Datenkommunikation - FET

Einfache LAN Topologien:
- Bus
- Ring
- Star
- Tree
Zu unterscheiden zwischen
- physikalische Topologien
- logische Topologien
server
full-duplex links
Bild: LAN Topologien
switched Ethernet
10 Mbit/s, 100 Mbit/s
1 Gbit/s, 10 Gbit/s
Full-duplex Ethernet
20 Mbit/s, 200 Mbit/s
2 Gbit/s, 20 Gbit/s
Moderne Ethernet-Vernetzungen
Fast-Ethernet mit Twisted-Pair-Kabeln hat sich mittlerweile
selbst für kleinste Heimnetze durchgesetzt. In größeren Netzen
ist Gigabit-Ethernet auf Glasfaser oder ebenfalls Twisted-Pair
schon zum Standard. Beim Twisted-Pair-Kabel (TP) handelt
es sich um ein telefonkabelähnliches Medium, das Segmentlängen
bis zu 100 Metern erlaubt. Über Glasfaserkabel findet
hingegen optische Datenübertragung statt, die auch größere
Distanzen überbrückt. Vernetzt man mit diesen Medien mehr
als zwei Stationen, dann erfolgt die Verkabelung nicht mehr
wie beim Koaxialkabel kettenartig von Rechner zu Rechner,
sondern sternförmig, wobei jede Station an einem aktiven
Verteiler hängt. Anfangs waren das Hubs oder Repeater, die
vom Datenfluss her nichts anderes als einen Ersatz für den
Koaxial-Bus darstellen.
Bei Hubs oder Repeater müssen alle angeschlossenen Geräte halbduplex arbeiten: Es darf immer nur eine Station senden,
während alle anderen Stationen zuhören. Grob betrachtet teilt sich dadurch die Bandbreite auf die angeschlossenen Stationen
auf. Heute verwendet man Switches. Denn was für den privaten Bereich vor kurzem noch eine sinnvolle Lösung darstellte, ist
im professionellen Bereich, wo es darum geht, mehrere bis Hunderte Arbeitsstationen zu vernetzen, längst nicht mehr umsetzbar.
Switches stellen ebenfalls Sternverteiler dar, die im Vollduplexbetrieb Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen den
angeschlossenen Geräten herstellen. Dabei steht aber im Idealfall jeder Station die volle Bandbreite des Mediums (10, 100
oder 1000 Mbit/s) zur Verfügung. Außerdem können Switches je nach Ausführung unterschiedliche Datenraten zwischen den
verschiedenen Anschlüssen ausgleichen. Bei einem Ethernet-Netz, das ausschließlich Switches enthält, ist die herkömmliche
Betrachtungsweise bezüglich Shared-Medium nicht mehr gültig, weil hierbei ausschließlich vollduplex gearbeitet wird. Kollisionen
können gar nicht entstehen.
Schnelles Weiterleiten von Ethernet-Rahmen
Während ein Hub auf der ersten Schicht (Physical Layer) des OSI-Modells arbeitet, so agiert ein Switch funktionell auf der
zweiten (Layer-2-Switch, MAC-Layer) und eventuell zusätzlich auf einer der höheren Schichten (Layer-3 ... n-Switch, IP-
/TCP-Switching). Seine grundsätzliche Aufgabe ist es, Dateneinheiten (Ethernet-Rahmen) über interne Verbindungen von einem
Port (Anschluss) zu einem oder mehreren anderen Ports weiterzuleiten. Dabei können auch mehrere virtuelle Verbindungen
parallel laufen.
Eine gewöhnliche Bridge besitzt zwei Ports, über die sie zwei Segmente miteinander verbinden kann. Sie arbeitet im Unterschied
zum Hub nicht transparent. Sie leitet also nicht alle Daten weiter, sondern entscheidet anhand der Zieladresse, ob ein
Rahmen durchkommt. Damit kann eine Bridge für eine Lasttrennung zwischen den Segmenten eines Netzes sorgen. Multicast-
und Broadcast-Rahmen, die an mehrere oder alle Stationen gehen, werden dabei auf jeden Fall weitergeleitet. Über eine
Bridge können sich Kollisionen nicht ausbreiten. Kollisionsdomänen werden somit in kleinere Einheiten unterteilt.
Dieses grundsätzliche Funktionsprinzip hat man für Switches übernommen, sie sind quasi eine Multiport-Bridge.
Getrennten Routing-Tabelle Prozessoren
FE
FE
FE
SF
NP
Ports
Ports
Ports
Routing-Tabellen in den Anschlussmodulen
I-Ports
I-Ports
I-Ports
SF
NP
FE : Forward Engine
SF : Swiching Function
I-Ports
I-Ports
I-Ports
NP : Network Processor
I : Intelligent Ports
Bild: Aufbau von Ethernet-Switches
Wegelenkung (Wegfindung): MAC-Adressen
Layer-2-Switches treffen ihre Wegwahl anhand der MAC-Adressen, sie arbeiten
demzufolge protokollunabhängig. Die Weiterleitung von Unicast-Rahmen
(Rahmen für genau eine Station) erfolgt größtenteils zielgerichtet. Empfängt ein
Switch ein Unicast-Rahmen, vergleicht er dessen Zieladresse mit den Einträgen
in seiner Forwarding-Tabelle.
Dort sind alle bisher gelernten MAC-Adressen mit ihrem zugehörigen Ausgangsport
gespeichert. Findet der Switch die Zieladresse, kann er den Rahmen
direkt am angegebenen Anschluss ausgeben. Andernfalls leitet er den Rahmen
an alle Ausgänge, ausgenommen den empfangenden Port, weiter. Dabei kommt
momentan die gleiche Netzlast wie bei einem Hub auf. Die Station, an die der
Rahmen gerichtet war, schickt über kurz oder lang selbst ein Rahmen ab, wobei
der Switch aus der Quelladresse des Rahmens eine neue Zieladresse für die Forwarding-Tabelle
lernt. Nach und nach kann der Switch immer mehr Rahmen
zielgerichtet weiterleiten und so das Netz entlasten. Das Ausgeben eines Rahmens
mit bislang unbekannter Zieladresse ist aber trotz gleicher Netzlast kein
Broadcast. Letzterer hat ein anderes Adressformat, woran der Switch erkennt,
dass er Broadcast-Rahmen generell an alle Ports weiterreichen muss.
Institut für Kommunikationsnetze - TU Wien o. Univ. Prof. Dr. Harmen R. van As Vorlesung Datenkommunikation Teil 3.1a 2