Telekommunikation

Die Bitübertragungsschicht stellt mechanische, elektrische und weitere funktionale Hilfsmittel zur Verfügung, um physische Verbindungen zu aktivieren bzw. deaktivieren, sie aufrechtzuerhalten und Bits darüber zu übertragen. Das können zum Beispiel elektrische Signale, optische Signale (Lichtleiter, Laser), elektromagnetische Wellen (drahtlose Netze) oder Schall sein. Auf der Bitübertragungsschicht wird die digitale Bitübertragung auf einer leitungsgebundenen oder leitungslosen Übertragungsstrecke bewerkstelligt.

Ein Signal ist die physikalische Darstellung von Daten.

Information --> Daten --> Signal

                 Abstrakt              Physikalisch

1.        Damping (Dämpfung/Reduktion des Signals)
2.        Signal distortion (Verzerrung/Veränderung des Signals)
3.        Noise (Rauschen)

signal ( t ) = a x sin ( f x ( t + p ) x 2  )

a = amplitude

f = frequency

p = phase

Die Bandbreite ist eine Kenngröße in der Signalverarbeitung, die die Breite des Intervalls in einem Frequenzspektrum festlegt, in dem die dominanten Frequenzanteile eines zu übertragenden oder zu speichernden Signals liegen. Die Bandbreite ist durch eine untere und eine obere Grenzfrequenz charakterisiert, wobei je nach Anwendung unterschiedliche Festlegungen der beiden Grenzwerte existieren und somit je nach Zusammenhang unterschiedliche Bandbreiten als Kennwert existieren. Die Grenzfrequenz wird üblicherweise in Hertz (Hz) gemessen.

Der Manchester-Code ist ein Leitungscode, der bei der Kodierung das Taktsignal erhält. Dabei moduliert eine Bitfolge binär die Phasenlage eines Taktsignals. Anders ausgedrückt tragen die Flanken des Signals die Information.

Es gibt für den Manchestercode zwei mögliche und gleichwertige Definitionen, wie auch in der Abbildung dargestellt:

1. Eine fallende Flanke bedeutet in der Codedefinition nach G.E. Thomas eine logische Eins, eine steigende Flanke eine logische Null.
2. In der Codedefinition nach IEEE 802.3, wie sie bei 10-MBit/s-Ethernet verwendet wird, bedeutet eine fallende Flanke eine logische Null und eine steigende Flanke eine logische Eins.

Multiplexverfahren sind Methoden zur Signal- und Nachrichtenübertragung, bei denen mehrere Signale zusammengefasst (gebündelt) und simultan über ein Medium übertragen werden (ähnlich mehrspurige Strasse).

1. Time multiplexing

2. Frequency multiplexing

Beim Zeitmultiplexverfahren (TDM für Time Division Multiplex oder TDMA für Time Division Multiple Access) werden in bestimmten Zeitabschnitten die Signale verschiedener Sender auf einem Kanal übertragen (ähnlich einer Kreuzung mit Amplen).

- synchron (fester Zeitabschnitt)

- asynchron (wenn zugeteilter Zeitabschnitt ungenutzt bleibt, wird dieser durch ein anderes Medium belegt)

Frequenzmultiplexverfahren ist ein Multiplexverfahren, bei welchem gleichzeitig mehrere Signale auf mehrere Träger verteilt übertragen werden können. Die Träger sind mehreren unterschiedlichen Frequenzen zugeordnet, weswegen auch der Begriff Frequenzmultiplex verwendet wird.

1. elektrisch (Telefon-/Koaxial-Kabel)

2. optisch (Laser)

3. Radiowellen (Funk)

4. akustisch (Stimme, AM/FM)

Aufgabe der Sicherungsschicht ist es, eine zuverlässige, das heißt weitgehend fehlerfreie Übertragung zu gewährleisten und den Zugriff auf das Übertragungsmedium zu regeln.

1. Falsches Bit (ein- oder mehr-bit Fehler)

2. Verlorene oder hinzugefügte Bits (Burstfehler)

1. Distanz zwischen Code Wörtern (Hamming-Distanz)

2. Redundanzprüfung (Paritätbits, Checksummen)

Der Hamming-Abstand d ist ein Mass für die Unterschiedlichkeit von Zeichenketten. Der Hamming-Abstand zweier Blöcke mit fester Länge (so genannter Codewörter) ist dabei die Anzahl der unterschiedlichen Stellen.

1-Bit-Fehler: d = n+1

2-Bit-Fehler: d = 2n+1

m + r + 1 ≤ 2^r

^{m = Anzahl Bits des Codes}

^{r = Anzahl Kontrollbits}

1. alle Bits nummerieren

2. Kontrollbits an den Stellen der Zweierpotenz einfügen (2⁰=1, 2¹=2, 2²=4, 2³=8, etc.)

3. Kontrollbits ausrechnen

P₁ = use 1 skip 2 use 3 skip 4 etc.

P₂ = use 2, 3 skip 4, 5 use 6, 7 etc.

P₄ = use 4, 5, 6, 7 skip 8, 9, 10, 11 etc.

usw.

dann Werte addieren, wenn gerade = 0, wenn ungerade = 1

Sender:

1. r - 1 Nullen anhängen (r = Anzahl Bits des Divisors)

2. Polynomdivision

3. Erhaltenen Rest an Bitfolge anhängen (FCS)

Empfänger:

1. Divisor bestimmen (z.B. 1x³ + 1x² + 0x¹ + 1x⁰ = 1101)

2. Polynomdivision

2. Wenn kein Rest = ok, wenn Rest = fehlerhaft

Protokoll:

- techn. Spezifikation für Kommunikation (z.B. Wörterbuch)

- regelt Austausch zw. zwei gleichrangigen Schichten

Dienst:

- Dienstleistung einer Schicht, welche sie der übergeordneten Schicht bietet

- Es unterteilt die Netzkommunikation in kleinere, einfacher zu handhabende und leichter verständliche Teile.

