Schicht 1 - Bitübertragungsschicht

Merkmale der Bitübertragungsschicht:

Die Bitübertragungsschicht bietet folgende Dienste:

• reihenfolgegerechte Übertragung binärer Zeichen über physikalische Verbindungen mit bestimmten Eigenschaften wie Fehleranfälligkeit oder Übertragungskapazität
• Fehlermeldung an die Verbindungsschicht

Die Bitübertragungsschicht kann u.U. für mehrere parallele Datenströme verwendet werden (Multiplexing auf Leitungsniveau).

Die Bitübertragungsschicht bezieht sich auf folgende Aspekte:

• mechanische Aspekte: Physikalische Eigenschaften des Interface zu einem Übertragungsmedium, z.B. Stecker
• elektrische / optische Aspekte: elektromagnetische / optische Darstellung von Bits; Daten-Übertragungsraten
• funktionale Aspekte: Funktionen der einzelnen Einheiten des physikalischen Interface (z.B. Modem)
• prozedurale Aspekte: Ablauf der Vorgänge beim Austausch und der Übermittlung von Bitströmen

Wichtigste Merkmale der Bitübertragungsschicht:

• die Daten werden als reiner Bitstrom betrachtet. Es wird dabei nicht unterschieden, ob es sich um Daten im engeren Sinne oder um Steuerinformationen (Kontrollzeichen usw.) handelt. Deshalb hat die Bitübertragungsschicht auch keinen Header
• die Normierung bezieht sich auf die konkreten Signale des Kommunikationsprozesses. Deshalb werden auch physikalische Größen wie Spannung und Stromstärke berücksichtigt
• nicht nur elektromagnetische und optische Größen werden genormt, sondern teilweise auch mechanische Größen, wie z.B. Steckerformen
• meist bezieht man sich nicht auf ganze Systeme (end-to-end), sondern nur auf das Verhalten an und zwischen bestimmten Punkten der Übertragungsstrecke.

Protokolle für die Bitübertragungsschicht:

OSI Service Definition:

• X.211: Physical service definition of OSI for CCITT applications = ISO 10022: ISO physical layer definition

WAN:

• SONET (Synchronous Optical Network): ANSI T1.105

MAN:

• ISO 8802.6: Metropolitan Area Network (MAN)

LAN:

• ISO 8802.3: CSMA/CD
• ISO 8802.4: Token Bus
• ISO 8802.5: Token Ring
• ISO 8802.7: Broadband LAN

Public-switched telephone network:

• V.24: List of definitions for interchange circuits between data terminal equipment (DTE) and data circuit-terminating equipment (DCE)

Public data networks:

• X.21: Interface between data terminal equipment and data circuit-terminating equipment for synchronous operation on public data networks (für digitale Datenübertragung)
• X.21bis: Use on public data networks of data terminal equipment (DTE) which is designed for interfacing to synchronous V-Series modems

ISDN: ► siehe auch Kapitel über Telefonie - ISDN

• I.430; I.431; I.432: Layer 1 (Physical layer) specificationys

Grundlagen zum Verständnis der Bitübertragungsschicht:

Aufbau einer Nachrichtenstrecke

Schema einer Nachrichtenstrecke:

Darstellung einer Nachrichtenstrecke:

Abb.: Aufbau einer Nachrichtenstrecke

Datenendeinrichtungen (DEE) - Data Termination Equipment (DTE):

Datenendeinrichtungen können u.a. sein:

• (dumme) Terminals
• Workstations
• Terminalemulation (Virtual terminal)
• Telefone
• Faxgeräte
• Netzwerkdrucker
• Sensoren (Messfühler)
• Checkkartenleser
• Optische Lesegeräte (z.B. OCR-Leser)
• ....

Hauptcharakteristika für Datenendeinrichtungen:

• Art der Dateneingabe:
  • Tastatur
  • Mouse
  • Stimme
  • sensitiver Bildschirm
  • ....
• Art der Datendarstellung:
  • Zeichen
  • Graphik
  • Multimedia
  • Virtual Reality (z.B. Flugsimulatoren)
  • ....
• Intelligenzgrad des Terminal:
  • dummes Terminal
  • Workstation ...
• Verarbeitungs- und Übertragungsgeschwindigkeit
• Übertragungsart:
  • synchron
  • asynchron ...
• Kontrollmechanismus des Terminal:
  • stand-alone Konfiguration (Terminal ist selbständig mit Netzwerk verbunden und hat alles dazu notwendige an Bord)
  • Konfiguration, bei der Terminal mit anderen Terminals Betriebsressourcen teilt (Cluster)
  • ...
• Konfiguration im Netzwerk:
  • point-to-point
  • multipoint
  • ...
• Grad der Mobilität des Terminal:
  • fest
  • beweglich
  • tragbar
  • leiterabhängig
  • leiterunabhängig
• Geeignetheit für Behinderte:
  1. Behinderungen inbezug auf die Datenausgabe:
     • Sehbehinderungen
     • Lesebehinderungen (z.B. Dyslexie)
     • Muskelschwäche usw. (kann Printout nicht halten)
     • mangelnde Sprachkenntnis
     • Hörbehinderungen
  2. Behinderungen inbezug auf die Dateneingabe: alle Behinderungen, die den Umgang mit Tastatur, Maus, Touch-Screen usw. erschweren oder verunmöglichen:
     • Lähmungen
     • fehlende Gliedmaßen
     • Arthritis
     • Karpal-Tunnel-Syndrom
     • Repetitive-Motion-Syndrom
     • Parkinson
     • Muskelschwund
     • ...

Physikalische Schnittstellen:

Physikalische Schnittstellen realisieren Verbindungen auf physischer Ebene.

Wichtige Schnittstellen sind:

• Centronics Schnittstelle
• V.24 (RS 232-C) / V. 28
• PCMCIA-Schnittstelle
• X.21
• I.430: NT1
• TAE
• Westernstandard (Modularsystem)
• UAE

Centronics - Schnittstelle:

Zur parallelen Datenübertragung. Oft zum Anschluss von Druckern verwendet.

Abb.: Centronics-Stecker

V.24 (RS 232-C) / V.28:

ITU-T V.24 = EIA (Electronics Industrie Association USA>) RS 232-C = DIN 66 020 T1/05.81

u.a. Schnittstelle für Modems. Eine V.24 Schnittstelle umfasst bis zu 23 Leitungen, meist sind nur 5 oder 7 davon belegt. Die Kabel sollen zwischen DTE und DCE bei 20Kbps nicht länger als 15m sein. (Für längere Leitungen bis 1km gibt es die Standards RS-449/Rs-442/Rs-423). V.28 legt die mechanischen und elektrischen Eigenschaften für V.24 fest.

Die wichtigsten Stifte (Pin) bei einer V.24 Schnittstelle sind:

Sollen zwei DTE (Datenendeinrichtungen) ohne dazwischenliegende DCE's (Datenübertragungseinrichtungen) verbunden werden, kann man dies mit einem sog. Nullmodemkabel tun, bei dem Leitungen so gekreuzt sind, dass die Daten vom Sendedatenstift (Pin 2) des einen Gerätes zum Empfangsdatenstift (Pin 3) des anderen Gerätes geleitet werden.

PCMCIA-Schnittstelle:

PCMCIA = Personal Computer Memory Card International Association ist ein Zusammenschluss von über 300 Unternehmen. Ihre Aufgabe ist die Standardisierung und Vermarktung von Personal-Computer-Cards. PCMCIA-Schnittstellen wurden ursprünglich für Speicherkarten konzipiert. So entstanden Adapter in Scheckkartenformat. Sie dienen als Massenspeicher, aber auch als Kommunikationsschnittstellen:

• PCMCIA-Faxmodem
• PCMCIA-ISDN-S0- Karte
• Schnittstellen-Karten zum Mobilfunknetz u.ä.

PCMCIA- Karten werden völlig in das Gerät geschoben und bedürfen keiner externen Stromversorgung. Die meisten Rechner erkennen die Karten automatisch. Ein Wechsel ist meist sogar während des Betriebes möglich. Nach der Dicke gibt es z.Zt. drei Typen von PCMCIA-Karten. Für Datenkommunikation verwendet man PCMCIA-Typ-II-Karten.

Abb.: PCMCIA-Karte Madge Smart RingNode 16/4 Token Ring (32 KB)

X.21:

X.21 ist die Schnittstelle zu X.25-Netzwerken (Datex-P, Datapac). Nur für Synchronbetrieb vorgesehen. 15 Leitungen sind definiert, meist reichen 8 Leitungen aus.

NT1 (Network Terminator 1):

I.430 NT1 (Network Terminator 1) für ISDN; B-NT1 für B-ISDN. Intelligente Schnittstelle für ISDN.

Abb.: Netzabschlusskasten (NTBA) der Deutschen Telekom (enthält NT1)

TAE - Telekommunikations-Anschluss-Einheit:

Normanschluss der Telekom für Telefone. Es gibt Aufputz- und Unterputzdosen.

Die Dosen sind codiert:

• F = Anschluss für Fernsprechen (Telefonapparate)
• N = Anschluss für Nichtfernsprechen (Anrufbeantworter, Faxgeräte, Modems und sonstige Zusatzeinrichtungen)

TAE NFN ist also eine Steckdose mit zwei Nichtfernsprech- und einem Fernsprechanschluss.

Westernstandard - Internationale Norm (Modularsystem):

Western Plug (RJ 45) dient dem Anschluss von Telefonen in den USA und vielen anderen Ländern. Wird von vielen Herstellern als Anschluss auf Endgeräteseite verwendet (z.B. am Telefonapparat).

Abb.: Westernstecker RJ45

Universal-Anschlussdose (UAE):

Die UAE entspricht der internationalen Norm CEI/IEC 603-7:1990 und dient zum Anschluss von Terminals / Endgeräten an analoge und digitale (ISDN) Netze. UAE-Dosen sind daher universell einsetzbar und können bei einer Umstellung von analog auf ISDN weiter verwendet werden. Ein Reduzierstück verhindert, dass aus Versehen ein ISDN-Terminal an das Analognetz angeschlossen wird.

Abb.: UAE für Unterputzverlegung

IBM Hermaphrodit:

Der IBM-Hermaphrodit ist eine universelle, qualitativ hervorragende Verbindung für Niederfrequenzkabel in LANs. Er kann sowohl als Stecker wie als Buchse dienen (deshalb der Name).

Abb.: IBM Hermaphrodit

Digitale Signalisierung:

Die Methoden der Benutzung elektrischer Energie zur Kommunikation werden Signalisierung genannt. Der Prozess der Umwandlung eines Signals zur Darstellung von Daten wird häufig Modulation oder Verschlüsseln genannt. In Computernetzwerken wird die digitale Signalisierung durch Impulse aus Licht oder elektrische Spannungen verwirklicht.

Aktueller Status (current state):
Beim aktuellen Status wird das Vorhanden oder Nichtvorhanden sein ein Status oder Signaleigenschaft gemessen. In Glasfasernetzwerken werden Daten bspw. Durch Ein oder Ausschalten von Licht dargestellt. Die Netzwerkgeräte überwachen das Medium und messen periodisch den Zustand.

Statusübergang (state transition):
Der Übergang von einem Status in den nächsten kann ebenfalls dazu benutzt werden Daten auf einen digitalen Signal zu verschlüsseln. Z. B. können an Stelle der absoluten Spannung auch der Übergang zwischen zwei Spannungen in einem Kabel gemessen werden.

