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Asynchronous Transfer Mode

Asynchronous Transfer Mode

Asynchronous Transfer Mode (ATM) ist eine Technologie, bei der der Datenverkehr in kleine Pakete, Zellen genannt, mit fester Länge (53 Byte) codiert und über asynchrones Zeitmultiplexing übertragen wird. Die Zellen-Technik hat im Vergleich zu Übertragungstechniken mit variabler Paketgröße (zum Beispiel Ethernet) den Vorteil, dass die Zellen durch sogenanntes Zell-Relay (ähnlich Frame Relay) effizienter weitergeleitet werden können.

Überblick und Entstehungsgeschichte

ATM wurde als Netzwerk-Standard entwickelt, der die synchronen (PDH, SDH) Transporttechnologien verwendet und ihnen weitere nützliche Leistungsmerkmale hinzufügt. Nicht nur leitungsvermittelte Datenübertragung wird von ATM unterstützt, sondern auch paketbasierte wie IP, Frame Relay etc.. Im Gegensatz zur einfachen und robusten Ethernet- oder TCP/IP-Technologie, die in Lastsituationen zu unberechenbaren Ergebnissen führen kann, bietet ATM Garantien hinsichtlich effektiver Bitrate, Delay und Jitter, was gewöhnlich (neben anderen Features) als Quality of Service (QoS) bezeichnet wird. Das Problem, vielfältige Datenströme unterschiedlicher Art zusammenzuführen, also z.B. sowohl mit synchronen als auch paketbasierten Netzwerken zusammenarbeiten zu können, wurde gelöst, indem beide Bitstrom-Arten (synchron oder paketbasiert) an den Schnittpunkten auf einen neuen Bitstrom mit ATM-Zellen umgesetzt werden. Die Zellen werden typischerweise in den Nutzdaten von PDH- oder SDH-formatierten Datenströmen gesendet. Asynchron bei ATM bedeutet, dass Sender und Empfänger mit in weiten Grenzen voneinander abweichenden Taktraten arbeiten können: der Empfänger prüft mittels Header Error Check für jede Zelle neu, ob eine ausreichende Synchronisation besteht, und führt notfalls eine Neusynchronisation durch. In der ursprünglichen Konzeption war ATM die Schlüsseltechnologie für das 'Broadband Integrated Services Digital Network' (Breitband-ISDN), das für das existierende analoge Telefonnetz (Plain Old Telephone System, POTS) das Backbone-Netz bilden sollte. Der komplette ATM-Standard besteht deshalb aus Definitionen für die Layer 1 bis 3 (Bitübertragungsschicht, Sicherungsschicht und Vermittlungsschicht) des OSI-Modells. Federführend bei der Entwicklung der ATM-Standards waren vorwiegend Telekommunikationsfirmen (Telcos), aber auch das amerikanische Department of Defense (DoD). Aus diesem Grunde wurden viele der existierenden Telco-Technologien und -Konventionen in ATM integriert. Heute ist ATM eine Technologie mit sehr großer Leistungsfähigkeit, mit Unterstützung für Anwendungen vom globalen Telco-Netzwerk bis zum privaten LAN. Die ATM-Technik wird vom ATM Forum standardisiert. Fast alle Telcos haben im Backbone-Bereich ATM-Netzwerke eingerichtet, benutzen aber keine ATM-Signalisierung, sondern feste Verschaltungen. Im breitbandigen Zugangsnetz wird als Multiplex-Layer fast ausschließlich ATM genutzt (DSLAM, RAS). ATM konnte sich als Technologie für lokale Netzwerke nur im Hochleistungsbereich durchsetzen. Seine hohe Komplexität und die damit verbundenen Kosten verhinderten den großflächigen Einsatz als integrierte Netzwerklösung im Bürobereich. Einige grundlegenden Prinzipien der ATM-Standards wie z.B. die Möglichkeit, bestimmte Typen des Datenverkehrs zu priorisieren, wurden später in MPLS übernommen, ein allgemeines Protokoll für effizientes Switching unterhalb Layer 3. ATM-Schichten-Modell:

Management-Funktionen (OAM) sind für ATM in wesentlich stärkerem Ausmaß definiert als für IP. Sie umfassen Konfigurationsmanagement, Fehlermanagement und Leistungsmessung. Aufgaben der Schichten: ;Bitübertragungsschicht :physikalische Verbindung zu anderen Systemen, bevorzugtes Medium SDH ;ATM-Schicht :Transport und Vermittlung von ATM-Zellen ;Anpassungsschicht (Adaptionsschicht) (AAL) :Daten der höheren Schichten werden an das Format des Info-Feldes der ATM-Zelle angepasst (Protokollanpassung). Man unterscheidet 5 Diensttypen. Im Rahmen des ATM-Schichtenmodells wird die Zellensynchronisation durchgeführt. Der Empfänger sucht für die Synchronisation den HEC im Zellenkopf. Der HEC besteht aus einer Prüfsumme des restlichen Zellenkopfes. Stimmen die Prüfsummen der ersten 4 Bytes mit dem 5. Byte überein, spricht man von Synchronisation.

ATM-Konzepte

Warum Zellen?

Der Grund für die Benutzung kleiner Daten-"Zellen" war die Reduktion des Jitters beim Multiplexen von Datenströmen. Zu der Zeit, als ATM entwickelt wurde, waren STM-1-Leitungen mit 155 Mbit/s (135 Mbit/s Nutzlast) eine schnelle optische Netzwerkverbindung, wobei viele PDH-Leitungen der damaligen Netzwerke noch ein ganzes Stück langsamer waren, zwischen 1,544 Mbit/s und 45 Mbit/s in den USA, und 2-34 Mbit/s in Europa. Bei diesen Datenraten braucht ein typisches Datenpaket voller Länge (1500 Byte/12000 bit) etwa 89 µs für die Serialisierung der Daten. Bei langsameren Verbindungen, beispielsweise 1,544 Mbit/s T1, bräuchte das gleiche Paket 7,8 Millisekunden. Jetzt stellen wir uns ein auf Pakete aufgeteiltes Sprachsignal vor, das sich die Leitung mit großvolumigem Datenverkehr teilen muss. Egal wie klein die Sprachpakete gemacht werden könnten, sie würden immer auf die Datenpakete voller Größe treffen, und die Wartezeiten, bis die Leitung mal frei ist, wären ein mehrfaches der reinen Serialisierungszeit von 7,8 ms. Für Sprachverkehr war dies ganz klar inakzeptabel. Selbst wenn man den Jitter herausfilterte, war die Verzögerung so groß, dass man sogar im lokalen Netzwerk Echokompensation benötigt hätte. Zu jener Zeit war dies schlichtweg zu teuer. Die ATM-Lösung bestand nun darin, alle Pakete, sowohl Daten als auch Sprache, in 48 Byte große Teile zu splitten und einen Routing-Header von 5 Byte hinzuzufügen, so dass sie später wieder zusammengefügt werden konnten, und diese 53-Byte-Zellen dann anstelle von Paketen zu multiplexen. Dieses Verfahren reduzierte die Warteschleifen-Zeit fast um den Faktor 30, wodurch man sich die Echokompensation sparen konnte. Die Regeln für die Aufteilung und Re-Assemblierung von Paketen und Streams in Zellen werden als ATM Adaptation Layers bezeichnet: Die zwei wichtigsten sind AAL 1, der für Streams (z.B. Sprache) zuständig ist, und AAL 5 für fast alle Arten von Paketen. Welcher AAL jeweils benutzt wird, ist nicht in der Zelle encodiert. Stattdessen wird er zwischen zwei Endpunkten konfiguriert oder auf Basis einer virtuellen Verbindung vereinbart. Seitdem wurden die Glasfasernetze viel schneller. Heute braucht ein Ethernet-Paket voller Länge nur noch 1,2 µs auf einer optischen Verbindung mit 10 Gbit/s Bandbreite, was es eigentlich nicht mehr notwendig macht, kleine Pakete zu verwenden, um die Latenzzeiten kurz zu halten. Einige Leute haben daraus den Schluss gezogen, dass ATM im Netzwerk-Backbone dadurch überflüssig wurde. Für langsamere Verbindungen (2 Mbit/s und kleiner) ist ATM immer noch sinnvoll. Aus diesem Grund nutzen viele ADSL-Systeme ATM zwischen der physischen Schicht und einem Layer-2-Protokoll wie PPP oder Ethernet.

Wozu virtuelle Verbindungen?

ATM beruht auf Verbindungen, die sowohl fest eingerichtet werden können, als auch mittels einer ISDN-ähnlichen Signalisierung nur für eine bestimmte Zeit geschaltet werden können. Für diesen Zweck wurden Virtual Paths (VPs) und Virtual Channels (VCs) definiert. Jede ATM-Zelle hat einen 8 bzw. 12 Bit langen Virtual Path Identifier (VPI) und einen Virtual Channel Identifer (VCI) von 16 bit in ihrem Header. Während diese Zellen das ATM-Netzwerk passieren, wird das Switching durch Änderung der VPI/VCI-Werte erreicht. Obwohl die VPI/VCI-Werte also nicht notwendigerweise von einem Ende der Verbindung zum anderen gleich bleiben, entspricht dies dem Konzept einer Verbindung, da alle Pakete mit gleichen VPI/VCI-Werten den gleichen Weg nehmen (im Gegensatz zu IP, wo ein Paket sein Ziel über eine andere Route erreichen könnte als vorhergehende und nachfolgende Pakete). Virtuelle Verbindungen haben auch den Vorteil, dass man sie als Multiplexing-Layer für unterschiedliche Services (Sprache, Frame Relay, IP, SNA etc.) benutzen kann, die sich dann eine gemeinsame ATM-Verbindung teilen können, ohne sich gegenseitig zu stören.

Traffic-Management mit Zellen und Virtuellen Verbindungen

Ein weiteres Schlüsselkonzept von ATM nennt sich "Traffic Contract", wörtlich ein "Verkehrsvertrag": Wenn eine ATM-Verbindung eingerichtet wird, wird jeder Switch auf dem Weg über die Traffic-Klasse der Verbindung informiert. Traffic Contracts sind Teil des Mechanismus, über den Quality of Service (QoS) realisiert wird. Es gibt vier Grundtypen (mit mehreren Varianten), die jeweils einen Satz mit Parametern der Verbindung beschreiben:
- UBR - Unspecified Bit Rate (unbestimmte Bitrate), der Defaulttyp für "normalen" Traffic. Hier bekommt man an Bandbreite, was übrig ist, nachdem der QoS-Traffic abgewickelt ist.
- CBR - Constant Bit Rate (konstante Bitrate), hier wird eine Spitzenrate (Peak Cell Rate, PCR) angefordert, die dann garantiert wird
- VBR - Variable Bit Rate, hier "bestellt" man eine durchschnittliche Zellenrate, die man aber um einen bestimmten Betrag für eine bestimmte Zeit überschreiten darf (gibt es in Echtzeit- und Non-Echtzeit-Varianten).
- ABR - Available Bit Rate, die Senderate wird anhand der aktuell freien Bandbreite geregelt. Die Regelung erfolgt entweder über das EFCI-Flag im Cellheader oder über spezielle Resource-Management (RM)-Zellen. Das Einhalten der Traffic Contracts wird normalerweise durch "Shaping", eine Kombination aus Warteschleife und Klassifizierung von Paketen, sowie "Policing" erzwungen.

