Vo Rechnernetze Zusammenfassung Pruefungsvorbereitung 1

Zusammenfassung / Prüfungsvorbereitung Grundlagen

Zusammenfassung / Prüfungsvorbereitung

Hinweis: einige Zuordnungen zu den Layern sind nicht stimmig im Sinne des OSI bzw. TCP/IP-Schichtenmodells, wurden aber mit Ziel einer sinnvollen Abfolge des Lernstoffes in den Kapiteln so vorgenommen!

OSI-Modell / Internet-Modell Direkte / indirekte Verbindung Topologien, LAN, WAN, MAN Leitungsverbindung, statisches Multiplex, statistisches Multiplex Adressierung flach / hierarchisch Interaktionsmodelle (Client/Server, Manager/Agent, Publisher/Subscriber) Dienstqualität

Vor-/Nachteile TCP + UDP Paket-Format Fehlererkennung / Fehlerkorrektur Flußsteuerung / Handshake zwischen Sender und Empfänger Socket (Funktion und programmtechnische Umsetzung)

Verkabelung (10Base2/5, 10/100/1000BaseT, 10/100/1000Fiber, drahtlos, Modem) Leitungskodierung (Sinn und Ziel, Pegel/Flanke/Zeit, binär/ternär …) Kanalzugriff (TDMA, FDMA, CDMA, Bit-Dominanz, CSMA/CD …) aktive Komponenten: Hub, Repeater

Sicherheit

Layer 2 Rahmen (Framing) Idee der Paketvermittlung (im Vergleich zu anderen Verfahren, z.B. TDMA) Fehlererkennung / Fehlerkorrektur (Prüfsumme, Hash, Fehlervorwärtskorrektur) aktive Komponenten: Bridge, Switch Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn

Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden

Zusammenfassung: Folie

Adressierung IP / IPv6 Adresszuordnung und Adressauflösung (DHCP, ARP, RARP) Paket-Format, min./max. Paketlänge Fragmentierung, Flußsteuerung in Routern (Warteschlangenverwaltung) aktive Komponente: Router

Layer 4: TCP / UDP

Layer 1 (speziell für Ethernet)

Rechnernetze

Layer 3: IP

1

Angriffsszenarien (Viren, Trojanische Pferde, DoS, BotNet …) Abwehrmaßnahmen (Verschlüsselung, Firewall, VPN, Honigtopf)

Netzwerkanwendungen Interaktionsmodelle (Client/Server, Manager/Agent, Publisher/Subscriber, Peer-toPeer) Funktion wichtiger Netzwerkanwendungen (DNS, Mail, Web, SNMP, NFS …) Rechnernetze

OSI-Modell / Internet-Modell

Application

Direkte / indirekte Verbindung Presentation

Topologien, LAN, WAN, MAN Leitungsverbindung, statisches Multiplex, statistisches Multiplex

Session

Adressierung flach / hierarchisch Transport

Interaktionsmodelle (Client/Server, Manager/Agent, Publisher/Subscriber, Peer-to-Peer)

Network

Dienstqualität

Data Link Physical

Rechnernetze



2

(Open Systems Interconnection – Reference Model OSI/RM) Host A

Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn


OSI-Referenzmodell – Architektur

1. Grundlagen

Rechnernetze



Zusammenfassung und Prüfungsvorbereitung

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Rechnernetze

Entwickler : Entwicklungsbeginn : Standard:

ISO (International Standardisation Organisation) Mitte der 70er Jahre 1983 ISO 7498

Anwendungsschicht Bereitstellung der Mittel (application service elements) zur Kooperation zwischen verteilten Anwendungsprozessen Zugang zu Kommunikationsleistungen bei OSI nur über diese Schicht Darstellungsschicht sorgt für einheitliche Interpretation und Austausch der Daten (unabhängig von ihrer konkreten Darstellung in der Anwendungsschicht) Kommunikationssicherungsschicht inhaltliche Synchronisation der Kommunikation Beginn und Ende der Kommunikation Wiederherstellen unterbrochener Verbindungen Transportschicht realisiert die Anforderungen der Anwenderprozesse hinsichtlich Übertragungsqualität stellt einen universellen Transportdienst bereit Vermittlungsschicht vermittelt den Weg zwischen Quell- und Zielrechner Datensicherungsschicht sichert korrekte Übertragung von Bitfolgen erkennt und korrigiert Fehler der Bitübertragungsschicht Bitübertragungsschicht realisiert konkrete Übertragung der Daten über den Kommunikationskanal Übertragung bitweise (Signale) Spezifik der Schicht ist durch Hardware-Anforderungen geprägt ungesicherte Verbindung Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn

www.htw-dresden.de/~hkuehn


Host B Application Presentation Session Transport Network Data Link Physical Zusammenfassung: Folie

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1

Dienstmodell Diensterbringer

TCP/IP-Referenzmodell Dienstanforderer

Responder Acceptor 3 response SAP

Anwendungsschicht

Anwendungsschicht

Initiator

Darstellungsschicht

Requestor 2 indication

1 request

4 confirm SAP

Sitzungsschicht

Transportschicht

Transportschicht Internetschicht

Vermittlungsschicht Verbindung

Sicherungsschicht

Rechnernetze


Netzwerkschicht

Bitübertragungsschicht

SAP = Service Access Point Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden


