Wirtschaftsinformatik (Bachelor-Studiengang): Rechnernetze/Onlinedienste (2. Semester)

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BM / CM, Kurs vom 01.10.2002 - 31.03.2003

Rechnernetze/Onlinedienste: Lokale Netze (CSMA/CD) / Ethernet: Ethernet allgemein (Ziele von LAN, Ethernet - Geschichte), Vom Cheapernet zum Ethernet (Prinzipieller Anschluss (Koaxialkabel), 10Base2 - Ethernet (Cheapernet), 10Base5 - Ethernet, 10BaseT - Ethernet, IEEE 802-Arbeitsgruppen, OSI-Einbindung, Frame-Format, Adressen), CSMA/CD-Verfahren (Logical Link Control (LLC) - Dienste, Erfolg von CSMA/CD).

1. Ethernet allgemein
2. Vom Cheapernet zum Ethernet
3. CSMA/CD-Verfahren

Ethernet allgemein

Ziele von LAN

• Datenverbund
  Logische Kopplung von räumlich getrennten Datenbeständen
• Funktionsverbund
  Eingliederung von Geräten/Maschinen zum Zwecke des Verfügbarmachens besonderer Dienste
• Verfügbarkeitsverbund
  Realisierung eines ausfallsicheren Gesamtsystems
• Lastverbund
  Erhöhung der Performance durch Parallelität sowie Lastausgleich

Struktur von Bus-LAN:

• Medium innerhalb eines räumlich begrenzten Gebietes
• Netzwerkadapter
• Rechenanlagen

Wichtige Parameter: Bandbreite, Topologie, Protokolle, Offenheit, Koexistenzmöglichkeit, Migrationsfähigkeit zu Alternativen.

Bildbeschreibung "Struktur von Bus-LAN": Verschiedene Rechner sind jeweils über Adapter mit dem Bus-Medium gebunden.

Ethernet - Geschichte

• 1970/1: Aloha-System der Universität Hawaii
• 1972-1976: Xerox PARC
• 1980: DIX (Digital, Intel, Xerox): Gelbes Koaxialkabel
• 1985: IEEE 802.3 (ISO 8802.3), halbduplex
• 1986: 10Base2 (Cheapernet)
• 1991: 10BaseT (Twisted Pair)
• 1992: 10BaseF (Ethernet auf Glasfaser)

Erweiterungen:

Fast-Ethernet: 100 Mbit/s, auch vollduplex
Gigabit-Ethernet: 1000 Mbit/s, vollduplex

Eigenschaften des traditionellen Ethernets:

• Bus-Topologie (Linienbus, Sternbus)
• Segmentlänge: max. 500 m je nach Typ
• Koaxialkabel mit 50 Ohm
• Anschlüsse (Taps) maximal alle 2,5 m
• max. 1024 Stationen (Hosts)
• Pakete heißen hier Frames
• max. Frame-Länge 1.518 byte
• Halbduplex mit Manchester-Codierung

Eigenschaften des heutigen Ethernets:

• Stern(bus)-Topologie
• Segmentlänge: max. 100 m
• Twisted Pair-Kabel mit 2 oder 4 Adernpaaren
• Im Zentrum: Hub oder Switch
  Switch ist inzwischen weiter verbreitet als Hubs
• Neben Halbduplex auch Vollduplex möglich.
  In der Vollduplex-Variante ist die Kollisionserkennung und Behandlung ausgesetzt.

Begriffserklärungen:

Ein Bus ist ein Kommunikationsmedium, an das alle Stationen ohne eine Vermittlung dritter Stationen angeschlossen sind. Alle angeschlossenen Stationen sind daher direkte Nachbarn.

Ein Linienbus ist ein Bus, der auch physikalisch als Bus verlegt ist: Physikalisch und logisch ein Bus. Linienbus und Bus sind dieselben Begriffe.

Ein Sternbus ist ein Bus, der eine sternförmige physikalische Verkabelung an einem Punkt durch einen Verteiler (Hub, Switch) zu einem Bus macht: Physikalisch ein Stern, logisch ein Bus.

