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RVS (Fach) / RvS5 (Lektion)

RvS5

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  • Aufgabe der Schicht 2 Frames und Verbindungsverwaltung Zugriffskontrolle (vor allem bei Bus-Medien) Zuverlässige Übertragung Verluste, Verfälschung, (Phantome, Duplikate, Vertauschung) Fehlererkennung, Fehlerkorrektur Flusskontrolle Betriebsarten Halbduplex/Vollduplex/Simplex Leitungsarten Zweipunkt-/Sammelleitung
  • NIC - Netzinterface-Controller (Netzadapter) vergleichbar mit einem Gerätekontroller kontrolliert den Endpunkt eines Mediums ist für das lokale Betriebssystem das "Gerät" enthält üblicherweise die Schichten 1 und 2  
  • Verfälschungserkennung Prinzip Bilde Daten auf Erweiterte-Daten ab, so dass Redundanz entsteht Nutze Redundanz, um mit ausreichender Zuverlässigkeit aufgetretene Verfälschungen zu erkennen Verfahren Internet-Checksum Parity CRC-Prüfsumme Hamming-Codes
  • Parity-Prüfung/Bitparitätsprüfung Single Bit Parity Erkennung von 1-Bit-Fehlern Two Dimensional Bit Parity Erkennen und korrigieren von 1-Bit-Fehlern  
  • Cycle Redundancy Check (CRC) Datenpaket D wird als Binärzahl gesehen Eine (r+1) Bit lange Binärzahl liegt als Generatorzahl G fest Ziel: Berechne r Bit lange Prüfsequenz R, so dass E = <D,R> ist ganzzahlig teilbar durch G; R = (2^r*D)/G Der Empfänger empfäng E', er kennt G und prüft, ob E' ganzzahlig durch G teilbar ist, falls ja: Mit hoher Wahrscheinlichkeit unverfälscht Fall nein: Verfälschung E <> E' Verfahren erkennt alle Bündelfehler mit weniger als (r+1) Bit Länge p (Erkenne Bündelfehler mit Länge q > r) = 1 - (1/2)^r Weitverbreitetes Verfahren: ATM, HDLC, Ethernet-LLC,... Berechnung in Modulo 2 - Arithmetik: Addition und Subtraktion entsprechen bitweisem XOR, keine Überträge Kann auch als Rechnen mit binären Polynomen betrachtet werden  Standard-Generatorpolynome ISO CRC-12: 1 1000 0000 1111 ISO CRC-16: 1 1000 0000 0000 0011 CRC-CCITT: 1 0001 0000 0010 0001 alle enthalten (x+1) als Faktor: ungerade Anzahl von Fehlern wird erkannt alle Einzel- und Doppelfehler werden erkannt für CRC-16 und CRC-CCITT werden Bursts bis Länge 16 erkannt für Länge 17 und mehr liegt die Wahrscheinlichkeit über 99,997%
  • MAC Media Access Control Drei Arten von Leitungen: 2-Punkt-Leitungen (Point-to-Point-Links) geschaltete Leitungen (Switched Links) Sammelleitungen/Busse/Mehrfachzugriffsmedien Problem: Durcheinander-Reden Im selben Zeitintervall soll höchstens eine Station senden -> Zugriffskontrolle Lösung Sammelkanal könnte R Bit pro Sekunde übertragen Ideale Lösung Wenn nur 1 Knoten senden möchte, soll er dies mit voller Rate R tunkönnen.Wenn m Knoten senden möchten, sollen sie sich dieÜbetragungskapazität teilen und jeder soll mit einer Durchschnittsratevon R/m senden (Fairness und Kanal-Ausnutzung).Lösung soll völlig dezentral seinKein spezieller Verwalter, keine besonderenSynchronisationsverfahren (z.B. Verteilertakt)Lösung soll einfach und leicht zu implementieren sein
  • MAC - Verfahrensgrundtypen Statische Kanalaufteilung Spalte Kanal in kleinere Portionen auf Zeitschlitze (Time Division Multiple Access TDMA) Frequenzbänder (Frequency Division Multiple Access FDMA) Ordne Portionen fest und exklusiv einzelnen Sendern zu Bedarfsgesteuerte dynamische Kanalaufteilung Zentrale Zuteilung Dezentrale Zuteilung Dezentrale zufällige Konkurrenz Jeder, der senden möchte probiert es: Es gibt Kollisionen Kollisionsauflösung Dezentrale Rechtevergabe kursierendes Token
  • MAC - Statische Zuteilung per TDMA TDMA - time division multiple access Kanalzugriff in Runden. Jede Station bekommt Slot fester Länge (Länge in Paket pro Zeit) in jeder Runde. Unbenutzte Slots bleiben leer.  
