Netze, Protokolle, Schnittstellen und Nachrichtenverkehr: Grundlagen und Anwendungen

203 Pages·2005·22.53 MB·German

by  Martin Werner (auth.)

Martin Werner
Netze, Protokolle,
Schnittstellen und
Nachrichtenverkehr
Aus dem Programm _____________ _____
NachrichtentechnikjKommunikationstechnik
Operationsverstarker
von J. Federau
Telekommunikation
von D. Conrads
Kommunikationstechnik
vonM. Meyer
Signalverarbeitung
vonM. Meyer
Digitale Kommunikationssysteme 1
von R. Nocker
Optische Nachrichtensysteme und Sensornetzwerke
von R. Thiele
Nachrichtentechnik
von M. Werner
Digitale Signalverarbeitung mit MATLAB
von M. Werner
Signa Ie und Systeme
von M. Werner
vievveg __________________
~
Martin Werner
Netze, Protokolle,
Schnittstellen und
Nach richtenverkeh r
Grundlagen und Anwendungen
Mit 158 Abbildungen und 34 Tabellen
Herausgegeben von Otto Mildenberger
~
Studium Technik vleweg
Bibliografische Information der Deutschen Bibliothek
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliographie;
detaillierte bibliografische Daten sind im Internet liber <http://dnb.ddb.de> abrufbar.
Herausgeber: Prof. Dr.-Ing. Otto Mildenberger lehrte an der Fachhochschule Wiesbaden in den
Fachbereichen Elektrotechnik und Informatik.
1. Auflage Marz 2005
Aile Rechte vorbehalten
© Friedr. Vieweg & Sohn Verlag/GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden, 2005
Lektorat: Thomas Zipsner j Imke Zander
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Druck und buchbinderische Verarbeitung: Wilhelm & Adam, Heusenstamm
Gedruckt auf saurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier.
ISBN-13: 978-3-528-03998-1 e-ISBN-13: 978-3-322-80256-9
DOl: 10.1007/978-3-322-80256-9
v
Vorwort
In einer Zeit, in der Produktlebenszyklen in der Inforrnations-und Komrnunikationstechnik im
mer kiirzer werden, will das Buch Netze, Protokolle, Schnittstellen und Nachrichtenverkehr die
fachlichen Grundlagen und Zusamrnenhange vermitteln. Das Buch ist als kompakte Einstiegs
literatur gedacht. Die ziigige Entwicklung des Stoffes an praktisch relevanten Beispielen steht
im V ordergrund.
Das Buch eignet sich besonders flir aIle an der Telekomrnunikationstechnik Interessierten, die
einen Blick hinter die Kulissen werfen wollen. Welche technischen Prinzipien liegen der mo
dernen Telekomrnunikation zugrunde? Welche Probleme treten bei ihrer Umsetzung auf und
wie werden sie gelOst?
Am Beispiel der RS-232-Schnittstelle und des HDLC-Protokolls werden die Grundlagen der
geregelten Komrnunikation entwickelt. Mit dem ISDN-Teilnehmeranschluss wird exempla
risch eine anspruchsvolle technische Losung detailliert vorgestellt.
Die zukiinftige Entwicklung der Telekomrnunikationsinfrastruktur wird mit dem Breitband
ISDN und der ATM-Ubertragungstechnik in den Blick genomrnen. Verkehrsvertrag und vir
tuelle Verbindungen errnoglichen Hochleistungsnetze.
In Kontrast dazu wird das Internet mit der TCP/lP-Protokollfamilie vorgestellt. Sein Erfolg -
aber auch seine Grenzen - beruhen auf einfache Dienste auf der Basis der verbindungslosen
Paketiibertragung. Durch die Flexibilitat seiner Architektur kann das Internet heute auf ein
erstaunliches weltweites Wachstum zuriickblicken.
Mit dem Abschnitt Vielfachzugriff, Verkehrs-und Bedientheorie werden Schliisselfaktoren flir
die Leistungsfahigkeit Lokaler Netze (Ethernet) und Mobilfunknetze (GSM) aufgezeigt. Die
Behandlung von W arte-und-Verlustsystemen mit den Hilfsmitteln der elementaren Wahr
scheinlichkeitsrechnung rundet die Vorstellung der Grundlagen der Telekomrnunikationsnetze
abo
Urnfang und Schwierigkeitsgrad orientieren sich an einer vierstiindigen Lehrveranstaltung zur
Nachrichteniibertragungstechnik im Studienschwerpunkt Inforrnations- und Komrnunikations
technik der FH Fulda im 6. Fachsemester.
