KAPITEL 2.1: NACHRICHTEN- TECHNISCHE GRUNDLAGEN

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1 VSR EDU Vereile und Selbsorganisierende Rechnersyseme Prof. Gaedke Vorlesung Rechnerneze Prof. Dr. Ing. Marin Gaedke Technische Universiä Chemniz Fakulä für Informaik Vereile und Selbsorganisierende Rechnersyseme KAPITEL 2: SIGNALE & BITÜBERTRAGUNG Einleiung Nachrichenechnische Grundlagen Medien und Überragungsverfahren Teilnehmerzugangsneze Vereile und Selbsorganisierende Rechnersyseme Prof. Gaedke Sep. s, 27 Tools for Schools hp://vsr.informaik.u chemniz.de/ Rechnerneze Kapiel 2: Signale & Biüberragung 29 Einführung Modell eines einfachen Überragungssysems Aufgaben der Biüberragungsschich (Schich ) unerse Schich im ISO/OSI-Modell siz direk auf dem physikalischen Medium (z.b. Kabel) ungesichere Verbindung zwischen Sysemen Überragung unsrukurierer Bifolgen über physikalisches Medium umfass u.a. physikalischen Anschluss, Umsezung Daen Signale Normung vor allem der physikalischen Schniselle Rechner/Medien Beispiel: Serielle Schniselle (RS-232C bzw. V.24) Quelle Umformer S Primäres Signal Eingabesignal Nachrich Nachrichenechnischer Kanal Physikalisches Medium Primäres Signal Ausgabesignal Senke Rückformer Schich 2 Schich S Sörquelle Rechnerneze Kapiel 2: Signale & Biüberragung 3 Rechnerneze Kapiel 2: Signale & Biüberragung 3

2 Überragungssysem: Beispiel Fernsprechnez Vereile und Selbsorganisierende Rechnersyseme Prof. Gaedke Quelle Umformer Mikrofon Primärsignal Physikalisches Medium Überragungssignal Rückformer Lausprecher Primärsignal Senke Primärsignal (hier akusisch) wird durch Umformer in ein elekrisches (hier analoges oder digiales) Signal umgewandel. KAPITEL 2.: NACHRICHTEN- TECHNISCHE GRUNDLAGEN Verbindungslos/-orienier Signale und Daen Digiale Signalverarbeiung Mehrfachnuzung von Medien Das Überragungssignal kann elekrisch oder auch opisch sein. Rechnerneze Kapiel 2: Signale & Biüberragung Signale und ihre Parameer Signalklassen Signalparameer Diejenigen physikalischen Kenngrößen eines Signals, deren Wer oder Wereverlauf die Daen repräsenieren. Bei orsabhängigen Signalen sind Were des Signalparameers Funkion des Ores, z.b. des Speichermediums wie CD/DVD. Bei zeiabhängigen Signalen sind Were des Signalparameers S Funkion der Zei S = S(). Grundsaz: Jedes orsabhängige Signal is in zeiabhängiges Signal überführbar ( Lesen, Abasen) und umgekehr ( Schreiben, Aufzeichnen) In dieser Vorlesung werden ausschließlich zeiabhängige Signale behandel! Generische Eineilung zeiabhängiger Signale in vier Klassen: zeikoninuierliche, signalwerkoninuierliche Signale zeidiskree, signalwerkoninuierliche Signale zeikoninuierliche, signalwerdiskree Signale zeidiskree, signalwerdiskree Signale koninuierlich diskre S() S() (Signal-) Werkoninuierlich Analoges Signal Bsp.: Telefon Bsp.: digi. Überr. ( Tür auf/zu ) mi beliebigen Signalwechseln Zei- S() diskre Bsp.: periodische Temp.-Messung S() Digiales Signal Bsp.: digiale Überragung mi fesem (meis isochronem) Takraser 34 35

3 Periodische und digiale Signale Zusammengeseze Signale Kenngrößen periodischer Signale: Periode T, Frequenz /T, Ampliude S(), Phase S() Beispiele: Sinus-Schwingung Komponene mi niedriger Frequenz (fese Ampliude) T n T Phasendifferenz S() Komponene mi hoher Frequenz (fese Ampliude) Recheck-Schwingung (zeidiskre idealisier ) S() 2 Zusammengesezes Sprachsignal mi gemischen Frequenzen und Ampliuden Zeidarsellung/Frequenzdarsellung Periodische Signale: Fourier-Analyse Zeifunkion (Zeidarsellung): Die Zeifunkion is eine Zuordnung von Signalwer und Zei Frequenzfunkion (Frequenzgang, Spekrum): s() Die Frequenzfunkion is eine Zuordnung von Weren sinusförmiger Signale und der Frequenz /2 2 T=/f f=/t Übergang zwischen Zei- und Frequenzfunkion Phasen-Frequenzgang S(f) f Frequenz Ampliuden-Frequenzgang f Frequenz 38 Jede periodische Funkion kann durch die Summe von Sinus- und Kosinusfunkionen dargesell werden (Fourier-Reihe) g( ) c 2 n n a sin(2 nf) n n b cos(2 nf) mi f Grundfrequenz, a n und b n Ampliuden von Sinus bzw. Kosinus der n-en Harmonischen, c Gleichsromaneil alle Signale kann man sich so zerleg in der Überragung vorsellen ideales Signal reale Zerlegung 39

4 Überragungssysem: physikalisches Medium Überragungssys.: Signalüberragung & Verzerrung Verwendung eines physikalischen Mediums zur Überragung von Nachrichen. Quelle x() Umformer x'() Nachrich Medium y'() z'() Sörquelle Senke y() Rückformer nachrichenechnischer Kanal / Überragungskanal Primärsignale x(), y(): quellen-/senkenbezogene physikalische Größen. Signale x'(), y'(), z'(): leiungsbezogene physikalische Größen. Physikalisches Medium, z.b. elekrische Leiung: y'() = F(x'();z'()) y () = F(x (), z ()) mi x (): Eingabesignal y (): Ausgabesignal z (): Söreinfluss Dämpfung [db] nuzbares Frequenzband Bandbreie x () Frequenz [Hz] z () Dämpfungsverzerrung Ampliudenschwund Ampliudensprünge x () Dämpfung y () Laufzei Laufzeiverzerrung Frequenzverwerfung Phasenschwankungen (Jier) 4 4 Bandbegrenzes Medium Frequenzspekrum eines Signals Ausgangssiuaion Signalranspormedien bzw. Überragungssyseme überragen ses nur ein endliches Frequenzband Dämpfung [db] Abschneidefrequenzen Bandbreie Frequenz [khz] Bandbreie von Überragungswegen Bandbreie in Hz: Frequenzbereich, der über ein Medium (einschließlich der im Überragungssysem enhalenen Filer, Versärker usw.) überragen werden kann Bandbreie ergib sich aus der Differenz der höchsen und niedrigsen überragbaren Frequenzen Wegen nich-idealer Bandbegrenzungen Feslegung von Abschneidefrequenzen Signale müssen an die Überragungs-charakerisik des Mediums angepass werden. 42 Bandbegrenzes Signal: Signale können ein naürlich begrenzes Frequenzspekrum umfassen oder durch echnische Miel auf einen Ausschni ihres Spekrums begrenz werden (Bandbreie) Beispiel: ITU-Sandardelefonkanal Koninuierliches Frequenzspekrum der menschlichen Simme Energie [db] Hz 3 Hz 3.4 Hz Frequenz [Hz] 43

5 Bandbreie und digiales Signal Bicode: Schrifrequenz 2 Schrie/s Bandbreie 5 Hz Bandbreie 9 Hz Bandbreie 3 Hz Bandbreie 7 Hz /4 s Ideal, würde aber unendliche Bandbreie benöigen! nur. Harmonische.+2. Harmonische.-3. Harmonische.-4. Harmonische Bandbreie 2 Hz.-5. Harmonische Min. Bandbreie für Überragung einer bel. Bifolge mi besimmer Schrifrequenz nöig genaue Berechnung der min. Bandbreie nach den Formeln von Shannon/Nyquis Digiale Signalüberragung Begriffe Schri Signal Takraser s Schrigeschwindigkei: 7 baud Minimales Zeiinervall T min zwischen aufeinanderfolgenden Änderungen der Signalkoordinae Dieses Inervall wird auch als Schridauer bezeichne Wichig: Digiales Signal mi feser Schridauer T ( Schri-Tak ) Schrigeschwindigkei (Anzahl der Signalschrie pro Zeieinhei) Bei Digialsignalen mi fesen Zeiraser: Kehrwer der Schridauer Einhei: baud = /s Mehrweriges Digialsignal Beispiel Ausbreiungsgeschwindigkei von Daen Zweiweriges Signal Digiales Signal mi nur zwei Weren des Signalparameers Mehrweriges Signal Die (diskree) Signalkoordinae kann mehr als zwei Were annehmen Beispiel: DIBIT: zwei Bi pro Koordinaenwer (quaernäres Signal) Signalsufen (Ampliudenwere) quaernäre Codefolge Schri 46 Opimum: Lichgeschwindigkei (c = 3 8 m/s) im Vakuum Ausbreiungsgeschwindigkei auf Leiungen < Lichgeschwindigkei Näherungsweise,6 c Speicherkapaziä des Mediums durch begrenze Ausbreiungsgeschwindigkei wird auch als Pfadkapaziä bezeichne Beispiel: Daenüberragung vom MIT nach Berkeley: Srecke: 5. km; Signallaufzei: 5.km / 2 8 m/s 25ms Bei einer Überragungsrae von 64 kbi/s:.6 bi Speicherkapaziä Bei einer Überragungsrae von 2 Mbi/s: 5. bi Speicherkapaziä 47