Vorteile:
- die Ausrüstung ist normalerweise einfacher und preiswerter
- normalerweise weniger Fehler durch Rauschen und Interferenzen

Nachteile:
- mehr Dämpfung als bei analogen Signalen über vergleichbare Entfernung 

Analoge Signalisierungsmethoden
Analoge Signale beruhen auf der periodischen Änderung von Wellen. Elektromagnetische Wellen, wie sie in analogen Signalen benutzt werden, werden häufig (s. Abb) in Sinuswellen dargestellt.

AM (Amplitudenmodulation): Die Amplitude einer Welle gibt die Signalstärke im Vergleich zu einem Referenzwert an. Analoge Signale beruhen auf der Amplitudenänderung, die sich fortlaufend vom positiven zu negativen Werten ändert. Die Amplitude wird häufig in Volt angegeben, wenn die elektrische Spannung (u) gemessen wird, in Ampere, wenn dir elektrische Strom (I) gemessen wird, in Watt, wenn die elektrische Leistung (P) gemessen wird, und in Dezibel, wenn der Unterschied der Leistung zwischen zwei Signalen gemessen wird

FM (Frequenzmodulation): Die Frequenz einer Welle ist der Zeitraum den sie für die Vollendung einer Schwingung benötigt. Mit anderen Worten: Benötigt ein Signal eine Sekunde für den Übergang von der hohen zur niedrigen und zurück zur hohen Amplitude, dann ist die Frequenz (f) der Welle eine Sekunde bzw. ein Hertz (Hz)

PM (Phasenmodulation): Die Phase eines Signals bezieht sich auf den relativen Stand eines Signals zu Beginn der Zeitmessung. Die Phase eines Signals wird in Grad (°) gemessen.

Aktueller Status (current state) in der analogen Signalisierung Die am häufigsten eingesetzten Methoden zur Messung des aktuellen Status verwenden unterschiedliche Signalamplituden – oder Frequenzen um Daten darzustellen.  Analoge Signalverschlüsselungsmethoden sind: · Amplitudenverschiebung (ASK- Amplitude Shift Keying) siehe Abb.ASK · Frequenzverschiebung (FSK- Frequency Shift Keying) siehe Abb.FSK Netzwerkgeräte, die analoge Signalisierung benutzen, messen periodisch die Amplitude oder die Frequenz des Signals oder beides gleichzeitig.

Vor / Nachteile der analogen Signalisierung

Vorteile 
Weniger Dämpfung bei Digitalen Signalen über vergleichbare Entfernung 
Ermöglicht Multiplexen, was die Ausnutzung des Mediums maximiert 

Nachteile
Mehr Fehler durch Rauschen und Interferenzen als bei digitaler Signalisierung

Merkmale eines Modem:

Ein Modem wandelt ein digitales Signal so um, dass es auf analoge Weise (als Sinuswelle) übertragen werden kann. Modems können als Modemkarten intern sein oder als Standalone-Geräte extern.

Abb.: Symbolische Darstellung der Umwandlung digital zu analog

Als Signal (das als solches auch auf dem analogen Weg nicht analog ist) können verschiedene Kennzeichen (Signalparameter) der Sinuswelle verwendet werden:

• die Amplitude (Schwingungsweite) bei Amplitudenmodulation (AM): wird nur in Verbindung mit der Phasendifferenzmodulation angewendet
• die Frequenz (Schwingungshäufigkeit) bei Frequenzmodulation (FM): es werden zwei verschiedene Frequenzen verwendet um 0 bzw. 1 darzustellen. Wird bei Datenübertragungsraten bis 1200 Bit/Sekunde (bps) angewendet
• die Phase:
  • (Lage des 0-Punktes der Sinuswelle) bzw. Phasensprünge (plötzliche Verschiebungen des 0- Punktes) bei der Phasendifferenzmodulation (PM)
    • vierstufige (quadernäre) Verschlüsselung: das Modem fasst je zwei Bit zu einem Dibit zusammen und erzeugt daraus einen Phasensprung (um 45, 135, 225 bzw. 315 Grad). Wird bei Datenübertragungsraten von 2400 bps verwendet
    • achtstufige (oktonäre) Verschlüsselung: Das Modem fasst je drei Bit zu einem Tribit zusammen und erzeugt daraus als Signal einen Phasensprung: z.B. 001 = 0 Grad; 000 = 45 Grad; 010 = 90 Grad Phasensprung usw. Wird bei Datenübertragungsraten von 2400 bps angewendet
  • Amplitude und Phasensprünge bei der Amplituden-Phasenmodulation (APM): Das Modem fasst je vier Bit zu einem Quadribit zusammen und erzeugt daraus eine Kombination einer bestimmten Amplitude mit einem bestimmten Phasensprung (z.B. 0010 = Amplitude 3, Phasensprung 90 Grad; 1010 = Amplitude 5, Phasensprung 90 Grad; 1100 = Amplitude 5, Phasensprung 270 Grad). Wird bei Übertragungsraten ab 9600 bps angewendet. Man kann auf diese Weise auch 5 Bits zusammenfassen, wobei das 5. Bit zur Fehlerkorrektur eingesetzt wird. Auch Zusammenfassungen von sechs Datenbits und einem Fehlerkorrekturbit werden neuerdings realisiert

Verbindung über Interface:

• V.24 (RS-232-C): 25-Pin-Verbindung (Stecker)
• RS-449: Für hohe Übertragungsraten: 37-(plus 9)- Pin-Verbindung

Abb.: Modem-Rak

Standards für Modems:

• niedere Bit-Übertragungsrate: Modems mit niedriger Übertragungsrate und V.24 Interface: V.24: List of definitions for interchange circuits between data terminal equipment (DTE) and data circuit-terminating equipment (DCE))
  • über Wählverbindungen:
    • V.21: 300bps (Frequenzmodulation)
    • V.22: 1200bps (Frequenzmodulation)
    • V.22bis : 2400bps (Phasendifferenzmodulation, vierstufige Verschlüsselung)
    • V.32: 9600bps (Amplituden-Phasen-Modulation)
    • V.32bis : 14400bps (Amplituden-Phasen-Modulation)
    • V.34: 28800bps
    • V.90: 56000bps: asymmetrisch: Voraussetzung ist, dass die Provider-Seite volldigital ist, dann sind vom Provider zum Nutzer bestenfalls Übertragungsraten bis 56Kbps möglich, während vom Nutzer  zum Provider höchstens 33.6Kbps möglich sind.
  • über Standleitungen:
    • z.B. V.29 : 9600bps (Amplituden-Phasen-Modulation)
• hohe Bit-Übertragungsrate: Breitband-Modems: V.35 Interface; X.21 Interface
  • V.36: 48000-72000bps
  • V.37: 96000-168000bps
  • T1 (Zeitmultiplexkanal, USA): 1,5 Millionen Bit pro Sekunde
  • E1 (Zeitmultiplexkanal, CCITT): 2 Millionen Bit pro Sekunde

Weitere Funktionen von Modems

Modulation und Demodulation, die Grundfunktion eines Modem, gehört eindeutig zur Bitübertragungsschicht. Daneben übernehmen moderne Modems auch andere Funktionen der Bitübertragungsschicht sowie auch Funktionen höherer Schichten:

• automatische Leitungsanpassung (fall back): wenn das Modem feststellt, dass sich die Qualität der empfangenen Signale verschlechtert, geht es automatisch auf eine niedrigere Übertragungsgeschwindigkeit über. In regelmäßigen Abständen überprüft das Modem, ob nun wieder die Übertragung bei der höheren Geschwindigkeit mit akzeptabler Qualität möglich ist
• Fehlerkorrektur: V.42; MNP4
• Datenkompression: V.42bis ; MNP5
• Multiplexing: z.B. V.33 : 14400 bps werden erreicht, indem gleichzeitig auf mehreren Kanälen mit einer niedereren Datenübertragungsrate gesendet wird

MNP-Modem-Klassifikation

MNP (Microcom Networking Protocol) ist ein De-facto-Standard, der von mehreren Modemherstellern angewandt wird. MNP teilt Modems nach ihren Leistungen in Klassen von 1-9 ein. Ein Modem einer höheren Klasse muss fähig sein mit jedem Modem einer niedereren Klasse zu kommunizieren. Beim Aufbau einer Verbindung (handshaking) legen die beiden Modems die höchste beiden Modems gemeinsam verfügbare Klasse fest.

Klasse:

• 1 halpduplex, BSC-Verfahren (binary synchronous communications), asynchron
• 2 vollduplex, BSC-Verfahren, synchron
• 3 vollduplex, HDLC (high level data link control), asynchron
• 4 wie Klasse 3, aber Optimierung der Paketgröße und des Formats
• 5 wie Klasse 4, Datenkompression (2:1)
• 6 halbduplex, Datenkompression (2:1), synchron
• 7 wie Klasse 4, Datenkompression (3:1)
• 8 wie Klasse 6, Datenkompression (3:1)
• 9 wie Klasse 7, alle Fähigkeiten nach V.32
• 10 für besonders schlechte Leitungsverbindungen. Beginn mit niedrigster Baud-Rate und dann allmähliches Hochschalten. Paketgröße variiert je nach Übertragungsqualität

Wichtige Parameter zur Konfiguration eines Modem

Connection:

• Port: Serieller Port des PC, an den das Modem angeschlossen ist: COM1, COM2, COM3, COM4; meist COM2
• Speed: bps-Rate
• Communications Settings:
  Format: Data_Bits -- Parity -- Stop_Bits:
  • 8-N-1 = ein Zeichen besteht aus 8 Bit, hat kein Parity Bit, 1 Stopbit: für die meisten BBSe
  • 7-E-1 = ein Zeichen besteht aus 7 Bit, hat ein Parity Bit mit even parity, 1 Stopbit: vorwiegend für Kommunikation mit UNIX-Computern oder IBM-Mainframes

Modem:

Mit Smartmodem 300 führte Hayes ein Modem ein mit einer eigenen Kommandosprache. Dieses Hayes (BASIC) AT Command Set wurde unterdessen ein De-facto-Standard. Dazu führten die verschiedenen Hersteller Erweiterungen ein (Extended AT Command Sets, Enhanced AT Command Sets), die proprietär und nicht standardisiert sind. Bei Zyxel z.B. erkennt man die Extended Commands am Präfix &, die Enhanced Commands am Präfix +.

Hayes Commands oder Command Lines müssen mit der Einleitungssequenz AT (Attend!) beginnen.

Einige Hayes AT Commands:

• ATZ = Rücksetzung der Modemeinstellungen auf Default (Hersteller-Vorgabe)
• +++ATH = Unterbrechen einer Sitzung und Aufhängen (ESCape sequence code; entspricht der Benutzung der ESC-Taste <Unterbrechungstaste>)
• Dial Prefix: Wählverfahren
  • ATDP = Dialtone Pulse = Impulswahl-Verfahren (IWF)
  • ATDT = Dialtone Tone = Mehrfrequenzwahl-Verfahren (MFV)

Initialization String: Bestimmt die Modemeinstellungen für die entsprechende Verbindung. Produktabhängig. Es lohnt sich, beim Kauf eines Kommunikationsprogramms darauf zu achten, dass für das eigene Modem der Initialization String schon angegeben ist

Terminalemulation:

Einstellung des Virtual Terminal

• TTY = (Generic Teletype): einfachste Terminalemulation. Keine Möglichkeit, einen Cursor zu benutzen
• ANSI = (IBM-PC)
• VT 52
• VT 100 = im Zweifelsfall die beste Einstellung
• VT 102

die VT-Reihe ist abwärts kompatibel

File Transfer:

Einstellung des Filetransferprotokolls, das der Host unterstützt und das für Filetransfer benutzt werden soll (Xmodem, Zmodem usw. s.unten).

