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Übertragungsmedien für Weitverkehrsnetze

Datex-Netz

DATEX-L

DATEX ist eine Abkürzung für "Data Exchange" (Datenaustausch). Das L sagt aus, daß es sich um ein leitungsvermitteltes Netz handelt, d. h. es wird ein Leitungsweg zwischen zwei Kommunikationspartnern zur Verfügung gestellt. Beide Partnerstationen müssen in Datenrate, Code und Protokoll übereinstimmen. Der Vorteil gegenüber dem Telefonnetz liegt im schnellen Verbindungsaufbau (0.4 - 1 Sekunde). Da heute Datex-L keine Vorteile mehr gegenüber ISDN hat, ist Datex-L ein auslaufendes Modell.

DATEX-P

Das P steht für "Paket-Vermittlung". Die Daten werden in Form genormter und mit Adressinformation versehener Datenblöcke (Datenpakete) übertragen. Stationen, die nicht zur Paketübertragung in der Lage sind, werden über einen Umsetzer (PAD = Packet Assembly Disassembly) versorgt. Die angeschlossenen Stationen können mit unterschiedlichen Datenraten arbeiten. Die Paketübertragung selbst erfolgt im Netz mit 64 KBit/s, wobei derzeit das Netz auf 1,92 MBit/s ausgebaut wird. Jedes Datenpaket wird auf dem günstigsten Weg ohne Rücksicht auf die logische Reihenfolge übertragen. Zwischen zwei über DATEX-P verbundenen Partnern können u. U. meherere Übertragungswege existieren. Beim Empfänger wird die korrekte Reihenfolge der Pakete wiederhergestellt.

Fernsprechnetze und ISDN

Das Fernsprechnetz ist das mit Abstand am weitesten ausgebaute Weitverkehrsnetz. Es dient vor allem zur Übertragung von Telefongesprächen, aber auch für die Datenkommunikation. Das Telefonnetz ist ein Beispiel für ein Leitungsvermitteltes Netz. Jedem Verbindungskanal steht eine Bandbreite von 64 kBit/s zur Verfügung. Auf analogen Leitungen (Modem) wird diese Grenze allerdings nicht erreicht. Die Datenrate kann hier bei bester Leitungsqualität bis zu 56 kBit/s betragen. Bei einem Zugang über eine Mobilfunkstrecke ist die Bandbreite allerdings noch geringer.

ISDN steht für "Integrated Services Digital Network" = diensteintegrierendes Netz (Siehe auch Näheres im Modem-Skript). Der ISDN-Basisanschluß bietet 2 Kanäle mit einer Bandbreite 64 kBit/s pro Kanal. Aufgrund der digitalen Übertragungsweise steht diese durchgehend zur Verfügung. Neben den beiden Basiskanälen steht noch der Signalisierungskanal (D-Kanal) mit 16 kBit/s zur Verfügung. Dieser wird nur für die Signalisierung genutzt, während die beiden B-Kanäle der eingentlichen Datenübertragung dienen. Neben dem Standardanschluß mit 64 kBit/s wird noch der ISDN-Primärmultiplexanschluß (PMxA) PMxA angeboten, der eine Bandbreite von 2 MBit/s bietet. Der PMxA hat 30 B-Kanäle mit einer Datenrate von jeweils 64 kBit/s. Dazu kommt noch ein D-Kanal, der hier im Unterschied zum ISDN-Ba auch eine Datenrate von 64 kBit/s hat, sowie ein weiterer Kanal für Rahmenbildung und Rahmenerkennung mit einer Rate von ebenfalls 64 kBit/s.

