Sicherungsschicht und LAN

Transkript

1 Sicherungsschicht und LAN Nik Klever FH Augsburg Fakultät für Informatik Studiengang Multimedia/Interaktive Medien WWW: Diese Vorlesung ist dem Buch Computernetze von Kurose und Ross sowie dem Buch Computernetzwerke von Tanenbaum im Verlag Pearson-Studium angepaßt bzw. teilweise entnommen. 1

2 2

3 Sicherungs-Protokolle LAN Standard IEEE WAN - HDLC 1 Logical Link Control LLC Flag CSMA / CD >0 2 1 Octets Adress Control Data Frame Check S. Flag N(S) PF N(R) I-Frame (Information) N(S) Send Sequence Nr. P N(R) Receive Sequence Nr.1 0 S S F N(R) S-Frame (Supervisory) P/F Poll/Final Bit S Supervisory Bit M Modifier Function Bit U-Frames (Unnumbered) 1 0 MM PF MMM Token Ring 10BaseF 10Base5 10Base Media Access Control MAC FDDI 1 10BaseT X.25 - LAPB ISDN - LAPD 3

4 Die Dienste der Sicherungsschicht Framing und Leitungszugang Zuverlässige Übertragung Flusskontrolle Fehlererkennung Fehlerkorrektur Halb- und Vollduplex 4

5 Kommunizierende Adapter Sicherungsschichtprotokoll wird größtenteils in einem Adapter (einer Steckkarte, Netzschnittstellenkarte, Network-Interface-Card NIC) implementiert 5

6 6

7 7

8 Fehlererkennungs- und Fehlerkorrekturtechniken 8

9 Prüfsummenmethoden Paritätsprüfungen 9

10 10

11 Cyclic Redundancy Check (CRC) auch Polynomcodes genannt, weil die zu sendende Bitkette als Polynom betrachtet wird, dessen Koeffizienten die 0- und 1-Werte in der Bitkette sind Allgemein: Sender und Empfänger einigen sich auf ein Bitmuster der Länge r+1, welches Generator G genannt wird für ein bestimmtes Datenstück D wählt der Sender r zusätzliche Bit R und hängt sie an D an, so dass das resultierende Bitmuster d+r (als Binärzahl interpretiert) mit der Modulo-2-Arithmetik (bitweises EXCLUSIVE-OR oder XOR) genau durch G teilbar ist. Fehlerprüfung: Der Empfänger teilt die d+r empfangenen Bit durch G. Ist der Rest ungleich Null, weiß der Empfänger, daß ein Fehler aufgetreten ist, andernfalls ist korrekt empfangen worden. 11

12 12

13 Berechnung von R R muss so ermittelt werden, dass es ein n gibt, sodass D 2r XOR R = n G d.h. R soll so gewählt werden, dass G in D 2r XOR R ohne Rest teilbar ist D 2r = n G XOR R Dies besagt, wenn man D 2r durch G teilt ist der Wert des Rests genau R R = Rest ((D 2r) / G) 13

14 14

15 Mehrfachzugriffsprotokolle und Lokale Netzwerke (LANs) 15

16 16

17 Kanalaufteilungsprotokolle TDM Time Division Multiplexing FDM Frequency Division Multiplexing CDMA Code Division Multiple Access Jedem Knoten wird ein unterschiedlicher Code zugewiesen Unter einem CDM-Protokoll wird jedes vom Sender übertragene Bit dadurch kodiert, dass das Bit mit einem Signal (dem Code) multipliziert wird, das sich viel schneller als die Originalsequenz der Datenbits ändert 17

18 18

19 19

20 20

21 Zufallszugriffsprotokolle Slotted-ALOHA ALOHA CSMA Carrier Sense Multiple Access Carrier Sensing: wenn ein anderer spricht, höre zu und beginne erst zu sprechen, wenn dieser aufhört Collision-Detection: Höre auf zu sprechen, wenn ein anderer gleichzeitig zu sprechen beginnt 21

