Bitübertragungsschicht

Transkript

1 Bitübertragungsschicht Vortrag von Rüdiger Busch Veranstaltung Rechnernetze 1

2 Übersicht Einleitung Übertragungsmedien Datenübertragung Leitungskodierung Leitungsmultiplexverfahren Fehlererkennung

3 Einleitung

4 Übertragungswege Kupfer( draht) Lichtwellenleiter Licht (pur) Funk Satellit

5 Rund um den Draht Ältestes Übertragungsmedium Am häufigsten wird Kupferdraht verwendet Problem: elektromagnetische Abstrahlung Dargestellte Kabel nur kurze Strecken oder Stromversorgung geeignet

6 Rund um den Draht Abschirmung am besten mit Koaxialkabel Heutzutage gebräuchlich UTP Kategorie 5 Kabel (unshielded twisted pair) STP für besonders empfindliche Bereiche (shielded TP)

7 Lichtwellenleiter Umgangssprachlich: Glasfaser Heutige Übertragungsrate bis 50 Tbps bzgl. der Materialeigenschaften Real nur bis zu 100 Gbps unter Laborbedingungen, aufgrund beschränkter Umwandler optisch < > elektrisch

8 Lichtwellenleiter

9 Dämpfung

10 Dämpfung Im alten Ägypten war Glas mit einer Stärke >1mm undurchsichtig Heutige Glasfasern wirken weit über 10km durchsichtig Maximale Reichweite einer Monomodefaser 100km (mit leistungsstarkem Laser) Dämpfung in Dezibel=10log 10 übertragende Leistung empfangene Leistung

11 Verbindungsverluste Steckverbindungen optimale Handhabung aber 10% 20% Verlust Spleißen feste mechanische Verbindung optimale Ausrichtung vor dem Spleißen notwendig Enden müssen plan sein, Verlust bis 10% Schweißen Permanente Verbindung Marginale Verluste

12 Lichtquellenvergleich Merkmal LED Halbleiterlaser Datenrate Niedrig Hoch Modus Multimode Mono- und Multimode Entfernung Kurz Lang Lebensdauer Lang Kurz Temperaturempfindlichkeit Gering Beträchtlich Kosten Niedrig Hoch

13 LWL Verstärker

14 Licht (pur) Infrarot Kurze Reichweite (Vor und Nachteil!) Sichtkontakt notwendig Leicht in Systeme zu integrieren Laser Findet wenig Verwendung, da sehr anfällig gegenüber optischen Störungen (z.b. Schnee, Hitze)

15 Laserübertragung

16 (Rund )Funk Funktioniert nach dem Broadcast Prinzip Verfahren sind Amplitudenmodulation Frequenzmodulation Phasenmodulation

17 Amplitudenmodulation

18 Frequenzmodulation

19 Phasenmodulation Phase Shift Key (PSK): Phasensprung von 180 Differentielle PSK: Führt je nach Bedarf 90 oder 270 Sprung durch kann zur Taktrückgewinnung genutzt werden

20 Quadratur Amplituden Modulation Kombination aus Amplituden und Phasenmodulation Beispiel in komplexer Darstellung Daraus entstehende Werte werden als Symbole bezeichnet (später mehr!)

21 Mikrowelle Kann im Gegensatz zum Rundfunk gerichtet werden Benötigt Sichtkontakt Prinzip ähnlich dem Laser, allerdings weniger Anfällig gegen Störungen

22 Satellit Umgehung des Problems der Erdkrümmung Nutzung der beschriebenen Modulationstechniken Typen Geostationär Low Earth Orbit (LEO)

23 Geostationärer Satellit Für einen Betrachter von der Oberfläche stets an der gleichen Stelle Orbit liegt bei ca km Anzahl der Satelliten bei einer Abstrahlung von 2 auf 180 begrenzt

24 LEO Satellit Orbit liegt zwischen 700 und km Erdumrundung dauert ca. 1,5 Stunden Vollständige Abdeckung erfordert min. 66 Satelliten Satelliten Arrays ermöglichen zudem die Kommunikation der Satelliten untereinander um weit entfernte Orte erreichen zu können

25 Frequenzbänder

26 Medien Übersicht

27 Übertragunseigenschaften

28 Datenübertragung Datenrate Fourier Analyse Übertragungsprozeduren

29 Datenrate Digitale Impulse müssen zur Übertargung moduliert werden Hierbei spielt die Bandbreite eine wichtige Rolle Probleme ergeben sich durch frequenzabhängige Signalverzerrungen

