Rechnernetze II WS 2013/2014. Betriebssysteme / verteilte Systeme rolanda.dwismuellera@duni-siegena.de Tel.: 0271/740-4050, Büro: H-B 8404

Rechnernetze II WS 2013/2014 Betriebssysteme / verteilte Systeme rolanda.dwismuellera@duni-siegena.de Tel.: 0271/740-4050, Büro: H-B 8404 Stand: 5. Mai 2014 Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/15) i Inhaltsverzeichnis 0 Organisation 1 1 Wide Area Networks (WANs) 14 1.1 Einführung........................ 16 1.2 Etwas Theorie zur Signalübertragung........... 20 1.3 Telefonnetz und Modems................. 30 1.3.1 Modems...................... 33 1.3.2 Telefonstandards................. 38 1.4 Protokolle für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen....... 45 1.4.1 HDLC: High Level Data-Link Control....... 45 1-1

1.4.2 PPP: Punkt-zu-Punkt Protokoll.......... 47 1.5 Protokolle für paketvermittelte WANs........... 52 1.5.1 Frame Relay................... 52 1.5.2 ATM, Asynchronous Transfer Mode........ 57 1.6 ADSL........................... 61 1.7 Zusammenfassung / Wiederholung............ 63 2 Schnelles Ethernet 66 2.1 Neuere Ethernet-Standards............... 69 2.2 Zusammenfassung / Wiederholung............ 79 3 Drahtlose Netze 80 3.1 WLAN (IEEE 802.11)................... 82 1-2 3.1.1 Bitübertragungsschicht.............. 85 3.1.2 Sicherungsschicht................. 90 3.1.3 WLAN Sicherheit................. 102 3.2 Bluetooth......................... 117 3.3 Zusammenfassung / Wiederholung............ 127 4 IP-Routing: Spezielle Aspekte 130 4.1 Network Address Translation............... 132 4.2 Hierarchisches Routing im Internet............ 137 4.2.1 Routing-Bereiche................. 139 4.2.2 CIDR....................... 142 4.3 Multicast......................... 147 1-3

4.3.1 Adressierung beim Multicast........... 148 4.3.2 Management von Multicast-Gruppen....... 149 4.3.3 Multicast-Routing................. 151 4.3.4 Multicast: Zusammenfassung........... 166 4.4 Mobile IP......................... 167 4.5 Multiprotocol Label Switching............... 172 4.6 Zusammenfassung / Wiederholung............ 181 5 IP Version 6 und Secure IP 184 5.1 IPv6........................... 186 5.2 IPsec........................... 199 5.3 Zusammenfassung / Wiederholung............ 214 1-4 6 Überlastkontrolle und Ressourcenzuteilung 216 6.1 Überlastvermeidung................... 218 6.1.1 DECbit...................... 220 6.1.2 Random Early Detection (RED).......... 223 6.1.3 Quellenbasierte Überlastvermeidung....... 228 6.2 Quality of Service (QoS)................. 231 6.2.1 Integrated Services................ 237 6.2.2 Differentiated Services.............. 247 6.2.3 Diskussion.................... 252 6.3 Zusammenfassung / Wiederholung............ 253 7 Anwendungsprotokolle 256 1-5

7.1 Netzwerkmanagement.................. 258 7.2 Multimedia-Anwendungen................ 262 7.2.1 RTP / RTCP.................... 263 7.2.2 Sitzungs- und Anrufsteuerung........... 268 7.3 Overlay-Netze...................... 272 7.4 Zusammenfassung / Wiederholung............ 281 8 Netzwerkprogrammierung 284 8.1 Sockets......................... 286 8.2 Datagramm-Kommunikation (UDP)............ 294 8.3 Strom-Kommunikation (TCP)............... 300 8.4 Design von Server-Programmen............. 312 1-6 8.5 Zusammenfassung / Wiederholung............ 318 9 Netze für Cluster und Hochleistungsrechner 321 9.1 Einführung........................ 323 9.2 Netzklassen und -topologien............... 329 9.3 Maßnahmen zur Leistungssteigerung........... 333 9.3.1 Vermittlung und Flußkontrolle........... 334 9.3.2 Protokolle der Anwendungsschicht........ 338 9.3.3 Remote DMA und OS Bypass........... 341 9.4 Beispiel: Infiniband.................... 349 9.5 Fazit........................... 356 9.6 Zusammenfassung / Wiederholung............ 357 1-7

10 Netze für Automatisierungssysteme 360 10.1 Einführung....................... 362 10.2 Typische Merkmale von Feldbussen........... 366 10.3 PROFIBUS....................... 368 10.4 CAN.......................... 374 10.5 Fazit.......................... 379 10.6 Zusammenfassung / Wiederholung........... 380 11 Zusammenfassung, wichtige Themen 382 1-8 Rechnernetze II WS 2013/2014 0 Organisation Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/15) 1

Zu meiner Person Studium der Informatik an der Techn. Univ. München dort 1994 promoviert, 2001 habilitiert Seit 2004 Prof. für Betriebssysteme und verteilte Systeme an der Univ. Siegen Forschung: Beobachtung, Analyse und Steuerung paralleler und verteilter Systeme Mentor für die Bachelor-/Master-Studiengänge Informatik mit Nebenfach/Vertiefung Mathematik e-mail: rolanda.dwismuellera@duni-siegena.de Tel.: 0271/740-4050 Büro: H-B 8404 Sprechstunde: Mo. 14:15-15:15 Uhr Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/15) 2 Zur Fachgruppe Betriebssysteme / verteilte Systeme Andreas Hoffmann andreas.hoffmann@uni siegen.de 0271/740 4047 H B 8405 Elektronische Prüfungs und Übungssysteme an Hochschulen IT Sicherheit Webtechnologien Mobile Anwendungen Julia Dauwe julia.dauwe@uni siegen.de 0271/740 2967 H B 8405 Context Aware Systems Bring Your Own Device (BYOD) Mobile Anwendungen und Datenschutz Adrian Kacso adrian.kacso@uni siegen.de 0271/740 3966 H B 8406 Kommunikationsprotokolle für drahtlose Sensornetze Kommunikation und Koordination in verteilten Systemen Betriebssysteme (RT, Embedded) Alexander Kordes alexander.kordes@uni siegen.de 0271/740 4011 H B 8407 Automotive Electronics Fahrzeugnetzwerke Robustheit, Fehleranalyse, Fehlerdetektion Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/15) 3

Lehrangebot Vorlesungen/Praktika Rechnernetze I, 5 LP (jedes SS) Rechnernetze II, 5 LP (jedes WS) Rechnernetze Praktikum, 5 LP (jedes WS) Betriebssysteme I, 5 LP (jedes WS) Parallelverarbeitung, 5 LP (jedes SS) Verteilte Systeme, 5 LP (jedes SS) alte BS II ohne Echtzeitsysteme, mit RMI-Programmierung Client/Server-Programmierung, 5 LP (jedes WS) Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/15) 4 Lehrangebot... Projektgruppen z.b. Werkzeug zur Algorithmen-Visualisierung z.b. Infrastruktur zum Analysieren des Android Market Abschlussarbeiten (Bachelor, Master, Diplom) Themengebiete: Mobile Plattformen (ios, Android), Sensornetze, Parallelverarbeitung, Monitoring,... z.b. Statische Analyse des Informationsflusses in Android Apps Seminare Themengebiete: Webtechnologien, Sensornetze, Android,... Ablauf: Blockseminare 30 Min. Vortrag, 5000 Worte Ausarbeitung Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/15) 5

