Organisatorisches. Informationen zu den Dozenten. Kommunikationsdienste und -netze. Protokolle und Dienste in Mobilnetzen

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1 Protokolle und Dienste in Mobilnetzen Sommersemester 2008 für Ingenieur-Informatiker, Elektrotechniker, Medientechnologen Informationen zu den Dozenten Vorlesung: Prof. Jochen Seitz Fachgebiet Kommunikationsnetze t Institut für Informationstechnik Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Tel / Fax / Jochen.Seitz@tu-ilmenau.de Büro Helmholtz-Bau, H 3507 Übung: Dipl.-Ing. Florian Evers Fachgebiet Kommunikationsnetze Institut für Informationstechnik Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik Tel / Fax / Florian.Evers@tu-ilmenau.de Büro Helmholtz-Bau, H 3505 PuDiMn - 1. Einführung 2 Organisatorisches Vorlesungsfolien werden rechtzeitig bereitgestellt unter lehre Folien zur Vorlesung Dort finden sich auch Übungsblätter Abkürzungsverzeichnis Literaturverweiset i Mögliche Prüfungsfragen Bei Fragen/Anmerkungen/Verbesserungswünschen g / g einfach an Jochen.Seitz@tu-ilmenau.de oder Florian.Evers@tu-ilmenau.de ilmenau.de Kommunikationsdienste und -netze Kapitel 1: Einführung und Wiederholung PuDiMn - 1. Einführung 3

2 Moderne Nachrichtentechnik Mobilität und Globalisierung Telekommunikation morgen(?) wireless multimedia weltweite Standardisierung i-mode WAP global village Internet im Auto anybody from quality of anywhere at service anytime GSM, UMTS, IMT 2000, 3G, digitaler 4G, GPRS, EDGE Rundfunk (DAB, DVB-T) wireless personal area networks Navigation (Bluetooth, ZigBee) LEO Multimedia- dienste und Applikation Datenbasis WLL paketvermitteltes Kommunikationsnetz Coax xdsl ISDN Power Line fiber to the home DAB DVB-T WLAN wireless local area networks (IEEE , HIPERLAN) ubiquitous computing m-commerce ortsabhängige Dienste voice over IP Persönliche Nahbereichskommunikation zellulare Mobilfunknetze (UMTS, GSM) mobiles Terminal PuDiMn - 1. Einführung 5 PuDiMn - 1. Einführung 6 Zukünftige Mobilfunknetze Multimedia-Terminals für UMTS mio Mobilnetzteilnehmer in Europa Multimedia 200 Sprache 2. Generation GSM 9,6 kb/s Multimedia 3. Generation UMTS < 2 Mb/s 100 Sprache und schmalbandige Übertragung Jahr 4. Generation >50Mb/s PuDiMn - 1. Einführung 7 PuDiMn - 1. Einführung 8

3 UMTS Universal Mobile Telecommunications System Aufbau der Vorlesung DECT GSM Datendienste in GSM UMTS HSDPA WiMAX 4th Generation Mobile IrDA Bluetooth WLAN (Wireless LAN nach IEEE ) HIPERLAN Sensornetze / ZigBee Ad-hoc-Netze PuDiMn - 1. Einführung 9 PuDiMn - 1. Einführung 10 Das Telekommunikationssystem Logische Architektur: OSI-Basisreferenzmodell Sender Empfänger Telekommunikationssystem Instanz n Schicht n Instanz n Instanz n-1 Schicht n-1 Instanz n Anwendungsprozesse [7] Anwendungskommunikation [6] Darstellung [5] Kommunikationssteuerung [4] Transport Anwendungsbezug Instanz 1 Schicht 1 Instanz 1 Physikalisches Medium Eine Schicht bietet der darüber liegenden einen Dienst an. Der Dienst wird durch das Zusammenwirken der Schichtinstanzen gemäß einem spezifizierten Protokoll erbracht. PuDiMn - 1. Einführung 11 [3] Vermittlung Protokollinstanz Transportsystem [2] Sicherung (technische Aspekte) Dienstzugangspunkt [1] Bitübertragung PuDiMn - 1. Einführung 12

