Informationstechnik, Telekommunikation, Neue Netze

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1 EUROPA-FACHBUCHREIHE für elektrotechnische und elektronische Berufe Informationstechnik, Telekommunikation, Neue Netze 7. Auflage Herausgegeben von Horst Jansen VERLAG EUROPA-LEHRMITTEL Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG Düsselberger Straße Haan-Gruiten Europa-Nr.: 36217

2 Autoren von Informationstechnik, Telekommunikation, Neue Netze: Ralf Hoheisel Studiendirektor Wunstorf Horst Jansen Studiendirektor a. D. Hemmingen Reiner Kochanke Oberstudienrat Wunstorf Dr. Bernd Lübben Studiendirektor a. D. Hannover Eckart Meyke Oberstudienrat Nordstemmen Manfred Raschke Oberstudienrat a. D. Garbsen Gerd Siegmund Prof., Dr.-Ing. Stuttgart Lektorat: Horst Jansen Bildbearbeitung: Zeichenbüro des Verlages Europa-Lehrmittel GmbH & Co. KG, Ostfildern 7. Auflage 2015 Druck Alle Drucke derselben Auflage sind parallel einsetzbar, da sie bis auf die Behebung von Druckfehlern untereinander unverändert sind. ISBN Alle Rechte vorbehalten. Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der gesetzlich geregelten Fälle muss vom Verlag schriftlich genehmigt werden by Verlag Europa-Lehrmittel, Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG, Haan-Gruiten Umschlaggestaltung: braunwerbeagentur, Radevormwald Satz: Satz+Layout Werkstatt Kluth GmbH, Erftstadt Druck: PHOENIX PRINT GmbH, Würzburg

3 Vorwort Nie zuvor gab es so gravierende Veränderungen im Bereich der Telekommunikation wie heute. Das erst seit 1989 in Europa verfügbare Internet hat sich in allen Bereichen der Kommunikation durchgesetzt. Alle zukünftigen Kommunikationsnetze basieren auf dem Internet. Die Datenkommunikation hat explosionsartig zugenommen, heute sind mehr als 95 % der transportierten Informationen Daten. Über Breitbandanschlüsse (VDSL) wirkt das IP-Protokoll bis in den Zugangsbereich und ermöglicht dem Teilnehmer neue Dienste (Video-Übertragung, Fernsehen etc.). Mehr als 90 % aller Betriebe verfügen bereits über Breitbandanschlüsse. Dieser Trend verstärkt sich noch durch die erheblich ansteigende Zahl mobiler Teilnehmer. Hier nehmen zudem die intelligenten mobilen Anwendungen zu. Das Mobiltelefon wurde noch 2008 zu 80 % zum Telefonieren verwendet, heute werden die Smartphones in weniger als 20 % der Anwendungen zum Telefonieren verwendet und dies mit einer stark abnehmenden Tendenz. Diese Veränderungen sind in der vorliegenden Ausgabe des Buchs spürbar. Fast alle Kapitel mussten den aktuellen Entwicklungen angepasst werden. Die im Kapitel 6 beschriebenen Grundlagen der Netze der nächsten Generation haben die Telekommunikation integriert und breiten sich weiter aus. Dabei liegt den Autoren sehr daran, über die Vermittlung von Grundkenntnissen das Begreifen komplexer Zusammenhänge zu erschließen. Die inhaltliche Konzeption dieses Buches wurde so angelegt, dass es auch über den Berufsschulunterricht hinaus als Fachinformation verwendet werden kann. In Meisterkursen, an Berufsfach- und Fachschulen oder auch Fachhochschulen, wo Inhalte der Informationstechnik und Telekommunikation gelehrt werden, ist es sowohl zur elementaren Einführung als auch Themen begleitend anwendbar. Auf die Beachtung der gültigen Normen für Fachbegriffe, Bezeichnungen, Schaltzeichen und grafischen Darstellungen wurde besonderer Wert gelegt. Die dargestellten Sachverhalte wurden so in Wort und Bild beschrieben, dass sie auch im Selbststudium erarbeitet werden können. Das betrifft insbesondere diejenigen Themen, die je nach Schülerniveau in diesem Umfang nicht im Unterricht behandelt werden können. Das Buch vermittelt nicht nur den erforderlichen Überblick, sondern ermöglicht auch mithilfe konkreter Beispiele eine Vertiefung des Wissens. Im Vordergrund steht dabei der Einblick in die Grundprinzipien und die Verfahren der Informationstechnik und der neuen Netze der Telekommunikation. Erst dieses berufliche Grundwissen ermöglicht ein notwendiges Systemdenken, die geforderte Fachkompetenz und die Umsetzung in kundenorientierte Anwendungen. Mit dem umfangreichen Bildmaterial wird in diesem Buch versucht, komplexe Zusammenhänge zu veranschaulichen. Die Autoren und der Verlag sind allen Anwendern dieses Fachbuches für Hinweise und Anregungen dankbar, die die zukünftige Weiterentwicklung dieses Buches unterstützen. Schreiben Sie uns unter lektorat@europa-lehrmittel.de. Sommer 2015 Die Verfasser 3

