Netzwerkprotokolle und Verkabelung: Link Layer Optimierung

Link Layer Protokolle und Zugriffsverfahren

Zugriffsverfahren (Wettbewerb um das Medium)

Diese Verfahren regeln den Wettbewerb um die Übertragungskapazität im Medium.

ALOHA-Protokolle

• Reines (Pure) ALOHA (Effizienz: 18,4% bei niedrigem Verkehr): Stationen senden sofort und warten auf Bestätigung.
• Geschlitztes (Slotted) ALOHA (Effizienz: 36,8%): Die Zeitachse ist in Zeitschlitze unterteilt. Der Sendeversuch beginnt nur am Anfang eines Schlitzes. Die Formel lautet: $S = G \cdot e^{-G}$.

Parameter für ALOHA:

• $S$ (Anzahl der erfolgreich gesendeten Frames pro Zeitschlitz).
• $G$ (Anzahl der gesendeten Frames pro Zeitschlitz, inkl. Wiederholungen).
• Wenn $G = S$: Keine Kollisionen.
• Wenn $G > S$: Kollisionen treten auf.

Rahmenzeit: $\text{Zeitrahmen} = \frac{\text{Frame-Größe (Bits)}}{\text{Übertragungsgeschwindigkeit (Bit/s)}}$

CSMA-Protokolle (Carrier Sense Multiple Access)

Die Übertragung wird verzögert, wenn das Medium belegt ist. Dies vermeidet Kollisionen, kann aber bei Überlastung zu Problemen führen (Bestrafungszeit).

• Persistent CSMA-1: Wenn das Medium frei ist, wird sofort gesendet. Wenn belegt, warten, bis es frei wird, und dann senden. Optimal für niedrigen und konstanten Verkehr.
• Nicht-Persistent CSMA-0: Wenn das Medium belegt ist, wird eine zufällige Zeit gewartet, bevor erneut geprüft wird. Reduziert Kollisionen, aber die Auslastung kann sinken.
• P-persistent CSMA: Ein gemischter Ansatz. Mit Wahrscheinlichkeit $p$ wird gesendet, wenn das Medium frei ist, und mit Wahrscheinlichkeit $1-p$ wird gewartet.

CSMA/CD (Collision Detection)

Ähnlich wie CSMA, aber die Übertragung wird sofort gestoppt, sobald eine Kollision erkannt wird. Dies reduziert die Sendezeit bei Kollisionen.

Kollisionsvermeidung (Controlled Access)

• Polling (Abfrage): Jedem Gerät wird eine feste Sendechance zugeordnet.
• Reservation (Reservierung): Vor der Übertragung wird ein Sendeplatz reserviert.
• Token Passing (Token-Übergabe): Ein spezielles Token zirkuliert. Nur wer das Token besitzt, darf senden (z.B. bei MLMA).

Weitere Zugriffsverfahren

• MAP BITS: Es werden Bits gesendet, die anzeigen, welche Stationen senden dürfen (1 = Senden erlaubt). Optimiert bei hohem Verkehr.
• BRAP (Broadcast Reservation Access Protocol): Einer Station wird ein Sendezeitfenster zugeordnet, das durch die Bitkarte bestimmt wird.
• MLMA (Multiple Listen Multiple Access): Optimiert für hohen Verkehr durch die Nutzung von Listen (Reihen).
• Limited Contention: Mischform, oft in Gruppen organisiert.
• Tree Traversal: Geeignet für hohen Verkehr mit wenigen Stationen pro Gruppe.

Strukturierte Verkabelung und Übertragungseigenschaften

Vorteile der strukturierten Verkabelung: Flexibilität, Einsatz von UTP/FTP-Kabeln.

Kabelkategorien (Frequenzbereiche)

• Cat3: 16 MHz
• Cat4: 20 MHz
• Cat5: 100 MHz
• Cat5e: 100 MHz (Gigabit, 1000BaseT)
• Cat6: 200 MHz (Empfohlen für horizontale Verkabelung)
• Cat7: 600 MHz (STP-Kabel)

Übertragungseigenschaften

• Dämpfung (Attenuation, dB): Signalverlust während der Übertragung. Niedrigerer Wert ist besser für die Übertragungsqualität.
• Impedanz (Ohm): Widerstand gegen Wechselstrom bei mittlerer Frequenz (typischerweise 90–150 Ohm).
• Resistance (Ohm): Gleichstromwiderstand des Leiters.
• NEXT (Near-End Crosstalk, dB): Übersprechen zwischen benachbarten Adernpaaren. Höherer Wert ist besser (bessere Isolierung).
• FEXT (Far-End Crosstalk, dB): Übersprechen am Ende der Leitung. Höherer Wert ist besser.
• ACR (Attenuation to Crosstalk Ratio): Kombination aus Dämpfung und NEXT.
• Power-Sum NEXT & Power-Sum ACR: Messung der Isolierung aller benachbarten Paare unter Signaleinfluss.
• Return Loss (dB): Maß für die Reflexion des Signals am Medium. Höherer Wert bedeutet weniger Reflexion.
• Time Spread (ns): Zeitspanne der Signalverteilung (typischerweise 500 ns – 90 ms).
• Propagation Delay Variation (ns): Maximale Abweichung der Signallaufzeit (typischerweise $\pm 50$ ns).

Verkabelungsarten

• Horizontale Verkabelung: RJ45-Stecker (8 Kontakte, 8 Adern bei FTP). Maximale Distanz 90 m, plus 10 m Patchkabel.
• Vertikale Verkabelung: Verbindung zwischen Verteilerfeldern über größere Distanzen. Unterstützt oft Glasfaser (FO 50/125 Multimode) mit 8 Fasern pro Schrank. Bessere Signalqualität über lange Strecken. Verwendet ST- und SC-Stecker.

Frame-Format (Datenstruktur)

Der Frame wird seriell (Bit für Bit) übertragen, typischerweise im LSB-zu-MSB-Format.

Bestandteile des Frames

• Präambel (7 Bytes): Sequenz von 7 Bytes im Muster 10101010 (dient der Synchronisation, oft Manchester-Kodierung).
• Start Frame Delimiter (SFD) (1 Byte): Sequenz 10101011, markiert das Ende der Präambel und den Beginn des eigentlichen Frames.
• Zieladresse (@ Target) und Quelladresse (@ Home) (2 oder 6 Bytes): Identifikationsnummern. Das letzte Bit (LSB) bestimmt, ob es sich um eine Einzeladresse (0) oder eine Gruppenadresse (1) handelt. Bei 6 Bytes: Zusätzliche Bits zur Unterscheidung von globalen/lokalen oder administrativen Adressen. Bei Ethernet II: 3 Bytes Hersteller-ID und 3 Bytes eindeutige Anpassungs-ID.
• Länge / Protokoll-ID (2 Bytes): Gibt die Länge des Datenfeldes an.
• Datenfeld (Payload): Die eigentlichen Nutzdaten.
• PAD (Variable Länge): Füllfeld, falls die Datenlänge nicht ausreicht, um die minimale Frame-Größe zu erreichen.
• Frame Check Sequence (FCS) (4 Bytes): Fehlererkennung mittels CRC-32-Code. Der Sender teilt ein generiertes Polynom durch das CRC-Polynom. Der Empfänger führt die gleiche Division durch; wenn der Rest 0 ist, ist der Frame gültig.