5

Rechnernetze

Betriebsarten von Übertragungskanälen




6

Verbindungssysteme: Übersicht Point-to-Point vollvermascht

Sender

Empfänger

Sender

Sender

Empfänger

Empfänger

Sender

Sender

Empfänger

Empfänger

Point-to-Point

Simplex

direkte Verbindung von Sender und Empfänger einfach (z.B. immer Kanalzugriff), zuverlässig Real-Time problemlos Kanalausnutzung bei wechselnder Last schlecht Kosten ? Erweiterbarkeit ?

Duplex

Halb-Duplex

gemeinsam genutzte Medien

Downstream Vorwärtskanal

Sender

Empfänger

Empfänger

Sender

Server Rechnernetze

Rechnernetze


verringerter Verdrahtungsaufwand Internet leicht zu erweitern erweiterte Protokoll-Komplexität entweder als Bus  Problem Kanalzugriff oder als Vermittlung  Weiterleitungsknoten Multiplex der Daten (statisch oder statistisch) Bus

Asymmetrisch

Upstream Rückwärtskanal Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden



7

Rechnernetze




Vermittlung bei Token-Ring


8

2

Multiplex = teilen (sharing)

Statistisches Multiplex

(z.B. zeitliche)Aufteilung eines Kanals auf verschiedene Teilnehmer Verlust: Verzögerungen (delay), Pufferspeicher notwendig, evtl. Datenverluste Gewinn: Geld Minimierung der Kosten des Gesamtsystems

die geteilte Ressource soll wie ungeteilte virtuelle Ressource wirken A

B

A

physischer Bus

=

B

virtuelle Punkt-zu-PunktVerbindung

Zugriff auf virtuelle Ressource erfolgt wie Zugriff auf physische Ressource (vgl. Virtueller Speicher, Virtuelle Maschine…) Zugriff erfordert Umleitung (Indirection, binding, unbinding) Verbindung = virtuelle Ressource, bereitgestellt durch das Internet Rechnernetze



Reduzierte Anforderungen an die Ressource (z.B. Kapazität eines Busses) durch Nutzung statistischen Wissens über das System Durchschnittsrate  bereitgestellte Rate < Spitzenrate instabiles System • bei Durchnittsrate am Eingang > Durchschnittsrate am Ausgang • oder bei Durchschnittsrate am Eingang > bereitgestellte Rate  Wichtigste Design-Regeln für ein stabiles System Maßnahmen zur Sicherung der Stabilität: Kapazitätsreserven und Pufferspeicher ('Warteschlangen') Erkennen von Überlastungen und Anpassung von Last oder Kapazität

Gewinn = Spitzenrate / bereitgestellte Rate Nur sinnvoll, falls Spitzenrate deutlich von Durchschnittsrate abweicht (statistisches Multiplex ist sinnlos bei gleichmäßigem Verkehr mit fester Datenrate)

Einführung: Folie 9

Rechnernetze



Einführung: Folie 10

LAN / MAN / WAN

Netzwerk-Topologie

LAN Local Area Network Bus

Stern

Ring

Linie

Masche

Netzwerk mit geringer räumlicher Ausdehnung (einige 100m) die Laufzeit der Daten im Netz ist gering / vernachlässigbar alle Teilnehmer haben weitgehend gleiches zeitliches Abbild  z.B. eine Kollision wird von allen Teilnehmern zeitgleich bemerkt ursprünglich zumeist Nutzung von Bus-Techniken (Ethernet)

MAN Metropolitan Area Network teilvermascht

vollvermascht

Netzwerk im Bereich einer Stadt (einige 10km) nutzt WAN-Techniken

gekoppelt

WAN Wide Area Network globales Netzwerk (einige 10Tkm) Laufzeit der Daten (einige 100ms) ist extrem hoch im Vergleich zu Reaktionszeiten der Teilnehmer

Backbone

aber auch PersonalAN, GlobalAN, StorageAN, ControllerAN Entwicklung in Richtung steigender Datenrate  WAN-Techniken 'erobern' den LAN-Bereich Rechnernetze

Rechnernetze





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Rechnernetze





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3

Adressierung Lokales Netz

‘flache’ oder hierarchische Adressierung

Hierarchisches Netz

• jede Station ‚kennt‘ jede

‘flache’ Adressen

Hierarchische Adressen:

keine Strukturierung zur Unterstützung der Wegfindung

Netzwerk-Adresse (Prefix) und Knoten-Adresse ermöglicht Unterscheidung direkt und indirekt verbundener Knoten ermöglicht Wegfindung (Routing)

• jede Station ‚kennt‘ jede im lokalen Bereich

• Pakete können direkt zugestellt werden

1

• Pakete können lokal direkt zugestellt werden

2

3 4

7

• Pakete zu anderen Bereichen müssen vermittelt werden (Router)

