Rechnernetze Ethernet Robert M. Metcalfe, 1976 1
Historisches Mai 1973 Bob Metcalfe Xerox PARC, Kalifornien Baut auf Aloha Network, Universität Hawaii auf Radio- Netzwerk zur Verbindung der einzelnen Inseln Ende der 60er Jahre IEEE 802 LMSC = LAN/MAN Standards Commi[ee (Project 802) 802 zufällig nächste freie Zahl zum Zeitpunkt der Gründung oder weist auf ersten Treffen hin (Februar 1980) Zuständig für Link- Layer (LLC) und Medium- Access (MAC) wikipedia 2
Ziele Einfach zu erweiterndes Kommunikadonssystem Mehrere Gebäude Kostengünsdge Lösung Passives System Alle Kontrolle in den kommunizierenden Endgeräten Einfache Erweiterbarkeit der Topologie Reliability through Simplicity Keine redundante Verbindungen Kein Store- And- Forward Netz Varianten Benennung Übertragunsrate Charakterisdka 10BASE5 10 MBit/s Original; Thick Ethernet 10BASE2 10 MBit/s Thin Ethernet 10BASE- T 10 MBit/s Twisted- Pair- Kabel (TP) 100BASE- TX 100 MBit/s 100BASE- FX 100 MBit/s Lichtwellenleiter 1000BASE- T 1 GBit/s Häufigste Fassung (verwendet TP) 1000BASE- ** 1 GBit/s Diverse Lösungen mi[els Glasfaser 10GBASE- ** 10 GBit/s Primär Lösungen auf Basis Glasfaser 10GBASE- T 10 GBit/s Oder doch auch mit Kupferkabel? 3
THICK ETHERNET Topologie Wurzelloser Baum Nur ein Weg zwischen jeweils zwei Rechnern In jeder Richtung erweiterbar Ethernet Segment Terminierung Repeater 4
Maximale Ausdehnung 2800 Meter 25 m 500 m 50 m Transceiver 10 MB Thick Ethernet 5
Transceiver 10 MB Thick Ethernet (2) Transceiver 10 MB Thick Ethernet (3) 6
Transceiver 10 MB Thick Ethernet (4) Ausau Ethernet- Frame (10 MBit) Preamble SFD Desdnadon Address Source Address Length/Type Indicator Data Pad (opdonal) Frame Check Sequence 56 Bit 8 Bit 48 Bit 48 Bit 16 Bit 46 1500 Byte 32 Bit Preamble Synchronisadon zwischen Sender und Empfänger Nur für die Zeitdauer der Übertragung eines Frames SFD = Start of Frame Delimiter 48 Bit Ethernet- Adressen Pad Auffüllen, falls weniger als 512 Datenbits Minimale Framegröße Frame Check Sequence CRC- Summe zur Fehlererkennung 7
Ethernet- Adresse G/L I/G 00 1b 63 bd 6e 42 Hersteller Fortlaufende Nummerierung Hersteller = 24 Bit OUI (Organizadonally Unique Idendfier) Wird von IEEE- SA (Standards Associadon) vergeben Aktuell über 12400 Kennungen vergeben (0.07%) I/G- Bit Unicast (0), Muldcast (1), Broadcast (alle Bits 1) G/L- Bit GAA Globally administered Address (0, Normalfall) LAA Locally Administered Address (1) OUI Beispiele 8
Länge/Typ Unterschiedliche Bedeutung je nach Herkunw Typ = ursprüngliches DIX- Format (Ethernet_II) Typ Dezimal Protokoll 0-05dc 0-1500 Länge 0600 1536 XEROX IDP 0800 2048 IP 0805 2053 X.25 0806 2054 ARP 8035 32821 RARP 809b 32923 AppleTalk 8137 33079 Novell Weitere EtherTypes wikipedia 9
Kodierung Manchester Kodierung Implizite Taktung im seriellen Datensignal Synchronisadon über Präambel zu Beginn des Frames Immer Pegelwechsel innerhalb der Bitperiode Erst Komplementärwert, dann eigentliches Bitsignal 1 : 01 0 : 10 Senden eines Frames ohne Kollision 1. Sendeauwrag für Frame e wird an MAC übergeben 2. Warten bis Medium frei (CSMA) 3. Interframe gap (9.6ms) Zeit für Empfang und Weiter- verarbeitung beim Empfänger 4. Senden von Frame e 1 Frame e 2 4 aktuell übertragenes Frame 3 Zeit 10
