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Netzwerke Einführung Teil II
Übertragungsverfahren, Ethernet, 5-4-3 Regel, Ethernetframes, Backoff Algorithmus

NetzÜbertragungsverfahren

  • Bei der Übertragung von Daten in lokalen Netzen verwendet man generell Basisbandübertragung (keine Modulation)
  • Die Übertragungsleitung nimmt zwei Zustände (Pegel) abhängig von den zu übertragenden Binärwerten an
  • Bei Weitverkehrsnetzen wird auch modulierte  Verbindung verwendet
  • Binärwerte werden hierbei einem höherfrequenten Signal (Sinusträger) aufmoduliert
  • Modulierte Übertragung findet man beim Datentransfer über die Telefonleitung, bei Satellitenverbindungen oder bei Breitband-Kabelnetzen vor

Arten von Übertragungsverfahren

  • Ethernet / Manchester-Code
  • Token Ring / Differential Manchester Code
  • FDDI (Fiber Distributed Data Interface) (Glasfaser) / NRZI Code (non return to zero interverted)
  • Die Preamble ist eine Folge von 7 Bytes (10101010)
  • Diese Bytes ermöglichen es dem Empfänger des Ethernetpaket sich auf die Clock des Senders einzustellen (zeigt auch an das ein neuer Ethernetframe beginnt)
  • Dazu gebraucht der Empfänger ein bestimmtes Verfahren mit dem Namen Manchester Codierung
  • Durch die Manchester Codierung kann man sicherstellen das 0 und 1 klar erkennbar sind
  • Jedes Bit was übertragen wird, ist in 2 gleich lange Spannungszustände aufgespalten
  • 1 wird repräsentiert durch hoch / niedrig (+0,85/-0,85) und bei 0 genau umgekehrt

Ethernet    

  • Bezeichnet ursprünglich Netze, die logisch als Bustopologie aufgebaut sind
  • Bei der Verwendung von Koaxialkabeln werden Ethernetnetze auch physikalisch als Bustopologie aufgebaut
  • Die physische Topologie beschreibt den Aufbau der Netzverkabelung, die logische Topologie den Datenfluss zwischen den Endgeräten
  • Bei der Verwendung von UTP (Unshielded Twisted Pair)
    STP (Shielded Twisted Pair) oder
    Glasfaser wird physikalisch eine Sterntopologie eingesetzt
  • Zugriffsverfahren CSMA/CD

Übertragungsmedium

  • Koaxialkabel: zwei Leiter mit einer gemeinsamen Achse
  • Kern = Kupferdraht
    Isolator = Kunststoffschicht umhüllt von einem Außenleiter (Drahtgeflecht)
  • Außenleiter um die Isolierung dient als elektrische Abschirmung für das vom Innenleiter getragene Signal
  • Ein fester Kunststoffmantel um den Außenleiter bietet physischen und elektrischen Schutz
  • Es gibt 2 Arten von Koaxialkabeln
    • Dick (ThickNet)
    • Dünn (ThinNet)

Standard DIN Bezeichnung Koaxialkabel 10Base5 (RG-8)

    10 = Geschwindigkeit (10Mbit)
    Base = Verfahren (Basisbandübertragung)
    5  = Ausdehnung (500m) / aber bei 10Base2 = 200  in Yards also 185m
    Andere Bezeichnungen:
  • ThickNet Kabel, Yellow Cable, Thick Wire
  • Durchmesser ca 1cm
  • Wellenwiderstand 50 Ohm
Nachteile:
  • Lässt sich schwerer verlegen
  • Anfällig für elektromagnetischer Störung
  • Nicht abhörsicher

Standard DIN Bezeichnung Koaxialkabel 10Base2 (RG-58)

  • ThinNet Kabel, Cheapernet, Thin Wire
  • Durchmesser etwa 0,6 cm
  • Flexible und leicht zu verarbeiten (ähnlich den Leitungen Kabelfernsehen)
  • Max 185m
  • 50Ohm
  • Gesamtlänge des Netzes mit Repeater 925m (5 Segmente a 185m)
  • Max. 3 Segmente mit insgesamt max. 90 (30 Stationen pro Segment, nach der 5, 4, 3 Regel) angeschlossene Stationen
  • Mindestabstand 0,5m

10BaseT (RJ45)