Typische Topologie:

Bildbeschreibung "Typische Topologie": Repeater verbinden (hier) drei Rechnersegmente. Jedes Segment enthält mehrere Rechnerstationen. Alle Segmente sind busförmig aufgebaut.

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Vom Cheapernet zum Ethernet

Prinzipieller Anschluss (Koaxialkabel)

Bildbeschreibung "Prinzipieller Anschluss (Koaxialkabel)": Das Koaxialkabel verbindet den Transceiver mit dem Ethernet-Controller. Als Endstücken dienen auf beiden Seiten sogenannte Attachement Unit Interfaces (medienunabhängige Schnittstellen).

MAU = Medium Attachment Unit
AUI = Attachement Unit Interface (medienunabhängige Schnittstelle)
Transceiver = Transmitter + Receiver

Kabelarten:

Früher:

• Thicknet (Yellow Cable): 10Base5
• Thinnet (Cheapernet): 10Base2

Heute:

• 10BaseT
  TP Kategorie 3 oder 5, Segmentlänge 100 m

(Nicht konsistente) Bezeichnung von Kommunikationsverfahren:

Bildbeschreibung "(Nicht konsistente) Bezeichnung von Kommunikationsverfahren": Im Beispiel wird der Begriff 10Base5 erklärt. 10 steht für die Datenrate des Mediums in Mbit/s. Base steht fü Base Band. Hier könnte auch Broad für Broad Band stehen. An dritter Stelle folgt die Angabe der Segmentlänge in 100 m. Die angegebene 5 steht also für 5 mal 100 m.

10Base2 - Ethernet (Cheapernet)

• Linienbus mit dünnem Koax-Kabel (RG 58) einfacher zu verlegen, preiswerter
• T-Stecker mit BNC-Anschluss direkt an der Station
  Transceiver ist auf der LAN-Karte integriert, Kein Transceiver-Kabel
• max. Segmentlänge 185 m, max. 30 Stationen pro Segment
• min. Abstand zwischen zwei Anschlüssen 0,5 m
• max. Entfernung: 925 m
• Fehlerrate kleiner 10^-7
• Signallaufzeit 0,65 × c (185 m -> 0,963 µs)

Terminatoren:

Widerstände zwischen zwei Leitern, die Leitungsreflexionen an den Enden verhindern.

10Base5 - Ethernet

• Kabel der Kategorie 3, 4, 5
  Dickes Koaxialkabel (RG 1): "Yellow Cable", Thick Wire
• Anschluss mit Tap
  Daran ist der Transceiver (Elektronik) angeschlossen
  Transceiver-Kabel: max. 50 m
• Linienbus
• max. Segmentlänge 500 m, Min. Abstand zwischen zwei Anschlüssen 2,5 m
  Markierungen auf dem Yellow Cable
• max. 100 Statin pro Segment
• max. Entfernung: 2500 m
• Fehlerrate kleiner 10^-8
• Signallaufzeit 0,77 × c (500 m -> 2,165 µs)

10BaseT - Ethernet

• Kabel der Kategorie 3, 4, 5
• RJ-45-Stecker mit 2 Twisted Pairs
• Sternbus mit Hub oder Switch
• Punkt zu Punkt-Verbindung, d.h. keine Kollisionen innerhalb eines Segments, sofern Switch verwendet wird
• max. Segmentlänge 100 m
• min. Abstand zwischen zwei Anschlüssen 2,5 m
• max. 1024 Stationen pro LAN
• Signallaufzeit 0,59 × c (100 m -> 0,565 µs)

IEEE 802-Arbeitsgruppen

Bildbeschreibung "IEEE 802-Arbeitsgruppen": Es werden die verschiedenen 802-Arbeitsgruppen aufgezeigt. 802.1 = Medium Access Control (MAC) Bridging, 802.2 = Logical Link Control (LLC), 802.3 = Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect (CSMA/CD), 802.4 = Token Bus, 802.5 = Token Ring, 802.6 = Metropolitan Area Network (MAN), 802.9 = Integrated Services Local Area Network (ISLAN), 802.10 = Standard for Interoperable Local Area Network Security (SILS), 802.11 = Wireless Local Area Network (WLAN), 802.12 = Demand Priority, 802.14 = Community Antenna Television (CATV).

