Local Area Network (LAN) Netzwerktopologien und
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Local Area Network (LAN) • Definition eines LAN • ein Netzwerk zur bitseriellen Datenübertragung zwischen unabhängigen, untereinander verbundenen Komponenten • befindet sich rechtlich unter der Kontrolle des Benutzers (⇒ privates Datennetz) und ist auf den Bereich innerhalb der Grundstücksgrenzen beschränkt (durch Aufhebung des Monopols der Telekom hier Änderung zu erwarten) • Eigenschaften • Entfernungen < 1...10 km ⇒ schnell (> 1 Mbps) • einfacher, preiswerter Anschluß an das Übertragungsmedium • Übertragung unterschiedlicher Informationsarten • Texte, allg. Daten, Bilder, Animationen • in Zukunft: Multimedia = Audio und Video • Anschluß unterschiedlicher Geräte • Computer • Bildschirmgeräte / Drucker • Massenspeichereinheiten • Modems • Aufbau in unterschiedlichen Topologien möglich • mehrere Sender/Quellen teilen sich ein Medium ⇒ Zugriffssteuerung (Medium Access Control) Netzwerktopologien und -begriffe • Unterscheide zwischen physikalischer und logischer Auslegung • Stern zentrale Station erleichtert Wartung, besorgt selektive Datenverteilung nicht fehlertolerant gegen Ausfall der Zentrale Anwendung in (Nebenstellen-) Telefonanlagen • Ring nur Punkt-zu-Punkt Verbindung benachbarter Knoten Verbindung unidirektional • Bus Nachrichtentransport wie ein Rundsendenetz verschiedene Zugriffsverfahren denkbar • Hub heute werden vielfach logische Bus- und Ringnetze in physikalischer Sternverkabelung ausgelegt in der Zentrale=Hub ist die Verdrahtung konzentriert enthält Signalverstärker (repeater), die alle eingehenden Signale an alle Stationen verteilen (Gegensatz zum Stern) kann ggf. verschiedene Netze u. Protokolle verbinden, auch hierarchisch/baumförmig aufbaubar Vorteil: flexible Administration/Umkonfiguration Nachteil: siehe Stern Weitere Netzwerktopologien • Vermaschtes Netz Medienzugangssteuerung • Einordnung im OSI-Modell Logische Verbindungskontrolle (logical link control = LLC) regelt korrekte Datenübertragung zwischen Stationen, Medienzugangskontrolle (medium access control = MAC) die kooperative Nutzung des Mediums Sehr ausfallsicher, aber: Leitungsaufwand sehr hoch, Verbindungen i.a. nicht ausgelastet • Gekoppelte Netze oder „internet“ Verbindung verschiedener Netze durch Relaisstationen/GatewayRechner • Backbone-Netz dediziertes Netz zur Verbindung anderer Netze nutzt sehr schnelle Übertragungstechnik, z.B. Glasfaser • Verfahrensübersicht Statische Zuteilung • feste Zuordnung gewisser Übertragungskapazität zu einzelnen Stationen • Beispiele: Frequenzmultiplex (FDMA) , Synchroner Zeitmultiplex (STDMA) • jedem Kanal ist ein Zeitschlitz bzw. Frequenzband zugeordnet • für wenige Stationen/Teilnehmer • nur geeignet für konstante Datenströme mit gleichbleibender Datenrate ⇒ für Audio und Video ⇒ für Satellitenverbindungen, Richtfunknetze Dynamische Zuteilung, Polling • auch als Konzentration zu bezeichnen • man unterscheidet zwischen einem koordinierten (und damit kollisionsfreien) und einem wahlfreien (potentiell kollisionsgefährdeten) Zugriff • die koordinierte Zuteilung kann zentral oder verteilt erfolgen • als zentrales Verfahren verwendet: Polling • eine Zentralstation fragt zyklisch alle angeschlossenen Stationen auf einen Sendewunsch ab • Tatsächliche Situation im LAN • meistens viele