Zur Vorlesung Vorlesung: Mo., 12:30-14:00 Uhr, H-F 014/15 Übungen: Mo., 14:15-15:45 und Do., 16:00-17:30 jeweils H-A 4111 bzw. H-B 8409/10 Beginn: 21.10. Ausgabe der Kennungen für die Labor-Übungen ab 21.10. Sie müssen die Benutzerordnung akzeptieren! Bitte vorab Kartenschlüsselantrag ausfüllen Abgabe bis 25.10. bei Fr. Baule, H-B 8403 (vormittags) oder in der Vorlesung Benutzerordnung und Kartenschlüsselantrag: http://www.bs.informatik.uni-siegen.de/www/lehre/ ws1314/rn2/ Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/15) 6 Zur Vorlesung... Information, Folien und Ankündigungen: http://www.bs.informatik.uni-siegen.de/lehre/ws1314/ rn2 vollständiger Foliensatz ist verfügbar Folien werden (nur) geringfügig aktualisiert Ziel: aktualisierte Folien stehen spätestens am Tag vor der Vorlesung bereit (als PDF) Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/15) 7

Literatur Andrew S. Tanenbaum. Computernetzwerke, 4. Auflage. Pearson Studium, 2003. Larry L. Peterson, Bruce S. Davie Computernetze Eine systemorientierte Einführung, 3. Auflage. dpunkt.verlag, 2004. Weitere Literaturhinweise im Verlauf der Vorlesung Skript: derzeit keines. aber: Anmerkungen zu einigen Folien in der 2-auf-1 Version Es gibt ein älteres Skript von T. Kielmann, basierend auf dem Peterson-Buch, das einige (wenige) Teile des Stoffs abdeckt: http://www.bs.informatik.uni-siegen.de/www/lehre/ material/rn2/kielmann.zip Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/15) 8 Prüfung Mündliche Prüfung Dauer: 30 Minuten Prüfungstermine: nach Vereinbarung Anmeldung: Terminabsprache im Sekretariat bei Fr. Baule per Email (andrea.baule@eti.uni-siegen.de) oder persönlich (H-B 8403, nachmittags) Anmeldung beim Prüfungsamt Hinweis für Studierende der Fakultät III: Verschiebung der Prüfung nur über das Prüfungsamt! Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/15) 9

Inhalt der Vorlesung Ergänzungen / Vertiefungen zu Rechnernetze I: Wide Area Networks (WANs) Modems, ASDL, SONET PPP, Frame Relay Netzwerk-Technik schnelles Ethernet drahtlose Netze Internetworking / IP Routing: NAT, hierarchisches Routing, Multicast, Mobile IP, MPLS IPv6 und IPsec Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/15) 10 Inhalt der Vorlesung... Ergänzungen / Vertiefungen zu Rechnernetze I:... Überlastkontrolle und Ressourcenzuteilung Überlastvermeidung Quality of Service Anwendungen Netzwerkmanagement, Multimedia, Overlay-Netzwerke Netzwerkprogrammierung Sockets in C und Java Ausblicke Hochgeschwindigkeitsnetze für Cluster und Hochleistungsrechner Netze für Realzeit- und Automatisierungssysteme Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/15) 11

Zeitplan der Vorlesung 14.10./21.10. Modems, Telefonnetz, PPP, DSL 28.10. Schnelles Ethernet 04.11./11.11. Drahtlose Netze 18.11. NAT, hierarchisches Routing, Multicast 25.11. Mobile IP, MPLS 02.12. IPv6 und IPsec 09.12./16.12. Überlastvermeidung und QoS 06.01. Netzmanagement, Multimedia, Overlay-Netze 13.01. Netzwerkprogrammierung 20.01. Hochgeschwindigkeitsnetze 27.01. Netze für Realzeitsysteme 03.02. Wiederholung / Reserve Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/15) 12 Ziel der Vorlesung Ergänzung und Vertiefung von Rechnernetze I Verständnis moderner Netzwerktechniken auch für Bewertung / Auswahl Praktische Erfahrungen in der Netzwerkprogrammierung Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/15) 13

Rechnernetze II WS 2013/2014 1 Wide Area Networks (WANs) Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/15) 14 1 Wide Area Networks (WANs)... Inhalt Einführung Etwas Theorie zur Signalübertragung Telefonnetz und Modems Protokolle für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen: HDLC, PPP Protokolle für paketvermittelte WANs: Frame Relay, ATM ADSL Tanenbaum 1.5.2, 2.1, 2.5.1-2.5.4, 3.6 Peterson 2.3, 3.3 Kurose, Ross 5.8-5.10 Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/15) 15

1.1 Einführung Charakteristika von WANs Verbinden Geräte (typ. Router) über größere geographischer Entfernung Nutzen Dienste von Kabelbetreibern (Carrier) z.b. Telefonanbieter, Kabelfernseh-Anbieter,... Nutzen verschiedene Typen serieller Verbingungen Einsatz von WANs Kommunikation zwischen Firmenstandorten Kommunikation zwischen verschiedenen Firmen Entfernter Zugang für Firmenmitarbeiter Internet-Zugang für Haushalte... Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/15) 16 Anmerkungen zu Folie 16: Im WAN-Bereich werden Daten auch bei hohen Bandbreiten seriell übertragen (im Gegensatz z.b. zu neueren Ethernet-Standards, in denen Daten teilweise parallel über mehrere Adernpaare übertragen werden), da dies bei langen Leitungen technische Vorteile bietet (einfachere Taktsynchronisation, Übersprechen,...). WAN ist nicht mit Internet gleichzusetzen! Das Internet nutzt WANs, aber nicht jedes WAN ist Teil des Internets. Primär dienen WANs dazu, geographisch entfernte Standorte zu vernetzen (unabhängig von einem eventuellen Internet-Zugang).

1.1 Einführung... Typische Anbindung an ein WAN Kunde Service Provider Service Provider Netzwerk Data Terminal Equipment (DTE) Local Loop (Last Mile) Central Office (CO) Data Communication Equipment (DCE) CO Switch Quelle: Cisco Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/15) 17 1.1 Einführung... WAN Protokolle WANs decken nur die OSI-Schichten 1 und 2 ab Typische Protokolle der Bitübertragungsschicht: EIA/TIA-232 (RS-232): bis zu 64 kb/s, kurze Distanz EIA/TIA-449/530 (RS-422): bis 2 Mb/s, längere Distanzen HSSI (High-Speed Serial Interface): bis 52 Mb/s V.35: ITU-T Standard, bis 2,048 Mb/s Typische Protokolle der Sicherungsschicht: HDLC, PPP: für dedizierte Punkt-zu-Punkt-Verbindungen ISDN: leitungsvermittelt Frame Relay, X.25, ATM: virtuelle Leitungsvermittlung Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/15) 18

1.1 Einführung... Optionen für WAN-Verbindugnen Nutzung einer privaten Infrastruktur dedizierte Verbindungen gemietete Leitungen (Standleitung): T1/E1 ( 1.3.2) vermittelte Verbindungen leitungsvermittelt (Einwahlverbindung): analoge Telefonleitung ( 1.3.1), ISDN ( 1.3.2) paketvermittelt: Frame Relay ( 1.5.1), X.25, ATM ( 1.5.2) Nutzung des öffentlichen Internets Zugang z.b. über DSL ( 1.6) oder Kabelmodem Einsatz von VPNs ( 5.2 und RN I, 6.7) Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/15) 19 1.2 Etwas Theorie zur Signalübertragung Problem bei seriellen Leitungen: Bandbreite der Leitungen ist begrenzt höhere Frequenzen werden stark gedämpft höchste nutzbare Frequenz abhängig von Leitungsart und -länge Bei analogen Telefonleitungen Grenzfrequenz durch Filter künstlich auf 4 khz reduziert Frage: Welche Übertragungsrate (bit/s) ist auf einer Leitung mit gegebener Grenzfrequenz (Bandbreite) möglich? Antworten liefern: Fourier-Analyse Nyquist-Theorem Shannon sches Theorem Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/15) 20