4 Inhaltsverzeichnis 1 Grundlagen Informationsübertragung und Energieversorgung Elektrischer Stromkreis Elektrische Größen Ohmsches Gesetz Arbeit, Leistung und Wirkungsgrad Reihenschaltung Spannungsquellen-Ersatzschaltung Parallelschaltung Spannungsteiler und Brückenschaltung Anpassung Übertragen von Spannungen, Stromstärken und Widerstandswerten Gabelschaltung Betriebsspannungsversorgung Sinus- und nichtsinusförmige Spannungen Bausteine zur Signalverarbeitung Kondensator Spule Tiefpass, Hochpass und Bandpass Resonanzkreise Bandfilter Transistor Operationsverstärker Optoelektronik Allgemeines zur Optoelektronik Empfänger-Bauelemente Emitter-Bauelemente Installation elektrischer Betriebsmittel Erzeugung und Verteilung elektrischer Energie Dokumentationsunterlagen für die Elektroinstallation Schutzmaßnahmen Bemessung von Leitungen und Sicherungen Prüfen von Schutzmaßnahmen Projekt: Installation einer Energieversorgung für 24 PCs Digitaltechnik Einführung in die Digitaltechnik Kombinatorische Elemente UND-Element ODER-Element NICHT-Element NAND-Element NOR-Element Schaltalgebra Rechenregeln Gesetz von De Morgan Anwendungsbeispiele Zahlensysteme Dezimalsystem Dualsystem Oktal- und Sedezimalsystem Umwandlung: Dezimalzahlen in Dualzahlen Rechnen mit Dualzahlen Binärcodes BCD-Code Gewichtete Codes Ungewichtete Codes Fehlererkennende Codes Grundlegende Schaltnetze Addierer Arithmetisch-Logische- Einheit (ALU) Äquivalenz-Element Pseudotetraden-Erkenner Zahlen-Komparator Bustreiber, 3-state-Treiber Codierer Dezimal-BCD(8421)-Codierer BCD(8421)-Dezimal-Codierer Binär-Gray-Codierer Multiplexer, Demultiplexer Multiplexer (MUX) Demultiplexer (DMUX) Bistabile Elemente, Flipflops RS-Flipflop D-Flipflop Einflankengesteuerte Flipflops Umwandlung von Flipflops Zweispeicher-Flipflop Codeumsetzer

5 2.10 Zählschaltungen Asynchron-Zähler Synchron-Zähler Register Schieberegister Parallel-Seriell-Umsetzer Seriell-Parallel-Umsetzer Scrambler, Descrambler Rechenwerke Serielles Addierwerk Serielles Subtrahierwerk Serielles Multiplizierwerk Paralleler Addierer Digital-Analog-Umsetzer DA-Umsetzer mit gestuften Widerständen DA-Umsetzer mit Widerstandskettenleiter Analog-Digital-Umsetzer AD-Umsetzer mit Widerstandsnetzwerk AD-Umsetzer nach dem Sägezahnverfahren AD-Umsetzer nach dem Wägeverfahren AD-Umsetzer nach dem Parallelverfahren AD-Umsetzung durch Delta-Modulation Halbleiterspeicher Lesespeicher (ROM) Schreib-Lese-Speicher (RAM) Mikroprozessor-Prinzip Programm Prinzip eines Mikroprozessor- Systems Aufbau eines Mikroprozessors Endgeräte mit Mikroprozessoren Mikrocontroller Grundlagen der Programmierung Arbeitsplatzrechner Allgemeines Möglichkeiten der Vernetzung Aufbau eines Arbeitsplatzrechners PC-Gehäuseformen Stationäre Geräte Mobile Geräte Aufbau eines Arbeitsplatzrechners Mikroprozessor (CPU) Hauptplatine (Motherboard, Mainboard) Kenngrößen Chipsatz Arbeitsspeicher Interne Bussysteme Eingabe und Ausgabe Tastatur Maus Touchpad TrackPoint Periphere Schnittstellen Grafikkarten Monitore Möglichkeiten der Eingabe- Ausgabe-Kommunikation Massenspeicher Magnetische Aufzeichnungssysteme Optische Aufzeichnungssysteme Übertragungsnetze Übertragungstechnik Informationstechnische Grundlagen Übertragungsverfahren Übertragungswege Signalarten Elektroakustik Leitungsgebundene Signalübertragung Übertragungskabel mit Kupferadern Lichtwellenleiterkabel (LWL-Kabel) Kabelnetzaufbau Grundgrößen einer Leitung Dämpfung auf Leitungen Pegel Übertragungsstörungen Mehrfachausnutzung von Übertragungswegen Verfahren zur Mehrfachausnutzung Modulationsverfahren Modulationsarten bei Sinusschwingungen Modulationsarten bei Pulsfolgen Frequenz-Multiplexverfahren