6 Söreinflüsse Beispiel: Auswirkung von Sörungen Die bisher behandelen Kenngrößen sellen medienbedinge Abweichungen dar Zusäzlich können Sörungen aufreen, die das Signal beeinflussen Daen Signal Beispiel für Söreinflüsse: Weißes Rauschen (Grundsöraneil) Echobildung (durch zeiverschobenes Eingabesignal) Nebensprechen (gegenseiige Medienbeeinflussung) Brummsignale (niederfrequene Sörsignale) Sörimpulse (kurzzeiig mi hoher Ampliude) 48 Sörung Signal mi Sörung Abaszeipunk empfangene Daen Originaldaen Fehler! 49 Nyquis- und Abasheorem Shannon-Theorem H. Nyquis (924): Max. Daenrae (Kanalkapaziä) für einen rauschfreien Kanal mi lediglich eingeschränker Bandbreie. B: Bandbreie des Kanals n: Anzahl diskreer Signalsufen Maximale Daenrae [bi/s] = 2 B ld n Abasheorem von Shannon und Raabe: Die Abasfrequenz f A muss mindesens zweimal so hoch wie die Grenzfrequenz f Grenz sein. f A > 2 * f Grenz C.E. Shannon (948): Max. Daenrae für Kanal mi zufälligem (hermischem) Rauschen. Gib eine obere Grenze für die auf einer Daenleiung erzielbare Daenrae in Abhängigkei des Signal-Rausch-Absandes (Signal-Noise-Raio, SNR) Maximale Daenrae [bi/s] = B ld ( + S/N) B: Bandbreie des Kanals S/N: Signal-Rauschabsand, wobei Dämpfung D [db] = log (S/N) (Signalenergie / Rauschenergie) Beispiel: Kanal mi Bandbreie 3 Hz, binäre Kodierung, Dämpfung 3 db Nyquis: Daenrae = (2 * 3 * ld 2) bi/s = 6 bi/s Shannon: Daenrae = 3 * ld ( + ) 3 bi/s [ S/N = = 3, da 3 db = log (S/N) ] Daenrae maximal 6 bi/s 5 52

7 Analog/Digial-Wandlung Quanisierung Grundprinzipien der A/D-Wandlung: ) Abasung: Auslesen des Signalweres zu diskreen Zeipunken 2) Quanisierung: Umwandlung des Abasweres in diskreen Wer durch Abbildung auf sog. Quanisierungsinervall der Größe a Quanisierungsfehler max. a/2 abgeaseer Wer a/2 a/2 Beispiel: Pulse Code Modulaion (PCM) Grenzfrequenz: 3.4 Hz Abasfrequenz: 8. Hz (> 6.8 Hz nach Shannon-Raabe) Kodierung: 8 Bi (256 Quanisierungsinervalle, ungleichförmig) Daenrae: 8. Hz 8 Bi = 64. bi/s = 64 kbi/s Wichig: kbi sind immer. bi, nich.24 bi!!! Quanisierungsinervall i 53 Gleichförmige Quanisierung: Alle Quanisierungsinervalle gleich groß Quanisierungsfehler sehr sark bemerkbar, of Quanisierungsrauschen Ungleichförmige Quanisierung: Bei großer Signalampliude ( lau ) sind die Quanisierungsinervalle größer, bei kleinen Ampliuden ( leise ) kleiner 54 3-Segmen Kompressorlinie von PCM (2) Überragungsverfahren und Umformung Europäischer Sandard: A-Law, USA/Japan: -Law Insgesam 6 Segmene; Kennlinie besiz in den inneren vier Segmenen die gleiche Seigung (Segmene gleicher Größe), deshalb 3-Segmen-Kennlinie 8-Bi-Kodierung der Quanisierungsinervalle: P (Polariä, höchses Bi), S (Segmencode, 3 Bi) und Q (Quanisierungscode, 4 Bi) Quanisierungsinervall 28 ha somi die Codierung, welches bis Quanisierungsinervall auf herunergezähl wird Zur Überragung erforderlich: Umformung des primären Quellsignals in das Eingabesignal des Mediums Rückformung des Ausgabesignals in das primäre Senkensignal Bei digialen Kanälen wird im Wesenlichen unerschieden zwischen: Basisbandüberragung: Digiale elekrische Überragung, bei der das zu überragende Signal direk auf das Medium gelang. Das Signal beanspruch bei diesem Verfahren die gesame Bandbreie des Mediums Breibandüberragung: Die Bandbreie eines Mediums wird in verschiedene Kanäle aufgeeil (vgl. Frequenz-/Zeimuliplex) Nuzung der unerschiedlichen Kanäle durch Aufprägung des Quellsignals auf harmonische Trägerschwingung, Umformung digial analog: Ampliudenasung (Ampliudenmodulaion) Frequenzasung (Frequenzmodulaion) Phasenasung (Phasenmodulaion) 56 57

8 Basisbandüberragung Basisbandüberragung - Beispiel Primäres Signal Umformer: Versärker Regeneraor Überragungssignal in Leiungscodierung Einfaches Verfahren (Folge von Recheckspannungen) Man unerscheide Einfachsrom (z.b. = V, = 5V) und Doppelsrom-Verfahren (z.b. = -5V, = 5V) Primäres Signal muss an Mediencharakerisik angepass werden Umformung digial digial Leiungscodierung = Die Abbildungsvorschrif, wie das digiale Primärsignal auf das digiale Überragungssignal abgebilde wird. Angesrebe Eigenschafen einer Leiungscodierung: Eliminierung des Gleichsromaneils Wiedergewinnung des Taks aus dem Signal (selbsakender Signalcode) Erkennung von Signalfehlern auf Signalebene Beispiel: Mancheser Codierung (z.b. Eherne) Doppelsromverfahren Jedes zu überragene Bi wird in 2 Überragungsschrie gleicher Dauer aufgeeil = High - Low +.85V = Low - High V Mancheser-Kodierung -.85V Ampliudenmodulaion Frequenzmodulaion Primäres Signal Oszillaor Überragungssignal Primäres Signal Oszillaor Oszillaor 2 Überragungssignal Trägerfrequenz (TF) Überragung miels Basisbandüberragung nich möglich Primäres Signal wird durch Ampliudenveränderung auf Trägersignal modulier. Ampliudenmodulaion is sehr söranfällig. Erkennung langer Folgen von erforder sabile Takgeneraoren Trägerfrequenz (TF ) Trägerfrequenz 2 (TF 2 ) Primäres Signal wird durch geziele Änderung der Trägerfrequenz modulier. Frequenzmodulaion is das uner anderem auch bei UKW- Rundfunk eingeseze Modulaionsverfahren. 6 6

9 Phasenmodulaion Quadraur-Ampliuden-Modulaion (QAM) Primäres Signal Verzögerung Oszillaor Überragungssignal Trägerfrequenz (TF) Primäres Signal wird miels gezieler Phasensprünge des Trägersignals modulier CCITT-Empfehlung V.: = Phasendrehung um 8 = keine Phasendrehung Phasenmodulaion is das bese, aber auch aufwendigse Verfahren. 62 Kombinaion aus Ampliuden- und Phasenmodulaion Gleichzeiige Überragung von mehreren Bis pro Überragungsschri Verwendung von mehreren Ampliuden und Phasenzusänden bis zu Bi pro Schri überragbar (24 Zusände) Söranfälligkei seig mi Anzahl der zu überragenden Bis pro Schri! Beispiel: 2 Ampliuden, 8 Phasen 6 Zusände = 4 Bi Bsp.: Bifehler durch fehlerhafe Synchronisaion Wesenlich für eine fehlerfreie Überragung sind korrek synchronisiere Sender und Empfänger Ungenaue Abaszeipunke können u.u. zu sporadischen Bifehlern führen, obwohl die Signalfolge korrek überragen wurde Falsch synchronisiere Sender und Empfänger führen häufig zu einer vollsändig falsch inerpreieren Bifolge! KAPITEL 2.2: MEHRFACH- NUTZUNG VON MEDIEN Muliplexverfahren PCM 3 Vereile und Selbsorganisierende Rechnersyseme Prof. Gaedke Signalausbreiung Signal Takraser Abaszeipunk 64 Rechnerneze Kapiel 2: Signale & Biüberragung Mehrfachnuzung von Medien 65