  • MAC - Statische Zuteilung per FDMA FDMA - frequency division multiple access Spektrum des Kanals wird in Frequenzbänder geteilt. Jeder Station wird ein festes Frequenzband zugeordnet. Kapazität in Frequenzbändern, die zu nicht sendewilligen Stationen gehören bleibt ungenutzt.  
  • MAC - Neues Verfahren CDMA CDMA - code division multiple access Jeder Station wird ein eigener Code zugewiesen: Coderaum-Aufteilung. Alle Stationen nutzen dasselbe Frequenzspektrum, aber jeder Station ist eine eigene "Chipping Sequenz" zugewiesen, mit der deren Daten codiert werden: Code Signal = <Original Data> x <Chipping Sequence> Orthogonale Chipping Sequenzen erlauben es, dass mehrere Stationen gleichzeitig senden können und die Daten trotzdem decodierbar sind: Einsatzn bei UMTS/3G-Mobilfunk  
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  • MAC - Dezentrale konkurrierende Zuteilung Wenn ein Knoten ein Paket senden will, dann sendet er mit der größtmöglichen Datenrate R ohne vorherige Koordination mit anderen Knoten Zwei oder mehr Knoten wollen senden -> Kollision Random Access MAC Protokolle spezifizieren: Wie Kollisionen erkannt werden Wie mit erkannten Kollisionen umgegangen wird (z.B. durch verzögerte Neuübertragung) Beispiele für Random Access MAC Protokolle: Slotted ALOHA Pure ALOHA CSMA, CSMA/CD, CSMA/CA
  • MAC - Konkurrierende Zuteilung - Pure ALOHA Sende bei Sendewunsch ohne vorherige Abstimmung. Sende ganzes Paket: Es kommt an oder nicht, falls Kollision auftritt. Problem: p(Paket durch Kollision zerstört) deutlich über 0. Paket ist während der ganzen Sendezeit verletzlich: Idee: Slotted ALOHA  
  • MAC - Konkurrierende Zuteilung - Slotted ALOHA Es gibt ein Zeitraster, das Zeit in Intervalle/Slots/Schlitze einteilt. Sende bei Sendewunsch bei Beginn des nächsten Schlitzes. Sende ganzes Paket: Es kommt an oder nicht, falls Kollision auftritt. Paket ist nur noch zu Beginn eines Slots verletzlich.
  • MAC - ALOHA Leistungsfähigkeit Bei beiden Verfahren gibt es Stauverhalten. Einfaches Aloha kann Kanal nur zu maximal 18% ausnutzen. Slotted Aloha verdoppelt die maximale Ausnutzung auf 36%.
  • ALOHA - Weitere Verbesserungen Nicht, wenn Sender sich gegenseitig nicht hören oder wenn lange Signallaufzeiten vorhanden sindAber sonst:– Hören vor dem Senden, ob Kanal frei– Hören, während des Sendens, ob Paketsenden wegen aufgetretener Kollision abgebrochen werden soll– Variable Wartezeit vor dem nächsten Sendeversuch nach einem erfolglosen Versuch– Staukontrolle:Messen der Belastung des KanalsDrosseln durch exponentiell längere Wartezeiten vor dem nächsten VersuchFührt zu Ethernet– über 90% der Kanalleistungsfähigkeit sind nutzbar– kein Stauverhalten– aber doch deutlich wachsende Latenzzeiten
  • CSMA Carrier Sense Multiple Access Hören, ob anderer schon sendet, bevorman sendet– Wenn Kanal frei: Senden eines Pakets– Wenn Kanal belegt: Für die Dauereines zufällig langen Zeitintervallswarten Analogie: Nicht unterbrechen, wennjemand spricht. Kollisionen sind dennoch möglich– Signallaufzeiten bedingen, dassjemand schon senden kann, obwohl ihnein anderer noch nicht hört– Die Wahrscheinlichkeit fürKollisionen hängt von der maximalenSignallaufzeit (also der Kabellänge) abBei einer Kollision ist das ganze Paketzerstört
  • CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection Auch während des Sendens weiter Mithören, ob anderer „dazwischen funkt“– Wenn Kollision erkannt, sofort mit dem Senden aufhören, um Kanal schnell wieder frei zu machen, sowie „Jam“- Signal sendenBei Kabel-Medien leicht realisierbar Bei Funk-Medien schlecht, weil dort Empfänger während des Sendens abgeschaltet wird Varianten zur Wiederholung desabgebrochenen Versuchs– persistent (stur wieder probieren)– non-persistent (nach Wartezeit)Wenn im Vergleich zur Signallaufzeit lange Nachrichten gesendet werden, ist eine hohe Kanalausnutzung möglich
  • Zentrale Rechtevergabe - Polling Verfahren: Polling– „Busmaster“ frägt nacheinander die anderen Knoten am Bus ab, ob sie sendenwollen– Angefragter Knoten antwortet, z.B. entweder mit Fehlanzeige oder mit Nachricht» Anfragenachrichten (Poll-Messages)» Antwortnachrichten (Response-Messages)Probleme– Polling Overhead– Wartezeit bis man an die Reihe kommt– wenn der zentrale Verwalter ausfällt, fällt Gesamtsystem aus
  • Dezentrale Rechtevergabe - Kursierendes Token Statische Kanalaufteilung:– bei hoher Last: sehr effizient– bei geringer Last: sehr ineffizient, lange Wartezeiten, selbst wenn nur 1 Sender aktiv ist, bekommt er nur 1/N der ÜbertragungskapazitätKonkurrierende Zuteilung:– bei geringer Last: schneller Zugang, 1 Sender kann ganze Kapazität bekommen– bei hoher Last: Instabilität und Overhead durch häufige KollisionenDezentrale Rechtevergabe:– Die Vorteile beider Ansätze vereinen? Ein Kontroll-Token wird reihum von einem zum anderen Knotenweitergereicht- Token – Nachricht kreist- Wer das Token hat und senden will, sendet. Danach gibt er das Token weiter.- Wer das Token hat und nicht senden will, gibt das Token gleich weiter.- Fairness:Zyklische WeitergabeMaximale Sendedauer je Runde und Station– Realzeit:Maximale Wartezeit pro StationProbleme:– Overhead durch kreisendes Token– Wartezeit, bis Sendewilliger an der Reihe (ist aber beschränkt)– wenn das Token verloren geht, steht das System(ist durch Erkennung/Behebung lösbar)
  • Kursierendes Token - Beispiel IEEE 802.5 "Token Ring" Ring in Stern-Gestalt– Aus 2-Punkt-Simplex-Leitungen,– die aber wegen der besonderen Kopplung ein gemeinsamesMedium bildenKopplung: 1-Bit-Verzögerung
  • LAN-Technologien In LANs genutzte MAC Protokolle:Token Ring IEEE 802.5 (IBM token ring), bis zu 16Mbps; Frame, läuft einmal durch den Ring und wird vom Sender entferntFDDI (Fiber Distributed Data Interface), für mittlere Größen (campus,metropolitan), bis zu 200 Station und 100Mbps ÜbertragungsrateEthernet nutzt CSMA/CD; 10Mbps (IEEE 802.3), Fast Ethernet (100Mbps), Giga Ethernet (1,000 Mbps); am weitesten verbreitet In diesem Kapitel bisher: Link Layer– Fehlererkennung und Korrektur– ZugriffskontrolleWeiterhin: Lokale Netze (nach ISO 8802 / IEEE 802 – Standards)- Adressierung: MAC-Adressen- Ethernet- Hubs, Brücken / Bridges, Switches- WLAN: 802.11 Point-to-Point-Protocol:PPP
  • Ethernet: Dominierende LAN-Technologie Hohe Stückzahlen, günstige PreiseWesentlich günstiger als ATM und TokenringHält mit der Entwicklung Schritt: 10, 100, 1000 MBit/sec Ethernet-Frames Es werden Schicht-2-Pakete, so genannte Ethernet-Frames ausgetauscht Präambel:7 Bytes mit 10101010-Wert gefolgt von einem Byte 10101011Hilft den Empfänger einzusynchronisieren 6 Byte lange Adressen: MAC-Adressen IEEE 802.2 Typ 1 LLC:– Verbindungslose unzuverlässige Datagramm-Übertragung,nur Verfälschungserkennung, Behebung durch Verlust IEEE 802.2 Typ 2 LLC:– HDLC-artige verbindungsorientierte zuverlässige Übertragung,Sequenznummern, positive und negative Quittungen

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