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Thema 6: Ethernet, Fast- und Gigabit-Ethernet Proseminar: Grundlagen der Telematik 18.07.2000 Juan C. Fries.

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1 Thema 6: Ethernet, Fast- und Gigabit-Ethernet Proseminar: Grundlagen der Telematik Juan C. Fries

2 Ethernet -- Juan C. Fries2 Übersicht 1. Einleitung 2. Ethernet 3. Fast Ethernet 4. Gigabit Ethernet 5. Zusammenfassung

3 Ethernet -- Juan C. Fries3 1. Kapitel 1. Einleitung 2. Ethernet 3. Fast Ethernet 4. Gigabit Ethernet 5. Zusammenfassung

4 Ethernet -- Juan C. Fries4 Einleitung Netzwerk: modulares, erweiterbares und anpassungsfähiges System LAN = Local Area Network Woher der Name Ethernet?

5 Ethernet -- Juan C. Fries5 Warum heißt es Ethernet? Ursprünglicher Name: Alto Aloha Network (1972) Erfinder Metcalfe bei Xerox Äther zum Transport von Bits

6 Ethernet -- Juan C. Fries6 2. Kapitel 1. Einleitung 2. Ethernet 3. Fast Ethernet 4. Gigabit Ethernet 5. Zusammenfassung

7 Ethernet -- Juan C. Fries7 Geschwindigkeit der Datenübertragung: 10 Mbit/s Kabelvarianten: Thick-Ethernet Thin-Ethernet 10Base-T-Ethernet (Twisted-Pair) Längenbeschränkungen Ethernet Koaxialkabel

8 Ethernet -- Juan C. Fries8 Verschiedene Kabeltypen

9 Ethernet -- Juan C. Fries9 Koaxialkabel

10 Ethernet -- Juan C. Fries10 Thick-Ethernet-Kabel 10Base5-Koax / Yellow-Cable

11 Ethernet -- Juan C. Fries11 Aufbau von Thick-Ethernet-LANs Wichtig: 50 Abschlusswiderstand TCR Wichtig: 50 Abschlusswiderstand File- Server TCR: Transceiver max. 500 m Länge mind. 2,5 m max. 50 m DEC SUN UNIX AIX

12 Ethernet -- Juan C. Fries12 Transceiver Kombination aus Transmitter (Sender) und Receiver (Empfänger) und bedeutet soviel wie Sende- und Empfangseinheit. mechanisch-elektrische Ankopplung eines Transceivers über einen TAP-Anschluss Die Anbringung eines Transceivers kann während des Netzwerkbetriebes erfolgen.

13 Ethernet -- Juan C. Fries13 Aufgaben des Transceivers Weiterleitung von kodierten bitseriellen Datenströmen auf das Koaxialkabel Gewährleistung einer repeaterfreien Signalisierung bis zu einer Übertragungsstecke von 500 m Empfangen von bitseriellen Datenströmen vom Koaxialkabel Kollisionserkennung Carrier Sense Unterstützung einer Datenrate von 10 Mbit/s

14 Ethernet -- Juan C. Fries14 Netzwerkadapter Station im lokalen Netzwerk Kommunikationssoftware für untere OSI-Transportschichten Protokollsoftware auf Netzwerk- Controller implementiert, um Workstation zu entlasten

15 Ethernet -- Juan C. Fries15 Thin-Ethernet-Kabel 10Base2-Koax

16 Ethernet -- Juan C. Fries16 Aufbau von Thin-Ethernet-LANs 50 Abschluss- widerstand aka Cheapernet verwendet das CSMA/CD-Zugriffsverfahren mind. 0,5 m File- Server 50 Abschluss- widerstand

17 Ethernet -- Juan C. Fries17 Kollisionsbehandlung mittels CSMA/CD-Methode sendewillige Station überwacht Bus Bus frei: Übertragung beginnt (jedoch frühestens 9,6 µs (interframe) nach Freiwerden). Bus belegt: Bus wird weiter überwacht bis nicht mehr als belegt erkannt, wenn wieder frei -> Übertragung beginnt. Während der Übertragung wird der Bus weiter abgehört Senden zwei Stationen gleichzeitig, tritt eine Kollision auf 1. Übertragung wird sofort abgebrochen und ein spezielles Störsignal (jamming signal) auf den Bus geschickt 2. Nach Aussenden des Störsignals wird eine bestimmte Zeit (Backoff) gewartet -> maximal 16 Sendeversuche (backoff limit)

