Grundlagen der Rechnernetze
Lokale Netze
Übersicht
• Protokollarchitektur
• Repeater und MAC‐Bridges
• Hubs und Switches
• Virtual LAN (VLAN)
• Fallstudie Ethernet
• Fallstudie Wireless LAN
Protokollarchitektur
IEEE 802 Referenzmodell
Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Seventh Edition, 2004
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‐Acknowledgements
• (d.h. Kombination der beiden vorigen)
MAC
Wer kontrolliert den Medienzugriff?
• Zentralisiert
• Verteilt
Wie kontrolliert man den Medienzugriff
• Round‐Robin
• Reservation
• Contention
Repeater und MAC‐Bridges
Repeater: Erweitern des Mediums
Übertragungswiederholung auf der physikalischen Schicht
Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Seventh Edition, 2004
Repeater
Nachteile
• Zuverlässigkeit
• Performance
• Sicherheit
• Geographie
LAN 1
LAN 2
LAN 3
LAN n
Repeater 1
Repeater 2
Repeater n‐1
MAC‐Bridge: Verbinden von LANs
Mit identischer physikalischer und Verbindungs‐Schicht!
Bridges agieren auf MAC Ebene
Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Tenth Edition, 2014
Komplexere Netze mittels Bridges
Bridge
anderes Medium für den Transport der MAC‐Frames zwischen LAN A und 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
Komplexere Netze mittels Bridges
Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Seventh Edition, 2004
Fixed‐Routing
Port für LAN A:
Station 1 Station 2 Station 3 Station 6 Station 7
Port für LAN B:
Station 4 Station 5
Manuell konfiguriert
Repeater und MAC‐Bridges
Spanning‐Tree‐Algorithmus
Frame‐Forwarding
Empfang eines MAC‐Frames f adressiert 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 f mit 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)
Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Seventh Edition, 2004
Loop‐Problem
Lösung: Konstruiere azyklischen verbundenen Sub‐Graphen
B3
B2
B5
B7
B1
B6 B4
A
B
K F
H
I J G
C
E
D
(das ist ein Spannbaum)
Vorgehen: Election des Spanning‐Tree‐Root
B3
B2
B5
B7
B1
B6 B4
A
B
K F
H
I J G
C
E
D
Root behält alle
Ports bei.
Vorgehen: Bridges berechnen kürzeste Pfade zum Root
B3
B2
B5
B7
B1
B6 B4
A
B
K F
H
I J G
C
E
D
Tree‐Root
Vorgehen: Jedes Netz behält genau eine Nicht‐Root‐Bridge
B3
B2
B5
B7
B1
B6 B4
A
B
K F
H
I J G
C
E
D
1
1 1 1
1 2
Auswahlkriterium:
• Bridge am nächsten zum Root
• Bei Gleichstand die mit der kleinsten ID
Vorgehen: Jedes Netz behält genau eine Nicht‐Root‐Bridge
B3
B2
B5
B7
B1
B6 B4
A
B
K F
H
I J G
C
E
D
1 Ergebnis:
• Bridges mit keinem oder einem Port erfüllen keine Funktion mehr
• Trotzdem sinnvoll: Backup‐Bridges
Repeater und MAC‐Bridges
Verteilte Realisierung des Spanning‐Tree‐Algorithmus
Start des Algorithmus
B3
B2
B5
B7
B1
B6 B4
A
B
K F
H
I J 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‐Bridge 2. Hop‐Distanz zur Root‐
Bridge
3. ID der sendenden Bridge
Beispiel: Was versendet B3?
Wechsel von Root‐ zu Nicht‐Root‐Bridge
B3
B2
B5
B7
B1
B6 B4
A
B
K F
H
I J 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?
Election der Root‐Bridge
B3
B2
B5
B7
B1
B6 B4
A
B
K F
H
I J 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 B5
Abschalten von Ports
B3
B2
B5
B7
B1
B6 B4
A
B
K F
H
I J 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 empfangene
2. geringerer Hop‐Count 3. oder gleicher Hop‐
Count aber Absender‐ID ist kleiner
Beispiel: B3 empfängt
Root‐ID B1 von B2 und B5.
Abschalten von Ports
B3
B2
B5
B7
B1
B6 B4
A
B
K F
H
I J G
C
E
D
Beispiel: B6 empfängt
Root‐ID B1 von B1 und B4.
Hubs und Switches
Hubs
Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Seventh Edition, 2004
Zusammenfassen von Stationen und anderen Hubs in eine große Kollisionsdomäne
(Layer 2)‐Switches
Mit Hubs erreichbare Gesamtkapazität im Netz?
Switches schalten kommunizierende Endknoten zusammen. Erreichbare Gesamtkapazität?
Typen von (Layer 2)‐Switches
Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Seventh Edition, 2004
Store‐and‐Forward oder Cut‐Through
Abgrenzung zwischen Switch und Bridge
Bridge 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
Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum, „Computer Networks“, Fourth Edition, 2003
Virtual LAN (VLAN)
Motivation: Aufteilen der Broadcast‐Domain
Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Ninth Edition, 2011
Skalierbarkeit Sicherheitsaspekt
Lösung: Einfügen eines Routers
Bildquelle: 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
Bildquelle: 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)
Bildquelle: 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:
…101010… 10101011 < 1536 bedeutet Length sonst Type
Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Seventh Edition, 2004
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‐FP
Medium
Coax Coax Unshielded
Twisted‐Pair
Optisch
SignalisierungManchester Manchester Manchester Manchester
Topologie
Bus Bus Star Star
Max. Länge (m)
500 185 100 500
Knoten pro Segment
100 30
‐33
Bemerkung
Erweiterung mit max. 4 Repeater auf 2500m
Erweiterung mit max. 4 Repeater auf 2500m
für optische Leitung auf 500m
spezifiziert
Erlaubt auch Repeater‐
Erweiterung
en 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, 4 oder 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. Wird zusammen mit Scrambling ausgeführt (siehe nächste Folie)
4B5B
– was war das noch mal? siehe Folien zur Verbindungsschicht
8B6T
– 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 Scrambling erreicht (siehe folgende Folie).
Ergänzung: Scrambling
Scrambling am Beispiel: die Eingabe‐Bits A
mwerden wie folgt in Ausgabe‐Bits B
mberechnet:
B
m= A
m B
m‐3 B
m‐5Die ursprüngliche Sequenz bestimmt man wiederum durch:
C
m= B
m B
m‐3 B
m‐5In der Tat:
Beispiel:
101010100000111 wird zu 101110001101001
IEEE 802.3 Physical‐Layer
• Gigabit‐Ethernet: 1Gbps‐Verbindungen
• Beispielkonfiguration:
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:
Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Seventh Edition, 2004
Signaling:
8B/10B
Signaling:
4D‐PAM5 Signaling:
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 m Multimode 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 assembly
Optical: S = Short‐Reach (100m); L = Long‐Reach (10km); E = Extended‐Long Reach (40km) Coding‐Scheme: R = 64/66B block coding
Final Number: number of lanes (copper wires or fiber wavelengths)
VLAN erfordert Modifikation – Frame‐Tagging
Bildquelle: Andrew S. Tanenbaum, „Computer Networks“, Fourth Edition, 2003