Klausurvorbereitung VS32 MB3. Das zu übertragene, elektrisch oder optisch kodierte, Signal pflanzt sich mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit

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1 Teil 1 Speed Das zu übertragene, elektrisch oder optisch kodierte, Signal pflanzt sich mit der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts fort. Diese beträgt im Vakuum etwa km/s, im Leiter etwa km/s. Die einzige Möglichkeit, wie man die Übertragungsgeschwindigkeit in einem Netz erhöhen kann, liegt also in der Frequenz, mit der die Signale ausgesandt werden, da die eigentliche Bewegungsgeschwindigkeit nicht verändert werden kann. Je mehr Signale man in einem Zeitraum verschickt, desto höher wird also die Übertragungsgeschwindigkeit. Datenraten bestimmter Verbindungen Modem: 9600 b/s ISDN: 64 KBit/s Ethernet: 10 MBit/s FDDI: 100 MBit/s ATM: 155 MBit/s Satellit: 500 MBit/s 1 KBit entspricht 1024 Bits, 1 MBit entspricht 1024 KBits. Übertragungsdauer berechnen Die Übertragungsdauer ist abhängig von der Größe der zu übertragenen Daten und der Verbindungsgeschwindigkeit. Die Formel lautet: t Bits Datenrate = (in Sekunden) Beispiel: Eine Datei von 1 Gigabyte Größe soll über ISDN transportiert werden. Nach der Formel ergäbe sich: (1024i1024i1024i8) t = = s = 2184,5m= 36, 4h 1024i64 Anmerkung Bitberechnung: 1Byte = 8Bit, zur Umrechnung in nächst größere Einheit multiplizieren mit Ein Gigabyte sind also 1024i1024i1024i 8 Bits. Wie "lang" ist ein Bit auf einem bestimmten Medium, mit bestimmter Geschwindigkeit und Datenrate? Da die Geschwindigkeit immer konstant bei km/s liegt, ist die Formel denkbar einfach: l = Ausbreitungsgeschwindigkeit Datenrate Beispiel: Bei einem Telefonat oder beim Surfen mit einem Modem beträgt die "Länge" eines Bits auf der km Leitung l = = ~20,84. Bei einer Satellitenverbindung sind es nur Bit km cm l = = 0, = ~ 38,15. (500i1024i1024) Bit Bit 1

2 Maximale Anzahl an Bits, die gleichzeitig in einem Medium befindlich sein können Hierzu teilt man die Länge des Mediums durch die "Länge" pro Bit: Mediumslänge m =. Bitlänge Beispiel: Bei einem 1km langen Ethernet können sich 1km m = = 52,43 Bits gleichzeitig auf dem km 0, Bit Medium befinden. Bei Satellitenfunk sind es i1.000i100cm m= = 200, 036MBit. cm 38,14 Bit 2

