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[GER]Ethernet

Aufbau von Netzwerken

Netztypen
Local Area Network
  • 10m - wenige Kilometer
  • Ethernet, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet
  • Token Ring, Token Bus, FDDI
  • Wireless LAN
  • Kupferkabel, Glasfaser, Funk
  • Bus, Stern, Baum, Ring
    #######Metropolitan Area Network
  • 10 - 100 km
  • Pesilent Packet Ring
  • Wireless MAN (WiMAX)

#######Weitverkehrsnetze (WAN)

  • 100-10000 km, Stadtbereich
  • Verbindungsstruktur bedarfsorientiert
  • Frame Relay, ATM
  • SDH/Sonet
Übertragungsmedien

#######Kupferdoppelader

  • Daten werden als Stromimpulse übertragen
    • Anfällig für Störungen durch elekromagnetische Impulse
  • Besteht aus zwei isolierten, verdrillten Kabeln
    • Verdrillen reduziert Interferenz
  • Maximal ca. 100m Reichweite, da Kupfer das Signal abschwächt
  • Kategorie 3, 5, 6 und 7 (immer bessere Isolierung)
  • UTP/STP als Abschirmung
Koaxialkabel
  • Übertragung auch durch Stromimpulse
  • Besser abgeschirmt als Twisted-Pair
Glasfaser
  • Übertragung durch Lichtimpulse
  • Unempfindlich gegenüber elekromagnetischer Störung
  • Große Entfernungen/Datenraten möglich
  • Übertragung basiert auf Totalreflexion
  • Dispersion als größtes Problem bei Lichtwellenleitern
  • Monomode-Fasern umgehen Dispersion (50 GBit/s über 100km), sind aber sehr teuer (sehr geringer Durchmesser)
  • Multimode-Faser mit Stufenindex (bis 1 km, starke Dispersion)
  • Multimode-Faser mit Gradientenindex (bis 30 km, weniger Dispersion)
Verbindungsarten
Punkt-Zu-Punkt
  • Zwei Rechner sind direkt verbunden
  • In Backbones normal, teils auch in lokalen Netzwerken
Broadcast
  • Nur in lokalen Netzen
  • Alle Rechner an eine Leitung
  • Die Rechner prüfen, ob das Paket für sie ist
Topologien
Bus: Broadcast Netzwerk
  • Einfach, Preiswert, Knotenausfall kein Problem
  • Nur eine Station kann senden
  • Begrenste Azahl anschließbarer Stationen
Ring: Broadcast Netzwerk
  • Punkt zu Punkt Verbindungen
  • aktive Knoten, agieren als Repeater
  • Große Ausdehnung möglich
  • Ausfall eines Knoten eventuell fatal
Stern
  • Ein Knoten als Zentrale Station
  • Punkt zu Punkt (Switch) oder Broadcast (Hub)
Baum
  • Zusammenschlusse mehrerer Busse und Sterne
  • Gute Anpassung an geographische Gegebenheiten
  • Minimierung der erforderlichen Kabellänge
Netzwerkelemente
Repeater
  • Verknüpft zwei Netzwerke
  • Arbeitet auf Bitebene und "frischt" Signal auf
  • Kein tieferes Verständis höherer Schichten
Hub
  • "Repeater mit mehreren Anschlüssen"
Switch
  • Switch lernt Layer-2 (MAC) Adressen
  • Erstellt Punkt-zu-Punkt Verbindungen
  • "Layer-3 Switch" integriert Routing

Bitübertragung und Sicherung

Bitübertragungsschicht
  • Welches Kommunikationsmedium wird genutzt ?
  • Welche Topologie kommt zum Einsatz ?
  • Wie können Bits auf dem Medium repräsentiert werden ?
  • Welche Datenrate soll erzielt werden ?

Übertragung von Informationen: Basisband (digital auf das Medium umgesetzt) oder Breitband (Analoge Übertragung)

  • Effizienz: möglichst hohe Übertragungsrate
  • Taktrückgewinnung: möglichst häufige Pegelwechsel
  • Gleichstromfreiheit: positiv und negativ gleich oft
Leitungscodes
  • Non-Return-Zero 0 = -1 V, 1 = 1 V
  • Differentieller NRZ 0 = keine Wechsel, 1 = Wechsel
  • Manchester Code (1B/2B) 0 = fallende Flanke, 1 = steigende Flanke - 50% Effizienz
  • Diff. Manchester 0 = Pegelwechsel am Anfang, 1 = Kein Pegelwechsel zwischen aufeinanderfolgenden Bits
  • 4B/5B Code Hexformatierung mit den 16 günstigsten Zeichen (keine langen 0 oder 1 Folgen)
Sicherungsschicht
  • Wie werden Übertragungsfehler erkannt/behandelt ?
  • Wird eine Flusskontrolle implementiert ?
  • Wie wird der Medienzugriff koordiniert ?
Logical Link Control (Layer 2b)
  • Einteilung der gesendeten Daten in Frames
  • Erkennen von Übertragungsgröße
  • Flusskontrolle
  • Fügt den Daten Header und Trailer an
  • Prüfsumme durch Cyclic Redundancy Checksum (CRC)
    • Polynomdivision durch vereinbartes Polynom
    • Deckt "Fehlerketten" die oft vorkommen gut ab
    • In Kombination mit ARQ - Automatic Repeat Request
  • Forward Error Correction (FEC)
    • Mehrfachübertragung um Fehler zu verhindern
    • Ist Korrektur nicht möglich, Daten verwerfen
Medium Access Control (Layer 2a)
  • Regulierung des Zugriffs auf die Leitung bei Broadcast
  • Zu beginn waren alle lokalen Netze Broadcastnetze