Die Bandbreite für Modems ist selbst bei gutem Signal/Rausch-Abstand auf analogen Telefonleitungen ausgereitzt. Jedoch stellen die geringen Übertragungsraten kein Problem der Kupferadern des Telefonanschlusses bis zur Vermittlungsstelle dar. Das Problem liegt im Zusammenspiel aller beteiligten Komponenten des Netzes: Der Weg vom Anschluß zur Vermittlungsstelle, die Übertragungstechnik der Vermittlungsstellen untereinander und der Weg zu dem Anschluß der angewählt wurde. Ende der 80er Jahre hat man SDSL (Single Line Digital Subscriber Line) und HDSL (High Data Rate Digital Subscriber Line) entwickelt. So war es nun endlich möglich kostengünstige 2-MBit-Systeme anzubieten. HDSL hat einige Vorteile gegenüber SDSL: Drei- bis vierfache Leitungslänge ohne Regeneratoren durch Verwendugn eines andern Leitungsprotokolls und einer leistungsstarken Echokompensation. Außerdem verursacht HDSL relativ geringe Störungen der benachbarten Adern, diese können bei SDSL wegen der starken Einstrahlung kaum für andere Anwendungen (Telefonie) verwendet werden. ADSL (Asymetric Digital Subscriber Line) und VDSL (Very High Data Rate Digital Subscriber Line) wurden ebenfalls Anfang der 90er Jahre entwickelt, hierdurch wird noch mehr Bandbreite zur Verfügung gestellt.

Frame Relay

Aufgrund des immer breiteren Einsatzes von Glasfaserleitungen ist die Fehleranfälligkeit der Datenübertragung zurückgegangen. Die Rechenleistung der Endgeräte ist zudem mittlerweile genügend hoch, um auch Aufgaben der Flußsteuerung und Verbindungsüberwachung zu übernehmen. Aus diesem Grunde kann hier das Prinzip des "Fast Packet Switching" (schnelle Paketvermittlung) zum Einsatz kommen. Das Verfahren ist als "Frame Relay" standardisiert worden. Das Frame-Relay-Verfahren arbeitet mit Datenpaketen variabler Länge, die allerdings ohne Fehlerkorrektur vermittelt werden. Beim Frame-Relay Verfahren findet die Datenübertragung über virtuelle Verbindungen statt. Die zugehörigkeit eines Datenpaketes zu einer virtuellen Verbindung wird im Paketheader codiert. Hierfür ist das DLCI (Data Link Connection Identifier) Feld vorgesehen, das insgesamt 10 Bit breit ist. Insgesamt sind maximal 1024 virtuelle Verbindungen gleichzeitig möglich. Die Zahl der virtuellen Verbindungen wird durch die Anzahl der Bits im Paketheader, die zur Codierung einer Verbindung dienen begrenzt. Mit 10 Bit können demnach 210 = 1024 virtuelle Verbindungen dargestellt werden. Effektiv nutzbar sind allerdings nur 976 virtuelle Verbindungen, da einige DLCI für Sonderaufgaben reserviert sind.

Eine virtuelle Verbindung kann dauerhaft eingerichtete werden oder erst bei Bedarf aufgebaut und nachher abgebaut werden. Im Falle der dauerhaften Verbindung spricht man von einer "Permanent Virtual Circuit", abgekürzt PVC, anderenfalls von einer "Switched Virtual Circuit" (SVC). Die SVCs werden beispielsweise dann eingesetzt, wenn die Verbindung nur selten punktuell genutzt wird. Eine dauerhafte Verbindung würde in einem solchen Falle nur unnötige Kosten verursachen. Ein Beispiel hierfür ist z.B. die Anbindung von Telearbeitsplätzen an das Rechnernetz des Betriebes.

Das Frame-Relay-Verfahren ermöglicht zwar einen schnellen Datenaustausch in paktetvermittelten Datennetzen, doch die Übertragung von Sprache und anderen echtzeitkritischen Datenströmen kann hiermit nicht erfolgen. Bei der Übertragung eines Datenpaktes ist die Leitung für die Zeit der Übertragung blockiert; eine begonnene Übertragung eines Paketes kann nicht mehr unterbrochen werden. Aufgrund der variablen Größe der Datenpaktete bei Frame Relay kann die Übertragung daher eine längere Zeit inanspruch nehmen. Ein Weg dieses Problem zu lösen wäre es, die Datenpaketgröße drastisch zu reduzieren, wie es z.B. beim ATM-Verfahren festgelegt wurde.