Stationen/Teilnehmer • Datenanfall zufällig, burstartig, selten kontinuierlich • jede abgefragte Station • sendet entweder sofort ein EOT (End of Transmission), wenn sie nichts senden möchte - oder - • im LAN flexible, dynamische Zuteilungsverfahren gefragt • überträgt Daten zu einer anderen Station und markiert das Ende der Übertragung mit einem EOT an die Zentralstation • Ausfallgefahr der Zentralstation • zyklische, meistens unnötige Abfragen binden Kanalkapazität • viele Stationen ⇒ langer Pollingzyklus Dynamische & dezentrale Zuteilung: Reservierung Dynamische & dezentrale Zuteilung: Token • Stationen bilden einen logischen oder realen Ring Bit-Map-Protokoll: • Reservierungsphase • Ein Zeitschlitz wird als spezieller „Reservierungs-Schlitz“ (RS) vereinbart • In diesem ist für jede Station ein Bit reserviert • Wünscht eine Situation zu senden, setzt sie im RS „ihr“ Bit auf Eins, ansonsten bleibt es Null • Auf dem Ring zirkuliert unidirektional eine Marke (Token) • Eine Station darf nur senden, wenn sie im Besitz des Token ist • Nach einer fest vorgegeben Zeit wird das Token weitergegeben • Sendephase • die erste Station sendet, deren Bit gesetzt ist, dann die nächste .... • anschließend erneute Reservierungsphase Physischer und logischer Ring Reservierungsschlitze Bewertung • einfach zu realisieren • geringes Datenaufkommen und viele Stationen : ⇒ fast nur RS • großer Overhead durch RS • die Station mit dem ersten Bit im RS muß am frühesten wissen, daß sie senden will wenn ihr Sendewunsch direkt nach „ihrem“ Bit im RS entsteht, muß sie warten • den Rest des aktuellen RS • evtl. einige Daten • den gesamten nächsten RS • ⇒ sie hat die längste Reaktionszeit • großes Datenaufkommen und wenige Stationen : • die Station mit dem ersten Bit im RS wird immer als erste bedient ⇒ „unfair“ Physischer Bus und logischer Ring • Vorteil: garantierte obere zeitliche Schranke, bis Station senden kann ⇒ deterministisches Verfahren • Nachteile: Verwaltungsaufwand bei • Umkonfiguration, Rechnerausfall • Tokenverlust durch Störung Reines ALOHA-Verfahren • Kategorie: dynamisch, wahlfrei (= zufällig, unkoordiniert) • Ursprung war die Universität Hawaii, die damit 1970 die auf die einzelnen Inseln verteilten Rechner an einen Zentralrechner koppelte Slotted-ALOHA • Universität Hawaii, 1972 • wie reines Aloha, aber Zeitachse wie TDMA in Zeitschlitze aufgeteilt • Zugriff nur zu Beginn eines beliebigen Zeitschlitzes • Prinzip: • Sender sendet sofort, wenn Bedarf besteht • Fehlerfreie Übertragung durch Quittung oder Kanalabhören erkennbar • Bei Kollision Neuübertragung nach Abwarten einer Zufallszeit (Vermeidung gegenseitiger Blockade) • Beispiel • Kollisionsfenster gegenüber reinem ALOHA halbiert = t ⇒ weniger Kollisionen als reines ALOHA • Eine genaue Analyse zeigt die maximale Kanalausnutzung: Reines ALOHA: ≈ 18 % Slotted ALOHA: ≈ 36 % t: Kollisionsfenster: Zeit für das Senden eines Blocks wenn innerhalb dieses Zeitraums mehr als ein kompletter Block übertragen werden soll (also 2,3,4...komplette Blöcke), ergibt sich eine Kollision ⇒ unnütze Belegung des Kanals < 2t • Bewertung Viele Kollisionen • beide ALOHA-Verfahren haben keine praktische Bedeutung mehr, da durch einfache Maßnahmen eine bedeutende Verbesserung möglich ist CSMA (Carrier Sense Multiple Access) I Prinzip • Abhören des Kanals/Trägersignals vor dem Senden (⇒ besser als