Session: Einstellungen für die betreffende Verbindung, z.B.:

• Script zum automatischen Einloggen
• Login
• Passwort
• Windows Settings
• Besondere Tastaturbelegungen

Workstation:

Einstellungen für die Client-Software, z.B.

• Script, die bestimmte Client-Software aufruft oder initialisiert
• Arbeits-Directory, Download-Directory

Bedeutung der Anzeige am Modem

AA = Auto Answer:

Das Modem ist bereit, selbst das Telefon bei einem Anruf abzuheben

CD = Carrier Detect.

Modem hat Kontakt mit anderem Modem aufgenommen

CTS = Clear to Send.

Modem ist bereit, vom Computer Daten zu empfangen

DTR = Data Terminal Ready.

Computer ist bereit, ans Modem Daten zu übergeben

EC = Error Control.

Modem-eigenes Error Control Protokoll <z.B. MNP4, V.42> ist eingeschaltet

HS = High Speed.

Höchste Übertragungsrate

OH = Off Hook.

Telefonleitung abgehoben

RD = Receive Data

RXD = Receive Data

SD = Send (Transmit) Data

SQ = Signal Quality.

TD = Send (Transmit) Data

TXD = Send (Transmit) Data

Kabelmodem:

Für die Nutzung von TV-Kabel-Netzen zur Datenübertragung sind spezielle Kabelmodems nötig. Ihre höchstmöglichen Übertragungsgeschwindigkeiten (bis 40 MBit pro Sekunde) übersteigt bei weitem die Internetzugänge der meisten Internet Service Provider (so hat z.B. die Swisscom für Internetübertragung über den Atlantik eine Gesamtkapazität von 14 MBit pro Sekunde!). Kabelmodems sollen in Zukunft nicht nur als Peripheriegeräte für Computer dienen, sondern  Bestandteil der sogenannten Settop-Boxen sein, die das Fernsehgerät zum Internet-Terminal machen.

"Das Rennen um den zukünftigen Kabelmodem-Standard ist momentan noch in vollem Gange. In Europa wurden Kabelmodems gemäß dem DVB/DAVIC-Standard vorgeschlagen; in den USA wird der von der Cable-Labs definierte Standard MCNS/DOCSIS bevorzugt. Alle bis jetzt eingesetzten Kabelmodems nutzen proprietäre Techniken und werden mit diesen zukünftigen Standards nicht kompatibel sein. Dass der Anwendungsbereich der Kabelmodems nicht nur auf den Transport von Datenpakten (IP-Access) beschränkt sein sollte, ist ein ganz wesentlicher Aspekt, der beim Vergleichen der verschiedenen Standards in Betracht zu ziehen ist. Auch sollten diese Geräte in der Lage sein, verschiedene Dienstgüteklassen (garantierte Bitraten, minimale Bitraten usw.) zu unterscheiden.

MCNS bedeutet Multimedia Cable Network System, DOCSIS steht für Data Over Cable Service Interface Specifications. In den USA wird die Weiterentwicklung dieses Standards durch die Cable Labs [Zugriff am 1.6.1999], eine Organisation der amerikanischen Kabel-TV-Betreiber vorangetrieben. Die Version 1.0 des Standards liegt seit einigen Monaten vor und hat sich bereits in vielen Tests bewährt. Die Cable-Labs hat für viele Hersteller von entsprechenden Ausrüstungen bereits eine Zertifizierung abgegeben. Einige Systeme sind in Betrieb. Für Europa wird dieses System den europäischen Gegebenheiten der Kabel-TV-Netze angepasst. Darum haben sich einige dieser Lieferanten Ende letzten Jahres [1998] organisiert, um einen europäischen MCNS/DOCSIS-Standard zu definieren. ... Die Unterschiede zum amerikanischen Pendant betreffen vor allem die physikalische Schicht.

DVB steht für Digital Video Broadcasting Project, DAVIC ist die Abkürzung von Digital Audio Visual Council. Der technische Ausschuss der europäischen Vereinigung der Kabel-TV-Anbieter (ECCA [Zugriff am 1.6.1999]), die Euro Cable Labs (ECL), favorisiert den Kabelmodem-Standard DVB/DAVIC. Es haben sich deshalb letztes Jahr namhafte Hersteller zu einem Konsortium zusammengeschlossen, um gemeinsam Kompatibilitätstests durchzuführen. ... Erste Geräte befinden sich in Serienproduktion.

Die europäische Norm hat gegenüber dem amerikanischen MCNS/DOCSIS-Standard für Kabelnetze in Europa (oder in der DBV-Welt) einige Vorteile. Diese liegen vor allem in der Möglichkeit, TV-Signale und Computerdaten gemeinsam über denselben Kanal zu übertragen. ... Ende letzten Jahres [1998] gründete die ECCA eine neue Kabelmodem-Gruppe, welche die Verbreitung eines Euro-Modems auf der Basis des DVB/DAVIC-Standards fördern soll."

Channel service unit/Data service unit (CSU/DSU):

Für durchgehende Digitalverbindungen

Abb.: Teleprocessing Products Model 1 CSU/DSU

Codec -- Coder-decoder

Für die Übertragung analoger Daten über digitale Leitungen (z.B. ISDN) bedarf es eines Codec, eines Umwandlers von analogen Signalen in eine digitale Übertragungsfunktion und umgekehrt. Für ISDN gibt es Codecs als sog. a/b-Adapter. In den meisten ISDN-Telekommunikationsanlagen (TK-Anlagen) sind Codecs eingebaut.

Packet assembler/deassembler (PAD)

Zum Zugang zu Packet-switched networks

DSL-Modems

Zum Zugang zu Digital Subscriber Line (z.B. ADSL Asymmetrical DSL) sind spezielle DSL-Modems nötig.

Übertragungsmedien, physikalisch-technische Aspekte

Übertragungsarten:

• materielle Übertragung: z.B. Transport von CD-ROMs
• geführte (leitungsgebundene) Übertragung
• ungeführte Übertragung: Funkübertragung usw.

Geführte (leitungsgebundene) Übertragung: Fernsprech-, Daten- und Fernseh-Kabel

Kabel aus metallischen Leitern

Aufbau der Übertragungsstrecke:

u.a

Verdrillte Zweidrahtleiter (twisted-pair wire):

Durch eine Verseilung (systematische Verdrillung) von Kupferadern erreicht man eine Kompensation von Störeinflüssen, die unverdrillte Adern aufeinander sowie äußere Störquellen ausüben würden.

ISO/IEC 11801 ist die internationale Norm für Kabelkategorien und Anwendungsklassen von Verdrillten Zweidrahtleitern:

Kabelkategorien definieren die einzelnen Kabel einer Verkabelung nach der möglichen Bandbreite:

Kategorie 1 bis 6 sind als abgeschirmte und unabgeschirmte verdrillte Zweidrahtleiter realisierbar, Kategorie 7 nur als abgeschirmt. Die meisten Unternehmen verwenden zur Zeit zur Anbindung der Arbeitsplätze Kategorie 5 Kabel.

Die gesamte Übertragungsstrecke wird in ISO/IEC 11801 in Anwendungsklassen eingeteilt:

Es gibt folgende Klassen von Verdrillten Zweidrahtleitern::

• Sternvierer: die normale Telefonverkabelung: vier Adern sind gemeinsam verdrillt (eigentlich ein Twisted-Quartett)
• Nicht abgeschirmte verdrillte Zweidrahtleiter (UTP = Unshielded Twisted Pair)
• Nicht abgeschirmte verdrillte Zweidrahtleiter mit Gesamtabschirmung (S-UTP = Screened Unshielded Twisted Pair): die einzelnen verdrillten Leiter sind nicht abgeschirmt, aber das Gesamtkabel ist mit einem Gesamtschirm aus Folie bzw. Geflecht abgeschirmt.
• Abgeschirmte verdrillte Zweidrahtleiter (STP = Shielded Twisted Pair): durch eine Abschirmung der einzelnen verdrillten Zweidrahtleiter durch ein rohrförmiges Kupferdrahtnetz (Faradayscher Käfig) werden äußere elektromagnetische Störeinflüsse abgehalten. Ist die Abschirmung eine Metallfolie, spricht man von Pimf-Kabel (Pimf = paarweise in Metallfolie)

  

  Abb.: Abgeschirmter verdrillter Zweidrahtleiter

Koaxialkabel:
ein Koaxialkabel besitzt eine zentrale Innenader aus Kupfer und einen rohrförmigen Außenleiter (Kupferdrahtnetz) als Rückleiter, der gleichzeitig als Faradayscher-Käfig zur Abschirmung dient. Zwischen Innenleiter und Außenleiter ist eine Plastikisolierung. Das ganze Kabel ist nach Außen isoliert.

Abb.: Koaxialkabel

Es gibt folgende Klassen von Koaxialkabeln:

• Basisband (baseband) Koaxialkabel:
  Beim Baseband wird für das einzelne Signal die ganze Bandbreite des Kabels verwendet, d.h. gleichzeitig geht immer nur ein Signal über das Kabel. Für digitale Übertragung. Von Ethernet verwendet
• Breitband (broadband) Koaxialkabel:
  Die Bandbreite des Kabels ist in Kanäle mit verschiedenen Frequenzbereichen aufgeteilt; es werden also gleichzeitig mehrere Signale übertragen: analoge Breitbandverteilernetze (TV-Kabelnetz)

 Licht(wellen)leiter (LWL): Glasfaserkabel (fiber optic cable)

Aufbau der Übertragungsstrecke:

Abb.: Übertragung über Lichtwellenleiter

In Glasfaserkabeln werden Lichtimpulse transportiert. Deshalb können elektromagnetische Störeinflüsse nicht wirksam werden. Da ein Glasfaserstrang die Daten nur in einer Richtung weiterleitet, besteht ein Kabel aus mindestens zwei isolierten Strängen aus Glasfasern. Das elektrische Eingangssignal wird durch infrarotstrahlende Luminiszenzdioden (IRED bzw. LED) oder Halbleiterlaser in ein optisches Signal verwandelt, das optische Signal wird auf Empfängerseite durch eine Photodiode wieder in ein elektrisches Signal zurückverwandelt.

Abb.: Glasfaserbündel

Vorteile von Lichtwellenleitern gegenüber elektrischen Leitern:

• fast keine Abschwächung des Signals über große Entfernungen
• kein leiterbedingtes Rauschen
• kein Übersprechen (Überspringen des Signals von einem Kanal auf einen anderen)
• keine Anfälligkeit für elektromagnetische Störeinflüsse
• keine elektromagnetische Ausstrahlung, damit keine Möglichkeit auf elektromagnetischem Weg Signale abzufangen (Datensicherheit!)

Die beiden wichtigsten Kriterien bei Lichtleiterverkabelung sind der minimal zulässige Biegeradius sowie die höchstzulässige Dehnung. Die Verbindung von Lichtwellenleitern ist eine sehr schwierige Arbeit, die man nur ausgewiesenen Fachkräften überlassen sollte.