Fulda, Januar 2005 Martin Werner
VII
Inhaltsverzeichnis
1 Einfiihrung ................................................................................................................... .
1.1 Zur historischen Entwicklung ....... .............. ............ ................ .............. .................. 1
1.2 Zur Organisation des Buches ................................................................................. 3
2 Grundbegriffe der NachrichteniibermittJnng ............................................................ 4
2.1 Telekommunikationsnetze ..................................................................................... 4
2.2 Arten der Nachrichtenvermittlung ......................................................................... 6
2.3 OSI-Referenzmodell.............................................................................................. 8
2.4 Analoge Fernsprechnetze ..... .... .......... ........ ............ ................ ............ .................... 13
2.5 Intelligente Netze ................................................................................................... 15
2.6 Internet ................. ........... ........... ... .......... ....... ................ .............. ............ .............. 16
2.7 Standardisierung..................................................................................................... 18
2.8 Wiederholungsfragen zu Abschnitt 2 ..................................................................... 19
3 Dateniibertragung: Protokolle nnd Schnittstellen..................................................... 21
3.1 Einfiihmng .............. ........... .......... ........... .................................. .............. ............... 21
3.1.1 Codierung ................................................................................................... 21
3.1.2 'Obertragung................................................................................................ 25
3.2 Schnittstellen RS-232 und V24/28 ......................................................................... 26
3.3 Schnittstelle X.21................................................................................................... 31
3.4 Transparenz, Sicherung und Flusskontrolle ........................................................... 34
3.4.1 Grundbegriffe.............................................................................................. 34
3.4.2 Stop-and-Wait-ARQ-Verfahren.................................................................. 36
3.4.3 Go-back-n-Verfahren.................................................................................. 39
3.4.4 Selective-repeat-ARQ-Verfahren................................................................ 40
3.5 HDLC-, LAP-und LAPB-Protokoll...................................................................... 42
3.6 X.25-Protokoll........................................................................................................ 47
3.7 ppp-Protokoll......................................................................................................... 51
3.8 CRC-Codes ............................................................................................................ 53
3.9 Wiederholungsfragen und Aufgaben zu Abschnitt 3 ............................................. 60
4 GrundJagen des ISDN .................................................................................................. 62
4.1 Einfiihrung ............................................................................................................. 62
4.2 Teilnehmeranschluss .............................................................................................. 63
4.3 Schnittstelle So ....................................................................................................... 64
4.3.1 'Oberblick .................................................................................................... 64
4.3.2 Leitungscodierung und Impulsformung...................................................... 64
4.3.3 Rahmenstruktur und Rahmensynchronisation ............................................ 66
4.3.4 Aktivierung, Deaktivierung und Zugriff auf den D-Kanal.......................... 70
4.3.5 Anschlusskonfiguration der Endgerate ....................................................... 73
4.4 Schnittstelle UKO••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 74
4.4.1 Einfiihmng und Oberblick .......................................................................... 74
vrn Inhaltsverzeichnis
4.4.2 Leitungscodierung....................................................................................... 76
4.4.3 Rahmenstruktur und Rahmensynchronisation ............................................ 77
4.4.4 Frequenzgleichlageverfahren und Echokompensation................................ 79
4.4.4.1 Frequenzgleichlageverfahren mit Gabelschaltung ............... ......... 79
4.4.4.2 Echokompensation .................................. .............. .............. ......... 81
4.4.4.3 Scrambler und Descrambler .......................................................... 85
4.4.4.4 Blockschaltbild der Ubertragung fur die UKo-Schnittstelle .......... 86
4.5 Wiederholungsfragen und Aufgaben zu Abschnitt 4 ......................... ................. ... 87
5 B-ISDN: SDH und ATM............................................. ................................................. 89
5.1 Einfuhrung.............................................................................................................. 89
5.2 Synchrone Digitale Hierarchie (SDH).................................................................... 91
5.3 B-ISDN und ATM.................................................................................................. 96
5.3.1 Einfuhrung .................................................................................................. 96
5.3.2 Protokoll-Referenzmodell........................................................................... 96