ALOHA) • Wenn frei, sende alle gewünschten Information • Erkennung von Kollisionen durch fehlende Quittung • dann Zufallszeit abwarten zur Vermeidung von Blockaden CSMA (Carrier Sense Multiple Access) II • p-persistent • Sendewunsch ⇒ Abhören des Kanals frei: mit Wahrscheinlichkeit p senden mit Wahrscheinlichkeit (1-p) erst Zeit τ abwarten, dann erneut abhören belegt: warten, bis Kanal frei ist 2 Varianten dieses Prinzips (außerdem noch Zeitschlitz-Varianten möglich) • nicht persistent (persistent = beharrend) • Sendewunsch ⇒ Abhören des Kanals frei: sofort senden belegt: Zufallszeit abwarten; Erneutes Abhören (⇒ es wird nicht sofort gesendet, wenn der Kanal wieder frei ist) • Eigenschaften • berücksichtige, daß andere Stationen auch warten können • deshalb besser zufälligen Sendezeitpunkt wählen • guter Gesamtdurchsatz (Auslastung) • aber teilweise unnötige Verzögerungen, bis Sendung wirklich erfolgt • Eigenschaften durch Wahl von p einstellbar • Extremfall: p = 1 • Minimierung der eigenen Verzögerung • Gesamtdurchsatz aller Stationen durch Kollisionen nicht optimiert • p bestimmt Kompromiß zwischen Verzögerung und Durchsatz • τ = Laufzeit eines Bits auf der Leitung • wenn bei 2 wartenden Stationen und Freiwerden des Kanals die 1. sendet und die 2. wartet, wird die 2. nach τ wieder den Kanal abhören • ihre Wartezeit und damit der Zeitverlust für den Fall, daß niemand anderes gesendet hätte, ist für diese Wahl von τ minimiert • da die 1. hier aber immer noch sendet, würde die 2. das feststellen und erneut warten Leistungsvergleich Aloha und CSMA Das CSMA/CD Verfahren Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection Erweiterung des CSMA-Prinzips • Abhören des Kanals auch während des Sendens • Kollisionserkennung durch Soll/Ist Vergleich des Gesendeten mit dem Empfangenen • Sender unterbricht Übertragung im Kollisionsfall sofort • damit andere Stationen diese Kollision eindeutig erkennen, werden kurzzeitig zusätzliche Störbits (Jam-Bits) gesendet • Einsparung von Zeit und Bandbreite • verwendet im Ethernet Kollisionsfenster • Eine Station kann erst nach 2τ sicher sein, daß sie den Kanal kollisionsfrei belegt hat (1 km Koaxialkabel: τ » 5 ms) t = ∆t Voraussetzungen sehr viele Stationen t Zeit zum Senden eines Rahmens G alle Sendewünsche (Wiederholungen + neue Sendewünsche S) pro Rahmenzeit t ⇒ Last (Versuche pro Rahmenzeit) S neue Sendewünsche pro Rahmensendezeit t, poissonverteilt ⇒ Kanalausnutzung 0 < S < 1, darüber Kanalkapazität erschöpft ⇒ nur Kollisionen reines Aloha: Maximum für G = 0,5 (Fenstergröße = 2), S = Ge-2G t = τ-∆t t=τ Slotted-Aloha: Maximum für G = 1 (Fenstergröße = 1), S = Ge-G t = 2τ τ Kombinierte statische und dynamische Zuteilung Prinzip • bisher haben alle Stationen gleiche Möglichkeiten auf den gemeinsamen Kanal zuzugreifen • jetzt asymmetrischer Ansatz: Bildung von Clustern • unterschiedliche Zugriffswahrscheinlichkeiten zuordnen • jedem Cluster eine feste Menge von Betriebsmitteln (Frequenz, Zeit, etc.) zuordnen Eigenschaften • i.a. nicht optimal ausgelegt für Extremfälle : • nur eine Station sendet, hat jedoch begrenzte Bandbreite Rest unbelegt • sehr unterschiedliche Datentransferraten kein dynamischer Ausgleich möglich • korrelierende Sendewünsche alle Stationen, die sich ein Betriebsmittel teilen, haben gleichzeitig Sendewünsche Realisierung • z.B. durch switched Ethernet