KT Datalink Layer - Kapitel 4
Kapitel 4, Datalinklayer, Kommunikationstechnik ZHAW
Kapitel 4, Datalinklayer, Kommunikationstechnik ZHAW
Wie funktioniert das Master/Slave-Verfahren?
Bei diesem einfachen Zugriffsverfahren fragt der Master zyklisch jeden Slave an. Der angesprochene
Slave antwortet sofort und liefert vorhandene Daten an den Master.
Was sind Vor- und Nachteile des Master/Slave-Verfahrens?
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
Wie funktioniert das Token Verfahren (token passing)?
- Die Sendeberechtigung wird in einer festgelegten Reihenfolge weitergereicht.
- Knoten senden nur, wenn sie ein Token halten
Was sind Vor- und Nachteile des Token-Verfahrens (token passing)?
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.
Wie funktioniert das Token Verfahren mit der Variante, dass ein Frame anstelle des Tokens geschickt wird?
- 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
Vor- und Nachteile des Mediums Zugriff über Zeitsteuerung
Vorteil:
- Optimierung möglich (nach Auslastung, Durchsatz, «Reisezeit» etc.)
- deterministisch
Nachteile:
- Planung und genaue Zeit in allen Knotepunkten erforderlich
- Konflikte mit unplanbarem Verkehr (SBB Chargo)
Welche dieser Medium Zugriff Verfahren sind deterministisch?
Wie funktioniert das Carrier Sense Multiple Access Verfahren (CSMA)?
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).
Vor- und Nachteile des Carrier Sense Multiple Access Verfahren
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)
Welche Arten von Behandlungen für Kollisionen beim Carrier Sense Multiple Access gibt es?
- Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection (CSMA/CD)
- Carrier Sense Multiple Access with Collision Resolution (CSMA/CR)
Wie funktioniert die Kollisions Behandlung bei CSMA/CD?
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.
Wie funktioniert die Kollisions Behandlung bei CSMA/CR?
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.
Vor- und Nachteile des CSMA/CR
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).
Wofür braucht man die Flusssteuerung?
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.
Welche zwei Arten gibt es bei der Flusssteuerung?
- Flusssteuerung mit Start-Stop-Meldungen
- Flusssteuerung mit Stop-and-Wait-Protokoll
Wie funktioniert die Flusssteuerung mit Start-Stop-Meldungen?
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.
Wie funktioniert die Flusssteuerung mit Stop-and-Wait-Protokoll?
- 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).
Die Daten in einem Frame werden einmal mit einem einzigen Parity-Bit und einmal mit einer 32-Bit CRC Prüfsumme versehen. Vergleichen Sie die beiden Verfahren bezüglich Vor- und Nachteilen
Parity-Bit:
- schnell berechnet (+),
- nur 1 Bit Overhead (+),
- erkennt nur Einbitfehler (-)
CRC:
- auch Mehrbitfehler mit hoher WSK (+),
- Berechnung dauert länger (-),
- 4 Bytes Overhead (-)
Wieso braucht es nur bei der synchronen Übertragung Start- und Endeflags?
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
Wieso benötigt man Bit-Stuffing und wie wird es gemacht?
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
Datalink Layer ist die . Schicht im OSI Referenzmodell
2
Der Datalink Layer wird auf Deutsch auch die ... genannt
Sicherungsschicht
Bei welcher Übertragungsart werden ununterbrochen Frames gesendet (Auch wenn keine Daten gesendet werden)
Was sind die Aufgaben des Datalink Layers?
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.
Was stellt der Datalink Layer zur Verfügung
Asynchrone Übertragung: Woraus besteht meist ein Frame auf dieser Schicht?
Ein Frame besteht meist aus einem Header mit der Anzahl Elemente im Datenblock, dem Datenblock und einem Code für die Fehlererkennung
Synchrone Übertragung: Woraus besteht meist ein Frame auf dieser Schicht?
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)).
Wofür wird das Bit-Stuffing (Bitstopfen) verwendet?
Wie sehen diese Daten nach dem Bit-Stuffing (Bitstopfen) aus?
01011111110101111111111111110100011
010111110110101111101111101111100100011
Weshalb braucht es bei der synchronen Übertragung einen Start- und Ende-Flag?