3 Teil 2 Netzwerkklassifizierungen Rechnernetzwerke können unter vier verschiedenen Gesichtspunkten unterschieden werden. 1. Räumliche Ausdehnung 2. Topologie 3. Art der Übertragung 4. Art der Vermittlung 2.1 Räumliche Ausdehnung PAN (Personal Area Network) Hierbei handelt es sich wohl um die kleinste Form des Netzwerkes, die wie der Name schon sagt nur eine sehr geringe Ausdehnung hat und meistens auf eine einzelne Person oder eine einzelne Maschine zugeschnitten ist. WPAN (Wireless Personal Area Network) Hierbei handelt es sich um die kabellose Variante des PAN. WPANs haben ebenfalls eine geringe Ausdehnung von bis zu 10 Metern (Ausnahme: ZigBEE). Beispiele sind Bluetooth (1-3 Mbps), IrDA (4 Mbps, benötigt Sichtkontakt) und ZigBEE (10-75m, ca. 250 Kbps, geringer Energiebedarf, sicher, 16 Kanäle mit autom. Kanalwahl durch den Sender). LAN (Local Area Network) LANs haben eine beschränkte Ausdehnung von üblicherweise weniger als 10km. In Deutschland dürfen sich LANs nicht über öffentliches Gelände erstrecken. Die Datenraten liegen zurzeit zwischen 4 und mehreren hundert Mbps. Mehrere LANs können entweder direkt oder über MANs und WANs zu größeren Strukturen/Netzen erweitert bzw. verbunden werden. In einem LAN befinden sich nach üblichen Kriterien 2 bis mehrere tausend Stationen, die (bei der Kommunikation) gleichberechtigt sind und sich ein (nicht öffentliches) Medium teilen und von jeder Station aus erreichbar sind (es muss also möglich sein, eine Nachricht an alle Stationen zu schicken Broadcast). Die Verantwortung des LANs trägt ein Betreiber. WLAN (Wireless Local Area Network) Kabellose Variante des LAN. Die Ausdehnung des momentanen Standards g liegt bei weniger als 100m, die Datenrate bei 1-54Mbps. Ableger bzw. Weiterentwicklungen sind Hiperlan1, Hiperlan2, HiperAccess und HiperLink, die sich jedoch trotz interessanter technischer Konzepte nicht durchsetzen konnten, sowie Home Frequency, welches sich ebenfalls nicht durchsetzen konnte (Hiperlan steht für High Performance Radio Local Area Network). MAN (Metropolitan Area Network) In der Regel handelt es sich dabei um große LANs, die sich über ganze Stadtgebiete ausdehnen. In Berlin existieren auf den Glasfaserkabeln der Stadt (LWL-Fasern/Lichtwellenleiter) zwei MANs: ein Behördennetz und "BRAIN" (Berlin Research Area Information Network), welches für Wissenschaftsund Hochschuleinrichtungen gedacht ist und auf der ATM (Asynchronous Transfer Mode) Technologie basiert. Es arbeitet derzeit mit 155 bzw. 622 Mbps. WAN (Wide Area Network) WANs haben eine große Ausdehnung (typischerweise überspannen sie Bereiche wie ganze Länder) und sind in der Regel öffentlich. Dem Betreiber des Netzes gehört die Kommunikationsinfrastruktur, während die einzelnen Hostrechner den Teilnehmern gehören. WWAN (Wireless Wide Are Network) Die kabellose Variante des WAN besitzt eine sehr große Ausdehnung, ist dafür aber deutlich langsamer. Typische Varianten sind GPRS (General Package Radio Service), welches mit ca. 171 Kbps arbeitet, und UMTS (Universal Mobile Telecommunication System), welches bei festem Standort mit bis zu 2 Mbps, bei mobilem Standort (Auto) mit bis zu 384 Kbps arbeitet. GAN (Global Area Network) Die momentan größte Form eines Netzes, die weltumspannend arbeitet und Rechner auf verschiedenen Kontinenten über Satelliten miteinander verbindet. Die Übertragung kann hier situationsbedingt mehrere Minuten dauern. 3

4 2.2 Topologie Unter der Topologie eines Netzwerkes versteht man dessen physikalischen Aufbau. Die Bus-Topologie Die Bus-Topologie findet besonders bei LANs Verwendung und arbeitet nach dem Broadcast-Prinzip. Alle Stationen teilen sich eine Hauptleitung es kann also immer nur eine Station zum gleichen Zeitpunkt erfolgreich mit einer anderen kommunizieren. Das hat den Vorteil, dass man nicht so viel Kabel benötigt, wie in anderen Topologien, was wiederum kosteneffizienter ist. Dazu ist es leicht zu realisieren, können Stationen leicht hinzugefügt oder entfernt werden. Der wohl größte Nachteil eines solchen Netzwerks ist die geringe Datensicherheit: Jeder Teilnehmer kann alle durch das Netz versendeten Daten einsehen und ggf. für seine Zwecke verwenden (Sniffing). Wird von einer Station des Netzes ein Signal gesendet, breitet es sich in beide Richtungen bis zum Abschlusswiderstand am Ende des Buskabels aus, wo es vernichtet wird (es werden also keine Daten zwischengespeichert). Die Station, für die das Signal bestimmt ist, empfängt das Signal und so weiter. Bricht das Kabel, fällt i.d.r. das gesamte System aus. Die Ring-Topologie Hierbei handelt es sich um einen geschlossenen Ring, an dem die einzelnen Stationen hintereinander angeschlossen sind. Möchte eine Station eine Nachricht verschicken, so muss sie dies über die zwischen ihr und dem Empfänger der Nachricht angeschlossene Station tun (die Informationen werden also von Station zu Station weitergereicht. Die Ring-Topologie ist leicht erweiterbar, hat jedoch auch erhebliche Nachteile. Einerseits müssen zu jedem Zeitpunkt alle Stationen aktiv sein, damit das Netzwerk aufrecht erhalten bleiben kann (Ausnahme: IBM Token-Ring-Netz), andererseits kann es zu Verzögerungen durch die Zwischenspeicherung der weiter zu reichenden Daten kommen. Durch Relais-Stationen kann dieses Problem umgangen werden (der Ring wird von den übrigen Stationen weiter aufrecht erhalten). Auch ein Kabelbruch lässt die gesamte Struktur zusammenbrechen. Die Baum-Topologie Baum-Topologien sind aufgebaut wie klassische Bäume in der Informatik oder der Graphentheorie. Jeder Knoten des Baumes steht hier für eine Station des Netzwerkes. Zum Informationsaustausch wird ein ähnliches Verfahren wie bei der Bus-Topologie angewandt. Dazu schick der Sender der Information diese an den Wurzelknoten des Netzwerks, der sie dann über einen Broadcast an alle anderen Stationen weiterleitet. Der große Vorteil dieser Topologie liegt insbesondere darin, dass der Ausfall eines einzelnen Zweiges den Rest des Netzwerkes unberührt lässt (da Baum- Topologien besonders an die Anforderungen in Gebäuden angepasst sind, könnte man einen Zweig vielleicht als Abteilung einer Firma sehen). Hier liegt jedoch auch der Schwachpunkt dieser Topologie: Fällt der Wurzelknoten des Netzwerkes aus, fällt das gesamte Netz aus. Der Wurzelknoten sollte daher redundant betrieben werden. 4