Es gibt noch weitere Gruppen:

• Fast Ethernet 802.3u
• Gigabit Ethernet 802.3z

Alle Gruppen existieren nur, sofern das nötige Interesse da ist und die entsprechende Norm noch nicht fertig ist.

Auch kommt es vor, dass Gruppen zusammengelegt werden oder sich neue Themen suchen.

Erläuterungen:

• SILS: Standard for Interoperable Local Area Network Security
  Sicherheitsmodell, Sicherer Datenaustausch
• ISLAN: Integrierte Sprach-/Datenzugriffsmethode
• 802.7: Breitbandübertragungstechnik
• 802.8: LWL-Übertragungstechnik
• CATV: Kabelfernseh-Metropolitan Area Network for Multimedia
• WLAN: Wireless Local Area Network (lokale Funknetze)
• 802.12: Demand Priority Access LAN, 100 Base vg - AnyLAN

OSI-Einbindung

Bildbeschreibung "OSI-Einbindung": Logical Link Control (LLC) und Medium Access Control (MAC) arbeiten auf der Sicherungsebene.

Bemerkung:

Die Kommunikationsverfahren 10Base2, 10Base5 und 10BaseT beziehen sich ausschließlich auf den MAC-Layer.

• Codierung der Signale
• Kollisionserkennung
• Kollisionsbehandlung
• Länge
• Elektrische Anforderungen

Frame-Format

Bildbeschreibung "Frame-Format": Ein IEEE-Frame setzt sich aus folgenden Bereichen zusammen: Preamble, Start Frame Delimeter, Destination Address, Source Address, Length, Destination Service Access Point, Source Service Access Point, Control, Data, Frame Checking Sum. Ein DIX-Frame dagegen hat einen anderen Aufbau: Preamble, Destination Address, Source Address, Type Field, Data, Frame Checking Sum. Weitere Erklärungn folgen im Text.

Bit 0 (2⁰) eines Bytes wird als erstes übertragen (little endian).

Präambel: 64 Bits 1/0-abwechselnd
Aufgrund der Manchester-Codierung ist dies ein reines Rechtecksignal.
Ziel: Synchronisation zwischen Sender und allen Empfängern, gesendet wird Broadcast.

Das Typ-Feld identifiziert Kanal/höheres Protokoll.
Keine Werte für Typen unter 1500, daher sind beide Formate am Wert erkennbar:

• Feldwert ≤ 1500 (0x05dc): 802.3-Länge
• Feldwert > 1536 (0x0600): DIX V2.0

Hinweis: Maximale Länge des Datenteils 1500

• Datenfeld: min. 46 Bytes, max. 1500 Bytes
• Start of Frame Delimeter: 10101011
• 32 bit-CRC (Frame Checking Sum: FCS)
  Deckt Präambel und sich selbst nicht ab.
• SAP = Service Access Point (Adressen der Endpunkte)
• Da nur ganze Bytes übertragen werden, müssen eventuell Füllbits ins letzte Byte eingefügt werden
• 6 byte lange Adresse (48 bit) hat sich durchgesetzt.
• In jedem Frame (Paket, PDU) ist die Absender- und Zieladresse enthalten - auch wenn an einem Strang zum Switch nur ein Gerät angeschlossen ist. Dies erlaubt erst die Lernalgorithmen der Brücken bzw. Switches.

Begriffserläuterungen:

Host ist der englische Begriff für Station als Bezeichnung eines Rechners.

Statt von Bytes wird beim Ethernet von Oktetten (Octects) gesprochen.

Statt von PDU bzw. Paketen wird von Frames (Rahmen für Informationen höherer Schichten) gesprochen.

Adressen

Jede Station (Host) hat weltweit eine eindeutige MAC-Adresse, die die Netzwerkkarte identifiziert:
2 Hexzahlen ohne führende Nullen getrennt durch ":", z.B. 8:0:2b:e4:b1:b2

Jeder Hersteller erhält eindeutiges 24 bit-Prefix z.B. 08-00-70 Sun oder 00-00-0C Cisco und fügt eine für ihn eindeutige Nummer hinzu.
Am Prefix ist der Hersteller der LAN-Karte erkennbar.

