Vorlesung im SS’07 - ainf.weebly.comainf.weebly.com/uploads/3/0/2/3/3023656/direktverbindung_kabel... · Ersetze DLE im Datenteil durch DLE DLE Verwendet u.a. bei PPP Header Body

Rechnernetze 1Vorlesung im SS’07

Roland Wismüller

[email protected]

Tel.: 740-4050, H-B 8404

(c) R. Wismüller, Univ. Siegen 2

Zusammenfassung: Protokollhierarchie

Schichten, Protokolle und Dienste

ISO-OSI Referenzmodell

7 Schichten: Bitübertragung, Sicherung, Vermittlung, Transport, Sitzung, Darstellung, Anwendung

Internet Protokollarchitektur

Netzwerk, IP, TCP/UDP, Anwendung

(Effiziente Implementierung von Protokollen)


3. Direktverbindungsnetze


3. Direktverbindungsnetze

Inhalt

Hardware-Bausteine: Knoten und Verbindungsleitungen

Modulation

Codierung

Framing

Fehlererkennung und Fehlerkorrektur

Peterson, Kap. 2.1 – 2.4


3.1. Hardwarebausteine

Netzwerkadapter: Bindegliedzwichen CPU/Speicher und Netzwerk-Link

OSI: 1

E/A Bus

zum Netzwerk

CPU

Speicher

Netzwerk-adapter

Cache

Aufbau eines Knotens


3.1. Hardwarebausteine …Verbindungs„leitungen”

Übertragen Signale als elektromagnetische WellenTypische Attribute:

Frequenz- bzw. Wellenlängenbereich (Bandbreite)Dämpfung (max. Kabellänge)Richtung des Datenflusses

• Simplex: nur in eine Richtung• Vollduplex: in beide Richtungen, gleichzeitig• Halbduplex: in beide Richtungen, abwechselnd

Grundlegende Arten:KupferkabelGlasfaserkabel (Lichtwellenleiter)Drahtlose Verbindung (Funk, IR)


3.1. Hardwarebausteine …

KupferkabelAufbau eines Koaxialkabels:

Hohe Bandbreite, geringe Dämpfung, teuerBasisband-Kabel (digitale Übertragung, 1 Kanal, <500m)

Beispiele: Ethernet 10Base5, 10Base2Breitband-Kabel (analoge Übertragung, mehrere Kanäle, mehrere km)

Beispiel: Fernsehkabel



KupferkabelVerdrillte Kabel (Twisted Pair)

Geringe Kosten, relativ gute BandbreiteBeispiel: Ethernet 10BaseT, 100BaseT

geschirmt ungeschirmt



Glasfaserkabel

Führung von Lichtwellen durch TotalreflexionBandbreite im Bereich Gb/s, Länge im Bereich km Varianten:

MultimodenfaserEinmodenfaser

• hohe Bandbreite, teuer (Laserdioden)


Zur Übertragung müssen Binärdaten in analoge elektrische Signale (Wellen) umgesetzt werden

Umsetzung in zwei Schritten:

Modulation:

Variation von Frequenz, Amplitude und/oder Phase einerWelleZur Überlagerung der (Träger-)Welle mit dem Nutzsignal

z.B. bei Funk, Modem, Breitbandkabel, …

Digital-signal

3.2. Modulation

Binär-daten

Analog-SignalKodierung Modulation

OSI: 1


3.2. Modulation …

Digitalsignal

Amplituden-modulation(AM)

Frequenz-modulation(FM)

Phasen-modulation(PM)


3.3. Codierung

Übertragung eines Bitstroms zwischen zwei Knoten:

Einfachste Codierung:

Non-Return to Zero (NRZ): “1” = high, “0” = low

Probleme:

Festlegung der Schwelle zwischen high und lowSynchronisation: “Grenze” zwischen zwei Bits?

Modulation/Demodulation

Signal

BitstromKnoten KnotenAdapter Adapter

OSI: 1


3.3. Codierung …

Abhilfe: Codierungen mit Taktwiederherstellung

Bits

Manchester

NRZI

0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0

NRZ

Takt

NRZI: Non-Return to Zero Inverted


3.3. Codierung …

Manchester-CodierungBitstrom wird mit Taktsignal EXOR-verknüpftAnwendung z.B. bei 10 MBit EthernetProblem:

Baudrate (Rate, mit der sich das Signal ändert) ist doppelt so hoch wie die BitrateVerschwendet Bandbreite

NRZISignal wird bei jedem 1-Bit invertiertProblem: keine Taktwiederherstellung bei aufeinander-folgenden Nullen möglich


3.3. Codierung …

4B/5B-Codierung4 Datenbits werden auf 5-Bit Codeworte so abgebildet, daß nie mehr als 3 aufeinanderfolgende Nullen über-tragen werden müssen

jedes der 5-Bit Codeworte hat• höchstens eine Null am Anfang• höchstens zwei Nullen am Ende

Übertragung der Codeworte mit NRZIOverhead nur noch 20%

Bei schnellen Netzen (z.B. Fast Ethernet, GBit-Ethernet) oder auch schnellen Modems werden noch effizientere Codierungsverfahren eingesetzt


3.4. Framing

Wir betrachten nun die Übertragung von Datenblöcken (hier: Frames) zwischen Rechnern:

Zentrale Aufgabe:

Erkennung, wo ein Frame im Bitstrom anfängt und wo er aufhörtFramegrenzen müssen im Bitstrom erkennbar sein

OSI: 2

Frames

BitstromKnoten

AKnoten

BAdapter Adapter


3.4. Framing …

Byte-Count MethodeFrame-Header enthält Länge des DatenteilsBeispiel: Frame im DDCMP-Protokoll, DECNET:

Problem: was passiert, wenn Byte-Count fehlerhaft übertragen wird?

