Wirtschaftsinformatik (Bachelor-Studiengang): Rechnernetze/Onlinedienste (2. Semester)
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BM / CM, Kurs vom 01.10.2002 - 31.03.2003
Medium
Das Medium besteht in einem bestimmten physikalischen Phänom, das zur Datenübertragung ausgenutzt wird.
Prinzipiell können alle Phänomene, die sich örtlich entfernt ausdrücken, benutzt werden; praktisch sind es aber nur:
- Metallische Leiter (Kupfer, Gold, Silber) mit elektrischem Strom
- Glas (Fasern) mit Licht
- Äther ("Luft" oder "Raum") mit elektromagnetischen Wellen
Daneben könnte noch - neben der Gedankenübertragung - die Luft mit den Schallwellen benutzt werden, praktisch unbedeutend.
In gewisser Hinsicht sind auch alle Speichermedien Kommunikationsmedien, werden aber hier nicht betrachtet.
Anzahl der Verbindungen
Neben der Art des Mediums gibt es noch Variationen in der Anzahl der Verbindungen:
- Eine Verbindung, z.B. eine Glasfaser
- Zwei Verbindungen, z.B. zwei Drähte oder Fasern (üblich)
- Mehrere Verbindungen, z.B. 25 Drähte für eine einfache serielle Verbindung
Werden mehrere Verbindungen als ein physikalischer Kanal benutzt, so sind diese entweder physikalisch notwendig, z.B. benötigt der elektrische Strom zwei Leitungen, oder sie können unabhängig von einander benutzt werden, z.B. für unterschiedliche Sende-Richtungen.
Physikalische Schnittstelle
Die Schnittstelle zum Medium selbst hängt von der Art ab:
- Bei metallischen Leitern ist eine Elektronik sowie eine bestimmte Steckerform notwendig.
- Bei Glasfasern sind Dioden/Laser sowie Detektoren samt Elektronik notwendig.
- Bei Funknetzen ist ein Sender bzw. ein Empfänger notwendig.
In allen Fällen muss es zusätzlich eine physikalische Schnittstelle am Rechner geben, über die Daten zum Medium transportiert werden. Diese Daten werden dann über die oben erwähnte Elektronik auf das Medium selbst gegeben bzw. abgenommen.
Die Elektronik und das Medium werden aus Gründen der Einfachheit als Medium zusammengefasst.
Kodierung
Unter Kodierung wird das Verfahren der Repräsentation der Daten auf dem Medium verstanden.
Eine Kodierung wird durch ein Regelsystem festgelegt, das die Art und Weise der Zuordnung von rechnerinternen Werten zu Signalen bestimmt.
Häufig legt die Kodierung die Regeln für ein Bit fest, manchmal aber auch für ganze Bitgruppen.
Signal:
Spezielles auf dem Medium beobachtbares Phänomen, das technisch leicht erzeugt und erkannt werden kann und zur Repräsentation der Daten dient.
Repräsentation:
Interne Darstellung von Werten.
Präsentation:
Extern wahrnehmbare Darstellung von Werten.
Hinweis: Daten sind damit Interpretationen von Signalen.
Zwei Rechner kommunizieren
Bildbeschreibung "Zwei Rechner kommunizieren": Rechner A ist Sender und sendet über seine Sendeelektronik auf dem Medium an Rechner B, den Empfänger. Dieser nimmt die Signale über seine Empfangselektronik entgegen.
Das Medium ist hier ein Kupferdraht, durch den Strom fließt, wobei der 2. Draht (Erde) nicht eingezeichnet ist.
Die 1 wird durch ein hohes Spannungsniveau, z.B. 5 V, die 0 durch einen Spannungswert von 0 V repräsentiert.
Der Sender ist ein Rechner mit einer Elektronik, die erlaubte Signale erzeugen kann.
Der Empfänger ist ein Rechner mit einer Elektronik, die erlaubte Signale erkennen kann.
Die Probleme dabei
Theoretisch ist die Kodierungsregel klar definiert, praktisch (fast) unsinnig, da
- der Übergang von 0 auf 1 und umgekehrt etwas dauert, und
- nie präzise 0 bzw. 5 V vorkommen.
