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Local Area Network

Ein lokales Netz (Local Area Network, LAN) verbindet typischerweise die Endsysteme innerhalb eines oder benachbarter Gebäude. Aufgrund der geringen Distanzen können hohe Bitraten und geringe Verzögerungen erzielt werden. Häufig basieren lokale Netze auf Ethernet oder drahtlosen Technologien (Wireless LAN, WLAN).

Einführung

Ein lokales Netz (Local Area Network, LAN) verbindet typischerweise die Endsysteme (Rechner, Telefone, Drucker etc.) einer Organisation (Standort einer Schule, Firma oder Behörde) und wird von dieser Organisation verwaltet. Die Ausdehnung erstreckt sich dabei über eines oder wenige benachbarte Gebäude und ist meist durch ein zusammenhängendes Grundstück begrenzt. In einem lokalen Netz sind daher die miteinander kommunizierenden Endsysteme wenige Hundert Meter oder wenige Kilometer voneinander entfernt. Durch die geringen Distanzen sind die Netze und Übertragungsmedien in ihrer Länge begrenzt und die Signale erfahren eine eher geringe Verzögerung und Dämpfung. Dadurch lassen sich hohe Bitraten über elektrische oder optische Übertragungsmedien im Gigabit-pro-Sekunde-Bereich erzielen. Auch Funkübertragung kommt in lokalen Netzen zunehmend zum Einsatz. Die hohe Kapazität bei eher geringen Benutzerzahlen sowie geringe Verzögerungen erlauben den Transport von multimedialen Datenströmen mit teilweise hohen Anforderungen an Durchsatz und Verzögerungen.

Medienzugriffsverfahren

Technologien für lokale Netze basierten in der Vergangenheit oft auf der Benutzung gemeinsamer Übertragungsmedien durch mehrere Endsysteme. Beispielsweise werden an ein Ethernet-Koaxialkabel mehrere Endsysteme busförmig angeschlossen. Bei einem drahtlosen LAN greifen mehrere Endsysteme auf dieselbe Frequenz zu. Um mehrere gleichzeitige Übertragungen zu vermeiden, muss der Medienzugriff geregelt werden, wobei dies aus Gründen der Robustheit ohne eine zentrale Instanz, d.h. mit einem verteilten, dezentralen Verfahren, erfolgen sollte. Seit den 70er Jahren wurden diverse Medienzugriffsverfahren für lokale Netze entwickelt und vor allem durch das „Institute of Electrical and Electronics Engineers“ (IEEE) standardisiert. Die Standards der IEEE 802 Serie decken neben den Medienzugriffsverfahren auch physikalische Aspekte ab, z.B. Signalformen, Steckverbindungen, Medieneigenschaften. Neben Ringstrukturen (bei Token Ring und Fiber Distributed Data Interface (FDDI)) fanden vor allem Busstrukturen bei Ethernet oder Token Bus Verwendung. Ethernet ist heute die dominierende Technik bei lokalen Netzen und entwickelt sich dabei stetig weiter.

Ethernet

Das ursprüngliche Medienzugriffsverfahren von Ethernet basierte auf der Annahme, dass alle Stationen eines Netzes über ein gemeinsames Koaxialkabel verbunden sind. Eine sendewillige Station muss vor dem Senden eines Datenpakets das Medium auf aktive Übertragungen abhören. Falls keine Signale erkannt werden, wird das Medium als frei betrachtet und die Übertragung kann begonnen werden. Durch eine vorgegebene minimale Paketlänge muss die Station eine minimale Zeit senden. Während dieser Zeit muss die Station das Medium abhören, um allfällige Kollisionen in Form konkurrierender Übertragungen zu erkennen. Neben einer minimalen Datenpaketlänge erfordert der Mechanismus zur Kollisionserkennung eine maximale Distanz zwischen zwei kommunizierenden Endsystemen. Die maximale Distanz beschränkt daher die Länge eines Ethernet-Segments und ist proportional zum Verhältnis zwischen minimaler Paketlänge und Bitrate. Das Medienzugriffsverfahren wird auch als „Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection“ (CSMA/CD) bezeichnet.

Switching

Ethernet-Segmente können über Brücken (Bridges, Switches) miteinander verbunden werden. Diese Switches leiten zwischen den Ethernet-Segmenten Datenpakete weiter. Sie lernen anhand der Adressen in den weiterzuleitenden Datenpaketen wo sich welches Endsystem in einem Netz von Ethernet-Segmenten befindet. Heutige Ethernet-Installationen basieren auf dem Einsatz von Switches. Dabei sind in der Regel nur noch einzelne Endsysteme an ein Ethernet-Segment eines Switch-Ports angeschlossen. Die Switches sind durch direkte Punkt-zu-Punkt-Verbindungen miteinander verbunden. Bei einer Halb-Duplex-Übertragung über eine solche Punkt-zu-Punkt-Verbindung regelt das CSMA/CD-Verfahren welches der beiden angeschlossen Systeme senden darf. Bei einem Vollduplex-Modus (z.B. bei der Verwendung von separaten Kabeln pro Übertragungsrichtung oder bei Glasfasern) ist das CSMA/CD-Verfahren nicht mehr notwendig.

Wireless LAN

Ähnlich wie beim ursprünglichen CSMA/CD-basierten Ethernet greifen bei drahtlosen lokalen Netzen (Wireless LAN, WLAN) mehrere Systeme auf ein gemeinsam genutztes Funknetz zu. Allerdings funktioniert in Funknetzen die Kollisionserkennung nicht, da ein sendendes System nicht gleichzeitig empfangene Signale detektieren kann, da diese aufgrund der enormen Dämpfung von sich in alle Richtungen ausbreitenden Funksignalen im Vergleich zu den eigenen gesendeten Signalen sehr schwach sind. Bei WLAN muss daher eine Kollisionsvermeidung verfolgt werden („Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance“, CSMA/CA). Dies erfolgt dadurch dass jede sendewillige Station nach dem Ende einer erkannten Übertragung eine zufällige Anzahl fester Intervalle abwartet, bevor das Senden beginnt. Da Kollisionen nicht ausgeschlossen werden können, werden Datenpakete quittiert und nach Ausbleiben von Quittungen erneut übertragen.

Literatur

Tanenbaum, A.: Computernetzwerke, 4. Auflage, Prentice Hall, 2003

Peterson, L.; Davie, B.S.: Computer Networks, 4th edition, Morgan Kaufmann, 2007

Kurose, J.; Ross, K.: Computer Networking, 4th edition, Addison Wesley, 2007

Stallings, W.: Data and Computer Communications, 8th edition, Prentice-Hall, 2007

 

Autor


 

Prof. Dr. Torsten Braun Rechnernetze und verteilte Systeme Institut für Informatik und angewandte Mathematik Universität Bern Neubrückstrase 10 3012 Bern Schweiz

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Letzter Abruf: 20.10.2017 05:13
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