So ist jedenfalls die reine Theorie (und so war es auch früher). Heute sind allerdings Karten verfügbar, deren MAC-Adresse per DIP-Switches oder gar per Software beliebig einstellbar ist.

Broadcast-Adresse: Nur Einsen
Multicast: 1. Bit der Adresse 1, Rest Gruppennummer
Sonst: Unicast

Der MAC-Layer gibt Frames/Pakete an Host weiter:

• wenn direkt adressiert
• wenn Teil der Multicast-Gruppe
• wenn Broadcast
• wenn in Promiscuous-Mode

Der Promiscuous-Mode ist der Lausch-/Abhörmodus, der die Aufnahme jeden Pakets auf dem Strang erlaubt.

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CSMA/CD-Verfahren

CSMA/CD = Carrier Sense Multiple Access/Collision Detect

Verfahren/Intelligenz wird beim Sender realisiert
Empfänger ist dagegen einfach

Verfahren des Senders:

• Ist Leitung frei: Sendebeginn
• Ist Leitung belegt: Warten bis frei und dann Sendebeginn (1-Persistent-Protokoll)

Nach Erkennen einer Kollision: Sofort 32-bit-Stausignal (Jam: 0xaaaaaaaa) senden und dann Senden beenden.

Kürzestes Paket: 96 bit: Präambel und Jamming (Runt Frame)

Roundtrip-Verzögerung: Doppelte Zeit, die ein Signal zwischen den entferntesten Stationen benötigt.

Da alle Kollisionen während des Sendens bemerkt werden müssen, muss die Übertragungszeit des kleinsten, regulären Pakets mindestens so lang wie die Roundtrip-Verzögerung sein.

Roundtrip-Verzögerung: 51,2 ms (Übertragungsdauer von 512 bit bei 10 Mbit/s)
512 bit (64 byte): 14 Byte Header, 46 Byte Daten, 4 Byte CRC
Dies ist das kleinste zulässige normale Datenpaket (noch kürzer ist das Jam-Signal).

Dies ist gleich der Rahmenlänge (Slot Time).

Nach Abbruch wegen Kollision Abwarten einer Wartezeit zufällig gewählt aus der Menge der folgenden Wartezeiten:
W* 51,2 ms mit W=0..2^k-1, wobei k die n-te Kollision ist

Ist k = 10, so wird der Wert nach der nächsten Kollision beibehalten.

Nach dem 16. Fehlversuch wird abgebrochen und ein Fehler an die höhere Ebene gemeldet.

Dieser Prozess der immer längeren Wartezeit wird Backoff-Prozess genannt.

Stationen, die in Kollisionen untereinander geraten können, bilden einen Kollisionsbereich (Collision Domain).

Reichweite der Collision Domain:

Eine Collision Domain (Kollisionsbereich) endet an einem Switch. Ein Repeater bzw. Hub erkennt das Jam-Signal und verbreitet es auf alle Ports. Die Broadcast-Domain (der Bereich der Broadcast-Frames) endet erst bei einem Router.

Logical Link Control (LLC) - Dienste

• LLC - Typ 1
  Nicht bestätigter verbindungsloser Dienst
  Fehlererkennung/Korrektur auf höheren Schichten
• LLC - Typ 2
  Verbindungsorientierter Dienst
  Reihenfolge, Flusskontrolle, Wiederaufsetzen nach Fehlern, TimeOuts
• LLC - Typ 3
  Bestätigter verbindungsloser Dienst

Die Protokolle entsprechen fast HDLC (Layer 2 von X.25).
In der Praxis kommt fast nur LLC Typ 1 vor.

Verbindung:

Kommunikationsmittel zum Austausch von PDU, deren Reihenfolge erhalten bleibt.

Assoziation:

Kommunikationsmittel zum Austausch von PDU, ohne Erhaltung der Reihenfolge.

Der Begriff der Assoziation ist eine "verbindungslose Verbindung" (Kanal). Da dies etwas widersprüchlich ist, wird statt dessen Assoziation benutzt.