Anmerkungen zu Folie 20: Bei analogen Telefonleitungen wird die Grenzfrequenz durch Filter in den Teilnehmervermittlungen reduziert, die nur Frequenzen < 4 khz passieren lassen. Damit können Störungen effektiv unterdrückt werden, ohne die Verständlichkeit der Sprache wesentlich zu verschlechtern. 1.2 Etwas Theorie zur Signalübertragung... Fourier-Analyse Jedes (periodische) Signal läßt sich als Summe von Sinusschwingungen darstellen z.b. Rechtecksignal: 4 sin((2k 1)ωt) k=1 (2k 1)π Damit u.a. Auswirkungen begrenzter Bandbreite einfach zu ermitteln Rechteck signal Grund schwingung 3. Oberwelle 5. Oberwelle...... Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/15) 21

1.2 Etwas Theorie zur Signalübertragung... Zur Auswirkung der Leitungsbandbreite Übertragung eines 8-Bit Wortes, NRZ-Codierung, 2400 bit/s Bandbreite der Leitung (Grenzfrequenz): 9600 Hz Gesendetes Signal Empfangenes Signal 1 0.5 OK 0 0 1 2 3 4 5 6 7 Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/15) 22 1.2 Etwas Theorie zur Signalübertragung... Zur Auswirkung der Leitungsbandbreite Übertragung eines 8-Bit Wortes, NRZ-Codierung, 2400 bit/s Bandbreite der Leitung (Grenzfrequenz): 4800 Hz Gesendetes Signal Empfangenes Signal 1 0.5 OK 0 0 1 2 3 4 5 6 7 Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/15) 23

1.2 Etwas Theorie zur Signalübertragung... Zur Auswirkung der Leitungsbandbreite Übertragung eines 8-Bit Wortes, NRZ-Codierung, 2400 bit/s Bandbreite der Leitung (Grenzfrequenz): 2400 Hz Gesendetes Signal Empfangenes Signal 1 0.5 OK 0 0 1 2 3 4 5 6 7 Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/15) 24 1.2 Etwas Theorie zur Signalübertragung... Zur Auswirkung der Leitungsbandbreite Übertragung eines 8-Bit Wortes, NRZ-Codierung, 2400 bit/s Bandbreite der Leitung (Grenzfrequenz): 1200 Hz 1 0.5 0 Gesendetes Signal Empfangenes Signal Gerade noch OK 0 1 2 3 4 5 6 7 Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/15) 25

1.2 Etwas Theorie zur Signalübertragung... Zur Auswirkung der Leitungsbandbreite Übertragung eines 8-Bit Wortes, NRZ-Codierung, 2400 bit/s Bandbreite der Leitung (Grenzfrequenz): 600 Hz Gesendetes Signal Empfangenes Signal 1 0.5 0 Signal nicht mehr rekonstruierbar 0 1 2 3 4 5 6 7 Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/15) 26 1.2 Etwas Theorie zur Signalübertragung... Zur Auswirkung der Leitungsbandbreite Übertragung eines 8-Bit Wortes, NRZ-Codierung, 2400 bit/s Bandbreite der Leitung (Grenzfrequenz): 300 Hz Gesendetes Signal Empfangenes Signal 1 0.5 0 Signal nicht mehr rekonstruierbar 0 1 2 3 4 5 6 7 Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/15) 27

1.2 Etwas Theorie zur Signalübertragung... Nyquist-Theorem (Abtasttheorem) Ein Signal mit Bandbreite H [Hz] kann mit 2 H (exakten) Abtastwerten pro Sekunde vollständig rekonstruiert werden Die maximal sinnvolle Abtastrate ist daher 2 H [1/s] Folgerung für Übertragung mit 1 Bit pro Abtastung: maximale Datenübertragungsrate = 2 H [bit/s] siehe Beispiel: 2400 bit/s erfordern 1200 Hz Bandbreite Höhere Übertragungsraten sind möglich, wenn pro Abtastung mehr als 1 Bit gewonnen wird Übertragungsrate ist dann begrenzt durch das Rauschen der Leitung Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/15) 28 1.2 Etwas Theorie zur Signalübertragung... Shannon sches Theorem Max. Datenübertragungsrate = H log 2 (1 +S/N) S/N = Rauschabstand (Signal/Rauschverhältnis) Verhältnis von Signalstärke zu Rauschen definiert maximale Genauigkeit der Abtastung Zur Unterscheidung von Übertragungs- und Abtastrate Einheit bit/s für Übertragungsrate Einheit Baud (Zeichen/s) für Abtastrate Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/15) 29

Rechnernetze II WS 2013/2014 21.10.2013 Betriebssysteme / verteilte Systeme rolanda.dwismuellera@duni-siegena.de Tel.: 0271/740-4050, Büro: H-B 8404 Stand: 5. Mai 2014 Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (2/15) i 1.3 Telefonnetz und Modems Struktur des Telefonnetzes: Zu Beginn: vollständige Vernetzung mit wachsender Teilnehmerzahl unpraktikabel Bell (1878): erstes Vermittlungsamt Stern-Topologie Danach: Vernetzung der Vermittlungen Hierarchie von Vermittlungen Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (2/15) 30

1.3 Telefonnetz und Modems... Typischer Leitungsweg bei mittlerer Entfernung: Telefon Teilnehmer Vermittlungs stelle Fern Vermittlungs stelle Knoten Vermittlungs stelle sehr hohe Bandbreite (z.b. SONET) Fernleitung (digital, z.b. T1/E1... / SONET; Glasfaser, Koaxialkabel, Richtfunk) Teilnehmeranschlußleitung (analog o. digital (ISDN); Twisted Pair Kabel) Analog/digital-Wandlung (bzw. umgekehrt) ggf. durch Codecs (Coder/Decoder) in den Teilnehmervermittlungen Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (2/15) 31 1.3 Telefonnetz und Modems... Digitale Übertragung und Multiplexing PCM (Pulse Code Modulation): Sprachsignale werden im Codec digitalisiert: 8000 Abtastungen/s (alle 125 µs) 7 oder 8 Bit pro Abtastung Zusätzlich Übertragung von Steuerinformation (Signalisierung) Multiplexing mehrerer Gespräche auf eine Leitung Zeitmultiplexing: byte- oder bitweise Beispiele: T1/E1, SONET ( 1.3.2) Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (2/15) 32

1.3.1 Modems Anschluß eines Rechners über Modem: Computer ISP 2 Modem Teilnehmer vermittlungs stelle Codec Teilnehmeran schlussleitung (analog, twisted pair) Fernvermitt lungsstelle Fernvermitt lungsstelle mittlere hohe Bandbreite (digital, Glasfaser) Fernvermitt lungsstelle Digitale Leitung (T1/E1) Codec Modembank ISP 1 Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (2/15) 33 1.3.1 Modems... Standardmodems Arbeiten mit 2400 Baud Bei 1 Bit pro Abtastung damit: max. 2400 bit/s Für höhere Übertragungsraten: spezielle Modulationsverfahren QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) QAM (Quadrature Amplitude Modulation) erlauben mehr als 1 Bit pro Abtastung (Zeichen) Grenze durch Rauschen: 14 Bit pro Zeichen 33.600 bit/s, Standard V.34bis Modems testen die Leitungsqualität bei Verbindungsaufbau ggf. geringere Übertragungsrate Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (2/15) 34

