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Grundlagen der Rechnernetze

Lokale Netze

Übersicht• Protokollarchitektur• Repeater und Bridges• Hubs und Switches• Virtual LANs• Fallstudie Ethernet• Fallstudie Wireless LAN

Grundlagen der Rechnernetze ‐ Lokale Netze 2SS 2012

Protokollarchitektur


IEEE 802 Referenzmodell

Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Seventh Edition, 2004Grundlagen der Rechnernetze ‐ Lokale Netze 4SS 2012

LLC‐PDU und MAC‐Frame

Grundlagen der Rechnernetze ‐ Lokale Netze 5Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Seventh Edition, 2004

SS 2012

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


Repeater und MAC‐Bridges


Repeater: Erweitern des Mediums

Grundlagen der Rechnernetze ‐ Lokale Netze 8

Übertragungswiederholung auf der physikalischen Schicht

Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Seventh Edition, 2004

Repeater

SS 2012

Nachteile

• Zuverlässigkeit

• Performance

• Sicherheit

• Geographie


LAN 1

LAN 2

LAN 3

LAN n

Repeater 1

Repeater 2

Repeater n‐1

SS 2012

MAC‐Bridge: Verbinden von LANs


Mit identischer physikalischer und Verbindungs‐Schicht!

Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Seventh Edition, 2004SS 2012

Komplexere Netze mittels Bridges


Bridge

anderes Mediumfür den Transportder MAC‐Frameszwischen LAN Aund LAN B.

Bridge

LAN A LAN B

Auf jeden Fall: die Existenz einer Bridge ist auf Ebene der MAC‐Adressierung völlig transparent.

Bridge

LAN A

LAN B

LAN C

LAN D

SS 2012

Komplexere Netze mittels Bridges


SS 2012

Fixed‐Routing


Port für LAN A:Station 1Station 2Station 3Station 6Station 7

Port für LAN B:Station 4Station 5

Manuell konfiguriert

SS 2012

Repeater und MAC‐BridgesSpanning‐Tree‐Algorithmus


Frame‐Forwarding


Empfang eines MAC‐Frames fadressiert 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.

Port für LAN A:1, 2, 6

Port für LAN B (geblockt):4

(d.h. 3, 7 und 5 sind aktuell nicht bekannt)


Address‐Learning


Empfang eines MAC‐Frames fmit 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.

Port für LAN A:1, 2, 6

Port für LAN B:4

(d.h. 3, 7 und 5 sind aktuell nicht bekannt)


Loop‐Problem


SS 2012

Lösung: Konstruiere azyklischen verbundenen Sub‐Graphen


B3

B2

B5

B7

B1

B6 B4

AB

K

F

H

JI

G

C

E

D

(das ist ein Spannbaum)

SS 2012

Vorgehen: Election des Spanning‐Tree‐Root


B3

B2

B5

B7

B1

B6 B4

AB

K

F

H

JI

G

C

E

D

Root behält alle Ports bei.

SS 2012

Vorgehen: Bridges berechnen kürzeste Pfade zum Root


B3

B2

B5

B7

B1

B6 B4

AB

K

F

H

JI

G

C

E

D

Tree‐Root

SS 2012

Vorgehen: Jedes Netz behält genau eine Nicht‐Root‐Bridge


B3

B2

B5

B7

B1

B6 B4

AB

K

F

H

JI

G

C

E

D1

11

1

1

2

Auswahlkriterium:• Bridge am nächsten zum Root• Bei Gleichstand die mit der kleinsten ID

SS 2012

Vorgehen: Jedes Netz behält genau eine Nicht‐Root‐Bridge


B3

B2

B5

B7

B1

B6 B4

AB

K

F

H

JI

G

C

E

D

1 Ergebnis:• Bridges mit keinem oder einem

Port erfüllen keine Funktion mehr• Trotzdem sinnvoll: Backup‐Bridges

SS 2012

Repeater und MAC‐BridgesVerteilte Realisierung des Spanning‐Tree‐Algorithmus


Start des Algorithmus


B3

B2

B5

B7

B1

B6 B4

AB

K

F

H

JI

G

C

E

D

Jede Bridge deklariert sich anfangs als Root‐Bridge.

Die Root‐Bridge sendet periodisch über alle Ports eine Konfigurationsnach‐richt mit folgendem Inhalt:1. ID der Root‐Bridge2. Hop‐Distanz zur Root‐

Bridge3. ID der sendenden

Bridge

Beispiel: Was versendet B3?

SS 2012

Wechsel von Root‐ zu Nicht‐Root‐Bridge


B3

B2

B5

B7

B1

B6 B4

AB

K

F

H

JI

G

C

E

D

Eine Root‐Bridge deklariert sich nicht mehr als Root‐Bridge, sobald eine kleinere Root‐Bridge‐ID als die eigene empfangen wurde.

Ab dann können nur noch Konfigurationsnachrichten (mit um eins erhöhtem Hop‐Count) über alle (außer dem Empfangsport) weiter geleitet.