Man unterscheidet Lichtwellenleiter danach, wie der Lichtstrahl im Leiter läuft: läuft das Licht stark im "Zickzack" spricht man von hohen Modes (multimode), läuft das Licht parallel zur Achse des Lichtwellenleiters spricht man von monomode:

• Multimode-Lichtwellenleiter mit Stufenindex-Profil (Step-index multimode)

  

  Abb.: Multimode-Lichtwellenleiter mit Stufenindex-Profil

• Multimode-Lichtwellenleiter mit Gradientenindex-Profil (Graded-index multimode): wird vor allem in LANs eingesetzt

  

  Abb.: Multimode-Lichtwellenleiter mit Gradientenindex-Profil

• Monomode-Lichtwellenleiter mit Single-Stufenindex-Profil (Single-index monomode): für sehr lange Distanzen und große Bandbreite, sehr teuer und sehr schwierig zu bearbeiten

  

  Abb.: Monomode-Lichtwellenleiter

• Plastikkabel: billig, nur für wenige Meter einsetzbar

• Plastikbeschichtetes Silica-Kabel: etwas teurer und etwas besser als Plastikkabel

Abb.: Steckverbindungen für Glasfaserkabel: Optoclip II ™ der Firmen Ackermann und Huber + Suhner [Zugriff am 3.6.1999]

Es gibt auch Hybridkabel, die sowohl Glasfaser als auch Kupferkabel enthalten.

Das längste Glasfaserkabel der Welt besitzt gegenwärtig die Deutsche Telekom: 1998 nahm sie die 17 000 km lange Glasfaserleitung Frankfurt -- Schanghai in Betrieb. Kapazität: zweimal 155 MBit/Sekunde.

Weiterführende Ressourcen zu Lichtwellenleitern:

Fernsehkabel:

Datentransport (z.B. Internet-Zugriff) über TV-Kabel ist vor allem wegen der im Vergleich zu herkömmlichen  analogen Modems sehr hohen Geschwindigkeit der Kabelmodems interessant: im besten Fall 40 MBit pro Sekunde!

"Um diese hohen Durchsatzraten nutzen zu können,  muss aber auch die Internet-Anbindung des Kabelnetz-Betreibers entsprechend ausgelegt sein. Der Engpass beim Datenaustausch mit dem Internet befindet sich somit nicht mehr auf der 'letzten Meile' vor dem Bildschirm des Anwenders, sondern in der Infrastruktur des Internet-Service-Providers. Cablecom und Swiss Online verfügen über eine Verbindung von 14 MBit/s über den Atlantik.

Beim schnellen Internet-Zugriff über Kabel-TV-Anlagen zeigen sich auf der ganzen Welt mehr oder weniger dieselben Probleme. Die Anpassung der Kabel-TV-Netze und der Umbau der kompletten Hausverteilungsanlage gehen langsam vorwärts. Vor allem bei größeren Netzwerkknoten mit vielen aufgeschalteten aktiven Hausverteilanlagen treten noch Übertragungsstörungen (Ingress-Probleme) auf. Die Hausverteilanlagen müssen mit speziellen Filtern und neuen Multimedia-tauglichen Antennendosen umgerüstet werden. Weil es noch keinen allgemein akzeptierten Standard gibt, sind in den meisten Netzen proprietäre Lösungen, beispielsweise von COM21, Motorola, Lan-City, NMS oder Terayon in Betrieb. Doch wo diese Hürden überwunden und der Internet-Zugang in Betrieb genommen wurde, ist die Begeisterung groß."

Bei Übertragung über Fernsehkabel werden für den Datenverkehr vom Nutzer weg und den Datenverkehr zum Nutzer verschiedene Frequenzbereiche verwendet. Die Bandbreite ist asymmetrisch: für den Datenstrom zum Nutzer ist eine viel größere Bandbreite reserviert als für den Datenstrom vom Nutzer weg. Der Datenstrom ist ähnlich wie bei Ethernet: der Datenstrom geht über das ganze Netz und der berechtigte Nutzer "fischt" die Datenpakete, die für ihn bestimmt sind heraus. Deswegen braucht der Nutzer sich auch nicht einzuwählen (er hat ja keine dedicated oder switched Line). Wenn der Computer (oder Fernseher) angeschaltet ist, ist er wie bei einem Ethernet-LAN dem Fernsehkabel verbunden. So gibt es auch keine nutzungsabhängige Gebühren, sondern nur Pauschalen. Diese Broadcast-Struktur macht Fernsehkabelübertragung wenig geeignet für sicherheitssensible Datenübertragungen: geschickte "Schnüffler" können fremde Daten relativ leicht abfangen. Auch macht die Tatsache, dass man versucht ist, den Computer einfach online angeschaltet zu lassen, das Fernsehkabel zu einem gut geeigneten Einfallstor für Hacker-Attacken.

Strukturierte Verkabelung

Bei der Verkabelung unterscheidet man grob zwei Strategien:

• Vollverkabelung: unabhängig von der tatsächlichen Belegung
• Bedarfsverkabelung: am jeweiligen tatsächlichen Bedarf orientiert

Strukturierte Verkabelung umfasst:

• Primärbereich: Geländeverkabelung
• Sekundärbereich: Gebäudeverkabelung zwischen den Etagen oder Bereichen eines Gebäudes
• Tertiärverkabelung: Etagenverkabelung bzw. Bereichsverkabelung

Spezifikationen und Normen für Verkabelung im Inhouse-Bereich wurden erst seit Anfang der achtziger Jahre entwickelt. Lange Zeit galt das IBM Verkabelungs-System als Industriestandard. Einen echten Fortschritt stellte 1991 EIA/TIA 568 dar. 1979/98 wurden neue Standards angekündigt.

ISO/IEC 11801 Generic Cabling for Customer Premises gibt Empfehlungen zum Aufbau eines Kabelsystems, zu den einzusetzenden Kabeltypen, zu Anforderungen an die Kabel und Steckverbinder usw.

Für die Verkabelung ist wichtig die Beachtung des deutschen Bundesgesetzes vom 9.11.1992 über die elektromagnetische Verträglichkeit von Geräten (EMVG).

Diese Standards sind unbedingt bei Gebäudeverkabelungen zu beachten!

IVS -- IBM Verkabelungs-System

IVS wurde von IBM Anfang der achtziger Jahre entwickelt und seither laufend erweitert. Es definiert verschiedene Kabeltypen (STP-Kabel), z.B.:

• Typ 1: zwei verdrillte Doppeladern, doppelt abgeschirmt (je eine Abschirmung pro Doppelader + eine gemeinsame Abschirmung)

  

  Abb.: Typ 1-Kabel

• Typ 3: verdrillte Doppeladern, nicht abgeschirmt (Telefonkabelqualität)

  

  Abb.: Typ 3-Kabel

• Typ 5: Glasfaserkabel mit 2 Lichtleitern 100/140 Micron

  

  Abb.: Typ 5-Kabel

EIA/TIA 568 Commercial Building Telecommunication Cabling Standard

Dieser Standard wurde 1991 von EIA (Electronics Industries Association) und TIA (Telecommunications Industry Association) [Zugriff jeweils am 3.6.1999] herausgegeben. In den darauffolgenden Jahren wurden Ergänzungen herausgegeben, zusammen mit dem Originalstandard bilden sie den EIA/TIA 568-A Standard (für die Verkabelung von Gebäuden gibt es noch weitere EIA/TIA-Standards).

EIA/TIA 568-A ist ein internationales Standard, der den Aufbau und das Management eines strukturierten Kabelsystems definiert. Es ist ein hierarchisch organisiertes Verkabelungssystem. Die Hierarchie ist in folgendem Diagramm dargestellt:

Abb.: EIA/TIA Hierarchie der strukturierten Verkabelung

Verkabelung Workstations zu Telecommunications closet:

Der Standard sieht vor, dass es von den Telecommunication Closets zu jedem Arbeitsplatz zwei Kupfer-basierte Informationswege geben muss:

• einen für Telefon
• einen für Datenübertragung

Jedes Glasfaserkabel muss in Ergänzung zu diesen beiden Kabeln installiert werden, nicht als Ersatz!

Die Kabellänge von Workstation zu Telecommunications closet darf nicht länger als 90 Meter sein. EIA/TIA 568-A nennt geeignete Kabeltypen

Telecommunication closets:

Telecommunication closets sind Räume, in denen sich die Hubs und/oder Switches für die angeschlossenen Arbeitsbereiche befinden. Unter Umständen können auf einer Etage mehrere Telcommunication closets sein.

Equipment room:

Equipment room ist der Endpunkt der Backbone-Verkabelung

Main connect:

Main connect ist  zentraler Vermittlungspunkt für das ganze WAN

Für die Verkabelung des WAN-Backbones nennt EIA/TIA 568-A folgende maximalen Kabellängen:

Geführte Übertragung: Elektrokabel:

Mit der Deregulierung der Telekommunikationsdienste (Aufhebung des staatlichen PTT-Monopols) ergibt sich für andere Anbieter das Problem, dass sie für die so genannte "letzte Meile", d.h. die Leitungszuführung zum Individualkunden entweder auf die Telefon-Hauszuleitungen der Telekom angewiesen sind oder Eigentümer von TV-Kabelsystemen sind. Alle Privathaushalte sind aber auch an das Leitungsnetz der Elektrizitätsversorger angeschlossen. Da die Elektrizitätsversorger über ihre Fernleitungen sehr leicht und preiswert Glasfaser ziehen können, besteht für sie die Herausforderung, ob man nicht die elektrischen Zuleitungen zu den Privathaushalten sowie die fein verästelte Installation innerhalb der Haushalte als Medium für Daten- und Fernsprechübertragung verwenden kann (Powerline Communication). Doch -- wie immer -- steckt der Teufel im Detail:

"Doch was auf den ersten Blick als ideale Voraussetzung für eine flächendeckende Telecom-Infrastruktur aussieht, hat leider ziemlich arge Tücken. Diese sind einerseits technisch bedingt; anderseits sind die heute geltenden internationalen Fernmeldegesetze der Sache alles andere als förderlich. Die Stromnetze sind technisch und rechtlich für die Energieverteilung ausgelegt und eignen sich deshalb schlecht für die Datenübertragung. Probleme bereiten vor allem Störungen, die alltägliche Stromverbraucher wie Kaffeemühlen, Mixer, Bohrmaschinen oder Lichtdimmer verursachen. Die Störpegel sind nicht nur hoch, sondern decken auch ein breitbandiges Spektrum ab: Es reicht praktisch von 0 bis 100 kHz und überschneidet sich damit weitgehend mit dem Bereich von 3 bis 148,5 kHz, den das europäische Normierungsinstitut CENELEC (Comité Européen de Normalisation Electrotechnique)  1991 als nutzbaren Frequenzbereich für die Datenübertragung auf Stromleitungen auserkoren hat. -- Der von der Normierungsbehörde festgesetzte maximale Sendepegel von 5 Milliwatt 'sorgt' dann noch zusätzlich dafür, dass die Nutzsignale es schwer haben, gegen die Störungen im Netz aufzukommen. Das Resultat: CENELEC-konforme Datenübertragung, die einigermaßen zuverlässig sein soll, ist selbst bei Einsatz modernster Modemtechnik mit optimierten Übertragungsverfahren sehr langsam. In der Praxis betragen die Datenraten nach einem Bericht des Fachmagazins c't  zwischen 300 und 4800 Bit pro Sekunde (Bit/s). Zwar soll es der Firma Polytrax    1998 gelungen sein, eine Verbindung mit  27 KBit/s zu realisieren. Berauschend ist dies allerdings nicht: Modemverbindungen auf dem herkömmlichen Telefonnetz erlauben doppelt so hohe Übertragungsraten.