18 Ethernet -- Juan C. Fries18 CSMA/CD-Zugriffsverfahren Station sendebereit Kanal abhören (1) Kanal abhören (1) (6) Warten gemäß Backoff-Strategie (6) Warten gemäß Backoff-Strategie Sendevorgang abgeschlossen Sendevorgang abgeschlossen Daten senden und Kanal abhören (4) Daten senden und Kanal abhören (4) Störsignal senden (5) Störsignal senden (5) keine Kollision bei Kollision = Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection neuer Versuch Kanal besetzt (3) Kanal frei (2)

19 Ethernet -- Juan C. Fries19 Aufbau von 10Base-T LANs Twisted Pair RJ-45 Anschluss Concentrator/Hub

20 Ethernet -- Juan C. Fries20 UTP

21 Ethernet -- Juan C. Fries21 Twisted-Pair-Stecker RJ45- Stecker Verdrillte Kabel (twisted)

22 Ethernet -- Juan C. Fries22 STP

23 Ethernet -- Juan C. Fries23 Glasfaserkabel

24 Ethernet -- Juan C. Fries24 Ethernet-Längenrestriktionen Kabelbezeichnungmax. Segmentlänge 10Base5-Koaxkabel500 m 10Base2-Koaxkabel185 m 10BaseT-Twisted-Pair100 m 10BaseF-Glasfaser2000 m

25 Ethernet -- Juan C. Fries25 Ethernet Frame Format Präambel: Muster: dienen zur Taktsynchronisation des Empfängers Pad: 1 oder 0 byte zum Auffüllen auf gerade Anzahl bytes PräambelZieladresseQuelladresseLängeProtokol Header, Daten und Pad IEEE Frame min. 64 bytesbytes

26 Ethernet -- Juan C. Fries26 Ethernet Frame Format IEEE Ethernet DIX Ethernet (II) PräambelZieladresseQuelladresseLängeProtokol Header, Daten und Pad Bytes IEEE Frame PräambelZieladresseQuelladresseTypProtokol Header, Daten und Pad DIX Ethernet Frame min. 64 k Bytes

27 Ethernet -- Juan C. Fries27 3. Kapitel 1. Einleitung 2. Ethernet 3. Fast Ethernet 4. Gigabit Ethernet 5. Zusammenfassung

28 Ethernet -- Juan C. Fries Mbit/s (statt 10 Mbit/s) Kabelvarianten: Twisted-Pair-Kabel Glasfaserkabel Längenrestriktionen Kompatibilität Ethernet – Fast Ethernet Fast Ethernet sternförmige Verkabelung

29 Ethernet -- Juan C. Fries29 Fast Ethernet 100Base-T kann einfach und schnell in bestehende 10Base-T-Umgebungen eingefügt werden automatische Erkennung der Netzwerkgeschwindigkeit durch Auto- Negotiation (aka NWay) max. 2 Repeater zwischen Sendestationen und Empfängerstation

30 Ethernet -- Juan C. Fries30 Fast Ethernet Kabel

31 Ethernet -- Juan C. Fries31 Kompatibilität Ethernet – Fast-Ethernet Anwendung Management CSMA/CD AUI Interface Anwendung Management CSMA/CD MII Interface Thick Koax 10Base5 Thick Koax 10Base5 Thin Koax 10Base2 Thin Koax 10Base2 Glasfaser 10Base-F Glasfaser 10Base-F 2-Paar Cat. 3, 4, 5 UTP 10Base-T 2-Paar Cat. 3, 4, 5 UTP 10Base-T Glasfaser 100Base-FX Glasfaser 100Base-FX 4-Paar Cat. 3, 4, 5 UTP/STP 100Base-TX 4-Paar Cat. 3, 4, 5 UTP/STP 100Base-TX 2-Paar Cat. 5 UTP/STP 100Base-TX 2-Paar Cat. 5 UTP/STP 100Base-TX keine Änderung

32 Ethernet -- Juan C. Fries32 4. Kapitel 1. Einleitung 2. Ethernet 3. Fast Ethernet 4. Gigabit Ethernet 5. Zusammenfassung

