Die Sicherungsschicht (link layer) hat die Aufgabe, Rahmen von einem Knoten über einen Link zu einem direkt benachbarten Knoten zu transportieren.

Verwendete Terminologie:

• Hosts und Router sind Knoten

• Kommunikationskanäle auf dem Weg vom Sender zum Empfänger sind Links

  • Kabelgebundene Links

  • Drahtlose Links

  • LANs

• Ein Paket der Sicherungsschicht nennt man Rahmen (engl. Frame)

  • Ein Rahmen enthält üblicherweise ein Datagramm der Netzwerkschicht

• Ein Datagramm wird von verschiedenen Protokollen der Sicherungsschicht über verschiedene Links transportiert:

  • Beispiel: Ethernet auf dem ersten Link, dann Frame Relay, dann IEEE 802.11

• Jedes dieser Protokolle kann unterschiedliche Dienste anbieten

  • Diese Protokolle können z.B. zuverlässige oder nur unzuverlässige Übertragung anbieten

Analogie:

• Reise von Princeton nach Lausanne

  • Taxi: Princeton zum JFK-Flughafen

  • Flugzeug: JFK-Flughafen nach Genf

  • Zug: Genf nach Lausanne

• Tourist = Datagramm

• Reiseabschnitt = Link

• Art des Transportes = Protokoll der Sicherungsschicht

• Reisebüro = Routing-Protokoll

• Rahmenbildung und Zugriff auf den Link:

  • Verpacken eines Datagramms in einen Rahmen, Hinzufügen von Header und Trailer

  • Zugriff auf den Kanal (schwierig, wenn dieser von mehreren Knoten verwendet wird)

  • “MAC”-Adressen (Medium Access Control) werden im Header von Rahmen verwendet, um Sender und Empfänger zu kennzeichnen

    • Verschieden von IP-Adressen!

• Zuverlässige Datenübertragung zwischen benachbarten Knoten

  • Funktion ist bereits bekannt

  • Seltener Einsatz, wenn der Link sehr wenige Bitfehler verursacht

    • Glasfaser

    • Kupferkabel

• Drahtlose Links: hohe Bitfehlerrate

• Flusskontrolle:

  • Anpassen der Sendegeschwindigkeit an den Empfänger

• Fehlererkennung:

  • Fehler entstehen beispielsweise durch Abschwächen des Signals auf der Leitung und durch Rauschen

  • Der Empfänger sollte Fehler erkennen können, dann:

    Neuübertragung auslösen oder Rahmen verwerfen

• Fehlerkorrektur:

  • Der Empfänger erkennt und korrigiert Bitfehler, ohne eine Neuübertragung anzufordern

• Halbduplex und Vollduplex:

  • Bei Halbduplex können die Knoten an beiden Enden der Leitung übertragen – jedoch nicht gleichzeitig

• In jedem Host, in jedem Router

• Die Sicherungsschicht ist im Netzwerkadapter (Netzwerkkarte) implementiert

  • Ethernet-Netzwerkkarte, 802.11 WLAN-Karte

  • Enthält Sicherungsschicht und Physikalische Schicht

• An den Systembus des Hosts/Routers angeschlossen

• Kombination von Hardware, Software, Firmware

• Sender:

  • Verpacken von Datagrammen in Rahmen

  • Hinzufügen von Bits für die Fehlererkennung, die zuverlässige Datenübertragung, Flusskontrolle etc.

• Empfänger

  • Überprüfen auf Bitfehler, Flusskontrolle etc.

  • Extrahieren des Datagramms, Ausliefern an die Netzwerkschicht

Bitfehler:

• Verfälschung von Bits bei der Übertragung

• Beispiel:

  • Null-Bit werde durch 0 Volt repräsentiert

  • Eins-Bit durch 5 Volt

  • Entscheidungsschwelle sei 2,5 Volt

  • Übertragungsstrecke ist nicht optimal:

    => Rauschen, Signaldämpfung

  • Ergebnis: Empfänger empfängt Signalwert von 3 Volt, obwohl ursprünglich 0 Volt gesendet wurde. Es handelt sich dann um ein sogenanntes „umgekipptes“ Bit, d.h. um einen Bitfehler.

