Kommunikationssysteme 1: Theorie, Entwurf, Meßtechnik

434 Pages·1994·19.292 MB·German

by  Prof. Dipl.-Ing. Peter Gerdsen, Prof. Dr.-Ing. Peter Kröger (auth.)

Peter Gerdsen· Peter Kroger
Kommunikations
systeme 1
Theorie, Entwurf, MeBtechnik
Mit 181 Abbildungen, 35 Tabellen
und Ubungsaufgaben mit L6sungen
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New York
London Paris Tokyo
Hong Kong Barcelona Budapest
Prof. Dipl.-Ing. Peter Gerdsen
Prof. Dr.-Ing. Peter Kroger
Fachhochschule Hamburg
FB Elektrotechnik und Informatik
Berliner Tor 3
20099 Hamburg
ISBN-13: 978-3-540-57004-2
Die Deutsche Bibliothek -Cip-Einheitsaufnahme
Gerdsen, Peter
KommunikationssystemellP. Gerdsen; P. Kroger -Berlin; Heidelberg;New York;
London; Paris; Tokyo; Hong Kong;Barcelona; Budapest: Springer
NE: Kroger, Peter:
Bd. 1. Theorie, Entwurf, MeBtechnik: mit 181 Abbildungen und 35 Tabellen;
Obungsaufgaben mit Losungen. -1994
ISBN-13: 978-3-540-57004-2 e-ISBN-13: 978-3-642-95713-0
DOl: lO.lO07/978-3-642-95713-0
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 1994
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Vorwort
Die Kommunikationstechnik hat sich in den letzten Jahren weltweit zu den am
starksten expandierenden technischen Aufgabengebieten entwickelt. Dieser Trend
ist durch die rasante Entwicklung der Computer- und Softwaretechnik und durch
den zunehmenden Bedarf nach Informationsaustausch zwischen den Rechnersyste
men bedingt. Eine Vielzahl bestehender Telekommunikationsnetze sowie lokaler
Rechnernetze machen dieses deutlich.
Die Komplexitiit heutiger Rechneranwendungen erfordert von den sie verbindenden
Kommunikationsnetzen einen hohen Komplexitiitsgrad, der nur durch den Einsatz
von Rechnern und hochintegrierten Telekom-Bausteinen der Mikroelektronik r~i­
siert werden kann. So ist es nicht verwunderlich, da6 moderne Kommunikationssy
sterne in den Vermittlungsknoten und den Endgeriiten durch Rechner mit entspre
chender Kommunikationssoftware realisiert sind. Kommunikationssysteme und ihre
Technik sind damit zum Bindeglied der klassischen Nachrichtentechnik und Infor
matik geworden. Ais Konsequenz hieraus hat sich die Telekommunikation in den
letzten Jahren zu einem eigenstandigen Fachgebiet entwickelt, mit einer System
theorie, spezieller Terminologie, spezieller Entwurfsmethodik und softwaregestiitz
ten Entwicklungswerkzeugen sowie einer besonderen Me13technik.
Die industrielle Praxis zeigt, da6 Kommunikationssyssteme fast ausnahmsios von
Ingenieuren der Nachrichtentechnik und Technischen Informatik konzipiert und
realisiert werden. Grundlegendes Wissen der Telekommunikation, ihrer Entwurfs
verfahren und me13technisches Wissen werden deshalb heute bei jedem Ingenieur
dieser Fachdisziplin vorausgesetzt. Das vorliegende Buch solI dieses Wissen vermit
tein.
Das Buch hat zwei Bande. Dieser Band I behandelt die Systemtheorie der Kom
munikation und zeigt basierend hierauf systematisch die Schritte zum Entwerfen
und Implementieren von Kommunikationssystemen auf. Besonderer Wert wird hier
bei auf die Konstruktion der Systeme und das Automatenverhalten ihrer Grundbau-
VI Vorwort
$teine gelegt. AusfUhrliche Programmierbeispiele zeigen, wie soIehe Grundbau
steine realisiert werden.
