2.4 Physikalische Medien

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1 2. Physikalische Medien Netztopologien Kupferkabel als verdrillte Adern ( twisted pair ) als Koaxialkabel Glasfaserkabel Funk atellitenkommunikation Mobilfunk Wireless AN (802., BlueTooth) Rechnernetze Wolfgang Effelsberg 2. Bitübertragungsschicht, Teil b 2b - Netztopologien tern Ring Bus Baum vollständig vermaschtes Netz teilweise vermaschtes Netz Rechnernetze Wolfgang Effelsberg 2. Bitübertragungsschicht, Teil b 2b - 2

2 trukturierte Verkabelung Möglichkeiten einer Ringverkabelung ogischer Ring Physischer tern Rechnernetze Wolfgang Effelsberg 2. Bitübertragungsschicht, Teil b 2b - 3 Physikalische Medien Adernpaar (verdrillt zur Verminderung von töreinflüssen, deshalb twisted pair ). ies ist die klassische Telefonverkabelung. Trägt wenig auf, enge Biegungsradien, sehr preiswert. Adernpaar, verdrillt, abgeschirmt ( shielded twisted pair ). Weniger anfällig bezüglich der Einkopplung von törfrequenzen/törströmen von außen. Trägt stärker auf als unshielded twisted pair, teurer. Koaxialkabel: sehr störsicher, ermöglicht sehr hohe Übertragungsraten. Teurer. Weit verbreitet, zum Beispiel für die Ethernet-Verkabelung. ichtwellenleiter (Glasfaser): sehr hohe Übertragungsraten, geringe ämpfungen und töreinkopplungen, aber aufwendige Verbindungsund Anschlusstechnik, teuer. Rechnernetze Wolfgang Effelsberg 2. Bitübertragungsschicht, Teil b 2b -

3 Koaxialkabel für Ethernet as klassische Bus-Kabel aus dem ursprünglichen tandard 50 Ohm Koaxialkabel Maximale Kabellänge: 500m Maximal 00 Transceiver (Anschlüsse von tationen) pro egment Maximal vier Repeater zwischen ender und Empfänger er Abstand zwischen den Anschlüssen muss ein Vielfaches von 2,5 m sein. atenrate: 0 Mbit/s Kupferkern Isolierschicht geflochtener Außenleiter Plastikschutzschicht Rechnernetze Wolfgang Effelsberg 2. Bitübertragungsschicht, Teil b 2b - 5 Glasfaserkabel ehr hohe atenraten! Theoretisches imit: 300 TeraHz Praktisches imit: ca. 0 GigaHz Transmitter und Receiver: Halbleiterelemente Beschränkende Faktoren: Absorption ispersion Verbindungstechnik schwierig: nur 5 µm - 50 µm urchmesser Rechnernetze Wolfgang Effelsberg 2. Bitübertragungsschicht, Teil b 2b - 6

4 Technologie der ichtwellenleiter tufenindex-faser Gradientenindex-Faser Monomode-Faser Rechnernetze Wolfgang Effelsberg 2. Bitübertragungsschicht, Teil b 2b - 7 Glasfaser Übertragbarer Informationsfluß (Mbit/s) ystemparameter: ) Grandienten-Faser E 850 nm 2) Gradienten-Faser aser 300 nm 3) Monomode-Faser Einmode-aser 300 nm 3) max. Regeneratorabstand aufgrund der ämpfung ) 2) km Regenerator-Abstand Rechnernetze Wolfgang Effelsberg 2. Bitübertragungsschicht, Teil b 2b - 8