33 Ethernet -- Juan C. Fries33 Gigabit Ethernet Gigabit Ethernet Standard IEEE 802.3z erlaubt half- und full-duplex Operationen bei 1000 Mbit/s verwendet das Ethernet Frame Format verwendet das CSMA/CD-Zugriffsverfahren abwärtskompatibel zu 10Base-T und 100Base-T

34 Ethernet -- Juan C. Fries34 CSMA/CD-Zugriffsverfahren Station sendebereit Kanal abhören (1) Kanal abhören (1) (6) Warten gemäß Backoff-Strategie (6) Warten gemäß Backoff-Strategie Sendevorgang abgeschlossen Sendevorgang abgeschlossen Daten senden und Kanal abhören (4) Daten senden und Kanal abhören (4) Störsignal senden (5) Störsignal senden (5) keine Kollision bei Kollision = Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection neuer Versuch Kanal besetzt (3) Kanal frei (2)

35 Ethernet -- Juan C. Fries35 Kollisionsbehandlung Jede Station muss eine Kollision beim Aussenden des kleinsten Paketes erkennen. Die benötigte Zeit, um von einem Netzwerk- Ende bis zum anderen Netzwerk-Ende und zurück zu gelangen, nennt man die Signallaufzeit (Round Trip Delay). Die Signallaufzeit ist von der Paketgröße und von der Übertragungsgeschwindigkeit abhängig.

36 Ethernet -- Juan C. Fries36 Problem: Kollisionserkennung Die maximale Signallaufzeit von Gigabit Ethernet schränkt die Ausdehnung des Netzes auf 10 Meter ein, wenn Kollisionserkennung noch möglich sein soll

37 Ethernet -- Juan C. Fries37 Lösung: Frame Extensions (auch Carrier Extensions) jede Station sendet eine Mindestzeit lang, bis an jeder Stelle des Netzwerksegments ausreichend bits angekommen sind wenn ein Datenpaket kleiner als 512 byte ist, werden einfach unsinnige Daten übertragen, die bereits nicht mehr zum ursprünglichen Datenpaket gehören: Frame Extensions (auch Carrier Extensions) sind spezielle Symbole, die nicht mit Daten oder mit Frame-Informationen verwechselt werden können.

38 Ethernet -- Juan C. Fries38 5. Kapitel 1. Einleitung 2. Ethernet 3. Fast Ethernet 4. Gigabit Ethernet 5. Zusammenfassung

39 Ethernet -- Juan C. Fries39 Vorteile des Gigabit Ethernet Optimale Lösung für hohe Leistungen bei geringen Kosten Kompatibilität zu Ethernet und Fast Ethernet Investitionsschutz für Komponenten, Betriebssysteme und Anwendungen Quality of Service (QoS) / Class of Service

40 Ethernet -- Juan C. Fries40 Warum? Ausblick 10 Gigabit Ethernet = Mbit/s

41 Ethernet -- Juan C. Fries41 Weil man niemals zu reich oder zu dünn sein oder zu viel Bandbreite haben kann (Som Sikdar, CTO von nCore Networks) Datenverkehr zwischen 1990 und 1998 um Faktor 400 gestiegen 1000-facher Datenverkehr erwartet 10 Gigabit Ethernet

42 Ethernet -- Juan C. Fries42 10 Gigabit Ethernet Vorbereitung auf Multi-Gigabit-Netze bereits in diesem Jahr erste Tests von 10 Gigabit Ethernet in den kommenden 8 Monaten Voraussichtlich bereits 2001 auf dem Markt IEEE 802.5ae

43 Ethernet -- Juan C. Fries43 Danke! Ende

44 Ethernet -- Juan C. Fries44 Noch Fragen?

45 Ethernet -- Juan C. Fries45

46 Ethernet -- Juan C. Fries46 I. Anhang 1. Einleitung 2. Ethernet 3. Fast Ethernet 4. Gigabit Ethernet 5. Zusammenfassung I. Vergleiche

47 Ethernet -- Juan C. Fries47 QoS des Gigabit Ethernet Quality of Service (QoS) / Class of Service Resource Reservation Protocol (RSVP) IEEE 802.1p Priority Functions IEEE 802.3x Flusskontrolle auf der Verbindungsebene Prioritätssteuerung für IP-Datenströme

48 Ethernet -- Juan C. Fries48 Nachteile des Gigabit Ethernet Nachteile reine LAN-Technologie nicht besonders attraktiv für vehemente Token-Ring-Anwender

