ä ä ä ä ä ä ä ä Stand:29.M¨arz2021 RechnernetzeII(1/15) RolandWism¨ullerBetriebssysteme/verteilteSysteme

(1)

Roland Wism ¨uller

Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/15) i

Roland Wism ¨uller

Betriebssysteme / verteilte Systeme rolanda.dwismuellera@duni-siegena.dde Tel.: 0271/740-4050, B ¨uro: H-B 8404

Stand: 29. M ¨arz 2021

Rechnernetze II

SoSe 2021

ääääääää

Inhaltsverzeichnis

0 Organisation 2

1 Wide Area Networks (WANs) 14

1.1 Einf ¨uhrung . . . 16

1.2 Etwas Theorie zur Signal ¨ubertragung . . . 20

1.3 Telefonnetz und Modems . . . 30

1.3.1 Modems . . . 33

1.3.2 Telefonstandards . . . 37

1.4 Protokolle f ¨ur Punkt-zu-Punkt-Verbindungen . . . 44

1.4.1 HDLC:High Level Data-Link Control . . . 44

(2)

1.4.2 PPP: Punkt-zu-Punkt Protokoll . . . 46

1.5 Protokolle f ¨ur paketvermittelte WANs . . . 51

1.5.1 Frame Relay . . . 51

1.5.2 ATM,Asynchronous Transfer Mode . . . 53

1.6 ADSL . . . 57

1.7 Zusammenfassung / Wiederholung . . . 59

2 Schnelles Ethernet 62 2.1 Neuere Ethernet-Standards . . . 65

3 Drahtlose Netze 76 3.1 WLAN (IEEE 802.11) . . . 78

1-2 3.1.1 Bit ¨ubertragungsschicht . . . 81

3.1.2 Sicherungsschicht . . . 86

3.1.3 WLAN Sicherheit . . . 98

3.2 Bluetooth . . . 113

3.2.1 Bluetooth Classic . . . 113

3.2.2 Bluetooth Smart (BT Low Energy, BT 4.x) . . . 123

4 IP-Routing: Spezielle Aspekte 131 4.1 Multicast . . . 133

4.1.1 Adressierung beim Multicast . . . 134

4.1.2 Management von Multicast-Gruppen . . . 135

(3)

4.1.3 Multicast-Routing . . . 137

4.1.4 Multicast: Zusammenfassung . . . 152

4.2 Mobile IP . . . 153

4.3 Multiprotocol Label Switching . . . 158

5 VPN, IP-Tunnel und IPsec 168 5.1 Virtuelle private Netze (VPN) und IP-Tunnel . . . 170

5.2 IPsec . . . 173

6 ¨Uberlastkontrolle und Quality of Service 189 6.1 ¨Uberlastkontrolle . . . 191

1-4 6.1.1 ¨Uberlastkontrolle in TCP . . . 194

6.1.2 Additive Increase / Multiplicative Decrease . . . . 198

6.1.3 Slow Start . . . 201

6.1.4 Fast Retransmit / Fast Recovery . . . 204

6.2 ¨Uberlastvermeidung . . . 205

6.2.1 DECbit . . . 206

6.2.2 Random Early Detection (RED) . . . 209

6.2.3 Quellenbasierte ¨Uberlastvermeidung . . . 214

6.3 Quality of Service (QoS) . . . 217

6.3.1 Integrated Services . . . 223

6.3.2 Differentiated Services . . . 233

6.3.3 Diskussion . . . 238

(4)

7 Anwendungsprotokolle 243 7.1 Netzwerkmanagement . . . 245

7.2 Multimedia-Anwendungen . . . 249

7.2.1 RTP / RTCP . . . 250

7.2.2 Sitzungs- und Anrufsteuerung . . . 255

7.3 Overlay-Netze . . . 259

8 Netzwerkprogrammierung 265 8.1 Sockets . . . 267

8.2 Datagramm-Kommunikation (UDP) . . . 275

1-6 8.3 Strom-Kommunikation (TCP) . . . 281

8.4 Design von Server-Programmen . . . 293

9 Leistungssteigerung von Netzen 302 9.1 Motivation . . . 304

9.2 Maßnahmen zur Leistungssteigerung . . . 309

9.2.1 Netztopologien . . . 310

9.2.2 Weiterleitungstechniken . . . 314

9.2.3 Protokolle der Anwendungsschicht . . . 321

9.2.4 Remote DMA und OS Bypass . . . 324

9.3 Beispiel: Infiniband . . . 332

(5)

9.4 Fazit / Zusammenfassung . . . 339

10 Netze f ¨ur Automatisierungssysteme 340 10.1 Einf ¨uhrung . . . 342

10.2 Typische Merkmale von Feldbussen . . . 346

10.3 CAN . . . 348

10.4 Echtzeit-Ethernet . . . 353

10.4.1 Time Triggered Ethernet . . . 354

10.4.2 Time Sensitive Networking . . . 356

11 Drahtlose Sensornetze 359 11.1 Einf ¨uhrung . . . 361

1-8 11.2 MAC-Protokolle f ¨ur WSNs . . . 363

11.3 Routing in WSNs . . . 369

11.4 Zusammenfassung . . . 371 12 Zusammenfassung, wichtige Themen 372

(6)

Roland Wism ¨uller

Betriebssysteme / verteilte Systeme Rechnernetze II (1/15) 2

Rechnernetze II

SoSe 2021

0 Organisation

Zu meiner Person

➥ Studium der Informatik an der Techn. Univ. M ¨unchen

➥ dort 1994 promoviert, 2001 habilitiert

➥ Seit 2004 Prof. f ¨ur Betriebssysteme und verteilte Systeme an der Univ. Siegen

➥ Forschung: Beobachtung, Analyse und Steuerung paralleler und verteilter Systeme

➥ Mentor f ¨ur die Bachelor-Studieng ¨ange Informatik mit Vertiefung Mathematik

➥ e-mail: rolanda.dwismuellera@duni-siegena.dde

➥ Tel.: 0271/740-4050

➥ B ¨uro: H-B 8404

(7)

Zur Fachgruppe

”Betriebssysteme / verteilte Systeme“

Roland Wism ¨uller

Andreas Hoffmann

andreas.hoffmann@uni-...

0271/740-4047 H-B 8405

➥ El. Pr ¨ufungs- und ¨Ubungssysteme

➥ IT-Sicherheit

➥ Web-Technologien

➥ Mobile Anwendungen

Damian Ludwig

damian.ludwig@uni-...

0271/740-2533 H-B 8402

➥ Capability-Systeme

➥ Compiler

➥ Programmiersprachen

Hawzhin Hozhabr Pour

hawzhin.hozhabrpour@uni-...

0271/740-4038 H-B 8411

➥ Machine Learning

➥ Mustererkennung in Fahrzeug- Sensordaten

➥ Anomaliedetektion

Lehrangebot

Vorlesungen/Praktika

➥ Rechnernetze I, 5 LP (jedes SoSe)

➥ Rechnernetze Praktikum, 5 LP (jedes WiSe)

➥ Rechnernetze II, 5 LP (jedes SoSe)

➥ Betriebssysteme I, 5 LP (jedes WiSe)

➥ Parallelverarbeitung, 5 LP (jedes WiSe)

➥ Verteilte Systeme, 5 LP (jedes SoSe)

(8)

Lehrangebot ...