Während das Datex-Netz bis zur Schicht 3 hinauf definiert ist, umfaßt der Standard von Frame-Relay nur noch die Schichten 1 und 2. Die Eigenschaften in Stichpunkten:

  • Paketorientiertes Protokoll mit variabler Paketlänge
  • Frames werden in derselben Reihenfolge Empfangen wie sie abgeschickt wurden, es ist also keine Zwischenspeicherung und Sortierung nötig.
  • Keine Empfangsbestätigung, keine Flußkontrolle (bleibt höheren Protokollen vorbehalten).
  • Fehlererkennung, aber keine Fehlerkorrektur.
  • Nur fehlerfreie Frames werden weitergeleitet.
  • Transparente Verbindung

FPS

FPS (fast packet switching) ist ein schneller Paketvermittlungsdienst, bei dem Rahmen fester Länge vermittelt werden. Die Rahmen werden auch als Zellen bezeichnet, man spricht von Zellenvermittlung (cell switching). ATM basiert auf FPS. FPS zeichnet sich durch eine variable Bandbreitenzuordnung aus. Nur die Informationen im Informationsteil (Header) der Zellen sind mit einer Fehlererkennung ausgestattet. Die Zellen werden wie bei ATM über virtuelle Verbindungen durch das Netz übertragen (zu virtuellen Verbindungen siehe 'ATM'). Zellen werden ununterbrochen generiert und übertragen, nicht belegte Zellen werden im Header als 'leer' gekennzeichnet.

ATM

ATM steht für asynchronous transfer mode = asynchrone Übertragungsart. Diese Hochgeschwindigkeits-Paketvermittlung wurde für Breitband-ISDN (B-ISDN) als Vermittlungstechnik entwickelt und ist für Daten, Sprache, Text und Bilder gleichermaßen geeignet. Es gilt als die Technologie der Zukunft. ATM basiert auf FPS (fast packet switching). Dabei werden die Daten zu Paketen zusammengefaßt und zum Ziel geroutet. Das zuständige Normungs- und Standardisierungsgremium ist nicht das IEEE, sondern das ATM-Forum. Im folgenden soll die Funktion von ATM vereinfacht dargestellt werden. ATM arbeitet verbindungsorientiert, d. h. vor der Übertragung muß eine Verbindung erst geschaltet werden. Wie bei der klassischen Telefontechnik wird die Verbindung "irgendwie" geschaltet; wenn der kürzeste Weg bereits ausgelastet ist, wird ein Ausweichweg verwendet (salopp gesagt: Wenn die Strecke Nürnberg-München ausgelastet ist, wird eben der Weg Nürnberg-Flensburg-München gewählt).

Im Kontrollfeld (Header) werden auch keine expliziten Quell- und Zieladressen angegeben, sondern ein virtueller Pfad und ein virtueller Kanal.
Ein virtueller Pfad (virtual path, VP) ist eine für kurze Zeit geschaltete Verbindung, die während ihrer Existenz so aussieht wie eine richtige Festverbindung (Standleitung). Dieser geschaltete Weg durch das Netz wird als virtuell bezeichnet, weil er nicht permanent fest geschaltet ist, sondern nur für die kurze Zeit der Datenübertragung.
Zur Kennzeichnung wird ihr ein VPI (virtual path identifier) als Bezeichnung zugeordnet. Ein virtueller Kanal (virtual channel, VC) ist ein Übertragungskanal, der genau wie der virtuelle Pfad nur während der Datenübertragung existiert. Zur Kennzeichnung wird ihm ein VCI (virtual channel identifier) als Bezeichnung zugeordnet.
Ein virtueller Pfad besteht aus mehreren virtuellen Kanälen, komplexe Anwendungen können mehrere virtuelle Kanäle gleichzeitig belegen. Die klassischen Standleitungen enthalten ebenfalls mehrere Übertragungskanäle, doch können die virtuellen Kanäle bei ATM die virtuellen Pfade (Leitungen) wechseln. Wenn beispielsweise zwei virtuelle Kanäle auf Pfad 1 ankommen, kann Kanal 1 durchaus auf Pfad 2 und Kanal 2 auf Pfad 1 zum selben Zielnetz geschaltet werden.