1.3.1 Modems... (Animierte Folie) Modulationsverfahren QPSK und QAM Funktionsprinzip: jeweils n Bits bestimmen Amplitude und Phase des Signals Beispiele: 180 90 0100 11 01 00 11 01 00 11 270 Amplitude QPSK (2 Bit) 90 01 00 11 10 1 00 11 01 0 00 11 101 00 1101 0 100 11 01 90 00 11 01 00 11 01 00 11 01 00 1101 01 00 01 01 00 1101 1100 01 01 00 01 1100 0 1 01 Phase 0 180 0 180 0 270 QAM 16 (4 Bit) 270 QAM 64 (6 Bit) Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (2/15) 35 1.3.1 Modems... Konstellationsdiagramme für V.32 (9600 bit/s) und V.32bis (14400 bit/s) 90 00 1101 00 110 100 11 0011 01 01 00 00 11 01 00 11 01 00 11 00 11 01 0 01 100 11 0 1 00 11 01 00 11 11 01 00 110 100 11 01 00 1101 01 01 01 01 01 00 01 00 11 00 11 11 00 11 01 01 01 01 01 01 00 11 01 01 00 01 01 00 00 11 11 01 01 01 00 11 01 01 00 110 1 00 11 01 00 11 1101 01 01 00 180 01 01 01 01 00 11 01 01 00 11 01 01 0 0 1 1 01 01 01 00 11 10 00 00 11 01 00 11 11 01 01 01 00 00 11 00 11 11 01 00 1101 01 01 01 00 00 11 11 01 00 11 01 00 11 01 01 01 01 00 11 01 01 00 11 01 1100 01 01 01 00 00 11 11 01 00 1101 01 01 00 11 01 00 11 00 11 00 11 01 01 00 00 11 11 01 00 11 01 00 11 01 01 10 10 01 00 11 01 01 01 00 11 01 1100 01 01 00 11 01 00 11 01 00 11 01 180 01 11 0 270 V.32 (5 Bit/Zeichen, davon 1 Redundanzbit) V.32bis (7 Bit/Zeichen, davon 1 Redundanzbit) Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (2/15) 36 90 270 0

Anmerkungen zu Folie 36: Das Redundanzbit pro übertragenem Wort ist kein Paritätsbit. Vielmehr wird eine Trellis-Codierung verwendet, die eine Vorwärtsfehlerkorrektur erlaubt. Die Idee dabei ist, daß die Redundanzbits aufeinanderfolgender Codeworte miteinander verknüpft sind, so daß nicht mehr alle Folgen von Codeworten erlaubt sind. Empfängt man eine unerlaubte Folge von Codeworten, kann man nach den minimalen Änderungen suchen, um zu einer erlaubten Folge kommt und somit den Fehler korrigieren. 1.3.1 Modems... 56 kbit/s Modems (V.90) Voraussetzung: Zielrechner (Provider) ist digital ans Telefonnetz angeschlossen Asymmetrische Übertragung: upstream: herkömmliche Modemtechnologie mit 33,6 kbit/s downstream: 56 kbit/s Übertragungstechnik für downstream-kanal: digitale Datenübertragung bis zur Teilnehmervermittlung dort Umwandlung in Analogsignal Modem digitalisiert das ankommende Signal 8000 Abtastungen / s (4 khz Bandbreite!) 8 Bit pro Abtastung (1 Bit als Redundanzbit) Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (2/15) 37

Anmerkungen zu Folie 37: Bei dieser Technik muß beachtet werden, daß das Modem das ankommende Signal zu den richtigen Zeitpunkten digitalisieren muß (Es geht ja nicht darum, das Analogsignal zu rekonstruieren, sondern als Abtastwert genau das übertragene Byte zu bekommen). Der Empfangstakt des Modems muß also laufend mit dem Sendetakt des Codecs synchronisiert werden. Wollte man auch upstream die 56 kbit/s erreichen, müßte sich der Empfangstakt des Codecs an den Sendetakt des Modems anpassen. Da die Codecs aber eigentlich nur zur Digitalisierung von Sprache gedacht sind, besitzen sie eine derartige Möglichkeit nicht. Wenn man also nicht neue Codecs verwenden will, muß man es umgekehrt machen: der Sendetakt des Modems paßt sich an den vorgegebenen Empfangstakt des Codecs an. Das ist relativ schwierig, wird aber im V.92 Standard so gemacht. 1.3.2 Telefonstandards Integrated Services Digital Network (ISDN) Integriert Telefon-, Telex- und Datendienste (Datex-P, Datex-L) Digitale Teilnehmeranschlußleitungen Basisanschluß (S 0 ) zwei 64 kb/s Nutzkanäle (B-Kanäle) und ein 16 kb/s Steuerkanal (D-Kanal) Übertragung im Zeitmultiplex Primärmultiplexanschluß 30 B-Kanäle á 64 kb/s und ein D-Kanal á 64 kb/s im Zeitmultiplex entspricht E1-Anschluß Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (2/15) 38

1.3.2 Telefonstandards... Kanalstruktur von Primärmultiplexanschlüssen In USA/Japan: T1-Träger (= DS1-Format) 01 01 01 01 Bit 1: Code Bit für den Rahmen (abwechselnd 0 / 1) 193 Bit Rahmen (125 µs) Kanal 1 2 24 1... 0 7 Datenbit pro Abtastung Bit zur Signalisierung In Europa: E1-Träger: 32 Zeitschlitze mit 8 Bit, 2,048 Mb/s Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (2/15) 39 1.3.2 Telefonstandards... Multiplexing von E1-Strömen 4 E1 Ströme 4 E2 Ströme 4 E3 Ströme 4 E4 Ströme 4:1 4:1 4:1 4:1 E1 2,048Mb/s 32 Kanäle E2 8,848 Mb/s 128 Kanäle E3 34,304 Mb/s 512 Kanäle E4 139,264 Mb/s 2048 Kanäle E5 565,148 Mb/s 8192 Kanäle In USA/Japan: T2 = 4 * T1, T3 = 7 * T2, T4 = 6 * T3 Bitweises Multiplexing gleichmäßiger Bitstrom nach Demultiplexing Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (2/15) 40

1.3.2 Telefonstandards... SONET (Synchronous Optical Network) Vorherrschender Standard für Fernübertragung auf Glasfaser Wichtige Eigenschaft: synchrones Netzwerk Takte aller Teilnehmer sind genau synchonisiert Daten kommen beim Empfänger in dem Zeitabstand an, in dem Sender sie geschickt hat Leitungsvermittelt Steuer- und Verwaltungsinformation werden in den Datenstrom eingestreut Hier zwei Aspekte: Framing Multiplexing Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (2/15) 41 1.3.2 Telefonstandards... SONET Framing (STS-1: niedrigste Datenrate) Feste Framegröße: 810 Byte Alle 125 µs Übertragung eines Frames permanent, d.h. ggf. Frames ohne Nutzdaten damit: 51,84 MBit/s Datenrate Kein Bit- oder Bytestuffing Erkennung des Frame-Anfangs durch 2-Byte-Muster wenn dieses alle 125µs (d.h. alle 810 Bytes) auftaucht, ist Empfänger synchronisiert Nutzdaten können an beliebiger Stelle des Frames beginnen STS-1 kann einen T3- bzw. E3-Strom aufnehmen Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (2/15) 42

1.3.2 Telefonstandards... SONET: Aufbau eines STS-1 Frames 3 Spalten Overhead 87 Spalten 9 Zeilen... SONET Frame (125 µs)... SONET Frame (125 µs) Abschnitts Overhead Leitungs Overhead Pfad Overhead Nutz daten Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (2/15) 43 Anmerkungen zu Folie 43: SONET bezeichnet Frame- bzw. Paketheader als Overhead Der Abschnittsoverhead ist ein Header, der Daten zwischen jeweils zwei verbundenen Regeneratoren (Repeatern) austauscht Der Leitungsoverhead entspricht einem Sicherungsschicht-Header Der Pfadoverhead entspricht einem Vermittlungsschicht-Header

