Leischner Netze, BCS, 2. Semester Folie 27

28 Lösung: des vorher genannten Problems Tag Protocol Identifier 4 Byte Tag Control Information (enthält VLAN Identifier) TPID 0x8100 TCI 7 Byte 1 Byte 6 Byte 6 Byte TPID TCI Ethern. Type x Byte 4 Byte Auch Double-Tagging ist möglich ( virtuelles LAN im virtuellen LAN ) Wird von Service Providern benutzt, um ihren Kunden ebenfalls Tagging zu erlauben. ( metro tag für das metropolitan-area Ethernet bzw. metro ethernet) :14:51 M. Leischner Netze, BCS, 2. Semester Folie 28

29 Ausblick: Ethernet- Bitübertragungsschicht :32:22 M. Leischner Netze, BCS, 2. Semester Folie 29

30 Bitübertragungsschicht - Anforderungen und Problemstellung MAC- Schicht Bitübertragungsschicht (1)-SAP 1000BaseT MAC 100BaseT 10GBaseSW Über Physical Signaling Services wird logische Sicht auf gemeinsam genutztes Medium realisiert. Unabhängigkeit des Zugriffsverfahrens von Medium und Ü- Geschwindigkeit Medium Twisted Pair Glasfaser Ü Base K mit Physical-Signaling-Services: Ü = Ü-geschwindigkeit ein Einzelbit auf das Medium zu übertragen, in MBit/s K = Kabeltyp ein Einzelbit vom Medium zu lesen, den Zustand des Mediums (belegt/nicht belegt) anzuzeigen sowie den Signalstatus (Kollision oder Fehler liegt vor / liegt nicht vor) zu melden :32:22 M. Leischner Netze, BCS, 2. Semester Folie 30

31 Arbeitsblatt: Manchester-Kodierung Bit/Bitstrom Aufgabe: Kodieren Sie die Bitfolge (a) 1 in Binärkodierung (b) in Manchesterkodierung Binärkodierung H L (c) Was sind die Vorteile und Nachteile einer Manchester-Kodierung im Vergleich zur einfachen Binärkodierung? Manchester- Kodierung H L Notizen: :32:22 M. Leischner Netze, BCS, 2. Semester Folie 31

32 Aufbau der physischen Schicht nach IEEE MAC Anschluss Reconcilation MII PCS PMA Auto-negotiation medienunabhängige Teilschichten medienabhängige Teilschichten Heute bei Twisted-Pair MDI Keine Kollisionen im Kabel beim Full-Duplex-Modus ( der erste Schritt weg vom klassischen "shared medium"-ethernet) MDI Medium Reconcilation Layer: stellt der MAC-Schicht am (1)-SAP Physical-Signaling-Services zur Verfügung (wie z.b. Übertrage Einzelbit auf das Medium ). MII (Media Independent Interface): Datenpfad, über den die medienabhängigen Teilschichten angekoppelt werden können. (Verschiedene Ausprägungen je nach Technologie, z.b. Kabelstück, Leiterbahnen; verschiedene Bezeichnungen, z.b. XGMII für das 10 Gigabit Ethernet.) Physical-Coding-Sublayer (PCS): technologiespezifische Signalkodierung und synchronisierung. Physical-Medium-Attachment-Layer (PMA): Bedienung des Mediums (z.b. die Kollisionserkennung) Autonegotiation Sublayer: Aushandeln des gemeinsamen Bitübertragungsprotokolls. Medium-Dependent-Interface (MDI): Übergang zum Medium :32:26 M. Leischner Netze, BCS, 2. Semester Folie 32