4 Teilsysteme des OSI-Modells Die transportorientierten Schichten Transportorientierte Schichten: Technische h Realisierung i einer Bitstrom-Übertragung Elementare Nachrichtenübertragung: nur Bedürfnis des Nachrichtenaustausches unterstellt Kein Bezug zur Kooperationsbeziehung der Dienstnehmer Inhalt der Nachricht transparent (d.h. ohne Bedeutung für transportorientierte Schichten) Anwendungsorientierte Schichten: Anwendungsbezogene Kommunikationsdienstleistungen Kooperation der Teilnehmer unter formalen Gesichtspunkten (Strukturierung, Präsentation) berücksichtigt, wie z.b. Steuerung des Ablaufs Informationsdarstellung Kompensation von Fehlverhalten h lt durch verteilte Transaktionen Bitübertragungschicht (Physical Layer, Schicht 1): mögliche Störungen der Übertragung feste Übertragungsqualitäten keine Pufferung Sicherungsschicht (Data Link Layer, Schicht 2): gesicherte Kanäle zwischen direkt verbundenen Dienstnehmern verringerte Übertragungsfehlerwahrscheinlichkeit FIFO-Pufferung von Paketen Vermittlungsschicht (Network Layer, Netzwerkschicht, Schicht 3): multiple Konnektivität Adressierung: nicht nur direkt durch ein physikalisches Medium verbundene Rechner Qualität u.u. wählbar, wenn Alternativen bei der Wegwahl bestehen Transportschicht (Transport Layer, Schicht 4): flexibel wählbare Qualitäten variable Nachrichtenpaketlänge Mehrfachnutzung von Verbindungen Pufferung von Paketen PuDiMn - 1. Einführung 13 PuDiMn - 1. Einführung 14 Die anwendungsorientierten Schichten Zusammenspiel der Schichten Gemeinsamkeiten: Verbindungen werden 1:1 abgebildet. Dienstleistungen werden durchgereicht. Kommunikationssteuerungsschicht (Session Layer, Schicht 5): Austausch von Bitmuster-Nachrichten. Steuerung des Nachrichtenaustauschs zweier Kommunikationspartner: Rechteübergabe Strukturierung der Übertragung Rücksetzvereinbarung Darstellungsschicht (Presentation Layer, Schicht 6): Nachrichten setzen sich aus typisierten Daten zusammen. Anwendungsschicht (Application Layer, Schicht 7): Austausch von Nachrichten anwendungsabhängigen Aufbaus und Zwecks. Im ISO/OSI-Basisreferenzmodell wird das Zusammenspiel von zwei Instanzen an der Dienstschnittstelle itt t in einem Dienstmodell genau festgelegt. t Die Zusammenarbeit erfolgt in den folgenden Schritten: (N+1)-Instanz übergibt an der Dienstschnittstelle eine (N)-Interface Data Unit (N)-IDU. Die (N)-Instanz teilt die (N)-IDU in zwei Teile auf: transparent zu übertragende Nutzdaten: (N)-Service Data Unit (N)-SDU; Steuerinformation: (N)-Interface Control Information (N)-ICI. Zur Übertragung der (N)-SDU ist gemäß dem vereinbarten Telekommunikationsprotokoll eine (N)-Protocol Control Information (N)-PCI zu erzeugen, die gemeinsam mit der (N)-SDU die (N)-Protocol Data Unit (N)-PDU bildet. Diese (N)-PDU wird transparent zwischen den N-Instanzen übertragen. Zur Übertragung der (N)-PDU durch die darunter liegende Schicht ist entsprechende Kontrollinformation (N-1)-Interface Control Information für die untere Schnittstelle zu erzeugen; die (N)-PDU und diese (N-1)-ICI bilden somit die (N-1)-IDU. PuDiMn - 1. Einführung 15 PuDiMn - 1. Einführung 16