10 Mehrfachnuzung von Medien (I) Mehrfachnuzung von Medien (II) Raummuliplex ( Kupfermuliplex ) Frequenzmuliplex Bündelung von Adern(paaren) Frequenzband A B C D B A D A Aufeilung in Teilbänder Zei Zeimuliplex Frequenzband A B C D B A D A A B Rechnerneze Kapiel 2: Signale & Biüberragung Mehrfachnuzung von Medien Aufeilung in Zeischlize Zei 66 Wellenlängenmuliplex (Sonderform Frequenzmuliplex) Überragung unerschiedlicher Wellenlängen ( Farben ) über eine Glasfaser momenan bis zu 8 verschiedene Wellenlängen möglich speziell geeigne für Weiverkehrsneze innerhalb einer Wellenlänge Zeimuliplexverfahren möglich derzei Daenraen von 8 GBi/s pro Wellenlänge erreichbar, was heoreisch 6,4 TBi/s pro Faser ensprich Rechnerneze Kapiel 2: Signale & Biüberragung Mehrfachnuzung von Medien 67 Mehrfachnuzung von Medien (III) Beispiel für sarres Zeimuliplex: PCM 3 Codemuliplex: Kanal- Nr. Frequenz Zei rel. neue Technik für drahlose Neze (ursprüngl. v.a. miliärische Nuzung) alle Kanäle nuzen gleiches Frequenzband Trennung der Kanäle durch spezielle Codes (jeder Kanal besiz anderen Code) Schuzabsand zwischen Kanälen = Absand zwischen Codes Beispiel aus dem Allag: Gesprächssiuaion (z.b. Pary) mi vielen Teilnehmern unerschiedlicher Naionaliä Technische Realisierung durch Bandspreizverfahren K K2 K3 PCM is auch ein sarres Zeimux-Verfahren für die Fernüberragung Srukur eines PCM-3-Kanalgrundsysems der Deuschen Telekom AG Gesame Rahmenlänge: 25 s ( Pulsrahmen ) Verschachelungsgrad: 32 Kanäle, jeweils 8 Bi in 3,9 s Basisbandüberragung mi Leiungskodierung HDB-3 (gleichsromfrei, selbsakend) - HDB: High Densiy Bipolar Zeiabschni Nummer Rahmenkennungswor oder Meldewor Kennzeichenüberragung Codiere Fernsprechsignale bis 5 25µs 8 Bi in 3,9 s Codiere Fernsprechsignale 6 bis 3 Rechnerneze Kapiel 2: Signale & Biüberragung Mehrfachnuzung von Medien 68 Rechnerneze Kapiel 2: Signale & Biüberragung Mehrfachnuzung von Medien 69

11 Vereile und Selbsorganisierende Rechnersyseme Prof. Gaedke Modem KAPITEL 2.3: TEILNEHMERZUGANGSNETZE Modems DSL Modem = Modulaor/Demodulaor Modems basieren ursprünglich auf der klassischen Teilnehmeranschlussleiung des Fernsprechnezes Endgerä (z.b. PC) Seuer-/ Meldeeil Leiungsanschalung Modulaionseil Nez Leiungsanschalung: Signalechnische (Sende- und Empfangs-) Versärkung der zu überragenen Signale Modulaionseil: Modulaion/Demodulaion (z.b. Ampliude, Frequenz,...) Seuer-/Meldeeil: Analyse der vom Nez kommenden Dienssignale, An/- Abschalung des Modems an Seuerfunkionen (z.b. Beriebs-, Sendebereischaf, Ankommender Ruf) Rechnerneze Kapiel 2: Signale & Biüberragung Teilnehmerzugangsneze 7 Rechnerneze Kapiel 2: Signale & Biüberragung Teilnehmerzugangsneze 7 Beispiel: V.2-Modem Beispiel: V.34-Modem Kennzeichen: Nuzung des ITU-Sandard-Telefonkanals (3-34 Hz) Überragungsgeschwindigkei bis 3 bi/s Vollduplex-Berieb durch Parallelberieb beider Überragungsrichungen in zwei Frequenzlagen (fm= 8 Hz, fm2= 75 Hz, Frequenzhub ± Hz, ) Kanalbelegung: Kanal A: Verbindung aufbauendes Modem Kanal B: angerufenes Modem (schale sich bei Ruf auomaisch um) Sendedaen Empfangdaen f Z = 98 Hz fm = 8 Hz f A = 8 Hz Sprachkanal 3, khz f Z2 = 65 Hz fm 2 = 75 Hz f A2 = 85 Hz Echosperre f E = 2 Hz Überragungsrae: bis 33.6 kbi/s Technik: QAM mi bis zu 96 Zusänden Echokompensaion für Vollduplexüberragung Rechnerneze Kapiel 2: Signale & Biüberragung Teilnehmerzugangsneze 72 Rechnerneze Kapiel 2: Signale & Biüberragung Teilnehmerzugangsneze 73

12 Beispiel: V.9-Modem Daenüberragung über Telefonleiungen: DSL Eigenschafen: ITU-Sandard sei Sepember 998 Downsream bis zu 56 kbi/s (PCM, Provider zu Modem) Upsream bis zu 33,6 kbi/s (QAM, Modem zu Provider) Technik: V.9-Modem 33 kbi/s Voraussezung: durchgehend digiale Nezechnik des Providers 56 kbi/s PCM-Signale von Vermilungsselle Modem (256 Signalpegel, 8 Hz) heor. 64 kbi/s möglich, in der Praxis 56 kbi/s, wg. geringer Absände nich alle Signalpegel nuzbar (vgl. 3-Segmen-Kompressorkennlinie) QAM (V.34) mi 96 Zusänden von Modem Vermilungsselle Biraen abhängig von Leiungsqualiä Tesen der Leiung (Line probing) Aufwändige Echokompensaion ermöglich Vollduplexüberragung Vs DSL = Digial Subscriber Line ( Digiale Teilnehmeranschlussleiung ) Eigenschafen & Ziele: Hochraige, digiale Daenüberragung zwischen Teilnehmern und Vermilungssellen über insalliere Kupferadern des Telefonnezes (2-adrig, Twised Pair) Überragungsraen im Bereich von Mbi/s Koexisenz von DSL und besehendem Telefonsysem (Analoges Telefonnez (Plain Old Telephone Sysem, POTS) und ISDN) Grundidee: Ausnuzung der gesamen Bandbreie des Überragungsmediums (ca., Mhz) ansa des beschränken Telefonkanals (3 Hz bei POTS) xdsl = Realisierungen der DSL-Technik Unerschiedliche DSL-Varianen für verschiedense Einsazgebiee z.b. ADSL, HDSL, VDSL, RADSL,... Rechnerneze Kapiel 2: Signale & Biüberragung Teilnehmerzugangsneze 74 Rechnerneze Kapiel 2: Signale & Biüberragung Teilnehmerzugangsneze 75 xdsl: Technologien (I) xdsl: Technologien (II) ADSL (Asymmeric Digial Subscriber Line): Grundprinzip: Hohe Birae zum Teilnehmer, niedrigere Birae vom Teilnehmer Daenraen: max. 8 Mbi/s Downsream (je nach Enfernung und Leiungsqualiä) max. 64 kbi/s Upsream (je nach Enfernung und Leiungsqualiä) Reichweie: in der Praxis 5-6m Deuschland: durchschniliche Länge einer Teilnehmeranschlussleiung: 2km Besonders für Video-on-demand und Inerne-Zugang Begriffe: Downsream: vom Server über das Nezwerk zum Diensnehmer (Kunden) Upsream: vom Diensnehmer (Kunden) über das Nezwerk zum Server HDSL (High Birae DSL):,5 Mbi/s über Vierdrah-Leiung RADSL (Rae Adapive DSL): 2,2 Mbi/s Vorwärskanal (downsream), Mbi/s Rückkanal (upsream) SDSL (Symmeric DSL): HDSL über Zweidrah-Leiung, 76 kbi/s VDSL (Very High Bi Rae DSL): 3-52 Mbi/s downsream, bis 6 Mbi/s Rückkanal upsream T-DSL (Sand ca. 22): ADSL-Angebo der Deuschen Telekom 768 kbi/s downsream, 28 kbi/s upsream (Privakunden),5-6 Mbi/s downsream, kbi/s upsream (Geschäfskunden) Und heue? Akuelle Zahlen solle man kennen. Rechnerneze Kapiel 2: Signale & Biüberragung Teilnehmerzugangsneze 76 Rechnerneze Kapiel 2: Signale & Biüberragung Teilnehmerzugangsneze 77

