Sicherungsschicht, LANs und drahtloser Zugang

Ein Datagramm kann auf dem Weg zu einem Server WLAN, Ethernet und mehrere Routerverbindungen überqueren. Die Sicherungsschicht übernimmt jede lokale Übertragung. Ihr Paket, ein Datenrahmen, umgibt das Datagramm mit einem Header und gewöhnlich einem Trailer.

Verfolge den nächsten Übertragungsschritt

Ein Knoten ist ein Gerät, das ein Protokoll der Sicherungsschicht ausführt: ein Host, Router, Switch oder Access Point. Eine Verbindung verbindet benachbarte Knoten. Die Vermittlungsschicht wählt, wohin das Datagramm als Nächstes gelangen soll; die Sicherungsschicht überträgt es über die gewählte Verbindung.

Stell dir vor, ein Laptop sendet über einen Access Point und einen Campus-Router. Der Laptop sendet zunächst einen 802.11-Datenrahmen an den AP. Der AP überbrückt den Verkehr zum Ethernet. Der Campus-Router entfernt den eingehenden Datenrahmen, prüft das IP-Ziel und erstellt einen für seine ausgehende Verbindung geeigneten Datenrahmen. Ein Switch innerhalb des Ethernet-LANs leitet einen Datenrahmen weiter, ohne seine Quell- und Ziel-MAC-Adressen zu ersetzen. Ein Router erstellt für das nächste Netz eine neue Hülle auf der Sicherungsschicht.

Vier Dienste, unterschiedliche Entscheidungen

Protokolle wählen die Dienste, die ihre Verbindungen benötigen. Ethernet prüft die CRC eines Datenrahmens und verwirft einen beschädigten Datenrahmen ohne Quittung. WLAN quittiert korrekt empfangene Unicast-Datenrahmen; ein fehlendes ACK kann eine lokale Wiederholung auslösen. Funkfehler sind häufig genug, dass eine Wiederherstellung auf der Funkverbindung die Verzögerung einer Ende-zu-Ende-Übertragungswiederholung durch TCP sparen kann. Ein erfolgreicher WLAN-Austausch garantiert dennoch nicht, dass ein Datagramm alle späteren Verbindungen übersteht.

Gemeinsam genutzte und eigene Kanäle

Eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung verbindet zwei Endpunkte, etwa einen Host und einen Switch-Port. Ein gemeinsam genutztes Medium oder Broadcastmedium unterstützt mehrere Sender, wie bei einem WLAN-Kanal oder einem Upstream-Kanal des Kabelinternets. Sie benötigen Regeln für die gemeinsame Nutzung der Sendezeit. Ein gemeinsam genutzter Kanal garantiert nicht, dass alle Stationen einander hören können: Hindernisse und Entfernung können Funksender verdecken.

Vollduplex ermöglicht beiden Endpunkten, gleichzeitig zu senden. Bei Halbduplex kann jeweils nur einer senden. Eine moderne Ethernet-Hostverbindung über einen Switch arbeitet normalerweise im Vollduplex; WLAN-Stationen teilen sich die Funksendezeit.

Wo die Arbeit stattfindet

Der Netzwerkadapter (NIC) führt Rahmenbildung, Medienzugriff und Fehlerprüfungen in Hardware mit Leitungsgeschwindigkeit aus. Software des Betriebssystems stellt Datagramme und Adressinformationen bereit, behandelt Unterbrechungsanforderungen und reicht empfangene Datagramme nach oben weiter. Zum Senden erstellt der NIC den Datenrahmen, berechnet Prüfbits, befolgt die Zugriffsregeln und überträgt. Beim Empfang prüft er den Datenrahmen und entnimmt das Datagramm, wenn der Datenrahmen akzeptiert wird.

Halte die beiden Adressbereiche auseinander. Adressen der Sicherungsschicht bezeichnen Sender und Empfänger einer lokalen Übertragung. IP-Quell- und -Zieladressen bezeichnen normalerweise die Endpunkte über den gerouteten Pfad; NAT kann sie umschreiben.

Fehlerprüfungen fügen Informationen hinzu, die der Empfänger prüfen kann. Eine fehlgeschlagene Prüfung beweist eine Beschädigung; eine bestandene Prüfung bedeutet, dass das Verfahren keinen Fehler gefunden hat. Verschiedene Prüfungen übersehen unterschiedliche Muster.

Zähle Einsen mit Parität

Wähle bei gerader Parität ein Bit so, dass die Gesamtzahl der Einsen gerade wird. Die Daten 1101011 enthalten fünf Einsen, also hänge 1 an: Die übertragene Folge lautet 11010111. Kippt ein Bit, wird die Anzahl ungerade und der Empfänger erkennt den Fehler. Eine ungerade Anzahl gekippter Bits ändert immer die Parität. Eine gerade Anzahl erhält sie, auch wenn zwei Änderungen eine Null in eine Eins und eine Eins in eine Null verwandeln.

Zweidimensionale Parität prüft sowohl Zeilen als auch Spalten eines Blocks. Für die Zeilen 1011, 0110 und 1100 lauten die Zeilenparitätsbits für gerade Parität 1, 0 und 0. Die Spaltenparitätsbits lauten 0, 0, 0 und 1; ein Eckbit vervollständigt die Parität für die Prüfbits. Wird Zeile 2 zu 0100, schlagen die Prüfungen für Zeile 2 und Spalte 3 fehl. Ihr Schnittpunkt zeigt das veränderte Bit, das der Empfänger zurückkippt.

Die Korrekturregel gilt für einen einzelnen Bitfehler. Zweidimensionale Parität erkennt alle Fehlermuster mit einem, zwei und drei Bits, aber mehrere fehlgeschlagene Prüfungen müssen nicht auf eine eindeutige Korrektur hinweisen. Vier gekippte Bits an den Ecken eines Rechtecks verändern jeweils zwei Bits in jeder betroffenen Zeile und Spalte. Dann bestehen alle Paritätsprüfungen.

Korrigiere ohne Hin- und Rückweg

Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC) sendet genügend Redundanz, damit der Empfänger manche beschädigte Daten wiederherstellen kann, ohne eine weitere Kopie anzufordern. Das ist nützlich, wenn eine erneute Übertragung zu spät ankäme, etwa bei Echtzeitverkehr oder einem langen Hin- und Rückweg über Satellit. Zusätzliche Prüfbits verbrauchen Kapazität, selbst wenn kein Fehler auftritt. Moderne FEC-Codes bieten stärkeren Schutz als das einfache Zeilen- und Spaltenverfahren.

Addiere 16-Bit-Wörter

Die Internet-Prüfsumme nutzt Einerkomplementaddition. Addiere die 16-Bit-Wörter und führe dann jeden Übertrag aus einem Überlauf an das niederwertige Ende zurück. Invertiere jedes Bit der endgültigen 16-Bit-Summe, um die Prüfsumme zu bilden.

Für 0x8F3A, 0x6C21 und 0x1E07:

1. Addiere die ersten beiden Wörter: 0x8F3A + 0x6C21 = 0xFB5B.
2. Addiere das dritte: 0xFB5B + 0x1E07 = 0x11962.
3. Führe den Übertrag zurück: 0x1962 + 0x0001 = 0x1963.
4. Invertiere die Bits: Die Prüfsumme ist 0xE69C.

Der Empfänger berücksichtigt die Prüfsumme in seiner Summe. Hier gilt 0x1963 + 0xE69C = 0xFFFF, also besteht die Prüfung. Das Weglassen des Übertrags würde die falsche Prüfsumme ergeben; die Rückführung gehört zur Arithmetik.

Die Prüfsumme lässt sich in Software mit geringem Aufwand berechnen und wird von IPv4, TCP und UDP genutzt. Ihr Prüfbereich unterscheidet sich: IPv4 prüft seinen Header; TCP und UDP erfassen ihre Transportdaten und einen Pseudoheader. Das Vertauschen vollständiger 16-Bit-Wörter lässt die Summe unverändert, sodass die Prüfsumme diese Änderung der Reihenfolge nicht erkennen kann. Ethernet und WLAN nutzen eine stärkere CRC, die effizient in der Adapterhardware berechnet wird.

Eine zyklische Redundanzprüfung (CRC) behandelt Bits als Koeffizienten in einer Polynomrechnung. Du kannst sie direkt mit Bitmustern berechnen: Verschiebungen und exklusives Oder ersetzen gewöhnliche Multiplikation und Subtraktion.

Lege die Anzahl der Prüfbits fest

Sender und Empfänger einigen sich auf ein Generatorpolynom G. Ein Generatorpolynom mit r + 1 Bits erzeugt r Prüfbits. Für G = 1011 ist r gleich 3. Der Sender wählt diese drei Bits so, dass die Daten gefolgt von den Prüfbits in der Modulo-2-Arithmetik ohne Rest durch G teilbar sind.

Modulo-2-Addition und -Subtraktion entsprechen beide XOR. Gleiche Bits ergeben 0, ungleiche Bits ergeben 1. Somit gilt 1011 XOR 0101 = 1110. Es gibt weder Überträge noch Ausleihen. Das Anhängen von r Nullen verschiebt ein Datenmuster D um r Stellen nach links, was einer Multiplikation mit $2^r$ entspricht.

Führe die Division durch

Verwende D = 11010011 und G = 1011.

1. Hänge drei Nullen an: 11010011000.
2. Beginne bei der 1 ganz links, richte das linke Bit des Generatorpolynoms daran aus und verknüpfe durch XOR.
3. Gehe nach rechts zur nächsten verbleibenden 1 und wiederhole den Vorgang. Überspringe führende Nullen.
4. Halte nach der Verarbeitung der Datenpositionen an; die letzten drei Bits sind der Rest R.