Traffic Shaping

Üblicherweise passiert das Shaping am Eingangspunkt eines ATM-Netzwerkes, es wird dort versucht, den Zellfluss so zu steuern, dass der Traffic Contract eingehalten werden kann. Einfachste Form ist das Peak Cell Rate- (PCR) Shaping, was die maximale Zellrate nach oben auf einen vorgegebenen Wert begrenzt. Shaping innerhalb des ATM-Netzwerkes erfordert Pufferkapazitäten (Buffer Manager), da die Zellen gelegentlich verzögert weitergeleitet werden und es daher zu Zellanhäufung kommt.

Traffic Policing

Um die Netzwerk-Performance zu erhalten, ist es möglich, virtuellen Verbindungen Regeln entgegen ihren Traffic Contracts zu geben. Wenn eine Verbindung ihren Traffic Contract überschreitet, kann das Netzwerk die Zellen entweder selbst verwerfen oder das Cell Loss Priority (CLP)-Bit setzen, um die Pakete für weitere Switches auf dem Weg als verwerfbar zu markieren. Dieses Policing arbeitet also Zelle für Zelle, was zu Problemen führen kann, wenn paketbasierte Kommunikation auf ATM umgesetzt und die Pakete in ATM-Zellen verpackt wurden. Wenn man eine dieser ATM-Zellen verwirft, wird natürlich das ganze vorher segmentierte Paket ungültig. Aus diesem Grund erfand man Schemata wie Partial Packet Discard (PPD) und Early Packet Discard (EPD), die eine ganze Serie von Zellen verwerfen, bis der nächste Frame beginnt (sieh Discard-Protokoll). Dies reduziert die Anzahl redundanter Zellen im Netzwerk und spart Bandbreite für volle Frames. EPD und PPD arbeiten nur mit AAL 5, weil sie das Frame End Bit auswerten müssen, um das Ende eines Paketes festzustellen.

Struktur einer ATM-Zelle

Eine ATM-Zelle besteht aus einem Header von 5 Byte und 48 Byte Nutzlast (Payload). Die Payload-Größe von 48 Bytes ergab sich als Kompromiss zwischen den Bedürfnissen der Sprachtelefonie und denen paketbasierter Netzwerke. Man nahm einfach den Durchschnitt der Paketlängen des amerikanischen (64 Byte) und des europäischen Vorschlags (32 Byte). ATM definiert zwei unterschiedliche Zellen-Formate: NNI (Netzwerk-Netzwerk-Interface) und UNI (User-Netzwerk-Interface). Private ATM-Verbindungen benutzen das UNI-Format, öffentliche ATM-Netzwerke das NNI-Format. Diagramm einer UNI-ATM-Zelle Das PT-Feld wird zur Unterscheidung verschiedener besonderer Arten von Zellen für Wartungs- und Management-Zwecke benutzt. In einer Zelle mit UNI-Headerformat ist das GFC-Feld für eine (bis heute undefinierte) lokale Flusskontrolle zwischen Netzwerk und User reserviert. Wegen dieses geplanten Verwendungszwecks wird die Übertragung der GFC-Bits von öffentlichen ATM-Netzen nicht garantiert. Bis zur Normung der lokalen Flusskontrolle müssen alle vier Bits standardmäßig auf Null gesetzt sein. In privaten Netzen können sie beliebig genutzt werden, falls nicht herstellerspezifische Einschränkungen dies verbieten. Das NNI-Format einer ATM-Zelle ist bis auf das fehlende GFC-Feld mit dem UNI-Format identisch. Diese Bits werden statt dessen benutzt, um das VPI-Feld von 8 auf 12 Bits zu vergrößern. Daher können dann über einen einzigen Port 2¹² VPs mit je 2¹⁶ VCs adressiert bzw. die entsprechende Anzahl von Verbindungen geschaltet werden. Beim UNI-Format sind es nur 256 VPs mit je 2¹⁶ VCs. In der Praxis sind gewöhnlich einige VP/VC-Nummern für besondere Zwecke reserviert und können daher nicht für Nutzverbindungen verwendet werden. Das HEC-Feld (Header Error Correction, Checksumme des Headers) ermöglicht es zu prüfen, ob die ATM-Zelle fehlerfrei übertragen wurde. Ferner dient es der Zellsynchronisation: wenn die empfangende Seite den Zellbeginn nicht korrekt identifiziert hat, nimmt sie auch die falschen Bytes als HEC-Feld und kommt dann solange zu negativen Prüfergebnissen, bis sie sich wieder auf den korrekten Zellbeginn synchronisert hat. Das Prüfen des HEC-Feldes wird von der empfangenden Seite in Echtzeit vorgenommen. Siehe auch: DSS2, DSL, IP, MPLS, DQDB

Weblinks

- [http://www.cisco.com/univercd/cc/td/doc/product/atm/c8540/12_0/13_19/trouble/cells.htm ATM-Zellen-Formate]
- [http://www.breitband-isdn.ch/technic/atm/ Funktionsübersicht ATM] Kategorie: Nachrichtentechnik Kategorie: Computernetzwerk ja:Asynchronous Transfer Mode

Multiplexverfahren

Multiplexverfahren (multiplex (lat.) = vielfach, vielfältig) sind Methoden in der Nachrichtenübertragungstechnik mit denen mehrere Signale gleichzeitig über ein Medium (Kabel oder Funkstrecke) übertragen werden können. Die Intentionen für die Anwendung von Multiplexing sind bei leitungsgebundener und bei Funkübertragung etwas unterschiedlich. Bei leitungsgebundener Übertragung werden die Signale aus mehreren Quellen durch einen so genannten Multiplexer gebündelt und gemeinsam über einen statt über mehrere parallele Wege übertragen. Der Demultiplexer entbündelt die Signale dann wieder. Ziel hierbei ist es, die Kosten für die Übertragungsstrecke möglichst niedrig zu halten. In der Funktechnik wird Multiplexing eingesetzt, um mehrere Teilnehmer, die meist auch räumlich verteilt sind, gleichzeitig mit einer zentralen Funkstation verbinden zu können.

Allgemein

Diese Verfahren wurden entwickelt, um eine optimale Ausnutzung von Leitungen und Frequenzen, die in der Kommunikationstechnik als Übertragungswege dienen, zu erreichen. Ebenfalls werden hierdurch die Kosten für Einrichtung und Wartung dieser Übertragungswege reduziert. Die Übertragungswege werden bei einem Multiplexverfahren in mehrere Kanäle aufgeteilt, um so verschiedene Signale ohne gegenseitige Beeinflussung gleichzeitig zu übertragen. In der technischen Kommunikation verwendet man hierzu die folgenden generellen Typen von Multiplexverfahren.
- Raummultiplexverfahren - Übertragungskanäle (Leitungen, Richtfunkstrecken) werden zur parallelen aber exklusiven Nutzung durch mehrere Sender und Empfänger gebündelt.
- Frequenzmultiplexverfahren - Bei Leitungsübertragung werden mehrere zu übertragende Signale in einem Frequenzbereich gebündelt; bei Funkübertragung werden unterschiedlichen Sendern unterschiedliche Frequenzen zugewiesen.
- Zeitmultiplexverfahren - Mehrere Signale werden durch (meist periodisches) zeitversetztes Senden übertragen.
- Wellenlängenmultiplexverfahren - Dies ist ein optisches Frequenzmultiplexverfahren für die Übertragung auf Lichtwellenleitern.
- Codemultiplexverfahren - Dieses Verfahren wird nur in der Funktechnik eingesetzt. Mehrere Sender übertragen ihre Signale gleichzeitig und werden im Empfänger durch ihre unterschiedliche Codierung unterschieden.

Begrifflichkeiten "Multiplexing" und "Multiple Access"

Im Zusammenhang mit den hier beschriebenen Multiplexverfahren wird teils von „Multiplexing“ und teils von „Multiple Access“ gesprochen. Um Multiplexing im engeren Sinne handelt es sich dann, wenn am Anfang eines Übertragungsweges ein Multiplexer mehrere Signale bündelt und am Ende ein Demultiplexer diese wieder entbündelt. Der Begriff Multiple Access hingegen wird eher dann verwendet, wenn mehrere Sender-Empfänger-Paare sich ein Übertragungsmedium (z. B. die Funkschnittstelle – also die Luft in der Umgebung einer Basisstation – beim Mobilfunk) teilen. Dort ist dann entweder eine zentrale Instanz erforderlich, die die Kanäle zuteilt, oder die Sender arbeiten mit einer Kollisionserkennung. Die Verfahren zur gemeinsamen Nutzung des Übertragungsmediums sind bei Multiplexing und Multiple Access jedoch gleich und werden deshalb in diesem Artikel gemeinsam beschrieben.

Raummultiplexverfahren (SDM, SDMA)

Mit Raummultiplexverfahren (Abk. SDM für Space Division Multiplex oder SDMA für Space Division Multiple Access) bezeichnet man in der Nachrichtentechnik das Übertragen beziehungsweise das Vermitteln von mehreren Nachrichten über parallel installierte Übertragungswege, die den einzelnen Sendern und Empfängern jeweils zur exklusiven Nutzung bereitgestellt werden. Man unterscheidet hierbei zwischen zwei verschiedenen Varianten:
- drahtgebundenes Raummultiplexverfahren
- drahtloses Raummultiplexverfahren

Drahtgebundene Raummultiplexverfahren

Nachrichtentechnik Das drahtgebundene Raummultiplexverfahren ist das einfachste und älteste Multiplexverfahren. Hierbei werden zur gleichzeitigen Unterstützung von individuellen Verbindungen mehrere Leitungen parallel installiert. Diese parallelen Leitungen werden auch als Leitungsbündel (engl. Trunk) bezeichnet. Die einfachste Anwendung dieses Verfahrens sind die schon in der Anfangszeit der Telekommunikation und bis heute gebräuchlichen mehradrigen Kabel. Eine andere Methode des Raummultiplexverfahrens ist die Kreuzschienenverteilung (engl. cross bar switching), die auch als Koppelfeld bezeichnet wird. Hierbei handelt es sich um eine Matrix aus mehreren Leitungen mit vielen Schaltern. Hier zeigt sich einer der Vorteile des Raummultiplexverfahrens. Durch diese Matrix ist sichergestellt, dass jeder Sender jeden Empfänger erreichen kann, sofern die Leitung frei und der Schalter aktiv ist.

Drahtlose Raummultiplexverfahren

Beim drahtlosen Raummultiplexverfahren wird für jede Gruppe von Verbindungen eine eigene Richtfunkstrecke verwendet. Normalerweise erfolgt eine Mehrfachausnutzung einer Funkstrecke mit Hilfe des Frequenzmultiplexverfahrens oder des Zeitmultiplexverfahren oder einer Kombination aus beiden. Das Raummultiplexverfahren wird notwendig, wenn die Anzahl der zu übertragenden Verbindungen steigt und gleichzeitig Frequenzknappheit besteht. Dann wird die gleiche Frequenz mit ausreichendem räumlichen Abstand mehrfach benutzt. Der ausreichende räumliche Abstand ist notwendig, um zwischen den verschiedenen Sendern mit gleicher Sendefrequenz störende Interferenzen zu vermeiden. Zum Einsatz kommt dieses Verfahren unter anderem in den Richtfunknetzen hinter den Sendestationen bei Rundfunk, Fernsehen und zellularem Mobilfunk.

