Kommunikationssysteme: Technik und Anwendungen

540 Pages·2000·21.303 MB·German

by  Dipl.-Wirtsch.-Inform. Heiko Häckelmann, Prof. Dr. Hans Joachim Petzold, Dr. Susanne Strahringer (auth.)

Häckelmann • Petzold • Strahringer
Kommunikationssysteme
Springer-Verlag Berlin Heidelberg GmbH
Heiko Häckelmann
Hans Joachim Petzold
Susanne Strahringer
Kommunikations
systeme
Technik und Anwendungen
Mit 333 Abbildungen
Springer
Dipl.-Wirtsch.-Inform. Heiko Häckelmann
aconis GmbH
Robert-Bosch-Straße 7
D-64293 Darmstadt
[email protected]
Prof. Dr. Hans Joachim Petzold
Dr. Susanne Strahringer
Technische Universität Darmstadt
FB 1, Betriebliche Kommunikationssysteme
Hochschulstraße 1
D-64289 Darmstadt
ISBN 978-3-540-67496-2
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Häckelmann, Heiko: Kommunikationssysteme : Technik und Anwendungen / Heiko Häckelmann ;
Hans J. Petzold; Susanne Strahringer. - Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona; Hongkong; London;
Mailand; Paris; Singapur; Tokio : Springer, 2000
ISBN 978-3-540-67496-2 ISBN 978-3-642-57242-5 (eBook)
DOI 10.1007/978-3-642-57242-5
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© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2000
Ursprünglich erschienen bei Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York 2000
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Einbandgestaltung: MEDIO GmbH
Satz: Autorendaten
Gedruckt auf säurefreiem Papier SPIN: 10760602 7/3020 M-543210-
Vorwort
Die eng mit der Informationsverarbeitung verbundene modeme Kommuni
kationstechnik hat neben der Verkehrstechnik die politischen und wirt
schaftlichen Strukturen weltweit nachhaltig verandert. Nicht weniger tief
greifend sind die Wirkungen auf das individuelle wirtschaftliche und sozia
Ie Verhalten des Menschen. Die Kenntnis der einem auBerst schnellen
Wandel unterworfenen Kommunikationstechniken und die Flihigkeiten zu
ihrer Anwendung haben fUr den Erfolg des Einzelnen eine immer starkere
Bedeutung.
Dieser Wandel ist zum einen gekennzeichnet durch neue Obertragungs
techniken und globale Netze, die nahezu jeden Punkt der Erde erreichbar
machen, und zum anderen durch Anwendungen, die zunehmend alle Le
bensbereiche durchdringen und die bei der interpersonalen Kommunikation
tiber einige tausend Kilometer hinweg den Teilnehmem ein Verhalten
ermoglichen, als seien sie, nur durch eine Wand getrennt, einige Meter
voneinander entfemt.
Bei den Anwendungen sind vor allem das World Wide Web mit seinen
nahezu unbegrenzten Moglichkeiten der Informationsversorgung und des
interaktiven Dialogs zwischen Dienstanbietem (Server) und -nachfragem
(Clients), die elektronische Post (E-Mail) sowie die weitreichenden Formen
des Daten- und Dokumentenaustauschs hervorzuheben. Ehemals eigen
smndige Techniken und Systemplattformen verschmelzen miteinander und
vereinheitlichen sich.
Vor diesem Hintergrund erhalten die Anwendungen klassischer Weit
verkehrsnetze wie Telefonie oder Videokonferenzen Einzug in die lokalen
Netze von Untemehmen, wlihrend umgekehrt ehemals ausgesprochen loka
Ie Anwendungen wie Workgroup- oder Workflow-Systeme tiber Weitver
kehrsnetze betrieben werden. Begleitet werden diese Entwicklungen von
steigenden Anspriichen bei der Nutzung von Kommunikationssystemen,
die sich in der Forderung nach nahezu uneingeschrlinkter Mobilitat der
Kommunikationspartner sowie Globalitat der benutzten Systeme manife
stieren. Mit den jtingsten Entwicklungen in der Mobilkommunikation ver
sucht man, den in diesen Bereichen in den letzten Jahren deutlich gestiege
nen Anforderungen gerecht zu werden.