Das zweite Problem lässt sich leicht durch zwei Spannungsbereiche lösen: z.B. Bereich von −0.5 bis +0.5 V steht für 0, Bereich von 4.5 bis 5.5 V für 1.
Das erste Problem jedoch nicht, denn jedes Medium hat eine Bandbreite.
Bandbreite:
Bereich der Frequenzen, die ohne größere Dämpfung durch das Medium übertragen werden.
Dämpfung:
Eigenart des Mediums, das erzeugte Signal abzuschwächen.
Benötigte Bandbreite:
Analoges Telefonnetz hat eine Bandbreite von 300 Hz bis 3,4 KHz (Bereich der menschlichen Stimme).
Es können prinzipiell keine Rechtecksignale übertragen werden, sondern nur verformte Impulse. Mit anderen Worten: das zweite obige Problem lässt sich nicht beseitigen.
Lösungsidee 1: Abtasten
Bildbeschreibung "Lösungsidee 1: Abtasten 1": Über einen Zeitraum t wird ein Signal in verschiedene Abtastzeiträume unterteilt. In diesen Abschnitten hat das Signal entweder den Wert 1 oder den Wert 0, Werte dazwischen gelten als undefiniert und werden mit undefinierten Zeitspannen übersprungen.
Das Signal wird immer dann auf der Empfängerseite abgetastet, wenn es stabil auf dem Medium empfangen wird.
Das Signal zwischen den Abtasttakten wird ignoriert, da dies die Zeiträume mit ungültigen Messwerten sind.
Bildbeschreibung "Lösungsidee 1: Abtasten 2": Resultierend aus dem festgelegten Abtast-Takt gibt es verschiedenen Abtastfenster.
Das funktioniert nur, wenn der Sender abgestimmt auf den Empfänger im richtigen Rhythmus sendet.
Synchronisation:
Zeitliche Abstimmung zwischen mehreren Komponenten (Rechnern, Prozessen)
Sender und Empfänger müssen synchron sein. Doch wie wird dies erreicht, wenn beide keinen gemeinsamen Takt haben (wie es z.B. bei den internen Bussen der Fall ist)?
Asynchrone Übertragung:
Bei der asynchronen Übertragung werden die beiden Taktgeneratoren (Sender und Empfänger) nur während der Dauer der Übertragung synchronisiert, danach können sie wieder auseinander laufen (asynchron werden).
Dies erfolgt durch folgende Verabredung:
- Die Anzahl der pro Sekunde zu übertragenen Bits ist von vornherein festgelegt (Festlegung der Taktfrequenz und Impulsdauer).
- Vor jedem Senden ist immer eine Pause, in der das Signal für 0 gesendet wird.
- Vor dem Senden der Informationen wird ein 1-Bit gesendet, das zur Synchronisation des Empfänger-Taktgenerators dient.
- Dann wird eine festgelegte Anzahl von Bits gesendet.
- Am Ende werden noch ein/zwei Bits zum Ausklingen in die Pause gesendet.
Bildbeschreibung "Asynchrone Übertragung": Das Startbit kennzeichnet den Beginn der Übertragung. Nach der Übertragung von 1 Byte folgt dann das sogenannte Stopbit. Sowohl vor als auch nach der Übertragung ist das Signal auf 0 gesetzt.
Wird das Startbit vom Empfänger festgestellt (aufsteigende Flanke), stellt dieser seinen Taktgenerator so ein, dass der Abtastimpuls in der Mitte des Startbits beginnt.
Dadurch werden die nächsten 9 (oder 10) Bits "richtig" abgetastet (es können auch zwei Stopbits verwendet werden).
Die Wahrscheinlichkeit, dass während so weniger Bits die Taktgeneratoren außer Takt geraten, ist sehr gering.
Mit der asynchronen Übertragungstechnik wird auch das Problem
gelöst, das dann auftritt, wenn der Sender nichts senden will
bzw. ausgeschaltet wird.
Ohne das Konzept der Pausen würde der
Empfänger in Sendepausen Unsinniges empfangen.
Ein anderer Begriff dafür ist Start-/Stopp-Verfahren.
Leider muss nach jedem Byte eine Pause gemacht werden, auch dann, wenn noch etwas gesendet werden soll.