5 Zusammenspiel der Schichten im Bild Einkapselung von Daten (N+1)-Schicht (N)-Schicht (N)-IDU (N)-PCI (N)-SDU (N)-ICI (N)-PDU (N )-PCI (N)-SDU (N-1)-ICI AH Application Header PH Presentation Header SH Session Header TH Transport Header NH Network Header DLH Data Link Header DLT Data Link Trailer Darstellungs- schicht ht Kommunikationssteuerungsschicht Transportschicht Senden TH Daten AH Daten PH Dateneinheit SH Dateneinheit Dateneinheit Emp pfangen Anwendungsschicht Darstellungs- schicht ht Anwendungsschicht Kommunikationssteuerungsschicht Transportschicht (N-1)-Schicht (N-1)-IDU Vermittlungs- schicht NH DLH Dateneinheit Dateneinheit DLT Vermittlungs- schicht Sicherungsschicht Sicherungsschicht (N-1)-SDU (N-1)-ICI Bits Bitübertragungs-schicht Bitübertragungs-schicht PuDiMn - 1. Einführung 17 PuDiMn - 1. Einführung 18 Computer für das nächste Jahrhundert? Mobilkommunikation Computer sind integriert klein, billig, beweglich, austauschbar - nicht mehr als eigenständige Einheit erkennbar Technik tritt in den Hintergrund Computer erkennen selbst wo sie sind und passen sich an Computer erkennen wo welcher Benutzer ist und verhalten sich entsprechend (z.b. Weiterleiten von Gesprächen, Fax) Fortschritte in der Technik höhere Rechenleistung auf kleinerem Raum flache, leichte Anzeigen mit niedriger Leistungsaufnahme neue Schnittstellen zum Benutzer wg. kleiner Abmessungen mehr Bandbreite pro Kubikmeter vielfältige drahtlose Netzschnittstellen: lokale drahtlose Netze, globale Netze, regionale Telekommunikationsnetze etc. ( Overlaynetzwerke ) Zwei Aspekte der Mobilität: Benutzermobilität: Der Benutzer kommuniziert (drahtlos) zu jeder Zeit, an jedem Ort, mit jedermann. Gerätemobilität: Ein Endgerät kann zu einer beliebigen Zeit, an einem beliebigen Ort im Netz angeschlossen werden. Wireless vs. Mobile Beispiele stationäre Arbeitsplatzrechner Notebook im Hotel Funk LANs in nicht verkabelten Gebäuden Personal Digital Assistants (PDA) Der Wunsch nach mobiler Datenkommunikation schafft den Bedarf zur Integration ti von drahtlosen Netzen in bestehende Festnetze: t im lokalen Bereich: Standardisierung von IEEE , ETSI (HIPERLAN) im Internet: die Mobile IP-Erweiterung im Weitverkehrsbereich: Anbindung an ISDN durch GSM PuDiMn - 1. Einführung 19 PuDiMn - 1. Einführung 20

6 Anwendungen I Typische Anwendung: Straßenverkehr Fahrzeuge Empfang von Nachrichten, Straßenzustand, Wetter, Musik via DAB persönliche Kommunikation über GSM Positionsbestimmung über GPS lokales Netz mit Fahrzeugen in der Umgebung zur Vermeidung von Unfällen, Leitsystem, Redundanz Fahrzeugdaten (z.b. bei Linienbussen, ICE) können vorab in eine Werkstatt übermittelt werden, dann schnellere Reparatur Notfälle Übermittlung von Patientendaten ins Krankenhaus vor der Einlieferung, aktueller Stand der Behandlung, Diagnose Ersatz der festen Infrastruktur bei Erdbeben, Orkanen, Feuer etc. Einsatz in Krisengebieten UMTS, WLAN, DAB, GSM, TETRA,... Personal Travel Assistant, DAB, PDA, Laptop, GSM, UMTS, WLAN, Bluetooth,... PuDiMn - 1. Einführung 21 PuDiMn - 1. Einführung 22 Anwendungen II Ortsabhängige Dienste Handelsvertreter direkter Zugriff auf Kundendaten in der Zentrale konsistente Datenhaltung über alle Mitarbeiter mobiles Büro Ersatz eines Festnetzes abgeschiedene Messstationen, z.b. Wetter, Flusspegel Flexibilität bei Messeständen Vernetzung historischer Gebäude Freizeit, Unterhaltung, Information Internet-Anschluss net ss im Grünen tragbarer Reiseführer mit aktuellen Informationen vor Ort Ad-hoc Netzwerke für Mehrbenutzerspiele PuDiMn - 1. Einführung 23 Umgebungsbewusstsein welche Dienste, wie Drucker, Fax, Telefon, Server etc. existieren in der lokalen Umgebung Nachfolgedienste automatische Anrufweiterleitung, Übertragung der gewohnten Arbeitsoberfläche an den aktuellen Aufenthaltsort Informationsdienste push : z.b. aktuelle Sonderangebote im Supermarkt pull : z.b. wo finde ich Pizza mit Thunfisch Nachfolgen der Unterstützungsdienste Caches, Zwischenberechnungen, Zustandsinformation etc. folgt dem mobilen Endgerät durch das Festnetz Privatheit wer soll Kenntnis über den Aufenthaltsort erlangen PuDiMn - 1. Einführung 24