13 Birae zum Diensnehmer ADSL: Beispielszenario Birae (Mbi/s) MBi/s VDSL 26 MBi/s 3 MBi/s ADSL 6 MBi/s RADSL.5 MBi/s,5,,5 2, 2,5 3, 3,5 4, 4,5 5, 5,5 6, Enfernung in km ADSL-Modem (NTBBA) PC mi BaseT max. 2m TAE- Dose max. 5-6 km ISDN-Splier (BBAE) ISDN NTBA DSL Access ATM-Swich Muliplexer (DSLAM) in Vs ISDN- Nezabschluss ISDN- Telefon Analog- Telefon ATM- Backbone (z.b. Telekom) Inerne Rechnerneze Kapiel 2: Signale & Biüberragung Teilnehmerzugangsneze 78 Rechnerneze Kapiel 2: Signale & Biüberragung Teilnehmerzugangsneze 79 Vereile und Selbsorganisierende Rechnersyseme Prof. Gaedke KAPITEL 3: KOMMUNIKATIONS- MODELLE Grundlegende Begriffe Telemaik Daen, Informaion, Kommunikaion Diense & Prookolle Diens, Diensnehmer, Dienserbringer Prookoll, Prookolldaeneinheien Verfahren zur Beschreibung 8 Rechnerneze Kapiel 3: Kommunikaions Modelle 8

14 Der Begriff Telemaik Teilgebie der Informaik, das sich mi der Kommunikaion über räumliche Enfernungen miels echnischer Miel befass. Telemaik (engere Bedeuung): Tele kommunikaioninfor maik Gegenüber Sandardelefondiens forgeschriene Telekommunikaionsdiense meis in Verbindung mi digialer Nezechnik. (z.b. Telefax, Online Diense, Mehrwerdiense) Telemaik (in Verbindung mi Anwendungen): Telemaik im Verkehrswesen (Verkehrselemaik): rechner- und kommunikaionsgesüze Verkehrsleisyseme Telemaik in der Medizin (Telemedizin): Ferndiagnose, Paienenüberwachung, Tele-Chirurgie Der Begriff Kommunikaion Kommunikaion (Bedeuung allgemein und vereinfach): Mieilung von Informaionen zum Ausausch von Wissen zwischen menschlichen Kommunikaionsparnern. Telekommunikaion (Verwendung des Begriffes in der Vorlesung): Auch: Daenkommunikaion / Daenüberragung / Informaionsüberragung / (oder kurz:) Kommunikaion Telekommunikaion is der Oberbegriff für alle Mehoden, die den Ausausch von Informaionen miels immaerieller Träger über eine gewisse Disanz zwischen Sender und Empfänger(n) ermöglichen. immaerielle Träger: Energieflüsse, meis elekrische Sröme, elekromagneische Wellen Gegensaz: maerieller Daenranspor (z.b. Brief, CD-/Diskeenversand) Rechnerneze Kapiel 3: Kommunikaions Modelle 82 Rechnerneze Kapiel 3: Kommunikaions Modelle 83 Grundmodell der Telekommunikaion Charakerisierung von Diensen Sender Nachrich Medium räumliche Disanz Teilnehmer agieren als Sender oder Empfänger. Empfänger Die Diensnuzung durch Teilnehmer erfolg an einer speziellen Diensschniselle uner Nuzung eines Dienszugangspunks. Durch das Medium wird die räumliche Disanz überbrück. Ein Diensnehmer nimm einen Diens in Anspruch. Der Diens wird von einem Dienserbringer angeboen. Ein Diens wird im Rahmen einer Diensleisung erbrach, die ihrerseis unerschiedliche Eigenschafen (z.b. besäig, unbesäig) aufweis. Eine Diensleisung umfass somi die Abwicklung eines Aufrags, welcher im Rahmen des Dienses spezifizier is. Dienserbringer Diensleisung Diensnehmer Diensschniselle Dienszugangspunk Rechnerneze Kapiel 3: Kommunikaions Modelle 84 Rechnerneze Kapiel 3: Kommunikaions Modelle 85

15 Diensqualiä Charakerisierung eines Prookolls Nich nur Funkionaliä, sondern auch Qualiäsparameer sind maßgeblich für Kommunikaionsdiense Qualiäsparameer lassen sich grob fünf Haupaspeken zuordnen: Angemessenhei Eignung des Dienses für das vorgesehene Einsazgebie Technische Leisung z.b. Laufzei, Anworzei, Sende- und Empfangsrae, Durchsaz Kosen Invesiions- und Beriebskosen zur Erbringung des Dienses Zuverlässigkei Verhinderung von sörenden Einflüssen Schuz Verhinderung von bewussen Eingriffen Ein Kommunikaionsprookoll beschreib einen Saz von Regeln, nach denen die Kommunikaion zwischen zwei oder mehreren Beeiligen abgewickel werden muss. Kommunikaionsprookolle z.b. Diskussionsrunde, Gespräch Rechnerkommunikaionsprookolle z.b. Daeiransfer, elekronische Pos OSI - Prookolle TCP/IP - Prookolle Rechnerneze Kapiel 3: Kommunikaions Modelle 86 Rechnerneze Kapiel 3: Kommunikaions Modelle 87 Diens und Prookoll Übersich Beispiel: Suche im Nez Benuzer (Diensnehmer) Daenbank-Server (Diensnehmer2) Diensnehmer Diensnehmer 2 Diens Diens Selle Anfrage Dienserbringer Prookoll Dienserbringer 2 Schicke Anwor Nework Rechnerneze Kapiel 3: Kommunikaions Modelle 88 Rechnerneze Kapiel 3: Kommunikaions Modelle 89

16 Horizonale und verikale Kommunikaion Das Telekommunikaionssysem Benuzer (Diensnehmer) Daenbank-Server (Diensnehmer2) Diensnehmer: Sender Diensnehmer: Empfänger Telekommunikaionssysem Selle Anfrage Sare Suche; Erzeuge Anwor Insanz n Schich n Insanz n Verikale Kommunikaion Verikale Kommunikaion Insanz n-... Schich n- Insanz n-... Insanz Schich Insanz Überrage Daen Horizonale Kommunikaion Rechnerneze Kapiel 3: Kommunikaions Modelle 9 Physikalisches Medium Eine Schich biee der darüber liegenden einen Diens an. Der Diens wird durch das Zusammenwirken der Schichinsanzen gemäß einem spezifizieren Prookoll erbrach. Rechnerneze Kapiel 3: Kommunikaions Modelle 9 Logische Archiekur: ISO/OSI Basisreferenzmodell Kommunikaion innerhalb/zwischen OSISysemen Inernaional Organizaion for Sandardizaion (ISO) Open Sysem Inerconnecion (OSI) Anwendungsprozesse [7] Anwendungskommunikaion [6] Darsellung [5] Kommunikaionsseuerung [4] Transpor [3] Vermilung Prookollinsanz [2] Sicherung Dienszugangspunk [] Biüberragung Anwendungsbezug Transporsysem (echnische Aspeke) (N)-Diense (N-)-Diense (N)-Insanz (N)-IDU (N-)-IDU (N+)-Schich Prookoll (N)-PDU (N-)-Schich (N)-IDU (N-)-IDU (N)-Insanz (N)-Diense (N-)-Diense Rechnerneze Kapiel 3: Kommunikaions Modelle 92 Rechnerneze Kapiel 3: Kommunikaions Modelle 93

17 Zusammenspiel der Schichen im Bild Beispiel: Übermieln einer X.4 Mail mi ISO/OSI (N+)-Schich (N)-Schich (N)-IDU Benuzer am Mailprogrammm Verschicken einer (X.4) Senden von MHS-PDUs Mail- Server (N)-PCI (N)-SDU (N)-ICI Darsellungsforma Dialogseuerung (N)-PDU (N )-PCI (N)-SDU (N-)-ICI Ende-zu-Ende Daenranspor Wegewahl Sicherung (N-)-Schich (N-)-IDU Physikalische Überragung (N-)-SDU (N-)-ICI *MHS - Message Handling Sysem Rechnerneze Kapiel 3: Kommunikaions Modelle 94 Rechnerneze Kapiel 3: Kommunikaions Modelle 98 Einkapselung von Daen nach ISO/OSI Vereile und Selbsorganisierende Rechnersyseme Prof. Gaedke AH Applicaion Header PH Presenaion Header SH Session Header TH Transpor Header Kommunikaionsseuerungsschich Darsellungsschich Anwendungsschich Transporschich NH Nework Header DLH Daa Link Header DLT Daa Link Trailer Senden TH SH PH AH Daen Daeneinhei Daeneinhei Daeneinhei Daen Empfangen Kommunikaionsseuerungsschich Darsellungsschich Anwendungsschich Transporschich KAPITEL 3.: DIENSTE & PROTOKOLLE Diensmodell und Diensprimiive Beschreibungsmehoden Kommunikaionsformen Vermilungsschich NH Daeneinhei Vermilungsschich Sicherungsschich DLH Daeneinhei DLT Sicherungsschich Biüberragungsschich Bis Biüberragungsschich Rechnerneze Kapiel 3: Kommunikaions Modelle 99 Rechnerneze Kapiel 3: Kommunikaions Modelle Diense & Prookolle