Das vorliegende Buch versucht, das Gebiet der Kommunikationssyste
me sowohl aus einer technischen wie auch aus einer anwendungsorientier
ten Perspektive darzustellen. Neben der Ausgewogenheit zwischen Technik
VI Vorwort
und Anwendung von Kommunikationssystemen wird zudem auch eine
Ausgewogenheit zwischen Bewiihrtem und Aktuellem angestrebt. In den
einzelnen Gebieten werden neben neueren Entwicklungen insbesondere
jene "traditionellen" Sachverhalte betrachtet, die dem Verstiindnis von
Konzepten und langfristigen Entwicklungen zutraglich sind. Dabei solI sich
diese Auswahl weniger auf Themen beschriinken, die sieh unmittelbar in
Produkten niedergeschlagen haben. Vielmehr wird auch auf diejenigen
Bereiehe eingegangen, die von ihrer konzeptionellen Relevanz die typi
schen Denkweisen einzelner Teilgebiete gepragt haben. In dieser Hinsieht
wird der sieh oftmals tiber Jahre hinweg erstreckenden, konzeptionell aus
gereiften Entwieklungsarbeit internationaler Standardisierungsorgani
sationen eine groBe Bedeutung beigemessen. Auch wenn sich die Ergebnis
se nieht immer kommerziell umsetzen lieBen, so haben sie dennoch den
Rahmen zuktinftiger Entwieklungen abgesteckt, wie beispielsweise das
ISOIOSI-Referenzmodell einer offenen Kommunikationsarchitektur oder
der Dokumentenstandard ODNODIF.
Die aufgezeigten Anspruche hinsichtlich der Ausgewogenheit zwischen
Technik und Anwendung begriindet die Auswahl der Themen wie auch die
Gliederung des Stoffes.
Das Buch ist insgesamt in neun Teile gegliedert, von denen sich der er
ste (Teil A) mit allgemeinen Grundlagen von Kommunikationsnetzen und
-architekturen beschiiftigt. Ein zentrales Anliegen dieses Teiles ist es, be
griffliche Grundlegungen zu treffen und Abgrenzungen in der teilweise
sehr heterogenen und oft durch bewahrte Produkte gepragten Begriffswelt
vorzunehmen. Es schlieBt sich ein umfassender Teil B tiber die technischen
Grundlagen an. Darauf bezugnehmend werden dann in den Teilen Chis E
Protokolle, Standards und Funktionalitaten betrachtet, mittels derer die
eigentliche Leistung der Ubertragung von Nachrichten tiber ein Kommuni
kationssystem, also die Transportleistung, erbracht wird. Behandelt werden
hier Themen wie HOLe, X.25, Frame Relay, ATM, xDSL, Ethernet, FDDI
sowie das Internetworking. Weniger speziell sind dagegen die AusfUhrun
gen tiber Netzwerkbetriebssysteme und schlieBlich das Netzwerk- und
Systemmanagement gehalten. Teil F stellt dann bereits den Ubergang zu
den anwendungsbezogenen Kapiteln her. Die dort betrachteten Weitver
kehrs- und globalen Netze werden sowohl hinsichtlich der zugrundeliegen
den technischen Aspekte als auch hinsichtlieh der auf ihnen angebotenen
Dienste und Anwendungen dargestellt. Bei den Themen ISDN und Mobil
kommunikation schien die fUr ihr Gesamtverstandnis gebotene geschlosse
ne Darstellung die Vo rteile einer Trennung zwischen technischen und an
wendungsbezogenen Aspekten zu tiberwiegen. Die Darstellung des Inter
nets konzentriert sieh auf die fUr die Gestaltung von Anwendungen system
spezifischen Eigenschaften, wie die Organisation des WWW als Hyper
textsystem und die Formen der Interaktion zwischen Kommunikationspart
nern. Ebenso wie die diesen Netzen zugrundeliegenden Techniken, inso
fern sie auch in anderen Bereiehen von Relevanz sind, bereits zuvor darge-
Vorwort VII
stellt wurden, erfolgt die Betrachtung der Anwendungen dieser Netze,
wenn sie in anderen Kontexten von Bedeutung sind, erst in den darauffol
genden Teilen. Die Teile G his I schlieBlich beschaftigen sich mit Kommu
nikationsanwendungen und Dokumenten. Neben den traditionellen mono
funktionalen Anwendungen wie E-Mail, Verzeichnissystemen, Dateitrans
fer etc. werden hier Ansatze zur Strukturierung von Dokumenten mit Blick
auf deren Austausch tiber Kommunikationssysteme vorgestellt sowie die
multifunktionalen Kommunikationsanwendungen im Bereich des Work
group sowie des Workflow Computings behandelt.