7 Mobile Endgeräte PDA Pager einfache Grafikanzeigen nur Empfang Handschrifterkennung Laptop sehr kleine vereinfachtes WWW voll funktionsfähig Anzeigen Standard- einfache Webpad/UMPC anwendungen Textnachrichten großes farbiges Display Betriebssystem Windows CE üblich Stiftgesteuerte Eingabe Palmtops kleine Tastatur Mobiltelefone einfache Versionen Sprache, Daten der Standardprogramme einfache Textanzeigen L e i s t u n g Leistungsaufnahme Auswirkungen der Endgeräteportabilität begrenzte Rechenleistung, niedrigere Qualität der Anzeigen, kleinere Festplatten durch begrenzte Batterieleistung CPU: Leistungsaufnahme ~ CV2f C: interne Kapazitäten, durch Hochintegration verringert V: Betriebsspannung, wird kontinuierlich abgesenkt f: Taktfrequenz, kann z.b. zeitweise gesenkt werden Datenverlust muss von vornherein mit eingeplant werden (z.b. Defekte) Stark eingeschränkte Benutzungsschnittstelle Kompromiss zwischen Fingergröße und Tragbarkeit evtl. Integration von Handschrift, Sprache, Symbolen Eingeschränkter Speicher Massenspeicher mit beweglichen Teilen nur begrenzt einsetzbar Flash-Speicher als Alternative PuDiMn - 1. Einführung 25 PuDiMn - 1. Einführung 26 Drahtlose Netzwerke im Vergleich zu Festnetzen Erfindungen und Entdeckungen Höhere Fehlerraten durch Interferenzen Einstrahlung von z.b. Elektromotoren, Blitzschlag Restriktivere Regulierungen der Frequenzbereiche Frequenzen müssen koordiniert werden, die sinnvoll nutzbaren Frequenzen sind schon fast alle vergeben Niedrigere Übertragungsraten lokal einige Mbit/s, regional derzeit z.b. 9,6kbit/s mit GSM Höhere Verzögerungen, größere Schwankungen Verbindungsaufbauzeiten via GSM im Sekundenbereich, auch sonst einige hundert Millisekunden Geringere Sicherheit gegenüber Abhören, aktive Attacken Luftschnittstelle ist für jeden einfach zugänglich, Basisstationen können vorgetäuscht werden Stets geteiltes Medium sichere Zugriffsverfahren wichtig Schon früh wurde Licht zur Kommunikation eingesetzt Heliographen, Flaggen ( Semaphore ), Zeiger 150 v.chr. Rauchsignale zur Kommunikation; von Polybius, Griechenland, berichtet 1794, Optischer Telegraph, Claude Chappe Hier ist vor allem der Einsatz von Funk von Interesse: 1831 Faraday demonstriert elektromagnetische Induktion J. Maxwell ( ): Theorie der elektromagnetischen Felder, Wellengleichungen (1864) H. Hertz ( ): Demonstriert experimentell den Wellencharakter der elektrischen Übertragung durch den Raum (1886 in Karlsruhe, an der Stelle des heutigen Hertz-Hörsaals) Hö PuDiMn - 1. Einführung 27 PuDiMn - 1. Einführung 28