18 Diensmodell Diensprimiive (nach ISO/OSI) Diensnehmer I i+ Diensschniselle D i Diensnehmer I i+ 2 Schnisellenereignisse (Diensprimiive PRV) Absrakes Medium M i Diensnehmer I i+ n- Rechnerneze Kapiel 3: Kommunikaions Modelle Diense & Prookolle Diensnehmer I i+ n Dienszugangspunk (Service Access Poin SAP) 2 Die Benennung eines Diensprimiivs beseh aus folgenden Komponenen: Name Schich/Anwendung Diensleisung Diensgrundyp Physical (Ph) Daa Link (DL) Nework (N) Transpor (T) X.4... Connec (Con) Daa (Da) Release (Rel) Abor (Abo) Provider Abor (PAbo) Disconnec (Dis)... Reques (Req) Indicaion (Ind) Response (Rsp) Confirmaion (Cnf) Beispiel: T-Con.Req(Adressen) = Verbindungsaufbauanforderung an der Schniselle zum Transpordiens T-Con.Ind = Anzeige einer Verbindungsaufbauanforderung an der Schniselle zum Transpordiens Rechnerneze Kapiel 3: Kommunikaions Modelle Diense & Prookolle Parameer (beliebig) 3 Diensbeschreibung durch Weg/Zei-Diagramme Grundlegende Kommunikaionsformen Or j Or k Besäiger Diens Medium Req Cnf Or j Or k Unbesäiger Diens Medium Req Rechnerneze Kapiel 3: Kommunikaions Modelle Diense & Prookolle Diensprimiive (nach ISO/OSI) Ind Rsp Ind 4 Verbindungsorieniere Diense: Vor dem Daenausausch zwischen Insanzen der Schich n erfolg ein Verbindungsaufbau auf Schich n- Anforderung erfolg mi Diensprimiiven der Schich n- Prookollabhängige Aushandlung von Überragungsparameern z.b. Teilnehmer, Diensqualiä, Überragungsweg Daenausausch innerhalb einer Verbindung erfolg uner Berücksichigung des akuellen Verbindungszusandes Der Konex einer jeden Daenüberragung wird somi berücksichig! Verbindungslose Diense: Jeder Daenausausch wird gesonder berache, ohne jegliche Berachung vorhergegangener Kommunikaionsvorgänge Der Konex einer Daenüberragung wird somi nich berücksichig! Rechnerneze Kapiel 3: Kommunikaions Modelle Diense & Prookolle 5

19 Verbindungsorieniere Diense: Phasen Verbindungsor. Diense im Weg/Zei-Diagramm Diensprimiive (nach ISO/OSI) () Verbindungsaufbau Iniiaor Con.Req Or j Medium Or k Beanworer Verbindungsaufbau Con.Ind Con.Rsp Ruhezusand Verbindung aufgebau (2) Daenausausch Con.Cnf Daa.Req (3) Geregeler Verbindungsabbau Daenausausch... Dis.Req Daa.Ind... (4) Verbindungsabbruch Verbindung s-abbau Dis.Ind Rechnerneze Kapiel 3: Kommunikaions Modelle Diense & Prookolle 6 Rechnerneze Kapiel 3: Kommunikaions Modelle Diense & Prookolle 7 Phase : Verbindungsaufbau Phase 2: (Un-)besäiger Daenausausch Con.Req( Iniiaoradresse, Beanworeradresse, Qualiäsparameer, weiere Eigenschafen, kurze Nuzdaen ) Iniiaor evenuell uner Qualiäsrücksufung Beanworer Diensprimiive (nach ISO/OSI) Con.Ind( Iniiaoradresse, Beanworeradresse, Qualiäsparameer, weiere Eigenschafen, kurze Nuzdaen ) Da.Req (Nuzdaen ) Da.Req (Nuzdaen 3 ) Da.Ind (Nuzdaen 2 ) Medium Da.Ind (Nuzdaen ) Da.Req (Nuzdaen 2 ) Da.Ind (Nuzdaen 3 ) Diensprimiive (nach ISO/OSI) Con.Cnf ( Iniiaoradresse, Beanworeradresse, Qualiäsparameer, weiere Eigenschafen, kurze Nuzdaen 2 ) Medium Rechnerneze Kapiel 3: Kommunikaions Modelle Diense & Prookolle Con.Rsp( Iniiaoradresse, Beanworeradresse, Qualiäsparameer, weiere Eigenschafen, kurze Nuzdaen 2 ) 8 Da.Req (Nuzdaen ) Da.Cnf Medium Rechnerneze Kapiel 3: Kommunikaions Modelle Diense & Prookolle Da.Ind (Nuzdaen ) Da.Rsp 9

20 Phase 3: Verbindungsabbau Phase 4: Verbindungsabbruch Diensprimiive (nach ISO/OSI) Diensprimiive (nach ISO/OSI) Rel.Req (Nuzdaen ) Medium Rel.Ind (Nuzdaen ) Erbringerabbruch (Provider Abor, PAbo) A B PAbo.Ind (Grund) PAbo.Ind (Grund) Rel.Cnf (Anzeige±, Nuzdaen 2 ) Dis.Req Medium Rel.Rsp (Anzeige±, Nuzdaen 2 ) Dis.Ind Nuzerabbruch (User Abor, UAbo) A UAbo.Req (Nuzdaen) B UAbo.Ind (Nuzdaen) Rechnerneze Kapiel 3: Kommunikaions Modelle Diense & Prookolle Rechnerneze Kapiel 3: Kommunikaions Modelle Diense & Prookolle Verbindungsor. Diense im Zusandsübergangsdiagramm Verbindungseigenschafen: Verbindungsendpunke Diensprimiive (nach ISO/OSI) Diensprimiive (nach ISO/OSI) Con.Req A Con.Cnf Dis.Ind PAbo.Ind Dis.Req;Dis.Ind ;PAbo.Ind, PAbo.Ind Con.Rsp Dis.Req B Con.Ind PAbo.Ind Zugangspunk Verbindungsendpunk Con.Ind Con.Rsp Con.Cnf Con.Req ;PAbo.Ind,PAbo.Ind Ruhezusand Con.Req; Con.Ind Dis.Req; Dis.Ind Con.Req; PAbo.Ind Verbindung im Aufbau Con.Rsp; Con.Cnf Verbindung aufgebau Übergänge der Daenausausch- und der Verbindungsabbauphase im Aufbau befindlich Rechnerneze Kapiel 3: Kommunikaions Modelle Diense & Prookolle 2 Rechnerneze Kapiel 3: Kommunikaions Modelle Diense & Prookolle 3

21 Verbindungseigenschafen: Richungsberieb Verbindungseigenschafen: Auslieferungsdisziplin simplex duplex halbduplex Medium Medium Medium Auslieferungsdisziplin 3 2 Telex Feuermelder Sensoren Telefon Wechselsprechen Buchung Varianen: reu zur Einlieferungsreihenfolge (FIFO) zufällig FIFO und priorisier Rücksau schnell langsam endlicher Pufferspeicher Rechnerneze Kapiel 3: Kommunikaions Modelle Diense & Prookolle 4 Rechnerneze Kapiel 3: Kommunikaions Modelle Diense & Prookolle 5 Verbindungseigenschafen: Vorrangdaen Verbindung: Überragungsleisungsanpassung Diensprimiive (nach ISO/OSI) Normaler Daenransfer miels Da.Req/Ind Vorrangdaenransfer miels ExpDa.Req/Ind Medium Bündeln zur Leisungsseigerung Verbindung hoher Leisung ExpDa.Req(EDaa ) Da.Req(NDaa ) ExpDa.Ind(EDaa ) mehrere Verbindungen geringer Leisung ExpDa.Req(EDaa 2 ) Da.Ind(NDaa ) Da.Req(NDaa 2 ) ExpDa.Ind(EDaa 2 ) Mehrfachnuzung zur Kosensenkung mehrere Verbindungen geringer Leisung ExpDa.Req(EDaa 3 ) ExpDa.Ind(EDaa 3 ) Da.Ind(NDaa 2 ) Verbindung hoher Leisung Rechnerneze Kapiel 3: Kommunikaions Modelle Diense & Prookolle 6 Rechnerneze Kapiel 3: Kommunikaions Modelle Diense & Prookolle 7