5 Die Stern-Topologie Hierbei handelt es sich um ein sehr einfaches System, bei dem die einzelnen Stationen rund um einen zentralen Server angeordnet und direkt mit ihm verbunden sind. Der Sender einer Nachricht schickt diese an den Server, der sie dann an den entsprechenden Empfänger weiterleitet. Diese Topologie ist besonders einfach zu erweitern und immun gegen den Ausfall einzelner Stationen. Fällt jedoch der Server aus, bricht das gesamte Netzwerk zusammen. Token-Ring In dieser Ring-Topologie kreist das sog. "Token" (eine Art Freizeichen, nicht wörtlich zu nehmen) über den Ring, selbst wenn sich das Netzwerk im Leerlauf befindet. Möchte eine Station senden, prüft sie zunächst, ob das Token frei ist (dazu muss es natürlich erst bei ihr ankommen) dazu gibt es ein Token-Flag. Ist es frei, hängt die Station die Nutz- und Steuerdaten an das Token an und reicht es weiter. Der Empfänger entnimmt die Daten, quittiert auf gleiche Weise den Empfang. Die sendende Station kann nun weitere Informationen senden oder das Token wieder freigeben. Dabei gibt es eine bestimmte Zeit, die eine Station das Token maximal in Besitz nehmen darf, bevor sie es wieder freigeben muss. Dadurch wird gewährleistet, dass jede Station im Ring nach dieser festgelegten Zeit multipliziert mit der Anzahl der Stationen senden kann. Vollvermaschtes Netz Hier ist jede Station mit jeder Station verbunden. Diese Topologie mag vielleicht praktisch im Betrieb nn sein, jedoch sind ihre Kosten enorm, da sie bei n Stationen immerhin ( 1) Verbindungen 2 benötigt. In der Praxis wird man ein vollvermaschtes Netz kaum finden können. 2.3 Art der Datenübertragung Auch anhand der Methode der Datenübertragung kann man Netzwerke klassifizieren. Punkt-zu-Punkt-Netzwerke (Teilstrecken- bzw. Store-And-Forward-Netzwerke) Typische Punkt-zu-Punkt-Netzwerke sind als Stern-, Ring- oder Vollvermaschte Topologie aufgebaut. Sie bestehen im Prinzip nur aus vielen einzelnen Verbindungen zwischen je zwei Stationen. Möchte eine Station mit einer Station kommunizieren, die nicht mit ihr verbunden ist, muss sie dies über entsprechende andere Stationen tun (Umweg). Die Nachrichten werden unterwegs gespeichert. Ein WAN ist typischerweise ein Punkt-zu-Punkt-Netzwerk. Broadcast-Netzwerke Typischerweise als Bus-Topologien aufgebaut. Alle Rechner im Netzwerk teilen sich einen Kommunikationskanal (Bus). Alle Stationen bekommen alle im Netz versendeten Nachrichten, in denen aber die korrekte Empfängeradresse steht. Die Nachrichten werden nicht gespeichert. Die meisten LANs werden als Broadcast-Netzwerke realisiert. 5