Roland Wism ¨uller

Projektgruppen

➥ z.B. Aufnahme und Analyse von Fahrzeugdaten

➥ z.B. Erkennung ungew ¨ohnlicher Ereignisse in Kfz-Sensordaten

Abschlussarbeiten (Bachelor, Master)

➥ Themengebiete: sichere virtuelle Maschine, Parallelverarbeitung, Mustererkennung in Sensordaten, eAssessment, ...

Seminare

➥ Themengebiete: IT-Sicherheit, Programmiersprachen, Mustererkennung in Sensordaten, ...

➥ Ablauf: Blockseminare

➥ 30 Min. Vortrag, 5000 Worte Ausarbeitung

Zur Vorlesung

➥ Vorlesung:

➥ digital: Screencasts in moodle

➥ Fragestunde: Di., 14:00 - 14:30 (ggf. l ¨anger) ¨uber zoom

➥ Ubungen:¨

➥ 2-st ¨undig (digital)

➥ Do., 10:15-11:45, ¨uber zoom, ab 22.04.

➥ diese ¨Ubung wird auch aufgezeichnet!

➥ zum Teil

”praktische“ Aufgaben

➥ mit Wireshark und Netzwerksimulator (PacketTracer)

➥ Links zu den zoom-Konferenzen: siehe moodle

(9)

Zur Vorlesung ...

Roland Wism ¨uller

Information, Folien und Ank ¨undigungen

➥ http://www.bs.informatik.uni-siegen.de/lehre/rn2

➥ Zum Ausdrucken: Druckservice des Fachschaftsrats!

➥ Ggf. Aktualisierungen/Erg ¨anzungen kurz vor der Vorlesung

➥ auf das Datum achten!

➥ Dort auch Links zu den CCNA-Materialien

➥ Zugangsdaten f ¨ur gesch ¨utzte Bereiche:

➥ werden in der Vorlesung bekanntgegeben!

Literatur

➥ Andrew S. Tanenbaum. Computernetzwerke, 4. Auflage. Pearson Studium, 2003.

➥ Larry L. Peterson, Bruce S. Davie. Computernetze – Eine systemorientierte Einf ¨uhrung, 3. Auflage. dpunkt.verlag, 2004.

➥ James F. Kurose, Keith W. Ross. Computernetze. Pearson Studium, 2002.

➥ Weitere Literaturhinweise im Verlauf der Vorlesung

➥ Skript: derzeit keines.

➥ aber: Anmerkungen zu einigen Folien in der 2-auf-1 Version

(10)

Pr ¨ufung

Roland Wism ¨uller

➥ M ¨undliche Pr ¨ufung

➥ Dauer: ca. 30 Minuten

➥ Pr ¨ufungstermine:

➥ nach Vereinbarung

➥ Anmeldung:

➥ Anmeldung in unisono

➥ mindestens eine Woche vorher (besser deutlich fr ¨uher)

➥ danach Terminabsprache ¨uber das Sekretariat

➥ mindestens eine Woche vorher (besser deutlich fr ¨uher)

➥ Frau Syska, regina.syska@uni-...

➥ R ücktritt bis 7 Tage vor Pr üfungstemin m öglich ( über unisono)

Inhalt der Vorlesung

Erg ¨anzungen / Vertiefungen zu Rechnernetze I:

➥ Wide Area Networks (WANs)

➥ Modems, ASDL, SONET

➥ PPP, Frame Relay

➥ Netzwerk-Technik

➥ schnelles Ethernet

➥ drahtlose Netze

➥ Internetworking / IP

➥ Routing: Multicast, Mobile IP, MPLS

➥ IP-Tunnel und IPsec

(11)

Inhalt der Vorlesung ...

Roland Wism ¨uller

Erg ¨anzungen / Vertiefungen zu Rechnernetze I: ...

➥ Uberlastkontrolle und¨ Quality of Service

➥ Uberlastkontrolle¨

➥ Uberlastvermeidung¨

➥ Quality of Service

➥ Anwendungsprotokolle

➥ Netzwerkmanagement, Multimedia, Overlay-Netzwerke

➥ Netzwerkprogrammierung

➥ Sockets in C und Java

➥ Ausblicke

➥ Netze f ¨ur Cluster und Hochleistungsrechner

➥ Netze f ¨ur Realzeit- und Automatisierungssysteme

➥ Drahtlose Sensornetze

Ziel der Vorlesung

➥ Erg ¨anzung und Vertiefung von Rechnernetze I

➥ Verst ¨andnis moderner Netzwerktechniken

➥ auch f ¨ur Bewertung / Auswahl

➥ Praktische Erfahrungen in der Netzwerkprogrammierung

(12)

Roland Wism ¨uller

Rechnernetze II

SoSe 2021

1 Wide Area Networks (WANs)

1

Wide Area Networks

(WANs) ...

Inhalt

➥ Einf ¨uhrung

➥ Etwas Theorie zur Signal ¨ubertragung

➥ Telefonnetz und Modems

➥ Protokolle f ¨ur Punkt-zu-Punkt-Verbindungen: HDLC, PPP

➥ Protokolle f ¨ur paketvermittelte WANs: Frame Relay, ATM

➥ ADSL

➥ Tanenbaum, Kap. 1.5.2, 2.1, 2.5.1-2.5.4, 3.6

➥ Peterson, Kap. 2.3, 3.3

➥ Kurose, Ross, Kap. 5.8-5.10

➥ CCNA, Kap. 2, 3, 4, 6

(13)

1.1 Einf ¨uhrung

Roland Wism ¨uller

Charakteristika von WANs

➥ Verbinden Ger äte (typ. Router) über gr ößere geographischer Entfernung

➥ Nutzen Dienste von Kabelbetreibern (Carrier)

➥ z.B. Telefonanbieter, Kabelfernseh-Anbieter, ...

➥ Nutzen verschiedene Typen serieller Verbingungen Einsatz von WANs

➥ Kommunikation zwischen Firmenstandorten

➥ Kommunikation zwischen verschiedenen Firmen

➥ Entfernter Zugang f ¨ur Firmenmitarbeiter

➥ Internet-Zugang f ¨ur Haushalte

➥ ...

Anmerkungen zu Folie 16:

Im WAN-Bereich werden Daten auch bei hohen Bandbreiten seriell übertragen (im Gegensatz z.B. zu neueren Ethernet-Standards, in denen Daten teilweise parallel über mehrere Adernpaare übertragen werden), da dies bei langen Leitungen technische Vorteile bietet (einfachere Taktsynchronisation, Übersprechen, ...).

WAN ist nicht mit Internet gleichzusetzen! Das Internet nutzt WANs, aber nicht jedes WAN ist Teil des Internets. Prim ¨ar dienen WANs dazu, geographisch entfernte Stand- orte zu vernetzen (unabh ¨angig von einem eventuellen Internet-Zugang).

(14)

1.1 Einf ¨uhrung ...

Roland Wism ¨uller

Typische Anbindung an ein WAN

Quelle: Cisco

Service Provider Netzwerk

Equipment (DCE) Communication Data

Equipment (DTE) Data Terminal

CO Switch Office (CO) Central (Last Mile)

Local Loop Kunde Service

Provider

DerDemarkationspunkt (Demarcation Point) gibt die Stelle an, an der die Verant- wortklichkeit f ür Verbindungen und Ger äte vom Service-Provider auf den Kunden über- geht. In den USA liegt dieser Punkt zwischen dem DCE Ger ät und derLocal Loop, d.h.

das DCE Ger ät geh ört dem Kunden. Ausserhalb der USA ist der Demarkationspunkt zwischen DTE und DCE (d.h., das DCE Ger ät geh ört noch dem Service-Provider und wird auch von diesem administriert). In Deutschland galt diese Regelung (

”Router- zwang“) bis August 2016. Seitdem d ¨urfen Kunden auch eigene DCE Ger ¨ate (Router) an dieLocal Loopanschließen und diese selbst administrieren.