Frequenzmultiplexverfahren (FDM, FDMA)

Das Frequenzmultiplexverfahren (Abk. FDM für Frequence Division Multiplex oder FDMA für Frequency Division Multiple Access) ist sowohl in drahtgebundenen als auch in drahtlosen Kommunikationssystemen anwendbar. Ein erster Vorschlag zur Vielfachausnutzung von Leitungen durch Frequenzmultiplexverfahren wurde 1886 für die Telegraphie durch Elisha Gray gemacht. Die wohl bekannteste Anwendung ist die Stereotonübertragung im UKW-Radio.

Frequenzmultiplex auf Leitungen

Stereotonübertragung Hierbei werden mehrere Signale mit jeweils einer schmalen Bandbreite zu einem breitbandigen Signal gebündelt und dann auf eine Trägerfrequenz moduliert. Man sagt auch, die Signale werden auf die Trägerfrequenz in unterschiedliche Frequenzbänder moduliert. Die Übertragung der Signale erfolgt dabei gleichzeitig und unabhängig von einander. Durch die Modulation in unterschiedliche Frequenzbänder ist es beim Empfänger mit Hilfe von Filtern möglich, die Signale wieder in ihre ursprüngliches Frequenzlage zurück zu wandeln (demodulieren). Zur Vermeidung von Interferenzen und um eine bessere Trennung der Signale im Empfängerfilter zu erreichen, werden unbenutzte Schutzbänder (eng. Guard Bands) zwischen den einzelnen Frequenzbändern frei gelassen. Angewendet wird Frequenzmultiplex auf vielen Leitungen im Telefonnetz. Auch bei der Übertragung von Informationen über Breitbandverteilnetze wie dem Kabelfernsehen kommt diese Technik zum Einsatz.

Frequenzmultiplex bei Funkübertragung

Hierbei werden die unterschiedlichen Signale nicht vorher gebündelt, sondern jedes Signal wird direkt auf seine Trägerfrequenz moduliert. Heutige Anwendungsbereiche sind die Richt- und Mobilfunktechnik in der Telekommunikation. Das russische Satellitennavigationssystem Glonass verwendet ebenfalls das Frequenzmultiplexverfahren. Zudem ist dieses Verfahren mit dem Zeitmultiplexverfahren kombinierbar, zum Beispiel beim Global System for Mobile Communications(GSM), bei Digital Enhanced Cordless Telecommunications (DECT) oder bei Bluetooth. Eine Weiterentwicklung des FDM ist das OFDM (Ortogonal Frequency Division Multiplexing). Jeder Kanal verwendet viele auf einander "senkrecht" stehende Frequenzen. Anmerkung: Die Zuweisung unterschiedlicher Frequenzen zu unterschiedlichen (räumlich getrennten) Sendestationen (z.B. Mobilfunkzellen) bezeichnet man üblicherweise nicht als Multiplexing. Hier spricht man von Frequenzplanung oder Raummultiplex (SDM).

Zeitmultiplexverfahren (TDM, TDMA)

Beim Zeitmultiplexverfahren (Abk. TDM für Time Division Multiplex oder TDMA für Time Division Multiple Access) werden in bestimmten Zeitabschnitten (Time Slots) die Daten (Signale) verschiedener Sender auf einem Kanal übertragen. Das Zeitmultiplexverfahren unterscheidet zwischen dem synchronen und asynchronen Verfahren.

Synchrones Verfahren

asynchronen Beim synchronen Verfahren (Abk. STD für Synchron Time Division) wird jedem Sender durch den Multiplexer ein fester Zeitabschnitt zur Übertragung seiner Daten (Signale) auf dem Übertragungskanal zugeordnet. Dies hat den Vorteil, dass jede Verbindung eine konstante Datenübertragungsrate erhält. Zusätzlich ist jederzeit ein Sender durch seine Position auf dem Übertragungskanal identifizierbar. Dies vereinfacht am Ziel den notwendigen Prozess des Demultiplexen. Der Nachteil ist, dass, wenn ein Sender keine Daten (Signale) sendet, der entsprechende Zeitabschnitt ungenutzt bleibt. Der Übertragungskanal wird in einem solchen Fall nicht optimal ausgelastet.

Asynchrones Verfahren

asynchronen Durch das asynchrone Verfahren (Abk. ATD für Asynchron Time Division) wird der Nachteil des synchronen Verfahren verhindert. Dies geschieht, indem nur die Sender durch den Multiplexer auf den Übertragungskanal gegeben werden, die Daten (Signale) auch wirklich senden. Hierzu ist es aber notwendig, jedem in einem Zeitabschnitt übertragene Datenpaket eine Kanalinformation (andere Bez. Header, Channel Identifier) hinzu zu fügen. Anhand dieser Kanalinformation kann der Demultiplexer am Ziel des Übertragungskanals die Datenpakete dem richtigen Empfänger wieder zuteilen. Deshalb wird das asynchrone Verfahren auch teilweise als Adressen-Multiplexen oder label-multiplexing bezeichnet. Durch diese bedarfsgerechte Zuweisung der Zeitabschnitte wird der Übertragungskanal sehr ökonomisch genutzt. Wenn alle Sender Daten (Signale) übertragen, erhalten alle eine konstante Datenübertragungsrate. Freie Zeitabschnitte durch nicht aktive Sender werden von den anderen Sendern mitbenutzt, wodurch deren Datenübertragungsrate steigt. Dies bezeichnet man dann auch als Dynamisches Multiplexen. Als Nachteil gilt, dass die Datenpakete durch die Kanalinformation sowie der Aufwand des Demultiplexens größer werden. Das Zeitmultiplexverfahren ist, wie das Frequenzmultiplexverfahren, sowohl in drahtgebundenen als auch in drahtlosen Kommunikationssystemen anwendbar. Die erste bekannte Anwendung des Zeitmultiplexverfahren wurde von dem Franzosen Jean-Maurice-Émile Baudot [http://chem.ch.huji.ac.il/~eugeniik/history/baudot.html] entwickelt. Seine 1874 entwickelte Apparatur machte es möglich, 4-6 Telegrafiesignale über eine Leitung im synchronen Zeitmultiplexverfahren zu übertragen. Heutige Anwendungsbereiche sind Übertragungstechniken, wie Integrated Services Digital Network (ISDN), Digital Subscriber Line (DSL) oder Asynchronous Transfer Mode (ATM). Das GSM-Mobilfunknetz verwendet sowohl das Zeitmultiplexverfahren als auch das Frequenzmultiplexverfahren.

Wellenlängenmultiplexverfahren (WDM, WDMA)

Das Wellenlängenmultiplexverfahren (Abk. WDM für Wavelength Division Multiplex oder WDMA für Wavelength Division Multiple Access) ist ein optisches Frequenzmultiplexverfahren, das bei der Übertragung von Daten (Signalen) über Glasfaserkabel (Lichtwellenleiter) verwendet wird. Beim Wellenlängenmultiplexverfahren werden aus verschiedenen Spektralfarben (Lichtfrequenzen) bestehende Lichtsignale zur Übertragung in einem Lichtwellenleiter verwendet. Als Quelle für die Lichtsignale dienen vorwiegend lichtemittierende Dioden (LED) oder Laser. Jede dieser so erzeugten Spektralfarben bildet somit einen eigenen Übertragungskanal, auf den man nun die Daten (Signale) eines Senders modulieren kann. Die so modulierten Daten (Signale) werden dann durch optische Koppelelemente gebündelt und gleichzeitig sowie unabhängig voneinander übertragen. Am Ziel dieser optischen Multiplexverbindung werden die einzelnen optischen Übertragungskanäle durch passive optische Filter oder wellenlängensensible opto-elektrische Empfängerelemente wieder getrennt. Das Verfahren ist mit dem Zeitmultiplexverfahren kombinierbar. Inzwischen existieren Techniken, einzelne optische Kanäle ohne vorherige Wandlung auf die elektrische Ebene zu verstärken und zu routen um somit reine optische Netze zu realisieren. Wesentliche Komponenten dieser Technik sind optische Multi- und Demultiplexer, optische Verstärker und optische Crossconnects, die die Kanäle durch Filter trennen. Siehe auch: Arrayed-Waveguide Grating Das sogenannte Dichte Wellenlängen-Multiplex (Abk. DWDM für Dense Wavelength Division Multiplex)... ...gilt zur Zeit als leistungsstärkste Variante. Dies wird erreicht, indem die zur Übertragung verwendeten Wellenlängen (Spektalfarben) sehr "dicht" im Glasfaserkabel übertragen werden. Der Abstand der Wellenlängen liegt hierbei zwischen 0,8 nm (200 GHz) und 1,6 nm (100 GHz). Diese dichten Abstände können nur erreicht werden, indem teure, gekühlte Laser und hochwertige Filter eingesetzt werden. Hierdurch erhält man aber Datenübertragungsraten bis zu 160 Kanäle bei 10 Gbit/s oder mehreren Kanälen mit 40 Gbit/s pro Kanal. Je nach Hersteller, Netzdesign und Glasfasertyp sind optische Verstärker alle 80-200 km erforderlich, sowie eine elektrische Regeneration zwischen ~600 - ~2000 km. Aus diesem Grund ist der hauptsächliche Anwendungsbereich dieser Variante der Einsatz im Wide- und Global Area Network. Je höher die Datenrate auf einem Kanal um so größer werden Beeinflussungen durch Dispersion. Bei Wellenlängen ab 10 Gbit/s Datenrate müssen Beeinflussungen durch chromatische Dispersion ausgeglichen werden, bei Wellenlängen mit 40 Gbit/s Datenrate sind weitere nichtlineare Effekte wie z.B. Polarisationsmodendispersion (PMD) eine Herausforderung an das Systemdesign. Eine kostengünstigere Variante stellt das Grobe Wellenlängenmultiplex (Abk. CWDM für Coarse Wavelength Division Multiplex) dar. Zur Übertragung werden Wellenlängen (Spektralfarben) mit einem Kanalabstand kleiner als 50 nm, aber größer als 1000 GHz (ungefähr 8 nm im dritten optischen Fenster bei 1550 nm und 5.7 nm bei 1310 nm im zweiten) verwendet. Diese "grobe" Aufteilung der Wellenlängen wurde gewählt, um ungekühlte und somit kostengünstige Lasertypen verwenden zu können. Mit dieser Variante des Wellenlängenmultiplex werden Datenübertragungsraten bis 2,5 Gbit/s und Leitungsreichweiten bis 70 km ohne Signalverstärkung pro Kanal erreicht. Als Einsatzgebiete gelten Verbindungen im Metro-Bereich.