Frame-Ende wird nicht korrekt erkanntSYN-Zeichen am Beginn jedes Frames, um (wahr-scheinlichen!) Anfang der Folgeframes zu finden

Verwendet u.a. bei Ethernet

Header Body

8 8 4214 168

CRCCount


3.4. Framing …

Sentinel-MethodeFrame-Ende wird durch spezielles Zeichen markiertBeispiel: Frame im BISYNC-Protokoll (IBM):

Problem: Das ETX-Zeichen kann auch im Datenteil (Body) vorkommenLösung: Byte-Stuffing

Ersetze ETX im Datenteil durch DLE ETXErsetze DLE im Datenteil durch DLE DLE

Verwendet u.a. bei PPP

Header Body

8 8 8 8 168

CRCSTX

ETX


3.4. Framing …

Bit-StuffingWie bei Sentinel-Methode wird Frame-Ende markiert

hier aber durch spezielle BitzequenzEindeutigkeit durch Einfügen von Bits sichergestellt

Beispiel (HDLC-Protokoll):Anfangs- und Endesequenz ist 0 1 1 1 1 1 1 0nach 5 aufeinanderfolgenden 1-Bits wird vom Sender ein 0-Bit eingeschobenwenn Empfänger 5 aufeinanderfolgende 1-Bits gelesen hat:

• nächstes Bit = 0: ignorieren, da eingeschoben• nächstes Bit = 1: sollte Endemarkierung sein

(prüfe, ob die 0 folgt; falls nicht: Fehler)


3.4. Framing …

Taktbasiertes FramingBeispiel: SONET-Standard für optische Netzwerke

Frames haben feste Länge (810 Byte)Frame-Anfang mit speziellem Bitmuster markiertKein Bit- bzw. Byte-Stuffing: Bitmuster kann auch im Datenteil des Frames vorkommen

Wenn der Empfänger alle 810 Byte das Bitmuster findet, ist er korrekt synchronisiert …

Framing durch spezielle CodierungenAnfang und Ende durch Codeworte markiert, die sonst nicht vorkommen (z.B. bei 4B/5B-Codierung)


3.5. Fehlererkennung und –korrektur

Ziel: Übertragungsfehler in Frames erkennen bzw. korrigieren

Fehlerbehandlung kommt später (Kap. 3.7)

Vorgehensweise: Hinzufügen von Redundanzbits (Prüfbits)zu jedem Frame

Theoretischer Hintergrund: Hamming-DistanzHamming-Distanz d = Minimale Anzahl von Bits, in denen sich zwei Worte eines Codes unterscheidend ≥ f + 1 ⇒ f Einzelbitfehler erkennbard ≥ 2 f + 1 ⇒ f Einzelbitfehler korrigierbar

Beispiel: Paritätsbit führt zu d = 2

OSI: 2


3.5. Fehlererkennung und –korrektur …

Zweidimensionale ParitätErweiterung der einfachen ParitätBeispiel: 6 Worte á 7 BitErkennt alle 1, 2, 3 sowie die meisten 4-Bit-FehlerErlaubt auch die Korrektur von 1-Bit-Fehlern

1011110 1

1101001 0

0101001 1

1011111 0

0110100 1

0001110 1

1111011 0

Paritäts-bits

Paritäts-byte

Daten



CRC (Cyclic Redundancy Check)

Ziel: hohe Warscheinlichkeit der Fehlererkennung mit möglichst wenig PrüfbitsBasis des CRC-Verfahrens: Polynomdivision mit Modulo-2-Arithmetik (d.h. Add./Subtr. entspricht EXOR)Idee:

Jede Nachricht M kann als Polynom M(x) aufgefaßtwerden, z.B.

• M = 1 0 0 1 1 0 1 0 (Bits 7, 4, 3, 1 sind 1)• M(x) = x7 + x4 + x3 + x1

Wähle Generatorpolynom C(x) vom Grad kErweitere M um k Prüfbits zu Nachricht P, so daßP(x) ohne Rest durch C(x) teilbar ist



CRC …

Beispiel zur PolynomdivisionNachricht M: 100110103 PrüfbitsGenerator C: 1101

Divisionsrest R wird an die Nachricht M angefügtVersendete Nachricht P: 10011010101Diese Nachricht ist durch den Generator ohne Rest teilbar:

Generator

Nachricht;um 3 Bit erweitert

100110100001101

Rest1101101

1001

1000

1101

11011011110111001101

1000

R(x) = M(x) mod C(x) ⇒ (M(x) – R(x)) mod C(x) = 0



CRC …

Wahl des Generatorpolynoms?So, daß möglichst viele Fehler erkannt werden!Beispiel für ein übliches CRC-Polynom:

• CRC-16: x16 + x15 + x2 + 1CRC-16 erkennt:

• alle Ein- und Zweibitfehler• alle Fehler mit ungerader Bitanzahl• alle Fehlerbündel mit Länge ≤ 16 Bit

Gründe für den Einsatz von CRC:Gute Fehlererkennung Sehr effizient in Hardware realisierbar


Zusammenfassung

Hardware: Knoten, Leitungen (Kupfer, Glasfaser, Funk)

Codierung und Modulation

Umsetzen des Bitstroms in ein elektrisches SignalWichtig: Taktwiederherstellung

Framing:

Erkennung des Anfangs / Endes eines Datenblocks

Fehlererkennung und –korrektur

Nächste Vorlesung:Sicherung der Übertragung: Sliding Window ProtokolleMedienzugriffssteuerung (MAC), Ethernet

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