KT Datalink Layer - Kapitel 4

Bei diesem einfachen Zugriffsverfahren fragt der Master zyklisch jeden Slave an. Der angesprochene
Slave antwortet sofort und liefert vorhandene Daten an den Master.

Vorteil:

• Keine Konflikte, da der Master „alles im Griff hat“
• Anschaltung der Slaves sehr einfach
• die Zeit zwischen zwei Slave-Zugriffen voraussehbar
  => Damit ist das Master/Slave-Verfahren deterministisch

Nachteil:

• Ausfall des Masters ist kritisch (Single Point of Failure)
• grössere Transferzeit beim Datenaustausch zwischen zwei Slaves, da die Daten immer über den Master
  transferiert werden

• Die Sendeberechtigung wird in einer festgelegten Reihenfolge weitergereicht.
• Knoten senden nur, wenn sie ein Token halten

Vorteile

• die Kommunikation erfolgt Peer-to-Peer, also direkt zwischen den Knoten (Kein Master nötig)
• Jeder Knoten ist innerhalb eines bestimmten Zeitintervalls einmal sendeberechtigt
  => Token Passing ist wiederum ein deterministischer Zugriffsmechanismus

Nachteile

• das Verfahren ist beim Startup und im Betrieb (Management) relativ aufwändig
  => Geht beispielsweise ein Token verloren, so muss ein Mechanismus vorhanden sein, um dieses zu regenerieren.

• Knoten fügen ihre Daten an den vorbestimmten Positionen ein (ISDN-B-Kanal, Interbus, Ethercat) oder hängen die Daten hinten am Frame an (PROFINET Dynamic Frame Packing)
• Typische Anwendung in einer Master/Slave-Konfiguration

Vorteil:

• Optimierung möglich (nach Auslastung, Durchsatz, «Reisezeit» etc.)
• deterministisch

Nachteile:

• Planung und genaue Zeit in allen Knotepunkten erforderlich
• Konflikte mit unplanbarem Verkehr (SBB Chargo)

Beim CSMA-Verfahren ist jede Station gleichberechtigt und darf jederzeit auf den Bus zugreifen,
nachdem kontrolliert wurde, dass dieser frei ist (Carrier Sense). Ist der Bus besetzt, so wird
gewartet und etwas später wieder versucht die Meldung abzusetzen (Multiple Access).

Vorteile

• keinen Master benötigt
• kommt ohne Konfiguration und Planung aus
• Jede Station ist gleichberechtigt

Nachteile

• es kann nicht vorausgesagt werden, wann ein Knoten den Bus für einen Sendevorgang bekommt
  => Verfahren ist nicht deterministisch
• Es kann Kollisionen geben (Wenn mehrere Knoten gleichzeitig auf die Freigabe warten und gleichzeitig anfangen zu senden)

• Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection (CSMA/CD)
• Carrier Sense Multiple Access with Collision Resolution (CSMA/CR)

Bei CSMA/CD muss jeder beteiligte Knoten eine Kollision feststellen. Um sicher zu gehen, dass alle Knoten die stattgefundene Kollision registriert haben, wird ein Jam-Signal ausgegeben. In diesem Fall bricht er die Übertragung ab und wartet eine zufällige Zeit, bis er erneut einen Sendeversuch startet.

CSMA/CR erfordert eine Form von Hardware-unterstützter Arbitrierung; d.h. einer der Signalpegel (1 oder 0) wird als dominant definiert und gewinnt im Konfliktfall. Nur der Verlierer kann eine solche Kollision feststellen und bricht seine Übertragung ab. Der Gewinner fährt mit der Übertragung seiner Daten fort.

Vorteil

• Es geht durch die Kollision keine Übertragungskapazität verloren

Nachteil

• Arbitrierung muss innerhalb einer Bitzeit erfolgen
  Damit ist die maximale Ausdehnung des Netzwerksegments auf ca. eine halbe Bitlänge beschränkt (Ausdehnung
  eines Bitpulses auf dem Übertragungsmedium).

Überlastprobleme können beim Empfänger auftreten, wenn ein Sender über eine gewisse Zeit mehr
Daten produziert, als der Empfänger verarbeiten kann. Geht dem Empfänger der Speicher aus, so
bleibt ihm nichts anderes übrig, als Daten zu verwerfen. Um solche Situationen zu verhindern, wird
eine Flusssteuerung (Flow Control) benötigt, die es dem Empfänger erlaubt, den Sender temporär
zu stoppen.

• Flusssteuerung mit Start-Stop-Meldungen
• Flusssteuerung mit Stop-and-Wait-Protokoll

Erreicht der Empfangs-Buffer des Empfängers eine obere Limite, so schickt dieser eine Stop-Meldung. Und umgekehrt: Wenn im Empfangs-Buffer eine untere Limite erreicht ist, wird der Sendevorgang mit einer Startmeldung wieder freigegeben. Die Stop-/Start-Meldungen können über separate Steuerleitungen oder Meldungen im Datenrückkanal erfolgen.

