Local Area Network

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Ein Lokales Netzwerk (engl. local area network) ist ein Zusammenschluss mehrerer selbstständiger elektronischer Systeme, insbesondere Computer, Hubs und Switches.

Die Definition des Instute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) lautet folgendermaßen:

"A Local Area Network (LAN) is a network used for bitserial communication of information between interconnected, independent devices and is completely under user jurisdiction and is limited to being within an user's premises."

Inhaltsverzeichnis 1 Grundlagen 1.1 Topologie 1.2 Zugriffssteuerung 1.3 Zugriffsverfahren 2 Weit verbreitete Zugriffsverfahren 2.1 CSMA/CD 2.2 Token Ring 2.3 Token Bus 3 Weiterentwicklungen 3.1 Entwicklung der Netzlandschaft 3.2 Hochgeschwindigkeitsnetze

Grundlagen

Topologie

Bustopologie

Hier sind die Endgeräte passiv am Trägermedium angeschlossen und lauschen, ob eine vorbeigehende Nachricht für sie bestimmt ist. Falls dies zutrifft, wird die Nachricht kopiert und entsprechend verarbeitet. Dadurch kann ein Ausfall bzw. ein Neuanschluss eines Gerätes den laufenden Betrieb des Netzes nicht stören. Die Empfangssicherheit ist hier aber nicht gewährleistet, da eine Nachricht an dem Zielgerät unbemerkt vorbeiläuft, wenn dieses zu dem Zeitpunkt nicht empfangsbereit ist.

Um bei Basisbandübertragung Reflexionen der Wellen am Busende zu vermeiden, müssen diese mit einem Abschlusswiderstand terminiert werden.

Der Aufbau des Netzes kann auch baumartig erfolgen, insbesondere beim Trägerfrequenzverfahrens, dabei ist es aber in der Regel notwendig, dass das Signal verstärt wird. Um dabei bessere Ergebnisse zu erzielen wird zum Empfangen und Senden ein eigenes Kabel bzw. Frequenzband verwendet.

Es liegt auch in der Natur eines Busses, das jeder Teilnehmer ein Datum zu sehen bekommt, ob er es Empfangen soll oder nicht, dadurch kann man leicht andere Teilnehmer abhören. Durch die passive Natur der Teilnehmer ist dies hier besonders leicht, dabei unbemerkt zu bleiben.

Ringtopologie

Die Teilnehmer sind aktiv angeschlossen und entfernen so bei jedem Empfangsvorgang das Datum aus dem Netz. Dieses Datum wird dann repliziert und weitergeschickt. Dies ist notwendig, da jeder Teilnehmer je eine Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zu seinen zwei direkten Nachbarn hat. Der Ring ist somit in Segmente unterteilt.

Beim Entfernen oder Hinzufügen eines Gerätes kann es zu Unterbrechungen des Ringes kommen.

Da jedes Datum, das eine Station durchläuft, empfangen, kopiert und weitergeschickt wird, entsteht bei jedem Teilnehmer eine kurze Verzögerung, der sog. Stationslatenz, die in Bits gemessen wird.

Sterntopologie

Eine Sterntopologie besteht aus Punkt-zu-Punkt-Verbindungen von Endgerät zu einem Vermittlungsknoten, dem sog. Sternkoppler. Dies kann ein Hub oder ein Switch sein. Der Unterschied ist hier, dass ein Hub nach dem Prinzip eines Schnittstellenvervielfachers arbeitet und ein Switch wie ein Konzentrator.

Zusätzlich zur Topologie stellen sich weitere Fragen nach dem Übertragungsverfahren und -weg. Als Verfahren wird fast nur das Basisbandverfahren verwendet. Die Ausnahme ist bei der baumartigen Bustopologie, wo üblicherweise nach dem Trägerfrequenzverfahren vorgegangen wird. Als Übertragungsweg kommt jedes Medium in frage, das eine hohe Bandbreite und Störsicherheit gewährleisten kann. Beispiele hierfür sind Koaxialkabel, Lichtwellenleiter, Twisted-Pair-Kabel und Funkwellen.

Zugriffssteuerung

Da die Netzteilnehmer per Definition unabhängig von einander sind, lässt sich nicht reglementieren, wann ein Teilnehmer etwas senden will. Dadurch kann es zu Kollisionen bei der Datenübertragung kommen, d.h. eine Datum wird durch ein zweites überlagert und beide somit verfälscht. Zur Kollisionsvermeidung gibt es verschiedene Ansätze, die alle in der Sicherungsschicht angesiedelt ist, die hierfür in zwei Teilschichten zelegt wird.

Logical Link Control

Hier findet alles statt, was nicht von der Netztopologie abhängt und nicht zeitkritisch ist, beispielsweise das Verbindungshandling. Dadurch wird der Netzwerkschicht eine einheitliche Schnittstelle präsentiert.

Media Access Control

In dieser Teilschicht finden alle Zeitkritischen Funktionen der Sicherungsschicht statt, z.B. CRC-Prüfung und Adressierung, aber auch die Zugriffssteuerung.