Einen breiten Raum nimmt die KommunikationsmeBtechnik ein. Kommunikations
meBtechnik unterscheidet sich in vielen Punkten von der klassischen SignalmeB
technik. 1m letzten Abschnitt dieses Bandes I wird auf die besonderen MeBaufgaben
eingegangen. Dazu gehOren einfache MeBaufgaben wie Schnittstellentests und Bit
fehlermessungen bis hin zu komplexen MeBaufgaben wie Daten-, Protokoll- und
Netzanalyse. Detailliert werden der Aufbau sowie die Wirkungsweise von MeBgerii
ten besprochen.
Ubungsaufgaben am Ende eines Kapitels, sowohl zur Systemtheorie als auch zur
Praxis, sollen dem Leser eine Kontrollmoglichkeit tiber das Erlemte verschaffen.
Ihre Bearbeitung wird dringend empfohlen. Die LOsungen hierzu finden sich im
Anhang.
Zur praxisnahen Vertiefung der Kenntnisse und zur direkten Anwendung des Er
lemten dient der Band TI: Anleitung zum praktischen Entwurf. Anhand eines
konkreten und vollstandigen Projektbeispiels werden aIle Entwurfsphasen fUr ein
Kommunikationssystem vorgefiihrt: von der Anforderungsanalyse tiber die formale
Speziflkation bis hin zur Implementierung.
Das Buch soIl helfen, die Lticke zwischen der vielfach recht abstrakten Darstellung
der Materie in der Literatur und den praktischen Belangen eines Entwicklungsinge
nieurs zu schlieBen, indem es aufzeigt, wie die OSIl-Struktur eines Telekommuni
kationssystems in ein funktionsfiihiges System umzusetzen ist. Dabei spielt die Me
thode eine wichtige Rolle. BewuBt wird deswegen auf eine produktnahe Behandlung
von heute marktgiingigen Telekommunikationssystemen verzichtet. Vielmehr sollen
die prinzipiellen Probleme der Kommunikation und die daraus resultierenden Ver
fahren und Protokolle besprochen werden. An geeigneten Stellen wird dann jeweils
der Bezug zu markttiblichen Systemen gegeben.
In Anlehnung an die Praxis liegt der Schwerpunkt bei der Implementierung natur
gemiiB in der Software. Die Implementierung der wichtigsten Systembausteine eines
Kommunikationsssystems wie Instanz, Dienstzugangspunkt, Protokoll und Timer
werden ausfUhrlich behandelt. Die hierzu vorhandenen Programmierbeispiele sind
in Turbo-Pascal erstellt. Eine Umsetzung der Programmbeispiele in andere Hoch
sprachen, z.B. C, sollte einem getibten Ingenieur problemlos moglich sein.
I OSI: Qpen System Interconnection Referenzmodell der International Standard Organisation (ISO)
Vorwort VII
Das zweibiindige Buch entstand in Anlehnung an eine Vorlesung Kommunikations
systeme, die von den Verfassem an der Fachhochschule Hamburg flir Studenten der
Nachrichtentechnik im 7. Semester gehalten wird. Es ist gleichzeitig Lehr- und
Fachbuch. Als Lehrbuch richtet es sich vomehmlich an Studenten der Nachrichten
und Datentechnik sowie der Technischen Informatik. Als Fachbuch soU es dem
bereits in der Praxis tiitigen Entwicklungsingenieur sehr hilfreich sein, sich in das
Fachgebiet der Kommunikationssysteme mit dem Ziel einzuarbeiten, eigenstiindig
Systembausteine der Telekommunikation zu entwickeln. Vorausgesetzt werden
Grundkenntnisse der Nachrichtentechnik, des Softwareentwurfs sowie Pascal-Pro
grammierkenntnisse.
Dem Springer-Verlag, speziell Herrn Dipl.-Ing. Lehnert, m6chten wir fur die be
wiihrt gute Zusammenarbeit danken. Ein besonderer Dank gilt auch unseren Fami
lien flir das uns in den vielen Monaten der Entstehung dieses Buches entgegenge
brachte Verstiindnis.