Auch in den USA, wo andere Bestimmungen gelten, kämpfen die  Entwickler und Hersteller seit Jahren mit großen Schwierigkeiten. Das Paradebeispiel dafür ist diese Novell Embedded Systems Technology (NEST), die Novell 1995 mit Pauken und Trompeten angekündigt hatte (man versprach damals Übertragungskapazitäten von bis zu 2 MBit/s). Zwei Jahre später warf der  Softwareriese das Handtuch und verhökerte NEST an das neu gegründete Unternehmen Intelogis   , das vor kurzem in einem störungsfreien Bereich des Spektrums 350 KBit/s erreicht haben soll, allerdings nur über eine maximale Distanz von 800 Metern. Womit sich eine weitere Hürde offenbart: die mit steigender Trägerfrequenz zunehmende Signaldämpfung. Die Störungen und Verluste auf Stromleitungen wirken sich laut c't so drastisch aus, dass es den Technikern selbst bei hoher Übertragungsbandbreite noch nicht gelungen ist, einen digitalisierten Telefondienst zu realisieren."

Abb.: "Internet aus der Steckdose": Düne® (Datenübertragung über Niedrigspannungsnetze) der BeWAG

Ungeführte Übertragung: Kabellos

Aufbau der Übertragungsstrecke:

Ungeführte Übertragung ermöglicht u.a. Telekommunikation in unwegsamen Gebieten (Satellitensysteme) sowie mobile Kommunikation (-> nomade computing).

Abb.: Die drei Medien der transatlantischen Nachrichtenverkehrs: Seekabel, Kurzwellenfunk, Satellitenfunk

[Vorlage der Abb.: Schwerelos : Satelliten und die globale Kommunikation / hrsg. von Birgit-Susann Mathis ... -- Frankfurt a. M. : Museum für Post und Kommunikation, ©1996. -- S.21]

Infrarot Übertragung

Da der Infrarotbereich außerhalb des Radiospektrums liegt, bedarf Infrarot-Übertragung keiner radiotechnischen Genehmigung (Fernsehfernbedienungen beruhen oft auf Infrarot). Zwischen Sender und Empfänger darf keine Wand sein. Reichweite: 20 bis 25 Meter. Wird vor allem zur Verbindung zwischen Notebooks und PC verwendet (man muss den Notebook nicht bei jeder Datenübertragung ankabeln).

Laser Übertragung

Als Beispiel für Übertragungslösungen mit Laser diene die Produktserie TerraLink™ der Firma AstroTerra

Satellitensysteme

Satellitenfunk überwindet die begrenzten Reichweiten, die terrestrische Funkverbindungen aufweisen.

Als vermittelnde Übertragungsstation kann dienen

• GEOS -- Geosynchronous Earth Orbit Satellite: geostationärer (geosynchroner) Satellit. Ein geostationärer Satellit ist ein Satellit, der sich synchron mit der Erdumdrehung bewegt (11000 km/h) und sich so inbezug auf die Erde nicht bewegt (stationär ist). Die Position eines geostationären Satelliten (bezogen auf die Südrichtung) wird als Orbitposition bezeichnet. GEOSs müssen eine Erdentfernung von 36000 km haben. Ein einzelner GEOS kann ca. 42% der Erdoberfläche nachrichtentechnisch versorgen
• MEOS -- Medium Earth Orbit Satellite auf mittlerer Höhe (um 20000 km herum): nichtstationär. Auf dieser Höhe sind z.B. GPS (Global Positioning System) Satelliten
• LEOS -- Low Earth Orbit Satellite: zwischen 500 und 1500 km Höhe. Näheres s. unten

Abb.: GEO, MEO, LEO

Unterscheide:

• Fernmeldesatellit (communication satellite)
• Rundfunksatellit (broadcasting satellite)
• Navigationssatellit (als Navigationsbezugspunkte)
• Beobachtungs- und Erkundungssatellit (z.B: Wettersatellit, Spionagesatellit)

VSAT-Netzwerke:

VSAT = Very small aperture terminal sind kleine Systeme mit Satellitenempfängerantennen. Ein VSAT-Netzwerk besteht aus vielen VSAT, die über einen Satelliten zu zentralen Vermittlungsstellen auf der Erde verbunden sind. VSAT- Netzwerke könnten die schlechte Telekommunikationsinfrastruktur z.B. in Afrika, Indien oder Indonesien grundlegend verändern.

"Der Bedarf an VSAT-Systemen ist enorm. Praktisch jedes Unternehmen mit geographisch stark verteiltem beziehungsweise länderübergreifendem Netzwerk hat hiermit die Möglichkeit, seine Kreditkartenprüfung, Bestandsteuerung, das Bestell- und Ersatzteilwesen, die firmeninterne Kommunikation und eine Vielzahl anderer Anwendungen wie File Transfer, Lotus Notes, SAP R3 oder interaktive Schulungen zentral, schnell und kostengünstig zu organisieren. Vorteile also, die insbesondere internationalen Konzernen, Reiseveranstaltern, Automobilherstellern, Versicherungen, Bauunternehmen, Banken und Mineralölgesellschaften wie auch Einzel-/Großhandelsunternehmen, öffentliche Verwaltungen, Behörden und Rechenzentren zugute kommen." [Engelhardt, Harald: Satelliten ergänzen das Festnetz. -- In: Funkschau.

 

Inmarsat -- International Satellite Organization:

Inmarsat ist das einzige öffentliche Mobilfunknetz mit weltweiter Ausdehnung, basierend auf einer internationalen Organisation von über 70 Staaten. Das Rückgrat von Inmarsat bilden vier geostationäre Satelliten über den Ozeanen. Inmarsat setzt Parabolanlagen (VSAT) voraus. Homepage: http://www.alphatelecom.ru/inmarsat/engindex.htm. 

Inmarsat-A:

Selbstwahl-Verbindungen bis zu 9600 bps von und zu allen Punkten auf der Welt (z.B. Schiffe auf hoher See, Expeditionen, Katastrophenhilfsdienste, mobile Büros)

Inmarsat-B:

Verbesserte Form von Inmarsat-A

Inmarsat-C:

globale Alternative zu landgestützten Möglichkeiten der Datenübertragung. Möglichkeit der Positionierung von Fahrzeugen usw.

Inmarsat-E:

Seenotrufsystem

Rundfunk:

Bestehende Rundfunksysteme können zum Data Broadcasting genutzt werden. Als Übertragungsmittel dienen

• terrestrische Funkanlagen
• Rundfunk- und Fernsehkabel
• Satelliten

Es gibt zwei Möglichkeiten:

• Vollfrequenzverfahren: man nutzt eine ganze, vom Rundfunk nicht genutzte Frequenz alleine: bekanntestes Beispiel ist der Wetterfunk
• Unterträgerverfahren: man übertragt auf freien Frequenzteilen einer vom Hörfunk oder Fernsehen genutzten Frequenz: bekanntestes Beispiel ist Videotext, der auf "Lücken" des Fernsehkanals ausgestrahlt wird

Beim Broadcasting erfolgt die Übertragung nur in einer Richtung (es ist nicht wirklich interaktiv). Die Übertragungsraten sind hoch.

Der Empfänger eines Data-Broadcasting-Dienstes benötigt einen Computer oder ein multimediales Fernsehgerät (Fernsehgerät mit integriertem PC) sowie einen Decoder.

Data Broadcasting eignet sich für:

• Business TV
• allgemeine Informationsverteilung, Verteilung von Software-Updates u.ä.
• Begleitdienste zu Fernsehprogrammen (vgl. Untertexte für Hörbehinderte auf Videotext)

Beispiel eines Data-Broadcasting-Dienstes: b.i.s. börsen-informations-systeme AG. -- URL: http://www.bis.de/. ["'WinBis'  ist eine Software für PC, die mittlerweile für die Betriebssysteme WIN 3.xx, WIN 95 bzw. 98 und seit Neuestem auch unter WIN NT und OS/2 zur Verfügung steht. Wir haben es uns zum Ziel gesetzt, den Finanzprofis in Banken, Versicherungen, Vermögensberatungen, Industrie- und Handelsunternehmen und nicht zuletzt den börsenorientierten Privatanlegern, einen zuverlässigen und kostengünstigen Börsen-Informationsdienst anzubieten, der überall in Deutschland und darüber hinaus, mit geringem technischen Aufwand und unter Nutzung meist vorhandener Kommunikationswege, empfangen werden kann. Seit nunmehr 7 Jahren hat sich unser Service, verbunden mit einer zukunftsweisenden Technologie, auf dem Markt bewährt."]

Richtfunk:

Richtfunk ist eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung zwischen festen Funkstellen über ein stark gebündeltes Funkfeld. Für die Datenübertragung besonders interessant sind Digitale Richtfunksysteme (DRS). Beim Richtfunk sind normalerweise direkte Übertragungsstrecken von 50 km möglich. Zwischen dem Sender und dem Empfänger muss Sichtverbindung bestehen. Längere Strecken erfordern Relaisstationen.

CB-Sprechfunk:

CB -- Citizen Band ist ein Sprechfunk für jedermann, für den im Gegensatz zum Kurzwellen-Amateurfunk keine Genehmigung und keine Prüfung erforderlich ist. Die Funkgeräte unterliegen strengen, einschränkenden Bestimmungen ("Bestimmungen über Sprechfunkanlagen kleiner Leistung im Frequenzbereich 26960 bis 27410 kHz").

Mobilfunk:

Mobilfunk ermöglicht, Fernsprechverbindungen zwischen Funktelefon-Endeinrichtungen (auch Modems) und ortsfesten Telefongeräten oder anderen Funktelefon-Endeinrichtungen herzustellen.

Beim Mobilfunk verwendet man getrennte Frequenzen für Sendung und Empfang. Sprachübertragung kann analog oder digital erfolgen, Wahlvorgang und Signalisierung erfolgen digital.

Ende März 1999 einigten sich die Mitglieder der ITU (International Telecommunication Union) über die technischen Details des Mobilfunksystems der dritten Generation: IMT-2000 (International Mobile Telecommunications 2000).

Arten von Mobilfunknetzen in Deutschland:

Die Bezeichnungen mit Buchstaben (A ... E) für Mobilfunknetze geht auf die historische Abfolge der Netze zurück:

• bis 1957: Inselnetze in größeren Städten (voneinander unabhängig)
• 1957-1978: Mobilfunknetz A: A-Netz: Zusammenfassung der Inselnetze zu einem nationalen Netz mit Handvermittlung
• ab 1972: Mobilfunknetz B: B-Netz: Selbstwähldienst, man musste aber wissen, in welchem der 170 Funkbereiche der angerufene Teilnehmer sich gerade befindet
• ab 1985: Mobilfunknetz C: C-Netz (C450): landesweiter Selbstwähldienst (einheitliche Vorwahl: 0161). Analoge Sprachübertragung, digitale Steuerung und Vermittlung. Das gesamte Versorgungsgebiet ist in Funkzellen mit 10 bis 50 km Durchmesser aufgeteilt. Daher die Bezeichnung Cellulartelefon. Bei Wechsel der Funkstation wird automatisch der Kanal umgeschaltet, auch die Ausgangsleitung der Mobilstation wird automatisch ihrer Entfernung zur jeweiligen Funkempfangsstation angepasst

Besondere Varianten des Mobilfunks sind satellitengestützte Mobilfunksysteme. Weltweit soll dies durch das IRIDIUM-Projekt (s. oben) ermöglicht werden.