8

5

6

1-1

1-2

1-3

3-1 2-3

2-2

9

3-2

3-3 2-1

 Netz ist in Bereiche unterteilt  Jede Station  jede Station • ist einem Bereich zugeordnet • muss Adresse jeder Station kennen, • muß jede im Bereich kennen an die Daten gesendet werden sollen • muß Zugangspunkt zu anderen Bereichen kennen ‚Router’ Rechnernetze




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Rechnernetze


Hierarchische Adresse



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Adressen: MAC und IP

Adresse mit Struktur, welche Wegfindung unterstützt Knoten, welche direkt erreichbar sind (d.h. ohne auf Layer 3 arbeitenden

MAC-Adresse (Medium Access Control) ‘Ethernet-Adressen’ Layer 2 Hardware-Adresse der Netzwerkkarte 6 Byte z.B.04 - 60 - 97 - 5C - 6A - DF wird vom Netzwerkkarten-Hersteller vergeben 281 474 976 710 656 Adressen = 248

Vermittlungsknoten (Interconnect-Device: Router) erreichbar)

haben Adresse mit gleichem Prefix (Prefix = Netzwerk-Adresse)  Vergleich mit eigenem Prefix liefert Information, ob direkt (erreichbar über Weiterleitung auf Layer 2) oder indirekt (erreichbar nur über Layer 3,

IP-Adresse (derzeitiges IP: Version 4) Adresse des Rechners und Netzwerkes 4 Byte 4 294 967 296 Adressen = 232

 d.h. muss mittels Layer-2-Adresse an den Router gesendet werden)

verbunden Innerhalb Layer 3, kann Adress-Struktur die weitere Hierarchie abbilden

Layer 3 z.B.141.56.111.120

IPv6-Adresse (künftiges IP) Layer 3 Adresse des Rechners und Netzwerkes 16 Byte z.B. 6000:0000:0000:0012:3456:0000:ABCD:EF99 340282366920938463463374607431768211456 Adressen = 2128 (entspricht 7 • 1023 Adressen pro qm Erdoberfläche)

Netzwerk-Adresse Knoten-Adresse optional verschiebliche Grenze Rechnernetze

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Rechnernetze





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4

Interaktionsmodelle

Client - Server - Modell

Client-Server

blockiert

Auftrag

Manager-Agent Anwendung im Netzwerk-Management (SNMP) viele (passive) Agenten warten auf Anfragen/Aufträge weniger Manager viele Agenten, wenige Server

Publisher-Subscriber Anwendung bei Video-Streams o.ä., 'Twitter' aktiver Server (Publisher) verteilt Nachrichten an angemeldete Clients

Peer-to-Peer P2P Anwendung z.B. bei eMail (SMTP) oder File-Sharing 'Napster' gleichberechtigte Teilnehmer keine oder nur geringe zentrale Koordination Rechnernetze




Antwort Grundschema der Kooperation: Client Server 1. Client formuliert Aufträge und schickt diese an Dienstanbieter (Server) 2. Server nimmt Aufträge von einem oder mehreren Clients entgegen und bearbeitet sie entsprechend der Auftragsparameter 3. Die Ergebnisse werden an den anfragenden Client zurückgeschickt

Rollen von Client und Server können wechseln, wenn z.B. ein Server die Dienste eines weiteren Servers benötigt 17

Rechnernetze


Dienstqualität (Quality of Service QoS)

oder Netzwerküberdimensionierung notwendig)

Transportschicht garantiert Qualität Durchsatz / Bitrate Maximaler / Minimaler / Mittlerer Durchsatz bzw. konstanter Durchsatz Laufzeit / Verzögerung der Übertragung Maximale / Minimale / Mittlere Laufzeit bzw. konstante Laufzeit

Zuverlässigkeit Fehlerrate (Bitfehler + Burstfehler) Zeit für Verbindungsaufbau Zeit für Verbindungsabbau Wahrscheinlichkeit für Verbindungsabbruch

Dienstqualität ist Voraussetzung für Echtzeitanwendungen 1.

2.

3.

Schutz Kein Schutz gegen Manipulation und Mithören Schutz gegen Mithören Schutz gegen Manipulation und Mithören



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Dienstqualität

Garantie für Teilnehmer über eine gewisse Mindest-Netzqualität Qualität wird ausgehandelt (also Priorisierung

Bearbeitung

Software-Architekturmodell mit asymmetrischer Rollenverteilung

Struktur vieler Internet-Anwendungen, z.B. WWW (passiver) Server wartet auf Anfragen der Clients wenige Server, viele Clients

Anforderungen der Anwendung entgegennehmen Reservieren der Ressourcen im Netz Aufrechterhalten und Kontrolle

verschiedene Anwendungen haben deutlich unterschiedliche Anforderungen an die Dienstqualität Konvergenz von Daten, Sprache und Bild, Prozess-Steuerung "Konvergenz der Netze"  neue Anforderungen an Dienstqualität

oft nur statistische Aussagen zur erreichbaren Dienstqualität möglich  probematisch bei Echtzeitforderungen  spezielle Netztechniken bei Echtzeitforderungen z.B. CAN Controller Area Network spezielle Ethernet-Varianten für Automatisierungstechnik

Paketvermittlung ?

