Grundlagen der Rechnernetze. Lokale Netze

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1 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze

2 Protokollarchitektur Repeater und Bridges Hubs und Switches Virtual LANs Fallstudie Ethernet Fallstudie Wireless LAN Übersicht Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 2

3 Protokollarchitektur Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 3

4 IEEE 802 Referenzmodell Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 4

5 LLC PDU und MAC Frame Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 5

6 Funktionen Verfügbare LLC Services Unacknowledged Connectionless Service Keine Fluss und Fehlerkontrolle Somit keine Auslieferungsgarantien Connection Mode Service Logischer Verbindungsaufbau vor der Kommunikation Fluss und Fehlerkontrolle Acknowledged Connectionless Service Kein logischer Verbindungsaufbau Aber Datagram Acknowledges (Kreuzung aus den beiden vorigen) MAC Wer kontrolliert den Medienzugriff? Zentralisiert Verteilt Wie kontrolliert man den Medienzugriff (in LANs nur asynchron) Round Robin Reservation Contention Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 6

7 Repeater und MAC Bridges Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 7

8 Repeater: Erweitern des Mediums Übertragungswiederholung auf der physikalischen Schicht Repeater Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 8

9 Nachteile Zuverlässigkeit Performance LAN 1 LAN 2 LAN 3 Repeater 1 Repeater 2 Sicherheit Geographie LAN n Repeater n 1 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 9

10 MAC Bridge: Verbinden von LANs Mit identischer physikalischer und Verbindungs Schicht! Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 10

11 Komplexere Netze mittels Bridges LAN A Bridge anderes Medium für den Transport der MAC Frames zwischen LAN A und LAN B. Bridge LAN B LAN B LAN A Bridge LAN D LAN C Auf jeden Fall: die Existenz einer Bridge ist auf Ebene der MAC Adressierung völlig transparent. Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 11

12 Komplexere Netze mittels Bridges Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 12

13 Fixed Routing Port für LAN A: Station 1 Station 2 Station 3 Station 6 Station 7 Port für LAN B: Station 4 Station 5 Manuell konfiguriert Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 13

14 Repeater und MAC Bridges Spanning Tree Algorithmus Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 14

15 Frame Forwarding Port für LAN A: 1, 2, 6 Port für LAN B (geblockt): 4 (d.h. 3, 7 und 5 sind aktuell nicht bekannt) Empfang eines MAC Frames f adressiert an Station n. Empfang war über Port x: 1. Durchsuche Forwarding Tabelle nach dem Port für n. (ignoriere dabei den Port x) 2. Wenn kein Port gefunden, dann sende f an alle Ports außer x. 3. Wenn Port y gefunden und dieser nicht geblockt ist dann sende f an y. Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 15

16 Address Learning Port für LAN A: 1, 2, 6 Port für LAN B: 4 (d.h. 3, 7 und 5 sind aktuell nicht bekannt) Empfang eines MAC Frames f mit Absenderadresse von Station n. Empfang war über Port x: Speichere Absenderadresse in Liste für Port x und setze einen Timeout Wert auf den Startwert (zurück). Wenn Timer abgelaufen, dann Lösche den Eintrag für n wieder. Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 16

17 Loop Problem Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 17

18 Lösung: Konstruiere azyklischen verbundenen Sub Graphen A C B3 B5 (das ist ein Spannbaum) B E B2 D B7 F K G B1 H I B6 B4 J Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 18

19 Vorgehen: Election des Spanning Tree Root C A B B3 B5 E B2 D B7 F K G I B6 B1 Root behält alle Ports bei. B4 H J Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 19

20 Vorgehen: Bridges berechnen kürzeste Pfade zum Root C A B B3 B5 E B2 D B7 F K G B1 Tree Root H I B6 B4 J Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 20