Die aufeinanderfolgenden Muster in voller Länge lauten:

11010011000
01100011000
00111011000
00010111000
00000001000
00000000011

Der Rest ist 011. Behalte seine führende Null bei: Das Prüffeld hat immer drei Bits. Ersetze die angehängten Nullen durch diesen Rest und übertrage 11010011011.

Prüfe, was angekommen ist

Der Empfänger dividiert die gesamte empfangene Folge durch dasselbe Generatorpolynom. Er hängt keine weiteren Nullen an. Die Division von 11010011011 ergibt den Rest 000, sodass kein Fehler erkannt wird. Ändert sich das dritte Bit, wird die empfangene Folge zu 11110011011; ihr Rest ist 010, daher wird sie verworfen.

Das funktioniert, weil das gültige übertragene Muster ein Vielfaches von G ist. Ein Fehler verändert dieses Muster. Der Empfänger erkennt die Änderung, sofern nicht auch das Fehlermuster ein Vielfaches von G ist.

Kenne den Schutz

Ein geeignetes Generatorpolynom vom Grad r erkennt jeden Bündelfehler, dessen Spanne höchstens r Bits beträgt. Bei längeren zufälligen Fehlerbündeln liegt die Wahrscheinlichkeit eines unentdeckten Fehlers bei etwa $2^{-r}$. Generatorpolynome mit dem Faktor $x+1$ erkennen außerdem jede ungerade Anzahl gekippter Bits. Das sind unterschiedliche Garantien: Die Bündellänge ist der Abstand vom ersten bis zum letzten veränderten Bit einschließlich unveränderter Bits dazwischen.

Ethernet und WLAN nutzen eine CRC mit 32 Bit, die als Rahmenprüfsequenz (FCS) von vier Byte übertragen wird. Die Wahrscheinlichkeit, dass sie ein langes zufälliges Fehlerbündel übersieht, beträgt etwa eins zu 4,3 Milliarden. CRC-32 erkennt bis zu drei gekippte Bits in einem Datenrahmen von Ethernet-Größe. Schieberegister und XOR-Gatter in Hardware können die CRC berechnen, während die Bits den Adapter durchlaufen.

Eine CRC erkennt zufällige Beschädigungen; sie authentifiziert keinen Sender. Wer einen Datenrahmen absichtlich verändert, kann eine neue CRC berechnen. Sie bietet auch keine automatische Korrektur: Ethernet verwirft einen fehlerhaften Datenrahmen, während das fehlende ACK bei WLAN eine erneute Übertragung auslösen kann.

Mehrere Schnittstellen, die einen Kanal gemeinsam nutzen, benötigen eine Regel, wer sendet. Überlappen sich Übertragungen bei einem Empfänger und können nicht dekodiert werden, verschwendet eine Kollision Kanalzeit. Ein Medienzugriffsprotokoll koordiniert die konkurrierenden Sender.

Was würde eine ideale Aufteilung leisten?

Bei einem Kanal mit der Rate R sollte ein einzelner aktiver Sender die gesamte Rate R erhalten. Bei M aktiven Sendern sollte jeder im Durchschnitt R/M erhalten. Die Abstimmung sollte einfach, kostengünstig und dezentral sein, ohne eine ausfallgefährdete Steuerung oder synchronisierte Uhren. Reale Protokolle gehen Kompromisse zwischen diesen Zielen ein.

Drei Familien treffen unterschiedliche Entscheidungen: Kanalaufteilung reserviert Anteile, wahlfreier Zugriff erlaubt Sendeversuche und löst Kollisionen auf, und abwechselnder Zugriff erteilt eine zeitlich begrenzte Sendeberechtigung.

Reserviere Zeit oder Frequenzen

TDMA weist in jedem sich wiederholenden Zeitrahmen jedem Knoten einen Zeitschlitz zu. Jede Übertragung nutzt während ihres Zeitschlitzes die volle Kanalrate, aber der langfristige Anteil eines Knotens beträgt bei N zugewiesenen Knoten R/N. Teilen sich vier Knoten 1 Gb/s, erhält jeder im Durchschnitt 250 Mb/s. Haben drei keine Daten, bleiben ihre festen Zeitschlitze leer; der vierte erhält weiterhin durchschnittlich 250 Mb/s.

FDMA weist jedem Knoten ein eigenes Frequenzband zu. Der Knoten kann in seinem Band dauerhaft senden, aber bei gleichmäßiger Aufteilung erhält er wiederum R/N. Ein reserviertes Band wird bei Sendepausen ebenso verschwendet wie ein TDMA-Zeitschlitz.

Feste Aufteilung verhindert konkurrierende Zugriffe unter den zugewiesenen Benutzern. Bei büschelartigem Verkehr bleiben Anteile aber oft ungenutzt, während ein anderer Sender eine Warteschlange hat.

Trenne überlappende Signale mit Codes

CDMA stellt ein Datenbit als +1 für Bit 1 oder −1 für Bit 0 dar. Multipliziere diesen Wert mit einer senderspezifischen Folge von Chips, die jeweils +1 oder −1 sind. Gleichzeitige Chipfolgen addieren sich im Kanal.

Nimm die Codes $c_1=(1,1,1,1)$ und $c_2=(1,-1,1,-1)$. Ihr Skalarprodukt ist null, sie sind also orthogonal. Sendet Sender 1 +1 und Sender 2 −1, lauten ihre Chipfolgen (1, 1, 1, 1) und (−1, 1, −1, 1). Die empfangene Summe ist (0, 2, 0, 2).

Um Sender 1 zu dekodieren, multipliziere die empfangenen Chips mit seinem Code, addiere und dividiere durch vier: $(0+2+0+2)\mathrm{/}4=1$. Die Rechnung für Sender 2 lautet $(0-2+0-2)\mathrm{/}4=-1$. In diesem idealen Modell entfernt jeder Code den Beitrag des anderen Senders.

Reale Systeme benötigen eine sorgfältige Leistungsregelung, damit ein nahes starkes Signal ein entferntes schwaches nicht überdeckt. Orthogonalität ist eine Eigenschaft von Codepaaren und keine Garantie, dass sich beliebige Funksignale vollkommen trennen lassen. CDMA war die Grundlage des 3G-Zugangs; LTE und 5G nutzen OFDM-basierte Zugangsverfahren, wobei der LTE-Uplink das verwandte Verfahren SC-FDMA verwendet.

Wahlfreier Zugriff lässt einen Knoten senden, ohne zuvor einen Anteil zu reservieren. Auf eine Kollision folgt eine unabhängig gewählte zufällige Wartezeit. Der Zufall hilft den Sendern, nicht immer wieder gemeinsam dieselbe Kollision zu verursachen.

Führe Zeitschlitzgrenzen ein

Bei Slotted ALOHA passen gleich lange Datenrahmen genau in Zeitschlitze von L/R Sekunden. Die Knoten synchronisieren ihre Uhren und beginnen nur an Zeitschlitzgrenzen. Ein neuer Datenrahmen nutzt den nächsten Zeitschlitz. Nach einer Kollision versucht ein wartender Knoten in jedem späteren Zeitschlitz mit der Wahrscheinlichkeit p zu senden.

Ein Zeitschlitz hat drei mögliche Ergebnisse: Kein Knoten sendet, genau einer sendet erfolgreich oder mehrere kollidieren. Ein sehr kleines p verringert Kollisionen, erzeugt aber leere Zeitschlitze. Ein zu großes p füllt Zeitschlitze mit konkurrierenden Versuchen.

Leite die Erfolgswahrscheinlichkeit her

Angenommen, N Knoten haben immer Datenrahmen und versuchen unabhängig voneinander mit der Wahrscheinlichkeit p zu senden. Damit ein bestimmter Knoten erfolgreich ist, muss er senden und alle anderen N − 1 Knoten müssen still bleiben. Seine Erfolgswahrscheinlichkeit beträgt $p(1-p{)}^{N-1}$. Jeder der N Knoten kann dieser alleinige Sender sein, was die Gesamteffizienz ergibt:

Bei N = 10 und p = 0,1 beträgt der Wert $10(\mathrm{0,1})(\mathrm{0,9}{)}^9\approx \mathrm{0,387}$. Ein Kanal mit 100 Mb/s überträgt daher insgesamt etwa 38,7 Mb/s an erfolgreichen Datenrahmen. Das sind nicht 38,7 Mb/s für jeden Knoten. Symmetrische, dauerhaft sendebereite Knoten teilen sich diese nutzbare Kapazität.

Die beste Versuchswahrscheinlichkeit ist $p=1\mathrm{/}N$. Mit wachsendem N nähert sich der maximale nutzbare Anteil $1\mathrm{/}e\approx \mathrm{0,368}$. Der fehlende Anteil umfasst sowohl Kollisionen als auch leere Zeitschlitze. Wahlfreier Zugriff verursacht selbst dann Zusatzaufwand, wenn alle Sender bereit sind.

Verzichte auf Synchronisierung

Reines ALOHA sendet ohne Zeitschlitze, sobald ein Datenrahmen bereit ist. Angenommen, ein Datenrahmen benötigt T Sekunden. Eine andere Übertragung, die kurz davor beginnt, kann seinen Anfang überlappen; beginnt sie vor seinem Ende, kann sie sein Ende überlappen. Das Verwundbarkeitsintervall umfasst 2T.

