Netzwerktechnik: Datenübertragung, Fehlererkennung, Zugriffsverfahren und Token Ring

Grundlagen der Datenübertragung und Netzwerktechnik

Ein Netzwerk ermöglicht den Datenfluss zwischen Geräten. Die Basis bildet die physische Schicht (z. B. MDIO bzw. MII), die die Übertragung der Bits über das Medium regelt. Um Daten sicher zu übertragen, werden Zeichen eingefügt, Sonderzeichen geschützt und Bits im Code ergänzt.

Fehlererkennung mit CRC16

Die CRC16-Prüfsumme wird verwendet, um Übertragungsfehler zu erkennen:

• Erkennt keine Fehler bei ungerader Anzahl fehlerhafter Bits nicht zuverlässig, sondern prüft gezielt auf typische Muster.
• Erkennt Burst-Fehler mit einer Länge von 16 Bit oder weniger zuverlässig.
• Erkennt sehr hohe Burst-Fehler mit größerer Länge nur mit geringer Wahrscheinlichkeit.

Die Sicherungsschicht (Data Link Layer)

Die Sicherungsschicht wird in zwei Unterebenen unterteilt:

• LLC (Logical Link Control): Übernimmt typische Funktionen der Sicherungsschicht wie Flusskontrolle und Fehlerbehandlung.
• MAC (Medium Access Control): Regelt den Zugriff mehrerer Geräte auf ein gemeinsam genutztes Medium. Es gibt zwei Arten:
  • Dynamische Verfahren: Zugriff wird zur Laufzeit verteilt; Gefahr von Kollisionen und Verschwendung von Bandbreite.
  • Statische Verfahren: Die Medienzuteilung erfolgt fest. Zentral: Ein Element ist für die Zuteilung zuständig. Verteilt: Alle Geräte übernehmen die Zuteilung gemeinsam.

Zugriffsverfahren und Kollisionsbehandlung

Zur Enumeration und Beschreibung der Zuweisungstechniken gehören:

• ALOHA: Sender senden, sobald Daten vorliegen; bei Kollisionen wird nach einer zufälligen Wartezeit erneut gesendet.
• Slotted ALOHA: Übertragung nur zu festen Zeitschlitzen, dadurch weniger Kollisionen.
• CSMA (Carrier Sense Multiple Access): Vor dem Senden wird geprüft, ob das Medium frei ist.
  • 1-persistentes CSMA: Sendet sofort, sobald das Medium frei ist.
  • Nicht-persistentes CSMA: Wartet bei belegtem Medium eine zufällige Zeit.
  • p-persistentes CSMA: Sendet mit Wahrscheinlichkeit p, sonst wird im nächsten Zeitschlitz erneut geprüft.
• CSMA/CD: Erkennt Kollisionen während der Übertragung und bricht sie ab.
• Reservierungsverfahren: Der Zugriff wird vorab reserviert oder abgesprochen.

Im drahtlosen Netz (Wireless) ist die Kollisionserkennung schwieriger, weshalb meist Kollisionsvermeidung (CSMA/CA) eingesetzt wird.

Unterschiede zwischen transparenten Bridges und Source Routing

Transparente Bridges: Arbeiten im Promiscuous-Modus und akzeptieren alle übertragenen Rahmen im LAN. Sie lernen die Topologie selbstständig und nutzen Flooding, wenn der Zielort unbekannt ist.

Source Routing Bridges: Der Sender kennt die Topologie und gibt die Route im Rahmen an. Ist der Zielort unbekannt, wird ein spezieller Discovery-Rahmen per Flooding gesendet. Der Empfänger antwortet, und der Sender verwendet anschließend die gelernte Route.

Funktionsweise von Token Ring

Token Ring verwendet verdrillte oder Glasfaser-Kabel und unterstützt Geschwindigkeiten von 1, 4, 16 und 100 Mbit/s. Die Übertragung erfolgt nach dem Token-Prinzip: Ein spezieller Rahmen, das Token, zirkuliert im Ring. Nur der Besitzer des Tokens darf senden. Die physikalische Topologie ist eine Stern-, die logische eine Ring-Topologie; Bypass-Ports überbrücken ausgefallene Stationen.

Die Rückkehrzeit des Tokens (Token Holding Time) beträgt typischerweise 10 ms.

Das Sliding-Window-Protokoll

Beim Sliding-Window-Verfahren können mehrere Rahmen gesendet werden, bevor eine Bestätigung eintrifft:

• Der Sender darf mehrere Rahmen übertragen, ohne auf jede einzelne Bestätigung zu warten.
• Der Empfänger bestätigt den Empfang fortlaufend; bestätigt werden alle Rahmen bis zur gewünschten Sequenznummer.
• Die Fenstergröße beträgt bei n Bit Sequenznummern maximal 2ⁿ − 1 (bzw. 2^n-1 bei Selective Repeat).

Bridges: Definition, Typen und Einsatz

Bridges verbinden Netzsegmente auf der Sicherungsschicht (Layer 2), ohne die Daten inhaltlich zu verändern.

• Lokale Bridges: Verbinden direkt benachbarte, physisch nahe Netze.
• Remote-Bridges: Verbinden entfernte Netze, oft über Telefonleitungen oder Weitverkehrsstrecken.