Inhalt:
Prinzip der Datenübertragungssysteme
Übertragungsmedien
Übertragungsverfahren
Schnittstellen, Protokolle
OSI/ISO Referenzmodell
TCP/IP- Protokollfamilie
Kommunikationsnetze: Festnetze
Online-Dienste
Internet
Rechnernetze: Netzwerktopologie, Kopplungseinheiten
Client/Server-Modell
Prinzip der Datenübertragungssysteme
Datenstation Übertragungsweg Datenstation
Schnittstellen
Jedes Datenübertragungssystem wird von (mindestens) zwei Datenstationen gebildet, die durch einen Übertragungsweg, allgemeiner eine Kommunikationseinrichtung, miteinander verbunden sind.
Jede Datenstation besteht nach DIN 44302 aus
- der Datenendeinrichtung (DEE) und
- der Datenübertragungseinrichtung (DUE).
Zwischen Datenendeinrichtung und Datenübertragungseinrichtung liegt eine Schnittstelle (DIN 66020 und DIN 66021). Die die Übertragung betreffenden Aufgaben der Datenendeinrichtung und der Datenübertragungseinrichtung ergeben sich aus den Ubertragungsverfahren.
Die Datenendeinrichtung ist ein Gerät, das
- Daten senden (Datenquelle = Ursprung der Daten) und/oder
- Daten empfangen (Datensenke = Bestimmungsort der Daten)
kann. Typische Datenendeinrichtungen sind Bildschirme, Drucker, Datenkassen, Geldausgabeautomaten usw. Im Regelfall ist bei jedem Datenübertragungssystem mindestens eine der beteiligten Datenendeinrichtungen ein Rechner. Sind mindestens zwei Datenendeinrichtungen Rechner, liegt ein Rechnernetz vor.
Die Datenübertragungseinrichtungbesteht aus
- dem Signalumsetzer und
- der Anschalteinheit.
Je nach Gerät kann noch eine Synchronisiereinheit hinzukommen. Die Datenübertragungseinrichtung übernimmt die Anpassung der von der Datenendeinrichtung abgegebenen Signale an den Übertragungsweg.
Unter einem Übertragungsweg versteht man die Verbindung von zwei Datenstationen durch Leitungen, auf denen codierte Informationen durch elektrische oder optische Signale oder durch elektromagnetische Wellen übermittelt werden. Als physikalische Leitungen (Übertragungsmedien) kommen
- Kabelverbindungen, und zwar Telefonkabel oder Koaxialkabel (beides Kupferkabel) sowie Lichtwellenleiterkabel (Glasfaserkabel), und
- Funkverbindungen, und zwar terrestrischer (erdgebundener) Funk oder Satellitenfunk,
in Betracht.
Telefon- und Koaxialkabel
übertragen elektrische Signale. Telefonkabel (twisted pairs) sind Doppeladerkabel in Form von (abgeschirmten oder nicht abgeschirmten) verdrillten oder symmetrischen Fernmeldekabeln. Sie lassen sich einfach verlegen, sind aber anfällig gegen elektrische Störungen und nicht abhörsicher. Koaxialkabel sind dagegen sicherer gegenüber Störungen, jedoch (wegen der schlechten Biegbarkeit) nur aufwendig zu verlegen und ebenfalls nicht abhörsicher. Sie ermöglichen höhere Übertragungsleistungen als Telefonkabel.Lichtwellenleiterkabel
übertragen optische Signale (Lichtsignale). Die an den Datenstationen entstehenden elektrischen Signale (Impulse) müssen vor der Übertragung durch sogenannte elektro-optische Signalumwandler in Lichtsignale umgewandelt werden. Lichtwellenleiterkabel sind nicht durch elektromagnetische Felder zu beeinflussen, abhörsicher, haben kleinere Abmessungen und geringeres Gewicht und sind daher leichter zu verlegen. Sie bieten extrem hohe Übertragungsleistungen bei niedrigen Fehlerraten.Terrestrische Funkverbindungen
haben nur eine begrenzte Reichweite. Zwischen festen Teilnehmern werden sie als Richtfunkverbindungen (mit hoher Abhörsicherheit) eingerichtet. Sollen mobile Teilnehmer erreicht werden (Mobilfunk), sind sie als "zellulare" Funknetze aufgebaut, wobei innerhalb jeder Zelle über eine Vermittlungsstelle (Basisstation) der Anschluß an eine Kabelverbindung hergestellt wird.