Signale und Übertragung:

Grundbegriffe

kontinuierlich:

jeder Wert und Zwischenwert (in einem bestimmten Bereich) ist zulässig

wertkontinuierlich:

jeder Messwert ist zulässig

zeitkontinuierlich:

jeder Zeitpunkt ist zulässig

 

Abb.: wertkontinuierlich + zeitkontinuierlich = analog

 

 

analog = wertkontinuierlich und zeitkontinuierlich

 

diskret (quantisiert):

nur bestimmte, voneinander abgegrenzte Werte sind zulässig. Zwischenwerte sind nicht zulässig

wertdiskret:

nur bestimmte Werte sind zulässig

 

 

Abb.: wertdiskret

zeitdiskret:

nur in bestimmten Zeitintervallen wird das Signal gesendet oder abgetastet

 

 

Abb.: zeitdiskret

 

 

Abb.: wertdiskret + zeitdiskret = digital

Signale

• analog
• digital

Digitale Signale können binär (zweiwertig), ternär (dreiwertig) usw. sein.

Übertragung

Sowohl analoge als auch digitale Signale können sowohl analog als auch digital übertragen werden

• analog: wert- und zeitkontinuierliche Übertragungsfunktion
• digital: wert- und zeitdiskrete Übertragungsfunktion.

Digitale Übertragung erlaubt größere Geschwindigkeit, größere Genauigkeit, bessere Fehlerkontrolle, usw.

Eine analoge Übertragung digitaler Signale bedeutet nicht, dass die digitalen Signale in analoge Signale umgewandelt werden, sondern es bedeutet, dass die digitalen Signale in diskrete (d.h. klar von einander abgegrenzte Werte besitzende) Eigenschaften analoger Sinuswellen (wie Amplitude, Frequenz, Phasensprung) umgewandelt werden (Modulation).

Es gibt also folgende Möglichkeiten:

• analoge Übertragung analoger Signale:

  Analoges Signal -- analoge Übertragungsfunktion - Analoges Signal
  z.B. traditionelles Telefon

• analoge Übertragung digitaler Signale:

  Digitales Signal -- Modem -- Analoge Übertragungsfunktion - Modem -- Digitales Signal

• digitale Übertragung analoger Signale:

  Analoges Signal -- Codec -- Digitale Übertragungsfunktion - Codec -- Analoges Signal
  z.B. traditionelles Telefon über ISDN, traditionelles Telefon über digitale Fernleitungen

• digitale Übertragung digitaler Signale:

  Digitales Signal -- Digitale Übertragungsfunktion - Digitales Signal

Nachteile analoger Übertragung:

• Fehleranfälligkeit macht Fehlerkontrollverfahren und gegebenenfalls Mehrfachübertragung nötig
• begrenzte Datenübertragungsrate

Übertragungsrate:

Baud

= Anzahl der Signale (Signaländerungen) pro Sekunde. Achtung: nur, wenn pro Signaländerung nur 1 Bit (0 oder 1) übertragen wird, ist Baud = bit/Sekunde (bps). Man kann aber z.B. 4 Signalformen verwenden (a,b,c,d), dann kann man mit jeder Signaländerung gleichzeitig zwei Bit übertragen usw. (z.B. a=00; b=01; c=10; d=11).

bps (bit pro Sekunde)

= Anzahl der binären Werte pro Sekunde. Baud mal (Bits pro Signaleinheit)

cps (character pro Sekunde)

= ein realistischeres Maß für die tatsächliche Übertragungsrate, da bei bps alle Steuer- und Kontrollbits mitgerechnet werden

Eine Vorstellung von für eine zeitlich akzeptable Übertragung nötigen Übertragungsraten gibt folgende Übersicht:

Durchschnittliche Größe in Bytes (jeweils ohne Anwendung von Datenreduktionverfahren)

Erforderliche (bzw. wünschenswerte) Datenübertragungsraten für einige Anwendungen:

Gegenwärtig realisierte Übertragungsraten:

Bandbreite:

Um unterschiedliche Signale darstellen zu können, braucht man mehrere Sinuskomponenten, deren Frequenzen sich über einen größeren Bereich erstrecken müssen. Die Größe des Frequenzbereiches, der zur Darstellung des Signals notwendig ist, wird als Bandbreite bezeichnet (Bandbreite = höchste benötigte Frequenz minus niedrigste benötigte Frequenz).

Wie schnell und unerwartet ein Signal zeitlich schwanken kann (d.h. wie viel Information es tragen kann), hängt fundamental von seiner Bandbreite ab. Folgende Übersicht zeigt die benötigten Bandbreiten für verschiedene Übertragungssysteme:

Die enormen Bandbreiten, die Hochgeschwindigkeitsanwendungen benötigen, zeigt folgende Tabelle:

Solchen Anwendungen im Bedarfsfall die nötige Bandbreite zu garantieren gehört zu Quality-of-Service (QoS): Bandwith on Demand oder Bandwith Reservation.

Den Zusammenhang zwischen Bandbreite und theoretischer Höchstzahl von aufeinanderfolgenden, voneinander unabhängigen Amplitudenwerten (d.h. Signale) pro Sekunde gibt das Abtast-Theorem an. (Abtastung = Ermittlung des Signalwertes in bestimmten Zeitintervallen). Danach kann ein Signal mit einer Bandbreite von B Hertz höchstens 2B aufeinanderfolgende, voneinander unabhängige Amplitudenwerte innerhalb einer Sekunde annehmen. So erlaubt z.B. eine Telefonleitung mit einer Bandbreite von 4000 Hertz theoretisch höchstens 8000 Baud. Die theoretisch höchstmögliche Übertragungskapazität ist aber technisch nur sehr teuer zu verwirklichen. So ist die faktische Übertragungskapazität bei einer vorgegebenen Bandbreite manchmal erheblich geringer als die theoretisch mögliche.

In LANs traditioneller Bauart wird Bandbreite in ungeheurem Maße vergeudet:

Störungen und Verzerrungen

Arten von Ursachen von Übertragungsstörungen:

• Dämpfung: Abschwächung des Signals durch die Übertragung
• Laufzeit: Einfluss der Ungleichzeitigkeit, da das Signal mit einer endlichen Geschwindigkeit (höchstens Lichtgeschwindigkeit) übertragen wird. Bei Sprechverbindungen wirken sich Laufzeiten unter einer Viertelsekunde nicht als störend aus
• Verzerrung: Veränderung der Signals
• Störungen durch Fremdspannungen, z.B. parallele Kabel, nicht genügend entstörte elektrische Anlagen usw.

Die Übertragungsleistung, die zu einer fehlerfreien Übertragung mit einer bestimmten Geschwindigkeit nötig ist, hängt neben der Bandbreite auch von der Häufigkeit von Verzerrungen und von unerwünschten Signalen, dem Rauschen (noise) ab. Als Rauschsignale bezeichnet man Störsignale. Manche Störungen wie z.B. elektromagnetische Störungen sind prinzipiell vermeidbar. Daneben gibt es aber bei elektromagnetischer Signalübertragung das so genannte thermische Rauschen, das prinzipiell nicht vermeidbar ist. Es wird von allen Gegenständen abgegeben, deren Temperatur über dem absoluten Nullpunkt (-273,15 Grad Celsius) liegt. Das bei Übertragungen entstehende thermische Rauschen ist proportional der Bandbreite des Empfängers und der Temperatur des Senders. Deshalb sind Fernsehsignale 1000fach stärker verrauscht als Telefonsignale. Breitbandige Signale müssen deshalb mit mehr Leistung übertragen werden als schmalbandige, damit ein zufriedenstellendes Signal-Rausch-Verhältnis (signal noise ratio) erreicht wird.

Multiplextechniken

Man kann gleichzeitig mehrere Nachrichten über einen einzigen Nachrichtenkanal (z.B. eine Leitung) senden. Techniken, die dies ermöglichen, nennt man Multiplextechniken.

• In der Frequenzmultiplextechnik wird jedes Signal in einen anderen Frequenzbereich verschoben, so können sich mehrere Signale einen gemeinsamen Übertragungskanal teilen.
• Besser ist das Zeitmultiplexverfahren, bei dem die unterschiedlichen Signale zu verschiedenen Zeitpunkten über den Übertragungskanal geschickt werden. Für Zeitmultiplex ist Glasfaser das ideale Medium
• Zur Steigerung der Leistungsfähigkeit bestehender Glasfaserverbindungen dient das Wellenlängenmultiplexverfahren (WDM = Wavelength Division Multiplexing): dabei werden durch optische Multiplexer und Verstärker mehrere optische Signale miteinander kombiniert, als Gruppe verstärkt und gemeinsam über eine einzige Glasfaser übertragen.

Gleichsam die Umkehrung der genannten Multiplextechniken ist Inverse Multiplexing: ein Datenstrom wird aufgeteilt und die einzelnen Teile über verschiedene Kanäle geschickt, dadurch erhöht sich die Durchsatzrate. So kann man z.B. mehrere Telefonleitungen bündeln.

Signalvermittlung (switching)

Zur Information über Signalvermittlung auf der Bitübertragungsschicht wird auf die unten genannte Ressource verwiesen.

ISDN -- Integrated Services Digital Network:

Merkmale von ISDN

Hauptmerkmale:

• es ist ein digitales Netz
• es ist dienstintegrierend:

  Dienste

  = verschiedene Arten der elektronischen Kommunikation, nämlich:

  • ISDN-Fernsprechen: hat gegenüber normalem Telefon höhere Übertragungsqualität, größere Störfestigkeit, breitbandigere Übertragung (bis 7kHz statt 3,4 kHz)
  • ISDN-Teletex (Bürofernschreiben): 1 Seite DIN A4 ca 1 Sekunde
  • ISDN-Telefax: höhere Auflösung, Möglichkeit der Übertragung von Farbkopien, höhere Übertragungsgeschwindigkeit
  • ISDN-Bildschirmtext
  • ISDN-Datenübermittlung: u.a. keine Anpassung unterschiedlicher Übertragungsgeschwindigkeiten nötig
  • ISDN-Fernwirken: Fernüberwachung (Fernanzeige, Fernmessen), Fernsteuerung (Fernschalten, Ferneinstellung)
  • ISDN-Fernskizieren: Übermittlung von Skizzen während ihrer Entstehung
  • ISDN-Festbildübermittlung in Fotoqualität
  • ISDN-Bildtelefon (nur durch Datenreduktionsverfahren möglich)

• integrierend:
  • auf Anschlussseite: einheitliche genormte Dosen und Stecker für alle Arten von Endgeräten
  • vereinheitlichte Verbindungssteuerung und einheitliche digitale Protokolle
• das vorhandene Telefonleitungssystem zu den Teilnehmeranschlüssen ist für ISDN nutzbar

Leistungsmerkmale von ISDN:

• Rufnummernanzeige des anrufenden ISDN-Teilnehmers
• Kurzwahl: Zuordnung einer ein- oder zweistelligen Zahl zu einer Teilnehmernummer
• Wahlwiederholung
• Automatischer Rückruf: Wiederholung des Wählvorganges, wenn angerufener Anschluss besetzt ist
• Lauthören über Lautsprecher
• Freisprechen: Sprechen über ein freies Mikrofon (nicht Telefonhörer)
• Gebührenanzeige
• Sperrschloss
• Direktruf programmierter Teilnehmernummern
• Anrufumleitung zu anderem Teilnehmeranschluss
• Anrufweiterleitung = Anrufumleitung, falls beim gewählten Anschluss nicht innerhalb einer bestimmten Zeit das Gespräch angenommen wird
• Anklopfen: Information über einen Anrufer während einer bestehenden Verbindung
• Konferenzschaltung
• Makeln: wahlfreier Wechsel zwischen zwei Gesprächen unter Beibehaltung beider Verbindungen
• Dienstwechsel: Wechsel der Dienste oder Endgeräte (z.B. Telefon, PC) während einer Verbindung

ITU/T-Standards für ISDN

Die ITU/T (CCITT) ISDN Standards sind in folgende Serien der I-Serie zusammengefasst:

I.100 Serie:

Allgemeine Konzepte; Struktur der Empfehlungen; Terminologie; Allgemeine Methoden

I.200 Serie:

Dienst (service) Aspekte

I.300 Serie:

Netzwerk-Aspekte

I.400 Serie:

Nutzer-Netzwerk Schnittstelle (interface) Aspekte:

I.430; I.431; I.432: Layer 1 (Physical layer) specifications

I.440; I.441: Layer 2 (Data Link layer) aspects and specifications

I.450; I.451; I.452: Layer 3 (Network layer) aspects, notes and specifications

I.500 Serie:

Internetzwerk Schnittstellen

I.600 Serie:

Wartung und Unterhalt (Maintainance)

Obwohl ISDN international normiert wird, unterscheiden sich einzelne ISDN-Implementierungen so sehr, dass sie inkompatibel sind. Im Folgenden wird ISDN in Deutschland beschrieben.