Übertragungsrate:
Anzahl der übertragenen Nutzdaten in bit pro Sekunde.
Einheit bit/s bzw. Kbit/s
(1 K = 1000!).
Die Start- und Stopbits werden nicht bei der Übertragungsrate mitgezählt. Die Ausnutzung der Leitung liegt bei diesem Verfahren bei ca. 70 %.
In der Praxis ist der Takt ein Vielfaches von der Abtastfrequenz, deren Impulse das Abtastfenster definieren.
Jeder Abtastzeitraum wird auch Schritt genannt.
Schritt:
Zeitraum mit vorherigen möglichen Signalwechsel.
Die Anzahl der Schritte pro Sekunde wird in baud (nach Jean Marc
Baudot) gemessen.
Wird pro Schritt ein Bit übertragen, ist die Baud-Rate gleich
der Übertragungsrate.
Werden 2 Bits durch Kodierung von 4 Zuständen pro Schritt
übertragen, ist die Übertragungsrate doppelt so hoch wie
die Baud-Rate.
Lösungsidee 2: Andere Codierungen
Hierzu gibt es zwei Lösungsansätze
- Es werden andere digitale Signale gewählt.
Als Beispiel für den ersten Ansatz wird die Manchester-Codierung in einer Variante (es gibt drei) vorgestellt. Neben dieser gibt es noch zahlreiche andere Codierungen. - Es werden analoge Signale benutzt.
Bildbeschreibung "Manchester-Codierung": Flanken innerhalb des Abtastzeitraumes sind das Signal. Absteigende Flanken beschreiben den Zusatand 0, aufsteigende Flanken den Zustand 1.
Kontinuierliche und diskrete Signale:
Bildbeschreibung "Kontinuierliche und diskrete Signale": Vier Darstellungen im Koordinatensystem. Auf der x-Achse wird das Signal abgebildet, auf der y-Achse die Zeit. Abbildung A: Kontinuierlich = Beide Achsen sind ohne weitere Bereichs-Angaben. Abbildung B, C, D: Diskret = Die Achsen sind mit Bereichs-Angaben versehen. Variante B: Die Zeit-Achse ist in Abschnitte gegliedert. Variante C: Die Signal-Achse ist in Abschnitte gegliedert. Variante D: Beide Achsen sind untergliedert.
Ein Signal heißt diskret, wenn es sich nur auf definierten Niveaus bewegt bzw. innerhalb eines festen Zeitrasters verändert (B, C, D).
Ein Signal heißt kontinuierlich, wenn es alle Niveaus zu beliebigen Zeitpunkten erreichen kann (A).
Die vorangegange Grafik zeigt die vier Möglichkeiten für ein Signal.
Netze vom Typ (A) werden analoge Netze, vom Typ (D) digitale Netze genannt. Die anderen Typen kommen in der Praxis (fast) nicht vor.
Bemerkungen:
- Digital bedeutet nicht unbedingt binär; letzteres ist ein Spezialfall des ersteren.
- Die Natur ist (fast) immer analog.
Analoge Kodierung:
Wenn eine Leitung bestimmte Frequenzen gut überträgt, während die erforderliche Bandbreite für Rechteck-Signale nicht vorhanden ist, können diese Frequenzen zur Übertragung benutzt werden.
Das führt zu folgenden Modulationsarten:
- Frequenzmodulation
0 ist f1, 1 ist f2 mit derselben Amplitude - Amplitudenmodulation
0 ist Amplitude A1, 1 ist A2 mit derselben Frequenz - Phasenmodulation
0 ist kein Phasensprung, 1 ist Sprung mit derselben Frequenz und Amplitude
Es gibt noch weitere Modulationsarten.
Modem:
Zur Übertragung von Daten aus einer binären Welt über eine analoge müssen die Daten transformiert werden:
- Der Sender moduliert die binären Daten.
- Der Empfänger demoduliert die analogen Daten.
Das dafür notwendige Gerät heißt Modem als Zusammensetzung aus Modulator und Demodulator.
Da das Modem allein der Übertragung dient, wird es als DÜE (Datenübertragungseinrichtung) oder DCE (Data Communication Equipment) bezeichnet.
