Das ISO/OSI ReferenzmodellDas Internet Referenzmodell
Bitübertragungsschicht
StandardSchichten im ISO/OSI Referenzmodell
Titel und Gremien
Open Systems Interconnection
International Standard ISO/IEC 7498-1identisch zu ITU-T Recommendation X.200ISO International Organization for Standardization
http://www.iso.org/
IEC International Electrotechnical Commissionhttp://www.iec.ch/
ITU International Telecommunication Unionhttp://www.itu.int/
CCITT International Telephone and Telegraph ConsultativeCommittee, früherer Name der ITU
Kommunikationsnetze I
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Bitübertragungsschicht
StandardSchichten im ISO/OSI Referenzmodell
Ziele
I Rahmen für die Definition von Diensten und ProtokollenI Hilfe bei der Verbesserung bestehender StandardsI Hilfe bei der Entwicklung neuer StandardsI Ziel bei der Evolution bestehender StandardsI Keine Festschreibung der ImplementationI Keine Festlegung von InteroperabilitätstestsI Das Referenzmodell beschreibt keine Protokolle, dies folgt
in späteren Standards.
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Bitübertragungsschicht
StandardSchichten im ISO/OSI Referenzmodell
Übersicht
Physical Medium
Sitzungsschicht
Darstellungsschicht
Anwendungsschicht
Transportschicht
Vermittlungsschicht
Sicherungsschicht
Bitübertragung
Application Layer
Presentation Layer
Session Layer
Transport Layer
Network Layer
Data Link Layer
Physical Layer
Kommunikationsnetze I
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Bitübertragungsschicht
StandardSchichten im ISO/OSI Referenzmodell
Grundlegende Prinzipien (1)
Das OSI-Modell basiert auf einer Trennung von Dienst,Schnittstele und Protokoll:
I Dienst: Der Dienst beschreibt, was die Schicht macht.I Schnittstelle: Die Schnittstelle legt fest, wie eine
darüberliegende Schicht die Dienste nutzen kann.I Protokoll: Die Protokolle einer Schicht werden von dieser
Schicht benutzt, um die Dienste zu erbringen.
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StandardSchichten im ISO/OSI Referenzmodell
Grundlegende Prinzipien (2)
I Jedes Protokoll gehört zu genau einer Schicht.I Jede Schicht bietet der darüberliegenden Schicht eine
Menge von Diensten.I Zur Erbringung der Dienste benutzt eine Schicht nur
Dienste derselben und Dienste der darunterliegendenSchicht.
I Daten höherer Schichten werden von tieferen Schichtengekapselt weitergeleitet.
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Bitübertragungsschicht
StandardSchichten im ISO/OSI Referenzmodell
Datenübertragung und Kapselung
M
HN
HL
HT
Application Message
Transport Segment
Network Datagram
Link Frame
M
HT
Link−layer switch
M
HT
M
HT
HL’’
HN’
HL’’
HN’
HL’
Router
HN
Kommunikationsnetze I
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Bitübertragungsschicht
StandardSchichten im ISO/OSI Referenzmodell
Anwendungsschicht
Einzige Schicht, die Anwendungen Dienste zur Verfügung stellt
I Benutzt nur Dienste der Anwendungsschicht und derDarstellungsschicht
I Bietet mindestens den Dienst Datentransfer in denAusprägungen verbindungsorientierter Dienst undverbindungsloser Dienst
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Bitübertragungsschicht
StandardSchichten im ISO/OSI Referenzmodell
Anwendungsschicht: Verbinungsorientierter Dienst
Verbindungsorientierter Dienst: Datentransfer im Kontexteiner VerbindungNeben dem Datentransfer können vom verbindungsorientiertenDienst weitere Dienste angeboten werden:
I Identifikation des Kommunikationspartners (z.B. durchdessen Namen)
I DienstgütevereinbarungI Synchronisierung der KommunikationI Authentifizierung und ZugangskontrolleI Festlegung des Dialogtyps (Simplex/Half Duplex/Duplex)I Identifikation verwendeter abstrakter Syntax
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Bitübertragungsschicht
StandardSchichten im ISO/OSI Referenzmodell
Anwendungsschicht: Verbinungsloser Dienst
Verbindungsloser Dienst: Datentransfer außerhalb einesVerbindungskontextes und ohne logische Beziehung zwischeneinzelnen DatenpaketenNeben dem Datentransfer können vom verbindungslosenDienst weitere Dienste angeboten werden:
I Identifikation des Kommunikationspartners (z.B. durchdessen Namen)
I DienstgütevereinbarungI Authentifizierung und ZugangskontrolleI Identifikation verwendeter abstrakter Syntax
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StandardSchichten im ISO/OSI Referenzmodell
Darstellungsschicht
Umsetzung der von der Anwendungsschicht gelieferten Datenin eine für Kommuinikationspartner gemeinsameRepräsenation
I Identifikation von gemeinsamen konkretenTransfersyntaxen
I Auswahl der zu verwendenden SyntaxI Zugriff auf die Sitzungsschicht
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StandardSchichten im ISO/OSI Referenzmodell
Sitzungsschicht
Verbindungsmanagement und Synchronisation derKommunikation
I Wenn von der Darstellungsschicht angefordert, wird eineVerbindung aufgebaut und später durch durch Elementeder Darstellungsschicht oder Sitzungsschicht wiederabgebaut.