1.3.2 Telefonstandards... SONET: Spaltenweises Multiplexing Header STS 1 Frames Mb/s Header STS 3c Frame (c: concatenated) STS 1 STS 3 STS 12 STS 48 STS 192 STS 768 51,48 155,52 622,08 2488,32 9953,28 39813,12 STS-x: elektrische, OC-x optische Übertragung Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (2/15) 44 1.4 Protokolle für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen 1.4.1 HDLC: High Level Data-Link Control Weit verbreitetes Schicht-2-Protokoll (ISO/IEC 13239:2002) viele Variationen/Ableger: z.b. LAP (Teil von X.25) Eigenschaften: bitorientert, Framing mit Bitstuffing zuverlässige Übertragung (Übertragungsfehler, Reihenfolge) Sliding-Window-Algorithmus mit Fenstergröße 7 akkumulative und negative ACKs Flußkontrolle Drei verschiedene Frame-Typen: I-Frame: zur Datenübertragung, mit Sequenznummer S-Frame: Steuerung des Datenflusses U-Frame: Steuer- und Datenframes ohne Sequenznummer Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (2/15) 45

1.4.1 HDLC: High Level Data-Link Control... Frame-Format Bits 8 8 8 var. 16 8 Flag Adresse Steuerung Nutzdaten Prüfsumme Flag 01111110 (CRC 16) 01111110 Adresse zur Unterstützug von Punkt-zu-Multipunkt-Verbindungen Steuerung: enthält je nach Frame-Typ Sequenz-Nummer des Frames Sequenz-Nummer für (negative) Bestätigung Kommando Der Datenteil kann beliebig lang sein Erweiterung (Cisco): 16-Bit Feld nach Steuerung: übertragenes Schicht-3-Protokoll Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (2/15) 46 1.4 Protokolle für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen... 1.4.2 PPP: Punkt-zu-Punkt Protokoll Protokoll der Sicherungsschicht im Internet für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen z.b. Modemverbindung, Standleitung Anforderungen / Aufgaben: Framing und Fehlererkennung gleichzeitige Unterstützung verschiedener Protokolle der Vermittlungsschicht Unterstützung verschiedener Leitungsarten seriell, parallel, synchron, asynchron,... Aushandeln von Adressen der Vermittlungsschicht Nicht: Fehlerbehandlung, Reihenfolgeerhaltung, Flußkontrolle Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (2/15) 47

1.4.2 PPP: Punkt-zu-Punkt Protokoll... PPP Frame-Format Bytes 1 1 1 1 oder 2 var. 2 oder 4 1 Flag 01111110 Adresse 11111111 Steuerung 00000011 Protokoll Nutzdaten Prüfsumme Flag 01111110 Basis: HDLC Frame-Format Eindeutige Framekennzeichnung durch Byte-Stuffing Adresse und Steuerung ungenutzt / für Erweiterungen Protokoll zum Demultiplexen empfangener Frames an höhere Protokolle, z.b. IP, AppleTalk, DECnet,... an Teilprotokolle von PPP, z.b. LCP, NCP Max. Länge des Datenteils kann bei Verbindungsaufbau ausgehandelt werden (Default: 1500 Bytes) Prüfsumme: CRC, Länge wird ausgehandelt Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (2/15) 48 1.4.2 PPP: Punkt-zu-Punkt Protokoll... LCP Link Control Protocol Für Initialisierung, Wartung und Abschalten der Leitung Verbindungsaufbau: Aushandeln der Leitungsoptionen Initiator schlägt vor (configure request) Partner nimmt an (ack) oder lehnt ab (nak, reject) ggf. Authentifizierung danach: Konfiguration der Vermittlungsschicht durch NCP Weitere spezielle LCP Frames für Prüfen der Verbindung (echo request / reply) Trennen der Verbindung (terminate request / ack) Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (2/15) 49

Anmerkungen zu Folie 49: Zum Aushandlungsprotokoll für Leitungsoptionen: Eine reject-antwort bedeutet, daß der Partner die Option an sich nicht versteht oder ablehnt. Das Antwortpaket enthält dabei die betreffende Option. Eine nak-antwort bedeutet, daß der Partner die Option prinzipiell versteht und akzeptiert, nicht aber den vorgeschlagenen Wert dieser Option. Im Antwortpaket sendet er seinen Vorschlag für den Wert zurück. 1.4.2 PPP: Punkt-zu-Punkt Protokoll... Authentifizierung Optional, Aushandlung bei Verbindungsaufbau einseitige und wechselseitige Authentifizierung möglich PAP (Password Authentication Protocol) einmalige Übertragung von Nutzername und Passwort im Klartext! CHAP (Challenge Handshake Authentication Protocol) 3-Wege Handshake: Challenge, Response, (N)ACK Response ist Hashwert über Passwort und Challenge Authentifizierung kann jederzeit wiederholt werden Keine Verschlüsselung bzw. Authentifizierung der Daten! Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (2/15) 50

Anmerkungen zu Folie 50: Die Authentifizierung mit PAP und CHAP ist jeweils nur einseitig, allerdings kann die Authentifizierung in beiden Richtungen ausgehandelt werden, womit sich eine wechselseitige Authentifizierung ergibt. 1.4.2 PPP: Punkt-zu-Punkt Protokoll... NCP Network Control Protocol Familie von Protokollen spezifisch für jeweiliges Vermittlungsschicht-Protokoll NCP erst nach Verbindungsaufbau mit LCP verwendbar spezielles NCP für IP: IPCP (IP Control Protocol) Ausgehandelt werden können u.a.: IP-Adresse DNS-Server TCP/IP-Header-Kompression Nach Konfiguration mit NCP: PPP durch Vermittlungsschicht- Protokoll nutzbar Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (2/15) 51

Rechnernetze II WS 2013/2014 28.10.2013 Betriebssysteme / verteilte Systeme rolanda.dwismuellera@duni-siegena.de Tel.: 0271/740-4050, Büro: H-B 8404 Stand: 5. Mai 2014 Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (3/15) i 1.5 Protokolle für paketvermittelte WANs 1.5.1 Frame Relay Paketvermittelte Übertragungstechnik für virtuelle Verbindungen Von vielen Netzanbietern als Alternative zu Standleitungen angeboten Basiert auf dem älteren X.25-Protokoll, ursprünglich für ISDN entwickelt Eigenschaften: unzuverlässig, keine Flußkontrolle einfache Überlastkontrolle Switched und Permanent Virtual Circuits (SVC, PVC) nur lokal gültige Verbindungs-Identifikatoren DLCI: Data Link Connection Id Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (3/15) 52

1.5.1 Frame Relay... Virtuelle Verbindungen DLCI 123 DLCI134 DLCI 541 DLCI 431 DLCI 234 Frame Relay Netz DLCI 342 Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (3/15) 53 1.5.1 Frame Relay... Frame-Format Bits 8 16 var. 16 8 Flag Adresse Nutzdaten Prüfsumme Flag 01111110 (CRC 16) 01111110 6 1 1 4 DLCI C/R EA DLCI 1 1 1 1 FECN BECN DE EA Basis: HDLC Frame-Format Eindeutige Framekennzeichung durch Bit-Stuffing C/R: Command/Response, typ. ungenutzt EA: für Erweiterung des DLCI FECN, BECN, DE: für Überlastkontrolle Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (3/15) 54