6 4.3.6 Wellenlängen-Multiplexverfahren WDM Digitale Modulationsverfahren mit sinusförmigem Träger Digitaler Teilnehmeranschluss ADSL Zeitmultiplex-Verfahren PCM PCM-Messtechnik Datenübertragung in der Synchronen Digitalen Hierarchie SDH Datenkommunikation mit dem Asynchronen Transfer- Modus ATM Integriertes Datennetz Asynchroner Transfer-Modus ATM ATM-Schichtenmodell Datenkommunikation mit dem Internet-Protokoll IP OSI-Referenzmodell und seine Protokolle TCP/IP-Referenzmodell und OSI Internet-Transport-Protokoll TCP TCP-Segment-Header Das Internet Header des IP-Protokolls IP-Adressen Domain Name System DNS Frame Relay Telefonieren über das Internet Voice over IP Telefonieren im Festnetz Telefonieren über Datennetze mit VoIP Telefon-Anschluss am Internet Netzübergänge Internet Festnetz Routing im Teilnehmerbereich Protokolle der Internet-Telefonie VoIP Verbindungssteuerung mit Weltweit gültige Telefonnummern Netzknoten Netzaufbau Grundverbindungen in Telekommunikationsnetzen Aufbau des Orts- und Fernwahlnetzes Koppeltechnik Prinzip der Koppeltechnik Begriffe der Koppeltechnik Gruppierung von Koppelanordnungen Zwischenleitungsanordnung Steuervorgänge beim Verbindungsaufbau Vermittlungstechnik Anschlussteil Digitales Raum-Koppelvielfach Zeit-Koppelvielfach Mobile Kommunikation Mobilfunknetz Netze der nächsten Generation NGN Grundlagen Entwicklung zum NGN Sprachübertragung mit VoIP oder im NGN IP Multimedia Subsystem IMS Einbindung der bestehenden Netze Regulierung Architekturen in öffentlichen Netzen Dienstgüte im Internetverkehr (Quality of Service QoS) VDSL-Anschluss beim Teilnehmer Übertragung von Echtzeitinformationen über NGN Sprachübertragung mit dem Real-Time Transport Protocol RTP Informationsaustausch von RTP-Paketen mit UDP Übertragung der Nutzinformationen Echtzeit-Kontrolle mit dem Real-Time Control Protocol RTCP Verbindungssteuerung mit dem Signalisierungs-Protokoll (Session Initiation Protocol) im NGN Architektur von Proxy Adressen Grundlagen der Verbindungssteuerung mit Aufbau von -Nachrichten Anfragen (-Request) Antworten (-Response) Aufbau der Verbindungen

7 Einfacher Verbindungsaufbau Vereinbarung von Verbindungseigenschaften Protokollabläufe für eine Sprachverbindung Architekturen der öffentlichen Netze Verbindungssteuerung im NGN Ablauf für eine Verbindung mit QoS Internet Multimedia Subsystem IMS Drahtlose Netzwerke Frequenzbereiche Funk-Übertragungsverfahren Betriebsarten Bluetooth Speichernetzwerke Direkt Attached Storage DAS RAID-Systeme Network Attached Storage NAS Storage Area Network SAN Strukturierte Verkabelung Primärbereich Sekundärbereich Tertiärbereich Lokale Netzwerke Rechnerkommunikation Grundlagen der lokalen Netze basierte Netzwerke Peer-to-Peer-Netzwerke Netz-Topologien Bus-Topologie Stern-Topologie Ring-Topologie Baum-Topologie Vermaschte Topologie Zell-Topologie Das OSI-Modell Datenübertragung im OSI-Modell Schichten L1 bis L3 des OSI-Modells Standardisierung der lokalen Netzwerke Übertragungsmedien Koaxial-Kabel Twisted-Pair-Kabel Lichtwellenleiter (LWL) Netzwerkaufbau Das Ethernet Twisted-Pair-Ethernet Ethernet mit Lichtwellenleiter- Verkabelung Netzkopplungen Repeater Hub Bridge (Brücke) Switch Router IT-Systeme Endgeräte und Netz-Zugänge Grundfunktion Netz-Zugang IT-Basisdienst Sprachkommunikation Signalisierungsverfahren für POTS DECT-Telefone Endgeräte im ISDN-Konzept Schnittstellen des ISDN-Basisanschlusses Schaltungsanalyse ISDN- Endgerät Signalanalyse Datenanalyse Installationen beim Teilnehmer ISDN-Basisanschluss- Installationen TK-Anlagen-Installationen Installationskontrollen des Netzbetreibers Strukturierte In-House- Verkabelungen Drahtgebundene Zugangsnetze Drahtlose Zugangsnetze IP-gestützte Zugangsnetze Sichere Telekommunikation Sachwortverzeichnis Glossar der Abkürzungen

