Übertragungsverfahren

Grundlagen der Übertragungsverfahren

Übertragungsverfahren unterscheiden sich im wesentlichen durch Multiplexverfahren (FDM, TDM, ... ), Vermittlungstechnik (Leitungs-/Paket-Vermittlung), Verbindungsdienst (verbin-dungsorientiert/verbindungslos).

Multiplex-Verfahren

Multiplexing: Gleichzeitige Übertragung mehrerer, voneinander unabhängiger Datenströme über gleiches physikalisches Medium.

Anfänge: 30er Jahre: erstmalig von Telefongesellschaften realisiert (zuerst 12, später 60 Sprachkanäle durch ein Frequenz-Multiplex-Verfahren über 1 Koaxialkabel übertragen).

Trägerfrequenztechnik: Sprachkanäle auf bestimmte Übertragungsfrequenz aufmoduliert, Kanäle gleichzeitig übertragen, und bei Empfänger demoduliert. Dazu ist nicht für jede Sprechverbindung eine physikalisch geschaltete 2-Draht-Leitung erforderlich (Einsparung).

Bekannte Multiplex-Verfahren

Raum-Multiplexing (SDM – Space Division Multiplexing):

- Räumliche Separation der Übertragungskanäle.

- Beispiele: optische Übertragungsnetze (verschiedene LWL-Fasern), Mobilfunknetze (Zel-lularfunk (GSM, DCS, UMTS), Wiederverwendung der gleichen Funkfrequenz in unter-schiedlichen Bereichen, Dämpfung).

Code-Multiplexing (CDM – Code Division Multiplexing) :

- Verwendung unterschiedlicher Codes (z.B. im militärischen Bereich, Sicherheit).

- Beispiel: UMTS, IS-95-CDMA (CDMA: Code Division, Multiple Access).

Frequenz-Multiplexing (FDM - Frequency Division Multiplexing):

- Trägerfrequenztechnik: Verschiedene Frequenzen auf gleichem physikalischen Übertra-gungskanal. Frequenzband auf N Nutzer aufgeteilt (Teilband exklusiv).

- Modulation / Demodulation (Modem) : Jeder Sprachkanal vor Übertragung auf bestimmte Übertragungsfrequenz aufmoduliert, alle Kanäle gleichzeitig übertragen. Bei Empfänger durch Demodulation zurückerhalten. Beispiel: Sprachübertragung (Telefonie).

Zeit-Multiplexing (TDM - Time Division Multiplexing):

- Zeitschlitze für verschiedene Übertragungskanäle. Übertragungskanäle zeitlich auf die Teilnehmer aufgeteilt. Anwendung: STM, ATM.

Wellenlängen-Multiplexing (WDM - Wavelength Division Multiplexing):

- Spezifische Form des Frequenz-Multiplexing (Kombination mehrerer Multiplexstufen).

Anwendung bei LWL-Netzen (optische Netze); genaue Lasertechnik erforderlich.

- Neuere LWL-Netze: Übertragungsgeschwindigkeit ... 10 Gbit/s ... 400 Gbit/s ... n Tbit/s.

Heutige Backbone-Netze:

- Optische Übertragungsnetze (photonische Übertragung und Vermittlung). Neue Glasfase-rund Lasertechnik.

- Angewendete Verfahren: Wellenlängen-Multiplexing (WDM), Zeit-Multiplexing (TDM Zeitmultiplexing (TDM – Time Division Multiplexing)

Unterteilung TDM synchrones Zeit-Multiplexing (Synchronous Time Division, STD) asyn-chrones Zeit-Multiplexing (Asynchronous Time Division, ATD)

Abbildung 19.1: Zeitmultiplexing (STD und ATD) Synchrones Zeit-Multiplexing (STD)

Definition von Übertragungsrahmen, die aus einer bestimmten Anzahl von Zeitschlitzen fes-ter Größe bestehen. Jeder Benutzer erhält bestimmten Zeitschlitz (slot) innerhalb des Übertra-gungsrahmens zugeordnet, während dessen er senden bzw. empfangen kann. Übertragungs-kanal somit identifiziert durch Position des Zeitschlitzes innerhalb des Übertragungsrahmens (auch als “Positionsmultiplexing” bezeichnet). Bezeichnung “synchron”: Übertragungskanal bzw. entsprechender Zeitschlitz befindet sich bezüglich des Übertragungsrahmens immer an gleicher Stelle.

