Technische Informatik 1 Digitale Systeme 1

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1 Technische Informatik Systeme Leitung: Prof. Dr.-Ing. D.P.F. Möller Technische Informatik 1 Digitale Systeme 1 Prof. Dr.-Ing. D.P.F.Möller Wintersemester 2003/04

2 1.3 Kommunikation Datenkommunikation Protokolle Schnittstellen 2 Technische Informatik 1 Prof. Dr. Möller

3 Datenkommunikation erfolgt über Kommunikationsleitungen, längs derer sich elektromagnetische Wellen/Signale/Daten ausbreiten können, welche z.b. Rechner miteinander verbinden, damit Ressourcen und Informationen gemeinsam genutzt werden können. Datenkommunikationssystem Netzwerk. 3 Technische Informatik 1 Prof. Dr. Möller

4 Datenkommunikation Merkmal zur Klassifizierung von Netzwerken, räumliche Ausdehnung Man unterscheidet zwischen: globalen Netzwerken (GAN); weltumspannende Netze, die i.d.r. über Satelliten Rechnernetze, Subnetze, Kontinente, verbinden weiten Netzwerken (WAN); kontinentale (Länder-)Netze Stadtnetzen (MAN); innerhalb von Stadtgebieten für schnelle Hochleistungskommunikation lokalen Netzen (LAN=Local Area Network); auf räumlich begrenztem Gebiet; hohe Datenrate und niedrige Fehlerrate durch hochwertige Leitungen mit guter Abschirmung und niedriger Dämpfung; IEEE, ECMA 4 Technische Informatik 1 Prof. Dr. Möller

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6 Leitungsverbindungen: Leitung: Anordnung von leitenden bzw. dielektrischen Grenzflächen die längs ihrer Oberfläche elektromagnetische Wellen führen kann. 6 Technische Informatik 1 Prof. Dr. Möller

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8 Leitungsverbindungen: Sei L Leitungsstück der differentiellen Länge dz und besitzt L eine effektive Serienimpedanz Z [Ω] und eine effektive Querimpedanz Y [S] dann gilt für Spannung und Strom: U = I Z dz = I ( R + jωl) (G1) I = U Y dz = U ( G + jωc )dz (G2) wobei die negativen Vorzeichen anzeigen, dass Spannung und Strom auf der Leitung mit zunehmenden z abnehmen. Da dz infinitesimal ist nehmen (G1) und (G2) die Form der Leitungsdifferentialgleichungen an: du (G3) = I Z = I ( R + jωl) dz di (G4) = U Y = U ( G + jωc ) dz 8 Technische Informatik 1 Prof. Dr. Möller

9 1.Grundbegriffe der Informationsverarbeitung (G3) und (G4) differenziert und in Stammgleichungen einsetzen: 2 d U = ( R + jω L) ( G + jωc) Ú 2 dz bzw. und mit Z *Y = γ² d 2 dz d 2 I 2 U 2 dz 2 d I 2 dz 2 d U 2 dz 2 d Í 2 dz = ( R + jω L) ( G + jωc ) * I = Z Y Ú = Z Y I = γ 2 = γ 2 Ú I (G5) (G6) (G5) und (G6) repräsentieren die Wellengleichung; lineare DGL 2. Ordnung; besitzen unabhängige Lösungen exp(-γ²) und exp(γ²) 9 Technische Informatik 1 Prof. Dr. Möller

10 1.Grundbegriffe der Informationsverarbeitung Allgemeine Lösung der Wellengleichung durch Linearkombination der Lösungen mit den Konstanten A und B; vollständige Lösung von (G5): U = A e γ 2 + B e γ 2 (G7) Eingesetzt in (G3) ein erhält man für den Strom I γ = [ A e 2 γ 2 + B e Im allgemeinen ist die Impedanz Z und die Admittanz Y der Leitung komplex, daher ist γ komplex. Komplexe Zahlen können in Real- und Imaginärteil aufgespalten werden, so dass gilt γ = α + jβ mit α = Dämpfungskonstante [1/m], β = Phasenkonstante [1/m], γ = Fortpflanzungs-/Ausbreitungskonstante. γ 2 ] 10 Technische Informatik 1 Prof. Dr. Möller

11 Harmonische Zeitabhängigkeit exp(jωt) in (G7) ergibt für die Spannung auf der Leitung: U = A e [ αz+ j( ωt βz )] [ αz+ j( ωt βz )] + B e 11 Technische Informatik 1 Prof. Dr. Möller