21 Vorgehen: Jedes Netz behält genau eine Nicht Root Bridge C E B3 2 B2 1 A B D B5 1 B7 1 K F B1 G I B6 1 Auswahlkriterium: Bridge am nächsten zum Root Bei Gleichstand die mit der kleinsten ID 1 B4 H J Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 21

22 Vorgehen: Jedes Netz behält genau eine Nicht Root Bridge C A B B3 B5 E B2 D B7 F K B1 G I B6 1 Ergebnis: Bridges mit keinem oder einem Port erfüllen keine Funktion mehr Trotzdem sinnvoll: Backup Bridges B4 H J Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 22

23 Repeater und MAC Bridges Verteilte Realisierung des Spanning Tree Algorithmus Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 23

24 Start des Algorithmus C E G B2 A B3 D B1 B5 Jede Bridge deklariert sich anfangs als Root Bridge. B Die Root Bridge sendet periodisch über B7alle Ports eine Konfigurationsnachricht mit folgendem Inhalt: K 1. ID der Root BridgeF 2. Hop Distanz zur Root Bridge 3. ID der sendenden H Bridge I B6 B4 Beispiel: Was versendet B3? J Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 24

25 Wechsel von Root zu Nicht Root Bridge C E G B2 I A B6 B3 D B1 B5 Eine Root Bridge deklariert sich nicht mehr als Root B Bridge, sobald eine kleinere Root Bridge ID als die eigene empfangen wurde. B7 Ab dann können nur noch K Konfigurationsnachrichten F (mit um eins erhöhtem Hop Count) über alle (außer dem Empfangsport) H weiter geleitet. Beispiel: Was passiert z.b. B4 nach dem Nachrichtenaustausch zwischen B2 und B3? J Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 25

26 Election der Root Bridge C E G B2 I A B6 B3 D B1 B5 Empfängt eine Nicht Root Bridge eine Konfigurationsnachricht mit B kleinerer Root ID, als die zuletzt B7 empfangene, dann leite die Nachricht K wie vorhin beschrieben weiter F sonst ignoriere die Nachricht einfach H Beispiel: B3 empfängt Nachricht von B1 über B4 B2 B3 empfängt noch alte J Nachricht von B5 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 26

27 Abschalten von Ports C E G B2 A B3 D B1 B5 Nicht Root Bridge schaltet einen Port ab, wenn eine B Konfigurationsnachricht hierüber empfangen wird, welche folgendes B7 speichert: 1. gleiche Root ID wie die K zuletzt empfangene 2. geringerer Hop Count F 3. oder gleicher Hop Count aber Absender ID ist kleiner H I B6 Beispiel: B3 empfängt B4 Root ID B1 von B2 und B5. J Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 27

28 C A Abschalten von Ports B3 B5 Beispiel: B6 empfängt Root ID B1 von B1 und B4. B E B2 D B7 F K G B1 H I B6 B4 J Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 28

29 Hubs und Switches Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 29

30 Hubs Zusammenfassen von Stationen und anderen Hubs in eine große Kollisionsdomäne Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 30

31 (Layer 2) Switches Mit Hubs erreichbare Gesamtkapazität im Netz? Switches schalten kommunizierende Endknoten zusammen. Erreichbare Gesamtkapazität? Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 31

32 Typen von (Layer 2) Switches Store and Forward Cut Through Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 32

33 Abgrenzung zwischen Switch und Bridge Wo werden eingehende Frames behandelt? Paralleles abarbeiten von Frames möglich? Store and Forward oder Cut Throught? Bridge In Software Nein Nur Store and Forward Switch In Hardware Ja Store and Forward oder Cut Through Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks, Fourth Edition, 2003 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 33

34 Virtual LANs (VLANs) Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 34

35 Motivation: Aufteilen der Broadcast Domain Skalierbarkeit Sicherheitsaspekt (Eindämmen von Broadcast Storms) Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Ninth Edition, 2011 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 35

36 Lösung: Einfügen eines Routers Nachteil: Aufteilung durch physikalische Knotenverteilung vorgegeben. Was wenn z.b. X und Z in eine Broadcast Domäne gehören sollen? Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Ninth Edition, 2011 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 36