Zeichenübertragungsverfahren
Man unterscheidet hierbei Verfahren mit
- bitserieller Übertragungsbreite und
- bitparalleler Übertragungsbreite.
Bitserielle Übertragung
bedeutet, daß alle Zeichen bitweise nacheinander auf einem Kanal übertragen werden. Dagegen werden bei bitparalleler Übertragung alle Bit eines Zeichens gleichzeitig auf mehreren Kanälen übertragen. Unter der Übertragungsgeschwindigkeit oder Übertragungsrate versteht man die Anzahl der pro Sekunde übertragenen Bit.Da die bitparallele Übertragung teure vieladrige Kabel benötigt und außerdem wegen der (Schritt-)Verzerrungen, die durch ungleiche Übertragungszeiten der einzelnen Bit auf den verschiedenen Kanälen entstehen, nur für niedrige Übertragungsraten in Betracht kommt, dominiert die bitserielle Übertragung. Weil die Daten zeichenweise, im allgemeinen byteweise verarbeitet werden, muß vor dem Senden eine Umsetzung von der bitparallen (zeichenweisen) auf die bitserielle Darstellung stattfinden.
Die Frequenz, mit der die Signale übertragen werden, wird als Taktgeschwindigkeit (Schrittgeschwindigkeit) bezeichnet und in Baud gemessen. Die Übertragungsrate ergibt sich aus der Schrittgeschwindigkeit multipliziert mit der Anzahl der pro Takt übertragenen Bit. Gegenwärtig sind Übertragungsraten bis ca. 150 MBit/s bei Telefon-, bis ca. 500 MBit/s bei Koaxial- und bis ca. 10 GBit/s bei Glasfaserkabeln möglich.
Die Übertragungsleistung läßt sich bei gleicher Übertragungsrate mit Hilfe der Datenkompression noch erhöhen.
Die Datenübertragungseinrichtung hat zwei Aufgaben, und zwar
- die von der Datenendeinrichtung gelieferten Zeichen in Signale, d.h. in physikalische Größen zu übersetzen, die dann über die Leitung übertragen werden (Signalumsetzung), und
- die elektrische Anschaltung an das jeweilige Netz vorzunehmen.
Ein Signal ist eine physikalisch meßbare Veränderung (z.B. Ton, Lichtzeichen, Stromstoß).
Signalübertragungsverfahren
Als Signalübertragungsverfahren kommen
- das analoge Übertragungsverfahren oder
- das digitale Übertragungsverfahren
in Betracht. Je nach Übertragungsverfahren sind unterschiedliche Geräte oder Einbauten in der Datenendeinrichtung erforderlich.
Beim analogen Übertragungsverfahren, das im Telefonnetz Verwendung findet, werden elektrische Schwingungen übertragen. Das zugehörige Gerät heißt Modem (Abkürzung für Modulator/Demodulator). Für die Übertragung übersetzt das Modem die beiden binären Zeichen 0 und 1 in zwei verschiedene analoge Signale. Technisch sind Modems separate Geräte oder Einsteckmodule in die Datenendeinrichtung (z.B. bei Faxgeräten).
Beim digitalen Übertragungsverfahren werden elektrische Impulse (kurze Stromstöße) übertragen, in die die zu übertragenden Bit durch geeignete Codierung umgewandelt werden. Die digitale Übertragung wird für die Datenübertragung beim Telexnetz, bei den Datex-Netzen und bei den Datendirektverbindungen verwendet, beim ISDN auch für die Sprachkommunikation.
Gleichlaufverfahren
Die Taktübereinstimmung zwischen der sendenden und der empfangenden Datenendeinrichtung besorgt die Synchronisiereinheit, die je nach Gerät entweder zur Datenendeinrichtung oder zur Datenübertragungseinrichtung gehört. Der eigentlichen Nachricht werden Synchronisierzeichen beigefügt. Man unterscheidet zwischen
-
asynchroner Übertragung und- synchroner Übertragung.