(15)

1.1 Einf ¨uhrung ...

Roland Wism ¨uller

WAN Protokolle

➥ WANs decken nur die OSI-Schichten 1 und 2 ab

➥ Typische Protokolle der Bit ¨ubertragungsschicht:

➥ EIA/TIA-232 (RS-232): bis zu 64 kb/s, kurze Distanz

➥ EIA/TIA-449/530 (RS-422): bis 2 Mb/s, l ¨angere Distanzen

➥ HSSI (High-Speed Serial Interface): bis 52 Mb/s

➥ V.35: ITU-T Standard, bis 2,048 Mb/s

➥ Typische Protokolle der Sicherungsschicht:

➥ HDLC, PPP: f ¨ur dedizierte Punkt-zu-Punkt-Verbindungen

➥ ISDN: leitungsvermittelt

➥ Frame Relay, X.25, ATM: virtuelle Leitungsvermittlung

1.1 Einf ¨uhrung ...

Optionen f ¨ur WAN-Verbindugnen

➥ Nutzung einer privaten Infrastruktur

➥ dedizierte Verbindungen

➥ gemietete Leitungen (Standleitung): T1/E1 (☞ 1.3.2)

➥ vermittelte Verbindungen

➥ leitungsvermittelt (Einwahlverbindung): analoge Telefonlei- tung (☞ 1.3.1), ISDN (☞ 1.3.2)

➥ paketvermittelt (virtuelle Leitungsvermittlung): Frame Relay (☞ 1.5.1), X.25, ATM (☞ 1.5.2)

➥ Nutzung des ¨offentlichen Internets

➥ Zugang z.B. ¨uber DSL (☞ 1.6) oder Kabelmodem

➥ Einsatz von VPNs (☞ 5.2 und RN I, 6.7)

(16)

1.2 Etwas Theorie zur Signal ¨ubertragung

Roland Wism ¨uller

Problem bei seriellen Leitungen:

➥ Bandbreite der Leitungen ist begrenzt

➥ h ¨ohere Frequenzen werden stark ged ¨ampft

➥ h öchste nutzbare Frequenz abh ängig von Leitungsart und -l änge

➥ Bei analogen Telefonleitungen

➥ Grenzfrequenz durch Filter k ¨unstlich auf 4 kHz reduziert

➥ Frage: Welche ¨Ubertragungsrate (bit/s) ist auf einer Leitung mit gegebener Grenzfrequenz (Bandbreite) m ¨oglich?

➥ Antworten liefern:

➥ Fourier-Analyse

➥ Nyquist-Theorem

➥ Shannon’sches Theorem

Bei analogen Telefonleitungen wird die Grenzfrequenz durch Filter in den Teilnehmer- vermittlungen reduziert, die nur Frequenzen< 4 kHz passieren lassen. Damit k önnen St örungen effektiv unterdr ückt werden, ohne die Verst ändlichkeit der Sprache wesent- lich zu verschlechtern.

(17)

1.2 Etwas Theorie zur Signal ¨ubertragung ...

Roland Wism ¨uller

Fourier-Analyse

➥ Jedes (periodische) Signal l ¨aßt sich als Summe von Sinusschwingungen darstellen

➥ z.B. Rechtecksignal:

X∞ k=1

4 ·sin((2k − 1)ωt) (2k −1)π

➥ Damit u.a. Auswirkungen begrenzter Bandbreite einfach zu ermitteln

...

3. Oberwelle 5. Oberwelle

...

Rechteck−

signal

Grund−

schwingung

1.2 Etwas Theorie zur Signal ¨ubertragung ...

Zur Auswirkung der Leitungsbandbreite

➥ Ubertragung eines 8-Bit Wortes, NRZ-Codierung, 2400 bit/s¨

➥ Bandbreite der Leitung (Grenzfrequenz): 9600 Hz

OK

Gesendetes Signal Empfangenes Signal 1

0.5

0

0 1 2 3 4 5 6 7

(18)

1.2 Etwas Theorie zur Signal ¨ubertragung ...

Roland Wism ¨uller

OK

Gesendetes Signal Empfangenes Signal

0 0.5 1

0 1 2 3 4 5 6 7

1.2 Etwas Theorie zur Signal ¨ubertragung ...

OK

0.5

0

0 1 2 3 4 5 6 7

(19)

1.2 Etwas Theorie zur Signal ¨ubertragung ...

Roland Wism ¨uller

Gerade noch OK

0.5

0

0 1 2 3 4 5 6 7

1.2 Etwas Theorie zur Signal ¨ubertragung ...

Signal nicht mehr rekonstruierbar Gesendetes Signal Empfangenes Signal

0 0.5 1

0 1 2 3 4 5 6 7

(20)

1.2 Etwas Theorie zur Signal ¨ubertragung ...

Roland Wism ¨uller

Signal nicht mehr rekonstruierbar Gesendetes Signal Empfangenes Signal

0 0.5 1

0 1 2 3 4 5 6 7

1.2 Etwas Theorie zur Signal ¨ubertragung ...

Nyquist-Theorem (Abtasttheorem)

➥ Ein Signal mit Bandbreite H [Hz] kann mit 2 · H (exakten) Abtastwerten pro Sekunde vollst ¨andig rekonstruiert werden

➥ Die maximal sinnvolle Abtastrate ist daher 2 ·H [1/s]

➥ Folgerung f ¨ur ¨Ubertragung mit 1 Bit pro Abtastung:

➥ maximale Daten ¨ubertragungsrate = 2 · H [bit/s]

➥ siehe Beispiel: 2400 bit/s erfordern 1200 Hz Bandbreite

➥ H öhere Übertragungsraten sind m öglich, wenn pro Abtastung mehr als 1 Bit gewonnen wird

➥ Ubertragungsrate ist dann begrenzt durch das¨ Rauschen der Leitung

(21)

1.2 Etwas Theorie zur Signal ¨ubertragung ...

Roland Wism ¨uller

Shannon’sches Theorem

➥ Max. Daten ¨ubertragungsrate = H · log2(1 + S/N)

➥ S/N = Rauschabstand (Signal/Rauschverh ¨altnis)

➥ (Leistungs-)Verh ¨altnis von Signalst ¨arke zu Rauschen

➥ definiert maximale Genauigkeit der Abtastung

Zur Unterscheidung von ¨Ubertragungs- und Abtastrate

➥ Einheit bit/s f ¨ur ¨Ubertragungsrate

➥ Einheit Baud (Zeichen/s) f ¨ur Abtastrate

Das Nyquist-Theorem besagt, dass wir maximal2 · H Abtastungen durchf ühren k önnen. Wenn die maximale Daten übertragungsrateH ·log₂(1 +S/N)ist, erhalten wir dieser Abtastrate

H ·log₂(1 +S/N)

2·H = log₂(1 +S/N)

2 = log₂( q

1 + S/N)

Bits pro Abtastung.