1.5.1 Frame Relay... Überlastkontrolle Hohe Last führt zu vollen Puffern in den Frame Relay Switches Frame Relay Switch teilt dies den DTE-Geräten mit: in Richtung zum Ziel wird das FECN (Forward Explicit Congestion Notification) Bit gesetzt in Richtung zur Quelle wird das BECN (Backward Explicit Congestion Notification) Bit gesetzt DTEs, die FECN / BECN empfangen, sollten Framerate reduzieren DCE-Geräte setzen DE (Discard Eligibility) Bit für Frames, die über gebuchte Datenrate hinausgehen Frame Relay Switches verwerfen bevorzugt Frames mit DE Siehe auch später: 6.1 Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (3/15) 55 1.5.1 Frame Relay... Adressumsetzung Woher weiß ein Router, über welchen PVC ein IP-Paket weitergeleitet werden muß? Routing-Tabelle enthält IP-Adresse des Next Hop, nicht DLCI Local Management Interface (LMI) Protokoll zwischen Router (DTE) und direkt verbundenem Frame Relay Switch (DCE) u.a. einfaches Hello-Protokoll sowie Statusmeldungen Status u.a.: DLCIs aller Verbindungen über diesen Link Inverse ARP liefert Schicht-3-Adresse zu gegebener Schicht-2-Adresse hier: IP-Adresse des Routers am anderen Ende des PVCs zu gegebener DLCI Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (3/15) 56

1.5 Protokolle für paketvermittelte WANs... 1.5.2 ATM, Asynchronous Transfer Mode Entwickelt Anfang der 90 er Jahre Ziel: Eignung für alle Arten digitaler Kommunikation (Telefonie, Video, Computernetze,...) Verbindungsorientiert und paketvermittelt Aufbau virtueller Verbindungen Zellen (ˆ= Frames) fester Länge 53 Byte: 5 Byte Header, 48 Byte Nutzdaten einfaches Forwarding in Hardware Quality-of-Service Garantien vereinfacht Leitung durch Zelle nur kurz belegt Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (3/15) 57 1.5.2 ATM, Asynchronous Transfer Mode... Zellenformat Bits 4 8 16 3 1 8 384 (48 Byte) GFC VPI VCI Type CLP HEC (CRC 8) GFC: Generic Flow Control (meist ungenutzt) Nutzdaten VPI: Virtual Path Identifier, VCI: Virtual Circuit Identifier hierarchischer Bezeichner für virtuelle Verbindung Type: Steuer-/Benutzerdaten; bei Benutzerdaten: je ein Bit für Überlastkontrolle und Signalisierung CLP: Cell Loss Priority im Überlastfall HEC: Header Error Check: CRC-8 des Headers Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (3/15) 58

1.5.2 ATM, Asynchronous Transfer Mode... VPI und VCI VPI zum Aufbau einer Leitung durch das öffentliche Netz Innerhalb dieser Leitung werden durch VCI mehrere Verbindungen gemultiplext VCI zur Identifikation innerhalb der lokalen Netze Öffentliches Netzwerk Netzwerk A VCI VPI Netzwerk B VCI Vgl. hierarchischer Aufbau von IP-Adressen Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (3/15) 59 1.5.2 ATM, Asynchronous Transfer Mode... AAL: ATM Adaptionsschicht Schicht zur Anpassung von ATM an andere Dienste mehrere Typen, je nach Anforderungen AAL 1: verbindungsorientiert, konstante Bitrate z.b. unkomprimierte Sprache AAL 2: verbindungsorientiert, variable Bitrate, zeitsynchron z.b. komprimiertes Audio / Video AAL 3/4: paketorientiert, variable Bitrate, keine Echtzeit Hauptaufgabe: Pakete in Zellen zerlegen und zusammenbauen z.b. für X.25, IP AAL 5: wie AAL 3/4, aber mit weniger Overhead Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (3/15) 60

1.6 ADSL Ziel: Internet-Zugang über Telefon-Teilnehmeranschlußleitung Maximale Übertragungsrate abhängig von der Entfernung zur Teilnehmervermittlung: 50 Mbit/s 40 30 20 10 Kabel: Kategie 3 UTP 0 0 1000 2000 3000 4000 5000 Meter Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (3/15) 61 1.6 ADSL... Übertragungstechnik: DMT (Discrete MultiTone) Einteilung in 256 Frequenzkanäle, je 4 khz breit: 0 6 255 Leistung 0 25 1100kHz Sprache Upstream Downstream Aufteilung in Up- und Downstream flexibel meist 80-90% für Empfangskanal Auf jedem Kanal: QAM (4000 Baud, max. 15 Bit pro Zeichen) Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (3/15) 62

Anmerkungen zu Folie 62: Der Abstand der Kanäle beträgt 4,3125 khz In Deutschland ist der Frequenzbereich bis 138 khz für Telefonie reserviert, um ein einheitliches ADSL-Schema für Analog und ISDN-Anschlüsse zu haben Beim Verbindungsaufbau werden die Kanäle ausgemessen auf jedem Kanal wird ein dem Signal/Rauschabstand angepaßtes QAM- Verfahren eingesetzt gestörte Kanäle werden ausgeblendet S-DSL arbeitet anders: symmetrische Aufteilung in up- und downstream der gesamte Frequenzbereich ab 0 Hz wird für DSL genutzt, ein Telefon kann also nicht mehr angeschlossen werden als Modulation wird nicht DMT verwendet, sondern CAM (Carrierless Amplitude Phase Modulation) oder TC-PAM (Trellis Coded Pulse Amplitude Modulation) 1.7 Zusammenfassung / Wiederholung Fourier-Analyse jedes Signal kann in Summe von Sinusschwingungen zerlegt werden Nyquist-Theorem Signal mit Bandbreite H: max. 2 H Abtastungen / s Shannon sches Theorem Leitung mit Bandbreite H und Rauschabstand S/N: max. Datenübertragungsrate H log 2 (1 + S/N) bit/s versus Baud Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (3/15) 63

1.7 Zusammenfassung / Wiederholung... Modems bis 33.600 bit/s: QAM Modulation von Phase und Amplitude, bis 14 Bit pro Abtastung 56 kbit/s: asymmetrische Übertragung downstream: 8000 Abtastungen mit 7+1 Bit Provider digital ans Telefonnetz angeschlossen Telefonnetz (T1/E1, SONET) synchrone Netze (garantierte, konstante Datenrate) bit- bzw. byteweises Multiplexing mehrere Datenströme über ein Kabel taktbasiertes Framing (kein Bit-/Bytestuffing) Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (3/15) 64 1.7 Zusammenfassung / Wiederholung... PPP: Sicherungsschicht-Protokoll im Internet unzuverlässig, keine Flußkontrolle optionale Authentifizierung (PAP, CHAP) Aushandlung von Parametern für Vermittlungsschicht Frame Relay virtuelle Verbindungen unzuverlässig, einfache Überlastkontrolle ATM Zellenvermittlung, virtuelle Verbindungen ADSL: 256 Kanäle á 4 khz, jeweils mit QAM Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (3/15) 65

Rechnernetze II WS 2013/2014 2 Schnelles Ethernet Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (3/15) 66 2 Schnelles Ethernet... Inhalt 100 Mb/s 1 Gb/s 10 Gb/s Tanenbaum 4.3.7-4.3.8 Kurose, Ross 5.5 Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (3/15) 67

2 Schnelles Ethernet... Zur Erinnerung: Klassisches Ethernet (IEEE 802.3) Gemeinsam genutztes Medium mit CSMA/CD (logische) Bus-Topologie maximale Leitungs- und minimale Paketlänge wegen Kollisionserkennung Leitungscodierung: Manchester-Code erfordert 10 MHz Bandbreite für 10 Mb/s Varianten (Kabeltypen): 10Base5, 10Base2: Koaxialkabel als gemeinsamer Bus 10BaseT: UTP Kat. 3 Kabel (Telefonleitung, max. 16 MHz) nur in Verbindung mit Hubs / Switches 2 Adernpaare für Duplex-Betrieb, max. 100 m Länge Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (3/15) 68 Anmerkungen zu Folie 68: Die Kabelkategorien geben i.w. die Grenzfrequenz der jeweiligen Kabel an: Kat. 3: 16 MHz Kat. 5: 100 MHz Kat. 6: 250 MHz Kat. 7: 600 MHz