Zeitschlitze verhindern teilweise Überlappungen, indem sie jeden Beginn auf eine Grenze festlegen. Im üblichen Wahrscheinlichkeitsmodell mit dauerhaft sendebereiten Knoten ist ein Sender bei reinem ALOHA mit der Wahrscheinlichkeit $p(1-p{)}^{2(N-1)}$ erfolgreich. Die maximale Gesamteffizienz bei vielen Knoten beträgt $1\mathrm{/}(2e)\approx \mathrm{0,184}$. Reines ALOHA lässt sich einfacher koordinieren, erreicht aber etwa die Hälfte des besten Durchsatzes von Slotted ALOHA.

Ein einzelner aktiver Sender kann bei Slotted ALOHA jeden Zeitschlitz nutzen. Die Schranke von 37 % beschreibt viele konkurrierende, dauerhaft sendebereite Knoten und ist keine physische Obergrenze für jede Nutzung des Protokolls. ALOHA begann als Funknetz zwischen Inseln auf Hawaii; die Idee des konkurrierenden Zugriffs mit Wiederholung erscheint auch bei Zugriffsanfragen in Kabel- und Mobilfunknetzen.

Mehrfachzugriff mit Trägerprüfung (CSMA) lässt einen Knoten vor dem Senden zuhören. Kollisionserkennung (CD) lässt einen sendenden Knoten anhalten, wenn er eine Kollision erkennt. Das Zuhören verbessert die Effizienz, kann aber die Verzögerung bis zum Eintreffen eines entfernten Signals nicht beseitigen.

Warum ein freier Kanal dennoch eine Kollision zulassen kann

Beginnt B an einem Ende eines Kabels zu senden, hört D am anderen Ende möglicherweise noch nichts. D kann während dieser Ausbreitungszeit zu senden beginnen und so eine Kollision verursachen. Bei CSMA/CD überwachen Adapter das Medium während des Sendens. Erkennt ein Adapter eine Kollision, bricht er die Übertragung des Datenrahmens ab, sendet ein Störsignal und plant eine Wiederholung.

Wähle eine zufällige Wartezeit für die Wiederholung

Nach Kollision n desselben Datenrahmens wählt das binäre exponentielle Backoff eine ganze Zahl K gleichverteilt von 0 bis $2^m-1$, wobei $m=\min (n,10)$ gilt. Die Wartezeit beträgt K mal 512 Bitdauern. Bei aufeinanderfolgenden frühen Kollisionen verdoppelt sich der Bereich und verteilt konkurrierende Wiederholungen auf mehr Möglichkeiten. Nach 16 erfolglosen Versuchen gibt der Adapter einen Datenrahmen auf.

Bei 100 Mb/s benötigt ein Bit 10 ns. Ein Zeitschlitz von 512 Bit dauert daher 5,12 μs. Nach der dritten Kollision kann K Werte von 0 bis 7 annehmen, sodass die längste Wartezeit $7(\mathrm{5,12})=\mathrm{35,84}$ μs beträgt. Bei 10 Mb/s dauern dieselben 512 Bitdauern 51,2 μs. Eine Anzahl von Bitdauern entspricht bei verschiedenen Verbindungsgeschwindigkeiten keiner festen Anzahl von Sekunden.

Prüfe die zeitlichen Bedingungen des Netzes

Kollisionserkennung funktioniert nur, solange der Sender noch sendet. Ein minimaler Datenrahmen muss länger dauern als der Hin- und Rückweg zu einer entfernten Kollision im ungünstigsten Fall. Die Mindestgröße von 64 Byte bei klassischem Ethernet liefert 512 Bitdauern.

Bei einer Strecke von 2 km und einer Signalgeschwindigkeit von $2\times {10}^8$ m/s beträgt die Ausbreitungszeit für Hin- und Rückweg $4000\mathrm{/}(2\times {10}^8)=20$ μs. Das übersteigt die 5,12 μs eines Zeitschlitzes bei 100 Mb/s, selbst ohne Geräteverzögerungen. Ein minimaler Datenrahmen könnte zu früh enden. Die allein durch die Ausbreitung bestimmte Entfernungsschranke beträgt etwa 512 m; reale Schranken für gemeinsam genutzte Netze müssen auch Hubs und Adapter berücksichtigen.

Schätze die Effizienz

Eine gängige Näherung ist

wobei die Ausbreitungsverzögerung für einen Weg durch das Netz und die Übertragungsverzögerung für die Sendezeit eines Datenrahmens maximaler Größe steht. Bei 200 m und derselben Signalgeschwindigkeit dauert die Ausbreitung 1 μs. Ein Datenrahmen von 1.518 Byte benötigt bei 100 Mb/s $1518(8)\mathrm{/}{10}^8=\mathrm{121,44}$ μs. Einsetzen ergibt etwa 0,96 oder 96 % Effizienz. Eine kürzere Ausbreitungsverzögerung und längere Datenrahmen verringern die relativen Kosten konkurrierender Zugriffe.

Modernes Ethernet mit Switches im Vollduplex hat keine Kollisionen auf einem gemeinsam genutzten Medium und führt kein CSMA/CD aus. Ethernet mit 10 Gb/s und mehr arbeitet nur im Vollduplex. Auch WLAN prüft den Träger, nutzt aber Kollisionsvermeidung: Ein sendendes Funkgerät kann das wesentlich schwächere Signal einer anderen Station nicht zuverlässig erkennen, und verdeckte Stationen können außerhalb der gegenseitigen Hörweite liegen.

Protokolle mit abwechselndem Zugriff versuchen, einem einzelnen Sender nahezu den gesamten Kanal zu geben und die Kapazität bei vielen aktiven Sendern fair aufzuteilen. Sie vermeiden wiederholte Kollisionen, indem sie die Sendeberechtigung steuern.

Frage jeden Sender ab oder gib die Berechtigung weiter

Beim Polling fordert eine Steuerung Knoten nacheinander zum Senden auf, oft mit einer Begrenzung der Datenrahmen pro Durchgang. Die Begrenzung verhindert, dass ein stark ausgelasteter Knoten alle anderen warten lässt. Abfragen verbrauchen Sendezeit, und ein sendebereiter Knoten muss möglicherweise warten, während die Steuerung inaktive Knoten abfragt. Die Steuerung ist außerdem eine zentrale Ausfallstelle. Klassisches Bluetooth nutzt zentral koordinierten Zugriff in einem Pikonetz.

Beim Token Passing zirkuliert ein kleiner Steuerungsrahmen in fester Reihenfolge. Wer das Token besitzt, darf eine begrenzte Datenmenge senden. Ein Knoten ohne Daten gibt es sofort weiter. Eine zentrale Abfragestelle ist nicht nötig, aber das Protokoll benötigt Verfahren für ein verlorenes Token oder eine Unterbrechung des logischen Umlaufs. Token Ring und FDDI nutzten diesen Ansatz.

Bei einem Kanal mit zehn Knoten, von denen nur Knoten 7 aktiv ist, gibt ihm festes TDMA ein Zehntel der Zeit. Slotted ALOHA kann ihm jeden Zeitschlitz überlassen. Polling nähert sich der vollen Rate, benötigt aber etwas Zeit für die Abfrage der neun nicht sendenden Knoten.

Verfolge den Upstream-Zugriff im Kabelnetz

DOCSIS verbindet Kabelmodems mit einem Kabelmodem-Abschlusssystem (CMTS). Frequenzressourcen trennen die Kanäle. Auf einem gewöhnlichen Downstream-Kanal ist das CMTS der einzige Sender. Auf einem Upstream-Kanal konkurrieren viele Modems darum, dasselbe CMTS zu erreichen.

Der Upstream ist in Minizeitschlitze aufgeteilt. Eine MAP-Nachricht im Downstream kündigt an, welche Upstream-Sendemöglichkeiten zu welchen Modems gehören. Das CMTS kann einem Modem aufeinanderfolgende Minizeitschlitze für ein Datenbündel geben und die nächste Möglichkeit dann einem anderen Modem.

Ein Modem mit Daten in der Warteschlange kann eine kurze Bandbreitenanforderung in einer konkurrierend genutzten Sendemöglichkeit senden. Anforderungen können kollidieren. Das Modem prüft spätere MAP-Nachrichten auf das Ergebnis seiner Anforderung. Sobald die Quittungszeit für seine Anforderung verstrichen ist und keine Zuteilung oder ausstehende Zuteilung sie abdeckt, versucht das Modem es mit einem begrenzten binären exponentiellen Backoff erneut. Dass eine sofortige Datenzuteilung fehlt, beweist noch keine Kollision: Eine erkannte Anforderung kann noch auf ihre Einplanung warten.

DOCSIS kombiniert somit drei Ideen: Frequenzaufteilung organisiert Kanäle, wahlfreier Zugriff ermöglicht Anforderungen und geplante Zuteilungen übertragen Upstream-Daten. DOCSIS 3.1 und 4.0 ergänzen OFDM im Downstream und OFDMA im Upstream. Dabei teilen sie Kanäle in schmale Unterträger auf und behalten den Zugriff durch Anforderung und Zuteilung bei. Bezeichnet man den Kabelzugang nur als TDMA, übersieht man den konkurrierenden Zugriff, mit dem eine Sendemöglichkeit erlangt wird.

Eine IP-Adresse hilft bei der Auswahl eines Netzziels. Eine MAC-Adresse identifiziert eine Schnittstelle für die lokale Übertragung von Datenrahmen. Ein Laptop mit Ethernet und WLAN hat für jede Schnittstelle eine eigene MAC-Adresse.

Lies eine 48-Bit-Adresse

Eine gebräuchliche MAC-Adresse hat sechs Byte, geschrieben als sechs Hexadezimalpaare: 5C-F9-38-A2-41-07. Der Adressraum mit 48 Bit enthält etwa 2,8 × 10¹⁴ Werte. Im bekannten Modell der Herstellerzuweisung liefert eine vom IEEE vergebene Organisationskennung (OUI) die ersten 24 Bits und der Hersteller weist die übrigen 24 zu.