I Eine Verbindung wird durch eine Sitzungsadresseidentifiziert, die von der Sitzungsschicht auf eineTransportadresse abgebildet wird.
I Bei unterbrochener Verbindung kann gegebenenfalls anFixpunkten (Check Points) wieder gestartet werden.
I Der verbindungslose Dienst bietet nur die Abbildung vonSitzungsadresse auf Transportadresse.
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StandardSchichten im ISO/OSI Referenzmodell
Transportschicht
Bietet der Sitzungsschicht Ende-zu-Ende Datentransfer
I Auswahl und Optimierung des verwendetenNetzwerkdienstes unter Berücksichtigung der gefordertenDienstgüte
I Im verbindungsorientierten Dienst wird der Datenstromsegmentiert und die Segmente geordnet übertragen.
I Ende-zu-Ende FlußkontrolleI Ende-zu-Ende FehlerbehandlungI Im verbindungslosen Dienst findet keine Segmentierung
statt.
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Vermittlungsschicht
Routing bzw. Vermittlung von Datensegmenten, dau gehört dieVerwaltung der zugehörigen Netzwerkadressen.
I Im verbindungsorientierten DienstI Verwaltung von Punkt-zu-Punkt NetzwerkverbindungenI FehlerbenachrichtigungI ÜbertragungsbestätigungenI Dienstgüteverwaltung
I Im verbindungslosen DienstI Übertragung von Datensegmentn bis zu einer
vorgegebenen GrößeI DienstgüteverwaltungI Benachrichtigung der Transportschicht bei lokalen Fehlern
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StandardSchichten im ISO/OSI Referenzmodell
Sicherungsschicht
Eine Verbindung der Sicherungsschicht bietet die Mittel zumDatenaustausch zwischen Netzwerkknoten, die durchAdressen der Sicherungsschicht identifiziert werden.
I Rahmenbildung für die benutzte BitübertragungsschichtI Serialisierung der RahmenI Fehlererkennung/Fehlerbehebung bei Übertragungsfehlern
der BitübertragungsschichtI Fehlerbenachrichtigung an die Vermittlungsschicht bei
nicht behebbaren FehlernI IEEE sieht hier die Mehrfachzugriffsverfahren
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Bitübertragungsschicht
Bietet die mechanischen, elektischen, funktionalen undprozeduralen Mittel einer Bitübertragung zwischenNetzwerkkomponenten.
I Die Reihenfolge der Bits bleibt erhaltenI Fehlerbenachrichtigung an die BitübertragungsschichtI Dienstgüte
I FehlerrateI VerfügbarkeitI DurchsatzI Latenz
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Bitübertragungsschicht
SchichtenVergleich mit OSI
Schichten
Physical Medium
Bitübertragung
Physical Layer
Application Layer Anwendungsschicht
Transportschicht
Vermittlungsschicht
Sicherungsschicht
Transport Layer
Network Layer
Data Link Layer
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Bitübertragungsschicht
SchichtenVergleich mit OSI
Bemerkungen
I Offensichtlich fehlen gegenüber dem OSI-ModellDarstellungsschicht und Sitzungsschicht, d.h. dieAnwendungsschicht muß deren Aufgabe übernehmen.
I Die Vermittlungsschicht bietet nur den verbindungslosenDienst.
I Beim Internet Referenzmodell ist der Durchgriff auf tiefereSchichten möglich (z.B. Anwendung aufNetzwerkadresse).
I Das Referenzmodell wurde entwickelt, als es die Protokolleschon gab.
I Entstehung im Rahmen von Diskussionen ab etwa 1974.
