Vorlesung Rechnernetze 2. Bitübertragung

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1 2. Bitübertragung Prof. Dr. rer. nat. habil. Dr. h. c. Alexander Schill Fakultät Informatik,

2 Schichtenübersicht Anwendungsschicht Transportschicht Vermittlungsschicht Anwendungsschicht Transportschicht Vermittlungsschicht Sicherungsschicht Logical Link Control (LLC) Media Access Control (MAC) Sicherungsschicht Bitübertragungsschicht Kap. 2 Bitübertragungsschicht 2.2

3 1. Nachrichtentechnische Kanäle Aufgabe: Physikalische Bitübertragung mittels Transformation in elektromagnetisches Signal Daten Daten Kanal Signal Störeinflüsse (Rauschen, Echo etc.) 2.3

4 Signalstufen S Kenngrößen Bandbreite B : Breite des Frequenzbereichs eines Kanals, in dem ohne größere Dämpfung übertragen wird Baudrate BR = Signalschritte/s ( Schrittgeschwindigkeit ) [BR]=Bd (Baud) Bitrate b = (übertragene Bits)/s ( Bitrate, Datenrate ) b = BR (Bits pro Signaländerung) b = BR ld(s) (bei S Signalstufen) Beispiel: S = 4 b = 2 BR t 2.4

5 Nyquist-Theorem Nyquist-Theorem (1924): b < 2 B ld S Beispiel: B=3kHz, S=2 (binär) b < 6000 Bit/s Bandbreite: B [B]=Hz Bitrate: b [b]=bit/s Signalstufen: S [S]=1 Erweiterung durch Shannon (1948) für Kanäle mit zufälligem Rauschen b < B ld 1 + SNR Beispiel: B=3 khz, SNR=7 b < 9000 Bit/s (unabhängig davon, wie viele Signalstufen benutzt werden) SNR : Signal-Rauschabstand SNR = Signalleistung Rauschleistung [SNR]=1 Angabe meist logarithmisch: SNR db =10 lg(snr) [SNR db ]=db Kombination: b < min 2 B ld S ; B ld 1 + SNR 2.5

6 Leitungscodes Wie soll Folge von 0en und 1en übertragen werden? NRZ Non-Return-to-Zero 1 =hoher Pegel, 0 =niedriger Pegel Erfordert, dass Sender und Empfänger gleich getaktet sind kein Overhead: Netto-Datenrate = Bitrate Manchester-Codierung Selbsttaktender Code Taktrückgewinnung beim Empfänger hoher Overhead: Netto-Datenrate = ½ Bitrate (doppelte Taktrate bei 0 -Folge durch Pegelwechsel im Intervall) Pegeländerung = 0 keine Pegeländerung = 1 2.6

7 Leitungscodes (2) NRZI Non-Return-to-Zero Inverted Signaländerung bei 1, keine Signaländerung bei 0 Vorteil: hohe Netto-Datenrate Nachteil: Probleme bei langer Folge von Nullen Lösung: 4B/5B-Code o jeweils 4 Bits Daten werden auf 5-Bit-Muster abgebildet 25% Overhead (statt 100% wie bei Manchester) o durch 4B/5B-Code treten niemals mehr als 3 Nullen nacheinander auf 4B 5B 4B 5B

8 2. Übertragungsmedien Elektrische Leitungen Twisted Pair Isolierte Kupferdrähte von 0,4 bis 1 mm Stärke Paarweise verdrillt Reduzierung von Störungen Üblicherweise 4 Paare pro Kabel Mehrere Kilometer Reichweite, mehrere MBit/s, preiswert Signal als Spannungsdifferenz zwischen den 2 Kabeln übertragen Cat 3: nicht abgeschirmtes Twisted Pair (UTP Unshielded Twisted Pair), bis 10 MBit/s Cat 5: gebräuchlichster Kabeltyp für LAN-Verkabelung o 2 Paare für Fast Ethernet (100 MBit/s) o 4 Paare für Gigabit Ethernet (1 GBit/s) Cat 6: für bis zu 10 GBit/s eingeschränkt geeignet Cat 7: für 10 GBit/s geeignet o geschirmtes Twisted Pair (STP Shielded Twisted Pair) o jedes Paar mit Ummantelung 2.8

9 Elektrische Leitungen (2) Koaxialkabel mehrere km, mehrere MBit/s; T-Stecker oder Tap 50-Ohm-Kabel: für digitale Übertragung 75-Ohm-Kabel: für analoge Übertragung und Kabelfernsehen Kabelfernsehen Breitband-Koaxialkabel, häufig mit analoger Übertragung bis ca. 1 GHz; bidirektionaler Ausbau für Internet-Zugang via Kabel Kupfer Isolierung Außenleiter Kopfende Schutzschicht Verstärker 2.9