Bei der asynchronen Übertragung wird der Gleichlauf der Zeitraster des Senders und des Empfängers nur für jeweils ein Zeichen (Byte) hergestellt. Dazu wird jedes zu übertragende Zeichen mit einem vorangehenden Startbit und einem oder zwei abschließenden Stopbit versehen (Start-/Stop-Übertragung). Die Zeichen einer Zeichenfolge können in willkürlichen Zeitabständen übertragen werden.
Bei der synchronen Übertragung werden geschlossene Zeichenfolgen von Zeichen, die sich lückenlos aneinanderreihen, übertragen (512 Bit oder ein Vielfaches). Durch vorangehende und abschließende Steuerzeichen (Synchronwörter) wird der Gleichlauf der Zeitraster für die Dauer der gesamten Übertragung hergestellt. Sender und Empfänger sind also für die Dauer der Übertragung der gesamten Zeichenfolge synchronisiert. Gegenüber der asynchronen Übertragung entfallen Start- und Stopbit für jedes einzelne Zeichen. Voraussetzung für die synchrone Übertragung sind Pufferspeicher in den Datenendeinrichtungen (gepufferte Datenstationen). Bei gleicher Übertragungsgeschwindigkeit hat die synchrone Übertragung wegen der geringeren Anzahl von Steuerzeichen eine höhere effektive Übertragungsleistung als die asynchrone Übertragung.
Eine wichtige Rolle bei der Datenübertragung spielen die Schnittstellen oder Übergabestellen zwischen den Datenendeinrichtungen der Teilnehmer und den Datenübertragungseinrichtungen bzw. Übertragungswegen der Anbieter von Netzen. Nach DIN 44302 gehören bei der Datenübertragung zu einer Schnittstelle alle Festlegungen über
- die physikalischen Eigenschaften der Schnittstelle,
- die Bedeutung der an der Schnittstelle ausgetauschten Signale und
- die gegenseitige Abhängigkeit der ausgetauschten Signale.
Die physikalischen Eigenschaften gliedern sich in mechanische Eigenschaften (z.B. Steckerabmessungen, -befestigungen, Kontaktbelegungen) und elektrische Eigenschaften (z B. Signalform, Leitungseigenschaften) Zur Bedeutung der Signale gehört u.a. der Aufbau von Befehlen und Meldungen. Der Signalaustausch betrifft u.a. die Richtung der Signale und die Reihenfolge der Bit.
ITU-TSS gibt - in Fortsetzung der Arbeit des CCITT - unter der Bezeichnung ITU-TS Empfehlungen für Normen heraus, die in (durch Großbuchstaben gekennzeichnete) Serien eingeteilt sind. Die bekanntesten Serien sind
- Serie V für das (analoge) Telefonnetz und
- Serie X für (digitale) Datennetze.
Die wichtigsten Empfehlungen sind
V.24: Serielle Schnittstelle für die analoge Übertragung. Genormt in DIN 66020. Anwendung bei der Verbindung zwischen Datenendgerät und Modem. Entspricht der US-Norm RS 232.
X.21: Schnittstelle zwischen DEE und DUE für synchronen Betrieb in Datennetzen.
X.25: Schnittstelle zwischen DEE und DUE für Paketvermittlung.
Speziell für Modems gelten die Empfehlungen V.21 (300 Bit/s), V.22 (1.200 Bit/s), V.32 (9.600 Bit/s) und V.34 (28.000 Bit/s). Weitere Empfehlungen gibt es für Schnittstellen, die in der Bürokommunikation eine Rolle spielen, z.B. X.400 und X.500
Der Ablauf jeder Übertragung besteht aus den fünf Phasen
- Verbindungsaufbau,
- Aufforderung zur Übertragung,
- Übertragung,
- Beendigung der Übertragung und
- Verbindungsauflösung.
Die Ablaufsteuerung ist Aufgabe der Datenendeinrichtung.
Neben Festlegungen über Schnittstellen und Übertragungsverfahren müssen Vereinbarungen über den organisatorischen Ablauf jeder Übertragung getroffen werden, insbesondere über die verwendeten Datenformate und Kommandos. Solche Kommunikationsvereinbarungen heißen Protokolle.
Generell enthalten Protokolle Absprachen über den Aufbau, die Überwachung (anhand von Fehlermeldungen) und den Abbau von Verbindungen.