Beispiel: Was passiert z.B. nach dem Nachrichtenaus‐tausch zwischen B2 und B3?

SS 2012

Election der Root‐Bridge


B3

B2

B5

B7

B1

B6 B4

AB

K

F

H

JI

G

C

E

D

Empfängt eine Nicht‐Root‐Bridge eine Konfigurations‐nachricht mit• kleinerer Root‐ID, als

die zuletzt empfangene, dann leite die Nachricht wie vorhin beschrieben weiter

• sonst ignoriere die Nachricht einfach

Beispiel:• B3 empfängt Nachricht

von B1 über B2• B3 empfängt noch alte

Nachricht von B5SS 2012

Abschalten von Ports


B3

B2

B5

B7

B1

B6 B4

AB

K

F

H

JI

G

C

E

D

Nicht‐Root‐Bridge schaltet einen Port ab, wenn eine Konfigurationsnachricht hierüber empfangen wird, welche folgendes speichert:1. gleiche Root‐ID wie die

zuletzt empfangene2. geringerer Hop‐Count3. oder gleicher Hop‐

Count aber Absender‐ID ist kleiner

Beispiel: B3 empfängtRoot‐ID B1 von B2 und B5.

SS 2012

Abschalten von Ports


B3

B2

B5

B7

B1

B6 B4

AB

K

F

H

JI

G

C

E

D

Beispiel: B6 empfängtRoot‐ID B1 von B1 und B4.

SS 2012

Hubs und Switches


Hubs


Zusammenfassen von Stationen und anderen Hubs in eine große Kollisionsdomäne

SS 2012

(Layer 2)‐Switches


Mit Hubs erreichbare Gesamtkapazität im Netz?

Switches schalten kommunizierende Endknoten zusammen. Erreichbare Gesamtkapazität?

SS 2012

Typen von (Layer 2)‐Switches• Store‐and‐Forward• Cut‐Through

Grundlagen der Rechnernetze ‐ Lokale Netze 32SS 2012Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Seventh Edition, 2004

Abgrenzung zwischen Switch und BridgeBridge Switch

Wo werden eingehende Frames behandelt?

In Software In Hardware

Paralleles abarbeiten von Frames möglich?

Nein Ja

Store‐and‐Forward oder Cut‐Throught?

Nur Store‐and‐Forward Store‐and‐Forward oder Cut‐Through

Grundlagen der Rechnernetze ‐ Lokale Netze 33SS 2012Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum, „Computer Networks“, Fourth Edition, 2003

Virtual LANs (VLANs)


Motivation: Aufteilen der Broadcast‐Domain


SkalierbarkeitSicherheitsaspekt(Eindämmen vonBroadcast‐Storms)

SS 2012Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Ninth Edition, 2011

Lösung: Einfügen eines Routers

Grundlagen der Rechnernetze ‐ Lokale Netze 36SS 2012Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Ninth Edition, 2011

Nachteil: Aufteilung durch physikalische Knotenverteilung vorgegeben. Was wenn z.B. X und Z in eine Broadcast‐Domäne gehören sollen?

Verwendung von virtuellen LANs

SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze ‐ Lokale Netze 37Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Ninth Edition, 2011

Besser: logische Aufteilung in virtuelle LANs.

Erfordert aber auch IP‐Routing‐Logik:• entweder mit separaten

Routern realisiert oder• mit LAN‐Switches

(Layer3‐Switch)

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)

SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze ‐ Lokale Netze 38Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum, „Computer Networks“, Fourth Edition, 2003

Fallstudie Ethernet


IEEE 802.3 MAC• 1‐persistent CSMA/CD mit Binary‐Exponential‐Backoff• Auch in geswitchten Netzen in denen es keine Kollisionen gibt• MAC‐Frame:

SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze ‐ Lokale Netze 40

…101010… 10101011 < 1536 bedeutet Lengthsonst Type


IEEE 802.3 Physical‐Layer• Generelle Unterscheidung von Medien:

<Datenrate><Signalisierungsmethode><Maximale Segmentlänge in 100‐Meter‐Schritten>

• 10‐Mbps‐Alternativen:


10BASE5 10BASE2 10BASE‐T 10BASE‐FPMedium Coax Coax Unshielded

Twisted‐PairOptisch

Signalisierung Manchester Manchester Manchester ManchesterTopologie Bus Bus Star StarMax. Länge (m) 500 185 100 500Knoten pro Segment 100 30 ‐ 33Bemerkung Erweiterung

mit max. 4 Repeaterauf 2500m

Erweiterung mit max. 4 Repeaterauf 2500m

für optische Leitung auf 500mspezifiziert

Erlaubt auch Repeater‐Erweiterungen bis 2km

IEEE 802.3 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, 4oder 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 Verbindungsschicht8B6T – ein Signal‐Encoding, welches 8 Bit auf 6 ternäre Symbole mapped(keine weiteren Details hier)

Ergänzung: MLT‐3


(ein Beispiel für ein ternäres Encoding)


Vermeiden von langen Symbolfolgen ohne Änderung wird mittels Scramblingerreicht (siehe folgende Folie).

