Fallstudie Ethernet
IEEE 802.3 MAC
• 1‐persistent CSMA/CD mit Binary‐Exponential‐Backoff
IEEE 802.3 MAC
• 1‐persistent CSMA/CD mit Binary‐Exponential‐Backoff
Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Seventh Edition, 2004
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
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
Signalisierung Manchester 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. 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 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)
Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Seventh Edition, 2004
Vermeiden von langen Symbolfolgen ohne Änderung wird mittels Scrambling
erreicht (siehe folgende Folie).
Ergänzung: Scrambling
Scrambling am Beispiel: die Eingabe‐Bits A m werden wie folgt in Ausgabe‐Bits B m berechnet:
B m = A m B m‐3 B m‐5
Die ursprüngliche Sequenz bestimmt man wiederum durch:
C m = B m B m‐3 B m‐5 In der Tat:
Beispiel:
101010100000111 wird zu 101110001101001
Ergänzung: Scrambling
Scrambling am Beispiel: die Eingabe‐Bits A m werden wie folgt in Ausgabe‐Bits B m berechnet:
B m = A m B m‐3 B m‐5
Die ursprüngliche Sequenz bestimmt man wiederum durch:
C m = B m B m‐3 B m‐5
In der Tat:
C m = A m B m‐3 B m‐5 B m‐3 B m‐5 C m = A m
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 erforderte Modifikation – Frame‐Tagging
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
Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Seventh Edition, 2004
(Extended‐Service‐Set (ESS) stellt sich dem LLC als
ein einziges logisches LAN dar)
802.11 Services
802.11‐MAC
Zugriffsmethoden: Data‐ACK‐Zyklus oder optional RTS‐CTS‐Data‐ACK
CSMA
(kein CD, da dies bei drahtloser Kommunikation nicht realisierbar ist)Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Seventh Edition, 2004
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
Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Seventh Edition, 2004
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 802.11n
Peak‐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 5GHz
Kanalbandbreite 20MHz 20MHz 20MHz 20MHz oder 40MHz
Anzahl 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 802.11n
Peak‐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 5GHz
Kanalbandbreite 20MHz 20MHz 20MHz 20MHz oder 40MHz
Anzahl Streams 1 1 1 1,2,3 oder 4
Was bedeutet MIMO?
Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Ninth Edition, 2004