5 atellitenkommunikation Hohe Bandbreite Rundspruchnetz (icherheitsprobleme) ange Verzögerung Für Erdstationen mit festen Antennen ist ein geosynchroner Orbit notwendig. ieser liegt auf einer Höhe von 36,000 km. ies ergibt eine Verzögerung von 270 ms (hin zum atelliten und zurück). ie lange Verzögerung beeinflusst die Protokolle der höheren chichten! Beispiel INTEAT 79 PCM implexkanäle, jeder 6 kbit/s, zusätzlich ein ignalisierungskanal mit 28 kbit/s Multiplexing mit FM Je ein Paar implexkanäle bildet einen uplexkanal. Rechnernetze Wolfgang Effelsberg 2. Bitübertragungsschicht, Teil b 2b - 9 atellitennetze atellitennetze sind wie Bus- und Ringnetze Rundspruchnetze (Broadcast-Netze). er atellit ist dabei eine logisch passive Verstärkerstation. ie ignale von der sendenden Erdstation werden dabei auf eine andere Frequenz umgesetzt und wieder ausgesendet. Eine sendende Erdstation kann durch die verschiedenen ende- und Empfangsfrequenzen des atelliten sofort feststellen, ob ein atenpaket gestört wurde. Bei atellitennetzen wird das Problem der Kanalzuweisung durch die hohen ignallaufzeiten erschwert (bei einem Token-Mechanismus wäre der Kanal jeweils für 270 ms ungenutzt!). Rechnernetze Wolfgang Effelsberg 2. Bitübertragungsschicht, Teil b 2b - 0

6 atellitenkommunikation atellit atellit Zeitslot Zeitslot 2 Zeitslot Antenne Nachricht für 3 von 3 von 2 von 3 von von von von von von von von 2 von 3 von 2 von Zeitslot 2 3 Bodenstation 2 3 Gebiet Gebiet 2 Gebiet Gebiet 2 (a) (b) Innerhalb eines endegebietes wird Zeitmultiplexing (TM) benutzt. Rechnernetze Wolfgang Effelsberg 2. Bitübertragungsschicht, Teil b 2b - Mobilfunknetze Internationale tandards für den digitalen Zellfunk sind verabschiedet (zum Beispiel GM und UMT in Europa) tarke Verbreitung für die Telefonie Bandbreite für die atenkommunikation sehr niedrig (9,6 kbit/s im klassischen GM-tandard). ie ist abhängig von der Breite des Trägerkanals. ieser muss wegen des Frequenzmultiplexings innerhalb einer Zelle sehr schmalbandig sein. atenanwendungen in Mobilfunknetzen entwickeln sich rasant, insbesondere im Vorgriff auf UMT. Zunehmend wird auch Funktechnik innerhalb von Gebäuden verwendet, z. B. für den Anschluss von autonomen Robotern an ein AN oder für die Bürokommunikation von einem Meeting aus (z. B. mit Wireless AN). In den UA setzen sich Hot pots für 802. durch, zum Beispiel an Flughäfen und in Cafés. Rechnernetze Wolfgang Effelsberg 2. Bitübertragungsschicht, Teil b 2b - 2

7 Wireless ANs chnelle Verbreitung von Wireless ANs nach der Verabschiedung der IEEE-tandards 802.b und 802.g Basis-Bandbreite auf der Funkstrecke: Mbit/s für alle tationen bei 802.b, 5 Mbit/s bei 802.g er Access Point (die Basisstation) wird in der Regel an das Festnetz- AN des Unternehmens angeschlossen. 802.b ist eine preisgünstige Technik, bereits sehr weit verbreitet. Achtung! Viele icherheitsprobleme durch schwache icherheits- Features im tandard und unvorsichtige Benutzer. Bluetooth eher für die Verbindung von peripheren Geräten an einen Rechner gedacht, um Kabelsalat zu vermeiden. Anzahl der Geräte in einem egment sehr begrenzt Rechnernetze Wolfgang Effelsberg 2. Bitübertragungsschicht, Teil b 2b Beispiele: V.2, A Beispiel : V.2, die serielle chnittstelle Geltungsbereich (aus CCITT Recommendation V.2): iese Empfehlung bezieht sich auf die als chnittstellenleitungen bezeichneten Verbindungsleitungen zwischen atenendeinrichtung (EE) und atenübertragungseinrichtung (ÜE) zur Übertragung von binären aten, teuer- und chritttaktsignalen. iese Empfehlung erstreckt sich auch auf beide eiten getrennter Zwischeneinrichtungen, die zwischen die Einrichtungen dieser beiden Kategorien eingefügt werden können. Mechanische Eigenschaften ie mechanischen Eigenschaften der chnittstelle sind in den tandards IO 20 (25-polige teckverbindung) oder IO 902 (37-polige und 9- polige teckverbindung) festgelegt. Elektrische Eigenschaften ie elektrischen Eigenschaften der chnittstellenleitungen werden in den entsprechenden eigenen Empfehlungen oder - in besonderen Fällen - in den Empfehlungen für die atenübertragungseinrichtungen (Modems) behandelt. Rechnernetze Wolfgang Effelsberg 2. Bitübertragungsschicht, Teil b 2b -

