Inhalt Teil 4: Datenkommunikation ISO/OSI Schichtenmodell Ethernet und TCP/IP 1 Motivation um Daten von Rechner A im Ort x zu Rechner B in Ort y zu übertragen, benötigt man: Rechner mit E/A-Schnittstelle (Datenendeinrichtung = DTE) Netzwerk und Leitungen Datenübertragungseinrichtung (DCE) dies allein genügt nicht: es muß auch festgelegt werden, wie die Rechner miteinander kommunizieren, z.b.: Anwahl des Zielrechners Definition von Spannungspegeln, Bitreihenfolge Einteilung in Pakete Fehlerbehandlung es werden Protokolle (Satz von Regeln) benötigt, die in einem Standard festgelegt sind 2 1
ISO/OSI Schichtenmodell ISO Referenzmodell für OSI, 1983 standardisiert (International Standardization Organization reference model for Open Systems Interconnection) verschiedene Stufen der Abstraktion und verschiedene Funktionalität auf jeder Schicht, Kommunikation nur zwischen benachbarten Schichten Hilfsmittel für Protokollentwurf, legt aber keine Protokolle explizit fest! i.a. nicht alle 7 Schichten in einer Implementierung vorhanden! 3 Physikalische Schicht ( physical layer ) ungesicherte Übertragung von Bit-Sequenzen von Knoten A eines Netzwerks zu Knoten B über ein Übertragungsmedium (daher wird diese Schicht auch als Bit-Übertragungsschicht bezeichnet) Definition von physikalischen Größen, z.b.: Spannungspegel für 1 und 0, Steuersignalen, Taktfrequenzen, Steckerbelegungen, Anfang- und Ende-Kennung für die Übertragung einer Bit-Sequenz diverse Übertragungsmedien: verdrilltes, zweiadriges Kabel ( twisted pair cable ) Koaxialkabel Glasfaserkabel Infrarot (z.b. IrDA) Richtfunk Funkverbindung via Satellit Distanz 5 km 3 km 30 km 1 m 10 km 10000 km Übertragung ist i.a. mit Fehlern behaftet, z.b. durch: Rauschen (gaussian noise), Übersprechen (cross-talk), Echo, Störimpulse Bitrate 150 Mbit/s 800 Mbit/s 2 Gbit/s 4 Mbit/s 150 Mbit/s 2 Gbit/s 4 2
Physikalische Schicht (Forts.) das Signal-/Rauschverhältnis S/N gibt das Verhältnis von Signalleistung S zu Rauschleistung N an (wird i.a. logarithmisch ausgedrückt in db: 10 log 10 S/N) max. Bitrate r auf Übertragungskanal mit Bandbreite b : bei L verschiedenen Signalpegeln ohne Rauschen: r = 2 b log 2 L bei beliebig vielen Signalpegeln und einem Signal-/Rauschverhältnis S/N (theoretische Kanalkapazität nach Shannon): r = b log 2 (1 + S/N) Beispiel: Datenübertragung über Telefonnetz analoge Übertragung im Frequenzbereich 300 bis 3300 Hz Bandbreite 3000 Hz max. Bitrate bei Übertragung eines reinen Binärsignals: 6000 Bit/s max. Bitrate bei Verwendung vieler Signalpegel und einem typischen Signal/Rauschverhältnis von 30 db (d.h. S/N = 1000): 29900 Bit/s 5 Physikalische Schicht (Forts.) Beispiel: Datenübertragung über Telefonnetz (Forts.): ein analoger Telefonkanal kann nur Sinusfrequenzen innerhalb der Kanalbandbreite, aber keine digitalen Pulse übertragen Transformation der digitalen Signale mittels Modem (Modulator / Demodulator) in analoge Signale erforderlich; verschiedene Verfahren: Amplitudenmodulation (AM): feste Frequenz f, Amplituden a 0 und a 1 zum Senden von 0 / 1 Frequenzmodulation (FM): Frequenzen f 0 und f 1 zum Senden von 0 / 1, feste Amplitude a Phasenmodulation (PM): Phasen ϕ 0 und ϕ 1 zum Senden von 0 / 1, Frequenz und Amplitude fest Phasendifferenzmodulation (PSK): 2 k Phasen ϕ i zum Senden von 2k möglichen k-bit Sequenzen Quadraturamplitudenmodulation (QAM): Kombination von PSK mit 2 k Phasen und AM mit q Amplituden 6 3