    Twisted Pair Kabel bestehend aus zwei isolierten Kupferdrahtlitzen, die miteinander verdrillt sind und auf diese Weise ein Paar bilden
    Für ein solches Kabel werden ein oder mehrere verdrillte Leitungspaare verwendet
    Zweck des Verdrillens: elektrische Interferenzen verhindern
    Diese Maßnahme schaltet vom benachbarten Paar stammende elektrische Störung aus
    Je stärker die Leitungen pro laufendem Meter verdrillt sind, desto größer der Effekt
    Sie sind kategorisiert in CAT 1 bis CAT 7
    Man unterscheidet UTP (unshielded twisted pair)

    FTP (foiled twisted pair)
    S/FTP, F/FTP oder SF/FTP (screened foiled twisted pair)
    S/UTP (screened unshielded twisted Pair)
    ITP (industrial twisted pair)
    Twisted Pair Kabel gibt es u.a. in zwei und vier-paarigen Ausführungen.
Bei aktuellen Netzinstallationen werden vorzugsweise 4 paarige Kabel verwendet
Neues Bezeichnungsschema in der Form XX/YZZ
  • XX = steht für die Gesamtschirmung
  • U = Ungeschirmt
  • F = Foliengeschirmt
  • S = Geflechtschirm
  • SF = Geflecht- Folienschirm
  • Y = steht für die Aderpaarschirmung
  • U = ungeschirmt
  • F = Foliengeschirmt
  • S = Geflechtschirm
  • ZZ steht für TP = Twisted Pair
    UTP / neue Bezeichnung U/UTP
    Kabel mit ungeschirmten Paaren und ohne Gesamtschirm
    Im deutschsprachigen Raum werden diese Kabel kaum benutzt, weltweit jedoch das meistverwendete Kabel (>90%).

5-4-3 Regel

Max. 5 Netzsegmente
Max. 4 Repeater
Max. 3 von 5 Segmenten dürfen aktive Stationen angeschlossen werden (wobei der Repeater als aktive Station zählt)
Zwei Segmente werden als Linksegmente oder Inter-Repeater-Leitungen bezeichnet (einzige Funktion: zwei Repeater miteinander zu verbinden)
Pro Bussegment können max. 100 Netzknoten mit max. 50m langen Kabeln verbunden werden
Durch die 5-4-3 Regel liegt die max. Netzausdehnung bei 2500m

Aufbau eines Ethernetframes


Ethernet (IEEE 802.3) ist der Standard für kabelgebundene Lokale Netze.
Ermöglicht den Datenaustausch in Form von Datenrahmen (Ethernetframes) zwischen alle in einem lokalen Netz angeschlossenen Geräte.

Standardpunkte IEEE 802.3:
  • Kabelverbindungen und Stecker
  • Kabeltypen
  • Signalisierung der Bitübertragungsschicht (OSI Layer I – die unterste Schicht (physical Layer))
  • Es werden Paketgröße und Protokolle festgelegt
Aus Sicht des OSI Modells spezifiziert Ethernet sowohl die physikalische Schicht (OSI Layer I) als auch die Delta Link Schicht (OSI Layer II im OSI Referenz Modell)

Kleinste Ethernet Paketgröße = 64byte, wäre die Zahl kleiner könnte man keine Kollisionen erkennen also kein CSMA / CD)
  1. Ein Ethernetframe beginnt mit der Preamble (7Byte) und kennzeichnet den Start eines Ethernetframes und gibt an welches Übertragungsverfahren verwendet wird
  2. Danach kommt der Short Frame Delimiter (SFD mit 1 Byte)
  3. Dann die Zieladresse (Destination Adress) (wo soll das Paket hin, an welche IP Adresse)
    mit 2 Byte (unter 10Mbit) oder 6 Byte (ab 10Mbit dann 6 Byte)
  4. Dann die Quelleadresse (Source Adress) (wo kommt das Paket her, von welche IP Adresse)
    mit 2 Byte (unter 10Mbit) oder 6 Byte (ab 10Mbit dann 6 Byte)
  5. Dann 2Byte Length Delta Field (gibt an wieviel Daten sich im kommenden Paket befinden)
  6. Dann kommen die Daten zwischen 0 und 1500 Byte
  7. Dann 0-46 Byte für die Padding Data ( Fülldaten – weil mindestens 64Byte eine Ethernetframe groß sein muss sonst funktioniert kein CSMA/CD)
  8. Dann Checksumme 4 Byte (Kontrollbyte ob die Daten komplett und unversehrt angekommen sind)
7 1 2or6 2or6 2 0-1500 0-46 4
Preamble    SFD    Destination
Adress
Source
Adress
LDF
Data PAD Checksum