49 Ethernet -- Juan C. Fries49 FDDI-LANs FDDI = Fibre Distributed Data Interface Token Ring mit 100Mbit/s entwickelt für hohe Bandbreite und reines Glasfasersystem mittlerweile auch UTP möglich (aber mit geringerer Längenausdehnung) auf 100 km bis zu 500 Stationen möglich max. Entfernung zweier Stationen: 2 km häufiger Einsatz in leistungsfähigen Backbones (UTP/STP)

50 Ethernet -- Juan C. Fries50 Konzeption des FDDI-LANs Zur Überbrückung von Leistungsfehlern aus zwei Ringen konzipiert Primärring Sekundärring als Backup-Ring oder zur Kapazitätssteigerung (Dual-MAC)

51 Ethernet -- Juan C. Fries51 ATM ATM = Asynchronous Transfer Mode Vorteile ATM sehr gut für LAN- und WAN- Integration geeignet QoS qualifiziert ATM, Video, Sprache und Daten gleichzeitig zu übertragen Isochrone und Echtzeit-Kommunikation

52 Ethernet -- Juan C. Fries52 ATM Nachteile sehr komplex hoher Schulungsaufwand ATM muss sichtbar für Anwendungen werden z. Zt. geringes Interesse am Einsatz von Sprachübertragung über ATM im LAN

53 Ethernet -- Juan C. Fries53 Token Ring-LAN sternförmig IBM Token-Ring (IEEE 802.5) IBM-Verkabelungssystem unterschiedliche technische und physikalische Eigenschaften für vorgesehene Einsatzbereiche optimale Einsatzbedingungen gewährleisten einzelne Systeme über unterschiedl. Kabeltypen miteinander verknüpft und dazu noch unterschiedliche Steckdosen

54 Ethernet -- Juan C. Fries54 Beispiele für Token-Ring-LANs Beispiele bei IBM: IBM 3600/4700: Klinkenstecker IBM 5250: Twinax-Kabel mit Spezialsteckern 3270-Welt: Bildschirme und Drucker über BNC-Kabel angeschlossen 8100 oder 4300: Ringleitungssysteme mit Spezialsteckern

55 Ethernet -- Juan C. Fries55 Vergleich FunktionenGigabit Ethernet Fast Ethernet ATMFDDI IP kompatibelJa RFC 1577 oder LANE; MPOA Ja, 802.1h Ethernet Pakete Ja Ja, aber Änderungen in den Applikationen nötig Ja Quality of Service Ja, mit RSVP und 802.1p Zuordnung von 802.1p zu SVC Ja, mit RSVP und 802.1p VLANs mit 802.1Q/p Ja Benötigt Zuordnung von SVC zu 802.1Q Ja

56 Ethernet -- Juan C. Fries56 Weitere Informationen ethernet/ethernet-guide.html ethernet/ethernet-guide.html ets/daniel_brushteyn/enet.html (CSMA/CD Simulation) ets/daniel_brushteyn/enet.html

57 Ethernet -- Juan C. Fries57

58 Ethernet -- Juan C. Fries58 Sondermüll Aus Vortrag entfernte Folien Bildersammlung

59 Ethernet -- Juan C. Fries59 Längenrestriktionen für 100Base-T-Ethernet Grafik Zenk

60 Ethernet -- Juan C. Fries60 FDDI-Ring-Topologie Klasse A ?

61 Ethernet -- Juan C. Fries61 Gigabit Ethernet

62 Ethernet -- Juan C. Fries62 Begriffe/Glossar LAN = Local Area Network

63 Ethernet -- Juan C. Fries63

64 Ethernet -- Juan C. Fries64 Hub Hub, auch Multiport- Repeater genannt Aufgabe, Netzwerksignale für viele Benutzer (4, 8 oder sogar 24 Benutzer) auf Bit- Ebene zu verstärken und zu synchronisieren. Den dafür verwendeten Vorgang nennt man Konzentration. Wenn mehrere Geräte (z. B. Hosts) mit einem gemeinsam benutzten Gerät (z. B. einem Server) verbunden werden sollen und dieser Server nur über eine Netzwerkkarte verfügt, können Sie einen Hub einsetzen

