Breitband-Datenübertragung Stefan Gärtner Vergleich: Früher heute Früher: Zentral aufgebautes Host-Terminal-System Host stellt gesamte Rechenleistung; Terminals zeigen die Zeichen an, die ihnen der Host sendet und übertragen Tastatureingaben an Host Langsame Leitung (9,6 kbps) reicht aus, da maximal 1920 Zeichen (24 Zeilen x 80 Spalten) übertragen werden müssen (Übertragung dauert ca. 2 Sekunden) Geographisch entfernte (remote) Terminals wurden mittels Modem an Host angebunden (bis zu 19,2 kbps) und hatten gleiche Fähigkeiten wie lokale Terminals Über einen sogenannten Multiplexer konnte eine Kommunikationsleitung von mehreren Terminals benutzt werden (Geschwindigkeit von Modem bis T3 (45 Mbps)) Datenmengen waren sehr klein (zeichenbasierte Daten), Daten wurden in regelmäßigen Intervallen gesendet Heute: Dezentrale, vernetzte Workstations (leistungsfähige Desktop-Computer) ersetzen Host-basiertes System Workstations haben eigene Rechenleistung, Daten, die über das Netzwerk versendet werden, bestehen nun aus (großen) Dateien und werden unregelmäßig gesendet So entstehen LANs (Local Area Network) mit Geschwindigkeiten von 4 Mbps bis 100 Mbps WANs (Wide Area Network), die Workstations oder LANs über große Distanzen hinweg verbinden, werden nötig Miteinander verbundene (interconnected) LANs sollen sich wie ein LAN verhalten, jedoch sind im Gegensatz zu den billigen LANs Multi-Mbps-WANs sehr teuer Ansatzpunkt für Breitband Networking: Wirtschaftlichkeit und hohe Bandbreite von WANs Geschwindigkeiten für interconnected LANs: o Modem (bis 56 kbps): schlechte Performance, gute Ausnutzung der verfügbaren Bandbreite o T1 (1,544 Mbps) und mehr: gute Performance, aber Bandbreite nur zeitweise voll ausgenutzt LANs werden über Router/Bridges miteinander verbunden Bei vielen miteinander verbundenen (interconnected) LANs steigt Komplexität sprunghaft an Daher Verwendung von bestimmten (paketorientierten) Protokollen, die von den Routern unterstützt werden müssen (Frame Relay, ATM, SMDS), so dass Routing-Aufgaben vereinfacht werden, denn zu anderen Routern besteht eine direkte logische, aber nicht mehr unbedingt eine physikalische Verbindung Bandbreite kann bei paketorientierten Protokollen dynamisch auf verschiedene Benutzer verteilt werden, die eine Übertragungsleitung benutzen höhere Geschwindigkeit Multiplexing Multiplexing ist der Vorgang des Übertragens mehrerer Konversationen (Daten, Sprache, Video) über eine Übertragungseinrichtung; der Multiplexer ist für das Multiplexing zuständig Time-division Multiplexing Grundlegendste und einfachste Art des Multiplexings Die Übertragungszeit wird unter den Benutzern aufgeteilt; jeder teilt seine Nachricht in Päckchen gleicher Größe auf und sendet je ein Päckchen in einer bestimmten Reihenfolge
Bandbreite wird unter verschiedenen Anwendungen aufgeteilt, jedoch ist sie für jede Anwendung fest eingestellt Nachteile: o Sowohl Sender als auch Empfänger müssen Größe und Position der Nachrichtengruppen im Voraus kennen o sendet eine Anwendung nichts, kann sich keine andere Bandbreite von ihr borgen o es tritt eine Verzögerung (Delay) auf, da der nächste Teil einer Nachricht nach einer festen Zeitspanne eintrifft Vorteile: o Schnell und einfach o Jede Art von Information kann übertragen werden o Keine Schwankungen der Verzögerung o Wenig Zusatzinformationen (Overhead) (meistens weniger als 1% der gesamten Bandbreite), um Konversation zu partitionieren, da Nachrichten durch ihre Position eindeutig definiert sind Paket (oder statistisches) Multiplexing (Packet/statistical Multiplexing) Jedem Nachrichtenpaket wird eine Identifikationsnummer vorangestellt die Reihenfolge der Nachrichten ist nun egal Sendet eine Anwendung nichts, kann Bandbreite von einer anderen Anwendung geborgt werden Zwei Varianten: o Feste Paketgröße o Variable Paketgröße Ein Packet Multiplexer teilt Daten in kleine Nachrichtenblöcke (Pakete; Packets) und kennzeichnet jedes Paket mit einem Identifier vor den eigentlichen Daten; ein Packet