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13 Datenübertragungsmedium Kupferkabel bei Datenkommunikation über lange Distanzen ersetzt und bei lokalen Datenübertragungssystemen/ Netzwerken immer wichtiger Lichtwellenleiter-Optik. Beim Lichtwellenleiter werden Signale/Daten mittels Lichtimpulsen längs einer Glasfaser übertragen hat größere Bandbreite wie konventionelle Kupferleitungen; ist unempfindlicher gegenüber elektrischen Einstreuungen und Verzerrungen der Signale/Daten. Glasfaserkabel sind auch sicherer als Kupferleitungen, da sie nicht so leicht angezapft werden können. Glasfaserkabel weisen folgende Vorteile auf: elektrisch nichtleitend Verbindungspunkte sind gegeneinander elektrisch vollkommen isoliert Kabelbruch verursacht keine Unterbrechung in der Funktion des Glasfaserkabels wie bei konventionellen Kupferleitungen keine Explosionsgefahr Glasfaserkabel häufig als Backbone eingesetzt 13 Technische Informatik 1 Prof. Dr. Möller

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16 Komplexität der Datenkommunikationssysteme führt zu Risikoquellen, die ohne spezielle Sicherheitsvorkehrungen die Rechte von Personen sowie die materiellen Interessen von Unternehmern gefährden. Schlagwort dazu lautet unberechtigter Zugriff. Aber auch absichtlicher oder unbeabsichtigter Zugriff auf Daten und deren unbeabsichtigte oder mutwillige Veränderung und/oder Zerstörung, sind zu verhindern. Standardisierte Zugriffssicherung mittels Passwort, in Verbindung mit der Protokollierung erfolgloser Eindring- und Manipulationsversuche (Ablaufprotokollierung), reduziert dieses Risiko deutlich. Zugriffssicherung muss differenziert und flexibel sein um freie Kommunikation möglichst nicht zu behindern. Aspekte des Datenschutzes betreffen damit: unbefugtes Einschalten in das Datenkommunikationssystem unbefugtes Lesen von Daten unbefugtes Schreiben (z.b. auch Verändern und Löschen) von Daten unbefugtes Unbrauchbarmachen des Datenkommunikationssystems (z.b. Formatieren der Festplatte etc.) 16 Technische Informatik 1 Prof. Dr. Möller

17 Protokoll: Vereinbarung in welcher Art und Weise Datenaustausch stattfinden soll Datenkommunikationsprotokoll: Gesamtheit aller syntaktischen und semantischen Festlegungen die das Kommunikationsverhalten miteinander kommunizierender Einheiten in Datenkommunikationssystemen festlegen. Kommunikationsprotokolle stellen Erfüllung der Sichtenfunktionen sicher Sichtenfunktionen beschreiben Kommunikationsdienste für Sichtenbenutzer. Es gibt viele Protokolle und Protokollfamilien. Die wichtigsten sind: NetBEUL/DLC (NetBios-Treiber und Data Link Controller) von IBM Xerox Network System XNS TCP/IP vom DoD ISO/OSI herstellerspezifische Protokolle wie Profibus etc. 17 Technische Informatik 1 Prof. Dr. Möller

18 1.Grundbegriffe der Informationsverarbeitung ISO/OSI ISO AG der UNO entwickelte ISO-NORM 7498, ein Referenzmodell für Rechnerkommunikation mit dem Titel Basic Referenz Model for Open Systems Interconnection (OSI) Beschreibt Kommunikation von offenen Systemen, d.h. von Systemen, die für diese Art der Kommunikation offen sind; nicht mit offener Kommunikation gleichzusetzen OSI-Referenzmodell teilt Kommunikation in 7 Ebenen (Schichten) mit festgelegter Funktionalität ein; OSI-Schichtenmodell. Jeder Schicht kommt die Übernahme einer speziellen, klar definierten Gruppe von Teilaufgaben in der Kommunikation zu. In jedem beteiligten Kommunikationspartner sind alle sieben Schichten enthalten. Schichten kommunizieren untereinander über genau definierte Schnittstellen, was Austausch einzelner Schichten ohne Eingriff in die Funktionalität des Gesamtsystems erleichtert. An den Schnittstellen stellt jede Schicht Dienste bereit, die von der Nachbarschicht in Anspruch genommen werden können 18 Technische Informatik 1 Prof. Dr. Möller

19 ISO/OSI 19 Technische Informatik 1 Prof. Dr. Möller

20 IEEE Standards der unteren 3 Schichten des ISO OSI Modell 20 Technische Informatik 1 Prof. Dr. Möller

21 OSI Protocol Stack Level Means Description 7 Application End user services 6 Presentation Data problems and data compression 5 Session Authentication and authorization 4 Transport Guarantee end-to-end delivery of packets 3 Network Packet routing 2 Data Link Transmit and receive packets 1 Physical Cable or physical connection itself 21 Technische Informatik 1 Prof. Dr. Möller