37 Verwendung von virtuellen LANs Besser: logische Aufteilung in virtuelle LANs. Erfordert aber auch IP Routing Logik: entweder mit separaten Routern realisiert oder mit LAN Switches (Layer3 Switch) Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Ninth Edition, 2011 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 37

38 Definition der VLAN Zugehörigkeit Varianten Zugehörigkeit durch Port Gruppe Jeder End Port (Switch Host Verbindung) ist einem VLAN zugeordnet Zugehörigkeit durch MAC Adresse Jede MAC Adresse wird einem VLAN zugeordnet Vorteil: Knoten können verschoben werden Zugehörigkeit durch Protokollinformation Zuordnung auf Basis von IP Adresse, Transport Protokoll Info oder sogar höhere Schicht Switches müssen für ihre Trunk Ports (Switch Switch Verbindung) wissen welche VLANs damit versorgt werden Manuell konfiguriert Dynamisch erlernt (grob: erweitere Spanning Tree Algorithmus um VLAN IDs) Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks, Fourth Edition, 2003 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 38

39 Fallstudie Ethernet Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 39

40 IEEE MAC 1 persistent CSMA/CD mit Binary Exponential Backoff Auch in geswitchten Netzen in denen es keine Kollisionen gibt MAC Frame: < 1536 bedeutet Length sonst Type Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 40

41 IEEE Physical Layer Generelle Unterscheidung von Medien: <Datenrate><Signalisierungsmethode><Maximale Segmentlänge in 100 Meter Schritten> 10 Mbps Alternativen: 10BASE5 10BASE2 10BASE T 10BASE FP Medium Coax Coax Unshielded Twisted Pair Optisch Signalisierung Manchester Manchester Manchester Manchester Topologie Bus Bus Star Star Max. Länge (m) Knoten pro Segment Bemerkung Erweiterung mit max. 4 Repeater auf 2500m Erweiterung mit max. 4 Repeater auf 2500m für optische Leitung auf 500m spezifiziert Erlaubt auch Repeater Erweiterung en bis 2km Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 41

42 IEEE Physical Layer 100BASE T Alternativen (Fast Ethernet) 100BASE TX 100BASE TX 100BASE FX 100BASE T4 Medium 2 Paar STP 2 Paar Category 5 UTP 2 Optische Leitungen 4 Paar Category 3, 4 oder 5 UTP Signalisierung MLT 3 MLT 3 4B5B, NRZI 8B6T, NRZ Topologie Star Star Star Star Datenrate 100 Mbps 100 Mbps 100 Mbps 100 Mbps Max. Segmentlänge 100 m 100 m 100 m 100 m Netzausdehnung 200 m 200 m 200 m 200 m MLT 3 ein ternärer Code, der ungewünschte elektromagnetische Emissionen vermeidet. Dazu wird Energiekonzentration des Signals im verlauf der Übertragung um 0 Volt gemittelt. (siehe nächste Folie) 4B5B was war das noch mal? siehe Folien zur Verbindungsschicht 8B6T ein Signal Encoding, welches 8 Bit auf 6 ternäre Symbole mapped (keine weiteren Details hier) Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 42

43 Ergänzung: MLT 3 (ein Beispiel für ein ternäres Encoding) Vermeiden von langen Symbolfolgen ohne Änderung wird mittels Scrambling erreicht (siehe folgende Folie). Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 43

44 Ergänzung: Scrambling Scrambling am Beispiel: die Eingabe Bits A m werden wie folgt in Ausgabe Bits B m berechnet: B m = A m B m 3 B m 5 Die ursprüngliche Sequenz bestimmt man wiederum durch: C m = B m B m 3 B m 5 In der Tat: Beispiel: wird zu Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 44