6 2.4 Art der Vermittlung Man unterscheidet drei Varianten: Leitungsvermittlung, Paketvermittlung und Zellenvermittlung. Leitungsvermittlung (Line Switching) Ursprünglich für das Telefonnetz entwickelt und heute hauptsächlich dafür verwendet. Es wird eine Verbindung hergestellt, die dann die Ressourcen (z.b. die Telefonleitung) reserviert und nur für diese Verbindung nutzt. Die Daten werden nicht an den Vermittlungsstellen gespeichert, ebenso existiert keine Flusskontrolle (Geschwindigkeitsanpassung) oder Fehlerkontrolle. Die Leitungsvermittlung hat den großen Vorteil, dass es nicht zu Schwankungen in der Geschwindigkeit kommen kann und dass die Daten unter Garantie ankommen (?), jedoch den Nachteil, dass die Ressourcen auch dann belegt sind und bleiben, wenn keine Daten gesendet werden (Telefonhörer daneben legen auf beiden Seiten trotz ausbleibender Kommunikation wird's teuer). Die Leitungsvermittlung ist nicht ideal für die Datenübertragung. Paketvermittlung (Packet Switching) Im Gegensatz zur Leitungsvermittlung wird die Paketvermittlung eingesetzt, wenn die Vorteile der Leitungsvermittlung die Nachteile nicht gravierend überragen. So zum Beispiel für die Datenübertragung, die typischerweise durch ein schwankendes Verkehrsaufkommen gekennzeichnet ist (man spricht von "Burstiness", da es zu "Stoßzeiten" kommt). Das Modell der Paketvermittlung ist dadurch gekennzeichnet, dass auf den Leitungen Datenpakete mit variabler Länge und variablem Abstand übertragen werden und dass Netzressourcen nur bei Bedarf genutzt werden. Durch die variablen Pakete wird ein Header nötig, um deren Zugehörigkeiten (Quelle, Ziel) zu bestimmen. Man unterscheidet zwischen der verbindungsorientierten (virtuelle Verbindung) und der verbindungslosen (Datagramme) Paketvermittlung. In der verbindungsorientierten Paketvermittlung (z.b. X.25 oder Frame Relay) erfolgt die Adressierung über eine virtuelle Kanalnummer (VC Virtual Channel) im Paket-Header. In der verbindungslosen Paketvermittlung (z.b. IP) enthält der Paket-Header die vollständige Adresse von Sender und Empfänger. Vergleich zwischen virtueller Verbindung und Datagrammen Datagramme Pakete (Datagramme) werden als isolierte Einheiten betrachtet Volle Quell- und Zieladresse in jedem Paket Pakete können in der falschen Reihenfolge oder auch doppelt eintreffen oder unterwegs verloren gehen Keine Fehlerüberwachung Für jedes Paket wird an jedem Knoten eine Wegentscheidung getroffen Vorteile Primitiver als virtuelle Verbindungen Leichter zu implementieren Kein Auf- und Abbau der Verbindung, also weniger Mehraufwand für kurze Verbindungen Virtuelle Verbindung "Perfekter" Kanal durch das Netz Sicherstellung der Reihenfolge Fehlerüberwachung Flusssteuerung Verbindungsauf- und Abbau, dazwischen die Datenübertragung Vorteile Niedriger Mehraufwand für die Adressierung während der Datenübertragung Keine Neusortierung oder Fehlerüberwachung im Zielsystem notwendig 6

7 Zellenvermittlung (Cell Switching) Die Zellenvermittlung ist der Versuch, die Vorteile der Leitungs- und Paketvermittlung zu kombinieren. Jede Zelle hat wie ein Paket einen Header, der die Zugehörigkeit der Zelle zu einer Verbindung kennzeichnet. Die Zellen sind jedoch im Gegensatz zu den Paketen der Paketvermittlung nicht variabel, sondern haben eine feste Länge von 53 Bytes (48 Bytes Daten, 5 Bytes Header) und bilden eine regelmäßige Zellenfolge. Stehen keine Daten zur Übertragung an, werden Leerzellen (Dummies) in den Zellenstrom eingefügt. Beispiele: DQDB (in Deutschland: Datex-M), das auf Nutzung eines gemeinsamen Übertragungsmediums beruht. ATM, das mit seinen Vermittlungsstellen (ATM-Switches) eher einem Telefon- als einem Datennetz ähnelt. 7