22 TCP/IP (DoD) Allgemeiner Standard für Datenaustausch in heterogenen Netzen ist Transmission Control Protocol (TCP) im Zusammenhang mit einer speziellen Ausführung der Internet suite of protocols (IP) TCP/IP wird sowohl in lokalen Netzen zur Kommunikation verschiedenartiger Rechner untereinander als auch für den Zugang von LAN (Local Area Networks) zu WAN (Wide Area Networks) eingesetzt. Betrachtet man TCP/IP im Kontext IOS/OSI ist das Internet Protokoll die Netzwerkschicht. TCP/IP in der Regel auf einem Ethernet (OSI-Schicht 1) betrieben; Anbindung an Sicherungsschicht (LLC) erfolgt nach IEEE Norm; Zugriffskontrolle für Medium (MAC) nach CSMA/CD (Carrier Sensing Mul- Tiple Access/Collision Detection, IEEE Norm) Transportschicht entweder von TCP als verbindungsorientierten Dienst oder von UDP (User Datagram Protocol) als verbindungslosen Dienst Gebildet TCP/IP älter als ISO/OSI, daher nicht nach OSI-Standard programmiert 22 Technische Informatik 1 Prof. Dr. Möller

23 1.Grundbegriffe der Informationsverarbeitung TCP/IP Einordnung TCP/IP in ISO/OSI und Vergleich mit anderen Kommunikationsmodellen 23 Technische Informatik 1 Prof. Dr. Möller

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25 TCP/IP Protocol Stack Level Means Description 5 Application Authentication, compression, and end user services 4 Transport Handles flow of data between systems an provides access to the network for applications via the BSD socket library 3 Network Packet routing 2 Link Kernel OS/device driver interface to the network interface on the computer 25 Technische Informatik 1 Prof. Dr. Möller

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27 27 Technische Informatik 1 Prof. Dr. Möller

28 Protokolle herstellerspezifische Protokolle CAN standard bus structure EOF - ACK CRC - DATA - Control - Arbitration - SOF 28 Technische Informatik 1 Prof. Dr. Möller

29 1.Grundbegriffe der Informationsverarbeitung PinNo. Signal Description 1 Reserved Upgrade 2 CAN-L Dominant Low 3 CAN_GND Ground 4 Reserved CAN_SHLD Shield, optional 6 GND Ground, optional 7 CAN_H Dominant High Reserved 9 CAN_V+ Power, optional 29 Technische Informatik 1 Prof. Dr. Möller

30 1.Grundbegriffe der Informationsverarbeitung Schnittstellen Einsatz von Mikrocomputern nicht nur zur reinen Datenverarbeitung; Mikrocomputer sind vielmehr Bestandteil komplexer, und heterogener, Datenkommunikationsysteme. Um die vielfältigen Aufgaben bewältigen zu können, benötigt µcomp Ein- und Ausgänge, sog. Schnittstellen, die ihn mit dem System verbinden, über die seine Kommunikation abläuft. Mikrocomputer verarbeitet Daten im parallelen Format; der Datentransport innerhalb des Mikrocomputers erfolgt dabei über den sog. Systembus. Neben dieser internen Schnittstelle gibt es sog. externe Schnittstellen, die eine Kommunikation mit anderen Teilkomponenten/ Geräten etc. im seriellen oder parallelen Format zulassen. Die geläufigsten beiden Schnittstellen sind die serielle V.24-Schnittstelle und die parallele Centronics-Schnittstelle, mit denen jeweils zwei Teilnehmer verbunden werden können. Weitere Schnittstellen sind die IEC-BUS oder IEEE 488 Schnittstelle, mit der bis zu 15 Teilnehmer gleichzeitig miteinander verbunden werden können. Hierbei liegen alle Geräte parallel am IEC- Bus. 30 Technische Informatik 1 Prof. Dr. Möller

31 Bei Anwendung von Schnittstellen sind Teilnehmer an Kommunikationsregeln, vorgegeben durch Normung oder Industrie- (Quasi-) Standards, gebunden. Die Standards beinhalten die funktionellen elektrischen mechanischen Eigenschaften der Schnittstelle. Des weiteren werden Vereinbarungen bezüglich der verwendeten Datenformate und Protokollverfahren getroffen. Schnittstelle Signalpegel Übertragungslänge Verwendung Eigenschaft IEC 5V 20 m Drucker schnell Centronics 5V 2 4 m Messgeräte schnell Camac 5V m Messgeräte schnell RS232 12V 100 m Drucker;Terminal störsicher TTY 20mA 1000 m Messgeräte störsicher RS422/485 5V 1500 m Steuer&Regelt. extrem störs.. 31 Technische Informatik 1 Prof. Dr. Möller