- Es standardisiert Netzkomponenten, um die Entwicklung und Unterstützung durch verschiedene Hersteller zu ermöglichen.

- Es ermöglicht die Kommunikation zwischen unterschiedlicher Netzhardware und –software.

- Es verhindert, dass Änderungen auf einer Schicht die übrigen Schichten beeinflussen.

Medium/Media Access Control

Sie wird benötigt, weil ein gemeinsames Medium nicht gleichzeitig von mehreren Rechnern verwendet werden kann, ohne dass es zu Datenkollisionen und damit zu Kommunikationsstörungen oder Datenverlust kommt.

1. fix (bestimmtes zugeteiltes Zeitfenster)

2. variabel (zentral oder dezentral)

1. CSMA

2. CSMA/CA und CSMA/CD

Carrier Sense Multiple Access bezeichnet ein dezentrales, asynchrones Verfahren zum Erlangen des Zugriffsrechts nach dem Konkurrenzverfahren. Ein Netzwerksystem sendet lediglich Daten, wenn kein anderes System gerade sendet, ansonsten wartet es bis das andere fertig ist.

Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection bezeichnet ein asynchrones Verfahren, das den Zugriff verschiedener Stationen auf ein gemeinsames Übertragungsmedium regelt. Verwendung findet CSMA/CD beispielsweise im Bereich der Computernetze beim Ethernet. Zusätzlich zum CSMA-Verfahren überwacht der Sender die gesendeten Daten um Kollisionen zu entdecken. Bei einer Kollision wird nach dem Back-off Algorythmus eine gewisse Zeitspanne abgewartet, bis ein neuer Versuch gestartet wird.

Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance bezeichnet ein Prinzip für die Kollisionsvermeidung bei Zugriff mehrerer Netzwerkstationen auf dasselbe Übertragungsmedium. Es wird häufig unter anderem bei drahtlosen Netzwerken (WLANs) eingesetzt. Der Sender sendet nur wenn das Medium frei ist, da:

1. Hidden Station Problem (Empfänger ist in Reichweite zweier Sender)

2. Exposed Station Problem (Empfänger liegt nicht in Reichweite des jeweis anderen Senders --> Bremsen)

1. Präambel (0,1,0,1,... Synchronisierung)

2. Empänger-/Sender-Adresse (MAC-Adresse)

3. Länge der Daten

4. FCS bzw. CRC

1. Transmission Delay

Verzögerung beim Sender, wenn die Daten auf das Übertragungsmedium gelegt werden bzw. Verzögerung beim Empfänger, beim Lesen der Daten vom Übertragungsmedium

2. Propagation Delay

Ausbreitungsverzögerung, Begrenzung der (Signal-) Ausbreitungsgeschwindigkeit, hängt von Übertragungsmedium ab

3. Queueing Delay

Warteschlange bei Sender oder Zwischensystemen, z.B. wenn mehrere Pakete auf dieselbe Leitung müssen oder wenn mehrere Systeme auf dasselbe Übertragungsmedium zugreifen (bspw. Ethernet)

Die Vermittlungsschicht sorgt für das Schalten von Verbindungen und für die Weitervermittlung von Datenpaketen. Die Datenübertragung geht in beiden Fällen jeweils über das gesamte Kommunikationsnetz hinweg und schließt die Wegesuche (Routing) zwischen den Netzwerkknoten ein.

- Bereitstellen netzwerkübergreifender Adressen

- Routing bzw. Aufbau und die Aktualisierung von Routingtabellen

- Fragmentierung von Datenpaketen

- ARP, IP, ICMP

1. Zentralisiertes Routing (Centralized)

2. Dezentralisiertes Routing (Decentralized)

3. Isoliertes Routing (Isolated)

4. Statisches Routing (Static)

5. Dynamisches/adaptives Routing (Dynamic/adaptive)

1. Router müssen eine aktuelle Übersicht über das Netzwerk haben

2. Die Netzwerkbelastung, welche der Router verursacht, soll minimal sein

Die Routing-Tabellen werden von einem zentralen Router (RCC) berechnet und aktualisiert.

+ übrige Router müssen keine Berechnungen anstellen --> Performance

- Berechnungen des RCC dauern für grosse Netzwerke sehr lange

- Ausfall des RCC lähmt das gesamte Netzwerk

Beim dezentralisierten oder hierarchischen Routing werden grosse Netzwerke in kleine Regionen mit eigenen Routern aufgeteilt. Je ein Router muss dabei mit einer anderen Region verbunden sein (vgl. Internet)

Damit Routing Tabellen nicht zu gross werden (vgl. dynamisches Routing) Interior Gateway Protocol (IGP) und Exterior Gateway Protocol (EGP)

+ Anpassungsfähig, einfache Problembehebung, geringer Verwaltungsaufwand, unabhängig und somit ausfallsicherer

- Kann zu ineffizienten Weglängen führen

Jeder Router entscheidet aufgrund der Informationen, die er selber sammelt. Es findet kein Austausch statt (vgl. Hot Potato, Flooding)

+ stabil, einfach, wenig Verwaltungsaufwand

- wenig anpassungsfähig, kann zu sehr ineffizienten Weglängen führen