Zugriffsverfahren

Man unterscheidet zwei Arten von Zugriffsverfahren:

deterministische Verfahren

Hier wird das Zugriffsrecht, auf das Medium, explizit einem Teilnehmer zugewiesen und nur dieser darf Senden solange er im Besitz dises Rechtes ist. Die Zuweisung der Zugriffsrechte kann zentral oder dezentral geschehen.

nicht deterministische Verfahren

Bei dieser Vorgehensweise werden keine Kollisionen vermieden, stattdessen wird beobachtet ob eine stattgefindet und im Fehlerfall werden dann Maßnahmen ergriffen um diese Kollision zu beheben.

Weit verbreitete Zugriffsverfahren

CSMA/CD

Die Abkrürzung CSMA/CD steht für Carrier Sense with Multiple Access and Collision Detection und gehört zu den nicht deterministischen Verfahren und wurde für Bussysteme konzipiert, später aber auch für den Einsatz in Sterntopologien angepasst. Es wurde vom IEEE als 802.3 genormt und für ein 75 Ω-Koaxialkabel mit einer maximalen Übertragungsrate von 10 MBit/s definiert.

Um Kollisionen zu entdecken, überwacht eine sendende Station, solange das Trägermedium, ob eine weitere Kommunikation stattfindet, bis seine Übertragung beendet ist. Danach wird sie als erfolgreich angesehen. Es sollte mindestens solange überwacht werden, wie das letzte Signal braucht um vom einen Ende des Busses zum anderen und wieder zurück zu gelangen. Deshalb wurde abhängig von der Leitungslänge eine bestimmte Mindestlänge der PDUs festgelegt. Diese ergibt sich aus der physikalischen Ãœbertragungsgeschwindigkeit (ca. 2/3 Lichtgeschwindigkeit) und der Ãœbertragungsrate. Bei einer Ãœbertragungsrate von 10 Mbit/s und einer maximalen Entfernung von 2,5 km ist eine Mindestlänge von 64 Byte vorgeschrieben. Kleinere Datenframes müssen entsprechend aufgefüllt werden.

Wurde eine Kollision entdeckt, brechen alle Beteiligten ihre Übertragungen ab und senden ein spezielles Störsignal. Anschliessend warten die Betroffenen eine gewisse Zeit ab und versuchen es erneut. Nach 16 Kollisionen bei einem Übertragungsvorgang wird dieser endgültig abgebrochen und die höheren Schichten entsprechend informiert. Die Wartezeit hängt von der Anzahl bereits erfahrener Kollisionen und einem Zufallsanteil ab. Statistisch gesehen ist die mittlere Wartezeit nach der i-ten Kollision:

Aus diesem Grund ist CSMA/CD kein faires Zugriffsverfahren, und ein Teilnehmer kann "verhungern", während ein anderer ständig senden kann.

Durch die Anzahl der Kollisionen und die darauf folgende Sendestille begrenzt die nutzbare Datenübertragungsrate im Durchschnitt auf etwa 70%. Je mehr aktive Teilnehmer am Bus angeschlossen sind, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit einer Kollision und lässt CSMA/CD recht schnell an Effektivität verlieren.

Token Ring

Ein Token Ring wird bei Bustopologien eingesetzt und gehört zu den deterministischen Verfahren, bei denen das Zugriffsrecht in Form von Tokens explizit zugeteilt wird. Diese Token haben in der Regel nur eine Länge von 1 Bit und beschreiben dadurch ob der Ring frei oder belegt ist. Bekommt eine Station ein Frei-Token und hat in ihrem Puffer etwas zu senden, kippt sie das Bit des Tokens und sendet dahinter das zu sendende Datum. Anschliessend wird wieder ein Freitoken gesendet, abhängig von der Art des Token Rings.

Da jedes Datum den gesamten Ring einmal komplett durchläuft und erst von der Sendestation aus dem Ring entfernt wird, wird eine Station als Monitor definiert, um bei ausfall der Sendestation ein endloses Kreisen des Datums zu verhindern. Dieser Monitor kennzeichnet jedes vorbeiziehende Belegt-Token. Wenn nun ein solches Token noch einmal an der Station vorbeikommt, wird dieses mitsamt dem nachfolgenden Datum entfernt und ein Frei-Token gesendet. Die Funktionsfähigkeit des Monitors wird von den restlichen Stationen überwacht.

Single Frame Ring

Bei diesem Verfahren befindet sich zu einem Zeitpunkt nur ein Datagramm oder ein Frei-Token auf dem Medium und erst nachdem das Datum wieder komplett beim Sender angelangt ist und aus dem Ring entfernt wurde, wird ein Frei-Token verschickt.

Single Token Ring

Hier wird das Frei-Token bereits auf den Ring gelegt,wenn der Sender das erste Bit seines Datums wieder empfängt, dadurch kann es passieren, dass mehrere Daten zu einem Zeitpunkt auf dem Ring sind, aber nie zwei Tokens.