10 Optische Leitungen und Sichtverbindung Optische Leitungen: Lichtwellenleiter (LWL) / Glasfaser (eigentlich: High-Tech-Material) o bis TBit/s-Bereich, über viele km Entfernung o Monomodefaser: nur eine ausbreitungsfähige Wellenform (keine Interferenz - daher leistungsfähiger, mit Laserdiode, aber auch teurer) o Multimodefaser: verschiedene ausbreitungsfähige Wellenformen; Gradientenfaser: schrittweise Änderung des Brechungsindex LED, Laserdiode Licht (ca.10 8 MHz) Photodiode Sichtverbindung: Infrarotverbindungen (z.b. Laserlink) Richtfunkstrecken Totalreflexion 2.10

11 Satelliten und Zellularfunk Satelliten: Getrennte Aufwärts-/Abwärtsbänder (z. B. 4/6 GHz bzw. 12/14 GHz) Bandbreite von 500 MHz, z.b. in mehrere 50 MBit/s - Kanäle oder 800 digitale Sprachkanäle mit 64 kbit/s aufgeteilt Zuordnung kurzer Zeitabschnitte zu einzelnen Kanälen (Zeitmultiplex) Lange Laufzeiten (ca. 250 bis 300ms) A Transponder B Zellularfunk: Aufteilung eines geographischen Bereichs in Funkzellen mit spezifischen Frequenzbändern Beispiel: GSM (Global System for Mobile Communication)

12 Strukturierte Verkabelung Ziel: Systematische, gut wartbare und erweiterbare Kabelinfrastruktur Trennung in drei wesentliche Bereiche (jeweils sternförmig hierarchisch) Primärebene (weiträumig, zwischen Standorten / Gebäuden etc.) Empfehlung: meist Monomode-Lichtwellenleiter Sekundärebene zwischen Etagen, auch Steigleitungsebene genannt Empfehlung: meist Multimode-Lichtwellenleiter Tertiärebene innerhalb einer Etage zu den Räumen / Arbeitsplätzen Empfehlung: Multimode-Lichtwellenleiter oder Kabel-Kat. 5 bzw. höher, teilweise ergänzt um drahtlose Techniken Tertiär Sekundär Primär 2.12

13 3. Mehrfachnutzung von Kanälen Frequenzmultiplex (Frequency Division Multiplexing, FDM) getrennte Frequenzbänder (mit z.b Hz) und zwischengeschaltete Sperrbänder (mit z.b. 500 Hz) Amplitude Kanal 1 Kanal 2 Kanal f in khz Orthogonales Frequenzmultiplex (Orthogonal FDM, OFDM) Überlagerung der Kanäle ohne Sperrbänder effizienter Empfänger: Trennung der Signale mehrerer Bänder durch schnelle Fourier-Transformation (FFT) Einsatz: WLAN, Kabelnetze, 4G Mobilfunk: LTE (Long Term Evolution) Amplitude Kanal 1 Kanal 2 Kanal f in khz 2.13

14 Mehrfachnutzung von Kanälen (2) Zeitmultiplex (Time Division Multiplex TDM) Zyklische Kanalzuteilung f Kanal 1 Kanal 3 Kanal 2 Kanal 1 t Statistisches Zeitmultiplex flexible Zuteilung nach Bedarf f Kanal 2 Kanal 3 Kanal 3 Kanal 1 t In der Praxis oft Kombination von Frequenz- und Zeitmultiplex (z.b. GSM) 2.14

15 Mehrfachnutzung von Kanälen (3) Codemultiplex (CDM): Dedizierte (Kodierungs-)Codes pro Teilnehmerpaar f (jeder Kanal 1 bis 3 mit eigenem Code zur gleichen Zeit auf der gleichen Frequenz) t Wellenlängenmultiplex (WDM): Variation von Frequenzmultiplex, indem direkte optische Einkopplung mehrerer Lichtwellenleiter (mit Licht unterschiedlicher Wellenlängen) in einen besonders leistungsfähigen Lichtwellenleiter erfolgt entsprechende Wiederauskopplung im Zielsystem W2 W1 W1 W3 W1 W2 W3 W3 2.15

16 Wert- diskret kontinuierlich 4. Datenübertragung - Signalklassen kontinuierlich Zeit- diskret S Eingangssignal S Verlauf nach Abtastung t t S S Verlauf nach Quantisierung t t 2.16