8 6 Netze der nächsten Generation NGN Der Nachfolger des ISDN auf der Basis des Internetprotokolls wird in der Standardisierung als Next Generation Network NGN bezeichnet. Diese Netze bieten den Teilnehmern gesicherte Übertragungsqualitäten und eine hohe Verfügbarkeit. 6.1 Grundlagen Web (WWW) benötigt werden, durch seinen verbindungslosen Transport, ohne einen vorherigen Verbindungsaufbau wie im ISDN, ideal an diese Übertragung angepasst. Das Ziel bei der Übertragung der Nutzinformationen war es immer, einen möglichst einfachen und schnellen Mechanismus zu verwenden (Bild 3). Die Datenkommunikation auf der Basis des Internet-Protokolls IP ist heute innerhalb der Kommunikationsnetze mit 95 % die größte Menge der transportierten Informationen. Der Anteil der Sprachkommunikation beträgt nur noch 5 % der übertragenen Informationen. In einem solchen Umfeld müssen sich auch die Netzarchitekturen diesen Gegebenheiten anpassen. Dies bedeutet, dass nicht mehr die Sprachübertragung die Netzstrukturen vorgibt, sondern die auf dem Internet basierende Datenübertragung. Solche Netze sind dann Datennetze, die auch Sprache übertragen können. In den traditionellen Sprachnetzen vollzieht sich der Wandel kontinuierlich. Es sind enorme Investitionen notwendig. Auch in ferner Zukunft ist es nicht erforderlich, alles völlig umzukrempeln. So wird es beispielsweise auch weiterhin den analogen Fernsprechanschluss geben. analog ISDN analog analog ISDN ISDN NGN-Anschluss (IP-basiert) ISDN-VSt Gateway (Anpassung) IP-basiertes Netz NGN Auf der anderen Seite entwickeln sich im Internet Multimedia-Anwendungen, die diverse Medien unterstützen und unter einer einheitlichen Oberfläche zu einem einheitlichen Dienst verschmelzen. In diesem Fall ist die Sprachübertragung nur noch ein kleiner Teil der Gesamtkommunikation in einer sehr komplexen Umgebung. Die Zukunft ist hier aber auch keine neue Einheitstechnologie auf der Netzebene. Es wird für eine geraume Zeit noch eine Mischung von konventionellen Vermittlungsprinzipien geben, mit vielen herkömmlichen analogen und digitalen Schnittstellen (Bild 1). Diese bilden zusammen mit den IP-basierten Netzen ein gemeinsames Netz. Bild 1: Das heterogene Netz der Zukunft ISDN (Zeitmultiplex mit Verbindungssteuerung) Koppelanordnung VSt + Signalisierung VSt + VSt + Zeitmultiplex Verbindungssteuerung Bild 2: Verbindungen über Koppelanordnungen Der Transport von Echtzeitinformationen, wie Sprache, hat nur einen geringen Anteil an der Summe der transportierten Informationen. Über 95 % des Verkehrs in Kommunikationsnetzen sind Daten basierend auf dem Internetprotokoll IP. verbindungsloses Internet IP-Pakete Internet Router Router Router Pakete im Internet Das Internet ist für die Datenübertragung, wie sie für Anwendungen wie und World Wide Bild 3: Verbindungen über das Internet 260

9 Diese Methode der verbindungslosen Kommunikation wird auch mit Best Effort bezeichnet. Im Zeitmultiplex der ISDN-Netze werden die Informationen zu festgelegten Zeiten in Kanälen transportiert. In verbindungsloser Kommunikation werden die Pakete nur bei Bedarf und dabei in Konkurrenz zu anderen Paketen übertragen. Die Datenpakete erhalten einen Paketkopf, in dem die Ursprungsund Zieladresse (IP-Adressen) enthalten ist. Weltweit werden die IP-Adressen nur einmal vergeben. Man spricht von eindeutiger IP-Adresse. Mithilfe dieser einmaligen IP-Adresse ist die Hinleitung (Routing genannt) der Nutzinformationen zum gewünschten Ziel möglich (Bild 1). In dieser Kommunikation werden keinerlei Garantien für den Transport vom Netz übernommen. Es bleibt den Endsystemen überlassen, mit den Einflüssen durch die Übertragung, den Störungen im Netz und den Fehlern bei der Übertragung fertig zu werden. Die Kommunikation erfolgt innerhalb der Schicht L3 grundsätzlich verbindungslos. Innerhalb der Schicht L4 werden zwischen den Endsystemen das verbindungsorientierte Protokoll (TCP) und der verbindungslose Dienst (UDP) eingesetzt. Die Anwendungen (Dienste) oberhalb der Schicht L4 werden durch sogenannte Ports adressiert. Neue Dienste müssen nur in ihrer Port-Nummer bekannt gegeben werden und sind sofort weltweit erreichbar. Die für die Nutzung eines neuen Dienstes notwendige Software kann mittels HTTP (Hypertext-Transfer-Protokoll = WWW) oder File- Transfer-Protokoll FTP verteilt werden. Diese Offenheit ermöglicht die sehr schnelle Einführung neuer Dienste in das Netz (Bild 2). Die Komplexität der Dienste liegt nur im Endgerät, nicht im Transportnetz. Diese Rahmenbedingungen ermöglichten die revolutionäre Entwicklung des Internets, speziell nach der Einführung des World Wide Web (WWW). hier startet das Pakekt mit der IP-Zieladresse Adressbereich C Adressbereich A Ziel des IP-Pakets Adressbereich B Verbindungsnetz (Backbone) Adressbereich D Bild 1: Adressvergabe und Routing im Verbindungsnetz Telnet FTP WWW Domain Name Bezeichnung der Dienste Telnet FTP HTTP SMTP DNS Anwendungen Port 23 Port 20/21 Port 80 Port 161/162 TCP (Transport Control Protokoll) IP (Internet Protokoll) Port 53 UDP Schicht L4: Transport Schicht L3: Internet-Protokoll Protokoll L2 Protokoll L2 Protokoll L2 Schicht L2: Sicherung und Netz-Zugriff Protokoll L1 Netz 1 DNS: Domain Name FTP: File Transfer Protokoll HTTP: Hypertext Transfer Protokoll Protokoll L1 Netz 2 IP: Internetprotokoll SMTP: Simple Mail Transfer Protokoll TCP: Transport Control Protokoll Protokoll L1 Netz 3 UDP: User Datagram Protokoll WWW: World Wide Web Schicht L1: Übertragung Bild 2: Protokolle im OSI-7-Schichten-Modell 261