ISDN-Kanäle

ISDN trennt zwei Arten von Übertragungskanälen:

• B-Kanäle: Nutzkanäle, dienen der Datenübertragung. Kapazität: 64 Kbit/s, vollduplex (d.h. es können gleichzeitig 64 Kbit/s von A nach B und von B nach A übermittelt werden)
  Wird eine höhere Datenübertragungsgeschwindigkeit gefordert (z.B. für Videokonferenzen), lassen sich mehrere B-Kanäle zusammenschalten
• D-Kanal: Steuerkanal, dient der Übertragung von Steuerinformationen (z.B. Rufnummer, Rufnummer des Anrufers, Gebühren). Kapazität: 16 Kbit/s bzw. 64 Kbit/s

Arten von ISDN-Anschlüssen

Nach der Anzahl der zur Verfügung gestellten Nutzkanäle unterscheidet man:

• ISDN-Basisanschluss
• ISDN-Primärmultiplexanschluss

Nach dem verwendeten D-Kanal-Protokoll unterscheidet man:

• nationaler ISDN-Anschluss: 1TR6-Protokoll: nicht mehr im Gebrauch
• Euro-ISDN: E-DSS1-Protokoll. 1989 haben sich 20 europäische Staaten auf die Einführung von Euro-ISDN geeinigt

Nach der Art des Anschlusses der Endgeräte an ISDN unterscheidet man:

• Mehrgeräteanschluss: Die Endgeräte werden an ISDN-Dosen angeschlossen
• Anlagenanschluss: Die Endgeräte werden über eine ISDN-Telekommunikationsanlage (Haus-ISDN-Anlage) angeschlossen

ISDN-Basisanschluss

Der ISDN-Basisanschluss umfasst drei eigenständige Kanäle:

• zwei gleichzeitig unabhängig voneinander benutzbare B-Kanäle (Nutzkanäle) 64 Kbit/s. Durch Zusammenschalten beider Kanäle erreicht man 128 Kbit/s
• einen D-Kanal (Steuerkanal) 16 Kbit/s

Der Basisanschluss hat anwenderseitig eine sog. S0 (S-Null)-Schnittstelle am Network-Terminator (NT), d.h. dem Übergabepunkt der Telekom.

Die Kanaltrennung erfolgt physikalisch zwischen Endgerät und Network-Terminator (NT), von dort erfolgt die Übertragung zur digitalen Vermittlungsstelle der Telekom (DIVO) über das normale Telefonkabel. Der Network-Terminator bündelt die verschiedenen ausgehenden Kanäle, indem er in einem Multiplexverfahren die Datenströme von den drei Kanälen zusammenfasst und sie mit einer Geschwindigkeit von 192 Kbit/s an die DIVO übermittelt. Gleichzeitig trennt der Network-Terminator die in einem Datenstrom von der DIVO eintreffenden Signale auf die drei physikalisch getrennten Kanäle.

Der Basisanschluss ist erhältlich als:

• Standardanschluss
• Komfortanschluss = Standardanschluss + Anrufweiterschaltung, Anklopfen, Übermittlung der Gebühren am Ende der Verbindung

ISDN-Primärmultiplexanschluss

Der ISDN-Primärmultiplexanschluss umfasst folgende Kanäle:

• dreißig gleichzeitig unabhängig voneinander benutzbare B-Kanäle (Nutzkanäle) 64 Kbit/s. Durch Zusammenschalten der Kanäle kann man 1920 Kbit/s erreichen
• einen D-Kanal (Steuerkanal): 64 Kbit/s

Der ISDN-Primärmultiplexanschluss hat anwenderseitig eine sog. S2M-Schnittstelle am Network-Terminator (NT), d.h. dem Übergabepunkt der Telekom.

Beim Primärmultiplexanschluss ist es grundsätzlich möglich mit dem nationalen ISDN- und dem Euro-ISDN-Protokoll zu arbeiten.

Euro-ISDN

D-Kanalprotokoll E-DSS1 (Euro Digital Subscriber Signaling System No. 1). Europäischer Standard.

Beim Euro-ISDN-Basisanschluss erhält der Telekom-Kunde in der Regel drei verschiedene ISDN-Rufnummern (nicht eine Rufnummer mit Endnummern!). Er kann maximal weitere sieben Rufnummern erhalten.

Achtung! Unterscheide ISDN-Rufnummern und die verfügbaren Kanäle (Nutzkanäle). Bei einem Basisanschluss hat man zwar drei Rufnummern, aber nur zwei Kanäle, d.h. gleichzeitig können jeweils nur zwei Geräte eine Verbindung herstellen, während dann die dritte Nummer blockiert ist.

Mehrgeräteanschluss

Die Endgeräte werden an ISDN-Dosen angeschlossen. Beim Basisanschluss können so bis zu 12 ISDN-Endgeräte an einem ISDN-Anschluss betrieben werden.

Anlagenanschluss

Man hat nur eine einzige ISDN-Rufnummer, an die eine ISDN-Telekommunikationsanlage (Haus-ISDN-Anlage) angeschlossen wird. An diese werden die Endgeräte -- und zwar sowohl solche mit digitaler Schnittstelle als auch analoge (z.B. Modems, herkömmliche Telefonapparate) -- mit entsprechenden Durchwahlnummern angeschlossen. Ein Anlagenanschluss ist mit der digitalen Ortsvermittlung (DIVO) durch eine Vierdrahtverbindung verbunden.

Schnittstellen für ISDN

Da bei einem ISDN-Basisanschluss die Übertragung zwischen Teilnehmer und digitaler Ortsvermittlungsstelle (DIVO) über das normale zweidrahtige Telefonkabel erfolgt, auf dem die Kanäle nicht auf verschiedene Drähte verteilt sind, erfolgt die Kanaltrennung bei ISDN physikalisch zwischen Endgerät und Network-Terminator (NT) (Netzwerk-Abschlussgerät), dem Übergabepunkt der Telekom. Vom Endgerät bis zum NT verläuft die Übertragung über eine Vierdrahtverbindung, vom NT bis zur DIVO über eine Zweidrahtverbindung. Der Network-Terminator bewirkt den Übergang von Zweidraht auf Vierdraht und umgekehrt. Der Network-Terminator bündelt die verschiedenen ausgehenden Kanäle, indem er in einem Multiplexverfahren die Datenströme der Kanäle zusammenfasst und sie an die DIVO übermittelt. Gleichzeitig trennt der Network-Terminator die in einem Datenstrom von der DIVO eintreffenden Signale auf die physikalisch getrennten Kanäle.

Mehrere DTE's können über ein Kabel (Bus) mit einem einzigen NT1 verbunden sein. Schnittstellensignale werden über spezielle Datenpakete auf DL übertragen. Die Datenpakete werden auf einem getrennten Kanal (D-Kanal) ausgetauscht.

Man kann Übergänge von NT1 zu RS-232-C durch standardisierte Terminaladapter schaffen.

Der Maximalabstand zwischen DTE und NT1 ist 1 km.

Nach einer NT1 kann eine NT2 geschaltet werden, die die Funktion einer privaten Haustelekommunikationsanlage übernimmt.

Aufbau eines Basisanschlusses:

• Endgerät mit ISDN-Standard
• Telekommunikations-Anschlusseinrichtung (TAE) auf S0-Bus
• Netzabschluss (NT)
• Zweidrahtverbindung
• Digitale Ortsvermittlungsstelle (DIVO)
• Digitale Fernvermittlungsstelle (DIVF)
• ...

• Endgerät ohne ISDN-Standard
• Engeräteanpassung (TA = terminal adapter)
• Telekommunikations-Anschlusseinrichtung (TAE) auf S0-Bus
• Netzabschluss (NT)
• ... (wie oben)

Breitband-ISDN (B-ISDN - Broadband integrated services digital network)

Breitband-ISDN bietet mit einer Datenrate von 140Mbit/s gegenüber ISDN zusätzlich die Möglichkeit für folgende Dienste:

• Videokonferenz
• schnelle Datenübermittlung

Schichtmodell für B-ISDN:

Asynchronous Transfer Mode - ATM

ATM gehört zu OSI-Schicht 2 (Vermittlungsschicht), soll aber hier kurz behandelt werden wegen des Zusammenhanges mit B-ISDN.

ATM ist ein einheitlicher Standard für Ton (Telefon) und Datenübertragung. ATM ist eine Cell-Relay-Technik. Eine Cell ist eine Art logisches Vehikel, das Datenblöcke transportiert. Eine Cell hat eine feste Größe -- im Gegensatz zu einem Frame bei Frame Relay, wo die Datenpakete variable Größe haben. Die feste Cell-Größe erlaubt eine bessere Flow-Kontrolle (vgl. unterschiedliche Größe mit Lastzügen auf der Autobahn). Jede ATM-Cell besteht aus 53 Bytes, von denen 48 die Nutzinformation enthalten. Nutzinformationen können Ton (Telefon) oder andere Daten sein. Die restlichen 5 Bytes enthalten den die Steuerinformation tragenden Header.

Header einer ATM-Zelle:

Das ATM-Übermittlungsverfahren ist verbindungsorientiert (connectionful): vor dem eigentlichen Datenaustausch erfolgt ein Aufbau eines Virtual Channel.

Die wichtigste technische Komponente von ATM ist der ATM-Switch. Der ATM-Switch multiplexed die Cells, die von den verschiedenen Nodes gleichzeitig gesendet werden können, in einen Strom von Cells. Der Switch leitet die Cells einfach über das gemeinsame Übertragungsmedium weiter, er hat keine zeitraubende Store-and-foreward-Methode wie Routers. ATM-Switches erfüllen ihre Aufgabe in Hardware, deshalb entfällt der Network Layer als Software. ATM hat keine Fehlerkontrolle, da es fehlerarme Übertragungsmedien von hoher Qualität voraussetzt.

Jede ATM-Cell enthält einen Identifier, der die Adresse bestimmt. Im Gegensatz zum traditionellen Telefonsystem und zum Internet ist dieser Identifier nicht die feststehende Adresse bzw. Telefonnummer des Adressaten. Bei ATM wählen vielmehr die jeweils beteiligten beiden Nodes eine zufällig gewählte Zahl, die die betreffende Verbindung für den Zeitraum der Sitzung eindeutig definiert. Dies ermöglicht viel kürzere Adressen, als wenn die IP-Adresse oder gar die internationale Telefonnummer als Paketadresse dienen würde.