8 Funktionale Eigenschaften Erdleitung x 02a EE-Rückleiter x 02b ÜE-Rückleiter x 02c GemeinsamerRückleiter 03 endedaten x 0 Empfangsdaten x 05 endeteil einschalten x 06 endebereitschaft x 07 Betriebsbereitschaft x 08/ Übertragungsleitung anschalten x 08/2 EE* betriebsbereit x 09 Empfangssignalpegel x 0 Empfangsgüte x Hohe Übertragungsgeschwindigkeit x einschalten (EE*) 2 hohe Übertragungsgeschwindigkeit x einschalten (ÜE*) 3 endeschrittakt (EE*) x endeschrittakt (ÜE*) x = Nr. der 6= teuerung von der ÜE** chnittstellenleitung 2= Bezeichnung der 7= teuerung zur ÜE** chnittstellenleitung 3= Erde 8= chrittakt von der ÜE** = aten von der ÜE** 9= chrittakt zur ÜE** 5= aten zur ÜE** Rechnernetze Wolfgang Effelsberg 2. Bitübertragungsschicht, Teil b 2b - 5 Beispiel 2: A A (Asymmetric igital ubscriber ine) und die verwandten Techniken H, und V übertragen sehr hohe Bitraten (bis zu 8 Mbit/s) über unabgeschirmte Kupferdrähte (Telefondrähte). Warum ist die A-Technik wirtschaftlich interessant? Über 700 Millionen installierte Telefonanschlüsse weltweit 96% davon über Kupferkabel über 50% der gesamten Investition sind die Kabel! => A ist eine sehr kosteneffektive ösung, da bereits installierte Kupferkapazität ausgenutzt werden kann * Für die Überlassung seines Foliensatzes über A danke ich Herrn Mathias Gabrysch, NEC C&C Research abs, Heidelberg Rechnernetze Wolfgang Effelsberg 2. Bitübertragungsschicht, Teil b 2b - 6

9 x - hohe atenraten auf Kupferkabeln Wie sind derart hohe atenraten möglich? as ignal eines klassischen Modems muss das Telefonnetz Ende-zu-Ende durchqueren, es muss sich also bei der Modulation auf den prachfrequenzbereich von 0 bis ca. 3, khz beschränken. em x-ignal steht dagegen ein durchgehender Kupferdraht zur Verfügung, dessen änge und törsicherheit allerdings stark variieren kann. Es wird ein Frequenzbereich von 0 bis ca., MHz zur Modulation ausgenutzt, wobei modernste Modulationstechniken zum Einsatz kommen. Rechnernetze Wolfgang Effelsberg 2. Bitübertragungsschicht, Teil b 2b - 7 Breitbandige Zugangsnetze Kunde rop "ast Mile" Feeder Backbone Telephony NT V A H ONU O H/ONET PH PON CO Internet ATM Feeder-zenarien Fiber to the Building (FttB) Fiber to the Curb (FttC) Fiber to the exchange (FttX) ONU = Optional Network Unit CO = Vermittlungsstelle ( central office ) Rechnernetze Wolfgang Effelsberg 2. Bitübertragungsschicht, Teil b 2b - 8