Die das Modem benutzenden Geräte heißen entsprechend DEE (Datenendeinrichtung) oder DTE (Data Terminal Equipment).
Übertragungssystem:
Bildbeschreibung "Übertragungssystem": Das Übertragungssystem besteht aus den beteiligten DÜE sowie dem Medium. Sie sind jeweils über eine mehradrige Schnittstelle mit einer DEE verbunden.
Ersatzschaltbild:
Das Ersatzschaltbild besteht aus einer Abstraktion sowie einer Ergänzung durch eine Störungsfunktion (um die Datenübertragungsfehler modellieren zu können).
Ein Ersatzschaltbild ist ein (mathematisierbares) Modell der Wirklichkeit:
Bildbeschreibung "Ersatzschaltbild": Sender (Quelle) sendet Nachricht an Empfänger (Senke). Der Umformer des Übertragungssystems nimmt die Nachricht entgegen und gibt sie auf das Medium. Von diesem nimmt sich der Rückformer die Nachricht und gibt sie an den Empfänger.
Nullmodem (Beispiel V.24):
Bildbeschreibung "Nullmodem": Beispiel V.24.
Eine V.24 hat eine 25-polige Schnittstelle zwischen DEE und DÜE, wobei der Draht 2 für die Sendedaten und 3 für die Empfangsdaten definiert ist.
Eine DEE sendet auf 2, während eine DÜE auf 2 empfängt; eine DEE empfängt auf 3, währende eine DÜE auf 3 sendet. So können beide passend zusammenarbeiten.
Zwei DEE können daher nicht über eine V.24 verbunden werden, da beide auf 2 senden und von 3 empfangen. Ein Nullmodem ist eine Drahtverbindung mit vertauschten Leitungen.
Crossover-Kabel:
Das "Nullmodem" beim LAN, speziell dem Ethernet, nennt sich Crossover-Kabel. Es realisiert dasselbe Prinzip: das Vertauschen von Drahtpaaren.
Auch wenn beim Ethernet nicht von DEE und DÜE gesprochen wird: die DEE ist der Computer, die DÜE der Hub bzw. Switch jedenfalls wenn dies als Metapher verstanden wird.
Kodierung von Audiosignalen:
Ein Modem wandelt ein binäres Signal in ein analoges und wieder zurück. Was fehlt ist, die Digitalisierung von Audio bzw. Video-Information.
Pulse Code Modulation:
PCM = Kontinuierliches Abtasten. Messen der zu digitalisierenden Kurve und Kodieren des gemessenen Werts auf der Sendeseite sowie Wiederherstellen der gemessenen Werte auf der Empfangsseite.
Es gibt verschiedene PCM-Verfahren, wobei hier nur das Prinzip vorgestellt wird.
Anwendungen:
- Digitale Telefonie (ISDN)
- CD-DA
- DAT (Digital Audio Tape)
- Digitale Videokamera
Bildbeschreibung "Pulse Code Modulation": Kontinuierliches Abtasten. Abbilden des Digitalisierens und Analogisierens. Ausführliche Beschreibung nachfolgend.
Digitalisieren:
- In einem festen Zeitraster werden Abtastungen pro Sekunde (Sampling Rate) durchgeführt, die den Spannungswert der Kurve messen.
- Die Spannungswerte werden entsprechend den diskreten Intervallen gerundet.
- Die Nummer des Intervall ergibt den Kodierungswert.
- Die kontinuierlich gemessenen Kodierungswerte werden sequentiell übertragen.
Analogisieren:
Die empfangenen Kodierungswerte werden Spannungswerten zugeordnet, die schnell genug erzeugt werden. Das Ergebnis ist eine rechteckförmige Kurve.
Wahl der Abtastfrequenz:
Wird zu wenig abgetastet, gibt es zu große Verzerrungen (bei
niedriger Übertragungsrate).
Wird zu häufig abgetastet, wird eine hohe
Übertragungsrate benötigt.
Nach dem Abtasttheorem von Nyquist (Harry Nyquist, 1928) muss mindestens mit der doppelten Grenzfrequenz (höchster Frequenzanteil) des zu digitalisierenden Signals abgetastet werden.