Nicht in allen Teilgebieten kann dem Ausgewogenheitsanspruch zwi
schen Technischem und Anwendungsbezogenem sowie zwischen Bewiihr
tern und Aktuellem Rechnung getragen werden, ohne dabei durch tiberma
Bige Stofftille den Rahmen des Buches zu sprengen. Aus diesem Grund
wurde beispielsweise das Thema Sicherheit nur am Rande betrachtet. Ge
rade dieses Gebiet ist gepragt durch umfangreiche Grundlagenarbeit aus
dem Bereich der Kryptographie und einer Vielzahl hochaktueller, aber zum
Teil zugleich auch sehr spezifischer Entwicklungen. Die einzelnen Teilge
biete weisen zudem sowohl einen stark technischen wie auch anwendungs
orientierten Bezug auf. Insgesamt schien hier eine Reduktion auf einzelne
Aspekte geboten, urn zu vermeiden, daB durch massive Einschrankungen
der Stoffprasentation die Verstandlichkeit gefahrdet wird.
Ebenso wie der eine oder andere Leser das Thema Sicherheit vermissen
wird, mag auch eine geschlossene Darstellung des Electronic Commerce
fehlen. Hierzu ist allerdings zu bemerken, daB dessen Grundlagen, abgese
hen von Sicherheitsaspekten, ohnehin betrachtet werden. Es handelt sich
stets urn Kommunikationssysteme, bei denen beschriebene Techniken
eingesetzt werden und bei denen die damber hinausgehenden Aspekte
letztlich Themenstellungen bilden, mit denen sich die Betriebswirtschafts
lehre in ihren einzelnen Teildisziplinen zu beschaftigen hat. Dieses hochak
tuelle Gebiet wird insofern lediglich im Zusammenhang mit dem Themen
bereich des Geschaftsdatenaustausches und des interaktiven Austauschs
dynamischer Web-Seiten angesprochen.
Letztlich mag auch als Defizit empfunden werden, daB ein Thema wie
das Internet, das als Beispiel flir ein globales Kommunikationssystem vor
gestellt wird, trotz seiner unbestrittenen Relevanz eine relativ knappe Dar
steHung erfiihrt. Dies ist zum einen darauf zuriickzuflihren, daB auch in
diesem Themenbereich eine nur anniihernd voHstandige Darstellung ein
Buch ftir sich erfordern wtirde (dieser gibt es viele) und zum anderen gera
de hier viele Teilthemen losgelOst aus ihrem Bezug zum Internet entweder
in den technischen Grundlagen oder im Rahmen der Anwendungen behan
delt wurden. Gerade jtingste Entwicklungen, die aus dem Umfeld des In
ternets stammen, wie beispielsweise die Sprache XML, sollten nicht aus
schlieBlich in ihrem urspriinglichen Kontext gesehen werden, wenn es urn
die richtige Einschiitzung ihrer Potentiale geht. Folglich werden also einige
Teilgebiete in anderen Zusammenhiingen betrachtet. Aus dieser Problema-
VIII Vorwor!
tik mag auch das an der einen oder anderen Stelle unterschiedlich empfun
dene Detaillierungsniveau resultieren.