17 Beispiele für Signalklassen Wert- und zeitkontinuierlich: analoges Telefon Wertkontinuierlich, zeitdiskret: Prozesssteuerung mit periodischen Messpunkten Wertdiskret, zeitkontinuierlich: digitale Temperaturanzeige mit beliebigen Signalwechseln Wert- und zeitdiskret: digitale Übertragung mit isochronem Taktmuster (Taktrate konstant); z. B. Sprachübertragung über digitale Kanäle Vorteile der digitalen Übertragung: Speicherbarkeit, Störsicherheit, gute Regenerierbarkeit, Verschlüsselbarkeit, Zeitmultiplex nutzbar 2.17

18 Beispiel: Telefonsystem Digitale Übertragung im Kernnetz; digitale und analoge Teilnehmeranschlüsse Hierarchische Struktur; Begrenzung der Kabelkosten; Dezentralisierung Einsatz von Frequenz- und Zeitmultiplex Ortsvermittlung Fernvermittlung Schema: Zweidraht LWL Telefon Ortsvermittlung Fernvermittlung Fernvermittlung Ortsvermittlung Telefon 2.18

19 Sprachübertragung über digitale Kanäle Analoge Eingangssignale (Sprache) vor Übertragung im Kernnetz zu digitalisieren: Codec (Coder-Decoder) Basis: Abtasttheorem nach Shannon: Abtastfrequenz höher als doppelte Grenzfrequenz des Signals: Amplitude f A > 2 f G Abtastung PCM: Pulse Code Modulation Bsp: Grenzfrequenz (Telefon): 3400 Hz; Abtastfrequenz: 8000 Hz Anschl. Quantisierung mit 256 Intervallen 8 Bit pro Signalwert 64 kbit/s (Datenrate eines Nutzkanals bei ISDN Integrated Services Digital Network) logarithmische Quantisierungsintervalle Quantisierungsfehler begrenzen Kompression durch differentielle PCM bzw. Delta-Modulation t f A : Abtastfrequenz f G : Grenzfrequenz [f]=1/s=hz (Hertz) 2.19

20 Datenübertragung über analoge Kanäle Modem: Übertragung digitaler Signale über analoge Telefonverbindung Problem: Nicht direkt möglich wegen kapazitiver und induktiver Einflüsse Modulation/Tastung auf Sinusträger (z.b Hz bei Telefonie) s t = A sin ω t + φ ; Bitrate bis ca. 56 kbit/s Amplitude Frequenz Phase Binärsignal Amplitudentastung Frequenztastung 0 = niedrige Amplitude 0 = niedrige Frequenz Phasentastung (am störsichersten) t 1 1 Vereinfachte Darstellung; 0 = Phasensprung z.b. um φ=π tatsächlich mehr Schwingungen pro Zeitintervall. 2.20

21 Kombination von Modulationsverfahren Ziel: Deutlich höhere Übertragungsleistung durch gleichzeitige Anwendung mehrerer Verfahren Beispiele: QPSK (Quadrature Phase Shift Keying): Phasensprünge wahlweise um z.b. 0, 90, 180 oder 270 Grad (also 4 Varianten, d.h. 2 Bit pro Signalschritt) QAM 16 (Quadrature Amplitude Modulation, 16 Varianten): Kombination von 4 Phasensprüngen und 4 Amplitudenstufen (d.h. 4 Bit pro Signalschritt) QAM 64 (Quadrature Amplitude Modulation, 64 Varianten): Kombination von 4 Phasensprüngen und 16 Amplitudenstufen (d.h. 6 Bit pro Signalschritt) Einsatz dieser Verfahren insbesondere im Mobilfunk wegen stark begrenzter Bandbreite (Nyquist!), aber auch bei DSL etc. 2.21

22 5. Beispieltechnologien Digital Subscriber Line (DSL) digitaler Netzzugang über herkömmliche Telefonleitungen Datenübertragung und Telefondienst gleichzeitig nutzbar Realisierung durch Nutzung höherer Frequenzbereiche hohe Datenraten, meist asymmetrisch (ADSL) bzgl. Up-/Downlink weitere Varianten: VDSL (Very High Bitrate): nur über kurze Entfernungen SDSL (Symmetric): gleiche Datenrate auf Up-/Downlink DSL-Netzeinheit (DSL Access Multiplexer, DSLAM ) z.b. 20 MBit/s z.b. 1 MBit/s 4 khz analog DSL-Teilnehmer- Einheit (Splitter, Transceiver / DSL-Modem ) Ethernet Netzschnittstelle: LWL zum nächsten Vermittlungsknoten Vorhandenes Kabelpaar (max. ca. 5km; hohe Datenraten bis ca. 1km) Telefon 2.22