• Sender wartet auf Quittung
• Empfänger verzögert seine Quittierung und stoppt damit die Übertragung

Wenn für die Fehlerkorrektur ein Stop-and-Wait-Protokoll verwendet wird, so ist eine implizite Flusssteuerung vorhanden (Abbildung 4.25). Der Empfänger kann einfach die Quittierung verzögern, bis er wieder bereit zur Aufnahme von Daten ist. Im einfachsten Fall wird das Problem so gelöst, dass der Empfänger die Quittierung jedes einzelnen Frames verzögert, bis
er dessen Daten verarbeitet hat. Eine solche einfache Fluss-Steuerung kann die Kapazität des Übertragungskanals nicht gut nutzen. In der Praxis werden darum oft sogenannte Schiebefensterprotokolle eingesetzt (siehe Kapitel 8).

Parity-Bit:

• schnell berechnet (+),
• nur 1 Bit Overhead (+),
• erkennt nur Einbitfehler (-)

CRC:

• auch Mehrbitfehler mit hoher WSK (+),
• Berechnung dauert länger (-),
• 4 Bytes Overhead (-)

Die Flags dienen zur Bestimmung von Frameanfang und -ende im kontinuierlichen Datenstrom des Physical Layers. Bei der asynchronen Übertragung genügen dazu Start-Bits oder eine längere Preamble

Bit-Stuffing entfernt Start- und Endeflag aus den Daten im Frame. Mit dem Flag 01111110 wird jeweils nach 5 Einsen im Frame eine 0 eingefügt

Sicherungsschicht

Für peer-to-peer Verbindung:

• Realisieren einer sicheren Verbindung zwischen zwei direkt miteinander verbundenen Einrichtungen. Dazu werden Massnahmen zur Fehlererkennung und Fehlerkorrektur durch wiederholte Übertragung notwendig.
• Verpacken der vom Network Layer erhaltenen Datenblocke in Datenrahmen für die Übertragung und das Auspacken der Datenblöcke aus den empfangenen Datenrahmen. 
• Fluss-Steuerung (Flow Control). Darunter versteht man alle Massnahmen, die getroffen werden, damit der Sender Daten nicht schneller sendet, als sie der Empfänger aufnehmen kann

Zusätzliche Aufgaben für mehrere verbundene Teilnehmer:

• Adressierung der Teilnehmer: Jeder Knoten muss über eine innerhalb der Konfiguration eindeutige Adresse angesprochen werden können. Es handelt sich hier um eine Layer 2 Adresse (z.B. MAC-Adresse im Ethernet), die nicht mit der Network Layer Adresse (z.B. IP-Adresse) verwechselt werden darf.

• Steuerung des Zugriffs auf das Medium (Medium Access Control): Da mehrere Teilnehmer ein gemeinsames Übertragungsmedium teilen, muss definiert werden, wie darauf zugegriffen werden darf.

Ein Frame besteht meist aus einem Header mit der Anzahl Elemente im Datenblock, dem Datenblock und einem Code für die Fehlererkennung

Ein Frame besteht meist aus einem Header mit der Anzahl Elemente im Datenblock, dem Datenblock und einem Code für die Fehlererkennung

Für die synchrone Übertragung werden Frames mit ein Startflag und ein Endeflag begrenzt (Da ununterbrochen gesendet wird, keine Daten => leere Frames)).

010111110110101111101111101111100100011

Da bei der synchronen Übertragung ununterbrochen Frames gesendet werden, benutzt der Empfänger die Flags um die Grenzen der Frames zu erkennen.

• Durchsatz: DieWahrscheinlichkeit, dass bei einem langen Frame ein Übertragungsfehler auftritt, wird grösser.
• Effizienz: Wenn ein Fehler auftritt, ist das Frame verloren; d.h. je länger das Frame desto grösser ist im Fehlerfall der Datenverlust.
• Zuverlässigkeit: Die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein Fehler einschleicht, der nicht entdeckt wird, wächst mit der Länge des Frames.
• Jitter: Darunter versteht man die Variation der Zeitabstände zwischen Frames. Wie im Abschnitt 4.4.1 ausgeführt, erhöhen lange Frames den Jitter.
  (Lange Frames blockieren die Übertragungsstrecke für längere Zeit -> höherer Jitter,
  Jitter ist die Variation der Frame Intervalle.)

• Gutes Verhältnis von Daten- zu Header-Länge => höhere Netto-Bitrate

Die Zeitvariation der Frames wird als Jitter bezeichnet.

Viele Applikationen erfordern den Austausch von Daten in regelmässigen Intervallen. Man spricht
von isochronen Daten. 

Lange Frames blockieren die Übertragungsstrecke für die Dauer ihrer Übertragung. Wie Abbildung
4.8 zeigt, führt die Blockierung der Übertragungsstrecke durch asynchrone Frames zu einer
Verklumpung der isochronen Frames, die natürlich umso ausgeprägter ausfällt, je länger die asynchronen
Frames sind.

Anzahl fehlerhafte Bits im Verhältnis zu Gesamtzahl der Bits. 

100%

• die Nettobitrate
• die Frame-Fehlerwahrscheinlichkeit

Prüfbits

Die Hamming-Distanz gibt an, wie viele Bits im Bitmuster eines gültigen Codes (mindestens)
geändert werden müssen, bis der nächste gültige Code vorliegt.

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