Sowohl Studierende der Fachrichtungen Wirtschaftsinformatik,
Zielgruppe
Informatik und Betriebswirtschaftslehre mit entsprechender Vertiefung als
auch Praktiker aus dem TK- und DV-Bereich, die modeme
Kommunikationstechnologien in ihren Grundlagen zu verstehen und in
ihren Potentialen zu beurteilen haben, finden im vorliegenden Buch ein
Einarbeitungs- und Nachschlagewerk. Dabei zielen Umfang und
Detaillierungsgrad auf ein grundlegendes Verstandnis der dargestellten
Sachverhalte. Der im Bereich des kurzlebigen Produktwissens interessierte
Leser sollte deshalb besser auf andere Werke zuruckgreifen.
Uteratur Mit Blick auf die Stabilitat der Inhalte wurde bewuBt auf die Auflistung
empfehlungen
einer Vielzahl von Intemet-Quellen verzichtet. Die meisten Ressourcen wer
den sich bereits bis zur Drucklegung des Buches massiv geiindert haben.
Zudem bietet das Web zu den im Rahmen dieses Buches behandelten Inhal
ten eine groBe Vielfalt und Menge an Quellen, so daB der Leser keine
Schwierigkeiten haben wird, in kiirzester Zeit vertiefende Informationen zu
den unterschiedlichen Gebieten im WWW zu finden. In den Literaturem
pfehIungen wurde daher den traditionellen Printmedien der Vorzug gegeben.
Stoffauswahl
Fiir das vorliegende Buch wurde unter der erwiihnten Zielsetzung eine en
ge Auswahl aus einer immensen Stoffiille getroffen in der Hoffnung, daB
dem sich in die vielschichtigen Gebiete modemer Kommunikationssysteme
einarbeitenden Leser eine Hilfestellung gegeben wird. Dabei sind die Auto
ren davon ausgegangen, daB auf ein angemessenes Grundlagenwissen im
Bereich der inzwischen "traditionellen" Informationsverarbeitung zuriickge
griffen werden kann. Die Beantwortung der Frage, ob die schwierige Aufga
be, ein Buch iiber Kommunikationssysteme mit der Vielfalt ihrer technischen
Auspragungen und zugleich der auf diesen Systemen betriebenen Anwen
dungen zu schreiben, gelungen ist, ist dem Leser anheim zu stellen. Anre
gungen zur Verbesserung, fiir Ergiinzungen und auch Hinweise auf Schwach
stellen nehmen wir geme entgegen (z.B. unter [email protected]), urn
die begonnene Arbeit mit einer Oberarbeitung fortzusetzen. Wie auch immer
man sich urn das Gelingen eines Buches bemiiht, so teilen wir mit K. Popper
die iiberzeugende Erkenntnis: Ein Buch kann niemals fertig werden.