Ergänzung: Scrambling


Scrambling am Beispiel: die Eingabe‐Bits Am werden wie folgt in Ausgabe‐Bits Bm berechnet:

Bm = Am Bm‐3 Bm‐5

Die ursprüngliche Sequenz bestimmt man wiederum durch:Cm = Bm Bm‐3 Bm‐5

In der Tat:

Beispiel:101010100000111 wird zu 101110001101001

IEEE 802.3 Physical‐Layer• Gigabit‐Ethernet: 1Gbps‐Verbindungen• Beispielkonfiguration:

SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze ‐ Lokale Netze 45Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Seventh Edition, 2004

IEEE 802.3 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‐PAM5Signaling: 8B/10B

IEEE 802.3 Physical‐Layer• 10‐Gigabit‐Ethernet Optionen


Signaling: 64B/66B


IEEE 802.3 Physical‐Layer• 100‐Gigabit‐Ethernet‐Optionen (IEEE802.3ab)


40 Gbps 100Gbps

1m Backplane 40GBASE‐KR4

10 m Copper 40GBASE‐CR4 100GBASE‐CR10

100 mMultimode 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 assemblyOptical: S = Short‐Reach (100m); L = Long‐Reach (10km); E = Extended‐Long Reach (40km)Coding‐Scheme: R = 64/66B block codingFinal Number: number of lanes (copper wires or fiber wavelengths)

VLAN erforderte Modifikation – Frame‐Tagging

SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze ‐ Lokale Netze 49Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum, „Computer Networks“, Fourth Edition, 2003

Fallstudie Wireless LAN


Wireless LAN Typen


Infrastructure Wireless LAN

Ad Hoc LAN

Single‐Cell Multiple‐Cell

Single‐Hop Multi‐Hop

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.


IEEE 802.11 Standards


Standard Anwendungsbereich

IEEE 802.11 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 802.11a Physical‐Layer: 5GHz OFDM bei 6 bis 54Mbps

IEEE 802.11b Physical‐Layer: 2,4GHz DSSS bei 5,5Mbps und 11Mbps

... ...

IEEE 802.11g Physical‐Layer: Erweiterung von 802.11b auf >20Mbps

... ...

IEEE 802.11n Physical/MAC: Aufwertung für mehr Durchsatz

... ...

WiFi‐Alliance: (Wireless‐Fidelity‐Alliance) Industriekonsortium mit einer Test‐Suite, die die Interoperabilität von 802.11b‐Produkten unterschiedlicher Hersteller zertifiziert. Wurde auch auf 802.11g erweitert. (Wi‐Fi5: Zertifizierungsprozess für 802.11a)

802.11‐Architektur


(Extended‐Service‐Set (ESS) stellt sich dem LLC als ein einziges logisches LAN dar)

802.11‐MAC


Zugriffsmethoden: Data‐ACK‐Zyklus oder optional RTS‐CTS‐Data‐ACK

CSMA (kein CD, da dies bei drahtloser Kommunikation nicht realisierbar ist)


P

802.11‐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


802.11‐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


Polling‐Beispiel


802.11a, 802.11b, 802.11g und 802.11n

• 802.11b verwendet DSSS mit derselben Chipping‐Rate (11MHz) wie in 802.11 DSSS festgelegt. Zur Erhöhung der Datenrate wird ein verbessertes Modulationsschema verwendet (Complementary‐Code‐Keying (CCK); keine weiteren Details hierüber in dieser Vorlesung)

• 802.11a 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 802.11b deutlich.


802.11a 802.11b 802.11g 802.11nPeak‐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 5GHzKanalbandbreite 20MHz 20MHz 20MHz 20MHz oder 40MHzAnzahl Streams 1 1 1 1,2,3 oder 4

802.11a, 802.11b, 802.11g und 802.11n

• 802.11g arbeitet im selben Frequenzband wie 802.11b und somit sind Geräte aus b oder g zueinander kompatibel. Bei niedrigen Raten arbeitet 802.11g mit denselben Modulationen wie 802.11b. Für höhere Rate wird OFDM (wie auch für 802.11a) verwendet.

• 802.11n 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...


802.11a 802.11b 802.11g 802.11nPeak‐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 5GHzKanalbandbreite 20MHz 20MHz 20MHz 20MHz oder 40MHzAnzahl Streams 1 1 1 1,2,3 oder 4

Was bedeutet MIMO?


Schlussbemerkung: Distanz versus Datenrate


Zusammenfassung und Literatur


Zusammenfassung• Skalierbarkeit in LANs

– 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)


Literatur• William Stallings, „Data and Computer Communications“, Ninth Edition, 2011– 15.2 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“, 2007– 3.2.2 Spanning Tree Algorithm


grundlagen der rechnernetzeunikorn/lehre/gdrn/ss14/05 lokale... · fixed‐routing grundlagen der...

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