10 6.2 Übertragung von Echtzeitinformationen über NGN Sprachübertragung mit dem Real-Time Transport Protocol RTP Die Sprachübertragung ist bei ISDN mit einer Bitrate von 64 kbit/s in beiden Richtungen sehr großzügig festgelegt. Seit einiger Zeit werden in den Mobilnetzen bereits Codecs nach dem adaptiven Verfahren ADPCM eingesetzt, die mit kleineren Datenraten auskommen. Das Internet arbeitet verbindungslos und paketorientiert und ist damit ideal für die Übertragung von Daten geeignet. Durch Sprach-Pausen-Detektoren könnte die erforderliche Datenrate für die Sprachübertragung noch einmal deutlich gesenkt werden, ohne die Qualität nennenswert einzuschränken, denn eine Duplexkommunikation ist in den seltensten Fällen nötig. Die Basis für die Sprach- und Videoübertragung im Internet ist das Transportprotokoll RTP (Real- Time Transport Protocol), das den Transport von Sprach- und Videodaten in Paket-Form ermöglicht (Bild 1). RTP beinhaltet auch die Bereitstellung einer Dienstesynchronität. Zwischen Sender und Empfänger werden hierfür ständig Zeit- und Synchronisationsinformationen ausgetauscht. Paketüberholungen, wie sie in verbindungslosen Netzen immer vorkommen können, müssen vom Empfänger ausgeglichen werden. Für diese Aufgaben erhält jedes übertragene RTP-Paket eine fortlaufende Nummer, die Sequence Number, und einen Zeitstempel, den Timestamp. Weiterhin ist in dem RTP-Kopf eine Identifikation des Senders und Empfängers enthalten. Zum Transportprotokoll RTP gehört auch das Steuerungsprotokoll RTCP (Real-Time Control Protocol). RTCP benutzt einen eigenen Port, dessen Adresse stets die um 1 höhere Portadresse von RTP ist. RTP und RTCP verwenden UDP als Transportprotokoll (Bild 1). Prinzipiell kann auch TCP verwendet werden, hierbei ergeben sich allerdings Laufzeitprobleme durch vorhandene Wartezeiten auf Bestätigungen. Aufbau der RTP-Nachrichten L4 L3 digitalisierte Sprache codierte Sprache oder Video RTP Real-Time Transport Protokoll UDP User Datagram Protocol IP Internet Protokoll Steuerung des Nutzkanals RTCP Real-Time Transport Control Protokoll Bild 1: Real-Time Transport Protocol RTP und Real-Time Control Protocol RTCP Der Transport der Sprachinformationen erfolgt in der Schicht L4 mit dem Transportprotokoll UDP, seltener mit TCP. Empfangsbestätigungen sind nicht erforderlich. Eine Neuanforderung von TCP- Paketen kommt aufgrund der engen Zeitanforderungen nicht infrage. Über eine RTP-Verbindung können auch mehrere Kommunikationen gleichzeitig unterhalten werden, wenn sie die gleichen Kommunikationsendpunkte innerhalb des IP-Netzes haben (Aggregation of Calls). Dies kann beispielsweise der Fall sein bei Privatnetzkopplungen zwischen zwei Punkten des öffentlichen Netzes. V P X CC M PT (7 bit) Sequence Number (SQ, 16 bit) Timestamp (TStamp, 32 bit) Synchronisation Source (SSRC) Identifier (32 bit) Contributing Source (CSRC) Identifier (32 bit) ggf. Header Extensions Payload Das Real-Time Transport Protocol RTP unterstützt zwar die Übertragung von Echtzeitinformationen über das Internet (Bild 1), es verändert aber weder das Internetprotokoll IP noch dessen Verhalten innerhalb der Netze. Mit diesem Protokoll wird auch keine Quality of Service in IP-Netze eingeführt. V: Version (2 bit) P: Padding (1 bit) X: Extension (1 bit) Bild 2: RTP-Header CC: CSRC Count (4 bit) M: Marker (1 bit) PT: Payload Type (7 bit) 273