Switch auf der Empfängerseite benutzt die Identifier, um Pakete an Bestimmungsort weiterzuleiten Nachteile: o Höherer Framing Overhead (Informationen, die jedem Paket hinzugefügt werden und Besitzer eindeutig kennzeichnen) als bei Time-division Multiplexing (relativer Anteil des Overheads wird mit längeren Paketen jedoch kleiner) o Verzögerungen (Delays) schwieriger vorauszusagen Vorteile: o Angepasst an Daten, die in Schüben anfallen (was meistens der Fall ist) o Höhere Effizienz, da Bandbreite nach Bedarf zugeteilt wird Aufbau von Paketen Paketorientierte Protokolle besitzen üblicherweise folgende Teile: Delimiter (Trennzeichen): Kennzeichnet Grenzen der Pakete (ein Delimiter kann auch für mehrere Pakete benutzt werden) Header: enthält Informationen, die Besitzer kennzeichnen; manchmal auch Informationen zur Fehlererkennung (zur Vermeidung von Fehlzustellungen) oder zum Datenstaumanagement Payload (Nutzlast): eigentliche Daten; kann ganze Nachricht oder nur einen Teil enthalten Trailer (optional): Fehlererkennung, manchmal auch STOP- oder END-Delimiter Rahmen (Frames) und Zellen (Cells) Der Oberbegriff für ein Paket lautet Protocol Data Unit (PDU). Frames und Cells sind verschiedene Typen von PDUs. Grundsätzlicher Unterschied: Frames haben variable, Cells feste Größe; außerdem haben Cells keinen Trailer.
Aufbau von Frames und Cells Frames Frame Delimiter: Trennt eine PDU von einer anderen (normalerweise 8-Bit-Zeichen) Mindestens ein Delimiter zwischen zwei Frames Gibt es keine zu sendenden Daten, werden Delimiter als Lückenfüller gesendet Frame Header: Identifikation des Eigentümers der Information Datenstaumanagement Frame Payload: Variable Größe Maximale Größe zwischen 1500 und 4000 Bytes Ist die Nachricht kleiner als maximale Payloadgröße, wird nur ein Frame gebraucht, ansonsten Aufsplittung in mehrere Frames Frame Trailer: Fehlererkennung für Header und Payload Vermeidet so Fehlzustellungen Cells Cell Delimiter: Trennt eine Cell von einer anderen Werden nicht als Lückenfüller gesendet, stattdessen leere oder NULL-Cells Auf Grund gleicher Größe der Cells kann ein Delimiter den Anfang mehrerer Cells kennzeichnen Cell Header: Identifikation des Eigentümers der Information Fehlererkunnung (da es keinen Trailer gibt) Datenstaumanagement Cell Payload: Feste Größe (mit ATM z.b. 48 Bytes) Nachricht ist meistens größer als Payloadgröße, d.h. es werden mehrere Cells gebraucht Wenn Größe der Information kein ganzzahliges Vielfache der Payloadgröße, dann wird die letzte Cell aufgefüllt Vorteile von Cells: Weniger Verzögerung, da viele Architekturen erfordern, dass ein PDU vor dem Weiterleiten vollständig empfangen wird und Cells kleiner als Frames sind Switching (Weiterschaltung) auf Grund gleicher Zellengröße stark vereinfacht höherer Durchsatz bessere Multimediaunterstützung, weil zeitkritischer Verkehr eine höhere Priorität als normaler Verkehr bekommt und die Verzögerung geringer ist Nachteile von Cells: größerer Overhead, da Overheadgröße bei Cells und Frames ungefähr gleich groß ist, aber ein Frame oft mehreren Cells entspricht Daten liegen normalerweise in Frames vor; um sie in Cells umzuformen müssen sie einen Segmentation And Reassembly (SAR)-Prozess durchlaufen Frame Relay Kernkomponenten: o User-to-Network Interface (UNI): definiert Format der Informationen, die über das Netzwerk verschickt werden o Network-to-Network-Interface (NNI): benötigt der Benutzer, um durch mehrere Service Provider zu gelangen Frame Relay ist ein verbindungsorientiertes Protokoll, d.h. das Netzwerk-Interface initiiert eine Verbindung zum Empfangsgerät und benutzt sogenannte Virtual Circuits (Verbindung von zwei Endpunkten eines paketorientierten Netzwerks), um einzelne Datenpakete überwachen zu können Um Kommunikations-Circuits aufbauen zu können, ist ein Call-Setup nötig