30 Exkurs: Fourier Analyse Kurz: Eine periodische Funktion läßt sich durch eine Reihe von Sinus und Cosinusfunktionen nachbilden g t = 1 2 c n=1 a n sin 2 π nft n=1 b n cos 2 π nft f = 1 T Grundfrequenz

31 Fourier Analyse

32 Datenrate vs. Schrittrate (Baudrate) Schrittrate (Schrittgeschwindigkeit) = Anzahl der Signaländerungen je Zeiteinheit, angegeben in Anzahl / s (Baud) auch Symbolrate genannt Datenrate (Bitrate) = Anzahl der übertragenen Bits je Zeiteinheit Datenrate = Schrittrate * Anzahl der Bits / Signalstufe Datenrate = Schrittrate * ld V Beispiel: V = 4: Bitrate b = 2 * Schrittrate

33 Maximale Datenrate Nyquist (1924): die Einschränkung der Bandbreite (H) begrenzt die Datenrate auch bei perfekten (rauschfreien) Kanälen: maximale Datenrate=2H ld V Bit s Shannon (1948): Kanal der zufälligem Rauschen unterliegt: maximale Datenrate=H ld 1 S N Bit s Rauschabstand S/N = Verhältnis Signalstärke/Rauschstärke Rauschabstand wird in Dezibel angegeben: db=10 log 10 S N

34 Auswirkung der Signalverzerrung Beispiel: Analog Telefon Künstliche eingeführte Grenzfrequenz von 3,4 khz Rauschabstand von typischerweise 30dB maximale Datenrate=3400 ld bps 56k Modem?

35 56k Modem Datenreduktion und Datenkompression Annahme das nur ein kurzes Stück Analog Strecke vorhanden ist Nur Downstream 56k 56k kann nicht garantiert werden

36 Übertragungsprozeduren Parallel: Mehrere Signalwerte gleichzeitig, wird nur für kurze Strecken verwendet Bitseriell: Bits werden jeweils durch einen Signalwert kodiert und nacheinander gesendet Gruppencode: Mehrere Bits werden in einem Signalwert kodiert, Signalwerte werden nacheinander übertragen

37 Betriebsarten

38 Asynchrone Übertragung Auch als Start Stop Verfahren bezeichnet Dateneinheit ist bei diesem Verfahren zwischen 5 und 8 Bit groß Übertragung findet bitseriell statt Empfänger muß die Leitung stetig abhören Synchronisierungsoverhead beträgt ca. 30% Asynchron bezieht sich auf den Abstand zweier Zeichen, da dieser beliebig lang sein kann

39 Asynchrone Übertragung Signalwert in Ruhelage ist 1 (üblich, nicht zwingend) Start Schritt: Signalwert geht für die 1,3 1,7 fache Zeit eines Nutzdatenbits auf den Wert 0 Signal wird nach lokalem Takt auf die Leitung gegeben Stop Schritt: Nach dem letzten Zeichen wird ein Stopbit gesendet, dass mindestens die Länge eines Nutzbits haben muss Danach kann die Prozedur von neuem beginnen

40 Synchrone Übertragung Garantiert für längere Zeit Gleichlauf zwischen Sender und Empfänger durch Synchronisierung Eigene Taktleitung Taktrückgewinnung Unterscheidung bitsynchron und zeichensynchron Nachricht wird in Übertragunsblöcke aufgeteilt Blöcke werden durch Steuerzeichen gekennzeichnet

41 Synchrone Übertragung Übertragung beginnt mit 2 bis 8 SYN Zeichen STX = Start of Text ETX = End of Text DAn sind Nutzdaten BCC = Block Check Charakter (Prüfsumme)

42 Synchrone Übertragung Blöcke sind bzgl. der Länge begrenzt, weil Zwischenspeicher für Blöcke ist nicht beliebig Gleichlauf nur für begrenzte Zeit möglich Nur bestimmte Länge für Fehlererkennung sinnvoll => Fragmentierung ETB = End of Textblock Und Füllen, falls mehrere kurze Informationblöcke in einenübertragungsblock passen

43 Weitere Begriffe Codeerweiterung (Charakter Stuffing) Damit bei zeichenorientierter Übertragung Daten und Kontrollzeichen unterscheidbar bleiben, werden Fluchtzeichen (Escape Zeichen) eingesetzt [DLE] [DLE][DLE] wird dementsprechend auf der Empfängerseite als Datum [DLE] gewertet Bei bitorientierter Übertragung wird das Verfahren Bitstopfen genannt