2.1 Neuere Ethernet-Standards 100 MBit/s Ethernet (IEEE 802.3u) Ziel: keine wesentlichen Änderungen am Standard Kompatibilität zu existierender Soft- und Hardware (Kabel) Rahmenformat, Schnittstellen (LLC) etc. unverändert Bitzeit auf 10 ns verkürzt Busverkabelung nicht mehr unterstützt max. Kabellänge zu gering Sternverkabelung hat sich schon bei 10 Mb/s durchgesetzt Verbindung nur über Hubs und/oder Switches Viele Varianten für verschiedene Kabelarten Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (3/15) 69 2.1 Neuere Ethernet-Standards... 100BASE-T4 Kann mit UTP Kat. 3 Kabeln arbeiten (Telefonkabel, max. 100m) Maßnahmen zur Erhöhung der Übertragungsrate: andere Leitungscodierung: 8B6T statt Manchester 8 Bits werden auf 6 Trits (ternäre Zeichen) abgebildet Übertragung mit 3 Spannungspegeln Verwendung aller 4 Adernpaare 1 Paar zum Hub, 1 vom Hub, 2 umschaltbar Somit: max. 3 Adernpaare für eine Richtung 3 Trits (ˆ= 4 Bits) pro Abtastung, 100 Mb/s bei 25 MBaud Zusätzlich 33 Mb/s Rückkanal (für Kollisionserkennung) Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (3/15) 70

Rechnernetze II WS 2013/2014 04.11.2013 Betriebssysteme / verteilte Systeme rolanda.dwismuellera@duni-siegena.de Tel.: 0271/740-4050, Büro: H-B 8404 Stand: 5. Mai 2014 Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (4/15) i 2.1 Neuere Ethernet-Standards... 100BASE-T2 100BASE-T4 belegt alle Adernpaare Nachteil bei Nutzung vorhandener Telefonkabel Daher: 100BASE-T2 (IEEE 802.3xy) später ergänzt Kommt mit 2 Paaren eines UTP Kat. 3 Kabels aus PAM 5x5 Codierung: 4 Bit werden in zwei fünfwertige Signale codiert Übertragung mit 5 Spannungspegeln auf jeder Leitung ergibt 100 Mb/s bei 25 MBaud (halb- und vollduplex) im Vollduplex-Modus: Echokompensation (echo cancellation) 100BASE-T2 hat sich (wie 100BASE-T4) nicht durchgesetzt Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (4/15) 71

Anmerkungen zu Folie 71: Im Vollduplex-Modus legen beide Stationen gleichzeitig ihr Signal auf dasselbe Kabel. Jede Station sieht daher auf dem Kabel die Überlagerung (d.h. Summe) des eigenen und des empfangenen Signals. Da das eigene Signal aber bekannt ist, kann es vom Summensignal wieder subtrahiert werden. Dieses Verfahren heißt Echokompensation (echo cancellation). 2.1 Neuere Ethernet-Standards... 100BASE-TX Benötigt UTP Kat. 5 Kabel (100 MHz, max. 100 m) je ein Adernpaar pro Richtung (vollduplex) 4B5B Leitungscodierung statt Manchester ergibt 125 MHz Abtastrate (125 MBaud) 100BASE-FX Arbeitet mit Multimode-Glasfaser, max. 2 km Sonst wie 100BASE-TX Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (4/15) 72

2.1 Neuere Ethernet-Standards... 100 Mb/s Ethernet: Besonderheiten und Gemeinsamkeiten Verwendung ungültiger Leitungscodes für Steuerzwecke u.a. Markierung der Frame-Grenzen Maximale Netzgröße bei Verwendung von Hubs nur ca. 200 m auch bei 100BASE-FX nur max. 272 m (Kollisionen!) Autonegotiation Geschwindigkeit (10 Mb/s, 100 Mb/s) und Duplexmodus können ausgehandelt werden (Bitübertragungsschicht) Ethernet-Karten senden im Leerlauf Link Pulses zur Prüfung der Leitung Konfigurierungsinformation wird in diese Pulse eincodiert Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (4/15) 73 2.1 Neuere Ethernet-Standards... 1 Gb/s Ethernet (IEEE 802.3z) Ziel: Kompatibilität mit vorhandenen Standards Zwei Betriebsmodi für Netze mit Switches bzw. Hubs Vollduplex-Betrieb mit Switches kein CSMA/CD nötig, da keine Kollisionen Kabellänge nur durch Signalqualität beschränkt Halbduplex-Betrieb mit Hubs Problem: Behandlung von Kollisionen 64 Byte min. Framelänge max. Netzgröße 25 m!? Lösung: Hardware stellt Framelänge 512 Byte sicher Carrier Extension: Auffüllen des Frames Frame Bursting: Zusammenfassen mehrerer Frames Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (4/15) 74

2.1 Neuere Ethernet-Standards... 1 Gb/s Ethernet: Varianten Glasfaser: 1000BASE-SX: Multimode-Faser, 550 m 1000BASE-LX: Mono- oder Multimode-Faser, max. 5000 m 8B10B Codierung: jedes Byte wird mit 10 Bit codiert max. 4 gleiche Bits nacheinander (Taktsynchronisation) max. 6 Einsen / Nullen pro Wort (Gleichstromanteil) 1000BASE-CX: geschirmtes Twisted-Pair Kabel (STP), 25 m 1000BASE-T: UTP Kat. 5, 100 m alle 4 Adernpaare genutzt 2 Bit pro Zeichen (PAM 5, 5 Spannungspegel), 125 MBaud keine Leitungscodierung ( komplexe Taktsynchronisation) Echokompensation für Vollduplex-Betrieb Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (4/15) 75 Anmerkungen zu Folie 75: Die Taktsynchronisation basiert darauf, daß nur eine der beiden Stationen (Master) einen freilaufenden Sendetakt benutzt, während die andere (Slave) mit dem rückgewonnenen Empfangstakt senden muß. Der Master erhält dadurch Information über die relative Phasenlage der beiden Takte, was eine Synchronisation ermöglicht.

2.1 Neuere Ethernet-Standards... 10 Gb/s Ethernet (IEEE 802.3ae, ak, an, ap, aq) Nur noch Vollduplex-Betrieb mit Switches Sehr viele Varianten: Glasfaser: 10GBASE-SR, 10GBASE-LR, 10GBASE-LRM,... SONET-Interoperabilität (OC-192): 10GBASE-SW,... Backplane (z.b. Blade-Server): 10GBASE-KX4, 10GBASE-KR 10GBASE-T: UTP Kat. 6a, 100m (mit Kat. 6: 50m) alle 4 Adernpaare genutzt PAM16-Modulation mit 16 Spannungspegeln 3 Bit pro Zeichen (1 Bit Redundanz), 833 MBaud/s keine Leitungscodierung, Echokompensation Kat. 6a Kabel: bis 500 MHz, geringeres Übersprechen Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (4/15) 76 2.1 Neuere Ethernet-Standards... Flußkontrolle Wegen hoher Datenrate: neue Ethernet-Standards unterstützen einfache Flußkontrolle Empfänger sendet PAUSE-Frame an Sender gekennzeichnet durch speziellen Typ / Zieladresse 16-Bit Parameter gibt Länge der Pause an (in Einheiten von 512 Bitzeiten) Sender stellt für diese Zeit die Übertragung ein Möglich nur im Vollduplex-Modus Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (4/15) 77