Multiple Token Ring

Beim Multiple Token Ring wird nach versenden des letzten Bits eines Datums schon das Frei-Token auf den Ring gelegt, wodurch es passieren kann, dass ein Frei-Token und ein oder mehrere Belegt-Token im Umlauf sind.

Token Bus

Um den passiven Bus-Anschluss und die deterministische Zugriffssteuerung des Token-Rings zu kombinieren, wurde vom IEEE der Standard 802.4 definiert.

Beim Token Bus wird im Gegensatz zum Token Ring das Senderecht nicht an den physikalisch nächsten Teilnehmer weitergerecht, stattdessen haben die Teilnehmer eine logische Reihenfolge. Dazu steht im Frei-Token, die logische Adresse der Station, die als nächstes senden darf. Hierfür muss allerdings jeder seinen logischen Nachbarn kennen, was bei der passiven Natur der Bustopologie nicht ohne gewissen Aufwand zu realisieren ist.

Weiter Unterschiede zum Token ring sind:

1. Ein Monitor ist hinsichtlich der Busstruktur hinfällig, da ein Datum irgendwann das ende des Busses erreicht und terminiert wird.
2. Das Frei-Token kann erst gesendet werden, wenn sicher ist, dass das Datum den Bus bereits verlassen hat.
3. Durch die Adressierung des Frei-Tokens, kann die Weitergabe erfolglos sein, wenn die adressierte Station ausgefallen ist.

Weiterentwicklungen

Entwicklung der Netzlandschaft

In den letzten Jahren sind bereits Entwicklungen in Gang gekommen, u.a.:

1. Vereinheitlichung der Netze im lokalen Bereich
2. Aufteilung zwischen Zugangsbereich und Kernnetz (Backbone-Netz)
3. transparente Koexistenz verschiedenartiger Übertragungsarten und Protokolle

Protokolltechnisch hat sich im lokalen Bereich das Ethernet und seine Weiterentwicklungen durchgesetzt, im Kernnetz ist man allerdings gezwungen auf verlässlichere verbindungsorientierte Kommunikationstechniken zu setzen,

Hochgeschwindigkeitsnetze

Fast Ethernet

Beim Fast Ethernet wurde ein Standard etabliert, der abwärtskompatibel zum älteren Ethernet ist. Die Datenübertragungsrate wurde auf 100 MBit/s erhöht.

Es wird nach wie vor keine Kollisionsvermeidung durchgeführt, man verlässt sich stattdessen auf die Sternkoppler, die den Verteilnetzcharacter des Ethernets durch Adressauswertung umgehen.

Kollisionsresistenz soll erst bei 10-GBit-Ethernet ein Thema werden, wodurch dann auch die Kompatibilität zum klassischen CSMA/CD verloren geht.

Fiber Distributed Data Interface (FDDI)

FDDI ist ein auf Lichtwellenleiter basierender Token Ring mit einer maximalen Länge von 200 km und einer Übertragungsrate von 100 MBit/s. Die Spezifikation sieht vor, zusätzlich einen zweiten gegenläufigen Ring zu verlegen, falls der primäre ausfällt.

Distributed Queue Dual Bus (DQDB)

DQDB wurde entwickelt, um isochronen Diensten eine Mindestkapazität zur Verfügung zu stellen aber den normalen Datenverkehr nicht übermäßig zu beschränken.

Die Technik basiert auf zwei gegenläufigen LWL-Bussen und bietet bis zu 155 MBit/s. Die Zugriffssteuerung ist deterministisch, wobei der Zugriff bei isochronen Diensten zentral und beim Burst-Verkehr dezentral durch verteilte Warteschlangen geregelt wird.

Asynchronous Transfer Mode (ATM)

Durch Verbesserung der Qualität der Übertragunsg- und Vermittlungstechnik kann man z.B. auf doppelte Sicherungsmechanismen in den Schichten 2 und 3 aufgeben. Dadurch wurde die Paketvermittlung schneller und ermöglichte damit die Entwiclkng der ATM-Technik.

Hierbei werden Pakete fester Länge (48 Byte Nutzlast und 5 Byte Protokollsteuerinformationen) sog. Zellen über gewählte Verbindungen in der Schicht 2 vermittelt. Dies ist für isochrone Dienste äußerst effizient, führt, beim normalen Datenverkehr, durch die notwendige Segmentierung und Reassemblierung aber auch zu einem Mehraufwand.

Vorgesehene Datenraten reichen von 155,52 MBit/s bis 2,488 GBit/s.

Es gibt keine Entfernungsbeschränkungen.

Asynchronous Digital Subscriber Line (ADSL)

ADSL basiert auf dem Telefonnetz, über das im Frequenzbereich 138 - 1104 kHz Daten übermittelt werden. In diesem Frequenzbereich werden keine Telefongespräche gestört, was ein gleichzeitiges Telefonieren erlaubt.