10 H High ata Rate igital ubscriber ine remote side CO side CO side remote side H T:.5 Mbps : 2 pairs E: 2.08 Mbps : 3 pairs up to km H CORE NETWORK "optical" H H Hohe, symmetrische Bitraten über parallele Kupferdrähte entstanden als kostengünstige Technik für die Telecoms zur Realisierung von T oder E (,5 Mbit/s oder 2 Mbit/s) über zwei bis drei Zweidrahtleitungen basiert auf 2BQ (QAM, Quadrature Amplitude Modulation, 2 Bits pro Baud) oder CAP-Modulationstechniken (einer digitalen Variante von QAM) kein simultaner Telefondienst auf dem Kabel typische Anwendungen: T oder E in Gebäude, die keinen Glasfaseranschluss haben Rechnernetze Wolfgang Effelsberg 2. Bitübertragungsschicht, Teil b 2b - 9 ymmetric igital ubscriber ine CO side remote side CO side remote side up to.5/2.06 Mbps up to 3 km CORE NETWORK "optical" INGE INE -Version von H (nur eine Zweidrahtleitung) symmetrische Bitraten basiert auf 2BQ (QAM), CAP oder MT-Modulationstechniken Telefondienst und T/E simultan typische Anwendungen: wie H Rechnernetze Wolfgang Effelsberg 2. Bitübertragungsschicht, Teil b 2b - 20

11 A Asymmetric igital ubscriber ine remote side A ownstream.5~8.8 Mbps up to km 6 ~ 60 kbps Upstream CO side A CORE NETWORK MM erver IP uplexübertragung mit fixen, asymmetrischen atenraten über eine Kupfer-Zweidrahtleitung ie erreichten Übertragungsraten sind von der Entfernung und von der eitungsqualität abhängig. ie Adaption erfolgt automatisch. Basiert auf CAP- oder MT-Modulationstechniken Telefondienst und A-atendienst simultan Typische Anwendungen: schnelle atenleitungen in Privathaushalte, Internet-Zugang, Fernzugang zu ANs. Rechnernetze Wolfgang Effelsberg 2. Bitübertragungsschicht, Teil b 2b - 2 A: Warum asymmetrisch? ie Kabel-Topologie ist ein Baum. ie "upstream"-ignale laufen bei der Vermittlungsstelle in großer Zahl zusammen, was signifikante törungen durch Übersprechen verursacht, wenn die ignale schon stark gedämpft sind. agegen laufen die "downstream"-ignale auseinander, zu getrennten Teilnehmer-Modems, wobei das Übersprechen sich wesentlich weniger auswirkt. eshalb kann man in der "downstream"-richtung höhere Bitraten realisieren. Zugleich können viele breitbandige Anwendungen mit asymmetrischen Bitraten gut leben, zum Beispiel das Browsen im Internet, Video-on- emand usw. Rechnernetze Wolfgang Effelsberg 2. Bitübertragungsschicht, Teil b 2b - 22

12 V Very High ata Rate igital ubscriber ine remote side V ownstream 2.96 ~ 5.8 Mbps up to km.6 ~ 2.3 kbps Upstream CO side V CORE NETWORK MM erver IP uplexübertragung mit fixen, asymmetrischen oder symmetrischen atenraten über eine Zweidrahtleitung höhere atenraten als A, aber kürzere Kabellängen Telefondienst, IN und atenübertragung simultan typische Anwendung: nächste Generation der über A zur Verfügung gestellten ienste noch keine tandards, zurzeit in der iskussion und Erprobung Rechnernetze Wolfgang Effelsberg 2. Bitübertragungsschicht, Teil b 2b - 23 Übersicht über die x-techniken Tx Capacity Applications & ervices ~50 Mbps V ~ 8 Mbps A ~ 6 Mbps ~2 Mbps ~2 Mbps H ~ 30 kbps IN ~33kbps Voice-band modem INTEGRATE MUTIMEIA ERVICE: Internet Access, Teleworking, Teleteaching Telemedicine, MultiMedia access,... Power Remote AN users Internet Access igital Telephony Terminal Emulation (FTP, Telnet) Rechnernetze Wolfgang Effelsberg 2. Bitübertragungsschicht, Teil b 2b - 2