Die Wurzel kommt daher, dass das Signal-/Rauschverh ältnis als Leistungsverh ältnis angegeben wird, nicht als Spannungsverh ältnis. Wenn die Signalspannung 4-mal so groß ist wie die Rauschspannung, k önnen wir 4 Spannungsbereiche unterscheiden und damit 2 Bits an Information gewinnen. Das Signal-/Rauschverh ältnis ist dabei 16 (4-fache Spannung⇒16-fache Leistung), undlog₂(√

1 + 16) = 2.0437...ist gerade etwas gr ¨oßer als 2.

(22)

1.3 Telefonnetz und Modems

Roland Wism ¨uller

Struktur des Telefonnetzes:

➥ Zu Beginn: vollst ¨andige Vernetzung

➥ mit wachsender Teilnehmerzahl unpraktikabel

➥ Bell (1878): erstes Vermittlungsamt

➥ Stern-Topologie

➥ Danach: Vernetzung der Vermittlungen

➥ Hierarchie von Vermittlungen

1.3 Telefonnetz und Modems ...

Typischer Leitungsweg bei mittlerer Entfernung:

Vermittlungs−

stelle Knoten−

Teilnehmer−

Vermittlungs−

stelle

Fern−

Vermittlungs−

stelle Telefon

sehr hohe Bandbreite (z.B. SONET) Fernleitung (digital, z.B. T1/E1 ... / SONET;

Glasfaser, Koaxialkabel, Richtfunk) Teilnehmeranschlußleitung (analog o. digital (ISDN);

Twisted−Pair−Kabel)

➥ Analog/digital-Wandlung (bzw. umgekehrt) ggf. durch Codecs (Coder/Decoder) in den Teilnehmervermittlungen

(23)

1.3 Telefonnetz und Modems ...

Roland Wism ¨uller

Digitale ¨Ubertragung und Multiplexing

➥ PCM (Pulse Code Modulation): Sprachsignale werden im Codec digitalisiert:

➥ 8000 Abtastungen/s (alle 125 µs)

➥ 7 oder 8 Bit pro Abtastung

➥ Zus ¨atzlich ¨Ubertragung von Steuerinformation (Signalisierung)

➥ Multiplexing mehrerer Gespr ¨ache auf eine Leitung

➥ Zeitmultiplexing: byte- oder bitweise

➥ Beispiele: T1/E1, SONET (☞ 1.3.2)

1.3.1 Modems

Anschluß eines Rechners ¨uber Modem:

lungsstelle Fernvermitt−

hohe

Codec

Modembank ISP 1 ISP 2 Computer

twisted pair) schlussleitung

Teilnehmer−

Codec

vermittlungs−

stelle Bandbreite (digital, Glasfaser) Modem

Leitung Digitale (T1/E1) (analog,

Teilnehmeran−

mittlere

(24)

1.3.1 Modems ...

Roland Wism ¨uller

Standardmodems

➥ Arbeiten mit 2400 Baud

➥ Bei 1 Bit pro Abtastung damit: max. 2400 bit/s

➥ F ür h öhere Übertragungsraten: spezielle Modulationsverfahren

➥ QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)

➥ QAM (Quadrature Amplitude Modulation)

➥ erlauben mehr als 1 Bit pro Abtastung (Zeichen)

➥ Grenze durch Rauschen: 14 Bit pro Zeichen

➥ 33.600 bit/s, Standard V.34bis

➥ Modems testen die Leitungsqualit ¨at bei Verbindungsaufbau

➥ ggf. geringere ¨Ubertragungsrate

1.3.1 Modems ...

(Animierte Folie)

Modulationsverfahren QPSK und QAM

➥ Funktionsprinzip:

➥ jeweils n Bits bestimmen Amplitude und Phase des Signals

➥ Beispiele:

270 90

QPSK(2 Bit) 0 180

270 90

(4 Bit) QAM−16

0

180 180 0

270 90

QAM−64(6 Bit) Phase

Amplitude

(25)

1.3.1 Modems ...

Roland Wism ¨uller

56 kbit/s Modems (V.90)

➥ Voraussetzung: Zielrechner (Provider) ist digital ans Telefonnetz angeschlossen

➥ Asymmetrische ¨Ubertragung:

➥ upstream: herk ¨ommliche Modemtechnologie mit 33,6 kbit/s

➥ downstream: 56 kbit/s

➥ Ubertragungstechnik f ¨ur¨ downstream-Kanal:

➥ digitale Daten ¨ubertragung bis zur Teilnehmervermittlung

➥ dort Umwandlung in Analogsignal

➥ Modem digitalisiert das ankommende Signal

➥ 8000 Abtastungen / s (4 kHz Bandbreite!)

➥ 8 Bit pro Abtastung (1 Bit als Redundanzbit)

Bei dieser Technik muß beachtet werden, daß das Modem das ankommende Signal zu den richtigen Zeitpunkten digitalisieren muß (Es geht ja nicht darum, das Analogsignal zu rekonstruieren, sondern als Abtastwert genau das ¨ubertragene Byte zu bekommen).

Der Empfangstakt des Modems muß also laufend mit dem Sendetakt des Codecs synchronisiert werden.

Wollte man auchupstream die 56 kbit/s erreichen, m ¨ußte sich der Empfangstakt des Codecs an den Sendetakt des Modems anpassen. Da die Codecs aber eigentlich nur zur Digitalisierung von Sprache gedacht sind, besitzen sie eine derartige M ¨oglichkeit nicht. Wenn man also nicht neue Codecs verwenden will, muß man es umgekehrt ma- chen: der Sendetakt des Modems paßt sich an den vorgegebenen Empfangstakt des Codecs an. Das ist relativ schwierig, wird aber im V.92 Standard so gemacht.

(26)

1.3.2 Telefonstandards

Roland Wism ¨uller

Integrated Services Digital Network (ISDN)

➥ Integriert Telefon-, Telex- und Datendienste (Datex-L, Datex-P)

➥ Digitale Teilnehmeranschlußleitungen

➥ Basisanschluß (S⁰)

➥ zwei 64 kb/s Nutzkan ¨ale (B-Kan ¨ale) und ein 16 kb/s Steuerkanal (D-Kanal)

➥ Ubertragung im Zeitmultiplex¨

➥ Prim ¨armultiplexanschluß

➥ 30 B-Kan ¨ale ´a 64 kb/s und

ein D-Kanal ´a 64 kb/s im Zeitmultiplex

➥ entspricht E1-Anschluß

In Deutschland sollte ISDN nach den Pl änen der Telekom urspr ünglich bis Ende 2018 eingestellt werden, dies ist jedoch bis nicht vollst ändig erfolgt. Anschl üsse f ür Gesch äfts- kunden sollen bis Ende 2020 ersetzt werden. Andere Betreiber bieten ISDN noch bis Ende 2022 an.

(27)

1.3.2 Telefonstandards ...

Roland Wism ¨uller

Kanalstruktur von Prim ¨armultiplexanschl ¨ussen

➥ In Europa: E1-Tr ¨ager: 32 Zeitschlitze mit 8 Bit, 2,048 Mb/s

1

0

256−Bit−Rahmen (125 µs)

31

...

16

...

