Grundlagen der Sicherungsschicht und Netzwerkprotokolle

Die Sicherungsschicht (Data Link Layer)

Die Sicherungsschicht stellt sicher, dass die Integrität der empfangenen Pakete von der physikalischen Schicht gewährleistet ist (Fehlerkontrolle etc.).

Hintergrund

Sie unterteilt eine Folge von Bits in Übertragungsrahmen. Dies dient dazu, Bandbreitenverschwendung zu vermeiden, die Fehlerkontrolle zu erleichtern und den Wettbewerb in der physischen Umgebung zu reduzieren.

Methoden der Rahmenbildung

• Anzahl Zeichen: Ein zusätzliches Feld gibt die Anzahl der Zeichen im Rahmen an.
• Zeichen-Stuffing: Einfügen von Flags, die den Beginn und das Ende des Rahmens anzeigen.
• Bit-Stuffing: Einfügen von Bits bei Nachrichten mit einer beliebigen Anzahl von Bits.
• Code-Verletzung: Hoch-Tief-Übertragung für Bit 1, Niedrig-Hoch für Bit 0.

Fehlerkontrolle

Durch Protokolle zur Erkennung und Korrektur von Fehlern. Bei beschädigten Daten führt der Empfänger eine Neuberechnung durch und vergleicht diese mit dem vom Sender gesendeten Prüfwert.

Bei hoher Latenz (z. B. Satellitenverbindungen) ist eine Fehlerkorrektur auf der Sicherungsschicht oft effizienter als eine reine Fehlererkennung. Zur Identifizierung von verlorenen oder doppelten Rahmen werden Bestätigungspakete (ACKs) und Sequenznummern im Header verwendet.

Flusskontrolle

Dient dazu, eine Überlastung des Empfängers zu vermeiden. Ein bekanntes Protokoll ist Stop-and-Wait, bei dem der Sender auf eine Bestätigung wartet, bevor der nächste Rahmen gesendet wird (Nachteil: geringe Bandbreiteneffizienz).

Erweiterte Protokolle

• Sliding Window: Sender und Empfänger tauschen Daten und Bestätigungen gleichzeitig aus, was die Effizienz steigert.
• Go-Back-N: Bei einem Fehler werden alle nachfolgenden Rahmen verworfen und die Übertragung ab dem fehlerhaften Rahmen wiederholt.
• Selective Repeat: Nur der fehlerhafte Rahmen wird erneut angefordert; dies ist effizienter als Go-Back-N.

Beispiele für Protokolle

• HDLC: Punkt-zu-Punkt-Verbindungen.
• SLIP: Einfach, keine Fehlererkennung, geringe Sicherheit.
• PPP: Unterstützt Authentifizierung.

Medienzugriffsverfahren

ALOHA-Protokolle

• ALOHA: Übertragung zu jeder Zeit, hohe Kollisionsrate, ineffizient.
• Slotted-ALOHA: Übertragung nur zu Beginn eines Zeitfensters, reduziert Kollisionen.

CSMA-Protokolle (Carrier Sense Multiple Access)

Stationen hören die Umgebung ab, bevor sie senden.

• 1-persistent CSMA: Sendet sofort, wenn das Medium frei ist.
• Non-persistent CSMA: Wartet bei Belegung eine zufällige Zeit.
• p-persistent CSMA: Sendet mit einer Wahrscheinlichkeit p.
• CSMA/CD (Collision Detection): Bricht die Übertragung bei Kollisionserkennung ab.

Weitere Verfahren

• Bitmap-Protokoll: Stationen kündigen ihre Sendeabsicht in Runden an.
• Binäres Zählverfahren: Stationen senden ihre Adresse binär, um Kollisionen zu vermeiden.

Drahtlose Netzwerke und Probleme

In drahtlosen Netzwerken treten Probleme wie die Hidden Station (C sendet an B, stört A) oder Exposed Station auf. Lösungen bieten Protokolle wie CSMA-CA mit RTS/CTS.

IEEE 802 Standards

• 802.1: Interface-Primitive.
• 802.2: Logical Link Control (LLC).
• 802.3: Ethernet (CSMA/CD).
• 802.4: Token Bus.
• 802.5: Token Ring.

Ethernet-Varianten

• 10BASE2: Dünnes Koaxialkabel.
• 10BASE-T: Twisted Pair.
• 100BASE-FX: Glasfaser.

WLAN (IEEE 802.11)

Unterscheidet zwischen Infrastruktur-Modus (Access Point) und Ad-hoc-Modus. Techniken umfassen FHSS, DSSS und OFDM. 802.16 ist für stationäre Breitbandverbindungen konzipiert.