5.3.3 ATM-Zellen ................................................................................................ 97
5.3.4 Dienstklassen .............................................................................................. 100
5.3.5 AT M -Anpassungsschicht............................................................................ 102
5.3.6 Fehlersicherung fur den Zellkopf und Zellgrenzenerkennung .................... 107
5.3.6.1 Fehlersicherung............................................................................. 107
5.3.6.2 Zellgrenzenerkennung................................................................... 109
5.4 Wiederholungsfragen und Aufgaben zu Abschnitt 5 ............................................. 111
6 Internet.................................................................. ........................................................ 112
6.1 Einfuhrung ........ ........ ............ .......... ......... ................ .................... ............... ........... 112
6.2 Internet Protocol (IP).............................................................................................. 115
6.2.1 Internet Protocol Version 4 (IPv4) ............................................................. 115
6.2.1.1 IP-Datagramm ............................................................................... 115
6.2.1.2 Internetadressen ............ ..................................... .............. ............. 118
6.2.2 Internet Protokolle fur Steuerungsaufgaben................................................ 120
6.2.2.1 Internet Control Message Protocol (ICMP) ......................... ........ 120
6.2.2.2 Address Resolution Protocol (ARP) ............................................. 121
6.2.3 Internet Protocol Version (IPv6) . ......... .... .......... ...................... .............. .... 122
6.3 User Datagram Protocol (UDP) ............................................................................. 125
6.4 Real-Time Transport Protocol (RTP) .................................................................... 127
6.5 Transport Control Protocol (TCP).......................................................................... 128
6.5.1 TCP Segment Header ................................................................................. 128
6.5.2 TCP-Ubertragung ....................................................................................... 130
6.6 Wiederholungsfragen und Aufgaben zu Abschnitt 6 ............................................. 134
7 Vielfachzugriff, Verkehrs-und Bedientheorie ............. '" ........ ........... ............ ......... ... 135
7.1 Einfuhrung.............................................................................................................. 135
7.2 Ankunftsprozesse mit Exponentialverteilung......................................................... 135
7.3 Vielfachzugriffsverfahren .... .......... ....... ................ ...................... ............. .......... .... 140
7.3.1 Pure-Aloha-Vielfachzugriffsverfahren........................................................ 140
7.3.2 Slotted-Aloha-Vielfachzugriffsverfahren...................... ............. ............ ..... 143
7.3.3 Aloha-Vielfachzugriffsverfahren mit Backoff ........................................... 144
7.3.4 CSMAlCD" Vielfachzugriffsverfahren ...................................................... 145
Inhaltsverzeichnis IX
7.3.5 Kollisionserkennung und -auflosung .......................................................... 148
7.3.6 Ethernet, IEEE 802.3 Standard ................................................................... 149
7.3.7 Token-Verfahren......................................................................................... 151
7.3.8 Token-Ring Standard IEEE 802.5.............................................................. 153
7.3.9 IEEE-802-Referenzmodell flir LAN ........................................................... 155
7.4 Anforderungs-und Bedienprozesse, Warteschlangen............................................ 158
7.4.1 Grundbegriffe..... ............................... ................... ............. .......................... 158
7.4.2 Warte-und Verlustsystem MIMIl ............................................................... . 161
7.4.2.1 MIMIl-Wartesystem ..................................................................... 161
7.4.2.2 Gesetz von Little........................................................................... 165
7.4.2.3 MIMIl-Warte-Verlustsystem ........................................................ 167
7.4.3 Warte-und Verlustsystem MIMlm.............................................................. 170
7.4.3.1 MIMlm-Verlustsystem .................................................................. 170
7.4.3.2 MIMlm-Verlustsystem mit begrenzter Anzahl von Quellen ......... 175
7.4.3.3 MIMlm-Wartesystem .................................................................... 177
7.4.3.4 MIMlm-w-Warte-Verlustsystem ................................................... 182
7.5 Wiederholungsfragen und Aufgaben zu Abschnitt 7 ... :,........................................ 183
Literaturverzeichnis ........ ........... ............. ............. ........................... ........... ....................... 184
Sachwortverzeichnis ........ ...................... ..................... .................. ........... ............ .............. 187
1
1 Einfiihrung
1.1 Zur historischen Entwicklung
In der Nachrichtentechnik zeichnen sich seit Beginn des 19. Jahrhunderts bestimmte Entwick
lungslinien deutlich abo Was die Form der Nachrichten betrifft, so wurde zunachst die digitale
Ubertragung mittels optischer Zeigertelegraphen in Frankreich (1791-1850), England (1795-
1847) und Deutschland (1832-1849) aufgebaut [Obe82]. Beispielsweise konnten bei guter
Witterung tiber die 600 kIn lange Verbindung Berlin-Magdeburg-KOln-Koblenz Nachrichten in
nur 15 Minuten tibertragen werden. Ermoglicht wurde das u. a. durch ein passendes Codier
system und das geschulte Fachpersonal.