Kanal 0 1 2

Code−Bit

für den Frame (abwechselnd 0 / 1)

8 Datenbit pro Abtastung

Signalisierungs−

daten

1.3.2 Telefonstandards ...

Multiplexing von E1-Str ¨omen

2,048Mb/s 32 Kanäle E1

4:1 4:1 4:1

E5

565,148 Mb/s 8192 Kanäle 139,264 Mb/s

2048 Kanäle E4

34,304 Mb/s 512 Kanäle E3

8,848 Mb/s 128 Kanäle E2

4 E1−Ströme

4:1

4 E2−Ströme 4 E3−Ströme 4 E4−Ströme

➥ Bitweises Multiplexing ⇒ gleichm ¨aßiger Bitstrom nach Demulti- plexing (ein Abtastwert alle 125 µs)

(28)

39-1 Anmerkungen zu Folie 39:

In USA und Japan gibt es statt des E1-Tr ¨agers den sog. T1-Tr ¨ager. Er besitzt 24 Zeit- schlitze mit je 8 Bit, wobei das Sprachsignal aber nur mit 7 Bit abgetastet wird. Das achte Bit jedes Zeitschlitzes wird zur Signalisierung verwendet.

Das Mutliplexing erfolgt bei T1 ebenfalls bitweise, allerdings mit unterschiedlichen Mul- tiplexraten: T2 = 4 * T1, T3 = 7 * T2, T4 = 6 * T3.

1.3.2 Telefonstandards ...

SONET (Synchronous Optical Network)

➥ Vorherrschender Standard f ¨ur Fern ¨ubertragung auf Glasfaser

➥ Wichtige Eigenschaft: synchrones Netzwerk

➥ Takte aller Teilnehmer sind genau synchonisiert

➥ Daten kommen beim Empf ¨anger in dem Zeitabstand an, in dem Sender sie geschickt hat

➥ Leitungsvermittelt

➥ Steuer- und Verwaltungsinformation werden in den Datenstrom eingestreut

➥ Hier zwei Aspekte:

➥ Framing

➥ Multiplexing

(29)

1.3.2 Telefonstandards ...

Roland Wism ¨uller

SONET Framing (STS-1: niedrigste Datenrate)

➥ Feste Framegr ¨oße: 810 Byte

➥ Alle 125 µs Ubertragung eines Frames¨

➥ permanent, d.h. ggf. Frames ohne Nutzdaten

➥ damit: 51,84 MBit/s Datenrate

➥ Kein Bit- oder Bytestuffing

➥ Erkennung des Frame-Anfangs durch 2-Byte-Muster

➥ wenn dieses alle 125µs (d.h. alle 810 Bytes) auftaucht, ist Empf ¨anger synchronisiert

➥ Nutzdaten k ¨onnen an beliebiger Stelle des Frames beginnen

➥ STS-1 kann einen E3-Strom aufnehmen

1.3.2 Telefonstandards ...

SONET: Aufbau eines STS-1 Frames

Overhead Leitungs−

Overhead Pfad−

FrameFrame

Nutz−

daten Overhead

Abschnitts−

SONET (125 µs)

...

87 Spalten

9 Zeilen

3 Spalten Overhead

(30)

➥ SONET bezeichnet Frame- bzw. Paketheader als

”Overhead“

➥ Der Abschnittsoverhead ist ein Header, der Daten zwischen jeweils zwei verbun- denen Regeneratoren (Repeatern) austauscht

➥ Der Leitungsoverhead entspricht einem Sicherungsschicht-Header

➥ Der Pfadoverhead entspricht einem Vermittlungsschicht-Header

1.3.2 Telefonstandards ...

SONET: spaltenweises (= byteweises) Multiplexing

Header STS−3c Frame

Header STS−1 Frames

(c: concatenated)

STS−12 STS−3 STS−1

STS−48 STS−192 STS−768

622,08 155,52 51,48 Mb/s

2488,32 9953,28 39813,12

➥ STS-x: elektrische, OC-x optische ¨Ubertragung

(31)

1.4 Protokolle f ¨ur Punkt-zu-Punkt-Verbindungen

Roland Wism ¨uller

1.4.1 HDLC: High Level Data-Link Control

➥ Weit verbreitetes Schicht-2-Protokoll (ISO/IEC 13239:2002)

➥ viele Variationen/Ableger: z.B. LAP (Teil von X.25)

➥ Eigenschaften:

➥ bitorientert, Framing mit Bitstuffing

➥ zuverl ässige Übertragung ( Übertragungsfehler, Reihenfolge)

➥ Sliding-Window-Algorithmus mit Fenstergr ¨oße 7

➥ akkumulative und negative ACKs

➥ Flußkontrolle

➥ Drei verschiedene Frame-Typen:

➥ I-Frame: zur Daten ¨ubertragung, mit Sequenznummer

➥ S-Frame: Steuerung des Datenflusses

➥ U-Frame: Steuer- und Datenframes ohne Sequenznummer

1.4.1 HDLC:

High Level Data-Link Control

...

Frame-Format

01111110 Adresse Steuerung Nutzdaten (CRC−16) 01111110

Flag Prüfsumme Flag

Bits 8 8 8 var. 16 8

➥ Adresse zur Unterst ¨utzug von Punkt-zu-Multipunkt-Verbindungen

➥ Steuerung: enth ¨alt je nach Frame-Typ

➥ Sequenz-Nummer des Frames

➥ Sequenz-Nummer f ¨ur (negative) Best ¨atigung

➥ Kommando

➥ Der Datenteil kann beliebig lang sein

➥ Erweiterung (Cisco):

(32)

1.4 Protokolle f ¨ur Punkt-zu-Punkt-Verbindungen ...

Roland Wism ¨uller

1.4.2 PPP: Punkt-zu-Punkt Protokoll

➥ Protokoll der Sicherungsschicht im Internet

➥ f ¨ur Punkt-zu-Punkt-Verbindungen

➥ z.B. Modemverbindung, Standleitung

➥ oft auch PPP ¨uber Ethernet (PPPoE)

➥ Anforderungen / Aufgaben:

➥ Unterst ¨utzung verschiedener Leitungsarten

➥ seriell, parallel, synchron, asynchron, ...

➥ Framing und Fehlererkennung

➥ Unterst ¨utzung verschiedener Vermittlungsschicht-Protokolle

➥ Aushandeln von Adressen der Vermittlungsschicht

➥ Authentifizierung

➥ Nicht: Fehlerbehandlung, Reihenfolgeerhaltung, Flußkontrolle

1.4.2 PPP: Punkt-zu-Punkt Protokoll ...

PPP Frame-Format

01111110

Adresse 11111111

Steuerung

00000011 Protokoll Nutzdaten Prüfsumme

Flag Flag

01111110 1

Bytes 1 1 1 oder 2 var. 2 oder 4 1

➥ Basis: HDLC Frame-Format

➥ Eindeutige Framekennzeichnung durch Byte-Stuffing

➥ Adresse und Steuerung ungenutzt / f ¨ur Erweiterungen

➥ Protokoll zum Demultiplexen empfangener Frames

➥ an h ¨ohere Protokolle, z.B. IP, AppleTalk, DECnet, ...

➥ an Teilprotokolle von PPP, z.B. LCP, NCP

➥ Max. L ¨ange des Datenteils kann bei Verbindungsaufbau ausgehandelt werden (Default: 1500 Bytes)

➥ Pr ¨ufsumme: CRC, L ¨ange wird ausgehandelt

(33)

Genaugenommen kann PPP mitByte-Stuffing oder mitBit-Stuffing arbeiten. Welches Verfahren verwendet wird, h ängt von der Übertragung auf Schicht 1 ab. Bei synchroner Ubertragung wird¨ Bit-Stuffing verwendet, bei asynchroner Übertragung (z.B. RS-232) wirdByte-Stuffing verwendet, da die Übertragung hier wortweise passiert.