23 Digital Subscriber Line (DSL) Signaltrennung (Telefon/Daten) und Modulation (basierend auf QAM): CAS (Carrierless Amplitude / Phase System): erste einfache Variante, feste Kanalzuordnung, klare Schutzabstände, aber wenig flexibel 0-4 khz: Sprache khz: Uplink Data 240 khz ca. 1 MHz: Downlink Data DMT (Discrete Multitone): aktueller Standard, Aufteilung des Frequenzspektrums in 247 zusätzliche Datenkanäle mit je 4 khz Bandbreite, teilweise exklusiv und teilweise kombiniert für Up-/ Downlink genutzt, flexibel und störsicher 0-4 khz: Sprache 8 khz ca. 1 MHz: 247 Kanäle für Up-/Downlink Data 2.23

24 Digitaler Netzzugang über Kabelmodem Signaltrennung zwischen Kabelfernsehen und Daten: Umwidmung einzelner TV-Kanäle in Datenkanäle Rückkanalfähige Verstärker erforderlich Datenraten theoretisch bis ca. 36 MBit/s, aber Shared Medium, d.h. abhängig von der Zahl der Teilnehmer geringere Datenrate Netz Tuner (Signaltrennung) Demodulator Modulator Medium Access Control / CPU Rechner 0 bis ca. 1 GHz: TV-Kanäle zu je 6-8 MHz; teilweise Umwidmung in dedizierte Datenkanäle: Uplink im Bereich bis ca. 65 MHz, Downlink oberhalb 450 MHz 2.24

25 Global System for Mobile Communication (GSM) Festnetze Vermittlungssubsysteme Funksubsysteme OMC Datennetze VLR HLR AuC EIR MS (G)MSC BSC BTS PSTN/ ISDN AuC BSS BSC BTS EIR HLR Call Management Network Management BTS BSS Authentication Centre MS Mobile Station Base Station Subsystem (G)MSC (Gateway) Mobile Switching Centre Base Station Controller OMC Operation and Maintenance Centre Base Transceiver Station PSTN Public Switched Telephone Network Equipment Identity Register VLR Visitor Location Register Home Location Register ISDN Integrated Services Digital Network MS MS 2.25

26 Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) deutlich leistungsfähiger (bis 2 MBit/s); GSM-Datenraten im Vergleich: 9600 Bit/s (Basisdatenrate) bis ca. 100 kbit/s (GPRS: General Packet Radio Service) Paketvermittelte Datenübertragung; daher effiziente Ressourcennutzung Funkzellen von ca. 10m (Gebäude) bis zu einigen km (Land) Durchmesser; somit Anpassung an Nutzerpopulation effizientere Kanalkodierung; zusätzlich zu Frequenz- und Zeitmultiplex auch Einsatz von Code-Multiplex; daher mehr Kanäle gleichzeitig übertragbar neue Dienste (z.b. Videotelefonie) Erweiterungen (HSDPA High Speed Downlink Packet Access) sogar bis ca. 10 MBit/s 2.26

27 LTE LTE = Long Term Evolution rein Paket-basierte Technologie nochmals höhere Datenraten bis zu 300 MBit/s Downlink bis zu 75 MBit/s Uplink FDD (Frequency Division Duplex): getrennte Frequenzblöcke für Uplink und Downlink TDD (Time Division Duplex): ein einzelner Frequenzblock abwechselnd für Uplink und Downlink genutzt nutzt OFDM für bessere Ausnutzung der Frequenzbereiche höhere Datenraten möglich verschiedene Quality-of-Service-Klassen für Voice, Video, Gaming, etc. 2.27

28 weiterführende Referenzen Tanenbaum, Wetherall: Computernetzwerke; Pearson Studium, 2012, Kapitel 2 weiter über Suchbegriff ADSL etc. (guter Überblick zu DSL und seinen Varianten wie HDSL) de.wikipedia.org/wiki/kabelmodem (weitere Erläuterungen und Referenzen zum Thema Kabelmodem) (Hintergründe und Informationen zu UMTS und 3G-Mobilfunk) Vorlesungen aus dem Bereich der Telekommunikation (u. a. Fakultät Elektrotechnik) zur weiteren Vertiefung Vorlesung Mobile Communication und Mobile Computing zur Vertiefung der mobilen Beispieltechnologien 2.28

29 Gliederung 1. Einführung 2. Bitübertragungsschicht 3. Netztechnologien Teil 1 4. Netztechnologien Teil 2 5. Sicherungsschicht 6. Vermittlungsschicht 7. Transportschicht 8. Netzwerkperformance 9. Internetdienste 10. Multimediakommunikation 11. Verteilte Systeme 12. Mobile Computing 2.29