8 Teil 3 - Das ISO-OSI-Referenzmodell Das ISO-OSI-Referenzmodell wurde von der ISO (International Organization for Standardization) als Modell für die Verbindung zwischen Rechnern als Referenzmodell für offene Kommunikationssysteme (Open Systems Interconnection) eingeführt. Es soll dazu dienen, ein eindeutiges Modell für die Kommunikation in verteilten und heterogenen Systemen zu definieren. Schichtenbildung Das ISO-OSI-Modell besteht im wesentlichen aus 7 Schichten, die aufeinander aufbauen. Diese Schichten sind (v.o.n.u.): 1. Application Layer (Anwendungsschicht) 2. Presentation Layer (Darstellungsschicht) 3. Session Layer (Sitzungsschicht) 4. Transport Layer (Transportschicht) 5. Network Layer (Vermittlungsschicht) 6. Data Link Layer (Sicherungsschicht) 7. Physical Layer (Bitübertragungsschicht) Diese Schichten bilden also eine Hierarchie. Bei der Kommunikation sollen in einem Endgerät alle Schichten vorhanden sein und konkret durch Instanzen gebildet werden. Eine Instanz (Entity) stellt ein aktives Element innerhalb einer Schicht dar. Eine Schicht kann mehrere Instanzen beinhalten. Instanzen der gleichen Schicht in verschiedenen Systemen werden Partnerinstanzen (peer entities) genannt (z.b. auf je einem Rechner eine Instanz des Data Link Layer). Bis auf die Bitübertragungsschicht erhält jede Schicht die benötigten Dienste von der ihr untergeordneten Schicht und stellt eine virtuelle Verbindung mit ihrer Partnerschicht her (nur die Bitübertragungsschicht ist physikalisch in der Lage, mit ihrer Partnerschicht zu kommunizieren). Kommunikation Möchten zwei Rechner miteinander kommunizieren, so treten immer die entsprechenden Partnerinstanzen miteinander in Kontakt. Beispiel: Rechner A und Rechner B möchten eine Datei austauschen. Um bei einem einfachen Beispiel zu bleiben: Sie benutzen dafür eine Art Peer2Peer-Programm (Application Layer). Rechner A sendet die Datei, Rechner B empfängt sie es haben also die Instanz ALA (Application Layer A) und ALB miteinander kommuniziert. Natürlich waren auch die anderen Schichten daran beteiligt, aber das wäre hier zu umständlich (kommt noch). Bei der Kommunikation müssen natürlich bestimmte Regeln eingehalten werden, damit die einzelnen Instanzen (Partnerinstanzen) einander auch verstehen können. Diese Regeln heißen Protokolle. 8

9 Protokolle Protokolle definieren die Reihenfolge von Bearbeitungsschritten zur Durchführung einer Kommunikation zwischen zwei Systemen. Dabei haben alle Schichten ihr eigenes Protokoll. Die Spalte "Was?" beschreibt, in welcher "Sprache" die Schichten miteinander kommunizieren, also welche Dinge eigentlich übertragen werden. So kommunizieren zwei Bitübertragungsschichten direkt mit Bits, während die Sicherungsschichten mit Frames, die Vermittlungsschichten mit Paketen, usw. kommunizieren. Datenübertragung im Detail Eine Datenübertragung bzw. Kommunikation zwischen zwei Systemen läuft wie folgt ab: Ein Anwender möchte beispielsweise Daten senden. Er nutzt dazu die Anwendungsschicht, die ihm ein Interface zu diesem Zweck bietet. Diese Schicht fügt den zu sendenden Daten ihren eigenen Header hinzu (AH Application Header) und reicht die Daten an die Darstellungsschicht weiter. Die Darstellungsschicht fügt den Daten ebenfalls ihren Header hinzu (PH Presentation Header) und reicht sie wiederum an die Sitzungsschicht weiter, usw., bis die Daten und alle angefügten Header bei der Bitübertragungsschicht ankommen. Auch die Bitübertragungsschicht fügt den bisherigen Daten und Headern ihren eigenen Header hinzu und verschickt sie über das Übertragungsmedium zum zweiten System. Dort kommen die Daten in der Bitübertragungsschicht an. Nun wird der Vorgang umgekehrt. Die einzelnen Schichten (genauer: die einzelnen Entities der Schichten) entfernen die jeweils für sie vorgesehenen Header und reichen die restlichen Daten mitsamt den restlichen Headern an die jeweils übergeordnete Schicht (bzw. deren Entity) weiter, bis nur noch die reinen Daten übrig sind. Als Vergleich könnte man ein Dateiarchiv sehen, das durch mehrere Rechner verschickt wird. Person A verpackt darin eine Datei (die Daten) und verpackt das Archiv selbst noch einmal in einem Archiv, das seinen Namen trägt. Nun schickt er es an Person B, die es ebenfalls wieder verpackt (es könnte nun also z.b. "B.rar" heißen), usw.. Nun kommt das mehrfach verpackte Archiv bei Person H an. Es trägt den Namen "G.rar". Person H entpackt es nun einmal und reicht es an Person I weiter, usw.. Person N erhält letztendlich das Archiv mit dem Namen "Daten.rar", entpackt es und hat die Datei erhalten. Das Beispiel ist etwas weit hergeholt, aber vielleicht anschaulich. 9