Asynchrones Zeit-Multiplexing (ATD)

Zu übertragende Datenströme werden in Informationseinheiten fester und oder variabler Län-ge umLän-gewandelt und asynchron übertraLän-gen. Zuordnung der Informationseinheiten zu den ver-schiedenen Sendekanälen erfolgt über Kanal-Identifikations-Nummern (Channel Identifiers), mit der jedes Datenpaket versehen wird (auch als “Address-Multiplexing / Label-Multiplexing” bezeichnet).

Einsatz von Datenpaketen bei Übertragung:

- Pakete variabler Länge --> Paketvermittlung (Packet Switching) - Pakete fester Länge (Zellen) --> Zellenvermittlung (Cell Relay)

19.1.2 Vermittlungstechniken

Vermittlung: Art und Weise der Bestimmung eines Übertragungspfades zwischen Sender und Empfänger in einem Kommunikationsnetz.

Zwei grundsätzliche Methoden:

Leitungsvermittlung (Circuit Switching)

- Aufbau einer physikalischen Verbindung zwischen Sender und Empfänger (über eine oder mehrere Vermittlungsknoten).

- Übertragungspfad muss vor jeder Übertragung bestehen.

- Lange Verbindungsaufbauzeiten; nach Aufbau nur noch Verzögerungen durch endliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten der elektromagnetischen Signale (ca. 6 ms/1000 km).

- Einer Verbindung wird bestimmte Bandbreite zugeteilt; nicht benötigte Bandbreite ist verlustig.

Paketvermittlung (Packet Switching) - Nachricht in Pakete zerteilt.

- Vermittlungsprinzip in den Knoten: store-and-forward.

- Keine feste Verbindung zwischen Sender und Empfänger.

- Bandbreite bedarfsorientiert angefordert; ungenützte Übertragungskapazitäten können anderen Verbindungen zugeordnet werden.

Wegen stark variierenden Bandbreitenbedarfs sind Daten- und Rechnernetze paketvermittelt

19.1.3 Verbindungsdienste

OSI-Modell: Eine Schicht (N) kann den darüber liegenden Schichten (N+1) 2 Arten von Ver-bindungsdiensten anbieten:

* verbindungsorientierte Kommunikation (ISOC: zuverlässig)

* verbindungslose Kommunikation (unzuverlässig).

Verbindungsorientierte Kommunikation (Connection-Oriented, CO)

- Vor Übertragung ist eine (virtuelle) Verbindung zwischen den Teilnehmern aufzubauen.

- Danach kann Sender Daten übertragen, Empfänger erhält sie in gleicher Reihenfolge.

- Anwendung von Mechanismen zur Fehlerkontrolle und Sende/Empfangsbestätigung. Bei Übertragungsfehlern/Problemen (z.B. Überlastung Pufferspeicher, Empfang fehlerhafter Pakete) --> Mitteilung an Gegenstelle --> Reagieren (z.B. Sendewiederholung).

- Typisches Beispiel: X.25-Paketvermittlungsnetz.

- Tendenz: wegen erhöhter Leitungsqualität verlieren in WAN verbindungsorientierte Schicht-2-Übertragungsverfahren ihre Bedeutung und werden überflüssig. Korrektheits-überprüfung für empfangene Daten erfolgt ohnehin auf Anwendungsebene (OSI-Schicht 3 und höher).

Verbindungslose Kommunikation (Connectionless, CL)

- Übertragung ohne vorherigen Verbindungsaufbau. Jedes Datenpaket beinhaltet komplette Zieladresse und wird unabhängig von den anderen Paketen durchs Netz vermittelt.

- Keine Empfangsbestätigung, keine Reihenfolgetreue der Pakete beim Empfänger.

- Kleinerer Verwaltungsaufwand --> höherer Durchsatz im Vergleich zu CO.

- Typisches Beispiel: IP-Paketvermittlungsnetz.

19.1.4 Grundtypen Übertragungsverfahren

Abbildung 19.2: Grundtypen von Übertragungsverfahren Synchroner Transfer Modus (STM: Synchronous Transfer Mode)

- Multiplexing mittels STD (Synchronous Time Division, “Positionsmultiplexing”) - Leitungsvermittelnd

Paket Transfer Modus (PTM: Packet Transfer Mode)

- Multiplexing mittels ATD (Asynchronous Time Division, “Adress- o. Label-MPX) - Paketvermittelnd, Flexible Paketlänge

Asynchroner Transfer Modus (ATM: Asynchronous Transfer Mode) - Multiplexing mittels ATD

- Paketvermittelnd, Feste Paketlänge (Zellen)

Synchronous Transfer Mode (STM) Merkmale

* verbindungsorientiert (d.h. gesicherte Übertragung).