Codemultiplexverfahren (CDM, CDMA)

Beim Codemultiplexverfahren (Abk. CDM für Code Division Multiplex oder CDMA für Code Division Multiple Access) werden die Daten (Signale) mehrerer Quellen oder Sender gleichzeitig auf derselben Frequenz übertragen. Um ein Datenbit zu übertragen, wird eine dem Sender zugewiesene Bitfolge (der Code) übertragen. Die Datenrate auf dem Übertragungskanal, auch als chip rate bezeichnet, ist somit ein Vielfaches der Datenrate des Quellensignals. Zur Übertragung des Bitwerts "1" wird der Code selbst, für den Bitwert "0" der inverse Code übertragen. Sind mehrere Sender gleichzeitig aktiv, entsteht hierdurch ein Signalgemisch. Der Empfänger filtert das Signal eines bestimmten Senders aus dem Signalgemisch heraus, indem er die Korrelation zwischen dem ihm bekannten Codemuster des Senders und dem Signalgemisch berechnet. Einfach ausgedrückt wird hierbei das Signalgemisch mit dem Codemuster (binär) durchmultipliziert. Die Korrelationsfunktion liefert den Wert "1" für das Datenbit "1" und "-1" für das Datenbit "0". Wenn der Sender gar nicht sendet, liefert die Korrelation den Wert "0". Um eine gegenseitige Beeinflussung der Signale der unterschiedlichen Sender zu vermeiden, müssen Codemuster zugewiesen werden, die unabhängig voneinander sind. Man bezeichnet solche Codemuster dann als orthogonal. Ein Empfänger, der das Codemuster eines bestimmten Senders sucht, "sieht" Sendesignale mit orthogonalem Codemuster als Rauschen auf dem Übertragungskanal. Die Kapazität des Systems erhöht sich durch das parallele Senden mehrerer Signale a priori nicht, da dies mit einer höheren Chiprate und damit mit einem breitbandigeren Signal erkauft werden muss. Es ergeben sich aber trotzdem Vorteile, weil Störungen in einem engen Frequenzbereich nicht ein Signal komplett unterbrechen, sondern alle Signale nur leicht stören. Eingesetzt wird das Codemultiplexverfahren beim neuen Mobilfunkstandard der dritten Generation, dem Universal Mobile Telecommunications System (UMTS), unter der Bezeichnung WCDMA für Wideband - Code Division Multiple Access das derzeit europaweit aufgebaut wird. Die hierbei eingesetzte Bandbreite liegt, je nach Netzbetreiber, bei 4,4 - 5 MHz. Bei UMTS können unterschiedlichen Sendern unterschiedlich lange Codemuster zugewiesen werden. Je länger der Code um so geringer die Nutzdatenrate, aber auch um so geringer die benötigte Sendeleistung. Für eine Bruttodatenrate von 1920 kbps im Uplink wird beispielsweise ein Codemuster mit der Länge 4 bit verwendet; bei 30 kbps Bruttodatenrate ist der Code 256 bit lang. Dabei wird eine konstante chip rate von 3,84 Mcps und das Modulationsverfahren QPSK verwendet. Auch beim Amerikanischen 3G Standard cdma2000 ist CDMA, wie der Name schon impliziert, das Multiplexverfahren der Wahl. Weltmarktführer für CDMA-Technologie ist Qualcomm. Die Firma besitzt auch die Rechte an den meisten wichtigen CDMA-Patenten. Die Firmen Alcatel Shanghai Bell und Datang Mobile haben in Zusammenarbeit mit Siemens zwischen November 2001 und August 2005 einen dritten CDMA-Standard für die mobile Kommunikation der dritten Generation entwickelt, TD-SCDMA, der auf dem chinesischen Markt in den Einsatz kommen soll. Eine weitere Anwendung für CDMA ist das Satellitennavigationssystem GPS. Dazu wird für Europa ein Nachfolgesystem "Galileo" entwickelt, um sich vom System der USA unabhängig zu machen.

Literatur

- Ohm, Jens R.; Lüke, Hans D.: Signalübertragung - Grundlagen der digitalen und analogen Nachrichtenübertragungssysteme. Springer Verlag, Berlin 2002 ISBN 3-540-67768-2

Siehe auch

- Multiplextechnik
- Multiplexer
- Demultiplexer
- Übertragungstechnik
- Synchrone Digitale Hierarchie (SDH)
- Plesiochrone Digitale Hierarchie (PDH)

Weblinks

- [http://chem.ch.huji.ac.il/~eugeniik/history/baudot.html Geschichte und Bilder von Baudots Telegraf (englisch)]
- [http://umtslink.at/UMTS/wcdma.html WCDMA - Multiplexing von UMTS (deutsch)] Kategorie:Nachrichtentechnik Kategorie:Telekommunikation ja:多元接続

Frame Relay

Frame Relay ist eine Datenübertragungstechnik, die ursprünglich als Datenzubringerdienst für ISDN entwickelt wurde. In Europa werden häufig die Basisstationen des GSM-Netzes, die die Funksignale der Mobiltelefone empfangen und ins Festnetz überleiten, über Frame Relay angebunden. Aber auch Netzbetreiber bieten Frame Relay Verbindungen als billigere Alternative zu einer Standleitung an. Frame Relay multiplext wie X.25 beziehungsweise das Datex-P-Netz die Datenströme verschiedener Sende- beziehungsweise Empfangsstationen nach statistischen Gesichtspunkten über eine Leitung und unterstützt dabei Geschwindigkeiten zwischen 56 kBit/s und 45 Mbit/s. Wegen seiner hohen Ähnlichkeit zu X.25 ist es eigentlich dessen Weiterentwicklung mit der Fähigkeit zu höherer Übertragungsgeschwindigkeit. Häufig wird Frame Relay mit einer garantierten Übertragungsgeschwindigkeit (CIR von Committed Information Rate) und einer kurzzeitigen Überschreitung der Übertragungsgeschwindigkeit (EIR von Extended Information Rate) angeboten. Eine Gemeinsamkeit mit X.25 ist, dass Frame Relay ebenfalls verbindungsorientiert ist. Für jeden Teilnehmer wird eine eigene virtuelle Verbindung aufgebaut. Ein wesentlicher Unterschied zu X.25 besteht in den Fehlerkorrekturmechanismen. X.25 wurde ursprünglich zur Übertragung von Daten über Telefonleitungen entwickelt, die selten bessere Fehlerraten als 1:10.000 haben. Deswegen hat X.25 aufwendige Mechanismen zur Korrektur von Fehlern und zur wiederholten Übertragung verfälschter Datenblöcke. Frame Relay hat diese Mechanismen nicht. Frame Relay ist eine effektive Datenübertragungstechnik für Datenströme, die eine konstante Bitrate haben wie zum Beispiel digitale Sprache. Für Datenübertragungen mit stark wechselndem Verkehrsprofil oder auch für Multimedia ist sie nicht besonders gut geeignet. Trotzdem wird sie wegen der geringen Kosten gerne für die Verbindung von LANs über Weitverkehrsstrecken verwendet. Die Fehlerrate ist dann aber in Lastsituationen deutlich merkbar. Frame Relay wurde entwickelt, um eine effiziente Ausnutzung der existierenden technischen Ressourcen zu ermöglichen. Der Anbieter kann allen Kunden in Summe mehr Übertragungskapazität anbieten als ihm zur Verfügung steht, da die meisten Kunden nicht immer 100 Prozent ihrer "Leitung" ausnützen. In manchen Marktsegmenten bekam Frame Relay deswegen einen schlechten Ruf - da einige Anbieter in Summe deutlich mehr Bandbreite verkauften als zur Verfügung stand. Frame Relay wird zunehmend von ATM und Produkten, die auf IP basieren, ersetzt. Besonders Virtuelle Private Netze übernehmen zunehmend als noch billigere Alternative das Marktsegment von Frame Relay. Kategorie:Computernetzwerk ja:フレームリレー

Rechnernetz

Ein Rechnernetz ist ein Zusammenschluss von verschiedenen technischen, primär selbstständigen elektronischen Systemen (insbesondere Computern, aber auch Sensoren, Aktoren, Funktechnologischen Komponenten usw.), der die Kommunikation der einzelnen Systeme untereinander ermöglicht. Die Kommunikation erfolgt über verschiedene Protokolle, die mittels des ISO/OSI-Modells strukturiert werden können. Obwohl in der Praxis kein Rechnernetz das ISO/OSI-Modell vollständig abbildet, ist es von entscheidender Bedeutung für das Verständnis von Rechnernetzen, da hierbei aus kleinen grundlegenden Strukturen durch Verknüpfung, größere und komplexere Strukturen gebildet werden. Dabei greifen höhere (komplexere) Protokollschichten auf die Funktionalitäten von einfacheren darunterliegenden Protokollschichten zu. Ein wichtiges Prinzip dabei ist, dass man den meisten Protokollschichten jeweils (Nutz-)Daten (Payload) zum Transport übergeben kann. Die Protokollschicht fügt zu diesen Nutzdaten (deren Inhalt sie weitgehend ignoriert) vorne und teilweise hinten weitere Daten an, die für die Abwicklung des Transportes durch die Protokollschicht wichtig sind. Jedoch gibt es auch hiervon Ausnahmen, da einige Protokolle nicht dazu gedacht sind fremde Nutzdaten zu transportieren, sondern ausschließlich als eigenständige Informationssysteme für bestimmte Aufgaben fungieren. Die allgemein bekannteste Netzstruktur ist das Internet und die bekanntesten Protokolle sind das TCP und das IP Protokoll, jedoch spielen auch im Internet eine Reihe weiterer Protokolle wichtige Rollen und das Internet selbst ist kein homogenes Netz sondern ist aus einer Vielzahl teils recht unterschiedlich konzipierter Teilnetze aufgebaut, die nur die oberen Protokollschichten gemeinsam haben und die Nutzdatenübertragung auf den unteren Protokollschichten teilweise sehr unterschiedlich handhaben. Rechnernetze können unter anderem anhand der folgenden Kriterien klassifiziert werden.
- Organisatorische Abdeckung
- Übertragungsweg / Übertragungstechnologie

Topologien

IP Dies ist eine relativ leicht zu verstehende Eigenschaft die für das Grundverständnis wichtig ist. Unter der Topologie versteht man die Art wie die verschiedenen beteiligten Komponenten (also zumeist Rechner) im Netz durch physische oder logische Leitungswege verbunden sind. Theoretisch könnte man jeden Rechner mit jedem anderen beteiligten Rechner direkt verbinden. Dies ist in der Praxis aber nicht praktikabel. Deshalb bildet man Netze in denen es Verbindungen und Knoten gibt über die man ggf. über mehrere Zwischenpunkte von jedem Bereich des Netzes zu jedem anderen Bereich des Netzes kommen kann. Es gibt eine Reihe von Grundstereotypen, die so in dieser klaren Form jedoch selten in der Praxis auftreten. Bei der Stern-Topologie gibt es einen zentralen Verteilpunkt, der ggf. alles kontrollieren kann, aber ohne den nichts funktioniert. Bei der Baum-Topologie benutzt man einen ähnlichen Ansatz den man jedoch hierarchisch staffelt. In der Ring-Topologie hat jeder Rechner eine Position in einem Ring und ist nur mit seinen Nachbar verbunden. Das vermaschte Netz ist eine praktische Form in der jeder Rechner mit mehreren Nachbarn verbunden ist und redundante Wege existieren, sodass selbst beim Ausfall einer Leitung das Netz noch über eine andere Leitung verbunden bleibt. In einem Bus greifen alle beteiligten Rechner auf ein gemeinsam und von allen genutztes Medium zu, wodurch es zu Kollisionen darauf kommen kann. Die Zell-Topologie spielt bei Funknetzen mit ihren speziellen Zugriffseigenschaften eine besondere Rolle. In der Praxis treten fast immer Mischformen dieser Stereotype auf und es gibt noch eine Reihe von Bezeichnungen für bestimmte Spezialformen. Nähere Details hierzu siehe unter dem Stichwort Topologie Netze.