Anmerkungen zu Folie 77: Der PAUSE-Frame wird an die spezielle Multicast-Adresse 01:80:C2:00:00:01 gesendet, die für diesen Zweck reserviert ist. Er darf nicht von Switches weitergeleitet werden. Da PAUSE-Frames nur bei Vollduplex- (also Punkt-zu-Punkt-) Verbindungen gesendet werden können, ist der Empfänger immer eindeutig. Die Verwendung einer festen Adresse erspart dabei den Stationen, daß sie die MAC-Adresse ihres Gegenübers kennen müssen. 2.1 Neuere Ethernet-Standards... Fast Ethernet: Fazit Ziel: Kompatibilität Software, Verkabelung Verschiedene Realisierungen auf Bitübertragungsebene Heute vorherrschend: 100BASE-TX, 100BASE-FX 1000BASE-T/SX/LX zwischen Switches und für Server 10 Gb/s vorwiegend im Core-Bereich 40 und 100 Gb/s Ethernet Standard ist ratifiziert (Juni 2010) für Backplanes, Kupferkabel (4/10 Bit parallel) und Glasfaser Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (4/15) 78

2.2 Zusammenfassung / Wiederholung Ziel: Kompatibilität mit Software / Verkabelung Geschwindigkeitserhöhung durch andere Medien (bessere Kabel, Glasfaser) Nutzung mehrerer Adernpaare effizientere Codierungen Wegen Kollisionen: nur noch Verwendung von Switches ab 10 Gb/s kein CSMA/CD mehr Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (4/15) 79 Rechnernetze II WS 2013/2014 3 Drahtlose Netze Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (4/15) 80

3 Drahtlose Netze... Inhalt WLAN (IEEE 802.11) Bluetooth (IEEE 802.15) Tanenbaum 1.5.4, 4.4, 4.6 Peterson 2.8 Axel Sikora: Wireless LAN, Addison Wesley, 2001. Jörg Rech: Wireless LANs, 2. Auflage, Heise Verlag, 2006. Edgar Nett, Michael Mock, Martin Gergeleit: Das drahtlose Ethernet, Addison-Wesley, 2001. Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (4/15) 81 3.1 WLAN (IEEE 802.11) Hintergrund Drahtlose Netzanbindung von mobilen Geräten Sicherungsschicht kompatibel zu Ethernet Unterstützung für zwei Betriebsmodi: Ad-Hoc-Modus: Endgeräte kommunizieren direkt IBSS (Independent Basic Service Set) Infrastruktur-Modus: Kommunikation über Access Point BSS (Basic Service Set): eine Funkzelle ESS (Extended Service Set): mehrere Funkzellen, über ein anderes Netz (z.b. Ethernet oder auch WLAN) verbunden Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (4/15) 82

3.1 WLAN (IEEE 802.11)... WLAN-Betriebsmodi Ad Hoc Modus Infrastruktur Modus Distribution System Access Point BSS IBSS ESS mehrere Zellen Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (4/15) 83 3.1 WLAN (IEEE 802.11)... 802.11 Protokollstack Höhere Schichten Logical Link Control (802.2, wie bei Ethernet) MAC Teilschicht: MACAW (CSMA/CA) Siche rungs schicht 802.11 Infrarot 2 Mb/s 802.11 2.4 GHz FHSS 2 Mb/s 802.11 2.4 GHz DSSS 2 Mb/s 802.11a 5 GHz OFDM 54 Mb/s 802.11b 2.4 GHz HR DSSS 11 Mb/s 802.11g 2.4 GHz OFDM 54 Mb/s 802.11n 2.4/5 GHz OFDM/MIMO 600 Mb/s Bitüber tragungs schicht Im Folgenden: Schwerpunkt auf 802.11b und 802.11g Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (4/15) 84

3.1.1 Bitübertragungsschicht Basis der Funkübertragung: Spreizbandtechnik Problem: 802.11 arbeitet in feigegebenen ISM-Bändern ISM: Industrial, Scientific, Medical 2,4 GHz und 5 GHz Maßnahme gegen Funkstörungen: Übertragung in möglichst breitem Frequenzband Störungen sind meist schmalbandig Techniken: FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) viele Kanäle, Frequenz wechselt pseudozufällig OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) im Prinzip ähnlich zu DMT ( 1.6: ADSL) Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (4/15) 85 3.1.1 Bitübertragungsschicht... Basis der Funkübertragung: Spreizbandtechnik... Techniken...: Daten: DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) Sendedaten werden mit (fester!) Pzeudozufallsfolge höherer Bitrate XOR-verknüpft Muster leicht aus verrauschtem Signal herauszuhören 1 Bit Ergebnis: Barker Code mit 11 Chips: Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (4/15) 86

3.1.1 Bitübertragungsschicht... Basis der Funkübertragung: Spreizbandtechnik... Techniken...: HR-DSSS (High Rate DSSS) verkürzte Codelänge: 8 Chips QPSK-artige Modulation 4 Bit / Symbol (für 5.5 Mb/s) 8 Bit / Symbol (für 11 Mb/s) benötigt höheren Rauschabstand Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (4/15) 87 Rechnernetze II WS 2013/2014 11.11.2013 Betriebssysteme / verteilte Systeme rolanda.dwismuellera@duni-siegena.de Tel.: 0271/740-4050, Büro: H-B 8404 Stand: 5. Mai 2014 Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (5/15) i

3.1.1 Bitübertragungsschicht... Frequenzbänder für 802.11b/g 13 Kanäle (Europa) Bandbreite eines Kanals: 22 MHz Kanäle überlappen! max. 3 nicht überlappende Kanäle möglich 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 2,412 2,422 2,432 2,442 2,452 2,462 2,472 2,417 2,427 2,437 2,447 2,457 2,467 Ghz Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (5/15) 88 Anmerkungen zu Folie 88: In USA sind nur die Kanäle 1-11 erlaubt. Japan gestattet auch noch die Verwendung von Kanal 14. Ein Mikrowellenherd sendet auf der Frequenz 2,455 GHz und stört somit die Kanäle 9 und 10 erheblich. Im 802.11n Standard kann sowohl das 2.4 GHz Band als auch das 5 GHz Band verwendet werden. Ausserdem sind auch doppelt so breite Kanäle mit 40 MHz Bandbreite möglich.

3.1.1 Bitübertragungsschicht... WLAN nach IEEE 802.11g Bruttodatenrate bis 54 Mbit/s (netto max. 50%) Verwendet OFDM wegen Mehrfachempfang durch Reflexionen Problem verschärft sich bei höherer Bitrate daher: parallele Übertragung auf mehreren (48) Unterkanälen Unterschiedliche Modulationsarten (z.b. QAM-16, QAM-64) Symbolrate: 250 khz Vorwärts-Fehlerkorrektur Code-Rate 1/2, 2/3 oder 3/4 (Nutzdaten / Gesamtdaten) Zur Kompatibilität mit 802.11b: 802.11g-Geräte unterstützen i.d.r. auch DSSS Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (5/15) 89 3.1.2 Sicherungsschicht Medienzugriffssteuerung (MAC) CSMA/CD ist nicht möglich Funkgeräte arbeiten im Halbduplex-Modus während des Sendens kein Mithören möglich nur Empfänger erkennt Kollision (durch Prüfsumme) In IEEE 802.11 zwei Modi für Zugriffssteuerung: DCF (Distributed Coordination Function) dezentrales Verfahren (CSMA/CA, MACAW) PCF (Point Coordination Function) zentrale Steuerung durch den Access Point beide Modi können gleichzeitig genutzt werden Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (5/15) 90