45 IEEE Physical Layer Gigabit Ethernet: 1Gbps Verbindungen Beispielkonfiguration: Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 45

46 IEEE Physical Layer Gigabit Ethernet Erweiterungen zu CSMA/CD, wenn kein Switching verwendet Carrier Extension (schnellere Übertragung erfordert für CD längere Pakete) Frame Bursting (mehrere Pakete unmittelbar hintereinander, anstatt CSMA/CD pro Paket) Medien Optionen: Signaling: 8B/10B Signaling: 4D PAM5 Signaling: 8B/10B Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 46

47 IEEE Physical Layer 10 Gigabit Ethernet Optionen Signaling: 64B/66B Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 47

48 IEEE Physical Layer 100 Gigabit Ethernet Optionen (IEEE802.3ab) 1m Backplane 40 Gbps 100Gbps 40GBASE KR4 10 m Copper 40GBASE CR4 100GBASE CR m Multimode fiber 40GBASE SR4 100GBASE SR10 10 km Single Mode Fiber 40GBASE LR4 100GBASE LR4 40 km Single Mode Fiber 100GBASE ER4 Copper: K=backplane; C= cable assembly Optical: S = Short Reach (100m); L = Long Reach (10km); E = Extended Long Reach (40km) Coding Scheme: R = 64/66B block coding Final Number: number of lanes (copper wires or fiber wavelengths) Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 48

49 VLAN erforderte Modifikation Frame Tagging Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks, Fourth Edition, 2003 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 49

50 Fallstudie Wireless LAN Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 50

51 Wireless LAN Typen Infrastructure Wireless LAN Ad Hoc LAN Single Hop Multi Hop Single Cell Multiple Cell Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 51

52 LAN Kategorien Spread Spectrum LAN (2,4 GHz ISM Band) OFDM LAN (2,4 GHz oder 5 GHz ISM Band) Infrarot LAN Bemerkung: ISM Band ISM = Industrial, Scientific and Medical Regulierungsbehörden Freie Frequenzbänder; dennoch Vorgaben, z.b.: Abgestrahlter Leistung Modulation etc. Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 52

53 Standard IEEE IEEE Standards Anwendungsbereich Medium access control (MAC): ein gemeinsamer MAC für WLAN Anwendungen Physical Layer: Infrarot bei 1Mbps und 2Mbps Physical Layer: 2,4GHz FHSS bei 1Mbps und 2Mbps Physical Layer: 2,4GHz DSSS bei 1 Mbps und 2Mbps IEEE a Physical Layer: 5GHz OFDM bei 6 bis 54Mbps IEEE b Physical Layer: 2,4GHz DSSS bei 5,5Mbps und 11Mbps IEEE g Physical Layer: Erweiterung von b auf >20Mbps IEEE n Physical/MAC: Aufwertung für mehr Durchsatz WiFi Alliance: (Wireless Fidelity Alliance) Industriekonsortium mit einer Test Suite, die die Interoperabilität von b Produkten unterschiedlicher Hersteller zertifiziert. Wurde auch auf g erweitert. (Wi Fi5: Zertifizierungsprozess für a) Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 53

54 Architektur (Extended Service Set (ESS) stellt sich dem LLC als ein einziges logisches LAN dar) Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 54

55 MAC P CSMA (kein CD, da dies bei drahtloser Kommunikation nicht realisierbar ist) Zugriffsmethoden: Data ACK Zyklus oder optional RTS CTS Data ACK Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 55

56 MAC: DCF CSMA mit Binary Exponential Backoff Bei freiem Medium wird ein Inter Frame Space gewartet und dann geschaut, ob das Medium immer noch frei ist Ermöglicht Zugriffspriorisierung. Hier konkret: SIFS, PIFS und DIFS SIFS wird verwendet für ACK, CTS, Poll Response (gehört zur PCF) PIFS wird verwendet für weitere Polling Nachrichten (gehören zur PCF) DIFS wird verwendet für gewöhnlichen asynchronen Verkehr Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 56