Darmstadt, im Mai 2000
Heiko Hackelmann
Hans Joachim Petzold
Susanne Strahringer
Inhaltsverzeichnis
Teil A
Kommunikationsnetze und -architekturen 1
Einftihrung .......................................................................................................... 3
1.1 Grundbegriffe ........................................................................................... 3
1.2 Klassifikation von Kommunikationsnetzen ............................................ 15
1.2.1 Offentliche Netze ........................................................................ 16
1.2.1.1 Globale Netze ................................................................ 17
1.2.1.2 Weitverkehrsnetze ......................................................... 18
1.2.1.3 Regional-/Stadtnetze (City-Netze) ................................ 19
1.2.2 Private Netze ............................................................................... 19
1.2.2.1 Lokale Netze ................................................................. 20
1.2.2.2 Private Weitverkehrsnetze ............................................ 22
Literaturempfehlungen ...................................................................................... 23
2 Systemarchitekturen und Architekturmodelle ................................................... 25
2.1 Merkmale und Aufgaben ........................................................................ 25
2.2 ISO-OSI-Referenzmodell fUr offene Kommunikationssysteme. ............ 27
2.2.1 Zie1e und Modellstruktur ............................................................ 27
2.2.2 Aufgaben der Schichten .............................................................. 32
2.2.2.1 Bitiibertragungsschicht (Physical Layer) ...................... 32
2.2.2.2 Datensicherungsschicht (Data Link Layer) ................... 32
2.2.2.3 Vermittlungsschicht (Network Layer) ........................... 33
2.2.2.4 Transportschicht (Transport Layer) .............................. 34
2.2.2.5 Sitzungsschicht (Session Layer) .................................... 37
2.2.2.6 Darstellungsschicht (Presentation Layer) ...................... 38
2.2.2.7 Anwendungsschicht (Application Layer) ...................... 38
2.3 TCPIIP-basierte Protokollarchitekturen .................................................. 40
Literaturempfehlungen ...................................................................................... 42
3 Standardisierung ............................................................................................... 43
3.1 Aufgaben und Formen ............................................................................ 43
3.2 Entwicklung von Standards .................................................................... 45
3.2.1 Standardisierung durch die ISO .................................................. 45
3.2.2 Intemet-Standardisierung durch die IETF. .................................. 47
3.3 Trager der Standardisierung .................................................................... 48
3.4 Bedeutung der Standardisierung ............................................................. 50
Literaturempfehlungen ...................................................................................... 52
X Inhaltsverzeichnis
I
Teil B
Techrusche Grund\agen 53
4 Signaltheorie ..................................................................................................... 55
4.1 Signalformen ........................................................................................... 55
4.2 Signalumwandlung ................................................................................. 56
4.3 Energie und Leistung von Signalen ........................................................ 57
Literaturempfehlungen ...................................................................................... 58
5 Obertragungsmedien ......................................................................................... 59
5.1 Metallische Leiter ................................................................................... 59
5.1.1 Physikalische Eigenschaften ....................................................... 60
5.1.2 Niederfrequenzkabel ................................................................... 67
5.1.3 Hochfrequenzkabel ..................................................................... 69
5.2 Lichtwellenleiter ..................................................................................... 70
5.2.1 Physikalische Eigenschaften ....................................................... 70
5.2.2 Typen .......................................................................................... 73
5.3 Leitungsungebundene Obertragungsstrecken ......................................... 75
Literaturempfehlungen ...................................................................................... 77
6 Physikalische Obertragung ................................................................................ 79
6.1 Bandbreitenzuteilung .............................................................................. 79
6.1.1 Basisband .................................................................................... 80
6.1.2 Breitband ..................................................................................... 81
6.2 Datenparallelitat ...................................................................................... 81
6.2.1 Parallele Obertragung .................................................................. 81
6.2.2 Serielle Obertragung ................................................................... 82
6.3 Leitungsbetriebsarten .............................................................................. 82
6.4 Analogtechnik ......................................................................................... 83
6.4.1 Modulation .................................................................................. 83
6.4.2 Obertragungsgeschwindigkeit ..................................................... 86
6.4.3 Modemstandards ......................................................................... 86
6.5 Digitaltechnik .......................................................................................... 88
6.5.1 Modulation .................................................................................. 88
6.5.2 Leitungskodierung ....................................................................... 92
Literaturempfehlungen ...................................................................................... 94
7 Rahmenbildung ................................................................................................. 95
7.1 Aufgaben ................................................................................................. 95
7.2 Rahmentypen .......................................................................................... 95
7.2.1 Zeichenorientierte Rahmen ......................................................... 95
7.2.2 Bitorientierte Rahmen ................................................................. 97
7.3 Fehlererkennung ..................................................................................... 98
7.3.1 Zeichenweise Paritatssicherung .................................................. 99
7.3.2 Blockweise Paritatssicherung ...................................................... 99
7.3.3 Zyklische Priifsummenbildung .................................................. 100
Literaturempfehlungen .................................................................................... 101