Physikalische Schicht (Forts.) Standards zur Datenübertragung über das Telefonnetz: V.21 V.22 V.32 V.34 V.90 ISDN ADSL max. Bitrate 300 1200 9600 33.6k 33.6k / 56k je Kanal 64k 768k / 8M Verfahren FM (f 0 = 1180 Hz, f 1 =980 Hz) PSK (k = 2) QAM (k = 4, q = 2) QAM (960 Phasen/Amplituden-Kombinationen) wie V.34 / quasi-digital 2 Kanäle, rein digitale Übertragung Nutzung einer Bandbreite von 1.1 MHz ADSL ( Asymmetric Digital Subscriber Line ) verwendet auf der Leitung vom Endbenutzer zum 1. Netzwerkknoten (< 5 km) Bandbreiten von 100 khz (, upload) und 1 MHz (, download) oberhalb des für Sprache verwendeten Frequenzbereichs 7 Physikalische Schicht (Forts.) Neben dem Übertragungsverfahren wird in der physikalischen Schicht auch ein einfaches Bereitschaftsprotokoll benötigt Beispiel: V.24 Protokoll zur Kopplung von DCE (z.b. Modem) und DTE (Rechner) neben Datenleitungen (TxD, RxD) gibt es 4 weitere Steuerleitungen: Request to Send (RTS) Clear to Send (CTS) Data Set Ready (DSR) Data Terninal Ready (DTR) vollständiger V.24 Anschluß: (25-pol. Stecker) aktiv, wenn DTE Daten senden möchte aktiv, wenn DCE neue Daten empfangen kann aktiv, wenn DCE eingeschaltet ist aktiv, wenn DTE betriebsbereit ist (steuert Anschalten an Telefonleitung und Auflegen) 8 4
Physikalische Schicht, Forts. verschiedene Betriebsarten eines Übertragungskanals: simplex: Signale werden nur in eine Richtung übertragen halb-duplex: Signale können zu einem Zeitpunkt alternativ in einer von beiden Richtungen übertragen werden voll-duplex: Signale werden gleichzeitig in beide Richtungen übertragen zur Erhöhung der Auslastung eines Kanals können eingesetzt werden: Zeitmultiplex-Verfahren (time division multiplexing, TDM) Frequenzmultiplex-Verfahren (frequency division multpliexing, FDM) 9 Sicherungsschicht ( data link layer ) Aufbau einer fehlerfreien Verbindung zwischen zwei direkt verbundenen Netzknoten Aufteilung des Datenstroms in Pakete, die sequentiell versandt werden Paketsynchronisation durch Protokolle: Senden spezieller Anfangs- und Ende-Zeichen für Pakete Empfänger erkennt Paketanfang und Paketende im Datenstrom und sendet Bestätigung für empfangenes Paket zurück Fehlererkennung in jedem Paket ggf. Fehlerkorrektur (z.b. durch wiederholtes Senden von fehlerhaft oder nicht empfangenen Paketen) 10 5
Sicherungsschicht (Forts.) Beispiel 1: BiSync, ein einfaches byte-orientiertes Protokoll ASCII ( American Standard Code for Information Interchange ) enthält in einer 7-Bit Kodierung neben Buchstaben, Ziffern und Symbolen auch einige Sonderzeichen zur Steuerung einer Kommunikation: Bit 6 4 Bit 3 0 11 Sicherungsschicht (Forts.) Beispiel 1 (Forts.): BiSync ist ein einfaches Protokoll, das folgende Sonderzeichen benötigt: SYN ( Synchronize ) SOH ( Start of Header ) STX/ETX ( Start/End of Text ) ACK/NAK ( [Negative] Acknowledge ) ENQ ( Enquiry ) EOT ( End of Transmission ) zwei SYN Zeichen definieren den Anfang eines Paketes allgemeiner Aufbau eines Paketes: 12 6
Sicherungsschicht (Forts.) Beispiel 2: HDLC, ein bit-orientiertes Protokoll BiSync ist ungeignet zur Übertragung von Bitströmen beliebiger Art! bei HDLC ( High-Level Data Link Control ) erfolgt die Übertragung von Bitströmen in Rahmen ( frames ), die mit der 8-Bit Kennung 01111110 beginnen und aufhören. Folgen in den zu übertragenden Daten fünf 1-Bits aufeinander, fügt Sender stets ein 0-Bit ein ( bit stuffing ); so wird z.b. 011011111101111100 im HDLC-Rahmen 011111100110111110101111100001111110 übertragen. Empfänger löscht stets das 0-Bit nach Erkennen von 11111 strikte Trennung von Master (Sender, initiiert Kommunikation) und Slave (Empfänger, darf nur auf Anforderung Antwortpakete senden) Übertragung: 13 Sicherungsschicht (Forts.) Beispiel 2 (Forts.): allgemeiner Aufbau eines HDLC-Rahmens: Ablauf des Protokolls wird gesteuert durch den Inhalt <type>,n(s),n(r),p/f des 8-Bit control -Feldes: <type> : RR = Receiver Ready REJ = Reject alle Rahmen seit N(R) N(S) : Send Sequence Number (aus 0 7) N(R) : Receive Sequence Number des nächsten erwarteten Paketes (aus 0 7) P/F : Poll = Master bittet um Antwort Final = Slave sendet letzten Rahmen Prüfsumme ( cyclic redundancy checksum ) enthält den bei Divison des data -Bitstrings durch ein Polynom entstehenden 16-Bit Rest 14 7