10 Die einzelnen Schichten Die Anwendungsschicht (Application Layer) Diese Schicht ist im Prinzip das Interface zwischen Mensch und Maschine. Sie arbeitet mit visuellen Oberflächen und Systemaufrufen und stellt Anwendungsprogramme wie Dateitransfer und bereit. Die Darstellungsschicht (Presentation Layer) Gleicht Unterschiede in der Informationsdarstellung zwischen Anwendungsinstanzen aus. Die Daten werden also in ein eigenes, einheitliches Format gebracht. Hier finden Kodierungen und kryptographische Vorgänge statt. Die Sitzungsschicht (Session Layer) Diese Schicht kümmert sich um den Verbindungsaufbau und die Durchführung einer Sitzung, ebenfalls um den Login. Also um die Verbindung zwischen zwei Endsystemen. Die Transportschicht (Transport Layer) Verwaltet den Transport, ordnet Datenpakete einer Anwendung zu, ist zuständig für das Segmentieren bzw. Zusammensetzen und die Reihenfolge (Anwender zu Anwender Verbindung). Die Vermittlungsschicht (Network Layer) Diese Schicht kümmert sich um die logische Adressierung der Endgeräte, bestimmt den Weg der Pakete. Die Sicherungsschicht (Data Link Layer) Nimmt die physikalische Adressierung der Endgeräte vor, ist für die zuverlässige Verbindung zwischen zwei Netzanschlüssen zuständig. Hier befinden sich auch Fehlererkennung, Fehlerbehebung und Flusskontrolle (Zugriffsverfahren auf das Übertragungsmedium, Synchronisation). Die Bitübertragungsschicht (Physical Layer) Diese Schicht ist für die Definition der elektrischen, mechanischen und funktionalen Schnittstelle zum Übertragungsmedium zuständig (Anzahl und Bedeutung von Leitungen, Signalspannungen, Übertragungsart, etc.). 10

11 Gruppierung der Schichten Die sieben Schichten lassen sich in zweimal zwei Gruppen aufteilen, je nachdem, wie man ansetzt. Möchte man unterscheiden, ob die Schichten eher in den Endsystemen oder dem Netz angesiedelt sind, spricht man von Endsystem- oder Netzorientierten Schichten. Möchte man unterscheiden, ob die Schichten eher am (physikalischen oder logischen) Transport beteiligt sind, oder dem Anwender zugeordnet sind, spricht man von Anwendungs- oder Transportorientieren Schichten. Dienste Wie bereits erwähnt, stellt eine Schicht ihrer übergeordneten Schicht immer einen Dienst zur Verfügung. Dabei gilt, dass Schicht N der Schicht N+1 (also der "darüber") einen Dienst anbietet und somit zum Service Provider (Dienstleister) wird, während die Schicht N+1 zum Service User (Dienstbenutzer) wird. Die Dienste werden an über sog. Service Access Points (Dienstzugangspunkte, SAPs) angeboten, die als Schnittstellen und einzige Verbindung zwischen zwei benachbarten Schichten dienen. Jeder SAP hat eine eigene Adresse, die ihn eindeutig identifiziert (Analogie zu Telefonnummern). Dienstarten Man unterscheidet Verbindungsorientierte (connection-oriented services) und Verbindungsunabhängige (connectionless services) Dienste. Verbindungsorientierte Dienste arbeiten nach dem Prinzip des Telefonsystems. Ein Benutzer muss eine Verbindung aufbauen, sie benutzen und dann wieder abbauen. Hierbei wird die richtige Reihenfolge der Nachrichten erhalten, es werden keine Nachrichten dupliziert. TCP ist solch ein Dienst. Verbindungsunabhängige Dienste arbeiten nach dem Postprinzip. Jede Nachricht trägt die volle Bestimmungsadresse und wird unabhängig von anderen durch das System geschleust. Man nennt diese Dienste auch Datagramme. Datagramme sorgen sich nicht um die Reihenfolge der Nachrichten. Auch sind Duplizierungen und Verluste möglich. Beispiele für solche Dienste sind IP und UDP. 11