Als Dienst formuliert klingt dies etwas besser:

• Verbindungsorientierter Dienst
• Verbindungsloser Dienst

LLC - SAP-Adressen:

Die SAP-Adressen sind die Adressen der Endpunkte (Service Access Points) zur Schicht 3. Ein SAP entspricht einem Port zur Schicht 3.

Definition dieser SAP-Adressen erfolgt in RFC 1340 (Wert in Hex):

• 0x00: Kein SAP
• 0x04: SNA
• 0x06: DoD (Internetprotokoll)
• 0xE0: Netware
• 0xF0: NetBIOS
• 0xF4: LAN-Management
• 0xFE: OSI-Netzwerk

LLC - Felder (IEEE 802.3):

Entsprechend RFC 1340 werden die SAP-Adressen von Quelle und Ziel gesetzt.
Dies entspricht einem Multiplexing mehrerer SAP (Ports) derselben Leitung jeweils auf die unterschiedlichen Netzwerkarten oberhalb des LLC aufgeteilt.

Das Kontrollfeld gibt den LLC-Typ an.
In der Praxis ist dieses Feld fast immer 0x03 (Typ 1: Datagramm, Verbindungslos ohne Bestätigung).

Hinter dem Kontrollfeld können noch weitere Adressen kommen: SNAP = Sub Network Access Protocol. Dies betrifft nur die Kontrollfeldwerte 0xAA und 0xE0.

Multiplexen von "Diensten":

Bildbeschreibung "Multiplexen von Diensten": Das Bild ist in zwei Bereiche unterteilt. Auf der linken Seite befindet sich der Sender eines Frame, auf der rechten Seite der Empfänger eines Frame. Auf Sender-Seite greifen DoD-, OSI-, Novell- und SNA-SAP auf die Logical Link Control (LLC) zu. Dieser Vorgang beschreibt das Multiplexen. Die LLC gibt die Daten an die MAC weiter. Über ein Medium (Kabel) wird das Frame dann an den Empfänger weitergeleitet. Hier geht der Prozess in umgekehrter Reihenfolge vonstatten (MAC, LLC, De-Multiplexen, SAP).

Erfolg von CSMA/CD

Auslastung (Last):

Summe der tatsächlich übertragenen Daten relativ zur nominalen maximalen Summe.
CSMA/CD arbeitet sehr gut bei geringer Last, aber schon 30 % Last gelten als hoch.

• Weit verbreitet, wahrscheinlich das verbreiteste LAN
• Durchschnittlich werden bis zu 200 Stationen angeschlossen.
• Roundtrip-Verzögerung liegt wegen der in der Praxis vorkommenden kurzen Längen durchschnittlich bei 5 ms
• Keine Flusskontrolle auf der Sicherungsschicht
• Sehr einfach zu verwalten und zu warten
• Kostengünstig

Fast Ethernet:

• Beibehaltung des Paketformats
  1995: ca. 200 Mio. Stationen mit 802.3
• 1996 Standard verabschiedet (802.3u)
• UTP/STP-Kabel sternförmig mit max. 100 m langen Segmenten (Links): Typisch 100BaseT
• Andere Kodierung der Signale: trinär
• Verfeinerung des Schichtenmodells zur Harmonisierung konkurrierender Verfahren: Reconcilliation Sublayer zwischen MAC und den physikalischen Schichten
  Ziel: Einheitliche Controller, die zwischen 10BaseT und 100BaseT unterscheiden können ("10/100-Karten")
• Realität: max. 60 Mbit/s
• Statt AUI: MII (Media Independent Interface):40poliger Anschluss

Fast Ethernet - Varianten:

• 100BaseT4
  billige Kategorie 3-Kabel, 4 Adernpaare: 3 für Daten, 1 für Kollisionsbehandlung
  Kodierung: 8 Bits in 6 Ternäre Signale (8B6T)
  Nur 25 MHz Bandbreite erforderlich, RJ-45
• 100BaseTX
  2 Paare Kategorie 5-Kabel, RJ-45
  Dies ist der am meisten verbreitete Fast Ethernet Typ.
• 100BaseFX
  Multimode-Fasern, ähnlich zu FDDI, RJ-45
  max. Segmentlänge 400 m
• 100BaseT2
  2 Paare Kategorie 3, 4 oder 5-Kabel, RJ-45