* mit fest zugeordneten Bandbreiten nach dem Zeitmultiplexverfahren (TDM).

Bereits auf unterster Ebene kann eine garantierte Übertragung mit einer bestimmten Bandbrei-te unBandbrei-terstützt werden (wie bei ISDN). Geringe Ende-zu-Ende-Verzögerungen.

Zuordnung von Zeitscheiben in STM (und ATM):

Abbildung 19.3: Zuordnung von Zeitscheiben in STM

- Slots werden für die Dauer einer Verbindung belegt. Sie liegen innerhalb einer sich wie-derholenden Struktur (Rahmen).

- Zuordnung “Verbindung zu Zeitscheibe” durch Lage im Rahmen festgelegt; Jede Zeit-scheibe hat eine feste Zeitdauer.

- Gute Anpassung STM an PCM-Übertragungshierarchien.

- STM (zusammen mit PDH) ist noch Basis einiger heutiger WAN.

Abbildung 19.4: STM-Kanäle

STM bietet eine feste, nicht flexible Struktur mit festen Datenraten und fester Zuordnung von Bandbreite und Verbindung. STM ist technisch einfacher zu realisieren als ATM, aber Band-breite wird nicht ausgenützt. Leistungsverbesserung durch Datenkompression bzw. Einsatz vieler Zeitscheiben (Organisationsaufwand). Einsatzmöglichkeiten:

- Datenübertragung mit festen Datenraten

- Übertragung kontinuierlicher Medien (Sprache, Bild) Asynchronous Transfer Mode (ATM)

Basis-Ziel: Möglichst alle Funktionen aus dem Netz herausholen, um ein einfaches, effekti-ves, schnelles und standardisiertes Netz zu realisieren.

Prinzip ATM: Paketartige Verbindung, jedes Paket als Zelle (Cell) bezeichnet (Pakete fester Länge). ATM arbeitet primär verbindungsorientiert mit hoher Bandbreite und relativ geringen Verzögerungszeiten.

Funktion: Bandbreite wird in Zellen mit fester Länge aufgeteilt. Jede Zelle besteht aus einem Kopf (Header) und dem eigentlichen Datenteil (Payload). Zellen bei Bedarf allokiert (auf Zeitscheiben zugewiesen), nicht vorab reserviert (wie STM) Damit folgt die Zuordnung

“Verbindung zu Zeitscheibe (oder Zelle)” nicht aus der Lage im Rahmen, sondern jeder Zel-lenkopf enthält den Namen einer virtuellen Verbindung. Dieser 24-bit-lange Virtual Path I-dentifier kennzeichnet die virtuelle Verbindung. Zuordnung von Zeitscheiben im ATM siehe Abb 19.3.

Eine Zelle hat eine feste Länge von 48 Byte (zusammen mit Header 53 Byte). Festlegung in-folge politischer Gründe. Andere Vorschläge waren u.a. 64 Byte nach T1S1, 32 Byte nach ETSI (GSM).

Wegewahl erfolgt bei ATM vor der Datenübertragung. Jede Zelle, die zu einer Verbindung gehört, wird auf diesem vorab festgelegten Weg transportiert; damit richtige Reihenfolge der Daten. Bei ATM wird somit die Belegung der Betriebsmittel nicht 100%ig garantiert; damit aber nur unerheblicher Fehler verursacht. ATM-Schicht ist ohne Flußkontrolle (ist für Über-tragung kontinuierlicher Daten nicht notwendig - im Gegensatz zur Ratenkontrolle).

Charakteristik:

- Statistisches Zeitmultiplexing (Asynchronous Time Division Multiplexing), - Paketvermittlung (Paket Switching),

- Pakete fester Länge übertragen (Zellen, 53 Byte),

- Schnelle Weiterleitung und Vermittlung (Text, Audio, Video).

Abbildung 19.5: Asynchronous Transfer Mode Internetworking im ATM:

Bei jedem Netzübergang in ein ATM-Netz werden die Daten in 48-Byte-Zellen gepackt. Für eine Übertragung in Telefonqualität mit 64 kbit/s in PCM-Kodierung bedeutet dies eine nicht zu vernachlässigende Verzögerung (64 kbit/s = 8000 byte/s):

48 byte

Verzögerung = --- = 6 ms

8000 byte/s

19.2 ATM – Asynchroner Transfer Modus

Im Dokument Rechnernetze (Architektur, Schichten, Protokolle, Internet und WWW, ausgewählte Netze und Dienste) (Seite 5-9)