MAC-Adressen sind flach: Kein Teil bezeichnet das aktuelle IP-Subnetz der Schnittstelle. Eine Schnittstelle kann ihre MAC-Adresse nach einem Standortwechsel behalten. Software kann auch eine werkseitige Adresse ersetzen; WLAN-Geräte nutzen zum Schutz der Privatsphäre häufig zufällig erzeugte lokal verwaltete Adressen. Adressen müssen innerhalb des lokalen LANs eindeutig bleiben.

Die beiden niederwertigen Bits des ersten Bytes haben besondere Bedeutungen. Das niederwertigste Bit ist 0 für eine Einzeladresse und 1 für eine Gruppenadresse. Das nächste Bit ist 0 für globale und 1 für lokale Verwaltung. 5C endet binär auf 00 und bezeichnet daher eine global verwaltete Unicast-Adresse. DA endet auf 10 und bezeichnet daher eine lokal verwaltete Unicast-Adresse. FF-FF-FF-FF-FF-FF ist das Broadcastziel.

Löse einen IPv4-Nachbarn auf

Das Address Resolution Protocol (ARP) ordnet einer IPv4-Adresse eine MAC-Adresse im lokalen Subnetz zu. Ein ARP-Cache speichert IP-MAC-Zuordnungen mit Informationen zum Ablauf. ARP-Nachrichten werden direkt in Datenrahmen der Sicherungsschicht übertragen und durch den EtherType 0x0806 gekennzeichnet.

Angenommen, A unter 192.168.1.10/24 benötigt B unter 192.168.1.20 und hat keine Zuordnung im Cache:

1. A sendet eine ARP-Anfrage als Broadcast und fragt, wem die IPv4-Adresse von B gehört. Sie enthält die eigenen IP- und MAC-Adressen von A.
2. Alle lokalen Schnittstellen empfangen die Anfrage; B erkennt die Zieladresse.
3. B sendet seine Antwort an die MAC-Adresse von A und kann die Zuordnung von A lernen.
4. A speichert die Zuordnung von B im Cache und sendet den Datenrahmen an B.

Der Zieladapter nimmt einen Datenrahmen an, der an ihn selbst, die Broadcastadresse oder eine Multicast-Gruppe adressiert ist, die er empfängt. Datenrahmen an andere Ziele verwirft er normalerweise, bevor sie IP erreichen.

Sende über das Subnetz hinaus

Für das Ziel 203.0.113.5 erkennt A zunächst, dass die Adresse außerhalb seines /24-Subnetzes liegt. A wählt das Gateway 192.168.1.1, löst dessen MAC-Adresse auf und sendet den Ethernet-Datenrahmen dorthin. Das eingeschlossene IP-Datagramm bleibt an 203.0.113.5 adressiert. Jeder Router entscheidet über den nächsten Knoten und erstellt den ausgehenden Datenrahmen.

ARP kann die MAC-Adresse eines entfernten Servers nicht über Router hinweg ermitteln. Router halten den lokalen Broadcast auf, und die entfernte MAC-Adresse würde ohnehin nicht den nächsten Empfänger an der Kabelverbindung von A bezeichnen.

ARP authentifiziert Angaben über die Zugehörigkeit von Adressen nicht, sodass gefälschte Antworten lokalen Verkehr umleiten können. IPv6 nutzt statt ARP ICMPv6 Neighbor Discovery mit Nachbaranfragen und -ankündigungen.

Ethernet umfasst viele physische Medien und Geschwindigkeiten und behält dabei eine erkennbare Rahmenstruktur und 48-Bit-Adressierung bei. Ethernet mit gemeinsam genutztem Koaxialkabel und Ethernet mit Hubs nutzten jeweils eine gemeinsame Kollisionsdomäne. Ein Switch gibt jedem Host eine separate Verbindung, die normalerweise im Vollduplex betrieben wird.

Lies die Felder

Die Synchronisationsfolge besteht aus sieben Byte mit abwechselnden Bits und einer Startbegrenzung. Sie steht vor dem Teil, der zur üblichen Rahmenlänge von 64 bis 1.518 Byte gezählt wird. EtherTypes sind unter anderem 0x0800 für IPv4, 0x86DD für IPv6 und 0x0806 für ARP. Der Empfänger nutzt dieses Feld, um die Nutzlast an das richtige Protokoll zu übergeben.

Unterscheide MTU und Rahmengröße

Die übliche maximale Übertragungseinheit (MTU) von Ethernet beträgt 1.500 Byte: das größte Datagramm der Vermittlungsschicht, das im Datenfeld übertragen wird. Der Ethernet-Header und die CRC sind darin nicht enthalten. Ein größeres Datagramm benötigt eine kompatible größere MTU oder eine Behandlung auf der Vermittlungsschicht, etwa kleinere Pakete; IPv4 kann fragmentieren, wo es erlaubt ist, während IPv6-Router weitergeleitete Pakete nicht fragmentieren.

Ein Datagramm von 20 Byte benötigt 26 Byte Auffüllung, um das minimale Datenfeld von 46 Byte zu erreichen. Zusammen mit 14 Header-Bytes und vier CRC-Bytes ergibt sich der minimale Datenrahmen von 64 Byte. Der Empfänger nutzt die IP-Paketlänge, um das Datagramm von der Auffüllung zu unterscheiden. Am anderen Ende ergibt ein Datagramm von 1.500 Byte einen Datenrahmen ohne Tag von 1.518 Byte.

Berücksichtige die belegte Verbindungszeit

Jeder Datenrahmen nutzt außerdem die acht Byte lange Präambel mit Startfolge und eine Sendepause von 96 Bit, entsprechend 12 Bytedauern. Eine Übertragung maximaler Größe belegt daher 1.538 Bytedauern. Der Anteil des Datenfeldes beträgt $1500\mathrm{/}1538\approx \mathrm{0,975}$, also etwa 97,5 %.

Ein minimaler Datenrahmen belegt $64+8+12=84$ Bytedauern. Sein Datenfeld von 46 Byte macht etwa 55 % dieser Zeit aus. Sind nur 20 Byte tatsächliche IP-Daten, ist die nutzbare IP-Effizienz noch niedriger: Auffüllung ist keine Anwendungsinformation. Nenne bei einer Effizienzangabe immer, welche Bytes als nutzbar zählen.

Verstehe den Dienst

Ethernet ist verbindungslos: Einem Datenrahmen geht kein Ethernet-Handshake voraus. Es ist im Sinn des Protokolls auch unzuverlässig: Eine fehlerhafte CRC führt zum Verwerfen ohne Ethernet-ACK oder erneute Übertragung. TCP oder eine Anwendung kann die verlorenen Daten später wiederherstellen.

IEEE 802.3 umfasst Technologien von 10 Mb/s bis 800 Gb/s über Kupfer und Glasfaser. Namen wie 100BASE-TX und 10GBASE-T codieren die Geschwindigkeit und Einzelheiten der physischen Signalübertragung. Manche Rechenzentren nutzen Jumbo-Frames mit Nutzlasten von ungefähr 9.000 Byte. Die Unterstützung muss entlang des betreffenden Pfades übereinstimmen; eine schnellere Verbindung allein vergrößert die normale MTU nicht.

Ein Switch verbindet Ethernet-Segmente und leitet Datenrahmen anhand der Ziel-MAC-Adresse weiter. Hosts adressieren einander oder einen Router, nicht den Switch. Diese Transparenz ermöglicht es, einen Switch einzufügen, ohne die Adressierung der Hosts zu ändern.

Triff zwei getrennte Entscheidungen

Lerne für jeden ankommenden Datenrahmen zuerst die Quelle: Speichere ihre MAC-Adresse, den Eingangsport und die aktuelle Zeit. Suche dann das Ziel, um zu entscheiden, wohin der Datenrahmen gelangen soll.

Aus dem Ziel zu lernen wäre ein Zirkelschluss: Der Switch hat nicht beobachtet, von wo dieses Ziel tatsächlich sendet. Einträge verfallen, wenn sie nicht erneuert werden, gewöhnlich nach etwa 300 Sekunden, sodass alte Standorte nicht dauerhaft bestehen bleiben.

Verfolge eine anfangs leere Tabelle

Verbinde A mit Port 1, B mit Port 2 und C mit Port 3.

1. A sendet an B. Der Switch speichert A → 1. B ist unbekannt, daher verlässt der Datenrahmen den Switch über die Ports 2 und 3.
2. B antwortet A. Der Switch speichert B → 2 und sendet nur an Port 1.
3. C sendet an B. Der Switch speichert C → 3 und sendet nur an Port 2.

Ein Broadcast wird auch dann geflutet, wenn andere Adressen bekannt sind. Ein unbekannter Unicast wird ebenfalls geflutet, bleibt aber an eine Schnittstelle adressiert; andere Adapter verwerfen ihn. Ein nicht sendendes Ziel bleibt unbekannt, bis ein Datenrahmen mit seiner Quelladresse den Switch erreicht.

Teilen sich A und D einen Hub an Port 1 und hat der Switch D dort bereits gelernt, kommt der Datenrahmen von A an D an Port 1 an. Der Switch filtert ihn, weil D bereits im Eingangssegment liegt. D kann die lokale Kopie des Hubs empfangen, ohne dass der Switch eine weitere Kopie sendet.