13 Geschwindigkeit vs. Entfernung bei x MBit/s m Kupfer-Faktoren ämpfung frequenzabhängig Phasenverschiebung frequenzabhängig Übersprechen Weitere Faktoren Impulsrauschen Eingekoppelte Radiofrequenzen Weißes Rauschen ( thermal noise ) Rechnernetze Wolfgang Effelsberg 2. Bitübertragungsschicht, Teil b 2b - 25 Modulationstechniken für A Basis: QAM (Quadrature Amplitude Modulation). ies ist eine Kombination von Amplituden- und Phasenmodulation. Jeder "atenpunkt" im iagramm entspricht einer Bitkombination. 5 o 5 o (a) (b) a) 6 atenpunkte, also Bits pro Baud (verwendet z. B. im V.32- Modem für 2 Amplituden, Phasensprungwinkel, 8 atenpunkte, also 3 Bits pro Baud b) 9600 bit/s bei 200 Baud) Rechnernetze Wolfgang Effelsberg 2. Bitübertragungsschicht, Teil b 2b - 26

14 CAP - Carrierless Amplitude/Phase Modulation 2- wire A pectrum IN Upstream CAP ownstream CAP CAP POT f (khz) Eine Variante der Quadrature Amplitude Modulation Berechnung des kombinierten ignals durch einen digitalen ignalprozessor Benutzung einer einzigen Trägerfrequenz Telefondienst und IN liegen unterhalb des CAP-Frequenzspektrums Rechnernetze Wolfgang Effelsberg 2. Bitübertragungsschicht, Teil b 2b - 27 MT - iscrete Multitone Modulation 2- wire A pectrum MT POT f (khz) Im Prinzip ein Freqenzmultiplexing (FM) mit separater Bitraten-Adaption pro Trägerfrequenz Frequenzspektrum: 26 khz bis. MHz ist in 256 individuelle Unter- Trägerfrequenzen unterteilt, je khz breit Jeder Kanal übermittelt bis zu 60 kbit/s er Telefondienst bzw. IN-ienst liegt unterhalb der MT-Frequenzen für atendienste und wird separat geführt. Ein splitter an beiden Enden der eitung fügt ihn hinzu bzw. filtert ihn wieder heraus. A ist ein ANI-tandard (T.3), inzwischen auch ein europäischer ETI- tandard. Rechnernetze Wolfgang Effelsberg 2. Bitübertragungsschicht, Teil b 2b - 28

15 Automatische Bitraten-Adaption bei MT MT adapts to every line condition TWITE PAIR Bits/chan Atten Bits/chan = Frequency Frequency Frequency TWITE PAIR with TAP, AM/RF, and XTAK Bits/chan Atten AM Bits/chan = xtalk Frequency Frequency Frequency Bei A wird die Bitrate dynamisch an die änge und die Qualität der Übertragungsstrecke angepasst. Bei der MT-Modulation messen die Modems ständig die Übertragungsgüte jedes einzelnen Kanals (jeder Trägerfrequenz) und adaptieren die Bitrate gemäß den aktuellen Eigenschaften. Rechnernetze Wolfgang Effelsberg 2. Bitübertragungsschicht, Teil b 2b - 29 Protokolle in den höheren chichten CO ONU ATM RA Internet PPP over ATM (dedicated PVC) IP ONU = Optical Networking Unit CO = Central Office (Knotenvermittlungsstelle) RA = Remote Access erver Internet-bezogener Verkehr bildet die Geschäftsgrundlage für breitbandige Zugangsnetze (zumindest in der nahen Zukunft). Zugang über A zum Internet ist durch ähnliche Mechanismen möglich wie beim Zugang über ein Telefonmodem, also insbesondere über PPP zu einem Remote Access erver (RA). PPP erfüllt dabei verschiedene Aufgaben, zum Beispiel dynamische Vergabe von IP-Adressen, Authorisierung usw. Rechnernetze Wolfgang Effelsberg 2. Bitübertragungsschicht, Teil b 2b - 30