1.4.2 PPP: Punkt-zu-Punkt Protokoll ...

LCP Link Control Protocol

➥ F ¨ur Initialisierung,

”Wartung“ und Abschalten der Leitung

➥ Verbindungsaufbau:

➥ Aushandeln der Leitungsoptionen

➥ Initiator schl ¨agt vor (configure request)

➥ Partner nimmt an (ack) oder lehnt ab (nak, reject)

➥ ggf. Authentifizierung

➥ danach: Konfiguration der Vermittlungsschicht durch NCP

➥ Weitere spezielle LCP Frames f ¨ur

➥ Pr ¨ufen der Verbindung (echo request / reply)

➥ Trennen der Verbindung (terminate request / ack)

(34)

Zum Aushandlungsprotokoll f ¨ur Leitungsoptionen:

➥ Einereject-Antwort bedeutet, daß der Partner die Option an sich nicht versteht oder ablehnt. Das Antwortpaket enth ¨alt dabei die betreffende Option.

➥ Einenak-Antwort bedeutet, daß der Partner die Option prinzipiell versteht und akzeptiert, nicht aber den vorgeschlagenen Wert dieser Option. Im Antwortpaket sendet er seinen Vorschlag f ¨ur den Wert zur ¨uck.

1.4.2 PPP: Punkt-zu-Punkt Protokoll ...

Authentifizierung

➥ Optional, Aushandlung bei Verbindungsaufbau

➥ einseitige und wechselseitige Authentifizierung m ¨oglich

➥ PAP (Password Authentication Protocol)

➥ einmalige ¨Ubertragung von Nutzername und Passwort

➥ im Klartext!

➥ CHAP (Challenge Handshake Authentication Protocol)

➥ 3-Wege Handshake: Challenge, Response, (N)ACK

➥ Response ist Hashwert ¨uber Passwort und Challenge

➥ Authentifizierung kann jederzeit wiederholt werden

➥ Keine Verschl ¨usselung bzw. Authentifizierung der Daten!

(35)

Die Authentifizierung mit PAP und CHAP ist jeweils nur einseitig, allerdings kann die Authentifizierung in beiden Richtungen ausgehandelt werden, womit sich eine wechselseitige Authentifizierung ergibt.

1.4.2 PPP: Punkt-zu-Punkt Protokoll ...

NCP Network Control Protocol

➥ Familie von Protokollen

➥ spezifisch f ¨ur jeweiliges Vermittlungsschicht-Protokoll

➥ NCP erst nach Verbindungsaufbau mit LCP verwendbar

➥ spezielles NCP f ¨ur IP: IPCP (IP Control Protocol)

➥ Ausgehandelt werden k ¨onnen u.a.:

➥ IP-Adresse

➥ DNS-Server

➥ TCP/IP-Header-Kompression

➥ Nach Konfiguration mit NCP: PPP durch Vermittlungsschicht- Protokoll nutzbar

(36)

1.5 Protokolle f ¨ur paketvermittelte WANs

Roland Wism ¨uller

1.5.1 Frame Relay

➥ Paketvermittelte ¨Ubertragungstechnik f ¨ur virtuelle Verbindungen

➥ Von vielen Netzanbietern als Alternative zu Standleitungen angeboten

➥ Basiert auf dem älteren X.25-Protokoll, urspr ünglich f ür ISDN entwickelt

➥ Eigenschaften:

➥ unzuverl ¨assig, keine Flußkontrolle, einfache ¨Uberlastkontrolle

➥ Switched und Permanent Virtual Circuits (SVC, PVC)

➥ nur lokal g ¨ultige Verbindungs-Identifikatoren

➥ DLCI: Data Link Connection Id

1.5.1

Frame Relay

...

Virtuelle Verbindungen

DLCI 431 DLCI 134 DLCI 123

DLCI 234

DLCI 342 DLCI 541

Frame Relay Netz

(37)

1.5 Protokolle f ¨ur paketvermittelte WANs ...

Roland Wism ¨uller

1.5.2 ATM, Asynchronous Transfer Mode

➥ Entwickelt Anfang der 90’er Jahre

➥ Ziel: Eignung f ¨ur alle Arten digitaler Kommunikation (Telefonie, Video, Computernetze, ...)

➥ Verbindungsorientiert und paketvermittelt

➥ Aufbau virtueller Verbindungen

➥ Zellen (=ˆ Frames) fester L ¨ange

➥ 53 Byte: 5 Byte Header, 48 Byte Nutzdaten

➥ einfaches Forwarding in Hardware

➥ Quality-of-Service Garantien vereinfacht

➥ Leitung durch Zelle nur kurz belegt

1.5.2 ATM,

Asynchronous Transfer Mode

...

Zellenformat

4 8 16 3 1 8 384 (48 Byte)

Bits

GFC VPI VCI Type CLP HEC (CRC−8) Nutzdaten

➥ GFC: Generic Flow Control (meist ungenutzt)

➥ VPI: Virtual Path Identifier, VCI: Virtual Circuit Identifier

➥ hierarchischer Bezeichner f ¨ur virtuelle Verbindung

➥ Type: Steuer-/Benutzerdaten; bei Benutzerdaten:

je ein Bit f ¨ur ¨Uberlastkontrolle und Signalisierung

➥ CLP: Cell Loss Priority im ¨Uberlastfall

➥ HEC: Header Error Check: CRC-8 des Headers

(38)

1.5.2 ATM,

...

Roland Wism ¨uller

VPI und VCI

➥ VPI zum Aufbau einer

”Leitung“ durch das ¨offentliche Netz

➥ Innerhalb dieser Leitung werden durch VCI mehrere Verbindungen gemultiplext

➥ VCI zur Identifikation innerhalb der lokalen Netze

VPI VCI VCI

Netzwerk B Öffentliches Netzwerk

Netzwerk A

➥ Vgl. hierarchischer Aufbau von IP-Adressen

1.5.2 ATM,

...

AAL: ATM Adaptionsschicht

➥ Schicht zur Anpassung von ATM an andere Dienste

➥ mehrere Typen, je nach Anforderungen

➥ AAL 1: verbindungsorientiert, konstante Bitrate

➥ z.B. unkomprimierte Sprache

➥ AAL 2: verbindungsorientiert, variable Bitrate, zeitsynchron

➥ z.B. komprimiertes Audio / Video

➥ AAL 3/4: paketorientiert, variable Bitrate, keine Echtzeit

➥ Hauptaufgabe: Pakete in Zellen zerlegen und zusammenbauen

➥ z.B. f ¨ur X.25, IP

➥ AAL 5: wie AAL 3/4, aber mit weniger Overhead

(39)

1.6 ADSL

Roland Wism ¨uller

➥ Ziel: Internet-Zugang ¨uber Telefon-Teilnehmeranschlußleitung

➥ Maximale ¨Ubertragungsrate abh ¨angig von der Entfernung zur Teilnehmervermittlung:

0 20 30 40 50

10

0 1000 2000 3000 4000 5000 Meter

Mbit/s

Kabel: Kategie 3 UTP

1.6 ADSL ...

Ubertragungstechnik: DMT (Discrete MultiTone)¨

➥ Einteilung in 256 Frequenzkan ¨ale, je 4 kHz breit:

0 Sprache

25

Upstream Downstream

255 6

0

Leistung

1104kHz

➥ Aufteilung in Up- und Downstream flexibel

➥ meist 80-90% f ¨ur Empfangskanal

➥ Auf jedem Kanal: QAM (4000 Baud, max. 15 Bit pro Zeichen)