Vermeide endloses Fluten

Ethernet-Datenrahmen haben weder ein Feld für die Anzahl der Übertragungsschritte noch ein TTL-Feld. Eine Schleife kann Broadcasts wiederholt umlaufen lassen und die Kopien zu einem Broadcaststurm vervielfachen. Das Spanning Tree Protocol (STP) erzeugt einen schleifenfreien aktiven Baum, indem es redundante Verbindungen blockiert. Nach einem Ausfall kann ein blockierter Pfad aktiv werden. In einer STP-basierten Topologie der Schicht 2 sorgen redundante Verbindungen für Ausfallsicherheit, werden aber nicht alle gleichzeitig für die gewöhnliche Weiterleitung genutzt.

Vergleiche die Trennung

Switches trennen Kollisionsdomänen und können Ports unterschiedlicher Geschwindigkeiten verbinden. Sie können eingehende Datenrahmen puffern und an belegten Ausgangsports in Warteschlangen stellen. Sie beseitigen keinen Engpass, wenn mehrere Eingänge um einen langsameren Ausgang konkurrieren.

Router leiten anhand von IP weiter, trennen Subnetze und halten Broadcasts der Sicherungsschicht auf. Ihre hierarchische Adressierung und Routingprotokolle unterstützen größere Netze; die IP-TTL begrenzt den Umlauf von Datagrammen. LANs mit Switches benötigen dagegen eine schleifenfreie Weiterleitungstopologie und eine Begrenzung des Broadcastwachstums.

Das Selbstlernen bringt auch eine Schwäche mit sich: Gefälschte Quelladressen können die Tabelle eines Switches füllen. Dadurch werden mehr legitime Ziele unbekannt und ihre Datenrahmen möglicherweise geflutet. VLAN-Grenzen begrenzen weiterhin den Bereich des Flutens; das Lernen von Tabelleneinträgen ist kein Authentifizierungsmechanismus.

Ein einzelnes großes LAN mit Switches verbreitet Broadcasts an viele Hosts und bindet logische Gruppen an die physische Verkabelung. Ein virtuelles LAN (VLAN) teilt dieselbe Switch-Infrastruktur in getrennte Netze der Schicht 2 auf.

Weise die logische Zugehörigkeit zu

Bei portbasierten VLANs gehört jeder Zugangsport zu einer gewählten Gruppe. Die Ports 2–8 könnten zum VLAN 10 der Entwicklungsabteilung und die Ports 9–15 zum VLAN 20 der Finanzabteilung gehören. Ein Broadcast, der in VLAN 10 eingeht, erreicht die anderen Ports von VLAN 10, nicht die Ports der Finanzabteilung. Wechselt ein Benutzer zwischen Gruppen, kann die Portzugehörigkeit per Software geändert werden.

Ein VLAN ist eine Broadcastdomäne. Es kann sich über mehrere physische Switches erstrecken, und ein Switch kann mehrere VLANs unterstützen. Hosts an gewöhnlichen Zugangsports senden und empfangen gewöhnliche Datenrahmen ohne Tag; sie müssen nicht wissen, wie die Switches das LAN aufteilen.

Route zwischen Gruppen

Verschiedene VLANs können Datenrahmen nicht direkt austauschen. Ein Host der Entwicklungsabteilung unter 10.1.10.25, der an einen Host der Finanzabteilung unter 10.1.20.40 sendet, erkennt ein entferntes Subnetz und sendet an die MAC-Adresse seines Gateways. Der Router entfernt den Datenrahmen von VLAN 10 und leitet das IP-Datagramm in einem neuen Datenrahmen in VLAN 20 weiter. Ein Layer-3-Switch kann dieses Routing intern ausführen.

Die Trennung auf Schicht 2 verbietet geroutete Kommunikation nicht von selbst. Filterregeln auf dem gerouteten Pfad entscheiden, welcher Verkehr zwischen VLANs erlaubt ist. Die Zuweisung zweier Ports zu verschiedenen VLANs ersetzt diese Richtlinie nicht.

Übertrage die Zugehörigkeit über einen Trunk

Ein Trunk überträgt mehrere VLANs zwischen Switches, beschränkt auf die dort zugelassenen VLANs. Bei Verwendung von Tags fügt IEEE 802.1Q nach der Quell-MAC-Adresse vier Byte ein:

• Einen Tag-Protokollidentifikator von zwei Byte, gewöhnlich 0x8100.
• Drei Prioritätsbits.
• Ein Bit zur Kennzeichnung der Verwerfbarkeit.
• Eine VLAN-Kennung mit 12 Bit, die VID.

Der empfangende Switch nutzt das Tag, um den Datenrahmen im richtigen VLAN zu halten. Bei der Zustellung an einen gewöhnlichen Zugangsport ohne Tags wird das Tag entfernt. Trunks können auch ein natives VLAN ohne Tags unterstützen; die Regeln für Tags müssen an beiden Endpunkten übereinstimmen.

Die VID hat $2^{12}=4096$ Bitmuster. Die Werte 0 und 4.095 sind reserviert, sodass 4.094 gewöhnliche VLAN-Kennungen bleiben. Ein Tag vergrößert einen maximalen Datenrahmen ohne Tag von 1.518 auf 1.522 Byte. Ändern sich die von der FCS erfassten Bytes, ist eine neue CRC nötig.

Erweitere die Trennung über ein geroutetes Netz

Cloudnetze benötigen möglicherweise mehr als 4.094 isolierte Gruppen. VXLAN kapselt einen Ethernet-Datenrahmen in UDP und IP und nutzt eine virtuelle Netzkennung mit 24 Bit. Das liefert etwa 16,7 Millionen Kennungen, während die zugrunde liegenden Router das äußere IP-Paket weiterleiten.

Der innere Datenrahmen beschreibt die lokale Zustellung des virtuellen LANs; das äußere Paket überquert das physische geroutete Netz. So können sich virtuelle Netze über Server erstrecken, ohne das gesamte Rechenzentrum zu einer einzigen riesigen physischen Broadcastdomäne zu machen. VLANs können auch anhand anderer Kriterien zugewiesen werden, etwa der Quell-MAC-Adresse oder des Protokolls, obwohl die Portzugehörigkeit das einfachste Modell ist.

Ein Rechenzentrum bedient externe Clients und überträgt außerdem große Verkehrsmengen zwischen seinen eigenen Servern. Speicherreplikation, die Verteilung von Suchanfragen und verteiltes maschinelles Lernen können alle die Verbindungen zwischen Racks belasten.

Baue das Netz auf

Server sind mit einem Top-of-Rack-Switch (ToR-Switch) verbunden, häufig einem für 20–40 Server. In einer klassischen Hierarchie sind ToR-Switches aufwärts über Switches der Ebene 2 und Ebene 1 verbunden. Grenzrouter verbinden das Netz mit dem Internet. Ein Lastverteiler empfängt Verkehr für einen Dienst und verteilt Anfragen auf Server; Clients können eine öffentliche Dienstadresse nutzen, während sich die Gruppe der internen Server ändert.

Die entscheidende Frage ist, wie viel Verkehr ein Rack verlassen kann. Schnelle Serververbindungen garantieren keine ebenso hohe Bandbreite über die Uplinks.

Berechne die Überbuchung

Angenommen, 40 Server haben jeweils eine Verbindung mit 25 Gb/s. Ihr gesamter möglicher Bedarf beträgt $40(25)=1000$ Gb/s. Vier Uplinks mit jeweils 100 Gb/s stellen 400 Gb/s bereit. Das Überbuchungsverhältnis beträgt

Das entspricht 2,5 : 1. Senden alle 40 Server gleich viel an andere Racks und sind diese Uplinks der Engpass, erhält jeder durchschnittlich $400\mathrm{/}40=10$ Gb/s. Verkehr, der innerhalb des Racks bleibt, beansprucht die Uplinks nicht auf dieselbe Weise. Das Verhältnis beschreibt die Gesamtkapazität, keine automatische feste Ratenbegrenzung für jeden Server.

Ergänze Pfade mit Clos-Netzen

Ein Clos-Netz bietet mehrere Pfade zwischen Racks und nutzt dafür viele kleinere Switches. Für gerades k hat ein dreistufiger Fat Tree mit k Ports pro Switch k Pods, jeder mit k/2 Edge- und k/2 Aggregations-Switches, sowie (k/2)² Kern-Switches. Bei Verbindungen gleicher Rate unterstützt er $k^3\mathrm{/}4$ Hosts mit $5k^2\mathrm{/}4$ Switches.

Für k = 4 beträgt die Anzahl der Hosts $4^3\mathrm{/}4=16$ und die Anzahl der Switches $5(4^2)\mathrm{/}4=20$. Für k = 48 ergeben sich 27.648 Hosts und 2.880 Switches. Die Topologie stellt bei geeigneter Pfadzuweisung die volle Gesamtkapazität für zulässigen Verkehr bereit. Sie garantiert nicht jedem Host seine volle Verbindungsrate, wenn alle Hosts an ein Ziel senden oder das Routing Datenströme konzentriert.

Verteile Datenströme auf gleich teure Pfade

Equal-Cost Multipath (ECMP) verarbeitet Paketfelder wie IP-Adressen und Transportports mit einer Hashfunktion, um einen Pfad zu wählen. Pakete eines Datenstroms folgen normalerweise demselben Pfad und behalten ihre Reihenfolge, während verschiedene Datenströme verschiedene Pfade nehmen können.

Die Hashzuordnung verteilt die Last nicht vollkommen. Zwei große Datenströme können denselben Pfad wählen, während ein anderer ungenutzt bleibt. Werden einzelne Pakete frei zwischen Pfaden verschoben, können sie in anderer Reihenfolge ankommen und unnötige TCP-Wiederherstellungen auslösen. Die Kapazität der Topologie und die von einem bestimmten Verkehrsmuster genutzte Kapazität sind unterschiedliche Messgrößen.