32 1.Grundbegriffe der Informationsverarbeitung Pin assignments for 36-pin Centronics printer connectors Centronics Pin DB-25 Pin Name Direction Description 1 1 STROBE PC-to-Printer Strobe 2 2 D0 PC-to-Printer Data Bit D1 PC-to-Printer Data Bit D2 PC-to-Printer Data Bit D3 PC-to-Printer Data Bit D4 PC-to-Printer Data Bit D5 PC-to-Printer Data Bit D6 PC-to-Printer Data Bit D /ACK Printer-to-PC Acknowledge BUSY Printer-to-PC Busy POUT Printer-to-PC Paper Out SEL Printer-to-PC Select /AUTOFEED PC-to-Printer Autofeed 15 N/A n/c N/A Not used 16 N/C 0 V N/A Logic Ground 17 N/C CHASSIS GND N/A Shield Ground 18 N/C +5 V PULLUP Printer-to-PC +5 V DC (50 ma max) GND N/A /RESET PC-to-Printer Reset Ground reference for signal pins 1-12, in most cables as twisted pairs /FAULT Printer-to-PC Fault (Low when offline) 33 N/C 0 V N/A Signal Ground 34 N/C N/C N/A Not used 35 N/C +5 V Printer-to-PC +5 V DC /SLCT IN PC-to-Printer PC-to-Printer Data Bit 7 Select In (Taking low or high sets printer on line or off line respectively) 32 Technische Informatik 1 Prof. Dr. Möller

33 RS 232 Es existieren eine amerikanische RS 232C EIA 232, eine internationale CCITT V 24, und eine deutsche Norm DIN RS: Recommended Standard CCITT: Comité Consultatif Telégraphique et Teléphonique RS 232: erdunsymmetrische Schnittstelle für Kommunikation zwischen zwei Datenendgeräten (DEE) oder zwischen Datenendgerät und Datenübertragungseinrichtung (DÜE). DEE: z.b.pc DÜE: z.b. Modem RS 232 ausschließlich für Punkt-zu-Punkt Verbindungen geeignet Erdunsymmetrisch: Spannungspegel zwischen Datenleitung und Masse Gemessen, damit nicht symmetrisch zur Masse 33 Technische Informatik 1 Prof. Dr. Möller

34 RS 232 Pegel: Logisch 0: 3 V < U < 15 V Logisch 1: -15 V < U < -3 V Nicht definierter Bereich: - 3 V bis 3 V (Masse) 34 Technische Informatik 1 Prof. Dr. Möller

35 RS-232-C specs Standard EIA RS-232-C, CCITT V.24 Baud rates 115 kbps (max) Transmission distance 15 m (max) Signal nature asymmetric by voltage Number of drivers 1 Number of receivers 1 Connection circuit full duplex, from point to point 35 Technische Informatik 1 Prof. Dr. Möller

36 RS 232 Im einfachsten Fall werden Leitungen TxD (Transmit Data) und RxD (Receive Data) des Senders und Empfängers gekreuzt und zusätzlich eine Masseverbindung (GND) hergestellt. Minimalkonfiguration; SW muss Sicherheit der Datenübertragung gewährleisten; durch Handshake Modus gewährleistet mit seinen Meldeleitungen CTS (Clear To Send) bzw. DSR (Data Send Ready) und Steuerleitungen RTS (Ready To Send) bzw. DTR (Data Terminal Ready) 36 Technische Informatik 1 Prof. Dr. Möller

37 Mögliche Verbindungen 37 Technische Informatik 1 Prof. Dr. Möller

38 Zeitdiagram EIA232 Schnittstelle bestimmt durch aktivierte Signale, z.b. DSR (Data Set Ready) -Meldeleitung-, DTR (Data Terminal Ready) -Steuerleitung-, TxD (Transmit Data) -Datenleitung-. 38 Technische Informatik 1 Prof. Dr. Möller