Paketfehler:

• Verfälschung von Dateneinheiten

  (Der Begriff Dateneinheit wird als Oberbegriff für Übertragungsrahmen unterschiedlichster Art verwendet)

• Fehlerarten:

  • Verlust/Duplizierung einer Dateneinheit

  • Empfang einer Phantom-Dateneinheit

  • Abweichung der Empfangsreihenfolge von Dateneinheiten

• Fehlerursachen:

  • Überlastung von Zwischensystemen

  • Unterschiedliche Wege durch das Netz

  • Verfrühte Datenwiederholung ...

Zwei Arten von “Links”:

• Punkt-zu-Punkt

  • Einwahlverbindungen

  • Verbindung zwischen Ethernet Switch und Host

• Broadcast (gemeinsam verwendetes Medium)

  • Ursprüngliches Ethernet

  • Upstream bei HFC (Internetzugang über das Fernsehkabelnetz)

  • IEEE 802.11 WLAN

• Aufteilen des Mediums

  • Die Datenrate des Mediums wird in kleinere Einheiten zerlegt

  • Jeder Station wird eine Einheit zur exklusiven Benutzung zugeordnet

• Wahlfreier Zugriff (Random Access)

  • Datenrate wird nicht unterteilt

  • Stationen können wahlfrei auf den ganzen Kanal zugreifen

  • Dabei kann es zu Kollisionen kommen

  • Kollisionen müssen geeignet behandelt werden

• Abwechselnder Zugriff

  • Die Zugriffe der Stationen werden koordiniert, es darf abwechselnd gesendet werden

  • Kollisionen werden vermieden

• Wenn ein Knoten ein Paket senden möchte

  • Senden mit voller Datenrate des Kanals

  • Keine vorherige Koordination zwischen Knoten

• Wenn mehrere Knoten gleichzeitig übertragen: Kollision

• Protokolle mit wahlfreiem Zugriff legen fest:

  • Wie Kollisionen erkannt werden

  • Wie Kollisionen behandelt werden (z.B. durch eine verzögerte Neuübertragung)

  • Beispiele für Protokolle mit wahlfreiem Zugriff:

    • CSMA (Carrier Sense Multiple Access)

      • Zuhören vor dem Übertragen:

      • Wenn der Kanal als leer erkannt wird: übertrage den Rahmen

      • Wenn der Kanal als besetzt erkannt wird: Übertragung verschieben

      • Analogie: nicht dazwischenreden, wenn jemand anderes gerade etwas sagt!

    • CSMA/CD (Collision Detection)

      • Carrier Sensing wie in CSMA

        • Kollisionen werden schnell erkannt

        • Übertragungen, die kollidieren, werden abgebrochen

      • Kollisionserkennung:

        • Einfach in drahtgebundenen LANs: messe die empfangene Signalstärke und vergleiche sie mit der gesendeten Signalstärke

        • Schwierig in drahtlosen LANs: Die empfangene Signalstärke wird von der eigenen Übertragung dominiert

      • Analogie: der höfliche Diskussionsteilnehmer

    • CSMA/CA

Token Passing

• Das Token ist ein spezieller Rahmen

• Er wird von Station zu Station weitergereicht

• Nur wer das Token besitzt, darf senden

• Ausprägungen: Token-Ring, Token-Bus

• Vorteile:

  • Aufteilung der Bandbreite erfolgt bedarfsorientiert

  • Keine Verschwendung von Bandbreite durch Kollisionen

  • Verteiltes Verfahren

• Nachteil Komplexität:

  • Verlust des Tokens

  • Verdoppeltes Token

• Aufteilung des Kanals anhand von Zeit, Frequenz (oder Code)