22 Daagramm-Diense (Verbindungslose Diense) Längenanpassung der zu überragenden Daen Diensprimiive (nach ISO/OSI) UniDaa.Req( Absenderadresse, Zieladresse, Qualiäsparameer, Nuzdaen) Medium UniDaa.Ind( Absenderadresse, Zieladresse, Qualiäsparameer, Nuzdaen) Vom Daagramm-Diens wird kein Zusammenhang zwischen verschiedenen Überragungsleisungen unersüz. Der Daagramm-Diens unersüz keine Auslieferungsdisziplin, z.b. keine Garanie für Reihefolgereue. Der Daagramm-Diens realisier eine unbesäige Diensleisung (keine Aushandlung zwischen Kommunikaionsparnern). Segmenierung & Reassemblieren X Y Z U V W A B C Pakekennung Blocken & Enblocken A A B B C C. X Y Z.2 U V W.3 A B C A A B B C C X Y Z U V W A B C A A B B C C "End-of-Segmen"Kennung : weiere folgen : Ende erreich Rechnerneze Kapiel 3: Kommunikaions Modelle Diense & Prookolle 8 Rechnerneze Kapiel 3: Kommunikaions Modelle Diense & Prookolle 9 Telekommunikaionsprookolle Beispiel: Frage-Anwor-Diens mi Basisdiens Diensprimiive (nach ISO/OSI) Was? I i+ I i+ 2 Benuzer eines Dienses Eingabe Frage.Req(TEXT) Diens Insanz Baue Transporschichverbindung auf T-Con.Req T-Con.Ind Diens Insanz Nehme Transporschichverbindung an Daenbank-Server Wie? I i Medium M i Prookoll Medium M i- I i 2 Ergebnisanzeige Frage.Rsp(TEXT2) Schicke TEXT And Dienserb. T-Da.Req Gebe TEXT2 als Anwor aus T-Con.Cnf T-Da.Ind T-Da.Ind T-Con.Rsp Gebe TEXT an Dienserbring. Schicke Anwor T-Da.Req Process Frage mi Wer: TEXT Übergebe TEXT2 zurück an Diensnuzer Rechnerneze Kapiel 3: Kommunikaions Modelle Diense & Prookolle 2 Diensnehmer Prookollinsaninsanz Prookoll- Basisdiens Diens Rechnerneze Kapiel 3: Kommunikaions Modelle Diense & Prookolle Diensnehmer 2

23 Vereile und Selbsorganisierende Rechnersyseme Prof. Gaedke Vereile und Selbsorganisierende Rechnersyseme Prof. Gaedke KAPITEL 4: SICHERUNG DER DATENÜBERTRAGUNG Prookollmechanismen Drahgebundene lokale Neze Drahlose lokale Neze (Überblick) Inerneworking KAPITEL 4.: SICHERUNG AM BEISPIEL ISO/OSI Die ISO/OSI Schich 2 DLC-Prookolle Rechnerneze Kapiel 4: Sicherung der Daenüberragung 28 Rechnerneze Kapiel 4: Sicherung der Daenüberragung Sicherung am Beispiel ISO/OSI 29 Sicherung in ISO/OSI miels Sicherungsschich DLC-Prookolle: Übersich gesicherer Kanal Schich 2 Synchronisaion, Srukurierung des Daensroms Medienzugangskonrolle bei geeilen Medien Verfälschungs- und Verlussicherung Flussseuerung DLC- Prookolle asynchrone Überragung Daa Link Conrol synchrone Überragung Schich nachrichenechnischer Kanal unerwünsch hohe Sörungen der Überragung keine Mehrfachnuzung durch mehrere Verbindungen keine Pufferung möglich kaum beeinflussbare Überragungsqualiäen keine einheiliche (nur kanalbeschränke) Adressierung Überragung unsrukurierer Bifolgen eingeschränke Konnekiviä der Knoen Überragung nich innerhalb eines größeren Überragungsrahmens, sondern zeichenweiser Sar-Sop-Berieb Beispiel:Telexdiens zeichenorienier (d.h. kleinse Überragungseinhei is ein Zeichen, z.b. 8 Bi) z.b. PPP biorienier (d.h. kleinse Überragungseinhei is Bi) z.b. HDLC LLC (LAN) LAPD (ISDN) Rechnerneze Kapiel 4: Sicherung der Daenüberragung Sicherung am Beispiel ISO/OSI 3 Rechnerneze Kapiel 4: Sicherung der Daenüberragung Sicherung am Beispiel ISO/OSI 3

24 Vereile und Selbsorganisierende Rechnersyseme Prof. Gaedke Synchronisaion KAPITEL 4.2: SYNCHRONISATION Synchronisaion Synchrone Überragung Suffing Rechnerneze Kapiel 4: Sicherung der Daenüberragung Synchronisaion 32 Asynchrone Überragung (Zeichenweiser Sar/Sop-Berieb) nächses Zeichen Soppschrie Pause Nuzschrie Zeichenrahmen Zeichen/Bis n Zeichen/Bis des Blocks Block Sarschri Synchrone Überragung (Blocksynchronisaion) Blockendemuser Blocksarmuser Überragungsrichung Überragungsrichung Rechnerneze Kapiel 4: Sicherung der Daenüberragung Synchronisaion Voraussezung: Ruhepegel fese Zahl von Nuzschrien 3-aus- Overhead (8 Nuzbis bei zu überragenden Bis) Voraussezung: Benuzung eindeuiger Blocksar- und/oder Blockendemuser Modifikaion / Rückgängig-machen ensprechender Muser im Block (Zeichen-/Bisopfen) 33 Zeichenorieniere Überragung Synchrone Überragung: Coderansparenz Inernaionales 7-bi Alphabe (d. Referenzversion) b 7 b 6 b 5 b 4 b 3 b 2 b NUL TC 7 (DLE) P ` p TC (SOH) DC! A Q a q 2 TC 2 (STX) DC2 2 B R b r 3 TC 3 (ETX) DC3 # 3 C S c s 4 TC 4 (EOT) DC4 $ 4 D T d 5 TC 5 (ENQ) TC 8 (NAK) % 5 E U e u Coderansparenz: Vereinbarung von Regeln zur coderansparenen Überragung von Nuzdaen (d.h. Überragung beliebiger Bi- bzw. Zeichenkombinaionen im Nuzdaenfeld) 6 TC 6 (ACK) TC 9 (SYN) & 6 F V f v 7 BEL TC (ETB) 7 G W g w 8 FE (BS) CAN ( 8 H X h x 9 FE 2 (HT) EM ) 9 I Y i y Ursprung: American FE Sandard Code of 3 (LF) SUB * : J Z j z Informaion FE 4 (VT) ESC + ; K Ä k ä Inerchange ASCII 2 FE 5 (FF) IS 4 (FS), < L Ö l ö 3 FE 6 (CR) IS 3 (GS) - = M Ü m ü 4 SO IS 3 (RS). > N ^ n ß 5 SI IS Rechnerneze Kapiel 4: Sicherung der Daenüberragung Synchronisaion (US) /? O o DEL 34 Einfacher Lösungsansaz: Längenangabe der Nuzdaen: Konrolldaen Länge Nuzdaen Konrolldaen Rechnerneze Kapiel 4: Sicherung der Daenüberragung Synchronisaion 35

25 Characer Suffing Arbeisfolie Synchrone zeichenorieniere Überragung Prob Lsg Lsg Prob Lsg STX Nuzdaen ETX STX Nuzdaen ETX Nuzdaen ETX DLE STX Nuzdaen DLE ETX DLE STX Nuzdaen ETX Nuzdaen DLE ETX DLE STX Nuzdaen DLE Nuzdaen DLE ETX DLE STX Nuzdaen DLE DLE Nuzdaen DLE ETX Characer Suffing Anfang und Ende eines Rahmens werden durch STX bzw. ETX symbolisier: STX Nuzdaen ETX Problem: Ein ETX in den Nuzdaen signalisier das vorzeiige Ende des Rahmens. Lösung: Das Sonderzeichen DLE (Daa Link Escape) mach Nuzdaen ransparen Ein ETX wird daher nur dann als solches erkann, wenn ein DLE davor seh. DLE STX Nuzdaen Problem: Ein DLE in den Nuzdaen könne jez zu einer Fehlinerpreaion führen. Lösung: Der Sender, verdoppel DLEs innerhalb der Nuzdaen. Der Empfänger inerpreier einfache DLEs als Seuerzeichen, bei doppelen DLEs wird das künslich eingefüge wieder gelösch. DLE STX DLE ETX Nuzdaen DLE DLE DLE ETX Rechnerneze Kapiel 4: Sicherung der Daenüberragung Synchronisaion 36 Bimuser, das zufällig Gedoppeles DLE, DLE ensprich das Empfänger wieder enfern Rechnerneze Kapiel 4: Sicherung der Daenüberragung Synchronisaion 37 Synchrone biorieniere Überragung Synchrone Überragung: Coderegelverlezung Bi Suffing Flag Konrolldaen Nuzdaen Konrolldaen Flag Blockbegrenzung (Flag) is eine ausgezeichnee Bifolge () Problem: Zufälliges Aufreen von in Nuzdaen Lösung: Bi Suffing Sender füg innerhalb der Nuzdaen nach 5 aufeinanderfolgenden - en eine ein. Empfänger enfern nach 5 aufeinanderfolgenden -en eine. Blockprüfzeichen zur Fehlererkennung wird vor dem Bi Suffing ersell. Sopfbi Flag Überragungsrichung Rechnerneze Kapiel 4: Sicherung der Daenüberragung Synchronisaion 38 Synchrone Überragung ohne Längenfeld oder Characer/Bi Suffing: Verwendung von Block-Sar/Endemusern (Flags) Flags enhalen (gemäß Leiungscodierung) ungülige Bis Beispiel: Mancheser Codierung 8 bi n bi 8 bi Flag Daen Flag X X Y Y X ungülig, da kein Wechsel des Pegels Rechnerneze Kapiel 4: Sicherung der Daenüberragung Synchronisaion... Y ungülig, da kein Wechsel des Pegels +.85V V -.85V 39