8 Geschichte der drahtlosen Kommunikation I Geschichte der drahtlosen Kommunikation II 1896 Guglielmo Marconi erste Demonstration der drahtlosen Telegraphie (digital!) Langwellenübertragung, hohe Sendeleistungen benötigt (> 200kW) 1907 Kommerzielle Transatlantik-Verbindungen sehr große Basisstationen (30 100m hohe Antennenmasten) 1915 Drahtlose Sprachübertragung New York - San Francisco 1920 Entdeckung der Kurzwelle durch Marconi Reflexion an der Ionosphäre kleinere Sender und Empfänger, ermöglicht durch die Erfindung der Vakuumröhre (1906, Lee DeForest und Robert von Lieben) 1926 Zugtelefon auf der Strecke Hamburg - Berlin Drähte parallel zur Bahntrasse 1928 viele Feldversuche mit TV (Farb TV, Nachrichten, Atlantik) 1933 Frequenzmodulation (E. H. Armstrong) 1958 A-Netz in Deutschland analog, 160MHz, Verbindungsaufbau nur von der Mobilstation, kein Handover, 80% Flächendeckung, Teilnehmer 1972 B-Netz in Deutschland analog, 160MHz, Verbindungsaufbau auch aus dem Festnetz heraus (aber Aufenthaltsort der Mobilstation muß bekannt sein) ebenso in A, NL und LUX, Teilnehmer in D 1979 NMT, 450 MHz (Skandinavien) 1982 Start der GSM-Spezifikation Ziel: paneuropäisches digitales Mobilfunknetz mit Roaming 1983 Start des amerikanischen AMPS (Advanced Mobile Phone System, analog) 1984 CT-1 Standard (Europa) für schnurlose Telefone PuDiMn - 1. Einführung 29 PuDiMn - 1. Einführung 30 Geschichte der drahtlosen Kommunikation III Geschichte der drahtlosen Kommunikation IV 1986 C-Netz in Deutschland analoge Sprachübertragung, 450MHz, Handover möglich, digitale Signalisierung, automatische Lokalisierung der Mobilstation bis im Einsatz (als T-C-Tel), Dienste: FAX, Modem, Datex-P, , 98% Flächendeckung 1991 Spezifikation des DECT-Standards Digital European Cordless Telephone (heute: Digital Enhanced Cordless Telecommunications) MHz, ~ m Reichweite, 120 Duplexkanäle, 1,2Mbit/s Datenübertragung, Sprachverschlüsselung, Authentifizierung, mehrere Nutzer/km2, Nutzung in 40 Ländern 1992 Start von GSM in D als D1 und D2, voll digital, 900MHz, 124 Trägerfrequenzen automatische Lokalisierung, Handover, zellular, Roaming in Europa - nun auch weltweit in über 150 Ländern Dienste: Daten mit 9,6 kbit/s, FAX, Sprache, E-Netz in Deutschland GSM mit 1800MHz, kleinere Zellen, derzeit 11 Länder als Eplus in D (Ende % der Bevölkerung erreichbar) 1996 HiperLAN (High Performance Radio Local Area Network) ETSI, Standardisierung di i von Typ 1: 5,15-5,30GHz, 23,5Mbit/s Vorschläge für Typen 2 und 3 (beide 5GHz) und 4 (17GHz) als drahtlose ATM- Erweiterungen (bis 155Mbit/s) 1997 Wireless LAN - IEEE IEEE-Standard, 2,4-2,5GHz und Infrarot, 2Mbit/s viele proprietäre Produkte schon früher 1998 Spezifikation von GSM-Nachfolgern für UMTS (Universal Mobile Telecommunication System) als europäischer Vorschlag für IMT-2000 Iridium 66 Satelliten (+6 Reserve), 1,6GHz zum Mobiltelefon PuDiMn - 1. Einführung 31 PuDiMn - 1. Einführung 32

9 Geschichte der drahtlosen Kommunikation V UMTS in Japan 1999 Weitere drahtlose LANs IEEE-Standard d b, 2,4-2,5GHz, 11Mbit/s Bluetooth für Pikonetze, 2,4GHz, < 1Mbit/s Entscheidung über IMT-2000 Mehrere Familienmitglieder : UMTS, cdma2000, DECT,... Start von WAP (Wireless Application Protocol) Erster Anfang der Verschmelzung Internet/Mobilkommunikation Zugang zu vielfältigen Informationsdiensten über ein Handy 2000 GSM mit höheren Übertragungsraten HSCSD bietet bis zu 57,6kbit/s Erste GPRS-Installationen mit bis zu 115,2kbit/s Ab 2000 UMTS-Referenzinstallationen 2002 Start von UMTS (in Japan) 2006 Vorstellung von HSDPA auf der CeBit 2008 Einstellung von imode bei e-plus pus Foma (Freedom Of Mobile multimedia Access) -- Vhikli Vehikel i-mode -- NEC WCDMA Handy PuDiMn - 1. Einführung 33 PuDiMn - 1. Einführung 34 Isle of Man UMTS in Europa UMTS in Monaco PuDiMn - 1. Einführung 35 PuDiMn - 1. Einführung 36

