IEEE Physical Layer - userpages.uni-koblenz.deunikorn/lehre/gdrn/ws18/05 Lokale Netze (VL14).pdf · IEEE 802.11 Standards SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze ‐Lokale Netze 53 Standard

IEEE 802.3 Physical‐Layer• 100BASE‐T‐Alternativen (Fast‐Ethernet) 

SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze ‐ Lokale Netze 42

100BASE‐TX 100BASE‐TX 100BASE‐FX 100BASE‐T4

Medium 2 Paar STP 2 Paar Category 5 UTP

2 Optische Leitungen

4 Paar Category 3, 4oder 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 Verbindungsschicht8B6T – ein Signal‐Encoding, welches 8 Bit auf 6 ternäre Symbole mapped(keine weiteren Details hier)

Ergänzung: MLT‐3

SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze ‐ Lokale Netze 43

(ein Beispiel für ein ternäres Encoding)

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

Vermeiden von langen Symbolfolgen ohne Änderung wird mittels Scramblingerreicht (siehe folgende Folie).

Ergänzung: Scrambling

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Scrambling am Beispiel: die Eingabe‐Bits Am werden wie folgt in Ausgabe‐Bits Bm berechnet:

Bm = Am Bm‐3 Bm‐5

Die ursprüngliche Sequenz bestimmt man wiederum durch:Cm = Bm Bm‐3 Bm‐5

In der Tat:

Beispiel:101010100000111 wird zu 101110001101001

IEEE 802.3 Physical‐Layer• Gigabit‐Ethernet: 1Gbps‐Verbindungen• Beispielkonfiguration:

SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze ‐ Lokale Netze 45Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Seventh Edition, 2004

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:

SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze ‐ Lokale Netze 46Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Seventh Edition, 2004

Signaling: 8B/10B

Signaling: 4D‐PAM5Signaling: 8B/10B

IEEE 802.3 Physical‐Layer• 10‐Gigabit‐Ethernet Optionen

SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze ‐ Lokale Netze 47

Signaling: 64B/66B

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

IEEE 802.3 Physical‐Layer• 100‐Gigabit‐Ethernet‐Optionen (IEEE802.3ab)

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40 Gbps 100Gbps

1m Backplane 40GBASE‐KR4

10 m Copper 40GBASE‐CR4 100GBASE‐CR10

100 mMultimode 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 assemblyOptical: S = Short‐Reach (100m); L = Long‐Reach (10km); E = Extended‐Long Reach (40km)Coding‐Scheme: R = 64/66B block codingFinal Number: number of lanes (copper wires or fiber wavelengths)

Fallstudie Wireless LAN

Grundlagen der Rechnernetze ‐ Lokale Netze 50SS 2012

Wireless LAN Typen

SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze ‐ Lokale Netze 51Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Seventh Edition, 2004

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.

SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze ‐ Lokale Netze 52

IEEE 802.11 Standards

SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze ‐ Lokale Netze 53

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)

802.11‐Architektur

SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze ‐ Lokale Netze 54Bildquelle: 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‐MAC

SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze ‐ Lokale Netze 55

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

SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze ‐ Lokale Netze 56Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Seventh Edition, 2004

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

SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze ‐ Lokale Netze 57Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Seventh Edition, 2004

Polling‐Beispiel

SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze ‐ Lokale Netze 58Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Ninth Edition, 2011

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.

SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze ‐ Lokale Netze 59

802.11a 802.11b 802.11g 802.11nPeak‐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 5GHzKanalbandbreite 20MHz 20MHz 20MHz 20MHz oder 40MHzAnzahl 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...

SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze ‐ Lokale Netze 60

802.11a 802.11b 802.11g 802.11nPeak‐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 5GHzKanalbandbreite 20MHz 20MHz 20MHz 20MHz oder 40MHzAnzahl Streams 1 1 1 1,2,3 oder 4

Was bedeutet MIMO?

SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze ‐ Lokale Netze 61Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Ninth Edition, 2004

Schlussbemerkung: Distanz versus Datenrate

SS 2012 Grundlagen der Rechnernetze ‐ Lokale Netze 62Bildquelle: William Stallings, „Data and Computer Communications“, Ninth Edition, 2004

Zusammenfassung und Literatur

Grundlagen der Rechnernetze ‐ Lokale Netze 63SS 2012

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)

Grundlagen der Rechnernetze ‐ Lokale Netze 64SS 2012

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

Grundlagen der Rechnernetze ‐ Lokale Netze 65SS 2012