65 Ethernet -- Juan C. Fries65 Repeater Ein Repeater verstärkt und synchronisiert Netzwerksignale auf Bit-Ebene neu. Repeater können als Singleport-Repeater reine Ein- oder Ausgangsgeräte sein. Mittlerweile haben sich jedoch stapelbare (modulare) bzw. Multiport-Repeater durchgesetzt, die auch Hubs genannt werden. Repeater werden im OSI-Modell der Schicht 1 zugeordnet, da sie nur auf Bit-Ebene arbeiten und keine anderen Daten auswerten. Realplayer Video

66 Ethernet -- Juan C. Fries66 Router Ein Router überprüft eingehende Datenpakete, wählt den besten Pfad innerhalb des Netzwerks und leitet sie dann zum korrekten Ausgangs- Port weiter. Router sind die wichtigsten Geräte zur Regulierung des Datenverkehrs in großen Netzwerken. Durch sie kann jeder Computer, der über die geeigneten Protokolle verwendet, mit einem beliebigen Computer auf der ganzen Welt (oder darüber hinaus) kommunizieren! Sie erfüllen über diese Grundfunktionen hinaus auch noch viele andere Aufgaben.

67 Ethernet -- Juan C. Fries67 Kollisionen Wenn zwei Bits sich gleichzeitig in einem Netzwerk bewegen, kann es zu einer Kollision kommen. Bei relativ kleinen und langsamen Netzwerken könnte ein System verwendet werden, bei dem immer nur zwei Computer miteinander kommunizieren und sich gegenseitig abwechseln, damit sich immer nur ein Bit im System befindet. Da Netzwerke jedoch in der Regel aus vielen Computern bestehen und jede Sekunde Milliarden von Bits verarbeitet werden müssen, müssen wir uns die Frage stellen, was passiert, wenn sich zwei Bits gleichzeitig auf einem Draht bzw. einer Glasfaser oder auf derselben drahtlosen Frequenz befinden. In der Realität befinden sich niemals zwei einzelne Bits auf einem Draht, sondern immer Pakete aus vielen Bits. Schwerwiegende Probleme können aufgrund von zu viel Datenverkehr auf einem Netzwerk auftreten. Wenn zwischen den einzelnen miteinander verbundenen Geräten eines Netzwerks nur ein Kabel verläuft oder Segmente eines Netzwerks nur durch nicht filternde Geräte (etwa Repeater) miteinander verbunden sind, kann dies dazu führen, dass mehrere Benutzer versuchen, gleichzeitig Daten über das Netzwerk zu senden. Bei Ethernet kann sich immer nur ein Datenpaket in der Leitung befinden. Wenn mehrere Knoten gleichzeitig versuchen, Daten zu übertragen, tritt eine Kollision auf. Das bedeutet, dass die Daten der verschiedenen Geräte sich gegenseitig beeinträchtigen und beschädigt werden. Der Netzwerkbereich, aus dem die Datenpakete stammen und in dem die Kollision stattfindet, wird als Kollisionsdomäne bezeichnet. Damit wird die Gesamtheit der Umgebungen mit einem gemeinsamen Ãœbertragungsmedium bezeichnet, in denen Kollisionen auftreten. Ein Kabel kann beispielsweise über Patch-Kabel, Transceiver, Rangierfelder, Repeater und sogar Hubs mit einem anderen Kabel verbunden werden. Trotz all dieser Verbindungen der Schicht 1 ist die Gesamtheit der Verkabelung eine Kollisionsdomäne. Im weiteren Verlauf des Curriculums werden wir uns mit dem Begriff "Kollisionsdomäne" ausführlicher befassen.

68 Ethernet -- Juan C. Fries68 Kollisionen Beide Pakete werden Bit für Bit "zerstört", und es muss ein Verfahren zur Handhabung der Konkurrenz um das Medium (auch Contention genannt) implementiert werden. Das digitale System kann nur zwischen zwei Zuständen für Spannung, Licht oder elektromagnetische Wellen unterscheiden. Bei einer Kollision tritt Interferenz zwischen den Signalen auf, d. h. sie kollidieren miteinander. Ähnlich wie sich auch zwei Autos nicht gleichzeitig an ein und derselben Stelle auf einer Straße befinden können, ist dies auch bei zwei Signalen nicht möglich. Dies würde zu einer Kollision führen. Die Pakete werden Bit für Bit zerstört.

69 Ethernet -- Juan C. Fries69 CSMA/CD

70 Ethernet -- Juan C. Fries70 Netzwerkadapterkarte


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