12 Teil 4 Übertragungsverfahren Signale Man unterscheidet digitale und analoge Signale. Analoge Signale Breitband Viele Kanäle (Frequenzmultiplex) Modulation Digitale Signale Basisband Ein Kanal (Zeitmultiplex) Codierung Analoge Übertragung Die analoge Übertragung ist zwar technisch veraltet, wird jedoch noch immer für das Telefonnetz verwendet. Um digitale in analoge und analoge in digitale Signale zu wandeln, wird ein Modem (Modulator/Demodulator) verwendet. Das Modem ändert die Trägerwelle (analog) je nach eingehendem Wert (1 oder 0), das Signal wird also "aufgesetzt". Man unterscheidet Amplituden-, Frequenz- und Phasenmodulation. Multiplexing Multiplexing erlaubt es, mehrere voneinander unabhängige Datenströme über ein einzelnes physikalisches Medium zu transportieren. Man unterscheidet: Time Division Multiplexing (TDM Zeitmultiplex) Bei TDM spricht man auch vom Basisbandverfahren. Es findet keine Unterteilung der verfügbaren Frequenzbreite statt, sondern das zu sendende Signal wird auf der gesamten Bandbreite der Übertragungsstrecke gesendet. Die Signale werden rein digital oder als Tastung von Frequenzen nacheinander übertragen. Hier werden die Signalströme zeitlich verschachtelt. Man unterscheidet wiederum: Synchronous Time Division Multiplexing (STDM) Bei dieser synchronen Variante des TDM steht jedem Kanal zyklisch ein bestimmter Zeitschlitz in einer Zeitscheibe zur Verfügung. In diesem sog. Slot besitzt dieser Kanal die gesamte Bandbreite des Mediums. Ist der Zeitschlitz vorbei, kommt der nächste Kanal an die Reihe, bis sich der Zyklus wiederholt. Der Nachteil ist, dass Kanäle auch dann abwarten müssen, bis sie an der Reihe sind, wenn andere Kanäle gar nicht senden wollen sie erhalten dennoch einen Slot. 12

13 Asynchronous Time Division Multiplexing (ATDM) Bei der asynchronen Variante des TDM bekommen nur die Kanäle, die Sendebedarf haben, einen Zeitschlitz, de rim Gegensatz zum STDM unterschiedlich lang sein kann. Es kann auch vorkommen, dass der Slot so lang wie die gesamte Nachricht ist. Es kommt daher zu einem Wettbewerb der wartenden Kanäle. Frequency Division Multiplexing (FDM Frequenzmultiplex) Beim FDM spricht man vom Breitbandverfahren. Hier wird das zu übertragende Signal auf unterschiedliche Trägerfrequenzen aufmoduliert, wodurch mehrere Signale gleichzeitig und unabhängig voneinander gesendet werden können. Auf diese Weise ist die Übertragung verschiedener analoger und digitaler Informationen (Sprache, Text, Bilder, Video) auf einem Übertragungsmedium möglich. Die gesamte verfügbare Bandbreite wird aufgeteilt, jeder Kanal erhält eine unterschiedliche Trägerfrequenz (zum Beispiel: TV-Breitband-Netz), die beim Empfänger wieder herausgenommen wird. 13