Senden mit Kollision A B Frame e 1 Frame f 2 1. Sendeauwrag Frame e an A 2. Sendeauwrag Frame f an B 3. Warten auf freies Medium und Interframe Gap; Senden von e 3 4. Kollisionserkennung (CD) 5. Abbruch der Übertragung und senden der Jam Sequence 4 5 6. analog Stadon B Zeit Reakdon auf Kollisionen Kridsches Kollisionsfenster Länge des Fensters? Zeitpunkt der Wiederholung? Warum ist es nicht sinnvoll, konstante Zeit zu warten? Truncated Binary Exponendal Backoff Zufallszeit in Intervall I warten Intervall I wächst exponendell mit jeder Wiederholung Obere Schranke bei Wiederholungen 11
Repeater und Hubs Repeater OSI- Layer 1 Bereit Signal lediglich auf Hub Ein Segment versteckt sich in einem Gehäuse Mehrere Anschlüsse Keine Trennung von Kollisionsdomainen THIN ETHERNET 12
10BASE2 Bild: www.hbernstaedt.de Bautechnische Vereinfachung MODERN ETHERNET (SWITCHED) 13
Fast Ethernet 100 MBit/s 1 GBit/s und mehr Halbduplex : CSMA/CD Vollduplex : Sterntopologie, keine Kollisionen mehr Hauptproblem Hohe Datenrate bei möglichst geringer Frequenzerhöhung 1 GBit/s über TP braucht nur 250 MHz Kodierung 100 MBit/s 4B/5B Kodierung Aus 4 Datenbits werden 5 übertragene Bits Ausreichend viele Bitwechsel für implizite Taktung NRZI- Kodierung 1 : Pegelwechsel innerhalb der Bitperiode 0 : Kein Pegelwechsel Geringere Frequenz als bei Manchester notwendig 14
1 GBit/s CSMA/CD nicht mehr umsetzbar Kollisionsdomäne besdmmt Segmentlänge Unverändert ergeben sich maximal 20 Meter Minimale Paketlänge erhöhen Von 64 Byte auf 512 Byte Jetzt wird es hewig! Kodierung Ziel: Frequenz so wenig wie möglich erhöhen 8B/10B Kodierung (Glasfaser) Codegruppe hat mindestens 4 und nicht mehr als 7 Pegelwechsel Gleichspannungsfreiheit über 2 Codegruppen Kodierung (TP) Nutzung von 4 seriellen Aderpaaren Vollduplex durch Echo- Cancelladon 4D- PAM5 / 8B1Q4 Kodierung Aus 8 Bits werden 4 fünfwerdge Symbole 5 Spannungswerte - 1 V, - 0.5 V, 0 V, +0.5 V, 1 V Trellis- Kodierung Scrambling ~ Spread Spectrum 15
VLAN SWITCHES 16
Ethernet- Switching Kreuzverschaltung von n Ports Crossbar- Switch Ab 1 GBit Ethernet zwingend notwendig Port = Einzelne Stadon (1 Adresse) Keine Kollisionen Full- Duplex Segment Nominalleistung zwischen jeweils 2 Ports Pi und Pj Benödgte Gesamtleistung bei 16 Ports, 1000 Mbit? Weitergabe von Frames Store- and- Foreward Cut- Through Vor- und Nachteile? P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 17
Große Switches Cisco Nexus 7000 Gehäuse ~ $17.000 10 bis 18 Erweiterungen z.b. 48 Port 10/100/1000 für ~ $17.000 Literatur R.M. Metcalfe, D.R. Boggs, Ethernet: Distributed Packet Switching for Local Computer Networks, CACM, Vol. 19, No. 7, pp. 395-403, Juli 1976 J. Rech, Ethernet, 2. Auflage, Heise Verlag, 2008 C.E. Spurgeon, Ethernet The DefiniAve Guide, O Reilly, 2000 18