26 Vereile und Selbsorganisierende Rechnersyseme Prof. Gaedke Fehlerursachen, Fehlerypen KAPITEL 4.3: (ÜBERTRAGUNGS-) FEHLER Fehlerypen und häufigkeien Fehlerwirkungen Fehlererkennung/-behandlung Cyclic Redundancy Check (CRC) Auomaic Repea Reques (ARQ) Überragungsfehler Hardwareinduziere Fehler, die vorzugsweise auf dem Überragungsmedium ensehen, aber auch in den Anschlusselekroniken der kommunizierenden Saionen. Ar und Häufigkei sark vom Überragungsmedium abhängig. In der Funkechnik exisieren andere Fehlerursachen, Fehlerhäufigkeien und Fehlerauswirkungen als in der leiungsgebundenen Überragungsechnik. Söreinflüsse führen zu falsch deekieren Bis! Einzelbifehler: z.b. Rauschspizen, die die Deekionsschwelle bei digialer Signalerfassung überschreien. Bündelfehler: Länger anhalende Sörung, z.b. durch Überspannung. Synchronisierfehler: Alle Bis bzw. Zeichen werden falsch erkann. Auswirkung als Einzelbi- oder Bündelfehler abhängig von Überragungsgeschwindigkei Rechnerneze Kapiel 4: Sicherung der Daenüberragung (Überragungs ) Fehler 4 Rechnerneze Kapiel 4: Sicherung der Daenüberragung (Überragungs ) Fehler 4 Fehlerhäufigkeien Fehlerwirkungen Maß für die Fehlerhäufigkei: Bifehlerrae = Sark vom Überragungsmedium bzw. Nez abhängig Bifehlerraen zu überragender digialer Daen im analogen Nez sind sehr viel höher als in digialen Überragungssysemen. Moderne ISDN/PCM- Syseme haben eine bessere Überragungsqualiä als klassische digiale Neze. Die Überragungsfehlerhäufigkei is auch sark von der Gesamlänge des Überragungsweges abhängig Typische Wahrscheinlichkeien für Bifehler: Analoges Fernsprechnez 2* -4 Funksrecke Eherne (Base2) Glasfaser Summe gesöre Bis Summe überragene Bis Fehlerwirkungen sind abhängig davon, welche Bis beroffen sind: (Nuz-)Daenfehler: Bis innerhalb der Nuzdaen (gesehen z. B. aus Sich der Sicherungsschich) werden gesör. Fehler Nuzdaen Prookollfehler: Sörungen können Prookollkonrolldaen, Seuerzeichen, Adressen oder sonsige prookollrelevane Daen verfälschen oder vernichen. Nuzdaen Fehlererkennungs- und Behandlungsmaßnahmen (error deecion and recovery) erforderlich. Fehlererkennung durch (künsliches) Hinzufügen von Redundanz beim Sender error deecing codes (Spezialfall: error correcing codes) Rechnerneze Kapiel 4: Sicherung der Daenüberragung (Überragungs ) Fehler 42 Rechnerneze Kapiel 4: Sicherung der Daenüberragung (Überragungs ) Fehler 43

27 Fehlererkennung: Pariäsüberprüfung Fehlererkennung: Cyclic Redundancy Check (CRC) Gerade/ungerade Pariä: Gesamzahl der einschließlich des Pariäsbis is gerade/ungerade Unerscheidung von Quer-, Längs- und Kreuzpariä Bi Bi 2 Bi 3 Bi 4 Bi 5 Bi 6 Bi 7. Zeichen 2. Zeichen 3. Zeichen 4. Zeichen 5. Zeichen STX Daen Ergänzung auf ungerade Zeichenpariä (Querpariä) ETB Ergänzung auf gerade Blockpariä (Längspariä) 6. Zeichen Blocksicherungszeichen Daen+ETB Bi Zu prüfender Block wird als unsrukuriere Bifolge aufgefass. Anzahl der zu prüfenden Bis is beliebig Prüfbifolge [Block Check Sequence (BCS) bzw. Frame Check Sequence (FCS)] wird an den zu prüfenden Übermilungsdaenblock angehäng. Überragungsrichung zu prüfende Bifolge BCS Anhängen der Blockprüfdaen an den Übermilungsblock Bildung der Prüfsequenz: Zu prüfende Bifolge wird als Polynom aufgefass. Nach Erweierung um -Folge (Anzahl -en = Grad des Prüfpolynoms) wird sie durch vereinbares Prüfpolynom (Generaorpolynom) geeil. Die BCS/FCS is Res der Division, der an die Bifolge angehäng wird. Beim Empfänger wird neu dividier (einschließlich Res). Bei fehlerfreier Überragung muss das Ergebnis sein. Pariäsbi Rechnerneze Kapiel 4: Sicherung der Daenüberragung (Überragungs ) Fehler X 44 Rechnerneze Kapiel 4: Sicherung der Daenüberragung (Überragungs ) Fehler 45 Fehlererkennung: CRC-Beispiel Senden Fehlererkennung: CRC-Beispiel Empfangen Zu sendende Bifolge: Prüfpolynom: x 4 + x 3 + Divisor in Modulo-2-Binärarihmeik: Addiion/Subrakion Modulo-2 ensprich einer biweisen XOR-Verknüpfung Dividend is eilbar durch Divisor, falls der Dividend mindesens so viele Sellen besiz wie der Divisor (führende Bis müssen beide sein) Länge der Sicherungsfolge = Grad des Prüfpolynoms = 4 Berechnung der Sicherungsfolge: = = Res Zu überragende Bifolge:. Rechnerneze Kapiel 4: Sicherung der Daenüberragung (Überragungs ) Fehler 46 Empfangen einer korreken Bifolge: = = Res Kein Res, somi sollen Daen fehlerfrei sein. Empfangen einer gefälschen Bifolge: = = Res Es bleib Res ungleich, somi war ein Fehler in der Überragung. Rechnerneze Kapiel 4: Sicherung der Daenüberragung (Überragungs ) Fehler 47

28 Fehlererkennung: CRC-Leisungsfähigkei Überragung ohne Fehlerbehandlung Folgende Fehler werden durch CRC erkann: sämliche Einzelbifehler sämliche Doppelfehler, wenn (x k + ) nich durch das Prüfpolynom eilbar is sämliche Fehler ungerader Anzahl, wenn (x+) Fakor des Prüfpolynoms is sämliche Bündelfehler der Länge Grad des Prüfpolynoms Inernaional genorme Prüfpolynome: CRC-2 = x 2 + x + x 3 + x 2 + x + CRC-6 = x 6 + x 5 + x 2 + CRC-CCITT = x 6 + x 2 + x 5 + CRC-6 und CRC-CCITT endecken alle Einzel- und Doppelfehler + alle Fehler ungerader Anzahl alle Bündelfehler mi der Länge 6 99,997 % aller Bündelfehler mi der Länge 7 99,998 % aller Bündelfehler mi der Länge 8 und mehr Rechnerneze Kapiel 4: Sicherung der Daenüberragung (Überragungs ) Fehler 48 Sender und Empfänger sind immer berei Sändiger Daenfluss vom Sender zum Empfänger. DL-Daa.Req(p) DL-Daa.Req(p2) DL-Daa.Req(p3) DL-Daa.Req(p4) DL-Daa.Req(p5) Zei Sender Empfänger DL-Daa.Ind(p) DL-Daa.Ind(p2) DL-Daa.Ind(p3) DL-Daa.Ind(p4) DL-Daa.Ind(p5) Rechnerneze Kapiel 4: Sicherung der Daenüberragung (Überragungs ) Fehler p p2 p3 p4 p5 nich ausreichend! 49 Fehlerbehandlung: Auomaic Repea Reques (ARQ) Sop-and-Wai: Ablauf Wird ein Überragungsfehler erkann (z.b. anhand fehlerhafer CRC- Prüfsumme), so is dennoch der Empfang des ensprechenden Daenpakes sicherzusellen Eingeseze Mechanismen: Besäigungen (Acknowledgemens, ACKs, auch negaiv als NAK) durch spezielle Seuerpakee oder im Daenpake selbs Timeous + Überragungswiederholungen Empfänger muss durch eine Meldung den Empfang eines Pakes besäigen. Sender muss auf Besäigung (ACK) waren, ehe er weier senden darf. Keine Überlasung des Empfängers möglich! Sender DL-Daa.Req(p) D Empfänger Allgemeine Bezeichnung für gesichere Daenüberragung uner Verwendung dieser Mechanismen is Auomaic Repea Reques (ARQ) ARQ-Algorihmen: Sop and Wai Varianen (Implizi, Explizi) Sliding Window [Verwendung ISO/OSI:Sicherungsschich, Inerne:TCP] Varianen (Go-Back-N, Selecive Repea) DL-Daa.Req(p2) Zei ACK E ACK DL-Daa.Ind(p) DL-Daa.Ind(p2) Rechnerneze Kapiel 4: Sicherung der Daenüberragung (Überragungs ) Fehler 5 Rechnerneze Kapiel 4: Sicherung der Daenüberragung (Überragungs ) Fehler 5