Typen von Virtual Circuits: Permanent Virtual Circuits (PVCs): Permanent, da Endpunkte nicht variabel sind, sondern beim Service-Aufbau fest definiert werden Breite Anwendung wegen der Einfachheit Ähnlich zu gemieteten Leitungen, jedoch wichtige Unterschiede: o Bandbreite wird auf paketorientierter Basis dynamisch zugeteilt o Obwohl die Endpunkte fest sind, kann der Pfad variabel sein o PVCs können automtisch reroutet werden (z.b. bei Ausfall eines Teils des Netzwerks) Ideal für lange Kommunikationsverbindungen (meistens innerhalb eines Konzerns oder zwischen Konzernen mit gefestigten Langzeitbeziehungen) Switched Virtual Circuits (SVCs): Benutzer können Endpunkte mit Hilfe eines Setup-Protokolls dynamisch einrichten Setup-Prozess: ein Data Terminal Equipment (DTE) informiert das Netzwerk über den gewünschten Endpunkt; dieser Verbindung wird dann ein Data Link Connection Identifier (DLCI) zugewiesen Sicherheit: es wird eine Rufnummer übertragen, so dass die angeforderte Verbindung auch zurückgewiesen werden kann Nach diesem Setup gibt es keinen Unterschied von SVC zu PVC mehr SVC und PVC können über eine Zugangsleitung koexistieren Frame Relay-Protokoll Das Frame Relay-Protokoll ist eine modifizierte Form des weit verbreiteten X.25-Protokolls, überlässt jedoch die Fehlerkorrektur vollkommen übergeordneten Protokollen der Endgeräte, so dass Netzwerk- Switches allein auf Datenübertragung spezialisiert sind. Aufbau des X.25-Protokolls: Delimiter: o Trennt Frames voneinander o Mehrere Delimiter werden gesendet, wenn es keine Informationen zu versenden gibt Header: o Buchhaltungsfunktion : enthält Frame-Sequence-Counter, der die Nummer der erfolgreich empfangenen Frames angibt Payload: o Enthält eigentliche Daten und bleibt den gesamten Übertragungsweg über intakt o Enthält ebenfalls einen Header als Ergänzung der Kontrollinformationen des Headers o Dieser Header enthält eine Logical Channel Number (LCN), die den Eigentümer der Daten identifiziert Trailer: o Cyclic Redundancy Check (CRC): garantiert fehlerfreie Auslieferung der Daten Aufbau des Frame Relay-Protokolls: Delimiter: o Genau der gleiche wie bei X.25 (sogar das Hex-Flag ist gleich: 7E) Frame Relay Header: o Normalerweise 2 Bytes (16 Bits) lang, bei Bedarf auch länger o Data Link Connection Identifier (DLCI), 10 (nicht aneinanderhängende) Bits: identifiziert die Virtual Circuit Number (die maximal 2 10 =1024 betragen kann) o Command/Response (C/R), 1 Bit: wird von Endgeräten benutzt o Extended Address (EA), das letzte Bit beider Bytes: Das erste ist immer gesetzt; das zweite ist nicht gesetzt, wenn der Header nur 2 Bytes hat. Ist es gesetzt, folgt noch ein Byte, so dass weitere 7 Bytes für die Virtual Circuit Number zur Verfügung stehen (wodurch 131072 Adressen zur Verfügung stehen). Diese Erweiterung wird nicht oft genutzt.
o Forward Explicit Congestion Notification (FECN), 1 Bit: wird gesetzt, wenn Datenstau auf dem Virtual Circuit in Reiserichtung herrscht (ist dieses Bit bei vielen Frames gesetzt, werden Mechanismen zur Verringerung der Datenmenge des Sendegeräts in Gang gesetzt) o Backward Explicit Congestion Notification (BECN), 1 Bit: wie FECN, meldet jedoch Datenstau entgegengesetzt der Reiserichtung, so dass die Anzahl der über diesen Virtual Circuit übertragenen Frames reduziert werden kann o Discard Eligibility (DE), 1 Bit: Wegwerf-Berechtigung ; Frame, das dieses Bit gesetzt hat, wird bevorzugt bei einem Datenstau oder anderen Umständen gelöscht gegenüber einem Frame, das dieses Bit nicht gesetzt hat Payload: o Variable Länge o Enthält eigentliche Daten Trailer: o CRC: überprüft Integrität von Header und Payload, um Fehlzustellungen zu vermeiden; bei festgestelltem Fehler wird Frame zurückgewiesen (ein höheres Protokoll könnte eine erneute Sendung initiieren) Asynchronous Transfer Mode (ATM) ATM ist wie Frame Relay eine Breitband-Paket-Technologie für die Datenkommunikation zwischen Netzwerken, benutzt jedoch statt Frames (variable Länge) Cells (feste Länge). Bessere Unterstützung von Echtzeit- und Zwei-Wege-Anwendungen (z.b. Sprachübertragung, interaktives Fernsehen) Kürzere Verzögerungen (auch kürzere Verzögerungen in den Netzwerk-Switches