11 Elemente im RTP-Header Die Elemente im RTP-Header haben die folgende Bedeutung: V, Version, 2 bit: Im Versionsfeld V wird die RTP-Version (z.b. 2,) übermittelt. P, Padding, 1 bit: Das Padding-Bit ist gesetzt, wenn am Ende des Paketes Füll-Oktette angehängt sind. Wie groß der aufgefüllte Bereich ist, wird im letzten Byte des Padding-Bereichs am Ende des Nutzfeldes übertragen. X, Extension, 1 bit: Das Extension-Bit X wird gesetzt, wenn der Header um einen Erweiterungs-Header verlängert wird. CC, CSRC-Count, 4 bit: Ob und wie viele Contributing Source Identifier im RTP-Header enthalten sind, wird im CSRC-Zähler übermittelt. M, Marker, 1 bit: Die Bedeutung des Marker- Bit ist vom jeweils verwendeten RTP-Profil abhängig. Das Marker-Bit wird beispielsweise für die Erkennung von Sprachpausen (Silence Suppression) verwendet. Das Bit wird in jedem ersten Paket mit Sprachproben nach einer vorangegangenen Sprachpause auf 1 gesetzt. PT, Payload-Type, 7 bit: Das Feld PT kennzeichnet die im Daten-(Payload-)Teil transportierten Nutzinformationen. Mit diesem Feld können die verschiedenen Quellcodierungen unterschieden werden. Für die Sprach- und Bild-Kommunikation (Audio/Video-Profile) sind dies beispielsweise die Sprach-Codecs oder Video-Codecs, die auf der Empfängerseite für die Decodierung der Nutzinformationen notwendig sind. SQ, Sequence Number, 16 bit: Mit der Sequenznummer werden die RTP-Pakete vom Sender durchnummeriert. Damit werden Reihenfolgenfehler und der Verlust von Paketen vom Empfänger erkannt. TStamp, Timestamp, 32 bit: Der Zeitstempel TStamp beginnt mit einer zufällig ermittelten Zahl, die mit jeder Entnahme einer Sprachoder Video-Probe erhöht wird. Da jedes RTP- Paket eine Anzahl von entnommenen Proben transportiert, springt dieser Wert mit jedem gesendeten RTP-Paket um die Anzahl der transportierten Proben. Beispiel: Liefert der Codec alle 125 µs eine 8 bit- Sprachprobe, so befinden sich in einem RTP- Paket, das alle 20 ms übertragen wird, insgesamt 160 Sprachproben. Die Timestamp wird daher mit jedem RTP-Paket um 160 erhöht. -Client A (Anna) -Client C (Chris) SSRC 1 -Client A (Anna) SSRC 2 SSRC 1 Mixer (3) SSRC 1 Bild 1: Mixer für Konferenzschaltungen SSRC 3 SSRC 1 SSRC 2 -Client B (Bernd) -Client B (Bernd) SSRC, Synchronisation Source Identifier, 32 bit: Eine eindeutige Zuordnung der Kommunikationspartner ist durch den Synchronisation Source Identifier SSRC für die Quelle gegeben. Der SSRC-Identifier definiert die Quelle der RTP-Pakete. Für einfache Verbindungen ist dies der direkte Verbindungspartner. CSRC, Contributing Source Identifier, 0 bis 15 Felder mit je 32 bit: Für eine Konferenzschaltung wird in den Feldern von CSRC eine Liste angelegt, in der alle an einer Konferenzschaltung beteiligten Teilnehmer der Kommunikationsströme vom Mixer zusammengefasst werden. In dem Konferenzbeispiel (Bild 1 vorherige Seite) sind dies die beteiligten Kommunikationsquellen, die vom Mixer zusammengefasst wurden Informationsaustausch von RTP-Paketen mit UDP Eine Verbindung (session) besteht aus einem oder mehreren Medienströmen, die durch den Port unterschieden werden und einzeln auch beendet oder neu aufgebaut werden können. Für den Informationsaustausch mit dem Real-Time Transport Protokoll RTP wird beim Verbindungsaufbau für jeden Medienstrom (Sprache oder Video) ein eigener UDP-Port festgelegt. Ein Be- 274