  • Bei VP-Switches bleiben die Kanäle den virtuellen Pfaden fest zugeordnet, die Pfade werden durch das Netz geschaltet.
  • Bei VC-Switches werden die Kanäle über verschiedene Pfade geschaltet. Bei den geschalteten Verbindungen gibt es zwei wichtige Arten:
    • Eine PVC (permanent virtual circuit = permanente virtuelle Verbindung) bleibt auch im unbenutzten Fall so lange geschaltet, bis sie wieder gewollt abgebaut wird.
    • Eine SVC (switched virtual circuit = geschaltete vinuelle Verbindung) bleibt nur für die Dauer der Übertragung geschaltet und wird nach Übertragungsende automatisch wieder abgebaut.

Bei der Wegewahl wird eine einfache Art des Routings verwendet, um die Datenpakete durch das Netz zu senden. Der Weg, den das Datenpaket durch das ATM-Netz zurücklegt, besteht dabei aus drei Hauptabschnitten:

  1. Vom Absender zum Switch, an dem der Absender angeschlossen ist.
  2. Vermittlung innerhalb des ATM-Netzes von Switch zu Switch.
  3. Vom Switch, an dem der Empfänger angeschlossen ist, zum Empfänger.
Als Übertragungsverfahren wird bei ATM das Paketvermittlungsverfahren Cell Relay ("Zellenvermittlung") verwendet. Bei diesen Zellen handelt es sich um Rahmen fester Länge mit 5 Byte Header für Adressierung und Steueranweisungen sowie 48 Byte Nutzdaten, insgesamt also 53 Byte. Dabei wird zwischen zwei unterschiedlichen Zelltypen unterschieden.
  • Die UNI-Zellen (user network interface) werden an der Schnittstelle zwischen Anwender und ATM-Netz verwendet und besitzen im Header 8 Bit für die Angabe des virtuellen Pfades und 4 Bit für die Flußkontrolle.
  • Die NNI-Zellen (network node interface) werden zwischen den Netzwerkknoten (ATM-Switches) verwendet und besitzen 12 Bit für die Angabe des virtuellen Pfades, jedoch keine Flußkontrolle.
Die Zellen werden von den Switches an den entsprechenden Trennstellen im ATM-Netz automatisch umgewandelt. Durch die sogenannte 'cell loss priority', die Verlustpriorität, wird festgelegt, welche Zellen auch bei sehr hoher Auslastung des Netzes noch unbedingt übertragen werden müssen (z. B. kritische Daten oder Synchronisationsanweisungen) und welche gegebenenfalls auch verloren gehen können (z. B. Bildinformation bei Bildtelefonie). Die Fehlerkontrolle bezieht sich nur auf den 5 Byte großen Header, nicht jedoch auf die Daten. Es ist ATM völlig egal, was übertragen wird, wichtig ist nur wohin und wie. Das ist auch ein Grund für die Schnelligkeit. Die wichtigsten Übertragungsraten sind 622 MBit/s (Lichtwellenleiter), 155 MBit/s (LWL und Kupferleitungen), 100 MBit/s (LWL und FDDI) und 26 MBit/s (Kupferleitungen).

ATM kann Datenströme unterschiedlicher Bitraten flexibel übertragen und vermitteln. Die Übertragungsrate ist skalierbar, d. h. Übertragungsbandbreite wird flexibel bereitgestellt. Jedem Endgerät kann statisch (also vorab) oder dynamisch (also bei konkretem Bedarf) Bandbreite zugewiesen werden, die Netzleistung wächst also mit. Durch die transparente Übertragung in den Zellen werden bei den Netzübergängen keine Gateways benötigt, um von LAN- auf WAN-Protokolle umzusetzen. ATM ist gleichermaßen für LANs, schnelle Backbones und WANs geeignet.

ATM ist verbindungsorientiert und baut immer eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung auf. Für eine Übertragung muß also immer eine Verbindung zwischen zwei Stationen geschaltet werden (ATM basiert auf der Vermittlungstechnik). Klassische LANS sind verbindungslos, jede Station ist zu jeder Zeit mit allen anderen Stationen fest verbunden, alle teilen sich dasselbe Übertragungsmedium. ATM als LAN (lokales ATM, L-ATM) benötigt eine LAN-Emulation. So entsteht ein virtuelles Netz, bei dem das ATM-Netz mehreren Teilnehmern (Geräte/Software) ein nichtexistierendes LAN vorspiegeln muß. Dabei sind verschiedene Ansätze allerdings noch in Diskussion. Diese LAN-Emulationen arbeiten alle auf Schicht 2 des ISO-Schichtenmodells, dadurch eignen sie sich für routebare und nicht routebare Protokolle gleichermaßen. Für die Übertragung von IP-Paketen über ATM haben sich die nachfolgend beschriebenen 3 Verfahren heute etabliert.