Ein reines ATM-Netz hat Die Deutsche Bibliothek in Frankfurt am Main installiert:

Abb.: Struktur des ATM-Netzes der Die Deutsche Bibliothek, Frankfurt a. M.

Synchronous Optical Network - SONET bzw. Synchronous Digital Hierarchy -- SDH

SDH (Synchronous Digital Hierarchy) ist der ITU (International Telecommunication Union) Standard für synchrone optische Netzwerke. SDH unterscheidet zwei Varianten:

• ANSI (American National Standards Institute) SONET für Nordamerika
• ETSI (European Telecommunication Standard Institute) SDH für Europa

ETSI-SDH wird in ITU-Empfehlung G.707 definiert. SDH erlaubt den Transport von Signalen mit unterschiedlichen Übertragungsraten und Struktur. Das Multiplexverfahren ist so konzipiert, dass sich viele Multiplexer/Demultiplexer einsparen lassen. Alle SDH-Netze sind kompatibel, optische Schnittstellen, Gerätefunktionen u.ä. sind genormt. Über SDH auf der Bitübertragungsschicht lässt sich ATM (Schicht 2) übertragen. Die Grundbitrate ist 155,52 MBit/Sekunde, die höheren Hierarchiestufen sind jeweils Vielfache davon:

1. 155,520 Mbit/Sekunde
2. 622,080 Mbit/Sekunde (= 4 x 155,520)
3. 2.488,320 Mbit/Sekunde (= 16 x 155,520)

SONET ist ein Standard für die Bitübertragungsschicht (Physical layer) für weltweite Vernetzung mit Glasfaserkabeln. SONET definiert das Übertragungsmedium für B-ISDN. SONET ist die US-Version der von ITU-T entworfenen Synchronen Digitalen Hierarchie (SDH).

SONET standardisiert:

• Übertragungsraten, optische Interfaces, Handhabung, Unterhalt
• Eine weltweit einheitliche Hierarchie von optischen Übertragungsraten (von OC-1 51.8 Mbit/s bis OC-48 2,48 GBit/s)
• Multiplexkanäle über synchronen Leitungen

Abb.: Der vierkablige SONET-Ring von Sprint zwischen Springfield, N.J -- Montreal -- Toronto -- Buffalo: zwei gegenläufige Hauptringe + jeweils ein Reservering (jeder Ring ist 1,174 miles =   ca. 1900 km lang!)

Standards:

• ANSI T1.105

IBFN -- Integriertes Breitband-Fernmeldenetz

Im Integrierten Breitband-Fernmeldenetz soll die Trennung von Breitbandverteilernetzen (BVN) (simplex) und (Breitband-)ISDN (duplex) aufgehoben werden. Bei einer Datenrate von 565 Mbit/s soll das IBFN zusätzlich zu den Diensten von Breitband-ISDN noch folgende Dienste ermöglichen:

• Verteilung von Hörfunk und Fernsehprogrammen
• Interaktives Fernsehen

Digital Subscriber Line (DSL)

Ausgangspunkt für die Entwicklung von DSL war Video-on-Demand, der Versuch, über bestehende Telefonleitungen Video zu liefern. Erstmals wurde eine DSL 1989 von Bellcore vorgestellt: da bei Video-on-demand der Datenverkehr asymmetrisch ist (sehr große Datenmengen -- das Video -- werden ins Haus geliefert, relativ kleine Datenmengen -- die Videonanforderung -- gehen aus dem Haus hinaus, war dies ADSL -- Asymmetric Digital Subscriber Line. Im Unterschied zu Datenverkehr mit traditionellen Modems über dieselben Kanäle wie Telefongespräche (die Daten sind da ja analog und können von Sprachverkehr nicht unterschieden werden), werden bei DSL Sprechverkehr und Datenverkehr von den lokalen und überlokalen Telekom-Unternehmen über unterschiedliche Datenkanäle geleitet: so kann der Datenverkehr nicht zu Verstopfung des Sprechverkehrs führen. DSLs stehen in Konkurrenz zu Kabelmodems (Datentransport über Kabel-TV) und ISDN.

DSL-Verbindungen sind point-to-point dedicated circuits, d.h. es sind Standverbindungen, eine Einwahl ist nicht nötig, es gibt auch keine Vermittlung, d.h. diese Verbindung geht direkt in das System (z.B. Frame Relay, ATM, Internetverbindung) des Providers.

Inzwischen sind verschiedene DSLs in Entwicklung:

ADSL -- Asymmetrical Digital Subscriber Line

ADSL ist die einzige DSL-Technik, die (in den USA) schon in größerem Umfang eingeführt ist. In Deutschland will T-Online nach einem Pilotprojekt in Nordrhein-Westfalen ADSL allmählich in größeren Städten ziemlich flächendeckend einführen: über den jeweiligen Stand usw. gibt Auskunft (dort auch eine FAQ):

ADSL Showcase / T-Online. -- URL: http://www.t-online.de/adsl/index.html

Weiterführende Ressourcen zu ADSL:

• ADSL Forum Home page. -- URL: http://www.adsl.com/

Die Bitübertragungsschicht in LANs

Netzwerk-Topologie:

Die physikalische Topologie eines Netzwerkes ist die Anlage der Verkabelung.

- (physikalische) Stern-Topologie (star topology):

Alle Peripheriegeräte sind sternförmig mit einem zentralen Konzentrator (concentrator) (häufig auch Hub genannt) verbunden. Wenn eine Verbindung ausfällt, beeinträchtigt dies das übrige Netzwerk nicht, es sei denn der Konzentrator fällt aus.

- (physikalische) Ring-Topologie (ring topology):

Die Peripheriegeräte sind ringförmig mit ihren jeweiligen beiden Nachbarn verbunden. Macht Terminatoren unnötig. Jedes Peripheriegerät funktioniert als Repeater.

- (physikalische) Bus-Topologie (bus topology):

Die Peripheriegeräte sind an ein lineares Übertragungsmedium angeschlossen. Das Netzwerk hat also zwei Endpunkte. Die beiden Endpunkte müssen durch einen sog. Terminator abgeschlossen werden, der Signalreflexion verhindert. Wird hauptsächlich für Ethernet Netzwerke verwendet.

- (physikalische) Baum-Topologie (tree topology):

Von einer Wurzel aus führt über eine Anzahl von Verzweigungsknoten je ein einziger Pfad zu einem Peripheriegerät. Diese Struktur wird für Bridge- und Router-Systeme verwendet

Ethernet funktioniert sowohl in Bus- als auch in Stern-Topologie.

Token-Ring verbindet die physikalische Stern-Topologie mit der logischen Ring-Topologie, deshalb heißt sie auch: Stern-verkabelter Ring (star-wired ring).

FDDI: logische Ring-Topologie mit Einfach-Ring oder Zweifachring: der zweite Ring wird aktiviert, wenn im ersten Ring ein Fehler auftritt: durch Zusammenschluss wird aus beiden Ringen ein neuer Ring gebildet, der die fehlerhaften Ringsegmente abtrennt. Als physikalische Topologien lässt FDDI zu: einfacher Konzentrator (physikalischer Stern), Baum von Konzentratoren, Doppelring, Doppelring von Bäumen, gleichzeitiger Anschluss an zwei Konzentratoren (Dual Homing) (falls der eine Konzentrator ausfällt, übernimmt der andere).

Verkabelung:

Ethernet: (siehe auch Kapitel Netzwerke - Ethernet)

• Dickes Koaxialkabel (IEEE 802.3 = 10BASE5; Höchstlänge: 500 m)
• Dünnes Koaxialkabel (IEEE 802.3a = 10BASE2; Höchstlänge: 185 m)
• Nicht abgeschirmte verdrillte Zweidrahtleiter (UTP = Unshielded twisted pair) (IEEE 802.3i = 10BASET; Höchstlänge 100 m)
• Glasfaser (proprietär, nicht standardisiert = 10BASEF).

Bezeichnungsschema für die Kabel:

z.B. 10BASE5 = Datenrate 10 Mbit/s, Basisband (d.h. Bus mit nur einem Übertragungskanal, nicht Breitband mit verschiedenen Kanälen), 500m

Die verschiedenen Kabeltypen können verknüpft werden. Für dickes Koaxialkabel werden gesonderte Transceiver (=Transmitter/Receiver) benötigt. Für die übrigen Kabel ist der Transceiver in die Netzwerk-Karte integriert.

Durch bis zu vier Repeater kann ein Ethernet-Netzwerk physikalisch in Segmente aufgeteilt werden und so die Höchstlängen der verknüpften Buskabel vergrößert werden:

• Dickes Koaxialkabel: 2500 m
• Dünnes Koaxialkabel: 1000 m.

Token Ring: (siehe auch Kapitel Netzwerke - Ring - Topologie)

Verschiedene Typen von

• nicht abgeschirmten verdrillten Zweidrahtleitern (UTP)
• abgeschirmten verdrillten Zweidrahtleitern (STP)
• Glasfaser

Alle Kabel werden zentral durch einen Konzentrator verbunden (physikalische Stern-Topologie!), einer sog. Multistation Access Unit (MAU).

FDDI:

• Glasfaser: die Geräte können bis zu 20 km voneinander entfernt sein
• Kupferkabel möglich: ursprünglich war nur Glasfaser vorgesehen, inzwischen gibt es Spezifikationen für die Übertragung über Twisted-Pair-Kabel

Obwohl nicht unbedingt erforderlich, werden normalerweise Konzentratoren verwendet.

Fast Ethernet (IEEE 802.3u)

Fast Ethernet unterstützt folgende Übertragungsmedien:

• 100Base-TX: zwei Paar verdrillte Zweidrahtleiter: höchstens 100 m zwischen Hub und Workstation
• 100Base-T4: vier Paar Telefonleitungen: höchstens 100 m zwischen Hub und Workstation
• 100Base-FX: Lichtwellenleiter: bis 2 km, ideal als Backbone

Gigabit Ethernet (IEEE 802.3b und 802.3z)

Im Juni 1998 verabschiedetet IEEE folgende Standards für die Verkabelung von Gigabit Ethernet:

• 1000Base-SX: Kurzwellen-Laser über Multimode Lichtwellenleiter bis 300 m bzw. 550 m
• 1000Base-LX: Langwellen-Laser über Monomode Lichtwellenleiter bis 3000 m bzw. Multimode-Lichtwellenleiter bis 500 m
• 1000Base-CX:  geschirmten verdrillten Zweidrahtleiter bis 25 m

In Vorbereitung ist ein Standard für Gigabit-Ethernet über Kategorie5-Kupferkabel bis 100 m (IEEE 802.3ab -- 1000BaseT).

Anhang: UPS -- Uninterruptible Power Supply

Ein wichtiger Faktor im Bereich der Bitübertragungsschicht ist die Stromversorgung. Um während eines Ausfalls des Stromsystems keinen Datenverlust und dergl. zu erleiden, bedarf es einer UPS-Einrichtung. Es gibt verschiedene UPS-Systeme:

• Batterien
• Dieselgeneratoren
• Trägheitsgeneratoren (große rotierende Räder, die aufgrund ihrer Trägheit während kurzer Stromunterbrechungen einen Generator betreiben): z.B. als Überbrückung bis der Dieselgenerator anspringt