12 nutzer kann unterschiedliche Verbindungen zu verschiedenen Zielen und mit verschiedenen Medien durch verschiedene Ports unterscheiden. Eine Kommunikation zwischen einem Sender und einem Empfänger hat dabei einen Port. Wie bei jeder Kommunikation in TCP oder UDP wird für den Austausch der Informationen in den transportierten Paketen jeweils der Quell- und Ziel-Port festgelegt beide können unterschiedlich sein ( und in Bild 1). Für das Real- Time Control Protocol RTCP werden automatisch die Ports Port(x+1) und Port(y+1) festgelegt. UDP transportiert die RTP-Pakete. Der verwendete Port ist für die Echtzeitkommunikation ein virtueller Kanal. Die Rückmeldungen (Verzögerungszeit, Jitter, Paketverlust usw.) vom Empfänger zum Sender erfolgt mithilfe des Real- Time Control Protocol RTCP. Mit RTCP werden während der Verbindung Rückmeldungen zur Übertragungsqualität an den Sender gegeben. Zum Abschluss der Kommunikation wird der verwendete logische Nutzkanal mit einem RTCP-BYE wieder geschlossen. Virtuelle Verbindung Im Prinzip wird bei UDP durch die Festlegung und Verwendung der Ports eine virtuelle Verbindung für den Austausch von Nutzinformationen im Internet aufgebaut. Der gravierende Unterschied zu virtuellen Verbindungen in anderen Netzen ist die Verwendung der Ports an Stelle von logischen Kanalnummern. Die logischen Kanalnummern wurden den Übertragungsstrecken zugeordnet und sind damit für eine logische Verbindung an beiden Endpunkten gleich. Die Ports werden den Endpunkten (Client,, Proxy) zugeordnet. Diese können aber unterschiedlich sein. In Bild 1 der folgenden Seite verwendet der Teilnehmer A/Client A den Quell- Port 5002 und der erste Proxy A den Port für die betrachtete Kommunikation. In den UDP- Paketen müssen daher immer beide zugeordnete Ports angegeben werden. Im Kopf von UDP steht daher in den Paketen vom Teilnehmer/Client A zum Proxy A der Quell-Port 5002 und der Ziel- Port In den Paketen vom Proxy A zum Client A entsprechend Quell-Port und Ziel- Port Client-A (Anna) Internet -Client-B (Bernd) Aufbau der Verbindung Verbindungsaufbau mit (hier nicht dargestellt) RTCP (Rückmeldung 1) RTCP (Rückmeldung 2) Nutzverbindung/Session RTCP (BYE) RTCP (BYE) Austausch von digitalisierten Sprachinformationen mit RTP-Pakete Rückmeldungen 1 und 2 zur Qualität der Übertragung mit RTCP-Paketen Ende der Verbindung: der logische Kanal wird der RTCP-Nachricht BYE geschlossen PCMA: PCM-Codec (G.711) Abbau der Verbindung Abbau der Verbindung mit (hier nicht dargestellt) Bild 1: Informationsaustausch mit RTP 275

13 -Client-A Internet -Client-B (Bernd) RTP-Sender RTP-Empfänger Zeit Timestamp TS = 40 Sequence Number SN = 1 20 ms Timestamp TS = 200 Sequence Number SN = 2 20 ms +1 RTCP Timestamp TS = ms Timestamp TS = 360 Sequence Number SN = 3 Timestamp TS = 520 Sequence Number SN = 4 t Bild 1: Übertragung mit dem Real-Time Protokoll RTP (nur eine Richtung dargestellt) Bei jedem gesendeten Paket wird der Timestamp TS somit um 160 erhöht. Zusätzlich werden die Pakete mit einer Sequence Number SN durchnummeriert (Bild 1). Echtzeitinformationen, wie Sprache, werden mit dem Real-Time Transport Protocol RTP über einen UDP-Port übertragen. Mit dem Real-Time Control Protocol RTCP werden regelmäßig Rückmeldungen an den Sender gegeben. Diese RTCP-Pakete verwenden den Port der Nutzinformation plus 1 und enthalten auch einen Zeitstempel, der diese Rückmeldungen zeitlich einordnet. 278