  • TDMA

  • FDMA

• Wahlfreier Zugriff

  • CSMA

  • CSMA/CD

  • Carrier Sensing: einfach für manche Medien (drahtgebunden), schwierig für andere Medien (drahtlos)

  • CSMA/CD von Ethernet verwendet

  • CSMA/CA (Collision Avoidance) in IEEE 802.11 WLAN

• Abwechselnder Zugriff

  • Token Passing

  • Bluetooth

  • FDDI

  • IBM Token Ring

32-Bit-IP-Adresse:

• Adresse auf der Netzwerkschicht

• Wird verwendet, um ein Datagramm zum Zielnetzwerk zu leiten

• Beinhaltet Ortsinformationen: Wo befindet sich das Zielnetzwerk?

48-Bit-MAC-Adresse:

• Wird verwendet, um einen Rahmen von einem Adapter zu einem benachbarten Adapter weiterzuleiten (im selben Netzwerk!)

• Keine Ortsinformationen, muss nur im gegebenen Netzwerk eindeutig sein

• Früher in das ROM der Netzwerkkarte eingebrannt, heute häufig durch Software veränderbar

• Die Zuordnung von MAC-Adressen wird von der IEEE überwacht

• Hersteller kaufen einen Teil des Adressraums (um die Eindeutigkeit der Adressen sicherzustellen)

• Analogie:

  • (a) MAC-Adresse: Rentenversicherungsnummer

  • (b) IP-Adresse: Postanschrift

• MAC:

  • flacher Adressraum ➜ Portabilität

  • Eine Netzwerkkarte kann problemlos von einem LAN in ein anderes LAN bewegt werden

• IP:

  • hierarchischer Adressraum ➜ keine Portabilität

  • Adresse hängt vom Subnetz ab, kann nicht (problemlos) in einem anderen LAN verwendet werden

Address Resolution Protocol (ARP)

• Verfahren um MAC-Adresse mit IP-Adresse heraus zu finden

• Jedes System in einem LAN hat einen ARP-Cache, in dem die Zuordnung von IP- zu MACAdressen gespeichert ist

• Jeder Eintrag ist mit einer Lebenszeit versehen, nach Ablauf der Lebenszeit wird der Eintrag gelöscht (typische Lebenszeit: 20 Minuten)

• Ansehen + Manipulieren des ARP-Caches mit dem Kommando arp

Beispiel:

• A möchte ein Datagramm an B schicken, die MAC-Adresse von B ist nicht im ARP-Cache von A

• A schickt eine ARP-Query als Broadcast-Rahmen, die Query enthält die IP-Adresse von B

  • Empfänger-MAC-Adresse = FFFF-FF-FF-FF-FF

  • Alle Systeme im LAN erhalten diese Anfrage

• B empfängt die ARP-Query, erkennt seine IP-Adresse und antwortet A mit seiner eigenen MAC-Adresse

  • Empfänger-MAC-Adresse = MAC-Adresse von A

• A trägt die Abbildung der IP-Adresse von B auf die MAC-Adresse von B im ARP Cache ein

  • Soft State: Informationen, die gelöscht werden, wenn sie nicht innerhalb einer gewissen Zeit aufgefrischt werden

• A schickt den Datagramm-rahmen, der die IP- und die MAC-Adresse von B enthält

• ARP ist “Plug-and-Play”:

  • Keine manuelle Konfiguration notwendig

Repeater:

• Signale verstärken und weiterleiten

• OSI-Modell: Schicht 1

• Keine Funktionalität bzgl. Wegfindung / Filtern

• Kein Einsatz zur Strukturierung des Netzwerkes

• Keine Verbindung unterschiedlicher Netzwerktechnologien

Hubs:

• gehören zur Bitübertragungsschicht

• Bits, die auf einem Link ankommen, werden auf alle anderen Links mit der Eingangsrate kopiert

• Die Übertragung aller über einen Hub verbundenen Knoten kann miteinander kollidieren