Moderne Aufbauten nutzen außerdem softwaredefinierte Steuerung, VXLAN-Overlays für verschiebbare virtuelle Maschinen und Container sowie ECN-basierte Überlastkontrolle für kurze Warteschlangen und niedrige Latenz. Betreiber wägen Bandbreite und Ausfallsicherheit gegen Kosten und Energieverbrauch von Switches, optischen Komponenten und Verbindungen ab.

Eine neue Ethernet-Verbindung muss Adressinformationen erhalten, bevor ein Browser eine entfernte Website erreichen kann. Verfolge einen Laptop im Netz 192.0.2.0/24 mit dem Gateway 192.0.2.1, dem DNS-Server 198.51.100.53 und dem Webserver 203.0.113.80. Der Austausch nutzt HTTPS über TCP.

Beziehe die Netzwerkeinstellungen

Der Laptop hat zunächst eine MAC-Adresse, aber keine nutzbare IPv4-Adresse. Er sendet DHCP Discover von UDP-Port 68 an Port 67 mit der IP-Quelladresse 0.0.0.0, der IP-Zieladresse 255.255.255.255 und der Ethernet-Zieladresse FF-FF-FF-FF-FF-FF.

Der Switch lernt die Quell-MAC-Adresse des Laptops und flutet den Broadcast. Hier führt der Router auch den DHCP-Server aus. Der Austausch aus vier Nachrichten besteht aus Discover, Offer, Request und Acknowledgment. Das ACK liefert 192.0.2.37/24, das Gateway 192.0.2.1 und die Adresse des DNS-Servers. Eine an die MAC-Adresse des Laptops gesendete Antwort kann anhand des gelernten Eintrags des Switches weitergeleitet werden; für den anfänglichen Broadcast war keine ARP-Abfrage nötig.

Löse die Adresse des ersten nächsten Knotens auf

Der Browser benötigt eine IP-Adresse für www.example.com, daher bereitet der Laptop eine DNS-Anfrage vor, normalerweise an UDP-Port 53. Der DNS-Server liegt außerhalb des Subnetzes des Laptops. Der Laptop benötigt daher die MAC-Adresse des Gateways, nicht die MAC-Adresse des DNS-Servers.

Da keine Gateway-Zuordnung im Cache liegt, sendet er eine ARP-Anfrage für 192.0.2.1 als Broadcast. Der Router antwortet mit der MAC-Adresse seiner lokalen Schnittstelle. Der Laptop speichert diese Zuordnung im Cache und verpackt das DNS-Datagramm in einen an diese Schnittstelle adressierten Ethernet-Datenrahmen.

Überquere den gerouteten Pfad

Das Ziel des Datenrahmens ist lokal, während das eingeschlossene IP-Ziel 198.51.100.53 ist. Der Campus-Router entfernt den Ethernet-Datenrahmen, schlägt die IP-Route nach und erstellt den Datenrahmen für die nächste Verbindung. OSPF und BGP können die innerhalb und zwischen Netzen verwendeten Routen bereitstellen. Jeder nachfolgende Router wiederholt die Weiterleitung zum nächsten Knoten.

DNS liefert 203.0.113.80. Der Laptop kann nun eine Transportverbindung zum Webserver herstellen. Die MAC-Adresse seines Gateways liegt bereits im Cache; für eine andere entfernte IP-Adresse muss keine weitere lokale MAC-Adresse aufgelöst werden.

Tausche verschlüsselte Webdaten aus

TCP verbindet sich mit Port 443 durch SYN, SYN-ACK und ACK. Ein TLS-Handshake richtet danach den verschlüsselten Kanal ein. Der Browser sendet eine HTTP-GET-Anfrage innerhalb von TLS über TCP. Der Server sendet die Seite über diese Verbindung zurück.

Auf dem Rückweg verpackt der Campus-Router das letzte IP-Datagramm in einen an den Laptop adressierten Datenrahmen. Der Switch leitet ihn an den gelernten Port weiter. Der NIC prüft die FCS, IP liefert an TCP, TCP ordnet die Bytes, TLS verarbeitet die verschlüsselten Records und der Browser liest die HTTP-Antwort.

Switches innerhalb eines Ethernet-LANs lassen die MAC-Adressen der Endpunkte unverändert. Router ersetzen den Datenrahmen für jedes nächste Netz; die IP-Adressen der Endpunkte bleiben in diesem Ablauf unverändert. NAT in einem anderen Netz könnte eine IP-Adresse und einen Port umschreiben. Weder der ausgehende noch der zurückkehrende Datenrahmen benötigt die MAC-Adresse eines Switch-Ports als Ziel.

Ein drahtloses Netz kombiniert Hosts, Funkverbindungen und oft eine Basisstation. Sein Kanal verändert sich, wenn Geräte ihren Standort wechseln, Objekte Pfade versperren und andere Sender aktiv werden. Diese Veränderungen prägen sowohl die Übertragungsraten als auch die Wiederherstellung nach Fehlern.

Ordne die Verbindung ein

Der Infrastrukturmodus sendet über eine Basisstation: einen WLAN-Access-Point oder eine Mobilfunkbasisstation. Der Ad-hoc-Modus hat keine solche Infrastruktur. Beide Anordnungen können einen oder mehrere Funkübertragungsschritte nutzen.

Ein zentrales Bluetooth-Gerät koordiniert sein Pikonetz, ist in dieser Einordnung aber keine Basisstation für den Internetzugang. Der Wechsel des versorgenden AP oder der Mobilfunkbasisstation ist ein Handover.

Erkläre ein schwaches oder verzerrtes Signal

Pfadverlust verringert die Empfangsleistung durch Entfernung und Hindernisse. Interferenz fügt unerwünschte Energie anderer Sender hinzu; WLAN im 2,4-GHz-Band teilt sich das Spektrum mit Bluetooth und Mikrowellenherden. Mehrwegeausbreitung bringt reflektierte Kopien über unterschiedlich lange Wege zum Empfänger, was dort Symbole verwischen kann.

Das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) vergleicht die empfangene Signalleistung mit der Rauschleistung:

Ein Leistungsverhältnis von 100 ergibt 20 dB. Im Freiraummodell nimmt die Leistung mit dem Quadrat der Entfernung ab. Eine Verdopplung der Entfernung lässt ein Viertel der Leistung übrig, bei gleichbleibendem Rauschen ein Rückgang um etwa 6 dB. In Innenräumen beeinflussen auch Wände und Reflexionen das empfangene Signal, sodass die Entfernung allein das SNR nicht bestimmt.

Wäge Rate und Fehler gegeneinander ab

Eine Modulation, die mehr Bits pro Symbol überträgt, kann schneller senden, ihre Signalzustände sind aber schwieriger zu unterscheiden. Bei fester Modulation senkt ein höheres SNR im Allgemeinen die Bitfehlerrate. Ratenanpassung wählt einen robusteren, langsameren Modus, wenn sich der Empfang verschlechtert, und einen schnelleren Modus, wenn er sich verbessert. Die höchste beworbene Rate ist nicht immer der Modus, der unter den aktuellen Bedingungen die meisten nutzbaren Daten überträgt.

Lokalisiere die verdeckte Kollision

Angenommen, A und C können beide B erreichen, einander aber nicht hören. A kann Stille hören, während C bereits an B sendet. A sendet dann und die Datenrahmen stören einander bei B. Dieses Problem verdeckter Stationen zeigt, warum das Ergebnis der Trägerprüfung beim Sender die Bedingungen beim Empfänger nicht beschreibt.

Klassisches Bluetooth versorgt persönliche Geräte über kurze Entfernungen, oft etwa 10 m, im 2,4-GHz-Band. Ein zentrales Gerät kann bis zu sieben aktive periphere Geräte koordinieren. Es springt zwischen 79 Kanälen von jeweils einem Megahertz mit 1.600 Sprüngen/s. Bluetooth Low Energy nutzt 40 Kanäle von jeweils zwei Megahertz. Das sind unterschiedliche physische Kanalanordnungen, obwohl beide stromsparende persönliche Geräte unterstützen.

Schwankende Funkverluste sind ein Grund für lokale Quittungen, Übertragungswiederholungen und FEC. Ein durch schwachen Empfang verursachter Verlust kann dennoch den TCP-Durchsatz verringern, wenn die Wiederherstellung auf der Transportschicht ihn als Überlastung behandelt.

WLAN ist die IEEE-802.11-Familie für drahtlose LANs. Ein Access Point (AP) überbrückt Funkdatenrahmen zu einem Verteilungsnetz, oft Ethernet. Er muss kein IP-Routing ausführen.

Unterscheide einen Namen von einem Funkmodul

Ein Basic Service Set (BSS) umfasst einen Infrastruktur-AP und die ihm zugeordneten Stationen. Die SSID ist der Netzwerkname; die BSSID identifiziert ein bestimmtes BSS, normalerweise mithilfe der MAC-Adresse des AP-Funkmoduls. Mehrere BSS, die durch ein gemeinsames Verteilungssystem verbunden sind und eine SSID teilen, bilden ein Extended Service Set (ESS). Zwei nicht zusammengehörende APs mit demselben Namen bilden dadurch nicht automatisch ein ESS.