Kosten Rechnernetze

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Rechnernetze





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5

Kabelarten

2. Layer 1 - physikalische Schicht einfaches Aderpaar

Flachbandkabel

Verkabelung (10Base2/5, 10/100/1000BaseT, 10/100/1000Fiber, drahtlos, Modem) Leitungskodierung (Sinn und Ziel, Pegel/Flanke/Zeit, binär/ternär …) Kanalzugriff (TDMA, FDMA, CDMA, Bit-Dominanz, CSMA/CD …) (gehört eigentlich nicht zu Schicht 1 des OSI-Modells) verdrilltes Aderpaar Twisted Pair

aktive Komponenten: Hub, Repeater

Koaxialkabel Rechnernetze




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Rechnernetze


Mehraderkabel

Lichtwellenleiter (LWL) Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden


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Prinzip der optischen Datenübertragung

Koaxial-Kabel

Lichtwellenleiter überträgt das optische Signal

Außenleiter (Schirm)

Wandlung

Wandlung

elektrisch

optisch

elektr. Signal

äußerer Schutzmantel

elektr. Signal optisch

mittels LED (Lichtemitterdiode) oder Laserdiode (z.B. VCSEL)

Isolation

elektrisch

mittels Photodiode (meist Avalanche-Photodiode APD)

Typen:

Multimode (Stufenindex oder Gradientenindex) 50/62,5µm KernØ 100m…10km Singlemode (auch als Monomode bezeichnet) 9µm KernØ … 50km POF Plastic Optical Fiber 1mm KernØ ca. 10m Datenraten derzeit bis 640 Gbit/s bei Single-Mode mit DWDM (Wellenlängenmultiplex) unempfindlich gegen elektromagnetische Störungen und Potentialdifferenzen weitgehend abhörsicher, für EX-Räume geeignet, Substitution von Kupfer Probleme: technologisch aufwendige (kostenintensive) Teilnehmerankopplung Laufzeitunterschiede der Moden Moden-Dispersion  max. Entfernung durch Flankenverschleifung begrenzt = f(Datenrate)

Innenleiter (Seele)

Wellenwiderstand z.B. 50 Ohm (RG-58 Cheapernet) Datenraten 10 Mbit/s ... 50 Mbit/s Ausführungen mit einfachem oder doppeltem Schirm Länge bis ca. 10km, größere Entfernungen mit Zwischenverstärkern Rechnernetze

Rechnernetze





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Rechnernetze





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6

Leitungskodierung

Codearten

Information werden in der Regel übertragen über

• ein Zeichenwert ist genau einem Signalwert zugeordnet

elektrische Leitungen Lichtwellenleiter freier Raum: elektromagnetische Wellen, Schall ... aber auch Druckstoß in Gasleitung zum Zünden der Gaslaternen

bijektiver Code eindeutig umkehrbar effektiv keine Redundanz

im übertragenen Sinne: Leitungen

• einem Signalwert sind mehrere Zeichenwerte zugeordnet Voraussetzung zur Übertragung: Sender wandelt die Zeichendarstellung der Information in physikalisches Signal um Empfänger interpretiert physikalisches Signal als Zeichen physikalische Darstellung von Zeichen zur Nachrichtenübertragung = Leitungskodierung

Ziel / Sinn: Rechnernetze

Kompression, Verschlüsselung

• einem Zeichenwert sind mehrere Signalwerte zugeordnet Redundanz  Fehlererkennung, ggf. Korrektur möglich

optimale Kodierung für jede Anwendung ?

optimale Anpassung an die Eigenschaften des Kanals Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn



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wichtige Eigenschaften von Codes Taktrückgewinnung Gleichspannungsfreiheit Rahmenbildung Gruppenkodierung Anzahl physikalischer Signalwerte Resynchronisation Fehlererholung

zur Synchronisation des Empfängers

Redundanz

Voraussetzung zur Fehlererkennung verringert jedoch Kanalausnutzung

Fehlerkorrektur Ausnutzung Kanalkapazität

Vorwärtskorrektur oder erneute Anforderung

Abhörsicherheit

Verschlüsselung

Rechnernetze

Rechnernetze




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Beispiele für einfache Leitungskodierungen Abbildung zwischen Zeichen- und Signalwerten = Code

notwendig für kapazitive Kopplung + Erdproblematik Beginn einer Gruppe von Signalwerten wird erkannt

Code ist abgeleitet von

RS-232C (V.24)

verbessert Kanalausnutzung, Redundanz, Rahmen mindestens 2 Werte erforderlich ! binär, ternär, quartär durch Startbit(s) (z.B. Ethernet 64Bits 10101...101011)

20mA-Schleife

nur endliche Nachwirkung einzelner Bitfehler erfolgt meist über eine Rahmenbildung