Mitte des 19. Jahrhunderts wurde die Zeigertelegrafie jedoch schnell durch die tageszeit- und
wetterunabhiingige elektromechanische Telegrafie abgelOst. Auch hier kamen spezielle Code
systeme, wie z. B. das Morse-Alphabet (1840/1851), zum Einsatz. Damit lieSen sich Ubertra
gungsgeschwindigkeiten von etwa 1 Bit pro Sekunde erzielen. Als ein technisches Problem er
wies sich zunachst die Herstellung und Verlegung geeigneter Kabel. Bereits 1866 konnte je
doch eine dauerhafte transatlantische Kabelverbindung betrieben werden. Einen Hohepunkt er
reichte die Telegrafie 1870 mit der von Siemens erbauten Indo-Europaischen Telegrafenlinie
London-Teheran-Kalkutta. Sie hatte eine Lange von 18'000 kIn und war bis 1931 in Betrieb.
Der Fortschritt der Elektrotechnik ftihrte in der 2. Halfte des 19. Jahrhunderts zur analogen
Sprachtelefonie. 1861 demonstriert Phillip Reis dem physikalischen Verein in Frankfurt das
Prinzip der elektrischen Schalltibertragung. 1876 erhiilt Graham Bell in den USA ein grund
legendes Patent fUr ein gebrauchsfahiges Telefon. Danach schien der Siegeszug des Telefons
nicht mehr aufzuhalten. Bereits 1890 gabt es in Berlin mehr als 10'000 Teilnehmer.
Mit der zunehmend groSer werdenden Teilnehmerzahl trat jedoch ein neues Problem auf. Die
Vermittlung zwischen den Teilnehmern durch das "Fraulein vom Amt", d. h. die Handvermitt
lung durch Umstecken der Leitungen auf Koppelfeldern, stieS an ihre physikalischen Grenzen.
Abhilfe schaffte der elektro-mechanische Selbstwiihler nach Almond B. Strowger (1889). Der
Fernsprecher erhielt eine Wiihlscheibe; die bis Ende des 20. Jahrhunderts dominierenden Tele
fonnetze mit ihren ausgekliigelten Nummernsystemen waren geboren.
Der Ausbreitung der Telefonie stand jedoch noch ein wei teres Hindernis im Wege: die geringe
Reichweite der elektrischen Signale. Die Entwicklungen leistungsfahiger Verstiirkerrohren
durch von Lieben und Lee Forrest Anfang des 20. Jahrhunderts lOste zunachst dieses Problem.
So war damit in den USA erstmals die transkontinentale Telefonie von der Ostktiste zur West
ktiste moglich. Der mit der Teilnehmerzahl zunehmende Einsatz von Verstarkerrohren fUhrte
jedoch bald an physikalische Grenzen; der wachsende Platz- und Energiebedarf fUhrte in den
Vermittlungsstellen zu Engpassen. Erst die Erfindung des Transistors durch Bardeen, Braittan
und Shockly (1947/48) und seine Weiterentwicklung loste das Dilemma [EcSc86]. Nun stand
eine platzsparende, energieeffiziente und preiswerte Verstiirkertechnik zur Verfiigung.
Ein iihnliches Problem ergab sich in den Vermittlungsstellen mit den elektro-mechanischen
Selbstwahlern. Auch hier losten elektronische Systeme - in Deutschland von 1985 bis 1997 -
die alte Technik abo Heute werden die Vermittlungsfunktionen mit hochleistungsfahigen
Mikroprozessoren realisiert, diees ermoglichen Intelligente Netze aufzubauen.