• Repeater und Bridges

(1)

Grundlagen der Rechnernetze

Lokale Netze

(2)

Übersicht

• Protokollarchitektur

• Repeater und Bridges

• Hubs und Switches

• Virtual LANs

• Fallstudie Ethernet

• Fallstudie Wireless LAN

(3)

Protokollarchitektur

(4)

IEEE 802 Referenzmodell

Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Seventh Edition, 2004

(5)

LLC‐PDU und MAC‐Frame

(6)

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‐Acknowledges – (Kreuzung aus den beiden vorigen)

MAC

• Wer kontrolliert den Medienzugriff?

– Zentralisiert – Verteilt

• Wie kontrolliert man den Medienzugriff (in LANs nur asynchron)

– Round‐Robin

– Reservation

– Contention

(7)

Repeater und MAC‐Bridges

(8)

Repeater: Erweitern des Mediums

Übertragungswiederholung auf der physikalischen Schicht

Repeater

(9)

Nachteile

• Zuverlässigkeit

• Performance

• Sicherheit

• Geographie

LAN 1

LAN 2

LAN 3

LAN n

Repeater 1

Repeater 2

Repeater n‐1

(10)

MAC‐Bridge: Verbinden von LANs

Mit identischer physikalischer und Verbindungs‐Schicht!

(11)

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

(12)

Komplexere Netze mittels Bridges

(13)

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

(14)

Repeater und MAC‐Bridges

Spanning‐Tree‐Algorithmus

(15)

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)

(16)

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)

(17)

Loop‐Problem

(18)

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)

(19)

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.

(20)

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

(21)

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

(22)

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

(23)

Repeater und MAC‐Bridges

Verteilte Realisierung des Spanning‐Tree‐Algorithmus

(24)

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?

(25)

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?

(26)

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

(27)

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.

(28)

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.

(29)

Hubs und Switches

(30)

Hubs

Zusammenfassen von Stationen und anderen Hubs in eine große Kollisionsdomäne

(31)

(Layer 2)‐Switches

Mit Hubs erreichbare Gesamtkapazität im Netz?

Switches schalten kommunizierende Endknoten zusammen. Erreichbare Gesamtkapazität?

(32)

Typen von (Layer 2)‐Switches

• Switches mit Bridge‐

Funktionalität

• Store‐and‐Forward

• Cut‐Through

(33)

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

(34)

Virtual LANs (VLANs)

(35)

Motivation: Aufteilen der Broadcast‐Domain

Skalierbarkeit Sicherheitsaspekt (Eindämmen von Broadcast‐Storms)

Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Ninth Edition, 2011

(36)

Lösung: Einfügen eines Routers

Nachteil: Aufteilung durch physikalische Knotenverteilung vorgegeben. Was wenn z.B. X und Z in eine Broadcast‐

Domäne gehören

sollen?

(37)

Verwendung von virtuellen LANs

Besser: logische Aufteilung in virtuelle LANs.

Erfordert aber auch IP‐

Routing‐Logik:

• entweder mit separaten Routern realisiert oder

• mit LAN‐Switches

(Layer3‐Switch)

(38)

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)

(39)

Fallstudie Ethernet

(40)

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

(41)

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

(42)

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)

(43)

Ergänzung: MLT‐3

(ein Beispiel für ein ternäres Encoding)

Vermeiden von langen Symbolfolgen ohne Änderung wird mittels Scrambling

erreicht (siehe folgende Folie).

(44)

Ergänzung: Scrambling

Scrambling am Beispiel: die Eingabe‐Bits A _m werden wie folgt in Ausgabe‐Bits B _m berechnet:

Die ursprüngliche Sequenz bestimmt man wiederum durch:

Beispiel:

101010100000111 wird zu 101110001101001

(45)

IEEE 802.3 Physical‐Layer

• Gigabit‐Ethernet: 1Gbps‐Verbindungen

• Beispielkonfiguration:

(46)

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:

Signaling:

8B/10B

Signaling:

4D‐PAM5 Signaling:

8B/10B

(47)

IEEE 802.3 Physical‐Layer

• 10‐Gigabit‐Ethernet Optionen

Signaling: 64B/66B

(48)

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)

(49)

VLAN erforderte Modifikation – Frame‐Tagging

(50)

Fallstudie Wireless LAN

(51)

Wireless LAN Typen

Infrastructure Wireless LAN

Ad Hoc LAN

Single‐Cell Multiple‐Cell

Single‐Hop Multi‐Hop

(52)

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.:

• Abgestrahlte Leistung

• Modulation etc.

(53)

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 uns 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)

(54)

802.11‐Architektur

(Extended‐Service‐Set (ESS) stellt sich dem LLC als

ein einziges logisches LAN dar)

(55)

802.11‐MAC

Zugriffsmethoden: Data‐ACK‐Zyklus oder optional RTS‐CTS‐Data‐ACK

CSMA

(kein CD, da dies bei drahtloser Kommunikation nicht realisierbar ist)

P

(56)

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

(57)

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

(58)

Polling‐Beispiel

(59)

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

(60)

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

(61)

Was bedeutet MIMO?

(62)

Schlussbemerkung: Distanz versus Datenrate

(63)

Zusammenfassung und Literatur

(64)

Zusammenfassung

• Skalierbarkeit in LANs

– Kollisionsdomäne klein halten

– Idealerweise automatische Konfiguration von Netzknoten (z.B. Learning‐Bridges)

– Umgang mit Dynamik

• Bedarf für drahtlose LANs

• Angestrebte Transparenz

• Striktes Layering kann aber nicht immer

eingehalten werden (Beispiel: VLANs und

Inspektion von IP‐Paketen)

(65)

Literatur

• William Stallings, „Data and Computer Communications“, Ninth Edition, 2011

– 15.2 LAN Protocol Architecture – 15.3 Bridges

– 15.4 Hubs and Switches – 15.5 Virtual LANs

– 16 Ethernet

– 17 Wireless LANs

• Larry L. Peterson and Bruce S. Davie, „Computer Networks: A Systems Approach“, 2007

– 3.2.2 Spanning Tree Algorithm