Organisatorische Abdeckung

Dieses Kriterium wird oft benutzt da es weniger kompliziert erscheint als andere Eigenschaften von Netzen. In der Praxis hat diese Unterscheidung aber nur begrenzte Bedeutung.
- lokale Netze
- Personal Area Network (PAN)
- Wireless Personal Area Network (WPAN) als Begriff
- Local Area Network (LAN)
- Wireless LAN (WLAN) als Begriff
- nicht-lokale Netze
- Metropolitan Area Network (MAN)
- Wide Area Network (WAN)
- Global Area Network (GAN)
- Virtual Private Network (VPN)

Übertragungsweg

Drahtgebundene Netze

Ethernet

Die verbreitetste Technik bei drahtgebundenen Netzen ist das Ethernet, das einem vor allem in lokalen Firmennetzen und Heimnetzen begegnet. Es ist leitungsgebunden und wird heute in den Ausprägungen 10-Base-T, 100-Base-Tx und 1000-Base-Tx benutzt. Dabei bezeichnet die Zahl jeweils die theoretische maximale Übertragungsgeschwindigkeit von 10, 100 oder 1000 Mbit pro Sekunde und T sagt aus dass es sich um ein gedrilltes Kupferkabel handelt (Twisted Pair). Je nach Geschwindigkeit ist ein Kabel der entsprechenden Qualität nötig die CAT[Nummer] genannt wird. Für 100 Mbit ist dies z.B. CAT5, bei 1000 Mbit CAT5e, CAT5+ oder CAT6 zu verwenden. Früher war die Ethernetvariante 10Base2 mit koaxialen Kabeln verbreitet, die aber seit dem Jahr 2000 weitgehend ausgestorben ist. Dennoch rührt von dieser Zeit der Name Ethernet, der suggeriert, dass man über einen Art "Äther" funkt. Hintergrund war, dass sich viele Rechner einen gemeinsamen Ethernet-Strang teilten und es so auch zu Störungen bei gleichzeitiger Nutzung kommen konnte (sogenannte Kollisionen). Das "Zugriffsverfahren" nennt sich dabei CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection), wobei jeder Rechner erst lauscht ob die Leitung (Carrier) frei ist und wenn ja, dann einfach sendet. Hat er Pech gibt es dennoch eine Kollision, weil noch ein Rechner dasselbe tut. Diese Kollision wird erkannt (Collsion Detection) und beide probieren es zu einem zufälligen Zeitpunkt später erneut. Zudem musste jeder Rechner der den Ethernetstrang benutzte wissen wann er gemeint war. Dazu wurde die sogenannte MAC (Media Access Control) Schicht eingeführt, die den gleichzeitigen Zugriff auf dem gemeinsam genutzten Medium regelte. Dabei bekam jeder beteiligte Rechner eine eigene eindeutige MAC Adresse und es gab Verfahren wie sich alle Rechner beim Auftreten einer Kollision zu Verhalten hatten. In der Praxis hat das Ethernet/MAC Protokoll den Vorteil dass es bei geringem Datenverkehr sehr schnell und einfach funktioniert, da jeder sofort losfunken kann. Jedoch treten bei höherem Datenverkehr mehr und mehr Kollisionen im gemeinsam genutzen Netzabschnitt auf, die den Datenverkehr irgendwann ganz zusammen brechen lassen können. In der Praxis funktionierten solche Ethernet Netze deshalb nur mit geringem Datenverkehr gut. Bei hohem Datenverkehr konnten große Verzögerungen entstehen und theoretisch konnte es einem Rechner passieren, dass er zufällig überhaupt niemals kollisionsfrei etwas senden konnte. Mit dem Aufkommen der Base-T-Varianten und Switchen wurden diese MAC-Verfahren zwar eigentlich wieder unwichtig, da nun wieder jeder Rechner einen eigenen exklusiven Netzbereich hatte, der durch Switche kontrolliert wurde, jedoch blieb die MAC-Schicht erhalten. Dennoch gibt es heute mit Switchen keine Kollisionsprobleme mehr, wodurch die Leitungen effizienter genutzt werden können, jedoch kann es immer noch zu Staus und Überlastungen an den Switchen kommen.

Token Ring

Einen anderen Weg der Zugriffskontrolle ging das Token Ring-Netz, das heute (2005) vor allem für Netze mit speziellen Qualitätsanforderungen benutzt wird. Der Vorteil von Token Ring-Netzen ist, dass jeder Rechner nach spätestens einer bestimmten Zeit sicherlich etwas senden kann. Dazu wird ein sogenanntes Token (zu deutsch Pfandmünze) in Form eines kleinen Informationspaketes herumgereicht. Wer das Token hat darf eine Weile Nutzdaten senden, hört dann wieder auf und gibt das Token weiter. Die Reihenfolge in der es weitergegeben wird ist genau festgelegt und ringförmig, wodurch man das Token immer wieder bekommt. Token Ring-Netze sind oft so aufgebaut, dass jeder Rechner jeweils mit seinen zwei Nachbarn im Ring direkt verbunden ist und diesen entweder das Token weiterreicht oder eine Information übergibt die sich entweder behalten oder weitergeben, je nachdem für wen sie bestimmt ist. Es gibt auch eine Variante die sich Token Ring over Ethernet nennt. Dabei hängen alle Rechner in einem gemeinsam genutzten Ethernet zusammen, aber geben sich dort jeweils ein Token reihum weiter (Token-Passing), wodurch Kollisionen vermieden werden und die Leitung besser genutzt wird. Das komplizierte an diesem virtuellen Ring ist, dass ersteinmal geklärt werden muss welche Rechner existieren und welche Reihenfolge die im virtuellen Ring einnehmen. Zudem muss man erkennen wenn neue Rechner hinzukommen oder bestehende im Ring verschwinden. Wirklich wichtig sind die Eigenschaften von Token Ring-Netzen in sicherheitskritischen Netzen, in denen es wichtig ist, präzise zu wissen wie lange es maximal dauert, bis eine Nachricht gesendet werden kann. Dies lässt sich leicht anhand der Anzahl der Rechner, also an der Länge des Rings ermitteln. Solche Netze werden zum Beispiel in der Automobiltechnik und Finanzbranche für kritische Systeme eingesetzt. Einige weitere Netztypen sind:
- ARCNET
- FDDI – Glasfaserkabel
- ATM Weiteres Zugriffsverfahren:
- CSMA/CA

Drahtlose Netze

Verbreitete Techniken bei drahtlosen Netzen sind

Infrastruktur-Netze

- Mobilfunknetze wie GSM oder UMTS
- WLANs im Infrastruktur-Modus, das heißt mit Schnittstelle zu einem drahtgebundenen Netz mittels Wireless Access Points. Am weitesten verbreitet sind WLANs vom Typ 802.11

spontane Adhoc-Netze (siehe MANET)

- WLANs vom Typ 802.11 im Ad-hoc-Modus. In diesem Modus kommunizieren die Geräte des Netzes ohne zusätzliche Infrastruktur.
- die mit sehr geringer Reichweite Geräte in unmittelbarer Umgebung verbinden, sog. Wireless Personal Area Networks (WPAN)
- der Standard Bluetooth (siehe auch Toothing)
- Netzstrukturen für Sensornetze, aktuelles Forschungsgebiet

Sprachliche Betrachtung von Netz und Netzwerk

Das englische net wird traditionell in der Fischerei verwendet. Außerhalb dieses Bereichs spricht man hingegen von network. Im Deutschen steht Netzwerk traditionell nur für das Maschenwerk eines Fischernetzes. Außerhalb der Fischerei wird nur Netz (Stromnetz, nicht -werk; Telefonnetz) verwendet. Dieser Argumentation folgend ist Computernetzwerk eine falsche Übersetzung aus dem Englischen und Rechnernetz bzw. Computernetz der korrekte Begriff (siehe auch
- Bastian Sick: [http://www.spiegel.de/kultur/zwiebelfisch/0,1518,315833,00.html ZWIEBELFISCH-ABC:Netz/Netzwerk]. In: Spiegel-Online).

Literatur

- Andrew S. Tanenbaum: Computernetzwerke. Pearson Studium 2003 ISBN 3827370469
- Douglas Comer: Computernetzwerke und Internets. Pearson Studium 2001 ISBN 382737023X
- Frank R. Walther: Networkers Guide. Pearson / Markt+Technik 2000/2003 ISBN 3-8272-6502-9

Siehe auch

- OSI-Modell
- LAN
- WAN
- TCP/IP
- Internetworking
- Netzwerksicherheit
- VPN (Virtuelles Privates Netzwerk)
- Feldbus (Netzwerke für die Automatisierungstechnik)
- LAN-Analyse
- Peer-to-Peer
- Client, Server
- Corporate Network
- Fiber To The Desk

Weblinks

- [http://www.itse-guide.de/kategorie/7 Artikel zum Thema Netzwerk]
- [http://www.multi-online.com Netzwerk von A-Z]
- [http://www.robsite.de/tutorials.php?tut=netzwerk Infos/Tutorials]
- [http://www.netzwerk-community.de Netzwerk-Community - Knowledgebase, Forum,... zur Netzwerktechnik] Kategorie:Computernetzwerk ja:コンピュータ・ネットワーク simple:Computer network th:เครือข่ายคอมพิวเตอร์ zh-min-nan:Tiān-náu bāng-lō·

SDH

Die Synchronous Digital Hierarchy (SDH) ist eine der Multiplextechniken im Bereich der Telekommunikation, die das Zusammenfassen von niederratigen Datenströmen zu einem hochratigen Datenstrom erlaubt. Das gesamte Netz ist synchron. 1985 wurde in den USA begonnen, unter dem Namen SONET (Synchronous Optical Network) eine neue Generation optischer digitaler Übertragungssysteme zu spezifizieren, die gegenüber der verbreiteten PDH-Technik entscheidende Vorteile haben sollte. Aus Kompatibilitätsgründen sollte sie auch Signale der PDH-Technik transportieren können, aber sonst eine neue Hierarchie von Bitraten bilden. Die Basisbitrate wurde in USA deshalb zu 51 Mbit/s gewählt und STS-1 genannt (Synchronous Transport System, Step 1). Mit dieser Bitrate konnte die plesiochrone Bitrate von 45 Mbit/s übertragen werden. Die nächste Multiplexstufe arbeitet mit dem Faktor 3 und liefert 155 Mbit/s (STS-3). Sie transportiert drei einzelne STS-1, hat also drei strukturierte Informationsfelder, die Payload genannt werden. Das ist aber oft ungünstig, weshalb eine Variante definiert wurde, die statt drei Feldern ein zusammenhängendes Feld mit dreifacher Größe hat. Dieses Verfahren wird STS-3c genannt, wobei das c für "concatenated" (verkettet, zusammenhängend) steht. Ein anderes Verkettungsverfahren wird Virtuelle Verkettung genannt und dient dem gleichen Ziel: Vergrößerung des zusammenhängenden Informationsfeldes. Es wird bei der Bezeichnung durch ein angehängtes -vc (virtual concatenation) gekennzeichnet. Durch Einführung der virtuellen Concatenation wurde es möglich, über das SDH-Netz Bitraten in Stufen von

n \cdot 1

Mbit/s (zum Beispiel 10 Mbit/s), sowie hochbitratige Datensignale (wie bei Gigabit Ethernet) ohne Bandbreitenverluste zu multiplexen und zu übertragen. Von der Standardisierungsorganisation ITU-T (Empfehlungen, G.707), die internationale Standards spezifiziert, wurde das Konzept einer neuen Hierarchie für digitale Übertragungssysteme aufgegriffen und unter dem Namen SDH genormt. Allerdings wurde im Gegensatz zum nordamerikanischen SONET als Basis die 155 Mbit/s-Stufe gewählt mit der Bezeichnung STM-1 für Synchronous Transport Module, Step 1. Die Daten werden transparent in Containern mittels 'Link Connections' und Trails durch das SDH-Netz übertragen. Bei Ausfall eines SDH-Netzknoten oder einer Glasfaser können SDH-Netzelemente die Datenströme innerhalb von weniger Millisekunden auf einen Ersatzweg automatisch umschalten (Protection). Im Vergleich zu den vorherigen PDH Netzen is SDH mit deutlich erweiterten OAM-Funktionalitäten ausgestattet, d.h. Fehler (Defekte und Anomalien) können deutlicher erkannt und differenzierter gemeldet werden. Die verwendeten Schnittstellen dürfen höchstens einen Bitfehlerrate von 1E-10 aufweisen und selbst einzelne Bitfehler in einem SDH-Signal beliebiger Rate sind detektierbar. Insgesamt sind SDH-Netzwerke auf höchste Dienstgüte und -verfügbarkeit ausgelegt.