22 Slotted ALOHA - Annahmen Alle Rahmen umfassen genau L Bit Die Zeit wird in Schlitze mit einer Größe von L/R Sekunden aufgeteilt (d.h. ein Schlitz entspricht der Zeit die es dauert um einen Rahmen zu übertragen Die Knoten beginnen nur an den Anfängen von Schlitzen mit der Übertragung von Rahmen Die Knoten sind synchronisiert, so dass jeder Knoten weiß, wann die Schlitze beginnen Wenn zwei oder mehr Rahmen in einem Schlitz kollidieren, dann erkennen alle Knoten die Kollision bevor der Schlitz endet 22

23 Slotted ALOHA Wenn der Knoten einen neuen Rahmen zu senden hat, wartet er auf den Anfang des nächsten Schlitzes und überträgt den gesamten Rahmen in dem Schlitz Wenn keine Kollision entsteht, hat der Knoten seinen Rahmen erfolgreich übertragen und muss folglich keine Neuübertragung des Rahmens in Betracht ziehen Entsteht eine Kollision, wird diese vor dem Ende des Schlitzes vom Knoten erkannt. Der Knoten überträgt seinen Rahmen erneut im nächsten Schlitz mit Wahrscheinlichkeit p bis der Rahmen kollisionsfrei übertragen wird. (Wahrscheinlichkeit p: Knoten wirft eine Münze für den Schlitz: Zahl überspringe den Schlitz, andernfalls übertrage) 23

24 24

25 25

26 26

27 27

28 Rotationsprotokolle Polling-Protokoll Token-Passing-Protokoll 28

29 29

30 LAN-Adressen und ARP LAN-Adresse: Physikalische Adresse Ethernet-Adresse MAC-Adresse (Media Access Control) 6 Byte lang (248) IEEE verwaltet den Adressraum (der ersten 24 Bit) wird hexadecimal geschrieben LAN-Broadcast-Adresse FF-FF-FF-FF-FF-FF 30

31 31

32 ARP - Address Resolution Protocol (Adressauflösungsprotokoll) Hardware HLEN Protokoll PLEN Operation Sender HA (Oktette 0-3) Sender HA (Oktette 4-5) Sender IA (Oktette 0-1) Sender IA (Oktette 2-3) Empfänger HA (Oktette 0-1) Empfänger HA (Oktette 2-5) Empfänger IA (Oktette 0-3) Hardware: Netztyp z.b. 1 Ethernet 6 IEEE LocalTalk Protokoll: IP 0x0800 HLEN: Länge der Hardware-Adresse (6) PLEN: Länge der IP-Adresse (4) Operation: 1 ARP-Request 2 ARP-Response 3 RARP-Request 4 RARP-Response 32

33 33

34 34

35 Die Arbeitsweise von ARP - 1 Rundsende-ARPAnforderung IP ARP MAC1 IP ARP A1B1C MAC2 IP ARP MAC3 35

36 Die Arbeitsweise von ARP - 2 ARP-Antwort IP ARP MAC1 IP ARP A1B1C MAC2 IP ARP MAC3 36

37 Doppelte IP-Adressen ARP-Cache: IP ARP MAC IP2 ARP MAC2 IP ARP MAC3 ARP-Anforderung ARP-Anforderung 37

38 Übertragung eines Datagramms an einen Knoten außerhalb des LAN 38

39 39

40 Ethernet-Grundlagen Die Ethernet-Rahmenstruktur Präambel: 8 Byte, die ersten 7: das 8te-Byte: unzuverlässiger verbindungsloser Dienst keine Bestätigung.wenn der Rahmen korrekt empfangen worden ist. Auch keine negative Bestätigung, wenn die CRC-Prüfung fehlschlägt. Basisbandübertragung und Manchester-Codierung d.h. der Adapter sendet ein digitales Signal direkt auf den Broadcast-Kanal. Die Schnittstellenkarte verschiebt das Signal nicht in ein anderes Frequenzband wie bei ADSLund Kabelmodem-Systemen. 40