RS-422 (V.11)

obere / untere Grenzfrequenz, Dämpfung etc. Übertragung mit genügend geringer Bitfehlerrate BER



codex (lat.)

und bedeutet gespaltenes Holz, Schreibtafel

>+3V logische 0 <-3V logische 1 (üblich ±12V oder ±15V) 9,6 kbps über 15m 20mA logische 1 kein Strom logisch 0 9,6kbps über 1km verdrillte Kabel, symmetrisch z.B. 1Mbps über 100m

diese Beispiele verwenden Spannungen bzw. Ströme zur Kodierung Zusammenfassung: Folie


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Rechnernetze





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7

Modulation (Modem Modulator/Demodulator, Frequenzmultiplex) Anwendungsbeispiel

Sinuswelle ist durch 3 Parameter gekennzeichnet: Amplitude Amplitudenmodulation (2 Bänder) Frequenz Frequenzmodulation Phase Phasenmodulation außerdem: unmoduliertes Signal „Träger“ Spread Spectrum, Frequenz-Hopping

Mittelwellenrundfunk UKW Richtfunk

Eigenschaften von Codes : Taktrückgewinnung neben den Signalwerten wird auch der Takt (clock) des Senders bestimmt Ziel: ein längeren Gleichlauf zwischen Sender und Empfänger erreichen, als bei asynchroner Übertragung möglich asynchron: Sender und Empfänger verwenden eigene, unabhängige Taktgeneratoren

Tastfunk, 10Mbps Ethernet WLAN

Problem: lange Folgen gleicher Werte

die verschiedenen Parameter des Sinussignals können gleichzeitig für Kodierung genutzt werden z.B. QAM Quadrature Amplitude Modulation nutzt Amplitude und Phase Web-Empfehlung: http://www.williamson-labs.com/480_mod.htm Rechnernetze


0

Darstellung der Lage der Signale einer 16QAM in der komplexen Ebene /wiki/



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Bi-Phasenkodierung: z.B. Manchester-Kodierung

1

wieviele Einsen sollen das bloß sein?

0

0 0

Lösung: Code erzwingt zusätzliche Pegelwechsel, z.B. nur bei Notwendigkeit durch Einschieben von Bits Bit-Stuffing oder durch 'unnötige' Bits auf der Leitung z.B. Ethernet 1B2B-Kodierung Rechnernetze




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Eigenschaften von Codes : Gruppenkodierung mehrere Zeichen werden gemeinsam kodiert z.B. Stenographie Hex-Code

8Hex = L000Bin

Anwendungen

1

0

1 0

1

1 0

1

ISDN ISDN Rechnernetze 100 MbpsTX 100VGAnyLAN Gigabit FDDI 100MbpsT4

1 1 Zeit

Fallende Flanke in Mitte des Bits:

0

Steigende Flanke in Mitte des Bits: 1 1B2B-Kodierung: 1 zu übertragendes binäres Bit wird durch 2 binäre Bits auf Leitung codiert Rechnernetze

Rechnernetze





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4B5B 4B3T

4 binäre Zeichen in 5 binären Signalen kodiert 4 binäre Zeichen in 3 ternären Signalen kodiert

4B5B 5B6B 8B10B 4B5B 8B6T

8 binäre Zeichen in 6 ternären Signalen kodiert

B binär = 2, T ternär = 3, Q quartär = 4 Rechnernetze





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8

Klassifizierung Kanalzugriffs-Verfahren

Kanalzugriffsverfahren: Punkt-zu-Punkt Point-to-Point schlechte Kanalausnutzung bei wechselnder Last geringer bzw. kein Overhead schlecht erweiterbar Kostenintensiv Echtzeitfähig

Ziele: effizient, fair, einfach, dezentralisiert Kanal-Aufteilung

TDMA, FDMA

Teilung des Kanals in kleinere ‘Stücke’ (Slot: Zeitscheibe, Frequenz …) Zuordnung von Stücken an einzelne Knoten zur ausschließlichen Nutzung feste Bandbreite von Knoten nicht benötigte Slots bleiben ungenutzt

Zufalls-Zugriff

CSMA, Bit-Dominanz

Kollisionen sind möglich, Auswirkungen müssen begrenzt werden Kollisionsbehandlung  Wartezeit nicht voraussagbar CSMA/CD Priorisierung einzelner Sender oder Nachrichten Bit-Dominanz

umlaufend

meist 'Token'

straffe Koordination des Zugriffs in definierter Reihenfolge keine Kollisionen definierte maximale Wartezeit auf Zugriff

zentral gesteuert 'Master-Slave' 'Polling' Anwendung: Modem, Fax, RS232, Druckeranschluss, HART, LWL, Richtfunk

straffe Koordination des Zugriffs durch den Master Rechnernetze




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Rechnernetze

Kanalzugriffsverfahren: Abfrage




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Kanalzugriffsverfahren: TDMA

Polling (Master-Slave)

Time division multiple access

Master-Knoten kontrolliert den Kanalzugriff Alle anderen Knoten werden regelmäßig abgefragt (evtl. Ausnahme Interrupt-Anmeldung) Netzwerkzuverlässigkeit hängt von Masterknoten ab