57 MAC: PCF Knoten werden von einem Point Coordinator per Round Robin gepollt. Super Frame besteht aus PCF und DCF Anteil, damit bei dauerhaftem PCF Verkehr auch noch der DCF Verkehr möglich ist Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Seventh Edition, 2004 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 57

58 Polling Beispiel Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Ninth Edition, 2011 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 58

59 802.11a, b, g und n a b g n Peak Datendurchsatz 23Mbps 6Mbps 23Mbps 60Mbps (20MHz Kanal) 90Mbps (40MHz Kanal) Peak Signalisierungsrate 54Mbps 11Mbps 54Mbps 124Mbps (20MHz Kanal) 248Mbps (40MHz Kanal) RF Band 5GHz 2,4GHz 2,4GHz 2,4GHz oder 5GHz Kanalbandbreite 20MHz 20MHz 20MHz 20MHz oder 40MHz Anzahl Streams ,2,3 oder b verwendet DSSS mit derselben Chipping Rate (11MHz) wie in DSSS festgelegt. Zur Erhöhung der Datenrate wird ein verbessertes Modulationsschema verwendet (Complementary Code Keying (CCK); keine weiteren Details hierüber in dieser Vorlesung) a verwendet OFDM anstatt DSSS. Dieses und die Kombination aus Modulationstechnik (Alternativen: BPSK, QPSK, 16 QAM oder 64 QAM) und Faltungs Codes (keine weiteren Details hier) verbessern den Datendurchsatz gegenüber b deutlich. Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 59

60 802.11a, b, g und n a b g n Peak Datendurchsatz 23Mbps 6Mbps 23Mbps 60Mbps (20MHz Kanal) 90Mbps (40MHz Kanal) Peak Signalisierungsrate 54Mbps 11Mbps 54Mbps 124Mbps (20MHz Kanal) 248Mbps (40MHz Kanal) RF Band 5GHz 2,4GHz 2,4GHz 2,4GHz oder 5GHz Kanalbandbreite 20MHz 20MHz 20MHz 20MHz oder 40MHz Anzahl Streams ,2,3 oder g arbeitet im selben Frequenzband wie b und somit sind Geräte aus b oder g zueinander kompatibel. Bei niedrigen Raten arbeitet g mit denselben Modulationen wie b. Für höhere Rate wird OFDM (wie auch für a) verwendet n erreicht die angegebenen extrem hohen Datenraten mittels Verbesserungen bzgl. Radio Übertragung; insbesondere: Channel Bonding (Zusammenfassen von zwei 20MHz Kanälen für doppelte Kanalkapazität) MAC Verbesserungen; insbesondere Aggregation von MAC Frames, die nur einmal bestätigt werden müssen und einer MIMO Antennenarchitektur... Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 60

61 Was bedeutet MIMO? Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Ninth Edition, 2004 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 61

62 Schlussbemerkung: Distanz versus Datenrate Bildquelle: William Stallings, Data and Computer Communications, Ninth Edition, 2004 Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 62

63 Zusammenfassung und Literatur Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 63

64 Skalierbarkeit in LANs Zusammenfassung Kollisionsdomäne klein halten Idealerweise automatische Konfiguration von Netzknoten (z.b. Learning Bridges) Umgang mit Dynamik Bedarf für drahtlose LANs Angestrebte Transparenz Striktes Layering kann aber nicht immer eingehalten werden (Beispiel: VLANs und Inspektion von IP Paketen) Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 64

65 Literatur William Stallings, Data and Computer Communications, Ninth Edition, LAN Protocol Architecture 15.3 Bridges 15.4 Hubs and Switches 15.5 Virtual LANs 16 Ethernet 17 Wireless LANs Larry L. Peterson and Bruce S. Davie, Computer Networks: A Systems Approach, Spanning Tree Algorithm Grundlagen der Rechnernetze Lokale Netze 65