29 Sop-and-Wai: Implizie Überragungswiederholung Behandlung verlorengegangener Pakee/Quiungen: Zeiüberwachung (Timeou), nach der Überragung wiederhol wird Sequenznummer pro Pake, um Duplikae beim Empfänger zu unerscheiden Bei Sop-And-Wai sind Folgenummern / ausreichend Sender DL-Daa.Req(p) D, Empfänger Sop-and-Wai: Explizie Überragungswiederholung Um den Ablauf der Überragungswiederholung zu beschleunigen, können fehlerhafe Pakee explizi durch NAK (Negaive Acknowledgemen) angeforder werden. Sender Empfänger Zeiüberwachung D, DL-Daa.Req(p3) D,2 ACK DL-Daa.Ind(p) NAK Pake als fehlerhaf erkann DL-Daa.Req(p2) E, ACK DL-Daa.Ind(p2) D,2 ACK DL-Daa.Ind(p4) Legende: Daen,Sequenznummer Zeiüberwachung E, ACK Als Duplika erkann! Legende: Daen,Folgenummer Rechnerneze Kapiel 4: Sicherung der Daenüberragung (Überragungs ) Fehler 52 Rechnerneze Kapiel 4: Sicherung der Daenüberragung (Überragungs ) Fehler 53 Vereile und Selbsorganisierende Rechnersyseme Prof. Gaedke Flussseuerung KAPITEL 4.4: FLUSSSTEUERUNG Flussseuerung, Medienzugriff Sliding Window Synonyme Begriffe Flussseuerung Flussregulierung Flusskonrolle Flow Conrol Aufgabe Auf Nezebene is der Daenpakeempfänger vor einem zu großen Zufluss von Pakeen eines Pakesenders zu schüzen. Or der Durchführung Auf der Sicherungsschich zum Überlasungsschuz von Übermilungsabschnien. Zum Überlasungsschuz von Verbindungen auch auf höheren Schichen des OSI-Modells. Rechnerneze Kapiel 4: Sicherung der Daenüberragung Flussseuerung 54 Rechnerneze Kapiel 4: Sicherung der Daenüberragung Flussseuerung 55

30 Flussseuerung mi Hal-/Weier-Meldungen Kredibasiere Flussseuerung: Sliding Window Einfachse Mehode Sender-Empfänger-Flussseuerung Meldungen Hal Weier Kann der Empfänger nich mehr Schri halen, schick er dem Sender eine Hal-Meldung. Is ein Empfang wieder möglich, gib der Empfänger die Weier-Meldung. Beispiel: Prookoll XON/XOFF Mi ISO 7-Bi-Alphabezeichen. XON is DC (Device Conrol ). XOFF is DC3 (Device Conrol 3). Nur auf Vollduplex-Leiungen verwendbar. Sender Empfänger Sliding Window Darsellung zeig Fensermechanismus (Kredi 4) für eine Senderichung Sender Empfänger 7 C R 6 2 C S S C C,R 7 7 C,S S R C C C: Oberer Fenserrand (maximal erlaube Sendefolgenummer) Rechnerneze Kapiel 4: Sicherung der Daenüberragung Flussseuerung 56 Rechnerneze Kapiel 4: Sicherung der Daenüberragung Flussseuerung 57 LAN/MAN-Zugriffsverfahren Konkurrierender Zugriff: Aloha Problem: Mehrere Saionen reen als Diensnehmer eines einzigen physikalischen Mediums auf (shared medium) PCM synchron Zeimuliplex Konkurrierender Zugriff Medienzueilung asynchron Geregeler Zugriff Keine fese Eineilung in Rahmen bzw. Zeischlize. Frequenzmuliplex Codemuliplex Aloha/Sloed Aloha HDLC (im Aufforderungsberieb) Eherne (CSMA, CSMA/CD) Token-Ring, Token Bus FDDI Rechnerneze Kapiel 4: Sicherung der Daenüberragung Flussseuerung 58 Enwickel auf Hawaii für Funknezkommunikaion der Universiä Saionen überragen dann Daen, wenn welche gesende werden müssen. Kollisionen führen zu gesören Rahmen. Empfänger schick Besäigung, wenn er einen an ihn adressieren Rahmen korrek empfangen ha. Einsaz beispielsweise im GSM. Maximale Kanalauslasung 8%. Korrek überragenes Pake Sender Korrek überragener, aber unbrauchbarer Pakeeil A B C D E Zei Prof. Dr. Marin Gaedke Professur VSR Fakulä für Informaik Kollision TU Chemniz Rechnerneze Kapiel 4: Sicherung der Daenüberragung Flussseuerung 59

31 Konkurrierender Zugriff: Sloed ALOHA Konrollierer Zugriff: Aufrufberieb Pakee feser Länge werden in fesen Zeiabschnien (Slos) überragen. Dies erforder einheiliche Zeibasis (z.b. durch zenrale Uhr) zur Synchronisaion der Saionen Pakeüberragung nur zu Beginn eines Zeislos (slo boundary). Es können nur oal überlappende Kollisionen aufreen. Dami verkürz sich die Kollisionszei von zwei auf eine Pake-Überragungszei. Maximale Kanalauslasung auf 36% verbesser! Sender A B C D E Rechnerneze Kapiel 4: Sicherung der Daenüberragung Flussseuerung 6 eine dediziere inelligene Leisaion u.u. mehrere dumme Folgesaionen gekoppel über Bussrukur Leisaion frag Folgesaionen gemäß Abfrageabelle ( Polling Table ) ab Folgesaionen anworen nur nach Aufforderung jegliche Kommunikaion erfolg über Leisaion Beispiele: Universal Serial Bus (USB), HDLC (im Normal Response Mode) Leisaion Bus Rechnerneze Kapiel 4: Sicherung der Daenüberragung Flussseuerung Folgesaionen 6 HDLC (High Level Daa Link Conrol) HDLC - Rahmenforma Eigenschafen: ursprünglich von IBM als SDLC (Synchronous Daa Link Conrol) enwickel ISO/OSI dann als HDLC, Verwendung z.b. in PPP Biorienieres Sicherungsschichprookoll Halb- und Vollduplexfähig Punk-zu-Punk und Punk-zu-Mehrpunk-Konfiguraion Mehrpunk-Konfiguraion: Unerscheidung Leisaion und Folgesaionen Flusskonrolle durch Sliding-Window Pakee (Blöcke) werden durch die Blockbegrenzung eingeschlossen Im Pake darf diese Sequenz nich vorkommen Bisuffing Im Seuerfeld sind u.a. Sende-/Empfangsfolgenummern enhalen Quiierung (Piggybacking in I-Frames), Flussseuerung. Blockprüfung erfolg nach dem CRC-Verfahren Fehlererkennung. 3 unerschiedliche Rahmenypen: Unerscheidung anhand der ersen Bis des Seuerfeldes: Informaion (I-Frames): Daenüberragung Supervisory (S-Frames): Fehler-/Flusskonrolle, Seuerbefehle Unnumbered (U-Frames): Verbindungsauf-/abbau Typ-Feld unerscheide einzelne Seuerbefehle (z.b. RR - Receive Ready) Poll/Final Bi (P/F) zeig im Aufforderungsberieb das Ende einer Daenüberragung seiens einer unergeordneen Saion an. Blockbegrenzunfelfelfelfelbegrenzung Adress- Seuer- Daen- Blockprüf- Block- 8 bi 8 bi n bi 6 bi P/F Poll/Final 3 3 Bi N(S) P/F N(R) Typ P/F N(R) I (Informaion) Frame S (Supervisory) Frame Rechnerneze Kapiel 4: Sicherung der Daenüberragung Flussseuerung 62 U (Unnumbered) Frame Prof. Dr. Marin Gaedke Professur Typ VSR P/F Fakulä Typfür Informaik TU Chemniz Rechnerneze Kapiel 4: Sicherung der Daenüberragung Flussseuerung 63