Bandbreite des Kanals wird in einzelne Zeitslots aufgeteilt jeder Knoten erhält einen (oder auch mehrere) Slots zugeteilt periodischer Zugriff des einzelnen Knotens Synchronisation! (Master, DCF77) oder Asynchron (SONET etc.) …

Sync

Master

Slave 1

Slave2

Slave 3

Sync

…

Zeit Master Slave 2

Master

Slave 3 BusSlave 9 Anschluß

Slave 1

Bus

Bus

Anwendungen: Telefonie, ARINC (Aeronautical Radio Incorporation), Datenfunk

Anwendungen: BitBus (Intel), div. Feldbusse, Rechner intern Rechnernetze

Rechnernetze


Slave 2 BusSlave 3 Anschluß




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Rechnernetze





36

9

Kanalzugriffsverfahren: Token Passing

Kanalzugriffsverfahren: CSMA/CD Carrier sense multiple access with collision detection Ablauf: Kanalüberwachung durch jeden Knoten Sendebeginn nur, wenn Kanal frei Kollisionserkennung, evtl. JAM-Signal bei Kollision zufällige Zeit (zufällige Zahl v. Zeitschlitzen) warten Paket muss Mindestlänge haben Netzwerkausdehnung ist begrenzt Gefahr des Zusammenbruchs bei Überlast

Kanalzugriff nur für Inhaber des ‚Tokens‘ Token = spezielle Mitteilung (Paket) nach Abschluss der Übertragung (oder auch sofort) wird Token zum physikalischen (oder logischen) Nachbarn weitergereicht Probleme: Initialisierung, Ausfall eines Knotens, Leitungsunterbrechung etc.

Token

Token

BusAnschluß

Token-Bus Token-Ring Anwendungen: Token Ring (IBM), Token Bus, FDDI fiber distributed data interface Rechnernetze




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Bus

Kollision

Anwendung: Ethernet Rechnernetze

Kanalzugriffsverfahren: CSMA/CA




Kanalzugriffsverfahren: Bitdominanz

Carrier sense multiple access with collison avoidance

Bit-Dominance (Binary-Countdown)

Ablauf:

Ablauf: 1. Alle Knoten sind synchronisiert Alle sendewilligen Knoten beginnen Übertragung zur gleichen Zeit Sie senden ihre Knoten-ID oder Nachrichten-ID = Priorität Knoten bzw. Nachricht mit höchster Priorität gewinnt  Synchronität der Bits bedingt begrenzte Ausdehnung des Netzes !

Initialisierungszugriff analog zu CSMA/CD bei Kollision spezifische Maßnahmen z.B. festgelegte Slots für Wiederholung (d.h. Priorisierung einzelner Teilnahmer) oder Vergabe der Slots durch einen Master oder Fehlervorwärtskorrektur, um Folgen der Kollision zu verhindern BusPaket muss Mindestlänge haben Anschluß

Netzwerkausdehnung ist begrenzt Bus verminderte Gefahr des Zusammenbruchs bei Überlast

Kollision Jam

Priority Slot 1 Slot

Slot 2

38

Beispiel für dominanten High-Pegel Knoten 14 darf senden MSB Knoten 14

1110

Knoten 13

1101

Knoten 09

1001

Knoten 13 gibt auf

Slot3

Knoten 9 gibt auf Nachricht

Anwendungen: Wireless LAN, LONWorks Rechnernetze

Rechnernetze


Anwendungen: CAN (Automobil) , Firewire, ISDN

Rotating Slots




39

Rechnernetze





40

10

3. Layer 2 - Data Link

Vergleich der Vermittlungs-Technologien

Rahmen (Framing)

feste Bitrate

variable Bitrate

einfaches Management

ausgefeiltes Management

Idee der Paketvermittlung (im Vergleich zu anderen Verfahren, z.B. TDMA) (Vermittlung gehört eigentlich in Layer 3) Fehlererkennung / Fehlerkorrektur (Prüfsumme, Hash, Fehlervorwärtskorrektur)

LeitungsVermittlung

aktive Komponenten: Bridge, Switch

Asynchroner Transfermode

Leitungsbelegung für gesamte Verbindungszeit Zeitmultiplex auch als STM bekannt Synchronous Transfer Mode sehr unflexibel, da feste Bitrate

FrameRelay

Übertragung als Pakete Paketlänge fest Paketlänge variabel Header mit Header mit Adresse VerbindungsOverhead minimiert Header mit Info nummer keine Flußkontrolle keine Fehlerkorrektur ...

immer Verbindungsaufbau erforderlich Rechnernetze




41

Rechnernetze


Idee der Paketvermittlung Paketkopf n

Payload

Header Vorteile

Zerteilung der Nachrichten in Pakete

• • • •

ZielAdresse

…

Payload

Kanalausnutzung geringe Verzögerungszeit unterschiedliche Wege möglich bei Fehlern braucht nur defektes/fehlendes Paket wiederholt zu werden

Versand ohne zuvor physikalische Verbindung aufzubauen Rechnernetze

Rechnernetze


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mehrfach geändert definiert worden (z.B. zwecks VLAN-Tagging) IP IPX AppleTalk

Größe in Bytes

Prinzip feste oder variable Länge der Pakete Paketkopf (Header) mit Quell-Adresse Ziel-Adresse evtl. Routing-Informationen


Ethernet

Zeit

Header


für Fehlerkorrektur für Flußkontrolle ...