Einführung

SDH ist von der ITU-T (G.707, G.793, G.803) standardisiert. Es ist abgeleitet von SONET (Synchronous Optical Network), das von Bellcore und AT&T seit 1985 entwickelt wurde. Die Standardisierung von SONET erfolgte durch ANSI. Heute sind die Unterschiede zwischen SONET und SDH gering, die beiden Konzepte sind interoperabel. Da PDH für B-ISDN mit Bitraten oberhalb von 100 MBit/s nur bedingt einsetzbar ist, wurde SDH primär als Übertragungssystem für B-ISDN konzipiert. Es eignet sich aber auch für den transparenten Transport aller interessierenden Nutzlasten (ATM-Zellen, Multiplex Signale der PDH Hierarchie etc.).

SDH im Schichtenmodell
PSTN/ISDN	ATM, IP
VC-12 Layer
VC-4 Layer
Multiplex Section
Regenerator Section
Physical Interface

- Physikalisches Interface: In der Regel Glasfaser, Richtfunk oder Satellitenlink
- Regenerator: Auffrischen der gedämpften und verzerrten Signale bezüglich Takt und Amplitude
- Multiplexer: plesiochrone oder/und synchrone Signale zu hochbandbreitigen SDH-Bit-Strömen zusammenfügen bzw. Signale einfügen/auskopplen
- VC (Virtuelle Container): transportieren Container mit Nutzdaten. VC-4–Layer regelt das Ein-/Ausgliedern (Mapping) von 140 Mbit/s-Signalen (E4), der VC-3-Layer das Mapping von 34/45 Mbit/s-Signalen (E3/DS3) und VC-12-Layer das Mapping von 2 Mbit/s-Signalen (E1)

Grundsätzliche Eigenschaften

SDH stellt ein synchrones Zeitmultiplex-Verfahren dar, das ähnlich wie PDH eine Multiplex Hierarchie beinhaltet. Ziel ist die bestmögliche Ausnutzung der von Glasfasern gebotenen Übertragungskapazität. Im Gegensatz zu PDH sind die Takte der einzelnen Übertragungsstrecken mit sehr geringer Abweichung synchron. Die PDH-Technik arbeitet mit Abweichungen von maximal 50 ppm, die SDH-Technik mehr als 10 mal genauer. Das Prinzip von SDH ist einfach: die Byteströme aus

n

Quellen mit der Rate

R

werden per synchronem Multiplex zu einem Bytestrom der Rate

n \cdot R

zusammengefasst. Im Gegensatz zur PDH ist es durch die synchrone Arbeitsweise der SDH möglich, ein Multiplex-Signal der Ordnung

n + 1

direkt aus den Signalen aller darunter liegenden Hierarchiestufen

1, \ldots, n

zu bilden. Ebenso kann ein Multiplex-Signal niedriger Ordnung direkt aus den Rahmen höherer Hierarchiestufen herausgelöst werden. Diese Funktionen werden als add/drop bezeichnet. Das synchrone Multiplex-Verfahren ermöglicht auch den Transport von Bitströmen wie ATM-Zellen und PDH-Multiplex-Signalen. Diese Funktion wird als crossconnect bezeichnet. SDH kennt die Hierachiestufen gemäß der Tabelle. Die Rahmen der Stufe

n

werden mit STM-n (Synchronous Transport Module-n) bezeichnet. Die Stufen STM-1, STM-4, STM-16 und STM-64 werden häufig verwendet. SDH reserviert für OAM-Aufgaben (Operations, Administration and Maintenance) ca. 5 % der Bruttodatenrate.

SDH Hierarchiestufen

Die mit
- markierten Stufen sind im Standard enthalten. Die mit
- markierten Hierarchiestufen in SONET haben die größte Verbreitung. STM-1 kann mit elektrischen oder optischen Schnittstellen, STM-4 und höher nur mit optischen Schnittstellen ausgeführt werden.

Funktionen in SDH

Grundtypen von Netzelementen (network elements) in SDH-Multiplextechnik sind folgendermaßen definiert:
- TM (Terminal-Multiplexer) besitzen meist auch mehrere plesiochrone Teilnehmerschnittstellen und mehrere SDH-Leitungsschnittstellen. Sie ermöglichen den Zugang von Endgeräten zu einem SDH-Netz und fassen die Teilnehmersignale zu einem Signal einer SDH-Hierarchiestufe, zum Beispiel STM-1, zusammen.
- REG (Regenerator) verstärkt optische Signale, wobei auch ein Retiming vorgenommen werden kann.
- ADM (Add-Drop-Multiplexer) haben dieselbe Funktion wie Terminal-Multiplexer. Sie können ein empfangenes SDH-Signal weiterleiten und aus ihm einzelne Kanäle (Virtual Container)herausnehmen (drop) oder einfügen (add).
- DCS (Digital Cross-Connect System) können SDH-Kanäle (VC) zwischen verschiedenen Ein- und Ausgangsports verbinden. SDH enthält Funktionen, die zur OSI Schicht 1 zu zuordnen sind. Die Funktionsblöcke und ihre Schichtung sind durch die folgenden Begriffe gekennzeichnet:
- Optische Teilstrecken (photonic) beziehen sich auf optische Signale auf Glasfasern und Umwandlungen optisch - elektrisch und umgekehrt.
- Regenerator-Abschnitt (Regenerator Section) bezeichnet einen Glasfaserabschnitt, der zwischen Regeneratoren (REG) oder zwischen einem Regenerator und einem anderen Netzelement angeordnet ist. Der Regenerator Section ist der RSOH zugeordnet.
- Multiplexer-Abschnitt (Multiplex Section) verbindet zwei miteinander verbundene Multiplexer (auch über mehrere Regeneratoren hinweg). Die Multiplex-Section verbindet zwei terminierende Ports der selben Rate STM-N. Der Multiplex Section ist der MSOH zugeordent.
- HO-Pfad (High Order-path oder trail) kann über mehrere Netzelemente (zum Beispiel über ADM, DCS und Regeneratoren) hinweg übertragen werden ohne Neusynchronisation). Dieses Signal enthält einen VC4 (oder eine Verkettung von VC4 Containern, zum Beispiel für ATM-Datensignale) mit einem Nutzdatensignal der Rate E4 oder dient als Transportschicht für LO-Pfade. Dem HO-Pfad ist der VC4-POH zugeordnet.
- LO-Pfad (Low Order-path oder trail) der Raten VC11, VC12, VC3 sind in einem VC4 verpackt und transportieren die eigentlichen Nutzdatensignale mit Bitraten equivalent zu DS1 bis E3. Dem LO-Pfad ist der VC11/12/3-POH zugeordnet. Diese Schichten zeichnen sich durch eigenständige OAM Funktionen (zum Beispiel Übertragungsfehlerüberwachung, Alarmierung, Protection) aus, die unabhängig von der übergeordneten Übertragungsschicht funktionieren. So kann zum Beispiel auf HO-Ebene die Bitfehlerrate gemessen werden, ohne auf Daten der Multiplex-Sections zurückgreifen zu müssen. In umgekehrter Richtung aber wird bei Ausfall des höheren Layers die untergeordnete Schicht mit einem Fehlersignal belegt, d.h. beim Ausfall einer Multiplex-Section werden alle darin enthaltenen HO-Pfade und LO-Pfade verworfen.

Topologie von SDH-Netzen

OSI In den meisten Ländern sind inzwischen die Transportnetze in SDH-Technik ausgebaut und die alte PDH-Technik ist weitgehend ersetzt. Daher sind Topologien verschiedenster Ausprägung realisiert, sie richten sich nach den geographischen Anforderungen. Ein wesentliches Merkmal der SDH-Technik ist die automatische Umschaltung auf Ersatzwege im Fehlerfall (Protection). Als Beispiel zur Erklärung der Arbeitsweise der Protection wird gerne der Doppelring gewählt, im ungestörten Betrieb wird ein Ring genutzt, der sogenannte Arbeitsweg. Der zweite Ring dient als kalte Reserve, als Ersatzweg. Byteströme werden durch die ADM (Add-Drop-Multiplexer) in den Arbeitsweg eingeführt und aus ihm entnommen. Bei einer Störung des Arbeitsweges schaltet das APS (Automatic Protection System) vom Arbeitsweg auf den Ersatzweg. Diese Topologie ist unter der Bezeichnug 4-Faser MS-SPRing (Muli-Section-Shared-Protection-Ring) ab STM-16 aufwärts standardisiert. Eine vereinfachte Version der Ring Protection wird als 2-Faser MS-SPRing bezeichnet, dort wird die Hälfte der verfügbaren Bandbreite zur Ersatzwegeschaltung freigehalten, beziehungsweise mit Verkehr niedriger Priorität gefüllt. Diese Bandbreite wird im Fehlerfalle mit dem Verkehr der ausgefallenen Ringstrecke beaufschlagt und der Verkehr niedriger Priorität verworfen. MS-SPRing Mechanismen sind nur für Ringstrukturen geeignet und daher besonders in Backbonestrukturen anwendbar. Für lineare Strukturen wurde das Protokoll MSP (Multiplex-Section-Protection) entwickelt, dort schützt in der Regel eine Ersatzverbindung genau eine Faserverbindung (1+1). Weiterentwicklungen belegen den Ersatzschaltungsweg mit Verkehr niedriger Priorität (1:1) oder schützen mehrere Mutltiplex-Sections mit einem Ersatzweg (1:N). Diese Protokolle arbeiten auf Multiplex-Section Ebene, d.h. die Ersatzschaltung wird für die gesamte optische Faser angewandt. Für stark vermaschte Strukturen bietet sich die pfadbasierte Protection SNCP (Sub-Network-Connection-Protection) an, die auf VC-Ebene eine 1+1 Protection bietet. Allen diesen Schutzmechanismen ist gemein, das laut Standard die Ersatzschaltmaßnahmen nach dem Erkennen einer Störung automatisch innerhalb von 50 Millisekunden abgeschlossen sein müssen. In modernen SDH-Geräten liegen die tatsächlich erreichten Umschaltzeiten aber deutlich darunter (in Abhängigkeit der Leitugslänge/Ausbreitungsverzögerung circa 1 Millisekunde je 200 Kilometer). In der Regel sind in den heutigen SDH-Übertragungsnetzen alle Verbindungen 1+1 geschützt.