Ziel aller Standardisierungsbemühungen sind offene Kommunikationssysteme (OSI = 0pen System Interconnection), d h. Kommunikationsmöglichkeiten zwischen unterschiedlichen Rechnern, Betriebssystemen, Netzwerkmodellen usw. Die internationale Normungsorganisation ISO hat dazu 1983 eine Rahmenempfehlung, das sogenannte ISO-Referenzmodell, aufgestellt, das seit 1991 in DIN ISO 7498 genormt ist.
Das Referenzmodell unterscheidet drei Grundelemente, und zwar
- Anwendungsinstanzen, zwischen denen Kommunikation stattfindet (z.B. Benutzer an Datenstationen, Programme auf DV-Anlagen),
- offene Systeme in Form von Endsystemen als Gesamtheit von Anwendungsinstanzen oder von Transitsystemen als Verbindungen zwischen Endsystemen und
- (physikalische) Übertragungsmedien.
Die Schichten im OSI/ISO Referenzmodell
1) Physikalische Schicht
(physical layer): Ungesicherte Übertragung von Bitfolgen über eine Übertragungsstrecke ("Bit-Übertragungsschicht"), Vereinbarungen über Schnittstelle, Übertragungsgeschwindigkeit, Zeichenübertragungsverfahren, Gleichlaufverfahren;2) Sicherungsschicht (link layer): Sicherung der Schicht 1, d.h. fehlergesicherte Übertragung (Fehlererkennung und -behebung) durch Blöcke aus Bitfolgen und Kontrollinformationen;
3) Vermittlungsschicht (network layer): Auf- und Abbau des gesamten physikalischen Übertragungsweges zwischen Datenendgeräten aus gekoppelten Teilstrecken (Anwählen des Teilnehmers, Bestätigung der Empfangsbereitschaft u.a.);
4) Transportschicht (transport layer): Steuerung und Überwachung der logischen Verbindung zwischen Sender und Empfänger ("end to end"), Vollständigkeitskontrollen (insbesondere bei Paketvermittlung);
5) Kommunikationssteuerungsschicht (session layer): Festlegung der Komrnunikation zwischen den Teilnehmern in Form von Sitzungen (d.h. Steuerung des Dialogs vom Beginn bis zur Beendigung der Übertragung);
6) Darstellungsschicht (presentation layer): Festlegung der Bedeutung ausgetauschter Daten (Codes, Verschlüsselungen, Sprache, Grafik);
7) Anwendungsschicht (application layer): Definition erlaubter Anwendungen (Datenbankabfrage, Buchung, Rechnernutzung, Prüfung von Zugangsberechtigungen).
Für das Verständnis des ISO-Referenzmodells ist wichtig, daß die eigentliche Übertragung ausschließlich auf Schicht 1 (genauer: auf physikalischen Leitungen unterhalb von Schicht 1) erfolgt. Die Kommunikationsvereinbarungen (Protokolle) verlaufen horizontal, die Kommunikation selbst vertikal und nur in Schicht 1 horizontal.
Zur Veranschaulichung kann der folgende, auf ein ähnliches Beispiel von TANENBAUM zurückgehende Vergleich für ein Modell mit fünf Schichten A bis E dienen.
Zwei Angler in Deutschland und Norwegen vereinbaren, ihre Erfahrungen auszutauschen (Festlegung der Anwendung in der obersten Schicht E). In der nächstliegenden Schicht D wird vereinbart, daß der Erfahrungsaustausch in Englisch erfolgen soll (Festlegung der Sprache). In der darunterliegenden Schicht C wird festgelegt, daß der Erfahrungsaustausch per Briefpost erfolgen soll (Festlegung des Transportmittels). In der nächstniedrigeren Schicht B einigen sich die Partner, vor dem Absenden jeweils eine Kopie anzufertigen (Festlegung von Sicherungsmaßnahmen). In der untersten Schicht A erfolgt dann schließlich die Übertragung auf dem Postweg. Die darüberliegenden Schichten dienen also immer nur für Vereinbarungen, jedoch nicht für die physikalische Übertragung. Mit der Ausführung könnten (symmetrisch) in Schicht D Dolmetscher, in Schicht C Techniker, in Schicht B Kopieranstalten und in Schicht A die Postverwaltungen der beiden Länder beauftragt werden.