39 Zeitdiagramm 39 Technische Informatik 1 Prof. Dr. Möller

40 1.Grundbegriffe der Informationsverarbeitung Funktionsprinzip digitaler Schnittstellen basiert darauf, dass mehrere Datenbits parallel vom sendenden Gerät zum empfangenden Gerät übertragen werden, wobei Übertragungszeitdauer davon abhängt, wie schnell das empfangene Gerät die übertragenen Daten verarbeitet. Um fehlerfreie Datenübertragung zu gewährleisten, muss Datenempfänger dem Datensender auf separater Leitung mitteilen, dass er die auf den Datenleitungen anliegenden Informationen korrekt übernommen hat. Datenempfänger muss dem Datensender auch mitteilen können dass er mit der Verarbeitung von Daten beschäftigt ist und aktuell keine weiteren Daten empfangen kann. Das in diesem Fall ausgesandte Signal ist das BUSY-Signal. Datensender legt danach neue Daten auf Datenleitungen (Datenbus) und signalisiert dem Datenempfänger über eine weitere Leitung, dass diese Daten jetzt gültig sind. Aus diesen Betrachtungen ist ersichtlich, das neben den Datenleitungen eine Reihe weiterer Leitungen für die Steuerung und das Protokoll notwendig sind, wie nachfolgend schematisch für die Centronics Schnittstelle gezeigt, hardwaretechnisch durch zwei CIA-Bausteine mit den Parallel Ports A und B realisiert 40 Technische Informatik 1 Prof. Dr. Möller

41 Strobe -D0 -D1 -D2 -D3 -D4 -D5 -D6 -D7 -ACK BUSY - POUT - SEL - PULL UP - ERROR - INIT - SLCTIN 41 Technische Informatik 1 Prof. Dr. Möller

42 Einer der häufigsten Übertragungsbausteine im Bereich der Mikrocomputer Hardware ist der UART (Universal Asynchronous Receiver and Transmitter). Er dient der bitseriellen Übertragung von Daten über eine Übertragungsstrecke und der Umsetzung der Datenworte zum und vom parallelen Rechnerbus und besteht aus elf Bits. Startbit - Bit 0 LSB Bit 7 MSB Parität - Stoppbit Startbit: logisch 0, Stoppbit: logisch 1; 42 Technische Informatik 1 Prof. Dr. Möller

43 1.Grundbegriffe der Informationsverarbeitung Beim UART folgt auf das Starbit die zu übermittelnde Information als Datenbits. Nach den Datenbits und vor dem Stoppbit wird ein Paritätsbit gesendet. Ist gerade Parität vereinbart ergänzt das Paritätsbit die Quersumme auf einen geraden Wert, ist ungerade Parität vereinbart, ergänzt das Paritätsbit die Quersumme auf einen ungeraden Wert. Die Zahl der Datenbits kann auf 7 oder 8 eingestellt werden. Das niederwertige Bit (LSB) wird immer direkt nach dem Startbit, das höchstwertige Bit (MSB) als letztes Datenbit gesendet. Mögliche Übertragungsarten sind simplex (Datenübertragung nur in eine Richtung), halbduplex (Datenübertragung in beide Richtungen, jedoch nicht gleichzeitig), vollduplex (asynchrone Datenübertragung in beide Richtungen jederzeit möglich) Der Sender überträgt Zeichen in einem vorher in beiden Stationen vereinbarten Zeitraster auf die Übertragungsstrecke. Beim Empfänger ankommende Zeichen werden aufgrund der eingestellten Datenübertragungsgeschwindigkeit und der Struktur des eingegebenen Rahmens eingestellt. 43 Technische Informatik 1 Prof. Dr. Möller

44 1.Grundbegriffe der Informationsverarbeitung IEC/IEEE-Schnittstelle: International genormtes Leitungssystem (Bus-Kabel mit 16 parallelen Leitungen: 8 Daten- und 8 Steuerleitungen). Struktur ermöglicht gleichzeitigen Anschluss von bis zu 62 verschiedenen Geräten, die über fest einstellbare eigene Adresse selektiert werden. Adressinformation auf Datenbus nach Multiplexverfahren mit übertragen. Zwischen den Geräten wird die Unterscheidung getroffen, ob sie nur Daten empfangen, d.h. Datenempfänger (Listener), oder ob sie auch Daten auf den BUS senden können, d.h. Datensender (Talker). Von jeder Gruppe können bis zu 31 Stationen angesprochen werden. Steuerung des Datenverkehrs erfolgt durch Steuereinheit (Controller), der sowohl Listener als auch Talker ist. Kombinationen dieser Funktionen in einem Datenkommunikationssystem sind möglich. Dabei ist jeweils nur eine Steuereinheit und ein Datensender in Aktion, jedoch können mehrere Datenempfänger simultan aktiv sein. Minimales Datenkommunikationssystem besteht aus Datensender Datenempfänger 44 Technische Informatik 1 Prof. Dr. Möller

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46 Ablauf Kommunikation im OSI Modell; es kommunizieren jeweils die gleichen Schichten innerhalb der Kommunikationspartner 46 Technische Informatik 1 Prof. Dr. Möller