CSMA /CD

  • t0
    Es befinden sich mehrere Hosts im Netz. Zum Zeitpunkt t0 beginnt Host A zu senden, da sein Ethernetinterface keinen Netzverkehr feststellen konnte
  • t1
    Aufgrund der der endlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit von elektromagnetischen Wellen im Übertragunsmedium kann Host C auch keine Netzverkehr feststellen, obwohl Host A schon seinen Daten auf das Netz zu stellen beginnt
  • t2
    die von Host A gesendete Daten haben den Host C erreicht
  • Host C kann aufgrund der Interferenz der Signale von Host A und C das Vorhandensein einer Kollision erkennen
  • Host C unterbricht seine Übertragung und sendet ein JAM-Signal aus. Das JAM-Signal besteht aus einer Bytefolge (hex AAAAAAAA)
  • t3
    das Kollisionsrauschen erreicht auch Host A und dieser stellt seine reguläre Übertragung gemäß des CSMA/CD-Protokolls ebenfalls ein

Nachteile CSMA /CD

  • Je mehr Stationen angeschlossen sind und senden wollen desto häufiger treten Kollisionen auf und desto geringer wird der Datendurchsatz
  • Der Zeitpunkt reiner Sendung kann nicht berechnet oder festgelegt werden, sondern ergibt sich zufällig (stochastisch oder nicht deterministisch)
  • Das Verfahren ist damit ungeeignet für zeitkritische Anwendungen.
  • Bei mehr als 16 Kollisionen werden die Übertragungen abgebrochen

Schlussfolgerungen

  • ein Host kann nur während seiner Datenübertragung eine Kollision auf dem Netzwerk feststellen
  • Eine zentrale Rolle spielt die Länge des Ethernetpakets
  • Ist das Datenpaket kleiner als 64byte, kann dies dazu führen das Kollisionen unter Umständen nicht erkannt werden 
  • Das erwähnte JAM-Signal hat daher auch die Eigenschaft, die vorhandenen Kollision auf dem Netz zu verlängern und damit die Gefahr einer unerkannten Kollision zu verhindern
  • Deshalb: max. Entfernung (Weglänge) ist zwischen den Netzwerk Devices im LAN auf 2500m begrenzt
  • Die Übertragung eines Pakets mit einer Länge von 64Byte benötigt im 10Mbs Ethernet immer mehr als die doppelte Zeitspanne, welche zur einfachen Signalübertragung zum am weitesten entfernten Host (worst case) benötigt wird.

Bitzeit

Ist die Zeit, die benötigt wird um ein Bit vom Sender zum Empfänger zu schicken.

RTD – Round Tripped Delay Time

Ist die Zeit, die benötigt wird um ein Datenpaket zum Sender zu schicken und wieder zurück zu empfangen. Das Ergebnis dieser Zeit ist die Slot Time.

Slot Time

Dieser Wert darf nicht über 512 Bitzeiten liegen


Merke folgende Richtwerte
Maximale Anzahl 30 Stationen innerhalb einer Kollisionsdomaine (der Bereich in einem Netzsegment in dem alle angeschlossenen Rechner an einem Shared Medium hängen. Die Kollisionsdomains wird nicht durch Repeater vergrößert.)

Maximaler Datendurchsatz in einer Kollisionsdomains 30 – 40% von der angegebenen Leistung

Der binäre exponentielle „Backoff Algorithmus“

Paketgröße    Netz    Zeit
64 Byte 10 Mbit
0,512 µsec
Medium    Ausbreitungsfaktor
Vakuum    1,00
Koaxial    0,77
Twisted pair 0,60
Glasfaser    0,67
Lichtgeschwindigkeit
300.000.000

Zeitformel -  Für die Übertragungszeit eines Paketes in einem Netz
= Paketgröße in Bit * (Lichtgeschwindigkeit * Ausdehnungsfaktor) / Geschwindigkeit im Netz
Beispiel: (64 Byte Paketgröße  * 8 (Byte in Bit)) * (Ausbreitungsfaktor * Lichtgeschwindigkeit (300.000)) / (10 (Netz)*10^6)

Übung 1:

Frage: 100Mbit - Twisted Pair  - 100Byte Dateigröße
Antwort: (100 * 8) * (0,6*300000) / (100*10^6) = 1,44KM

Übung 2:

Frage: Koax – 4 Repeater (a 8 Bitzeiten) – 100Mbit – Paketgröße 64kb
Antwort:
512 + 32 (Repeater Latenz)
544 * 231000 / (100 * 10^6) = 1,25664KM



Kompletten Aufzeichnungen zu finden in der Downloadsektion 



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