Rahmenaufbau und Multiplex-Struktur

SDH überträgt Nutz- und Steuerdaten in einer Folge von Frames (Rahmen), welche seriell gesendet werden. Jeder Rahmen besteht aus Overhead (Steuerdaten) und Payload (Nutzdaten und weiteren Daten). Der STM-1 Rahmen besteht aus den Bereichen Nutzlast, RSOH (Regenerator Section Overhead) und MSOH (Multiplex Section Overhead) und AU Pointer. Der Rahmen wird zeilenweise von links nach rechts und von oben nach unten übertragen. Die AU Pointer (Administrative Unit) zeigen auf die Position der Nutzinformation im Bereich Payload. Die Begriffe zum Rahmenaufbau sind wie folgt definiert:
- Container (C-i) Bereiche im Rahmen, die einer bestimmten Nutzlast entsprechen. Die Größe der Container wurde an die in der PDH definierten Datenraten angepasst. Das Einfügen plesiochroner Datenströme erfordert Stopfvorgänge (Bit- oder Bytesynchron). Jedem Container wird der POH (Path Overhead) hinzugefügt, der die Nutzdaten beschreibt.
- Virtual Container (VC-i) werden eingeteilt in VC niedriger Ordnung (VC11 bis VC13, VC2 und VC3) und VC höherer Ordnung (VC-4). Manche VC niedriger Ordnung können zu solchen höherer Ordnung zusammengefasst werden, müssen aber nicht.
- Tributary Unit (TU-i) sind erforderlich, weil die von außerhalb der SDH kommenden VC unterschiedliche Phasenlagen in Bezug auf den Multiplex-Rahmen aufweisen können. Deshalb werden die VC in die etwas größeren TU eingebettet. Der Beginn eines VC innerhalb einer TU wird durch Pointer angegeben.
- Tributary Unit Group (TUG) fassen TU-i gemäß Schaubild zusammen.
- Administrative Unit (AU-i) haben gegenüber VC höherer Ordnung dieselbe Funktion wie die Tributary Unit Group gegenüber VC niedriger Ordnung.
- Administrative Unit Goup (AUG) werden analog zu den Tributary Unit Group aus AU-3 und AU-4 gebildet. Die zugehörigen Pointer sind die AU-Pointer in Zeile 4 Bytes 1-9.
- Synchronous Transport Module (STM-n): Rahmen höherer Ordnung (

n>1

) werden durch das Multiplexen entsprechend vieler Rahmen der nächsttieferen Hierarchiestufe gebildet. Die Einführung der Pointer erlaubt (im Gegesatz zur PDH) die direkte Adressierung eines Nutzdatensignales in einem hochbitratigen Signal, ohne das komplette Signal demultiplexen zu müssen. Weiterhin können über Pointer kleine Taktunterschide zwischen den Netzelementen ausgeglichen werden.

Anpassung der AU Pointer

Eine Anpasung der Administrative Unit Pointer ist jederzeit möglich. Hierfür zeichnen sich folgende Situationen verantwortlich:
- Virtual Container sind nicht an Rahmengrenzen gebunden.
- Unter Umständen „wandernde“ Virtual Container (VC)
- In jedem vierten Rahmen können Pointer nach Ankündigung angepasst werden.
- Gegebenenfalls ist die Pointerstruktur verkettet (Transportgruppen enthalten wiederum Container, usw.).

Aufbau eines STM-N-Signals

plesiochroner

Normen gemäß ITU-T

- G.707/Y.1322 "Network Node interface for the synchronous digital hierarchy (SDH)", definiert die Bitraten, die Grundlagen der Multiplexstruktur und die Signalstruktur für SDH an der Netzknotenschnittstelle (NNI)
- G.780 "Vocabulary of terms for synchronous digital hierarchy (SDH) networks and equipment", ein Glossar
- G.783 "Characteristics of synchronous digital hierarchy (SDH) euipment functional blocks", definiert die zu SDH gehörenden Funktionsblöcke in Form von Informationsmodellen
- G.784 "Synchronous digital hierarchy (SDH) management", beschreibt die zu SDH gehörende Betriebstechnik
- G.803 "Architecture of transport networks based on the synchronous digital hierarchy (SDH)"

Weiterentwicklung der SDH zum Multifunktionsgerät

Das SONET/SDH wurde geschaffen, um Sprachverkehr mit höheren Übertragungsraten optisch zu übertragen. Die Payload der Container ist deswegen abwärtskompatibel zu den Datenübertragungsraten der PDH-Hierarchie definiert. Für die ganz anders definierten Datenübertragungsraten des Ethernet-Verkehrs (10 Mbit/s, 100 Mbit/s, 1 Gbit/s und 10 Gbit/s) ist die Payload nicht gut geeignet. Um auch diesen Verkehr effizient übertragen zu können, wurde die "virtuelle Verkettung" (engl. virtual concatenation) VCAT eingeführt. Damit wird eine synchrone Verkettung mehrerer Container durchgeführt, so dass sich eine entsprechend größere Nutzlast ergibt. Bei der virtuellen Verkettung werden mehrere SDH-Container (VC12, VC3 oder VC4) zu einem einzigen bytesynchronen Bitstrom verknüpft. Die Ethernet-Rahmen werden mittels GFP- oder LAPS-Mapping in die Container gemappt. Mittels des LCAS-Protokolls können während des Betrieb einzelne virtuelle Container hinzu- oder weggeschaltet werden, so dass eine quasi-dynamische Veränderung der Bandbreite mit relativ kurzer Reaktionszeit und ohne Operatoreingriff möglich ist. Die Weiterentwicklung der SDH ist in Richtung von modular aufbaubaren, MPLS-fähigen Multi-Services-Nodes gegangen. Beispiele:
- SDH- und MPLS-fähig: Alcatel 1660SM (Rel.5), Cisco ONS 15454 SDH-MSPP, Corrigent CM-100 Packet ADM
- SDH-, MPLS-, GMPLS-, OTN-fähig: Alcatel 1678MCC Im Oktober 2005 wurde auf dem [http://www.iec.org/events/2005/bbwf/ Broadband World Forum] in Madrid die erste multifunktonsfähige Plattform vorgestellt, welche einen 100% Mix von Ethernet/MPLS, SONET/SDH, and WDM/OTN in einem einzigen Gerät vereinigt. Der [http://www.alcatel.com/bnd/1850tss/index.jhtml Alcatel 1850 Transport-Service-Switch] macht keinen Unterschied mehr zwischen paketorientierten (IP) und leitungsvermittelten Diensten. Er transportiert Daten diensteunabhängig.

Siehe auch

- Plesiochrone Digitale Hierarchie
- Multiplextechnik
- Nachrichtentechnik
- Portal:Elektrotechnik
- Signalverarbeitung
- Übertragungstechnik
- Vermittlungstechnik

Weblinks

- [http://www.tek.com/Measurement/cgi-bin/framed.pl?Document=/Measurement/App_Notes/sdhprimer/&FrameSet=optical SDH Telecommunications Standard Primer]
- [http://www.commsdesign.com/design_corner/OEG20020425S0003 Ethernet-over-Sonet Tutorial: Part 2]
- [http://fibers.org/articles/fs/9/3/3/1 Next-generation SDH and MSPP]
- [http://img.lightreading.com/heavyreading/pdf/hr20031114_esum.pdf The Future of SONET/SDH] (pdf)
- [http://www.corrigent.com/CS_products_SONET.html SONET/SDH]
- [http://www.rhk.com/pdfs/Research%20Spotlight/RHK-ONG-Insight-2005-03-60930.pdf Analysis: Ethernet, MPLS, PWE3, SDH ] (pdf)
- [http://www.alcatel.com/products/productsummary.jhtml?repositoryID=/com/en/appxml/opgproduct/alcatel1850transportserviceswitchtcm228288321635.jhtml Alcatel 1850 TSS], [http://www.lightreading.com/document.asp?doc_id=81817&print=true Metro Switch] Kategorie:Nachrichtentechnik Kategorie:Hierarchie ja:Synchronous Digital Hierarchy

Internet Protocol

Das Internet Protocol (IP) (auch Internetprotokoll) ist ein in Computernetzen weit verbreitetes Netzwerkprotokoll. Es ist eine (bzw. die) Implementierung der Internet-Schicht des TCP/IP-Modells bzw. der Vermittlungs-Schicht des OSI-Modells. IP bildet die erste vom Übertragungsmedium unabhängige Schicht der Internet-Protokoll-Familie. Das bedeutet, dass mittels IP-Adresse und Subnetzmaske (subnet mask) Computer innerhalb eines Netzwerkes in logische Einheiten, so genannte Subnetze, gruppiert werden können. Auf dieser Basis ist es möglich, Computer in größeren Netzwerken zu adressieren und Verbindungen zu ihnen aufzubauen, da logische Adressierung die Grundlage für Routing (Wegewahl und Weiterleitung von Netzwerk-Paketen) ist. Das Internet Protocol stellt die Grundlage des Internets dar. Siehe auch: IPv4, IPv6, TCP/IP-Referenzmodell, OSI-Modell, IP-Adresse, IP-Header, Mobile IP, Referenzmodell, Address Resolution Protocol, IPTV, IP-Telefonie

Weblinks

- RFC 791 – Internet Protocol
- RFC 1883 – Internet Protocol, Version 6 Kategorie:Netzwerkprotokoll ja:Internet Protocol ko:IP

Bitrate

Mit Datenübertragungsrate (auch Datenrate oder Übertragungsrate) bezeichnet man die Menge der Daten, die innerhalb einer Zeiteinheit übertragen werden und ist somit unabhängig von der Geschwindigkeit, mit der die Daten auf der Übertragungsstrecke unterwegs sind. Die Datenübertragungsrate ist, neben der Latenzzeit (Antwortverzögerung), ein Maß für die Leistungsfähigkeit von Speichermedien und Computernetzwerken. Die Datenübertragungsrate wird gemessen durch das Zählen von Dateneinheiten pro Zeiteinheit. Die kleinste Dateneinheit ist das bit, weshalb sie meist als Bitrate angegeben wird und als Einheit bit/s (oder englisch bps) mit den üblichen Vorsilben für Maßeinheiten wie Kilo- und Mega- verwendet wird. In der abgekürzten Form wird oftmals zwischen dem kleinen "k" für den Faktor 1000 und dem großen "K" (oder auch "Ki" für binäres Kilo) für den Faktor 1024 (2¹⁰) unterschieden, z. B. 20 MB/s (20 Megabyte pro Sekunde), 768 kbit/s (768 Kilobit pro Sekunde, das heißt 96 Kilobyte pro Sekunde). In Bereichen, in denen eine Parallele Datenübertragung eingesetzt wird (vor allem beim Zugriff auf Speichermedien über einen Datenbus), wird die Übertragungsrate auch häufig in Byte pro Sekunde angegeben, also in Bits/8 pro Sekunde; man muss also darauf achten, ob eine Übertragungsrate z.B. mit 1 MB/s oder mit 1 Mbit/s angegeben wird (letztere Angabe entspricht nur etwa einem Achtel der Geschwindigkeit der ersten). Gängige Datentransferraten:
- FireWire: 400 Mbit/s, Firewire800: 800 Mbit/s
- Ethernet: 10 Mbit/s, Fast Ethernet: 100 Mbit/s, Gigabit Ethernet: 1 Gbit/s, 10 Gigabit Ethernet: 10 Gbit/s
- ATA (z.B. Ausleserate einer modernen Festplatte): 160 bis 800 Mbit/s
- USB: 12 Mbit/s, USB 2.0: 480 Mbit/s
- Bluetooth 2.0+EDR: 3 Mbit/s
- WLAN: 10 bis 108 Mbit/s
- UMTS: 2 Mbit/s in der Picozelle, 384 kbit/s in der Mikro- und Makrozelle, 144 kbit/s in der Globalzelle
- Schnurloses Telefon: ca. 800 kbit/s
- GPRS: 115 kbit/s
- ISDN: 64 kbit/s (8 kB/s)
- GSM: 9,6 kbit/s
- IrDA 1.0: 9.6 kbit/s bis 115 kbit/s
- IrDA 2.0: 4 Mbit/s Zum Vergleich:
- Video-DVD: 6 Mbit/s
- Fernseh-Bild: ca. 3 Mbit/s
- Gespräch in Telefonqualität (8 kHz Bandbreite): ca. 60 kbit/s
- Audio-CD: ca. 1411 kbit/s. Abtastrate 44,1 kHz, 16-Bit und 2 Kanälen. Datenrate liegt bei 176,4 KByte/s.
- komprimierte Musikdatei (mp3, ogg, wmv, etc): Zwischen 64 und 320 kbit/s, üblicherweise zwischen 128 und 256 kbit/s Höhere Datenraten sind erstrebenswert und werden zunehmend durch neue Technologien ermöglicht. Gemäß dem Shannon-Hartley-Gesetz ist die Bitrate nicht gleich der Bandbreite. Leider wird dennoch häufig "Bandbreite" als Synonym für "Bitrate" benutzt. Üblicherweise nimmt ein digitales Signal zwei Zustände ein, die man mit "0" und "1" bezeichnen kann. Dies nennt man dann binär. Bei der Übertragungstechnik werden aber auch Codierungen verwendet mit mehr als zwei Zuständen. Drei Zustände bezeichnet man mit ternär. Eine Schreibweise der Zustände ist "-1", "0" und "1". Hierbei beträgt die Bandbreite bei gleicher Bitrate idealerweise etwa 63% der Bandbreite (Shannon-Hartley-Gesetz: ln(2)/ln(3)~63%), die für binäre Übertragung benötigt wird. Beispiel: Das ISDN-Primärmultiplex-Format "S2M" überträgt Daten bei 2 Mbit/s. Da die Leitungscodierung ternär ist, wird dafür nur etwa 1 MHz Bandbreite benötigt. Die Bitrate bei der Audio- und Videokompression kann entweder konstant sein (CBR) oder variablel (VBR). Bei VBR wird die Bitrate dynamisch an die zu kodierenden Daten angepasst, so wird zum Beispiel bei der MPEG-Videokompression bei ruhigen Szenen die Videobitrate reduziert während sie bei aktionreichen Szenen angehoben wird. Dies erlaubt eine optimale Nutzung des Speicherplatzes und eine höhere Bildqualität als sie mit CBR erreichbar wäre.