Ethernet-Rahmenformat (Frame Format) Paketkopf n+1 Nutzdaten n +1

Nutzdaten n

PaketVermittlung




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QuellAdresse

6

Typ Info = Payload

6

CRC

46-1500

2

4

Ethernet IEEE 802.3 ZielAdresse

QuellAdresse

6

6

Län LLC ge 2

Info

Pad

FCS 4

Länge

Maximum Transmission Unit (MTU) 1518 Bytes Minimum 64 Bytes (wegen Kollisionserkennung) Rechnernetze





44

11

klassische 'Telefonwelt':

ATM Asynchron-Transfer-Mode 5 Byte

48 Byte

Aufbau einer Zelle: Zellenkopf

je Telefonkanal 64kbps zu übertragen (8000 Abtastungen zu je 1Byte) Rahmen am Beispiel PCM-30 (30 Telefonkanäle mit Zeitmultiplex) E1-Rahmen besteht aus 30 Kanälen Payload und 2 Kanälen Overhead

Daten

alle Zellen haben gleiche Länge: K

D

K

D

K

D

K

D

PDH

Plesiochrone Digitale Hierarchie

K

CH 0

D

Zellensynchronität, statistischer Multiplex  Asynchroner Transfer-Mode

CH 2

CH 15

…

CH 16

CH 17

t=0µs

Telefonkanäle Synchronisation (je 1 Byte)

CH 32

…

Telefonkanäle

t=125µs

Signalisierung

K Quelle 1 K Quelle 3 K Quelle 1 K Quelle 2 K Quelle 2 Datenströme unterschiedlicher Datenrate können gemischt werden !  Integration verschiedener Dienste möglich (CCITT Recommendation I.113, Section 2.2) CCITT Definition von ATM „A transfer mode in which the information is organized into cells; it is asynchronous in the sense that the recurrence of cells containing information from a particular user is not necessarily periodic“ (periodic: appears at equal time intervals as in T1) Rechnernetze




45

 2Mbps je E1-Kanal S2M 4x = Grunddatenrate 2Mbps wird in weiteren Multiplexer-Stufen zu höheren Datenraten zusammengefasst dezentrale Takterzeugung  nahezu synchron "plesiochron"  Stopfbits zum Ausgleich notwendig Rechnernetze

Telefonwelt heute: SDH Synchrone Digitale Hierarchie Problem bei PDH: es ist praktisch unmöglich, einen Kanal aus dem Datenstrom zu entnehmen (die Bits sind durch das mehrfache Muxen 'wild' verteilt)  Entwicklung von SDH / SONET Synchronous Optical Network (Bezeichnung in USA) Zubringersignale werden als plesiochron angesehen beim Einfügen in den Datenstrom wird aktuelle Position über Pointer verwaltet

z.B. 155 Mbps


1 2 3 4 Takt

34Mbps

140 Mbps

1 2 3 4

1 2 3 4



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10 Gigabit-Ethernet im WAN als Backbone wird existierendes SONET verwendet  sanfte Migration!

DWDM-Ring OC-192c / SDH-64c 10GigE WAN

Add-DropMultiplexer

8Mbps

1 2 3 4

SONET-Mux

10GigE WAN

Service-Provider Point of Presence

z.B. 2 Mbps

10GigE LAN

z.B. S2M zum Kunden Ausblick: SDH mit 9,6Gbps ermöglicht Konvergenz mit 10Gbps Ethernet  SONET im Weitverkehrsbereich und 10Gbps im Backbone des LANs PoS Packet over SONET Rechnernetze

Rechnernetze





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Rechnernetze





48

12

Zyklische Prüfsummen

CRC-Erzeugen

Cyclic Redundancy Check (CRC) nach ISO 3309

1. Nachricht mit 2L multiplizieren (L: Prüfsummenlänge) entspricht im Binärsystem einer Verschiebung um L Bits und anhängen von L Nullen Nachricht Zwischen-Ergebnis CRC der Länge 3 1101 01 1101 0100 0

Fehlererkennung Bedingung für Erkennen von Fehlern Fehlersequenz kleiner als Prüfsummenlänge oder Anzahl der fehlerhaften Bits in Nachricht ungerade oder 2 oder Burstfehler (dann Erkennen mit Wahrscheinlichkeit 99,9%)

2. Ergebnis durch feste Prüfzahl P Modulo-2 dividieren

es erfolgt keine Fehlerkorrektur

Zwischen-Ergebnis Prüfzahl 110101000 : 101 = 1010100 Rest 100 -101 011 -000 Nachricht Prüfsumme 110 -101 011 -000 110 -101 010 Nachricht und Prüfsumme werden übertragen -000 110101 Rest 100  110101100 100