44 Weitere Begriffe Bitstopfen (Bitstuffing), z.b. bei bitorientiertem HDLC LAP B (Protokoll der Sicherungsschicht!) Blockende wird nur durch ein flag ( ) erkannt Soll aber eine Folge als Nutzdaten gesendet werden, wird nach der fünften eins eine 0 eingefügt: aus wird Die 0 wird auf Empfängerseite wieder herausgefiltert

45 Leitungskodierung Taktrückgewinnung Fähigkeit zur Resynchronisation Redundanz Ansnutzung der Kanalkapazität (Dämpfung) Gleichstromanteil Anzahl physikalischer Werte Anzahl gemeinsam kodierter Zeichen

46 Leitungskodierung Niedrige Frequenz Hoher Gleichstromanteil Taktrückgewinnung schwierig Fehler sind bei (N)RZ punktuell

47 Leitungskodierung Taktrückgewinnung möglich Hohe Frequenz Fehlertolerant Bi Phase Mark (Manchester) wird häufig bei magnetischen Speichermedien verwendet

48 Leitungskodierung Delay Mark ähnlich Manchester jedoch geringere Frequenz Bi Puls: Ternäres Signal, keine Taktrückgewinnung, kein Gleichstormanteil, hohe Frequenz AMI Kodierung findet im ISDN Netz Verwendung

49 AMI Kodierung Alternate Mark Insertion Verwendet bei ISDN (Pseudo ) Ternäres Signal Symbilisiert durch +, und = = entspricht dem Zeichen 0 + und stehen abwechselnd für Signalwert 1 (auch als Wechselregel bezeichnet)

50 Gruppenkodierung Abbildung eines Zeichenvorrats auf eine Gruppe von Signalwerten Da Zweier und Dreipotenzen nie die gleiche Zahl ergeben, ergibt sich meist Redundanz, die für andere Zwecke genutzt werden kann, z.b. Ausgleich von Gleichstromanteilen Synchronisation

51 Paired Selected Ternary (PST) 2B2T Code 6 Werte werden für Kodierung verwendet Automat stellt Zustand des Gleichstromanteils fest und wählt entsprechenden Übertragungscode für <0 oder >0 Werte wie ++, oder == lassen sich für Synchronisation und Taktrückgewinnung nutzen

52 4 Binary, 3 Ternary (4B3T) Abbildung von 16 auf 27 Signalwerte Wird von der Telekom im Bereich ISDN eingesetzt Eignet sich zur Fehlererkennung Reduktion der Symbolrate von 25% Verringerung des HF Anteils Vermeidung von Gleichstrom Taktrückgewinnung

53 4 Binary, 3 Ternary (4B3T)

54 Gruppenkodierung Übergangstabelle

55 Leitungsmultiplex Viele Teilnehmer aber wenig Leitungen Ausnutzung von Kapazitäten

56 Übertragungsverfahren

57 FDM(A) Frequenzmultiplexen Frequency division multiplex Frequency division multiple access Weist üblicherweise jedem Benutzer einen eigen Frequenzbereich zu Verbraucht relativ viel Bandbreite

58 FDM(A)

59 TDM(A) Zeitmultiplexen Time division multiplexing Time division multiple access Aufteilung eines Kanals in Zeitschlitze

60 Kanalmultiplex

61 CDMA Codierung eines niederfrequenten Datensignals auf ein hochfrequentes Vorteile Interferenz Unempfindlichkeit bei der Demodulation werden Störungen lediglich als ein Rauschen wahr genommen Abhörsicherheit nur mit Kenntnis des Modulations Signalcodes ist das Originalsignal herauszufiltern

62 CDMA Alle Kanäle senden zur gleichen Zeit im gleichen Frequenzbereich! Lösung: Lineare Algebra Zwei Vektoren a,b sind dann orthogonal zueinander, wenn ihr Skalarprodukt a x b = 0 ist

63 CDMA Beispiel n=3: a= 0.5,0.5,w ;b= w,w,0 ;c= 0.5,0.5,w a x b=a x c=b x c=0 Logische eins wird durch den Vektor v repräsentiert Logische null entspricht dem inversen von v

64 Addition des Signals Summenvektor s=ab0= 0.5w,0.5w,w Kanal 1: a x s= 0.5,0.5,w x 0.5w,0.5w,w = w w w w = w w0.5=1 Kanal 2:b x s= w,w,0 x 0.5w,0.5w,w =w 0.5w w 0.5w 0 w =0.5w0.50.5w0.5=1 Kanal 3:c x s= 0.5,0.5,w x 0.5w,0.5w,w = w w0.5=0