Da bei der synchronen Übertragung ununterbrochen Frames gesendet werden, benutzt der Empfänger die Flags um die Grenzen der Frames zu erkennen.
Was sind die Nachteile von langen Frames?
- 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.)
Was sind Vorteile von langen Frames?
- Gutes Verhältnis von Daten- zu Header-Länge => höhere Netto-Bitrate
Was ist Jitter?
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.
Was sagt die Bitfehlerwahrscheinlichkeit (BER – Bit Error Ratio) aus?
Anzahl fehlerhafte Bits im Verhältnis zu Gesamtzahl der Bits.
Wie viele Bits sind falsch wenn die BER=1 beträgt (in Prozent)
100%
Welche Grössen beeinflussen den Effektiven Durchsatz?
- die Nettobitrate
- die Frame-Fehlerwahrscheinlichkeit
Der Sender überträgt zusätzlich zu den Daten noch ..., damit der Empfänger erkennt ob bei der Übertragung Fehler entstanden sind.
Prüfbits
Was gibt die Hamming-Distanz an?
Die Hamming-Distanz gibt an, wie viele Bits im Bitmuster eines gültigen Codes (mindestens)
geändert werden müssen, bis der nächste gültige Code vorliegt.
Wie viele Fehler können bei Hamming-Distanz 1 erkannt werden?
0
Wie gross ist die Hamming Distanz bei einem dreistelligen Code wenn aus den möglichen Bitmuster folgende 4 verwendet werden:
001, 010, 100, 111
2
-
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Lernkarten
Datalink Layer ist die . Schicht im OSI Referenzmodell
2
Der Datalink Layer wird auf Deutsch auch die ... genannt
Sicherungsschicht
Bei welcher Übertragungsart werden ununterbrochen Frames gesendet (Auch wenn keine Daten gesendet werden)
Was sind die Aufgaben des Datalink Layers?
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.
Was stellt der Datalink Layer zur Verfügung
Asynchrone Übertragung: Woraus besteht meist ein Frame auf dieser Schicht?
Ein Frame besteht meist aus einem Header mit der Anzahl Elemente im Datenblock, dem Datenblock und einem Code für die Fehlererkennung
Synchrone Übertragung: Woraus besteht meist ein Frame auf dieser Schicht?
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)).
Wofür wird das Bit-Stuffing (Bitstopfen) verwendet?
Wie sehen diese Daten nach dem Bit-Stuffing (Bitstopfen) aus?
01011111110101111111111111110100011
010111110110101111101111101111100100011
Weshalb braucht es bei der synchronen Übertragung einen Start- und Ende-Flag?
Da bei der synchronen Übertragung ununterbrochen Frames gesendet werden, benutzt der Empfänger die Flags um die Grenzen der Frames zu erkennen.
Was sind die Nachteile von langen Frames?
- 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.)
Was sind Vorteile von langen Frames?
- Gutes Verhältnis von Daten- zu Header-Länge => höhere Netto-Bitrate
Was ist Jitter?
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.
Was sagt die Bitfehlerwahrscheinlichkeit (BER – Bit Error Ratio) aus?
Anzahl fehlerhafte Bits im Verhältnis zu Gesamtzahl der Bits.
Wie viele Bits sind falsch wenn die BER=1 beträgt (in Prozent)
100%
Welche Grössen beeinflussen den Effektiven Durchsatz?
- die Nettobitrate
- die Frame-Fehlerwahrscheinlichkeit
Der Sender überträgt zusätzlich zu den Daten noch ..., damit der Empfänger erkennt ob bei der Übertragung Fehler entstanden sind.
Prüfbits
Was gibt die Hamming-Distanz an?
Die Hamming-Distanz gibt an, wie viele Bits im Bitmuster eines gültigen Codes (mindestens)
geändert werden müssen, bis der nächste gültige Code vorliegt.
Wie viele Fehler können bei Hamming-Distanz 1 erkannt werden?
0
Wie gross ist die Hamming Distanz bei einem dreistelligen Code wenn aus den möglichen Bitmuster folgende 4 verwendet werden:
001, 010, 100, 111
2
Wie nennt man das Verfahren zu Fehlererkennung, wo man ein jedem Datenelement ein zusätzliches Bit mitschickt?