Hamburg, im Friihjahr 1994 P. Kroger
P. Gerdsen
Inhaltsverzeichnis
1 Aufgaben der Telekommunikation ....................................... 1
1.1 Nachrichteniibertragungstechnik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 1
1.2 Telekommunikationssysteme .......................................................... 3
2 Systemtheorie der Telekommunikation ................................. 7
2.1 Struktur des Kommunikationssystems ............................................... 8
2.2 Das OSI-Referenzmodell ............................................................. 11
2.2.1 Basis-Referenzmodell ......................................................... 11
2.2.2 Erweitertes Referenzmodell .................................................. 15
2.2.3 Kommunikationsdienste ....................................................... 17
2.3 Autbau einer Kommunikationsschicht ..............................· . .......... : .... 19
2.3.1 Dienstzugangspunkt, Instanz, Protokoll .................................... 20
2.3.2 Nachrichteneinheiten .......................................................... 24
2.3.2.1 Transport von Nutzdaten iiber die Schichtgrenzen ............. 25
2.3.2.2 Informationsaustausch zwischen Partnerinstanzen .............. 26
2.3.3 Namensgebung fUr OSI-Elemente ........................................... 28
2.4 Klassifizierung und Funktionsweise vonKommunikationsdiensten ............. 30
2.4.1 Basisdienste ..................................................................... 30
2.4.2 Zeitfolgediagramm ............................................................ 32
2.4.3 Dienstprimitive ................................................................. 33
2.4.4 Kommunikationsablaufe an den Dienstzugangspunkten .................. 35
2.4.4.1 Verbindungslos orientierte data-Dienste ......................... 38
2.4.4.2 Verbindungsorientierte data-Dienste .............................. 40
2.4.5 Dienstgiite ....................................................................... 41
2.5 Arbeitsweise der Instanz .............................................................. 42
2.5.1 Endliche Automaten ........................................................... 43
2.5.1.1 Finite State Machine (FSM) ...................................... .44
2.5.1.2 Extended Finite State Machine (EFSM) ........................ .46
2.5.1.3 Communicating Extended Finite State Machine (CEFSM) .. .47
x Inhaltsverzeichnis
2.5.1.4 Zustandsiibergangstabelle .......................................... 48
2.5.2 Instanz als endlicher Automat ............................................... 49
2.5.3 Zeitgeber (Timer) .............................................................. 51
2.5.4 Mechanismen zum Senden und Empfangen von Signalen ............... 53
2.6 Ubungsaufgaben ....................................................................... 55
3 Bitiibertragungsschicht ...................................... ~ ..... ........ 57
3.1 Dienste der Bitiibertragungsschicht .................................................. 57
3.2 Ubertragungskaniile ................................................................... 61
3.3 Digitale Ubertragung .................................................................. 63
3.3.1 Schritt- und Ubertragungsgeschwindigkeit ................................. 66
3.3.1.1 Ubertragung ohne Storungen ...................................... 66
3.3.1.2 Ubertragung mit Storungen ........................................ 69
3.3.2 Bitfehler. ........................................................................ 70
3.3.3 Laufzeit und Ubertragungszeit. .............................................. 72
3.3.4 Basisbandiibertragung ......................................................... 73
3.3.4.1 uncodierte Ubertragung ............................................ 74
3.3.4.2 Ubertragung mit Codierung ....................................... 75
3.3.5 Modem-Ubertragung .......................................................... 79
3.3.5.1 Autbau eines Modems ....... '" '" ................................. 80
3.3.5.2 Modulationsarten ............................. , ...................... 83
3.3.6 Richtungstrennung ............................................................. 86
3.4 Bitiibertragungsprotokoll am Beispiel der seriellen Schnittstelle V.24 ......... 88
3.4.1 V.24-Schnittstelle .............................................................. 89
3.4.2 Elektrische Eigenschaften .................................................... 93
3.4.3 Asynchrones Format .......................................................... 94
3.4.4 KommunikationsabHiufe ...................................................... 95
3.4.4.1 Direktbetrieb ......................................................... 96
3.4.4.2 Modembetrieb ....................................................... 97
3.5 Ubungsaufgaben ..................................................................... 104
4 Sicherungsschicht .......................................................... 1O S
4.1 Fehlersicherung...................................................................... 107
4.1.1 Prinzip ........................................................................ 108
4.1.2 Fehlerkorrektur .............................................................. 110
4.1.2.1 Hammingdistanz und maximal korrigierbare Fehlerzahl " .. 110
Inhaltsverzeichnis XI
4.1.2.2 Anzahl Priifstellen. ................................................ 112
4.1.3 Fehlererkennung ............................................................. 113
