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

Thema 6: Ethernet, Fast- und Gigabit-Ethernet

Proseminar: Grundlagen der Telematik

18.07.2000

Juan C. Fries

18.7.2000 Ethernet -- Juan C. Fries 2

Übersicht

1. Einleitung2. Ethernet3. Fast Ethernet4. Gigabit Ethernet5. Zusammenfassung


1. Kapitel



Einleitung Netzwerk:

modulares, erweiterbares und anpassungsfähiges System

LAN = Local Area Network Woher der Name Ethernet?


Warum heißt es Ethernet? Ursprünglicher Name:

Alto Aloha Network (1972) Erfinder Metcalfe bei Xerox Äther zum Transport von Bits


2. Kapitel



Geschwindigkeit der Datenübertragung: 10 Mbit/s

Kabelvarianten: Thick-Ethernet Thin-Ethernet 10Base-T-Ethernet (Twisted-Pair)

Längenbeschränkungen

Ethernet

Koaxialkabel


Verschiedene Kabeltypen


Koaxialkabel


Thick-Ethernet-Kabel 10Base5-Koax / Yellow-Cable


Aufbau vonThick-Ethernet-LANs

Wichtig: 50 Abschlusswiderstand

TCR TCR TCR TCR TCR

Wichtig: 50 Abschlusswiderstand

File-Server

TCR: Transceiver

max. 500 m Länge

mind. 2,5 m

max. 50 m

DECSUNUNIXAIX


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.


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


Netzwerkadapter Station im lokalen Netzwerk Kommunikationssoftware für

untere OSI-Transportschichten Protokollsoftware auf Netzwerk-

Controller implementiert, um Workstation zu entlasten


Thin-Ethernet-Kabel 10Base2-Koax


Aufbau von Thin-Ethernet-LANs

50 Abschluss- widerstand

aka Cheapernetverwendet das

CSMA/CD-Zugriffsverfahren

mind. 0,5 m

File-Server

50 Abschluss- widerstand


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)



Stationsendebereit

Stationsendebereit

Kanalabhören

(1)

Kanalabhören

(1)

(6) Warten gemäßBackoff-Strategie


SendevorgangabgeschlossenSendevorgangabgeschlossen

Daten senden undKanal abhören (4)Daten senden undKanal abhören (4)

Störsignalsenden (5)Störsignalsenden (5)

keine Kollision

bei Kollision

= Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection

neuer Versuch

Kanal besetzt (3)

Kanal frei (2)


Aufbau von 10Base-T LANs

Twisted Pair

RJ-45 Anschluss

Concentrator/Hub


UTP


Twisted-Pair-Stecker

RJ45-Stecke

rVerdrillte

Kabel (twisted)


STP


Glasfaserkabel


Ethernet-Längenrestriktionen

Kabelbezeichnungmax.

Segmentlänge

10Base5-Koaxkabel

500 m

10Base2-Koaxkabel

185 m

10BaseT-Twisted-Pair

100 m

10BaseF-Glasfaser 2000 m


Ethernet Frame Format

Präambel: Muster: 101010...10dienen zur Taktsynchronisation des Empfängers

Pad: 1 oder 0 byte zum Auffüllen auf gerade Anzahl bytes

Präambel Zieladresse Quelladresse Länge Protokol Header, Daten und Pad

IEEE 802.3 Frame

min. 64 bytesbytes 8 6 6 2 0-1500


Ethernet Frame Format

IEEE Ethernet DIX Ethernet (II)