Beispiel Telefonverbindung:
- Höchste Frequenz 4 KHz (aufgerundet von 3,1 KHz)
- Abtastrate von 8 KHz
- 256 Stufen, kodiert in einem Byte
- d.h. 8.000 byte/s = 64.000 bit/s
| Technik | Kanäle | Abtastrate | Bits pro Abtastung |
|---|---|---|---|
| CD-Audio | 2 | 44,1 KHz | 16 |
| DAT | 2 | 48 KHz | 16 |
| ISDN | 1 | 8 KHz | 8 |
| Digitales Radio, Long Play DAT | 2 | 32 KHz | 16 |
Synchronität
Synchronität:
Zeitliche Abstimmung verschiedener (entfernter) Komponenten, z.B. Computer oder DÜE.
Zur erfolgreichen Übertragung ist Synchronität zwischen Sender und Empfänger notwendig; dabei werden die beteiligten Taktgeneratoren zeitlich aufeinander abgestimmt.
Da es bei der Datenkommunikation per Definition keinen gemeinsamen Takt gibt (im Gegensatz zu den rechnerinternen Bussen), muss immer explizit synchronisiert werden.
Das Problem der Synchronität ist grundsätzlicher Art; es taucht auf allen Ebenen der Datenkommunikation auf, aber auch in der Arbeitswelt (Prozessmodellierung, Groupware).
Synchrone Übertragung
Um die niedrige Effizienz der asynchronen Übertragung (Start/Stop-Betrieb) zu verbessern, werden die Pausen sowie die Start- und Stop-Bits, die der Synchronisation dienen, weggelassen bzw. verkürzt und versucht ununterbrochen synchron zu sein.
Dazu werden permanent Bytes mit der Bedeutung von "Nichts", aber mit der Aufgabe der Synchronisation ausgetauscht.
Ist etwas zu senden, so wird es innerhalb eines Pakets getan, um anschließend wieder Synchronisationszeichen auszutauschen oder mit dem nächsten Paket weiter zu machen.
Paket:
Bildbeschreibung "Paket": Vom ersten zum letzten Bit besteht ein Paket aus Header (z.B. Synchronisationsinformation, Adress-Information, Pakettyp-Angabe), Body (Daten) und Trailer.
- Paket = Protocol Data Unit = PDU = Separierter Block von Daten, meistens 1..1,5 Kbytes lang
- Datenpaket = Paket mit Nutzdaten
- Header = Kopf mit Verwaltungsinformation, z.B. Nummer
- Trailer = Nachspann mit Daten zur Fehlererkennung
- Trailer sind optional
- Die Paketstruktur wird auch bei der Plattenformatierung benutzt.
Synchrone Übertragung:
Bildbeschreibung "Synchrone Übertragung": SYN, SOH, Kopf, STX, Text, ETB, BCC, SYN.
- SOH: Anfang des Kopfes (Start of Header)
- STX: Anfang des Textes; wenn ein Kopf vorangeht, Ende des Kopfes (Start of Text)
- ETB: Ende des Textes (End of Block)
- BCC: Block Check Character
Das Byte SYN dient der Synchronisation (Füllen der Übertragungspausen).
Zwischen SOH und STX ist der Kopf, dann folgt bis zum ETB der Körper (Daten, Text), dem dann mit dem BCC der Trailer folgt.
Die Zeichen SYN, SOH, STX und ETB entstammen dem ASCII-Zeichensatz (niedrige Werte).
Isochrone Übertragung
Steigerung der synchronen Übertragung ist die isochrone:
- Eine Übertragung ist dann isochron, wenn der zeitliche Abstand der einzelnen Signale eines kontinuierlichen Datenstroms während der Übertragung erhalten bleibt. Kein Bit kann ein anderes "einholen" oder hinter ein anderes zurückfallen.
- Anwendung: Audio- und Video-Datenströme, die ohne Zwischenspeicherung erzeugt und verarbeitet werden, z.B. Telefonie oder Videoübertragung.
Bemerkung:
In der Literatur wird isochron häufig dadurch definiert, dass ein gleicher zeitlicher Abstand zwischen den Signalen vorhanden ist. Dies ist jedoch während jeder Übertragung gegeben (Synchronität der Takte).