4.1.4 Codierung der Priifstellen .................................................. 115
4.1.4.1 VRC/LRC-Codierung ............................................ 115
4.1.4.2 CRC-Codierung ................................................... 116
4.1. 5 Fehlersicherheit .............................................................. 118
4.1. 5.1 Blockfehlerwahrscheinlichkeit. .................................. 118
4.1.5.2 Restfehlerwahrscheinlichkeit .................................... 120
4.1.5.3 Gewinn ............................................................. 121
4.2 Dienste der Sicherungsschicht ...................................................... 122
4.2.1 Dateniibertragungsdienste .................................................. 124
4.2.2 Verbindungsauf- und Abbau- Dienste .................................... 126
4.3 Sicherungsprotokolle ................................................................ 127
4.3.1 Rahmenforrnate .............................................................. 127
4.3.1.1 Zeichenorientiertes Format ...................................... 128
4.3.1.2 Bitorientiertes Format ............................................ 131
4.3.2 Kommunikationsablaufe .................................................... 134
4.3.2.1 Send and Wait-Prinzip ............................................ 134
4.3.2.2 Verbindungsauf- und Abbau ..................................... 139
4.3.2.3 Sliding Window-Prinzip .......................................... 141
4.3.2.4 XON/XOFF-Flu13kontrolle ....................................... 145
4.3.3 Optimale Blockliinge und Durchsatz ...................................... 147
4.3.3.1 Durchsatz ........................................................... 149
4.3.3.2 Optimale Blockliinge .............................................. 150
4.4 Link Management. ................................................................... 152
4.4.1 Topologie des Ubertragungsmediums ..................................... 153
4.4.2 Punkt zu Punkt- Ubertragung (Verbindungssteuerung) ................. 154
4.4.3 Mehrpunkt-Ubertragung (Medium-Zugriff) ............................. 156
4.4.3.1 Physikalische Adressierung ...................................... 157
4.4.3.2 Poll-Select. ......................................................... 159
4.4.3.3 Token-Ring ......................................................... 162
4.4.3.4 Token-Bus .......................................................... 164
4.4.3.5 CSMA/CD ......................................................... 169
4.5 Ubungsaufgaben ...................................................................... 175
XII Inhaltsverzeichnis
5 Vermittlungsschicht ....................................................... 179
5.1 Aufgaben eines Vermittlungsnetzes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... 179
5.2 Vermittlungsverfahren .............................................................. 183
5.2.1 Leitungsvermittlung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 183
5.2.2 Paketvermittlung ............................................................. 185
5.2.2.1 Datagram ........................................................... 186
5.2.2.2 Virtualcircuit. .......... .' .......................................... 188
5.3 Vermittlungsdienste ................................................................. 192
5.3.1 Adressierungssystem ........................................................ 195
5.4 Routing ............................................. ~ .................................. 197
5.4.1 Routing-Kriterien ............................................................ 197
5.4.2 Statisches Routing ........................................................... 199
5.4.3 Dynamisches Routing ....................................................... 201
5.4.3.1 Zentrales Routing ................................................. 201
5.4.3.2 Dezentrales Routing .............................................. 202
5.5 Protokollbeispiel: X.25-Paketvermittlung ....................................... 203
5.5.1 KommunikationsabHiufe .................................................... 205
5.5.2 N-PDU-Format .............................................. '" ............. 207
5.6 Ubungsaufgaben ..................................................................... 209
6 Transportschicht ........................................................... 211
6.1 Dienste ............................................ '" ................................. 211
6.2 Transportprotokoll ................................................................... 213
6.2.1 Protokollk1assen ............................................................. 214
6.2.2 Instanzen-Funktionen ....................................................... 216
7 Anwendungsbezogene Schichten ....................................... 223
7.1 Kommunikation von Anwendungsprozessen ..................................... 223
7.2 Anwendungsschicht .................................................................. 226
7.3 Darstellungsschicht. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 227
7.4 Kommunikationssteuerungsschicht ................................................ 229
7.4.1 Aktivitatenmanagement ..................................................... 230
7.4.2 Synchronisation .............................................................. 231
7.4.3 Dialogmanagement .......................................................... 233