(Durch das gewählte bit wird die Anzahl der Einsen entweder immer gerade oder immer ungerade)
Parity
Wie viele Fehler können erkannt werden, wenn die Hamming-Distanz 2 ist?
1
Welche Hamming-Distanz hat die Fehlererkennung mit Parity?
2
Wofür steht BER?
Bit Error Ratio
Wofür steht FER?
Frame Error Ratio
Wofür steht RER?
Residual Error Ratio
Welche der folgenden Aussagen zur Frame-Länge sind wahr?
Welche Wahrscheinlichkeit wird mit dieser Formel berechnet: (1 − pe)N
pe = Bitfehlerwahrscheinlichkeit
N = Länge des Frames
Welches Fehlererkennungs-Verfahren wird von TCP und UDP verwendet?
Fehlererkennung mit Prüfsumme
TCP und UDP verwendet folgendes Verfahren:
- Prüfsumme über gesamtes Frame mit Datenbreite m = 16 Bit
- Sender addiert die Element (MOD 216) und invertiert das Resultat P
- Die Prüfsumme in Frame PF entspricht also dem Wert -P-1 (2er-Komplement ohne +1)
Wie funktioniert die Fehlererkennung mit Prüfsumme (Checksum)?
Eine oft eingesetzte Methode zur Fehlererkennung ist eine Prüfsumme (Checksum). Dabei wird über eine Anzahl Datenelemente n eine Summe der Breite m gebildet. Das Ergebnis wird mit der mitgeschickten Prüfsumme verglichen.
Was ist das Hauptproblem von einfachen Prüfsummen und Längs-Parity?
Das Hauptproblem von einfachen Prüfsummen und Längs-Parity besteht in ihrer Anfälligkeit auf
Mehrbitfehler. Bei beiden kann nur ein Fehler sicher erkannt werden.
Was ist ein Vorteil der Prüfsumme?
Der Vorteil der Prüfsumme besteht darin, dass ein Burst von gleichartigen Fehlern (z.B. mehrere Bits auf 1) zu einem Übertrag
auf die höherwertigeren Stellen führen kann. Damit können Fehler sich nicht mehr so einfach gegenseitig verdecken.
Wie funktioniert das CRC-Verfahren?
Das CRC-Verfahren wird mathematisch als Polynomdivision beschrieben, wobei der Divisionsrest
die Prüfbits bildet. Der Divisor wird durch ein sogenanntes Generatorpolynom gebildet, das massgeblich
für die Güte der Fehlererkennung verantwortlich ist.
Wovon ist die Hamming-Distanz abhängig beim CRC-Verfahren?
Die Hamming-Distanz ist nur abhängig von der Wahl des Generatorpolynoms und der Länge der Daten.
Was heisst Backward Error Correction?
Der Empfänger kann Fehler erkennen, aber nicht korrigieren.
Durch geeignete Massnahmen wird der Sender aufgefordert, die Daten noch einmal zu senden
(Retransmission). Dieses Verfahren funktioniert bei einer kleiner Bitfehlerwahrscheinlichkeit
sehr gut.
Was sind die Nachteile des Backward Error Correction Verfahrens?
- Rückkanal erforderlich
- Warten auf Quittung (normal Betrieb)
- Warten auf Timeout (Fehlerfall)
- Abhilfe: negative Bestätigung
Wo liegen die Grenzen der Backward Error Correction?
Ist die Bitfehlerwahrscheinlichkeit hoch, so dass in praktisch jedem Frame ein Fehler auftritt, wird das Verfahren extrem
ineffizient oder gänzlich unbrauchbar.
Was heisst Forward Error Correction?
Der Empfänger kann den Fehler nicht nur erkennen, sondern auch direkt korrigieren.
Dieses Verfahren ist notwendig, wenn kein Rückkanal vorhanden ist oder die Fehlerwahrscheinlichkeit gross ist.
Wie viele Fehler können korrigiert werden wenn die Hamming-Distanz 3 ist?
1
Wie funktioniert das Master/Slave-Verfahren?
Bei diesem einfachen Zugriffsverfahren fragt der Master zyklisch jeden Slave an. Der angesprochene
Slave antwortet sofort und liefert vorhandene Daten an den Master.