14 Teil 5 Zugriffsverfahren Die verschiedenen Zugriffsverfahren bilden einen Baum: Polling Beim Polling entscheidet eine Zentrale, wer senden darf und wer nicht. Die einzelnen Stationen müssen sich also "hinten anstellen". In diesem Beispiel hat Station 2 die Erlaubnis zum Senden erhalten. ATDM Siehe oben (Multiplexing). 14

15 ALOHA (PURE) Bei dieser Variante (der ursprünglichen) kann jede Station zu einem beliebigen Zeitpunkt sein stets gleich langes Datenpaket (Frame) senden. Tun dies mehrere Stationen zur gleichen Zeit, kollidieren die Frames und werden unbrauchbar. Da bei einer Kollision die Zentrale den Empfang eines Frames nicht bestätigen kann, weiß die betroffene Station von der Kollision und wartet eine zufällige Zeit ab, bis sie erneut versucht, den Frame zu senden. ALOHA ist daher nicht echtzeitfähig. Der maximale Durchsatz beträgt hier nur 18% der Bandbreite. ALOHA (slotted) Dieses weiterentwickelte ALOHA arbeitet mit einer Taktung. Die Stationen dürfen nicht mehr zu beliebigen Zeitpunkten, sondern nur noch in den vom Takt vorgegebenen Slots senden. Kommt es nun zu einer Kollision, überlagern sich die Frames nicht mehr nur teilweise wie beim reinen ALOHA, sondern immer vollständig. Diese Kollisionen kosten nicht mehr als einen Takt Zeit. Die Durchsatzrate steigt gegenüber dem reinen ALOHA auf das Doppelte an und ist mit 36 bis 37% beziffert. Ansonsten funktioniert Slotted ALOHA wie Pure Aloha. CSMA (Carrier Sense Multiple Access) Dieses Verfahren versucht, die Kollisionswahrscheinlichkeit zu minimieren. Dazu hört eine Station bei einem Sendewunsch die Leitung ab. Ist sie frei (nach 9,6μs bei 10-Mbps-Ethernet, 960ns bei 100- Mbps-Fast-Ethernet und 96ns bei 1000 Mbps), wird gesendet, ansonsten wird gewartet. Der Sender erfährt bei einer Kollision davon, weil die Nachricht doppelt so lang wie das Netz ist. Sie kommt also bei ihm wieder an Fehler! Man unterscheidet drei CSMA-Verfahren: 1. Nonpersistent CSMA Ist das Medium besetzt wird zufällig lange gewartet 2. 1-Persistent CSMA Ist das Medium besetzt wird sofort neu geprüft und nicht gewartet 3. p-persistent CSMA Ist der Kanal frei, wird mit Wahrscheinlichkeit p gesendet 15

16 CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection) Dieses Verfahren arbeitet wie CSMA, hört aber beim Senden weiter den Kanal ab. Tritt eine Kollision auf, wird das Senden abgebrochen und ein Jam-Signal (3, 2μ s ) gesendet. Danach wird eine stochastisch ermittelte Zeit (Backoff-Zeit) gewartet, bis neu gesendet werden kann. Durch die Einstellung des Sendens wird die Konkurrenzsituation, die zur Kollision geführt hat, vermieden. CSMA/CD ist die Zugangstechnologie in lokalen Netzwerken (70-80% aller Netze) und wird häufig mit Ethernet gleichgesetzt. Token-Ring Im Ring zirkuliert in eine Richtung ein sog. "Token" (3 Bytes). Möchte eine Station senden, muss sie auf das Token warten (momentan: Frei-Token). Sie ändert es in ein Besetzt-Token und hängt ihre Nachricht an. Der Empfänger kopiert die Nach-richt und setzt das "Kopiert-Flag" zur Bestätigung. Der Frame wandert weiter bis zum Sender, der die Bestätigung erhält und das Token wieder freigibt. Token-Bus In dieser Bus-Struktur wird eine Art Token-Ring gebildet, der als logischer Ring bezeichnet wird. In diesem zirkuliert das Token wie im Token-Ring. Jede Station muss ihren Vorgängerund Nachfolger-Knoten kennen. Es ist nicht zwingend erforderlich, dass eine Station, die nicht senden will, im Ring ist. Entsprechend kann eine Station auch jederzeit aus dem Ring aussteigen oder einsteigen. Ist eine Station beschäftigt oder fällt aus, bekommt ihr jeweiliger Nachfolger das Token. Es ist auch möglich, mit mehreren logischen Ringen zu arbeiten. 16