Eine Station kann einen AP durch passives Scannen finden, indem sie nach regelmäßigen Beacon-Datenrahmen hört, oder durch aktives Scannen, indem sie eine Suchanfrage sendet und auf Antworten hört. Beacons kündigen Informationen wie SSID und BSSID an, typischerweise etwa zehnmal pro Sekunde. Die Station wählt ein BSS und tauscht eine Assoziationsanfrage und eine Antwort aus. Ein starkes Signal ist nützlich, aber ein AP mit vielen konkurrierenden Clients kann dennoch weniger Durchsatz liefern als ein etwas schwächerer, weniger ausgelasteter AP.

Bringe die Einrichtungsschritte in Reihenfolge

Sicherheit und Assoziation sind getrennte Vorgänge. WPA2 nutzt zunächst die offene 802.11-Authentifizierung und die Assoziation. WPA2-Personal richtet dann mit dem Vier-Wege-Handshake Schlüssel ein; WPA2-Enterprise führt vor diesem Schlüssel-Handshake einen 802.1X-Austausch der Zugangsdaten durch. WPA3-Personal nutzt stattdessen vor der Assoziation die SAE-Passwortauthentifizierung, gefolgt vom Vier-Wege-Handshake. Nach erfolgreichem Verbindungsaufbau kann DHCP IP-Einstellungen bereitstellen.

Vergleiche Bänder und Generationen

Die Angaben sind physische Spitzenraten bei Nutzung der jeweiligen maximalen Fähigkeiten, nicht der Anwendungsdurchsatz jedes Benutzers. Die Unterstützung älterer Generationen setzt ein Band und einen Modus voraus, die beide Geräte gemeinsam nutzen. Neuere OFDMA-Funktionen können Benutzer einplanen, während konkurrierender Zugriff für den WLAN-Zugang zentral bleibt.

Verstehe Kanalüberlappung

In der üblichen Kanalfolge des 2,4-GHz-Bands liegen die Mitten jeweils 5 MHz auseinander. Die Kanäle 1, 6 und 11 haben ihre Mitten bei 2.412, 2.437 und 2.462 MHz. Ein etwa 20 MHz breites Signal überlappt nahe Nachbarn: Die Kanäle 1 und 4 liegen nur 15 MHz auseinander, während 1 und 6 einen Abstand von 25 MHz haben.

Die 5- und 6-GHz-Bänder bieten mehr getrennte Kanäle. Kanalbündelung verbindet Spektrum zu Kanälen von 40, 80 oder 160 MHz; Wi-Fi 7 unterstützt auch Kanäle von 320 MHz. Verfügbare Kanäle und zulässige Breiten hängen von den örtlichen Funkvorschriften ab, insbesondere bei 6 GHz. Breitere Kanäle können die Rate erhöhen, aber die angegebene Breite schafft kein eigenes Spektrum für jede Station.

WLAN nutzt CSMA/CA, also Trägerprüfung mit Kollisionsvermeidung. Das eigene Funksignal eines Senders überdeckt schwache eingehende Signale, und verdeckte Stationen sind möglicherweise nicht hörbar. Der Sender überträgt einen vollständigen Datenrahmen und erfährt durch eine Quittung vom Erfolg.

Zähle nur in freien Zeitschlitzen herunter

Beim grundlegenden konkurrierenden Zugriff wartet eine Station ein freies DIFS-Intervall ab. Hat sie ihre Übertragung zurückgestellt, wählt sie einen zufälligen Backoff und zählt ihn während freier Zeitschlitze herunter. Ein belegter Kanal hält den verbleibenden Zählerstand an. Nach Ende des Austauschs und Ablauf von DIFS wird das Herunterzählen fortgesetzt.

Wählt X den Wert 3 und Y den Wert 7, erreicht X zuerst null. Y hält bei 4 verbleibenden Zeitschlitzen an, während X sendet. Ein korrekter Unicast-Datenrahmen erhält nach dem kürzeren SIFS-Intervall ein ACK. SIFS gibt dieser Antwort Vorrang vor Stationen, die DIFS abwarten. Y setzt nach dem Austausch fort; es beginnt nicht automatisch wieder bei 7 und zählt während der Übertragung von X nicht weiter.

Ein fehlendes ACK führt zu einer Wiederholung mit einem größeren Konkurrenzfenster. Es kann bedeuten, dass Daten oder das ACK verloren gingen. Sequenznummern ermöglichen dem Empfänger, im zweiten Fall ein Duplikat zu unterdrücken. Gewöhnliche Broadcast- und Multicast-Datenrahmen erhalten keine einzelnen ACKs.

Reserviere Sendezeit für verdeckte Sender

Optionale RTS/CTS-Austausche reservieren vor einem langen Datenrahmen eine Zeitspanne. Ein Sender sendet eine Sendeanforderung; der Empfänger antwortet mit einer Sendefreigabe. Eine verdeckte Station, die das CTS hört, stellt ihre Übertragung für die angekündigte Zeit zurück, selbst wenn sie das RTS nie gehört hat. Kurze Steuerungsrahmen verursachen Zusatzaufwand, können aber verhindern, dass eine lange Datenübertragung durch eine Kollision verschwendet wird. Sie verringern die Folgen verdeckter Stationen, ohne den Kanal kollisionsfrei zu machen.

Verfolge drei Adressrollen

Ein grundlegender Datenrahmen enthält in dieser Reihenfolge Rahmensteuerung, Dauer, Adressen 1–3, Sequenzsteuerung, eine optionale Adresse 4, eine Nutzlast und eine CRC mit 32 Bit. Die herkömmliche maximale Nutzlast beträgt 2.312 Byte; neuere Aggregationsformate ergänzen weitere Strukturen. Eine vierte Adresse erscheint in Formaten mit vier Adressen wie bei drahtlosen Brücken. In gewöhnlichen Infrastrukturdatenrahmen ist Adresse 1 der unmittelbare Funkempfänger und Adresse 2 der Funksender. Adresse 3 erhält den Endpunkt auf der Seite des Verteilungssystems.

Für Host H1, der über einen AP an die Routerschnittstelle R1 sendet:

1. Zum AP: Adresse 1 = AP, Adresse 2 = H1, Adresse 3 = R1.
2. Der AP sendet Ethernet mit H1 als Quelle und R1 als Ziel.
3. In der Gegenrichtung hat Ethernet R1 als Quelle und H1 als Ziel.
4. Der AP sendet Funkdaten mit Adresse 1 = H1, Adresse 2 = AP, Adresse 3 = R1.

Adresse 3 kann statt zu einem Router zu einem anderen LAN-Host gehören. Die Funkrolle des AP darf den ursprünglichen Ethernet-Endpunkt im überbrückten Datenrahmen nicht ersetzen.

Wechsle den Standort oder gehe in den Schlafzustand

Der Wechsel von AP1 zu AP2 im selben Subnetz erhält die IP-Adresse von H1. Die erneute Assoziation ändert seine Funkanbindung. Ein über AP2 ankommender Datenrahmen mit H1 als Quelle lehrt die Switches den neuen Standort von H1. Der Wechsel in ein anderes Subnetz benötigt neue Adressierung oder Mobilitätsunterstützung, um bestehende Verbindungen zu erhalten.

Zum Energiesparen teilt eine Station dem AP mit, dass sie schlafen wird. Der AP puffert ihre Datenrahmen und kündigt wartenden Verkehr in Beacon-Informationen an. Die Station wacht auf, um nachzusehen und Daten abzuholen, und kann dann wieder schlafen. Der Schlafzustand spart Funkenergie, kann die Zustellung aber bis zum nächsten Aufwachintervall verzögern.

Ein Mobilfunknetz teilt sein Versorgungsgebiet in Zellen, die von Basisstationen versorgt werden. Das Mobiltelefon oder Modem ist ein Mobilfunkendgerät (UE). Seine SIM enthält eine Teilnehmeridentität, die IMSI, und ein langfristiges Geheimnis für die Authentifizierung.

Unterscheide die Netzfunktionen

Eine IMSI hat bis zu 15 Ziffern: eine Mobilfunk-Landeskennzahl mit drei Ziffern, eine Netzkennzahl mit zwei oder drei Ziffern und eine Teilnehmernummer. Die Testidentität 001 01 0123456789 veranschaulicht diese Felder. Sie identifiziert einen Teilnehmervertrag, nicht die IP-Adresse des UE.

Die LTE-Basisstation, ein eNodeB, plant Funkressourcen, verwaltet ihre Zelle und wirkt am Handover mit. Ihre Backhaul-Verbindung führt zum Evolved Packet Core (EPC).

Steuerungsnachrichten stellen die Verbindung her und verwalten sie. Pakete der Nutzerebene übertragen die eigentlichen Daten des Teilnehmers. Wer die MME als Router für jedes Webpaket betrachtet, verwechselt diese Ebenen.

Melde das Gerät Schritt für Schritt an

Das UE findet Synchronisationssignale und wählt eine Zelle. Es sendet eine Anmeldeanfrage über den eNodeB an die MME. Die MME erhält Authentifizierungsinformationen vom HSS im Heimatnetz des Teilnehmers. UE und Netz authentifizieren sich und richten Schutz ein; danach koordiniert die MME die Datenpfade der Träger über die Gateways. Das P-GW stellt die IP-Adresse des UE bereit.

LTE ist ein vollständig IP-basiertes Paketsystem; unterstützte Sprachdienste werden ebenso wie gewöhnliche Daten über IP übertragen. Zwischen eNodeB, S-GW und P-GW überträgt GTP-U die Pakete des UE durch Tunnel über UDP und äußeres IP. Das innere Datagramm behält die Endpunktadresse des UE, während äußere Adressen Tunnelendpunkte identifizieren. Ein Wechsel der Funkanbindung kann daher einen Tunnelendpunkt ändern, ohne die IP-Adresse des UE zu ändern.

