Data Link Layer (Layer 2)
Layer 2 Protokolle
- HDLC
- PPP
- X.25 / Frame Relay
- MPLS
- ATM
Übertragungsverfahren
Daten könen seriell oder parallel übertragen werden. Bei der parallelen Übertragungen werden mehrere Bits gleichzeitig übertragen. Dies funktioniert nur auf kurze Distanz, da sonst die Toleranzen zu gross wären.
Bei der seriellen Übertragen werden die Bits nacheinander übertragen. Hier sind sehr viel höhrere Datenraten auf längere Distanzen möglich, da nicht mehrere Leitungen synchronisiert werden müssen.
Die serielle Übertragung kann noch weiter in synchrone und asynchrone serielle Übertragung unterteilt werden. Bei der asynchronen Verbindung wird kein Clock Signal übertragen. Die Clock des Empfänger und Senders sind daher nicht zusammen. Damit es trotzdem funktioniert, wird die Bitrate, die Start- und Stop-Bits abemacht. Für jedes Zeichen wird ein Startbit gesendet und zum Abschluss ein Stopbit. Zu erst wird das niederwertigste (LSB = Least Significant Bit) übertragen und zu letzt das höchstwertige (MSB Most Significant Bit). (wirklich?)
Der Emfpänger tastet sehr schnell ab, bis das Startbit findet. Danach wird in der abgemachten Bitrate abgetastet. Der Takt darf nicht mehr als die halbe Bitzeit T abweichen, da sonst das falsche Bit gelesen würde werden.
Dagegen steht die synchrone Übertragung. Bei dieser sendet der Sender ein Takt mit den Daten mit. Daher werden auch keine Start und Stop-Bits benötigt.
Gleichspannungsfreiheit
Der Sender und Empfänger sind galvanisch (elektrisch nicht direkt verbunden) getrennt. Dies schützt die Geräte davon, dass Falls beim anderen Gerät ein Blitz einschlägt oder es anderweitig eine Überspannung gibt.
Da dies mit Capacitor gearbeitet wird, möchte man, dass das Signal nicht immer bei 1 oder bei 0 ist, sondern möglichst oft wechselt. Dies nennt sich gleichspannungsfrei. Dafür kann z.B. eine Codierung, wie AMI, HDB3 oder PAM3 verwendet werden.
Taktrückgewinnung
Das Ziel der Taktrückgewinnung ist, ein Taktsignal aus dem normalen Datenstrom zu lesen. Dafür darf der Datenstrom aber nicht zu lange nur 1 oder nur 0 senden, da sonst der Empfänger kein Takt daraus lesen kann.
AMI-Codierung
Ein 0 wird in Ami als 0 encodiert. Ein 1 wird alternativ als U+ und U- gesendet. D
Daher ist die Taktrückgewinnung schwierig, wenn länger 0 gesendet werden. Daher ist AMI nicht für die Taktrückgewinnung geignet. Es wird anstatt HDB3 benützt.
Bei der HDB3-Encoding wird zusätzlich nach 000 eine 1 gesendet. Diese 1 hat den selben Pegel, wie die letzte 1, also entweder U+ oder U-. Da normalerweise immer zwischen U+ und U- gewechselt wird, kann der Empfänger dieses Bit korrekt interpretieren. Bei langen Sequenzen von 0 würde dabei die Gleichspannungsfreiheit verletzt werden, daher wird wenn wenn weniger als zwei 1 seit dem letzten 000V gesendet wurden, anstatt 000V ein B00V gesendet. Dabei verhaltet sich das B wie ein normales Datenbit und wechselt zwischen U+ und U- hin und her.
PAM3 (4B3T-Codierung)
In dieser werden 4Bit Daten zu 3 tenäre Symbolen (Ein Symbol mit 3 Werten) übersetzt
Datenübertragung
Zehnerpotenzen: kBit = 103 Bit kbps = 103 bps MBit = 106 Bit Mbps = 106 bps GBit = 109 Bit Gbps = 109 bps
Baud-Rate
Die Anzahl Symbole pro Sekunde. Ein Symbol ist dabei ein Zustand im Datenstrom
Bitrate (Nyquist)
\(f_s\le2B\), dabei ist \(f_s\) die Symbolrate/Baudrate und \(B\) die Bandbreite des Kanals in Hz.
Diese Formel besagt, dass die Symbolrate in Baud (oder Nyquist Rate) doppelt so gross, wie die Frequenz des Übertragungskanal ist.