  • CLIP
    Dies ist die Abkürzung für "Classical IP". Hier werden die Datenpakete aus unterschiedlichen Netzen über ATM transportiert. Die Datenpakete aus verschiedenen Netzformen (wie Ethernet, Token-Ring) können in einem Fall nach der "Logical Link Control Encapsulation"-Methode alle über eine virtuelle Verbindung übertragen werden. Die ATM-Zellen werden mit Header-Informationen über den Protokolltyp des transportierten Datenpaketes versehen. Zur effizienten Gestaltung des Datentransportes kann auch je Protokolltyp eine virtuelle Verbindung aufgebaut werden. Das Feld mit der Typangabe für die transportierten Pakete kann enfallen, so das mehr Raum für Nutzinformationen zur Verfügung steht. Die mittels CLIP transportierten Datenpakete können allerdings hinsichtlich der IP-Adressen nur immer innerhalb eines IP-Subnetzes transportiert werden, da hier keine Möglichkeit des Routings über ATM besteht.

  • LANE
    Das LAN-Emulationsverfahren (LANE) simuliert die Abläufe und Funktionen eines herkömmlichen LAN. Hierdurch kann eine existierendes LAN auf ATM abgebildet werden. Das emlierte LAN (ELAN) hat eine Client/Serverarchitektur, bei der jedes Endgerät einen softwareseitigen "LAN Emulation Client" (LEC) besitzt. Dieser unterhält Steuerverbindungen zu den einzelnen LANE-Servern. Eine Nutzdatenverbindung kann direkt zu den anderen LEC aufgebaut werden. Daneben kann auch eine Broadcastsendung verschickt werden, indem einen Nachricht an den "Broadcast and Unknown Server" (BUS) geschickt wird, der diese Nachricht dann an alle Clients verteilt. Das ELAN wird von einem "LAN Emulation Configuration Server" konfiguriert. Daneben ist noch ein LAN-Emulations-Server installiert, der zur Registrierung einzelner Clients und zur Ermittlung von Adressen dient. Die Teilnehmer des emulierten LAN gehören alle zu einem Subnetz. Es besteht mittels LANE keine Möglichkeit, Datenpakete zwischen einzelnen LANE-Netzen zu routen. Auch die Garantie einer Dienstgüte ist bei LANE nicht möglich.

  • MPoA
    Das "Multiprotocol Encapsulation over ATM"-Verfahren beseitigt die Nachteile der anderen beiden Verfahren hinsichtlich des Routings zwischen den Subnetzen. Zudem kann hier die Dienstegüte für einzelne Dienste garantiert werden. Das Netz besteht aus MPoA-Servern und MPoA-Clients. Die MPoA-Server dienen als virtelle Router, welche die Aufgabe haben, die Route zum Zielnetz zu ermitteln. Im Gegensatz zu den herkömmlichen Routern, die auch den Transport der Daten übernehmen, sind die Router hier allerdings nur für die Wegewahl zuständig. Die MPoA-Clients bauen mit den Informationen der MPoA-Server die gewünschte Verbindung auf, und übernehmen den eigentlichen Datentransport.

Gegenüberstellung der Technologien

  Telefonnetz Paketnetz (Datex, X.25) Frame-Relay ATM
Vermittlungs-prinzip Leitungs-vermittlung Paket-vermittlung schnelle Paketvermittlung Zellvermittlung
Fehlerkorrektur im Netz nein ja nein nein
Paketgröße keine Pakete variabel variabel fest (53 Byte)
mehrere Verbindungen gleichzeitig nein ja ja ja
Durchsatz der Netzknoten sehr hoch mittel hoch sehr hoch
Spam-Server "Grum" abgeschaltet

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