(40)

➥ Der Abstand der Kan ¨ale betr ¨agt 4,3125 kHz

➥ In Deutschland ist der Frequenzbereich bis 138 kHz f ür Telefonie reserviert, um ein einheitliches ADSL-Schema f ür Analog und ISDN-Anschl üsse zu haben

➥ Beim Verbindungsaufbau werden die Kan ¨ale ausgemessen

➥ auf jedem Kanal wird ein dem Signal/Rauschabstand angepaßtes QAM- Verfahren eingesetzt

➥ gest ¨orte Kan ¨ale werden ausgeblendet

➥ S-DSL arbeitet anders:

➥ symmetrische Aufteilung in up-und downstream

➥ der gesamte Frequenzbereich ab 0 Hz wird f ¨ur DSL genutzt, ein Telefon kann also nicht mehr angeschlossen werden

➥ als Modulation wird nicht DMT verwendet, sondern CAM (Carrierless Amplitu- de Phase Modulation) oder TC-PAM (Trellis Coded Pulse Amplitude Modulati- on)

➥ ADSL2 nutzt bessere Signalverarbeitung und Codierung zur Erh ¨ohung der Daten- raten (max. 12 Mb/s downstream und 3.5 Mb/s upstream)

➥ Bei ADSL2+ ist der Frequenzbereich verdoppelt (bis 2208 kHz). Zus ¨atzlich erlaubt ADSL2+ auch die Anpassung der Datenrate bei bestehender Verbindung.

1.7 Zusammenfassung / Wiederholung

➥ Fourier-Analyse

➥ jedes Signal kann in Summe von Sinusschwingungen zerlegt werden

➥ Nyquist-Theorem

➥ Signal mit Bandbreite H: max. 2 · H Abtastungen / s

➥ Shannon’sches Theorem

➥ Leitung mit Bandbreite H und Rauschabstand S/N: max. Daten ¨ubertragungsrate H · log2(1 + S/N)

➥ bit/s versus Baud

(41)

1.7 Zusammenfassung / Wiederholung ...

Roland Wism ¨uller

➥ Modems

➥ bis 33.600 bit/s: QAM

➥ Modulation von Phase und Amplitude, bis 14 Bit pro Abtastung

➥ 56 kbit/s: asymmetrische ¨Ubertragung

➥ downstream: 8000 Abtastungen mit 7+1 Bit

➥ Provider digital ans Telefonnetz angeschlossen

➥ Telefonnetz (T1/E1, SONET)

➥ synchrone Netze (garantierte, konstante Datenrate)

➥ bit- bzw. byteweises Multiplexing

➥ mehrere Datenstr ¨ome ¨uber ein Kabel

➥ taktbasiertes Framing (kein Bit-/Bytestuffing)

1.7 Zusammenfassung / Wiederholung ...

➥ PPP: Sicherungsschicht-Protokoll im Internet

➥ unzuverl ¨assig, keine Flußkontrolle

➥ optionale Authentifizierung (PAP, CHAP)

➥ Aushandlung von Parametern f ¨ur Vermittlungsschicht

➥ Frame Relay

➥ virtuelle Verbindungen

➥ ATM

➥ Zellenvermittlung, virtuelle Verbindungen

➥ ADSL: 256 Kan ¨ale ´a 4 kHz, jeweils mit QAM

(42)

Roland Wism ¨uller

Rechnernetze II

SoSe 2021

2 Schnelles Ethernet

2 Schnelles Ethernet ...

Inhalt

➥ 100 Mb/s

➥ 1 Gb/s

➥ 10 Gb/s

➥ Tanenbaum, Kap. 4.3.7-4.3.8

➥ Kurose, Ross, Kap. 5.5

(43)

2 Schnelles Ethernet ...

Roland Wism ¨uller

Zur Erinnerung: Klassisches Ethernet (IEEE 802.3)

➥ Gemeinsam genutztes Medium mit CSMA/CD

➥ (logische) Bus-Topologie

➥ maximale Leitungs- und minimale Paketl ¨ange wegen Kollisionserkennung

➥ Leitungscodierung: Manchester-Code

➥ erfordert 10 MHz Bandbreite f ¨ur 10 Mb/s

➥ Varianten (Kabeltypen):

➥ 10Base5, 10Base2: Koaxialkabel als gemeinsamer Bus

➥ 10BaseT: UTP Kat. 3 Kabel (Telefonleitung, max. 16 MHz)

➥ nur in Verbindung mit Hubs / Switches

➥ 2 Adernpaare f ¨ur Duplex-Betrieb, max. 100 m L ¨ange

Die Kabelkategorien von Twisted-Pair-Kabeln geben i.W. die Grenzfrequenz der jeweili- gen Kabel an:

➥ Kat. 3: 16 MHz

➥ Kat. 5: 100 MHz

➥ Kat. 6: 250 MHz

➥ Kat. 6a: 500 MHz

➥ Kat. 7: 600 MHz

➥ Kat. 7a: 1000 MHz

➥ Kat. 8: 2000 MHz

(44)

2.1 Neuere Ethernet-Standards

Roland Wism ¨uller

100 MBit/s Ethernet (IEEE 802.3u)

➥ Ziel: keine wesentlichen ¨Anderungen am Standard

➥ Kompatibilit ¨at zu existierender Soft- und Hardware (Kabel)

➥ Rahmenformat, Schnittstellen (LLC) etc. unver ¨andert

➥ Bitzeit auf 10 ns verk ¨urzt

➥ Busverkabelung nicht mehr unterst ¨utzt

➥ max. Kabell ¨ange zu gering

➥ Sternverkabelung hat sich schon bei 10 Mb/s durchgesetzt

➥ Verbindung nur ¨uber Hubs und/oder Switches

➥ Viele Varianten f ¨ur verschiedene Kabelarten

2.1 Neuere Ethernet-Standards ...

100BASE-T4

➥ Kann mit UTP Kat. 3 Kabeln arbeiten (Telefonkabel, max. 100m)

➥ Maßnahmen zur Erh ¨ohung der ¨Ubertragungsrate:

➥ andere Leitungscodierung: 8B6T statt Manchester

➥ 8 Bits werden auf 6 Trits (tern ¨are Zeichen) abgebildet

➥ Ubertragung mit 3 Spannungspegeln¨

➥ Verwendung aller 4 Adernpaare

➥ 1 Paar zum Hub, 1 vom Hub, 2 umschaltbar

➥ Somit: max. 3 Adernpaare f ¨ur eine Richtung

➥ 3 Trits (=ˆ 4 Bits) pro Abtastung, 100 Mb/s bei 25 MBaud

➥ Zus ätzlich 33 Mb/s R ückkanal (f ür Kollisionserkennung)

(45)

2.1 Neuere Ethernet-Standards ...

Roland Wism ¨uller

100BASE-T2

➥ 100BASE-T4 belegt alle Adernpaare

➥ Nachteil bei Nutzung vorhandener Telefonkabel

➥ Daher: 100BASE-T2 (IEEE 802.3xy) sp ¨ater erg ¨anzt

➥ Kommt mit 2 Paaren eines UTP Kat. 3 Kabels aus

➥ PAM 5x5 Codierung:

➥ 4 Bit werden in zwei f ¨unfwertige Signale codiert

➥ Ubertragung mit 5 Spannungspegeln auf jeder Leitung¨

➥ ergibt 100 Mb/s bei 25 MBaud (halb- und vollduplex)

➥ im Vollduplex-Modus: Echokompensation (echo cancellation)

➥ 100BASE-T2 hat sich (wie 100BASE-T4) nicht durchgesetzt

Im Vollduplex-Modus legen beide Stationen gleichzeitig ihr Signal auf dasselbe Kabel.