41 Komponenten eines Ethernet-Anschlusses Higher Layers Data Link Layer Teilnehmerstation LLC MAC Ethernet Controller PLS Physical Layer LLC Logical Link Control MAC Media Access Control PLS Physical Signaling MAU Medium Attachment Unit PMA Physical Medium Attachment MDI Medium Dependent Interface AUI Attachment Unit Interface MAU PMA MDI AUI Transceiver Cable Transceiver Tap 41

42 Ethernet - Rahmenformat Slot Time (~max. Signallaufzeit * 2) 7 Preambel 7 >64 Bytes (51,2 µs) 2 2 or or SFD DA SA Length I I Data <46 4 Pad FCS Source Address * >0 >46 G G U Destination Address L >9,6 µs inter frame gap Frame Check Sequence gem. CRC-32 (CCITT) 46 Bit Address Padding Bits 15 Bit A. I / G = 0 Individual Address Group Address U / L = 0 Globally administered Address U / L = 1 Locally administered Address Starting Frame DelimiterI / G = 1 42

43 43

44 44

45 CSMA/CD: das Mehrfachzugriffsprotokoll in Ethernet CSMA/CD 1. Ein Adapter kann jederzeit mit der Übertragung beginnen,d.h.es werden keine Zeitschlitze benutzt 2. Ein Adapter überträgt nie einen Rahmen, wenn er feststellt, dass ein anderer Adapter bereits überträgt (Carrier-Sensing) 3. Ein momentan aktiver Adapter bricht seine Übertragung ab, sobald er feststellt, dass ein anderer Adapter ebenfalls überträgt (Kollisionserkennung) 4. Vor dem Versuch einer Neuübertragung wartet ein Adapter eine zufällige Dauer die im Vergleich zu einer Rahmenzeit meist kurz ist 45

46 CSMA/CD - Verfahren Station ist sendebereit Kanal abhören Kanal frei? Warten gem. Backoff nein Senden+Kanal abhören Kollision? JAM-Signal senden nein CSMA: Carrier Sense Multiple Access CD: Collision Detection Backoff:: W = i * T W Wartezeit i Zufallszahl 0<i<2k k=min(n,10) T Slot Time (Round Trip Delay) JAM-Signal: Störsignal Ende 46

47 Ethernet-Technologien 10Base5 10Base2 10BaseT und 100BaseT Gigabit Ethernet 47

48 48

49 49

50 Hubs, Bridges und Switches Hubs Bridges Bridge-Weiterleitung und Filterung Selbstlernende Bridges Spannung Tree Vergleich: Bridges und Router Verbindung von LAN-Segmenten mit Backbones Switches Store-and-Forward Cut-Through wenn Pakete im Ausgangspuffer stehen, gibt es keinen Unterschied andernfalls beginnt die Übertragung des Paketanfangs bereits, während der Rest des Pakets noch ankommt 50

51 51

52 52

53 53

54 54

55 55

56 56

57 57

58 58

59 59

60 Vergleich der typischen Merkmale beliebter Verbindungsgeräte Merkmal Hubs Bridges Router EthernetSwitches Verkehrsisolierung Nein Ja Ja Ja Plug-and-Play Ja Ja Nein Ja Optimales Routing Nein Nein Ja Nein Cut-Through Ja Nein Nein Ja 60

61 IEEE LANs LAN Architektur Grundlegender Baustein ist die Zelle, die als Basic Service Set (BSS) bezeichnet wird. Ein BSS enthält normalerweise eine oder mehrere drahtlose Stationen und eine zentrale Basisstation, die als Access-Point (AP) bezeichnet wird. 61

62 62

63 63

64 PPP (Point-to-Point Protocol) Protokoll fiel den Anschluß von privaten Nutzern übe eine Wählleitung oder DSL an einen ISP Dienste: Paket-Framing Transparenz Unterstützung mehrere Protokolle der Vermittlungsschicht über eine Verbindung Unterstutzung mehrerer Leitungsarten Fehlererkennung Aushandlung von Adressen für die Vermittlungsschicht Einfachheit PPP-Datenrahmen Bytestopfen 64

65 65

66 66

67 PPP: LCP (Link Control Protocol) und Netzwerkkontrollprotokolle 67