14 6.3.9 Aufbau der Verbindungen Elemente für den Aufbau der Verbindung Das Steuerungsprotokoll ist ein Client-- Protokoll, das dem HTTP des World Wide Web sehr ähnlich ist. Der Nachrichtenaustausch erfolgt immer zwischen einem Client, der Anfragen (Requests, im als Methods bezeichnet) generiert und einem, der die Anfragen beantwortet (Responses). Ein Request und die dazugehörige Response wird als Transaction bezeichnet. Die Rollen des Client-s sind nicht von vornherein festgelegt, sondern können im Verlauf einer Verbindung wechseln (Bild 1). Ein -Endsystem besteht immer aus beiden Instanzen, die Client- als auch die -Seite (User-Agent-Client und User-Agent-). Zwischen den Endsystemen sorgen die Proxy- für die Weiterleitung der -Nachrichten innerhalb des Netzes. Der Proxy kann außerdem Funktionen zur Zugangskontrolle, Authentication und Authorization, übernehmen. Erfolgt keine direkte Kopplung, werden die Verbindungen zwischen den Benutzern über den Proxy geführt (Bild 2). Diese vertreten praktisch den Client innerhalb des Netzes (andere Seite des s in Richtung des Benutzers B). Zum Teilnehmer B ergibt sich wieder eine Client/-Kopplung. Beispiel für eine einfache Verbindung Es wird eine einfache Verbindung über zwei - Proxy- betrachtet (Bild 3). 1. Bei einer gehenden Verbindung wird vom - Client A zum zugehörigen -Proxy- A die Anfrage INVITE -Request gesendet. Diese enthält die IP-Zieladresse. 2. Der Proxy- A kennt in diesem ersten Fall die Adresse und sendet die Anfrage (den Request) direkt zum -Proxy- B. 3. Der -Proxy B kennt die aktuelle IP-Adresse des gewünschten Teilnehmers/Endgerätes B und sendet den INVITE -Request zu diesem -Endsystem B. 4. Der gerufene Teilnehmer/Nutzer B nimmt die kommende Verbindung an und sendet eine positive Antwort (OK Response Message) an den Ziel-Proxy B zurück. 5., 6. Diese positive Antwort wird bis zum rufenden Teilnehmer A, -Clint A, zurückgesendet. UAC UAS User Agent A Client Request Response Request Response Bild 1: Client--Protokoll UAC UAS User Agent A Client Request Response Request Response Client Proxy Client -Proxy- Request Response Request Response Bild 2: Client--Kopplung über Proxy Client Client UAC UAS User Agent B UAC UAS User Agent B ist ein Client--Protokoll, ähnlich dem HTTP. Zwischen einem Client und einem werden Anfragen und Antworten ausgetauscht (Request/Response). -Client (/) User Agent A (Anna) -Proxy- A -Proxy- B -Client (/) User Agent B (Bernd) Bild 3: Beispiel für eine einfache Verbindung 290

15 Signalisierung und Nutzdaten Die Signalisierung für den Verbindungsaufbau kann einen anderen Weg durch das Internet nehmen als die spätere Nutzverbindung. Der Verbindungsaufbau mit verwendet das Transportprotokoll TCP und üblicherweise den Port Für die anschließende Übertragung der Nutzinformation wird ein virtueller Kanal geöffnet. Über diesen werden auf einem festgelegten Port mit dem Protokoll UDP die Nutzinformationen ausgetauscht. Beim Verbindungsaufbau wird der Befehl INVITE - Request durch das Netz über eine Anzahl von Proxy bis zum Ziel geleitet (Bild 1). In der INVITE -Nachricht kann über spezielle Parameter die direkte Adresse des Clienten angegeben werden (in SDP, der Parameter Connect c), Bild 1. Dadurch kann der direkte Weg für die Nutz informa tionen zwischen den beiden Clients hergestellt werden (Bild 2). Der direkte Weg wird nach der Bestätigung durch den Rufenden Teilnehmer A/Initiator auch für den weiteren Austausch von Signalisierungsinformationen genutzt (Bild 3). Alternativ kann auch die Führung der Nutzdaten über den Proxy vorgeschrieben werden (Proxy- Zwangsführung). Sinnvoll ist dies beispielsweise für Betreiber großer öffentlicher Netze, um die Übertragungsqualität QoS sicherzustellen, die Verbindungen zu tarifieren oder das legale Abhören nach richterlichem Beschluss zu ermöglichen (Bild 4). -Proxy INVITE -Client A Internet Router Bild 1: Verbindungsaufbau mit -Proxy -Client A Internet RTP Router Bild 2: Nutzung des direkten Weges für Nutzinformation -Proxy -Proxy INVITE -Proxy -Proxy -Telefon -Client B -Telefon -Client B ist ein Client--Protokoll. Zwischen einem Client und einem werden Anfragen und Antworten ausgetauscht (Request/Response). Internet RTP wurde für Anwendungen im Internet definiert (Bild 1 bis 3). Mit NGN wird auf der Basis des Internetprotokolls IP ein vom klassischen Internet getrenntes Netz mit QoS-Eigenschaften und einer hohen Verfügbarkeit definiert. Das Netz mit diesen Eigenschaften wird als Next Generation Network NGN bezeichnet. In einem NGN werden auch die Nutzdaten (RTP- Pakete) über die Netzelemente geführt (Zwangsführung). Aufgaben 1. Beschreiben Sie die wichtigsten Elemente im -Header. 2. Welche Informationen werden im -Body übertragen? 3. Erläutern Sie die Proxy-Zwangsführung. -Client A Router -Telefon -Client B Bild 3: Nutzung des direkten Weges für Nutz- und Steuerinformation -Proxy -Client A RTP Router -Telefon -Client B Bild 4: Zwangsführung der Nutzinformationen über den -Proxy NGN (IP-Basis) -Proxy 291