Präambel Zieladresse Quelladresse Länge Protokol Header, Daten und Pad

Bytes 8 6 6 2 0-1500

IEEE 802.3 Frame

Präambel Zieladresse Quelladresse Typ Protokol Header, Daten und Pad

DIX Ethernet Frame

min. 64 k

Bytes 8 6 6 2 0-


3. Kapitel



100 Mbit/s (statt 10 Mbit/s) Kabelvarianten:

Twisted-Pair-Kabel Glasfaserkabel

Längenrestriktionen Kompatibilität Ethernet – Fast

Ethernet

Fast Ethernet

sternförmigeVerkabelung


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


Fast Ethernet Kabel

Kabeltyp max. Segmentlänge

Verkabelung

100Base-TX 100 m 2-paarig (Cat. 5) UTP/STP

100Base-T4 100 m 4-paarig (Cat. 3, 4, 5) UTP

100Base-FX 400 m Glasfaser


KompatibilitätEthernet – Fast-Ethernet

AnwendungAnwendung

ManagementManagement

CSMA/CDCSMA/CD

AUI InterfaceAUI Interface

AnwendungAnwendung

ManagementManagement

CSMA/CDCSMA/CD

MII InterfaceMII Interface

Thick Koax10Base5Thick Koax10Base5

Thin Koax10Base2Thin Koax10Base2

Glasfaser10Base-FGlasfaser10Base-F

2-Paar Cat. 3, 4, 5 UTP10Base-T

2-Paar Cat. 3, 4, 5 UTP10Base-T

Glasfaser100Base-FXGlasfaser100Base-FX 4-Paar Cat. 3,

4, 5 UTP/STP100Base-TX

4-Paar Cat. 3,4, 5 UTP/STP100Base-TX2-Paar Cat. 5

UTP/STP100Base-TX

2-Paar Cat. 5UTP/STP100Base-TX

keine Änderung


4. Kapitel



Gigabit Ethernet Gigabit Ethernet Standard IEEE 802.3z

erlaubt half- und full-duplex Operationen bei 1000 Mbit/s

verwendet das 802.3 Ethernet Frame Format

verwendet das CSMA/CD-Zugriffsverfahren

abwärtskompatibel zu 10Base-T und 100Base-T



Stationsendebereit

Stationsendebereit

Kanalabhören

(1)

Kanalabhören

(1)



SendevorgangabgeschlossenSendevorgangabgeschlossen

Daten senden undKanal abhören (4)Daten senden undKanal abhören (4)

Störsignalsenden (5)Störsignalsenden (5)

keine Kollision

bei Kollision

= Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection

neuer Versuch

Kanal besetzt (3)

Kanal frei (2)


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.


Problem: Kollisionserkennung Die maximale Signallaufzeit von Gigabit

Ethernet schränkt die Ausdehnung des Netzes auf 10 Meter ein, wenn Kollisionserkennung noch möglich sein soll


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.


5. Kapitel



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


Warum?

Ausblick

10 Gigabit Ethernet= 10 000 Mbit/s


„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


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


Danke!Ende


Noch Fragen?



I. Anhang

1. Einleitung2. Ethernet3. Fast Ethernet4. Gigabit Ethernet5. ZusammenfassungI. Vergleiche


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


Nachteile des Gigabit Ethernet Nachteile

reine LAN-Technologie nicht besonders attraktiv für

vehemente Token-Ring-Anwender


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)


Konzeption des FDDI-LANs Zur Überbrückung von

Leistungsfehlern aus zwei Ringen konzipiert Primärring Sekundärring

als Backup-Ring oder zur Kapazitätssteigerung (Dual-MAC)


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


ATM Nachteile

sehr komplex hoher Schulungsaufwand ATM muss sichtbar für Anwendungen

werden z. Zt. geringes Interesse am Einsatz

von Sprachübertragung über ATM im LAN


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


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


VergleichFunktionen Gigabit

EthernetFast Ethernet

ATM FDDI

IP kompatibel

Ja Ja RFC 1577 oder LANE; MPOA

Ja, 802.1h

Ethernet Pakete

Ja Ja Ja, aber Änderungen in den Applikationen nötig

Ja

Quality of Service

Ja, mit RSVP und 802.1p


Zuordnung von 802.1p zu SVC


VLANs mit 802.1Q/p

Ja Ja Benötigt Zuordnung von SVC zu 802.1Q

Ja


Weitere Informationen http://www.ieee.org http://www.gigabit-ethernet.org http://www.10gea.org http://www.uwsg.iu.edu/usail/exter

nal/ethernet/ethernet-guide.html

http://www.seas.upenn.edu/~ross/applets/daniel_brushteyn/enet.html (CSMA/CD Simulation)



Sondermüll Aus Vortrag entfernte Folien Bildersammlung


Längenrestriktionen für 100Base-T-Ethernet

Grafik Zenk99 4.19


FDDI-Ring-Topologie

Klasse A Klasse A?


Gigabit Ethernet


Begriffe/Glossar LAN = Local Area Network



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


Repeater Ein Repeater verstÃ¤rkt und

synchronisiert Netzwerksignale auf Bit-Ebene

neu. Repeater kÃ¶nnen als Singleport-Repeater

reine Ein- oder AusgangsgerÃ¤te 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.

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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 groÃŸen

Netzwerken. Durch sie kann jeder Computer, der Ã¼ber die

geeigneten Protokolle verwendet, mit einem

beliebigen Computer auf der ganzen Welt (oder

darÃ¼ber hinaus) kommunizieren! Sie erfÃ¼llen

Ã¼ber diese Grundfunktionen hinaus auch noch viele

andere Aufgaben.


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 GerÃ¤te sich gegenseitig beeintrÃ¤chtigen und beschÃ¤digt werden. Der Netzwerkbereich, aus dem die Datenpakete stammen und in dem die Kollision stattfindet, wird als KollisionsdomÃ¤ne bezeichnet.

Damit wird die Gesamtheit der Umgebungen mit einem gemeinsamen Ãœbertragungsmedium bezeichnet, in denen Kollisionen auftreten. Ein Kabel kann beispielsweise Ã¼ber 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 KollisionsdomÃ¤ne. Im weiteren Verlauf des Curriculums werden wir uns mit dem Begriff "KollisionsdomÃ¤ne" ausfÃ¼hrlicher befassen.


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.


CSMA/CD


Netzwerkadapterkarte

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