Jede Station sieht daher auf dem Kabel die ¨Uberlagerung (d.h. Summe) des eigenen und des empfangenen Signals. Da das eigene Signal aber bekannt ist, kann es vom Summensignal wieder subtrahiert werden. Dieses Verfahren heißt Echokompensation (echo cancellation).

(46)

2.1 Neuere Ethernet-Standards ...

Roland Wism ¨uller

100BASE-TX

➥ Ben ¨otigt UTP Kat. 5 Kabel (100 MHz, max. 100 m)

➥ je ein Adernpaar pro Richtung (vollduplex)

➥ 4B5B Leitungscodierung statt Manchester

➥ ergibt 125 MHz Abtastrate (125 MBaud)

100BASE-FX

➥ Arbeitet mit Multimode-Glasfaser, max. 2 km

➥ Sonst wie 100BASE-TX

2.1 Neuere Ethernet-Standards ...

100 Mb/s Ethernet: Besonderheiten und Gemeinsamkeiten

➥ Verwendung

”ung ¨ultiger“ Leitungscodes f ¨ur Steuerzwecke

➥ u.a. Markierung der Frame-Grenzen

➥ Maximale Netzgr ¨oße bei Verwendung von Hubs nur ca. 200 m

➥ auch bei 100BASE-FX nur max. 272 m (Kollisionen!)

➥ Autonegotiation

➥ Geschwindigkeit (10 Mb/s, 100 Mb/s) und Duplexmodus k ¨onnen ausgehandelt werden (Bit ¨ubertragungsschicht)

➥ Ethernet-Karten senden im Leerlauf Link Pulses zur Pr ¨ufung der Leitung

➥ Konfigurierungsinformation wird in diese Pulse eincodiert

(47)

Beim klassischen (10 Mb/s) Ethernet wird alle 16ms ein Puls von 100nsL änge auf die Leitung gegeben, falls keine Übertragung stattfindet (Normal Link Pulse). Dadurch k önnen die Netzwerkkarten erkennen, ob ein Kabel angeschlossen ist, an dessen anderem Ende sich auch eine Ethernetkarte befindet.

Bei den schnelleren Ethernet-Standards ersetzt man diesen Link-Puls duch ein 2ms langes B ¨undel von 17-33 Pulsen (Fast Link Pulses). Die 17

”ungeraden“ Pulse stellen ein Taktsignal dar; jeweils in der Mitte zwischen ihnen kann ein weiterer Puls liegen (entspricht einem 1-Bit) oder nicht (entspricht einem 0-Bit). Somit kann ein 16-Bit Wort

¨ubertragen werden, das u.a. die Geschwindigkeit der Netzwerkkarte und die Betriebs- art (voll- oder halbduplex) der sendenden Netzwerkkarte spezifiziert.

Wenn eine Fast-Ethernet-Karte mit einer 10Mb/s-Karte verbunden wird, erkennt die 10Mb/s-Karte zun ächst einen Link-Fehler (da dieFast Link Pulses nicht der urspr üngli- chen Spezifikation der Link-Pulse entsprechen). Die Fast-Ethernet-Karte erkannt aber anhand derNormal Link Pulses, daß das Gegen über eine alte Karte ist und schaltet dann auf 10Mb/s-Betrieb (und normale Link-Pulse) um.

2.1 Neuere Ethernet-Standards ...

1 Gb/s Ethernet (IEEE 802.3z)

➥ Ziel: Kompatibilit ¨at mit vorhandenen Standards

➥ Zwei Betriebsmodi f ¨ur Netze mit Switches bzw. Hubs

➥ Vollduplex-Betrieb mit Switches

➥ kein CSMA/CD n ¨otig, da keine Kollisionen

➥ Kabell änge nur durch Signalqualit ät beschr änkt

➥ Halbduplex-Betrieb mit Hubs

➥ Problem: Behandlung von Kollisionen

➥ 64 Byte min. Framel ¨ange ⇒ max. Netzgr ¨oße 25 m!?

➥ L ¨osung: Hardware stellt Framel ¨ange ≥ 512 Byte sicher

➥ Carrier Extension: Auff ¨ullen des Frames

Frame Bursting: Zusammenfassen mehrerer Frames

(48)

2.1 Neuere Ethernet-Standards ...

Roland Wism ¨uller

1 Gb/s Ethernet: Varianten

➥ Glasfaser:

➥ 1000BASE-SX: Multimode-Faser, 550 m

➥ 1000BASE-LX: Mono- oder Multimode-Faser, max. 5000 m

➥ 8B10B Codierung: jedes Byte wird mit 10 Bit codiert

➥ max. 4 gleiche Bits nacheinander (Taktsynchronisation)

➥ max. 6 Einsen / Nullen pro Wort (Gleichstromanteil)

➥ 1000BASE-CX: geschirmtes Twisted-Pair Kabel (STP), 25 m

➥ 1000BASE-T: UTP Kat. 5, 100 m

➥ alle 4 Adernpaare genutzt

➥ 2 Bit pro Zeichen (PAM 5, 5 Spannungspegel), 125 MBaud

➥ Echokompensation f ¨ur Vollduplex-Betrieb

➥ keine Leitungscodierung (⇒ komplexe Taktsynchronisation)

Die Taktsynchronisation basiert darauf, daß nur eine der beiden Stationen (Master) einen freilaufenden Sendetakt benutzt, w ährend die andere (Slave) mit dem r ückge- wonnenen Empfangstakt senden muß. Der Master erh ält dadurch Information über die relative Phasenlage der beiden Takte, was eine Synchronisation erm öglicht.

(49)

2.1 Neuere Ethernet-Standards ...

Roland Wism ¨uller

10 Gb/s Ethernet (IEEE 802.3ae, ak, an, ap, aq)

➥ Nur noch Vollduplex-Betrieb mit Switches

➥ Sehr viele Varianten:

➥ Glasfaser: 10GBASE-SR, 10GBASE-LR, 10GBASE-LRM, ...

➥ SONET-Interoperabilit ¨at (OC-192): 10GBASE-SW, ...

➥ Backplane (z.B. Blade-Server): 10GBASE-KX4, 10GBASE-KR

➥ 10GBASE-T: UTP Kat. 6a, 100m (mit Kat. 6: 50m)

➥ Kat. 6a Kabel: bis 500 MHz

➥ alle 4 Adernpaare genutzt

➥ PAM16-Modulation mit 16 Spannungspegeln

➥ 3 Bit pro Zeichen (1 Bit Redundanz), 833 MBaud/s

➥ Echokompensation, keine Leitungscodierung

2.1 Neuere Ethernet-Standards ...

Flußkontrolle

➥ Wegen hoher Datenrate: neue Ethernet-Standards unterst ¨utzen einfache Flußkontrolle

➥ Empf ¨anger sendet PAUSE-Frame an Sender

➥ gekennzeichnet durch speziellen Typ / Zieladresse

➥ 16-Bit Parameter gibt L ¨ange der Pause an (in Einheiten von 512 Bitzeiten)

➥ Sender stellt f ¨ur diese Zeit die ¨Ubertragung ein

➥ M ¨oglich nur im Vollduplex-Modus