auf Grund der festen Cell-Größe) Frames sind groß und blockieren daher relativ lange die Leitung (ein 4000 Byte Frame blockiert eine 64 kbps-leitung für 0.5 Sekunden), da sie nicht unterbrochen werden können, und so können keine zeitkritischen Informationen mit minimaler Verzögerung dazwischengeschoben werden, wie dies bei Cells der Fall ist, weil sie sehr viel kleiner sind Wie Frame Relay ebenfalls verbindungsorientiert; es gibt auch ein Call-Setup Aufbau einer ATM-Cell: Delimiter: o Grenze für eine oder mehrere Cells Header: o 5 Bytes (40 Bits) lang o Generic Flow Control (GFC), 4 Bits: nur für UNI; erlaubt mehreren Benutzern eine Übertragungseinrichtung zum Carrier (meistens Telefongesellschaft) zu benutzen. Kommt als Teil des VPI s im NNI nochmals vor. o Virtual Path Identifier (VPI) und Virtual Channel Identifier (VCI), 24 Bits: enthält Virtual Circuit Number. Am UNI hat VPI/VCI-Feld 24 Bit (ermöglicht ca. 16,7 Mio. Adressen), am NNI 30 Bits (ca. 268 Mio. Adressen) o Payload Type (PT), 3 Bits: entscheidet, ob Cell Benutzer- oder Management- Informationen enthält. Bei Management-Informationen enthalten die nächsten zwei Bits den Typ der Managementinformationen, bei Benutzerdaten zeigt zweites Bit Datenstau an, drittes gibt an, ob Cell Fortsetzung einer PDU eines höheren Protokolls ist. o Cell Loss Priority (CLP), 1 Bit: wenn gesetzt, dann wird Cell (z.b. im Stau) bevorzugt nicht zugestellt o Header Error Check (HEC), 8 Bits: errechnet sich aus vorherigen 4 Bytes; bei Nichtübereinstimmung wird Cell zurückgewiesen Payload: o 48 Bytes lang o enthält eigentliche Daten, evtl. zusätzliche Kontrollinformationen
Switched Multimegabit Data Service (SMDS) Bei SMDS handelt es sich um ein verbindungsloses Protokoll, das also kein Call-Setup zur Einrichtung von Virtual Circuits besitzt. Jedem Paket wird die globale Adresse des Empfängers angefügt. Verbindungsorientierte Netzwerke (wie Frame Relay, ATM) stechen bei Übertragung einer großen Menge an Informationen zu wenig Empfängern hervor Verbindungslose Netzwerke sind geeignet für das Verteilen an viele Endpunkte und für kleine Datenmengen (da kein großer Overhead durch Wegfall des Call-Setups); aber kompliziertes Adressierungsschema SMDS Packets Sowohl Frames als auch Cells möglich (mit Cells höhere Geschwindigkeit (> 45 Mbps), aber größerer Overhead) Übertragung startet im LAN mit den dort üblichen Protokollen (z.b. TCP/IP, IPX), die ihre eigene Struktur aufweisen, und variable PDUs transportieren; SMDS kommt erst ins Spiel, wenn Pakete das Netzwerk verlassen Frame-basiertes SMDS: SMDS-Adresse wird dem ausgehenden Paket angefügt; SMDS-Netzwerk sorgt für korrekte Zustellung Cell-basiertes SMDS: arbeitet wie Frame-basiertes SMDS, jedoch wandelt ein SMDS CSU/DSU- Gerät die Pakete vom Router in Cells um schickt sie erst dann ins Netzwerk Zukunft der Breitband-Datenübertragung Alle drei Techniken (Frame Relay, ATM, SMDS) haben gute Zukunftschancen, da sie eine breite Unterstützung finden. Das beste Protokoll muss von Fall zu Fall anhand des Preises, der Anwendung und der geographischen Verfügbarkeit ausgewählt werden. Zukünftige Eigenschaften: Interoperability: o Nahtloser Transfer von einer Implementierung zur anderen (z.b. von ATM nach SMDS) Access Switching: o weg von geleasten Übertragungseinrichtungen, hin zu einer Kombination aus dynamisch geschalteten Diensten und moderner Paketvermittlung Zusammenfassung der verschiedenen Protokolle: X.25 Frame Relay ATM SMDS PDU-Länge Frames Frames Cells Frames oder Cells Verkehr Zeichenbasiert, kein übergeordnetes Protokoll Datei-basiert, Datenschübe, Protokoll Datei-basiert, Datenschübe, Protokoll, Multimedia Datei-basiert, Datenschübe, Protokoll Overhead wenig wenig viel Variabel Verbindung Verbindungsorientierorientierorientiert Verbindungs- Verbindungs- Verbindungslos Leitung Auch rauschende Nur saubere Nur saubere Nur saubere Zustellgarantie Ja Nein Nein Nein Quellen: Programm Broadband Brockhaus Enzyklopädie Verschiedene Internet-Quellen