Teile die Funkaufgaben auf

Der Sicherungsschichtstapel hat drei Hauptteilschichten. PDCP übernimmt unter anderem Headerkompression und Verschlüsselung. RLC segmentiert Daten, setzt sie wieder zusammen und kann im quittierten Modus erneute Übertragungen bereitstellen. MAC verwaltet geplante Sendemöglichkeiten und Hybrid-ARQ, das schnelle Wiederholungen mit Codierung verbindet.

Der LTE-Downlink nutzt OFDMA; der Uplink nutzt das verwandte Verfahren SC-FDMA. Unterträger liegen 15 kHz auseinander. Ein Ressourcenblock umfasst 12 Unterträger oder 180 kHz für einen Zeitschlitz von 0,5 ms. Die Planung weist Ressourcen üblicherweise in Unterrahmen von 1 ms zu. Mehr zugeteilte Blöcke und eine höhere nutzbare Modulationsrate können die Datenrate eines UE erhöhen; der Standard schreibt keinen bestimmten Fairnessalgorithmus vor.

Ein inaktives UE spart durch Schlaf- und Aufwachverfahren Energie. Nur der Zugriffsschritt muss per Funk erfolgen: Backhaul kann Glasfaser, Kupfer oder Richtfunk nutzen, und Gateways trennen weiterhin das Funknetz vom Internet.

5G erweitert den Mobilfunkzugang durch flexible Funkzeitplanung und ein neu entworfenes Kernnetz. Hohe Spitzenraten, niedrige Latenz und große Gerätepopulationen dienen unterschiedlichen Anwendungsfällen; ein einzelnes Gerät sollte nicht alle Entwurfsziele gleichzeitig erwarten.

Interpretiere die Entwurfsziele

IMT-2020 definiert erweitertes mobiles Breitband, eMBB; hochzuverlässige Kommunikation mit niedriger Latenz, URLLC; und massive maschinenartige Kommunikation, mMTC. Zu den zugehörigen Anforderungen gehören eine Spitzenrate im Downlink von 20 Gb/s, eine Funklatenz auf der Nutzerebene von 1 ms für URLLC und eine Million Geräte pro Quadratkilometer für dichte Maschinenkommunikation. Dies sind Bewertungsziele unter festgelegten Bedingungen, keine Garantien für die alltägliche Internet-Downloadgeschwindigkeit oder Umlaufzeit.

Ändere die Funkzeitplanung

New Radio (NR) nutzt OFDM mit skalierbarem Abstand. Bei der Numerologie μ beträgt der Unterträgerabstand $15(2^{\mu })$ kHz und ein normaler Zeitschlitz mit 14 Symbolen dauert $1\mathrm{/}{2}^{\mu }$ ms. Bei 30 kHz ist μ = 1 und der Zeitschlitz dauert 0,5 ms. Bei 120 kHz ist μ = 3 und er dauert 0,125 ms. Kürzere Zeitschlitze ermöglichen schnellere Planungsmöglichkeiten, obwohl die Ende-zu-Ende-Latenz auch Übertragung, Verarbeitung und Warteschlangen umfasst.

NR FR1 reicht von 410 MHz bis 7,125 GHz und umfasst das verbreitete mittlere Frequenzband um 3,5 GHz. FR2 reicht über seine Teilbereiche von 24,25 bis 71 GHz. Die hohen Bänder, oft Millimeterwellen genannt, bieten breite Kanäle, leiden aber unter starker Abschirmung und kurzer nutzbarer Reichweite. Kleine Zellen und gebündelte Strahlen großer Antennengruppen helfen bei ihrer Nutzung. Viele 5G-Netze nutzen FR1 und benötigen keine Millimeterwellenverbindung.

Ordne die Aufgaben des Kernnetzes zu

Ein gNB ist eine 5G-Basisstation. Non-Standalone-Installationen (NSA) kombinieren NR-Zugang mit einem LTE-Anker und dem 4G-Kernnetz. Standalone-Installationen (SA) nutzen die dienstbasierte Organisation des 5G-Kernnetzes.

Die Funktionen teilen die Aufgaben auf; die Zuordnung bedeutet nicht, dass ein altes Gerät durch ein neues mit identischer Funktion ersetzt wird. Die Trennung der Weiterleitung auf der Nutzerebene von der Steuerung ermöglicht einem Betreiber, eine UPF nahe bei einer lokalen Anwendung zu platzieren. Network Slicing unterstützt virtuelle Netze mit unterschiedlichen Diensteigenschaften auf gemeinsam genutzter Infrastruktur.

Vergleiche Mobilfunk- und WLAN-Zugang

Mobilfunknetze nutzen im Allgemeinen lizenziertes Spektrum, vom Betreiber verwaltete Teilnehmer und zentral geplante Funkressourcen über große Gebiete. WLAN nutzt im Allgemeinen lizenzfreies lokales Spektrum und konkurrierenden Zugriff, der von einer Organisation oder einem Benutzer verwaltet wird. Wi-Fi 6 und spätere Generationen unterstützen auch vom AP geplantes OFDMA, sodass Planung nicht nur im Mobilfunk vorkommt. Beide Familien passen Funkraten an und beheben einige Verluste lokal. 5G-Advanced führt die 5G-Familie fort; 6G bleibt eine Entwicklung mit dem Ziel einer Einführung um 2030.

Ein Wechsel der Funkanbindung lässt sich leicht verbergen, wenn ein Gerät seine IP-Adresse behält. Der Wechsel zwischen Netzen ist schwieriger: Eine gewöhnliche TCP-Verbindung wird durch die Adressen und Ports ihrer Endpunkte identifiziert. Mobilitätsmechanismen erhalten die Erreichbarkeit, während sich der physische Zustellungspfad ändert.

Unterscheide stabile Identität und aktuellen Standort

Das Heimatnetz enthält den Teilnehmereintrag; ein besuchtes Netz versorgt einen Teilnehmer beim Roaming an einem anderen Ort. Bei Mobile IP identifiziert eine stabile Heimatadresse das Gerät und eine Care-of-Adresse bezeichnet seine aktuelle Anbindung. Für jedes mobile Gerät eine separate Route im gesamten Internet bekannt zu geben, würde einen enormen, ständig wechselnden Routingaufwand verursachen.

Beim indirekten Routing sendet der Kommunikationspartner an die Heimatadresse. Ein Heimatagent fängt den Verkehr ab und tunnelt ihn zur Care-of-Adresse. Der Kommunikationspartner muss den Standortwechsel nicht verfolgen, aber der Pfad kann einen Umweg über das Heimatnetz nehmen. Empfängt ein brasilianischer Teilnehmer in Tokio Daten von einem Server in Tokio, kann dieser Verkehr zunächst über Brasilien geleitet werden: Dreiecksrouting.

Beim direkten Routing erfährt der Kommunikationspartner den aktuellen Standort und tunnelt zum besuchten Netz. Das vermeidet den Umweg über das Heimatnetz, erfordert aber die Mitwirkung des Kommunikationspartners und Aktualisierungen oder Weiterleitung, wenn das Gerät erneut den Standort wechselt. Beim LTE-Roaming bieten Home Routing über ein P-GW im Heimatnetz und Local Breakout verwandte Möglichkeiten.

Verfolge einen LTE-Handover

Innerhalb eines LTE-Netzes kann das S-GW der Anker des Datenpfads bleiben, während das UE zwischen eNodeBs wechselt:

1. Vom UE gemeldete Signalmessungen führen dazu, dass der Quell-eNodeB bei einem Ziel einen Handover anfordert.
2. Das Ziel reserviert Ressourcen und gibt die Zugangsinformationen zurück.
3. Die Quelle befiehlt dem UE den Wechsel und leitet noch unterwegs befindliche Daten zum Ziel weiter.
4. Das UE synchronisiert sich mit dem Ziel, greift darauf zu und meldet den Abschluss.
5. Das Ziel fordert über die MME eine Pfadumstellung an; das S-GW ändert seinen Tunnelendpunkt.
6. Die alten Funkressourcen werden freigegeben und der Verkehr folgt dem neuen Tunnel.

Die Vorbereitung erfolgt, bevor das UE wechselt; die Pfadumstellung im Kernnetz folgt auf die Ankunft beim Ziel. Ein Handover kann Pakete kurzzeitig verzögern oder ihren Verlust verursachen, ohne die innere IP-Adresse zu ändern.

Unterscheide Mobile-IP-Versionen

Mobile IPv4 unterstützt eine Care-of-Adresse eines Fremdagenten oder eine Adresse, die das mobile Gerät direkt erhält. Durch Suche und Registrierung wird der Heimatagent informiert. Mobile IPv6 benötigt keinen Fremdagenten: Die gewöhnliche IPv6-Konfiguration liefert die Care-of-Adresse, und ein Binding Update registriert sie beim Heimatagenten. Diese IETF-Mechanismen sind weniger verbreitet als das mobilfunkspezifische Mobilitätsmanagement.

Verbinde Verluste mit dem Transportverhalten

Herkömmliches verlustbasiertes TCP behandelt Verlust im Allgemeinen als Überlastung. Daher kann ein Funkfehler oder ein Verlust beim Handover seine Senderate senken, selbst wenn Warteschlangen nicht überlastet waren. Lokales ARQ und FEC können manche Funkverluste verbergen. Andere Ansätze unterscheiden Verlustursachen oder teilen eine Transportverbindung in einen drahtlosen und einen leitungsgebundenen Abschnitt. Die Aufteilung verändert die ursprüngliche Ende-zu-Ende-Transportverbindung. Anwendungen wie Videostreaming können außerdem ihre Bitrate senken, wenn die verfügbare Bandbreite abnimmt.