Beispiele

;Beispiele für Systeme die mit CBR arbeiten : Video-CD ;Beispiele für Systeme die mit VBR arbeiten : DVD-Video, DVD-Audio, DVB, SVCD, MVCD, TVCD, DivX und XviD.

Siehe auch

- Wireless Lan
- UMTS
- Bitratenadaption
- Baud Kategorie:Nachrichtentechnik ja:Bps

Delay

Der Ausdruck Delay (engl. Verzögerung) bezeichnet:
- mehrere Begriffe in der Telekommunikation, siehe Delay (Telekommunikation)
- einen Effekt in der Musikproduktion, siehe Delay (Musik)
- das Balancieren einer drehenden Frisbeescheibe, siehe Freestyle Frisbee Namensträger des Namens DeLay sind:
- der US-amerikanische Politiker Tom DeLay,
- die Violonistin Dorothy DeLay.

Jitter

Als Jitter [] (engl. „Fluktuation“ oder „Schwankung“) bezeichnet man in der Übertragungstechnik den abrupten und unerwünschten Wechsel der Signalcharakteristik. Dies kann sowohl die Amplitude als auch die Frequenz betreffen. Jitter ist ebenfalls eine Sammlung von Modulen (Externals) zur Echtzeitverarbeitung von Video- und Matrixdaten innerhalb der Softwareumgebung Max/MSP. In der Netzwerktechnik wird unter Jitter außerdem die Varianz der Latenzzeit von Datenpaketen bezeichnet. Dieser Effekt ist insbesondere bei Multimedia-Anwendungen (zum Beispiel Audio-Streaming und IP-Telefonie) unerwünscht. Ein Beispiel für Jitter sind Fehler, die beim Wandeln von analogen Signalen in digitale Signale auftreten können. Beim Sampling – oder auch Abtasten von analogen Signalen – wird eine feste Periodendauer genutzt (zum Beispiel 22,67 µs bei 44,1 kHz → Audio-CD), deren jeweilige Amplitudenwerte ausgelesen werden. Hier können nun Jitterfehler durch Differenzen beziehungsweise Ungenauigkeiten in der Periodendauer entstehen, denn daraus ergeben sich andere Amplitudenwerte. Jitter kann auch bei der Aufzeichnung von Fernsehsignalen auf Videorekordern entstehen. Hier wird der Jitter durch mechanische Toleranzen verursacht. Häufig erscheinen diese Fehler als ein Wackeln des Bildes. Die Einheit, in der der Jitter durch Messinstrumente gemessen wird, ist die Zeit: die Schwankung der Periodendauer wird typischerweise in µs gemessen. Jitter mit sehr langsamen Phasenänderungen (kleiner als 10 Hz) bezeichnet man als Wander. Jitter entsteht zum Beispiel durch Bedämpfung des Hochfrequenzanteils eines Frequenzspektrums auf einer langen Kabelstrecke. Das nennt man dann deterministischen Jitter. Andere Ursachen sind Rauschen (zufälliger Jitter, random Jitter) oder Intersymbolinterferenz (datenabhängiger Jitter). Um die Qualität einer Übertragungsstrecke beurteilen zu können, versucht man oft, die Ursachen für den vorhandenen Jitter zu finden, dazu versucht man, den Gesamtjitter in die oben erwähnten Anteile aufzuspalten. Dieses Vorgehen nennt man Jitterseparation. Achtung: Jitter ist nicht zu verwechseln mit Quantisierungsfehlern. Kategorie:Nachrichtentechnik Kategorie:Fernsehtechnik

Nutzdaten

Als Nutzdaten bezeichnet man die während einer Kommunikation zwischen zwei Partnern transportierten Daten. Dies sind unter anderem Sprache, Texte, Zeichen, Bilder und Töne. In der EDV bezeichnet man Daten eines Datenpakets, die keine Steuer- oder Protokollinformationen enthalten, als Nutzdaten. Das Nutzdaten Feld befindet sich in der Mitte von Header und Trailer. Kategorie:Kommunikation Kategorie:Nachrichtentechnik

PDH

Die Plesiochrone Digitale Hierarchie (PDH) ist eine international standardisierte Technik zum Multiplexen digitaler Datenströme, die über Weitverkehrsstrecken übertragen werden. Die Datenströme müssen annähernd synchron (plesio=fast) sein, üblich ist eine Abweichung ihrer Taktrate von maximal 50 ppm. Heute wird diese Technik fast nur noch bei Bitraten bis 2 Mbit/s verwendet, manchmal auch noch bei 34 Mbit/s. Höhere Bitraten werden mit der leistungsfähigeren Multiplextechnik der SDH übertragen. Grundlegender Unterschied von PDH und SDH sind die Verfahren, mit denen die unterschiedlichen Taktraten ausgeglichen werden. Die PDH-Technik arbeitet mit der sogenannten Stopftechnik, die SDH-Technik mit Pointern. Die Stopftechnik besteht darin, dass mit Hilfe zusätzlicher "Stopfbits", die an genau definierten Stellen im Signal eingefügt beziehungsweise herausgenommen werden, die variierenden Bitraten der Datenströme ausgeglichen werden. Würde das nicht gemacht, könnten Bitslips auftreten, die beim Empfänger zu schwerwiegenden Fehlern wegen der Fehlinterpretation ganzer Bitfolgen führen könnte. Die Stopftechnik hat aber den Nachteil, dass der Zugriff auf einen Datenstrom der untersten Multiplex-Ebene erst möglich ist, wenn vorher alle höher gemultiplexten Datenströme demultiplext und die Stopfbits entfernt wurden. Das erfordert aufwändige Hardware, was die Geräte der PDH teuer macht. Mit Hilfe der Pointer ist bei der SDH-Technik dagegen ein direkter Zugriff möglich. Die PDH-Technik wird beziehungsweise wurde bei allen üblichen Übertragungstechniken verwendet, zum Beispiel bei Richtfunkstrecken im Mikrowellen-Frequenz-Bereich, bei optischen Verbindungen (Glasfaserkabel) und auch auf Kupferkabeln (Koaxialkabel, Doppelader) eingesetzt. Die Bitraten E1 (2 Mbit/s) und E3 (34 Mbit/s) werden häufig verwendet. So basiert beispielsweise der ISDN-Primärmultiplexanschluss mit 30 Nutzkanälen auf einer E1. E3 wird verwendet, um beispielsweise Firmenstandorte über große Entfernungen hinweg zu verbinden, indem man bei einem Carrier eine entsprechende Leitung mietet. Die Netze der meisten weltweit agierenden Carrier basieren auf PDH- und SDH-Technik. Die anderen PDH-Bandbreiten E2, E4 und E5 haben sich nie durchgesetzt oder wurden durch SDH abgelöst. Da zwischen den einzelnen Hierarchieebenen die Taktfrequenz geringfügig voneinander abweichen kann, muss bei PDH ein Stopfverfahren angewendet werden. Dieses in kostenintensiven Netzkomponenten realisierte Prozedere wird ebenfalls benötigt, um die unterschiedlichen PDH-Datenraten in den koppelnden Zwischenstationen zu ermöglichen. PDH wird aufgrund dieser wirtschaftlichen Nachteile nur noch selten betrieben; es ist weitgehend von SDH ersetzt worden, das ohne Stopfen auskommt. In USA, Europa und Japan wurden verschiedene Standards entwickelt. Deswegen ist bei interkontinentaler Übertragung ein "Umpacken" der gemultiplexten Datenströme erforderlich. Diesen Nachteil hat die SDH-Technik nicht. Die folgende Tabelle zeigt, dass mit der PDH-Technik auch keine der heute üblichen Bitraten im Gigabit-Bereich übertragen werden. Die elektrischen Schnittstellen von Leitungen, die PDH-strukturierten Datenverkehr übertragen, wurden von ITU-T in der Empfehlung G.703 standardisiert, die Multiplextechnik in G.704.

Siehe auch

- Synchrone Digitale Hierarchie Kategorie:Nachrichtentechnik Kategorie:Hierarchie ja:Plesiochronous Digital Hierarchy

SDH

n \cdot 1

Einführung

SDH im Schichtenmodell
PSTN/ISDN	ATM, IP
VC-12 Layer
VC-4 Layer
Multiplex Section
Regenerator Section
Physical Interface

Grundsätzliche Eigenschaften

n

Quellen mit der Rate

R

werden per synchronem Multiplex zu einem Bytestrom der Rate

n \cdot R

zusammengefasst. Im Gegensatz zur PDH ist es durch die synchrone Arbeitsweise der SDH möglich, ein Multiplex-Signal der Ordnung

n + 1

direkt aus den Signalen aller darunter liegenden Hierarchiestufen

1, \ldots, n

n

SDH Hierarchiestufen

Funktionen in SDH

Topologie von SDH-Netzen

Rahmenaufbau und Multiplex-Struktur

n>1

Anpassung der AU Pointer

Aufbau eines STM-N-Signals

plesiochroner

Normen gemäß ITU-T

Weiterentwicklung der SDH zum Multifunktionsgerät

Siehe auch

- Plesiochrone Digitale Hierarchie
- Multiplextechnik
- Nachrichtentechnik
- Portal:Elektrotechnik
- Signalverarbeitung
- Übertragungstechnik
- Vermittlungstechnik