10 analog digital Mobilfunksysteme: Entwicklung im Überblick Mobiltelefone Satelliten schnurlose Telefone 1981: 1980: NMT : NMT : GSM 1991: CDMA 1994: DCS : AMPS 1991: D-AMPS 1993: PDC 1982: Inmarsat-A 1988: Inmarsat-C 2006?: UMTS/IMT : Inmarsat-B Inmarsat-M 1998: Iridium CT0 1984: CT1 1987: CT : CT : DECT drahtloses LAN 199x: proprietär 1995/96/97: IEEE , HIPERLAN 2007?: MBS, WATM PuDiMn - 1. Einführung 37 Zukunft: ITU-R - Empfehlungen für IMT-2000 M IMT-2000 Konzepte und Ziele M Rahmenwerk für Dienste M.817 IMT-2000 Netzwerkarchitektur M Satelliten in IMT-2000 M IMT-2000 für Entwicklungsländer M Anforderungen an die Luftschnittstellen M.1035 Rahmenwerk für Luftschnittstellen und Funktionen M.1036 Frequenzspektrum M.1078 Sicherheit h it in IMT-2000 M.1079 Sprache/Daten im Sprachband M.1167 Rahmenwerk für Satelliten M.1168 Rahmenwerk für das Management M.1223 Evaluation von Sicherheitsmechanismen M.1224 Vokabular für IMT-2000 M.1225 Evaluation der Übertragungstechniken PuDiMn - 1. Einführung Weltweite Teilnehmerzahlen für Mobiltelefonie Amerika 400 Europa Japan 300 andere total PuDiMn - 1. Einführung 39 Forschungsbereiche in der Mobilkommunikation Drahtlose Kommunikation Übertragungsqualität (Bandbreite, Fehlerrate, Verzögerung) Modulation, Codierung Medienzugriff... Mobilität Ortsabhängige Dienste Transparenz des Aufenthaltsorts Dienstgüteunterstützung... Portabilität Leistungsaufnahme eingeschränkte Rechenleistung, Anzeigengröße,... Handhabbarkeit... PuDiMn - 1. Einführung 40

11 Vereinfachtes Referenzmodell Einfluss der Mobilkommunikation auf das Referenzmodell Anwendung Transport Netzwerk Sicherung Bitübertragung Anwendung Transport Netzwerk Netzwerk Netzwerk Sicherung Sicherung Sicherung Bitübertragung Bitübertragung Bitübertragung Funk Medium PuDiMn - 1. Einführung 41 Anwendungsschicht Transportschicht Netzwerkschicht Sicherungsschicht Dienstelokation neue Anwendungen (Multimedia) Adaptive Anwendungen Staukontrolle, Flusskontrolle Dienstqualität Adressierung, Wegewahl Endgerätelokalisierung Handover Authentifizierung Multiplexing, Medienzugriff Medienzugangskontrolle Bitübertragungsschicht Verschlüsselung Modulation Interferenzen Dämpfung Frequenzen PuDiMn - 1. Einführung 42 Overlay-Netzwerke Literatur Integration heterogener Fest- und Mobilnetze mit stark variierenden Übertragungscharakteristika Vertikaler Handover Campusnetze Gebäudenetze Stadtnetze Horizontaler Handover Regionalnetze SCHILLER,,J.: Mobilkommunikation, o ato Pearson easo Studium, 2003, ISBN (Vielen Dank für die Überlassung der Folien) HALSALL, F.: Data Communications, Computer Networks and Open Systems, Fourth Edition, Addison-Wesley, 1996, ISBN X. KRÜGER, G.; RESCHKE, D. (Hrsg.): Lehr- und Übungsbuch Telematik, Fachbuchverlag Leipzig, 3. aktualisierte Auflage, 2004, ISBN PuDiMn - 1. Einführung 43 PuDiMn - 1. Einführung 44