65 Signalspreizung Chips

66 Frequency Division Duplex(FDD) Ein Benutzer belegt zwei Frequenzbereiche Upstream Downstream Üblicherweise für synchrone Übertragung (Sprache) verwendet

67 Time Division Duplex(TDD)

68 Fehlererkennung Anmerkung: Fehlererkennung ist durchaus Aufgabe höherliegender Schichten, kann aber bereits teilweise auf der untersten Schicht erfolgen

69 Fehlererkennung Gründe für das Auftreten von Fehlern Thermisches Rauschen Elektromagnetische Einstrahlung (Spulen, Blitze) Radioaktivie Strahlung (z.b. Höhenstrahlugn) Kanalüberlastung

70 Fehlererkennung Möglichkeiten zur Erkennung basieren im wesentlichen auf hinzufügen von Redundanz Anzahl der übertragenen Bits Redundanz= Anzahl der Nutzdatenbits 1 Einfache Verfahren Blöcke doppelt senden Paritätsbit

71 Fehlerkorrektur Untersuchungen zur Selbstkorrektur stammen vom Mathematiker Hamming (ca.1950) Hamming Abstand: Anzahl von Bits die zum nächsten erlaubten Codewort verschieden sind => Hamming Abstand 2 Fehlerkorrektur für Bitfehler < möglich Hamming Abstand 2

72 VRC/LRC Verfahren Vertical Redundancy Check (VRC) Longitudinal Redundancy Check (LRC) Erkennt alle ungeraden Fehler 2 und 6 Bit Fehler Die meisten 4 Bit Fehler Korrigiert 1 Bit Fehler

73 VRC/LRC Verfahren Redundanz im Beispiel ,29=29% X X X X X X X X P 1. Gruppe X E X X X E X X P 2. Gruppe X X X X X X X X P 3. Gruppe X E X X X E X X P 4. Gruppe X X X X X X X X P 5. Gruppe P P P P P P P P P Prüfzeichen

74 CRC Verfahren Zyklische Redundanzprüfung (oder Polynomprüfverfahren) Übertragungscode C (für Code) mit n Bits Länge wobei n=k+r k = Nutzinformation r = Prüfinformation Abstrakte Darstellung von Bitfolgen Beispiel: entspricht X 7 X 6 X 3 X1 n1 V X = i=0 c i X i

75 CRC Verfahren Mathematisch handelt es sich um den Ring der Polynome in X über dem Körper {0,1} mit den Rechenregeln * Der Grad eines Polynoms entspricht der größten Potenz, im Beispiel ist der Grad also 7.

76 CRC Verfahren U X =Nachrichtenpolynom vom Grad k1 G X =Generatorpolynom vom Grad r R X =Restpolynom vom Grad k1 C X =Übertragenes Codepolynom Ablauf: U X X r wird durch G(X) mittels Polynomdivision geteilt und es ergibt sich ein Rest von R(X) R(X) wird als Prüfsumme an U(X) angehangen, so dass sich C(X) ergibt Der Empfänger teilt nun C(X) durch G(X) und erhält im fehlerfreien Fall den Rest 0.

77 CRC Verfahren Vorteil: Bei Modulo 2 Arithmetik ist Addition, Subtraktion und XOR Verknüpfung identisch, deshalb leicht in Hardware zu realisieren Gängige Beispielpolynome: CRC 16 CRC CCITT CRC 32 HEC X 16 X 15 X 2 1 X 16 X 12 X 5 1 X 32 X 26 X 23 X 22 X 16 X 12 X 11 X 10 X 8 X 7 X 5 X 4 X 2 X1 X 8 X 2 X1

78 Beispiel

79 CRC Verfahren Fehlererkennung: Alle 1 Bit Fehler Alle Fehlerbursts bis zur Länge r Alle Fehlerbursts der Länge r+1 bis auf einen (genau dann, wenn bei der einleitenden Division der Rest 0 bleibt) Alle ungeraden Fehler sofern das G(X) eine gerade Anzahl von Termen besitzt Sämtliche 2 Bitfehler, die nicht in einem vielfachem des Periodenabstands aller Generatorbitfilter zu G(X) liegen

80 Zusammenfassung Schicht 1 des ISO OSI Modells Medien und physikalische Eigenschaften Signalkodierungen Optimale Auslastung vorhandener Ressourcen Fehlerbehandlung