Diplomarbeit Skalierbare Hochverfügbarkeitslösungen mit Lastverteilung für E-Commerce Sites Mai 2000
2. Technologische Grundlagen und Protokolle
In diesem Kapitel werden die technologischen Grundlagen und Protokolle erläutert, die zum Verständnis von Kapitel 3 und 4 notwendig sind.
2.1 LAN-Technologien
Bei den im folgenden dargestellten Technologien handelt es sich um die zur Zeit gängigen Netzwerkstandards.
2.1.1 Ethernet
Der weltweit meistverwendete Netzwerkstandard der Schicht 2 des OSI-Schichtenmodells ist der Ethernet-Standard, bekannt auch als IEEE 802.3. Der als Ethernet bekannte Standard zur Vernetzung wurde 1980 vom DIX-Firmenkonsortium veröffentlicht. Der darauf beruhende IEEE 802.3 Standard weist nur geringfügige Unterschiede im Frameformat auf. Die heute verwendeten Network Interfaces erkennen und verarbeiten automatisch das jeweilige Frameformat, so das eine weitere Unterscheidung hier nicht vorgenommen wird.
Mit dem IEEE 802.3 Standard werden eine Reihe von Vernetzungstechniken und Topologien beschrieben, von denen in Abb. 2.1 nur die allgemein gebräuchlichen aufgeführt sind.
Abbildung 2.1 : Übersicht gebräuchlicher Vernetzungsvarianten7
Die Varianten 10 Base-2 und 10 Base-5 werden bei der Planung für Corporate Networks nicht mehr verwendet, da aufgrund der Shared Media-Topologie ihre Übertragungskapazität durch Paketkollisionen eingeschränkt wird. Des weiteren werden zur Zeit alle Verkabelungsstrukturen als Punkt-zu-Punkt Verbindungen ausgelegt, da durch den Einsatz von Switches als Konzentratoren die Netzwerkkapazität optimiert werden kann.
Die Variante 1000 Base-T erlaubt die Verwendung der bestehenden Cat.5-Verkabelungen und wurde September 1999 vom IEEE ratifiziert.
Das Frameformat IEEE 802.3 eines Datenpaketes ist in Abb. 2.2 dargestellt:
Abbildung 2.2 : Frameformat IEEE 802.3 eines Datenpaketes8
Die Präambel und der Start Frame Delimiter (zusammen 8 Byte lang) dienen den angeschlossenen Stationen zur Regenerierung des Sendetaktes und signalisieren den Anfang des Datenframes.
Die Zieladresse ist in der Regel 6 Byte lang und bezeichnet die MAC-Adresse (Media Access Control) des angesprochenen Netzwerkinterfaces. Eine MAC-Adresse hat zum Beispiel das Format 00-20-AF-12-34-56, wobei die ersten drei Byte den Hersteller bezeichnen, die letzten drei Byte dann die Produktionsnummer. Durch eine zentrale Adressvergabe an die verschiedenen Hersteller ist eine weltweit eindeutige Zuordnung der verschiedenen Netzwerkinterfaces gegeben.
Die Quelladresse beinhaltet die Adresse der paketversendenden Station und ist ebenfalls in der Regel 6 Byte lang.
Das Längenfeld gibt die Länge des variablen Datenfeldes in Byte an.
Im Datenfeld sind die zu übertragenden Protokolldaten der höheren Schichten enthalten. Die Datenfeldgröße kann zwischen 0 und 1500 Bytes variieren. IEEE 802.3 setzt voraus, dass auf der oberen Teilschicht 2b 802.2 (LLC9) eingesetzt wird.10
Da eine minimale Größe von 64 Byte für ein Ethernet-Frame (ohne Präambel und SFD!) vorgeschrieben ist, wird durch das PAD-Feld, wenn nötig, das Datenfeld auf 46 Byte aufgefüllt.
Das CRC11-Feld beinhaltet eine Kontrollsumme, welche dem Empfänger zum Erkennen von Übertragungsfehlern dient.
Zur Kollisionserkennung wird bei Ethernet das CSMA/CD-Verfahren (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) verwendet (Abb. 2.3). Beim CSMA/CD-Verfahren haben die einzelnen Stationen jederzeit und konkurrierend Zugang (Multiple Access) zum gemeinsamen Übertragungsmedium. Die Stationen hören vor dem Senden das Medium ab (Carrier Sense), ob gerade Datenverkehr stattfindet. Eine Übertragung darf erst beginnen, wenn keine Daten gesendet werden. Auch während einer Übertragung wird das Übertragungsmedium von der sendenden Station weiter überwacht. Eventuell auftretende Kollisionen werden durch zerstörte Datenpakete auf der Leitung erkannt. Die erste Station, die solche Fragmente erkennt, sendet sogenannte Jam-Pattern. Jede Station, die das Jam-Signal hört, bricht die Sendung sofort ab. Ist diese Kollision aufgelöst und das Übertragungsmedium wieder frei, kann jede Station nach einer zufällig gewählten Verzögerungszeit wieder auf das Medium zugreifen und ihre Daten erneut senden (non-persistent CSMA). Die Wahrscheinlichkeit, dass Datenkollisionen auftreten, ist umso größer, je mehr Stationen aktiv im Netz arbeiten.
Abbildung 2.3 : Senderechtssteuerung durch das CSMA/CD-Verfahren12
Bei dem heute üblichen Einsatz von Switches ist die Wahrscheinlichkeit für Paketkollisionen durch die Punkt-zu-Punkt Verbindung mit nur zwei Stationen gering. Zusätzlich dazu arbeiten moderne Switches und Netzwerkkarten im Full-Duplex-Verfahren, wodurch Kollisionen auf den Kabelstrecken überhaupt nicht mehr vorkommen. Dadurch erhöht sich die Leistungsfähigkeit des Netzwerkes beträchtlich. Kollisionen können nur noch indirekt im Switch vorkommen, indem durch gleichzeitigen Zugriff mehrerer Datenpakete auf einen Ausgangsport der Datenpuffer überläuft. Durch die Protokollvarianten mit 100 Mbit/s und 1000 Mbit/s hat sich Ethernet als das Standardprotokoll im LAN-Bereich durchgesetzt und wird es auch für die nächste Zeit bleiben.
7aus: [3], S. 41; [4], S. 69-94; [5], S. 303-353; <2>; <3>; <4>
8aus: [3], S. 36
9Logical Link Control
10vgl. <5>
11Cyclic Redundancy Check
12aus: [4], S. 71