Maximale Bitrate (Hartley's Gesetzt)
Die Bitrate \(R [bit/s] \le 2B [Hz] \cdot \log_2(M)\)
wobei \(M\) folgendermassen definiert ist: \(M=1+\frac A {\Delta V}\)
TODO
Kanalkapazität (Theorem von Shanon)
\(C_s=B\cdot \log_2(1+\frac S N)\), wo bei \(C_s\) die Kanalkapazität, \(B\) die Baudrate, \(S\) die Signal-Aplitude und \(N\) die Noise-Aplitude ist. \(\frac S N\) ist die Signal-to-Noise Ratio
Synchrone Übertragung
Bei der synchronen Übertragung wird immer gesendet, auch wenn keine Daten übertragen werden. In diesem Fall werden konstant Flags übertragen. Folgeadermassen wird eine Möglichkeit aufgezeichnet, wie dies gestaltet werden könnte.
Ein Flag ist der Start bzw. Ende eines Datenrahmens. Da ein Flag 01111110 ist, kann dies nicht im Datenblock vorkommen. Daher wird nach fünf 1 eine 0 eingesetzt. Diese 0 wird vom Empfänger verworfen. Dies wird auch Bit-Stopfen (engl. "Bit-Stuffing")
Asynchrone Übertrage/Ethernet
Wieso immer noch Ethernet?
Alle Ethernet-Standard benützten den RJ45 Stecker von 10MBit/s bis zu 10Gbit/s. Diese Rückwarts-Kompatibilität ist enorm wertvoll.
Ethernet-Standard
Das prominentiste Beispiel der asynchronen Übertragung ist Ethernet, daher wird die asynchrone Übertragung an Ethernet vorgestellt.
Preamble
Die Preamble werden 7 Bytes, welche aus Abwechslungsweise 0 und 1 bestehen. Das 8 Byte hat die Form 10101011.
Bytes korrekt lesen
Daten werden Umgekehrt gesendet (Zuerst das LSB und dann das MSB). Wenn man es von Hand lesen möchte, müssen die Bits umgedreht werden.
Frame-Grösse
Da der Overhead fix ist, wird der Overhead eine kleinere Prozentanteil, je mehr Daten gesendet werden.
Auf der anderen Seite, je grösser der Frame, desto höher die Wahrscheinlichkeit, dass ein Fehler bei der Übertragung auftritt. Wenn ein Medium von mehreren Nutzer genutzt wird, müssen die anderen Nutzer lange warten, wenn grosse Frames übertragen werden.
Sende Zeit
Es braucht die Zeit \(t_{frame}>2\cdot(n\cdot t_{transfer}+ n\cdot t_{forwarding})\) und \(t_{frame}>2\cdot t_{transfer}\)
Dabei ist \(t_{frame}=\frac{Framesize_{min}}{Bitrate}\) und \(t_{transfer}=\frac{d_{max}}{c_{line}}\)
Aus dem allen geht herfor: \(\frac{Framesize_{min}}{Bitrate}>2\cdot \frac{d_{max}}{c_{line}}\)
Für die Framerate gilt: \(Framerate = \frac{Preabmle + SFD+DestinationAddress + SourceAddress+LT+Data+FCS+InterFrameGap}{Bitrate}\)
Die Interfrace Gap muss nur dazu gerechnet werden, wenn die Framerate berechet wird.
Collission Domain und Broadcasat Domain
Repeater vs L2-Switch/Bridge
- wegen kollision, können nicht beliebig Repeater hintereinander gehänkt werden. Es verkürzt die Collision
- Der Switch verkürzt die Collision Domain
Bit-/Rahmenfehlerwahrscheinlichkeit
Kollision bei Shared-Medium
Autonegotiation
Dieses Protokoll wird ab 100BASE-T unterstützt und schaut, dass der Empfänger und Sender die selbe Geschwindigkeit unterstützt.
VLAN
Mit einem VLAN können seperate virtuelle Gruppen in einem LAN erstellen. Die Kommunikation zwischen VLANs sind meistens eingeschränkt oder nicht möglich.
VLAN-Tag
Damit dies auch in einem Netzwerk mit mehreren Switches möglich ist, wird in VLAN-Tag im Ethernet-Frame eingeführt.
Dieser Tag besteht aus:
- Tag Protocol Identifier:
- User Priority: (3 Bit),
- Cannonical Format Identifier
- VLAN-Identifier: (12-Bit)