• Ein Hub puffert keine Rahmen

• Kein CSMA/CD im Hub: Die Netzwerkkarten der Hosts führen CSMA/CD aus (und erkennen Kollisionen)

• Ein Switch arbeitet auf der Sicherungsschicht

  • Empfängt Ethernet-Rahmen, puffert sie und leitet sie weiter

  • Untersucht den Header eines Rahmens und leitet ihn gezielt anhand der Empfängeradresse auf eine Ausgangsleitung weiter

  • Wenn ein Frame von einem Switch weitergeleitet wird, dann verwendet der Switch CSMA/CD

• Transparent

  • Endsysteme wissen nichts über die Gegenwart eines Switches

• Plug-and-Play, selbst lernend

  • Switches müssen nicht konfiguriert werden

• ermöglicht mehrere gleichzeitige Übertragungen

• Jeder Host hat einen eigenen Link zum Switch

• Ein Switch puffert Rahmen

• Das Ethernet-Protokoll wird auf jedem Link verwendet, es kann jedoch keine Kollisionen geben; Vollduplex

  • Jeder Link ist eine eigene Kollisionsdomäne

• Switching: E-nach-B und D-nach-A gleichzeitig ohne Kollisionen möglich

  • Geht nicht mit einem Hub!

• Jeder Switch besitzt eine SwitchTabelle mit folgenden Einträgen:

  • MAC-Adresse eines Hosts

  • Schnittstelle

  • über die der Host erreicht werden kann

  • Zeitstempel

• Ein Switch lernt, welche Hosts er über eine gegebene Schnittstelle erreichen kann:

  • Wenn er einen Rahmen empfängt, dann lernt der Switch, dass der Absender hinter dieser Schnittstelle liegen muss

  • Er trägt diese Information in die Switch-Tabelle ein

Verfahren:

• Cut Through

  Nach den ersten 12 Byte (Quell- und Zieladresse) wird entschieden, auf welchen Port das Paket weitergeleitet wird. Während auf dem Eingangsport noch der Empfang läuft, wird bereits gesendet. Das führt zu einer sehr geringen Paketverzögerung. Allerdings werden auch Pakete übertragen, die sich später als fehlerhaft erweisen.

• Store & Forward

  Die Entscheidung fällt nach dem Empfang des kompletten Pakets. Dadurch entsteht eine paketlängenabhängige Verzögerung. Dafür werden fehlerhafte Pakete erkannt. Diese Arbeitsweise entspricht der einer Bridge.

• Ring

  Der Switch arbeite wir ein Ringnetz, mit dem alle Ports verbunden sind. Am Eingangsport wird ein kurzer Header eingefügt, der am Zielport wieder entfernt wird. Vorraussetzung. Feste Rahmenlänge (z.B. ATM).

• Intelligent Switching

  Switch entscheidet selbst, je nach Netzlast und Fehlerhäfigkeit zwischen „modify cut through“ und „store & forward“.

-> Switche sind kein Allheilmittel für Performance-Probleme im Netz. Eine Analyse der Datenströme ist ebenso wichtig

Router:

• Können über mehrere Netzwerke hinweg den günstigsten Weg bestimmen

• OSI-Modell: Schicht 3

• Verbindet Ethernet-, TokenRing-, FDDI-Netze (aber auch LAN-WAN)

• Interne Routing -Tabelle ermöglicht die Auswahl des jeweiligen „Sub-Netzes“ und des günstigsten Weges für den weiteren Transport

• Kann einzelne Protokolle (Einzelprotokoll-Router), aber auch mehrere Protokolle (Multi-Protokoll-Router) routen

Gateway:

• Gehören eigentlich nicht zu den Kopplungselementen

• OSI-Modell: Schicht 3 - 7

• Verbindet verschiedene Netze unterschiedlichster Technologien miteinander

• Besteht aus Hard- und Software

• Wird über die Software derart konfiguriert, dass ggf. auch die Protokolle angepasst werden können