Bei Fehler: Verwerfen der Nachricht Mitteilung an Sender Erneute Übertragung

Prüfsummen üblich mit 12 Bit CRC-12: 16 Bit CRC-16: 32 Bit CRC-32:

Rechnernetze

x12 + x11 + x3 + x2 + x + 1 = 1 1000 0000 1111 x16 + x15 + x2 + 1 (HDLC) = 1 1000 0000 0000 0101 16 12 5 x + x + x + 1 (CCITT / CRC-V.41) x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1 (Ethernet) = 1 0000 0100 0100 0001 0001 1101 1001 0111




49

Rechnernetze

Sender über Fehler informieren




50

Fehlervorwärtskorrektur durch Redundanz

Handshake Sender wartet auf Sende-Erlaubnis Empfänger bestätigt den Empfang häufig mittels zusätzlicher Leitungen realisiert (z.B. Drucker-Schnittstelle)

Zeitüberwachung (time-Out) Sender wartet auf Empfangsbestätigung (Quittung) (Acknowledge) Sender wiederholt automatisch die Nachricht, wenn Bestätigung nicht in vorgegebener Zeit eintrifft  keine Anforderung einer Übertragungswiederholung durch Empfänger  Daten werden doppelt übertragen, wenn Quittung verloren geht  Daten-Pakete werden nummeriert (im einfachsten Fall abwechselnd mit 0 und 1)

Fenstermechanismen Window-Technik

notwendig, wenn Zeit für erneute Übertragung fehlt, z.B. Echtzeitanwendung Sender Daten nicht puffern kann, z.B. Satellit mit begrenzten Ressourcen und/oder begrenzter Lebensdauer Viterbi-Algorithmus + + z0 z1

z2

y0 y1

+ GSM-Faltungskodierer

es wird zugelassen, daß mehrere Daten-Pakete noch nicht quittiert wurden üblicherweise akzeptiert der Sender Quittungen für mehrere Pakete

+ z0

z1

z2

z3

+ z4

y0 y1

Huckepack (Piggy-Back) Bestätigung im Kopf einer in Gegenrichtung zu übertragenden Nachricht Rechnernetze

Rechnernetze





+ 51

Rechnernetze



+


+ Zusammenfassung: Folie

52

13

Interconnection - Devices Erweitertes LAN Router Kollisions-Domäne Rundruf-Domäne

Idee des Paket-Filters

LAN

Informationen (Pakete) nur zum Empfänger übertragen und nicht überallhin

Filtern  größere Effizienz  Netzwerk größer ausbaubar

Hub

Hub

Filtern ist die Voraussetzung für Effizienz und Ausbaubarkeit

Hub

Hub

Bridge

Weiterleiten (Forwarding):

Application

Versenden von Paketen zu einer gefilterten Teilmenge von Knoten versenden zu nur einem Knoten  beste Effizienz

Lösung: Bilde spezialisierte Knoten (Switch, Router) mit der Aufgabe Filtern und Weiterleiten

 alle ‘Anwendungs’-Knoten sind nur indirekt verbunden Rechnernetze




53

Transport Network Datalink Physical Rechnernetze

Verringerung von Kollisionen Ausfiltern unerwünschter Pakete

Rechnernetze

Rechnernetze



Transport Network Datalink Physical



54

Schichtenmodell  ggf. mehrere Applikationen gleichzeitig auf einem Rechner ggf. mehrere Rechner im Netzwerk  Daten müssen an richtigen Empfänger übergeben werden (Rechner + Applikation) Header Transport-Layer Header Internet-Layer Daten Applikation-Layer Header Network-Layer

‘Transparent’ Sender adressiert seine Pakete direkt zum Empfänger Bridge bzw. Switch empfängt alle Pakete wertet Adresse Empfänger aus leitet Paket in richtiges Segment weiter (nur notwendig, wenn Absender und Empfänger nicht im gleichen Segment sind) Broadcast wird in alle Segmente weitergeleitet wenn Empfänger (noch) unbekannt, dann wird Paket in alle Segmente weitergeleitet

Router Bridge/Switch Repeater/Hub

Multiplex – Demultiplex

Segmentierung von Netzen durch Bridge bzw. Switch Filter (Bridge, Switch)

Application

Firewall

Sender

 arbeitet auf Layer 2 (Data Link Layer)  leitet Pakete selektiv weiter  Paket-Typ interessiert nicht  protokoll-transparent lernt die Adressen aus den vermittelten Paketen




Applikation

A-Data

Transport

HT A-Data

Internet Netzwerk 55

Rechnernetze

HI HT A-Data HN HI HT A-Data Paket im Netzwerk Prof. Dr.-Ing. Hartmut Kühn


Empfänger

Sender

Applikation

Applikation

Transport

Transport

Internet

Internet

Netzwerk

Netzwerk



56

14

Vo Rechnernetze Zusammenfassung Pruefungsvorbereitung 1

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