Medienzugriff: CSMA/CD

  • Carrier Sense Multiple Access with Collisien Detection
    • CS : prüfe vor Beginn der Übertragung ob die Leitung frei ist
    • CD : prüfe während der Übertragung, ob andere Daten empfangen werden
  • Bei Kollision starten die Teilnehmer nach Binary Exponential Backoff erneut
    • Zufällige Wartezeit aus vorgegebenem Intervall ziehen
    • Bei erneuter Kollision, Intervall vergrößern
  • Maximale Ausdehnung : 2800 Meter, Signal ca. 200.000km/s : End-to-End 25.6 µs
    • Maximale Konfliktdauer damit 51.2 µs
    • Bei 10MBit/s damit minimale Rahmenlänge 64 Byte
  • Rahmenformat
    • 7 Byte Präambel : Synchronisation 101010
    • 1 Byte Start Frame Delimiter : ...101011
    • 6 Byte Destination Address
    • 6 Byte Source Address
    • 2 Byte Length/Type : Länge des Datenfeldes / Schicht-3-Protokoll
    • 0-1500 Byte Daten
    • Padding (Auffüllen auf mindestens 64 Byte)
    • 4 Byte Frame Check Sequence (zyklischer Code)

Ethernet

Entwicklung
  • 70er Jahre, experimentelles Netzwerk über Koaxialkabel
  • 1980 DEC, Intel und Xerox schaffen erste 10 MBit/s Variante
  • Frühe 90er Bustopologie wird durch Twisted-Pair/LWL Sterntopologie ersetzt
Der heutige Standard
  • Einfach zu verstehen, umzusetzen, zu überwachen
  • Billig in der Anschaffung, Flexibel in der Topologie
Benennung
  • Datenraten in MBit/s (10, 100, 1000 oder 10G)
  • Übertragungstechnik (Base = Basisband, Broad = Broadband)
  • Maximale Segmentlänge oder Medientyp
  • Beispiele
    • 10Base-T 10 MBit/s Basisband, Twisted-Pair-Kabel
    • 100Base-T2 s.o. 2 Adern des Twisted-Pair-Kabels
    • 1000Base-X s.o. Glasfaserkabel
10Base-5 (Yellow Cable)
  • Klassisches Koaxialkabel (teuer, wenig biegsam)
  • Endgeräte über "Vampirstecker" angeschlossen
  • max. 2.8 km Ausdehnung
10Base-2 (Cheapernet)
  • Billiges (biegsames) Koaxialkabel
  • Endgeräte über T-Stücke angeschlossen
  • max. 925 m Ausdehnung
10Base-T (Twisted Pair)
  • Geräte über RJ45-Stecker angeschlossen (Western-Stecker, nur 2 Adern genutz)
  • Kabellänge bis Hub, max. 100 m
  • Gesamtausdehnung max. 200 m
  • Lange Zeit meistverbreitete Variante
Fast-Ethernet(IEEE 802.3u, 1995)
  • Besseres Ethernet
  • 100 MBit/s durch effizientere Codes, mehrere Leitungspaare, ...
  • Probleme: keine Kollisionserkennung
  • Arten
    • 100Base-T4 Benutzt alle 4 Leitungspaare
    • 100Base-Tx Teureres Twisted Pair (Prominenteste Variante)
    • 100Base-Fx 2-Fasen Klasfaser-Kabel
Gigabt-Ethernet(IEEE 802.3z, 1998)
  • Kompatibilität zu Fast-Ethernet behalten
  • Kollisienserkennung (Reduktion der Kabellänge auf 25m)
  • Minimale Rahmenlänge jetzt 520 Bytes
  • Senden mehrerer Rahmen durch Frame Bursting (ohne CSMA/CD)
    • Bis zu 5 Rahmen, getrennt durch INter Frame Gaps (IFGs)
  • Nur noch Switches, daher keine Kollisionen mehr
  • Arten
    • 1000Base-T Alle 4 Kabelpaare mit quaternärem Code, 100m
    • 1000Base-SX Multimode-Glasfaser mit 550m Segmentlänge
    • 1000Base-LX Mono- oder Multimode über 5000 m
    • 1000Base-LH Monomode, Reichweite bis zu 70 km
10-Gigabit Ethernet(IEEE 802.3ae)
  • Erst nur für Glasfaser spezifiziert (bis 40 km)
  • Mittlerweile auf für Kat 6/7 Twisted Pair
    • Chaotisches Rumgetrickse auf Layer-1 um Reichweite zu halten ...
  • Verzicht auf CSMA/CD
Zukunft
  • 40G-Ethernet, 100G-Ethernet (802.3ba)

Token Ring (IEEE 802.5)

  • Ursprünglich Konkurrenz zu Ethernet
    • Nur wer ein bestimmtes Token besitzt, darf senden
    • Token wird zyklisch weitergegeben werden
  • Eigenschaften
    • Garantierter Zugriff, Keine Kollision
    • Hohe Effizienz
    • Fair, aufwendig und teuer

Fazit

  • Standardnetz für LANs
    • Vielzahl Varianten / Topologien möglich
    • Einschränkung durch Rückwärtskompatibilität
    • Oft auch im MAN verwendet
  • Ergänzt durch
    • WLAN
    • DSL
    • SDH (Weitverkehrsbereich)