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BezeichnungenDigitale Basisband ModulationBeispiel: IEA-232
Bezeichnungen
Zeichen Element des ZeichenvorratesCode Abbildung zwischen zwei Zeichenvorräten
Takt Zeiteinheit bei Sender und Empfänger
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Bitübertragungsschicht
BezeichnungenDigitale Basisband ModulationBeispiel: IEA-232
Digitale Daten werden durch ein amplituden- und zeitdiskretesVerfahren übertragen.
Beispiel: Die Elemente des Zeichenvorrates {0, 1, 2} werdenauf Spannungen 0V, 1V, 2V abgebildet und im Zeittakt von 1smit einem Kupferkabel übertragen.
Mögliche Probleme hierbei sind abhängig vomÜbertragungsmedium
I Synchronisierung von Sender und Empfänger(Taktrückgewinnung)
I Gleichspannungsfreiheit
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BezeichnungenDigitale Basisband ModulationBeispiel: IEA-232
Synchronisierung
Sender und Empfänger können sich bei jedemAmplitudenwechsel synchronisieren.
1. Synchronverfahren: Sender und Empfänger habenwährend der gesamten Übertragung synchronen Takt.
2. Asynchronverfahren: Sender und Empfänger werdenbeim Start eines zu übertragenden Datenblockssynchronisiert.
3. Start/Stop Verfahren: Spezialfall von (2), jedes Zeichenwird durch ein Start/Stop Signal zur Synchronisierungbegrenzt.
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BezeichnungenDigitale Basisband ModulationBeispiel: IEA-232
Return To Zero (RZ)
Kodierung des Wertes 1 0 1 1 0 0 0 1
1 0 1 0 0 01 1
Takt
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BezeichnungenDigitale Basisband ModulationBeispiel: IEA-232
No Return To Zero (NRZ)
Kodierung des Wertes 1 0 1 1 0 0 0 1
Takt
1 0 1 0 0 01 1
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BezeichnungenDigitale Basisband ModulationBeispiel: IEA-232
Bipolare Kodierung (AMI Kodierung)
Kodierung des Wertes 1 0 1 1 0 0 0 1
1 0 1 0 0 01 1
Takt
0 V
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BezeichnungenDigitale Basisband ModulationBeispiel: IEA-232
Manchester Kodierung
Kodierung des Wertes 1 0 1 1 0 0 0 1,steigende Flanke kodiert 1
1 0 1 0 0 01 1
Takt
0 V
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BezeichnungenDigitale Basisband ModulationBeispiel: IEA-232
Differentielle Manchester Kodierung
Kodierung des Wertes 1 0 1 1 0 0 0 1,Flankenwechsel bei Bitanfang bei 0, dadurch sind auchinvertierte Signale dekodierbar
1 0 1 0 0 01 1
Takt
0 V
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BezeichnungenDigitale Basisband ModulationBeispiel: IEA-232
Eigenschaften der Kodierverfahren
I RZ: Keine automatische Taktrückgewinnung, nichtgleichspannungsfrei
I NRZ: Keine automatische Taktrückgewinnung, nichtgleichspannungsfrei
I AMI: Keine automatische Taktrückgewinnung,gleichspannungsfrei
I Manchester Kodierung: automatischeTaktrückgewinnung, gleichspannungsfrei
I Differentielle Manchester Kodierung: automatischeTaktrückgewinnung, gleichspannungsfrei
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BezeichnungenDigitale Basisband ModulationBeispiel: IEA-232
Kanalkapazität
Theorem (Nyquist)In einem bandbegrenzten, störungsfreien Übertragungskanalmit Bandbreite B[Hz] und L diskreten Signalstufen ist diemaximale Datenübertragungsrate CNCN = 2 · B · log2(L) [bit/s]
Theorem (Shannon-Hartley)In einem bandbegrenzten, gestörten Übertragungskanal mitBandbreite B[Hz] ist die maximale Datenübertragungsrate CSCS = B · log2(1 + S/N) [bit/s],wobei S/N das Signal-Rausch-Verhältnis bezeichnet.
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BezeichnungenDigitale Basisband ModulationBeispiel: IEA-232
Anwendung
Die Verfahren RZ, Manchester-Kodierung und DifferentielleManchester Kodierung benötigen die doppelte Bandbreite vonAMI und NRZ. Bei gegebenem Kanal ergibt das eineHalbierung des maximalen Durchsatzes.Aber: Taktrückgewinnung muß bei AMI und NRZ auf anderemWege sichergestellt werden.
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BezeichnungenDigitale Basisband ModulationBeispiel: IEA-232
4B5B Kodierung
Jeweils 4 Bit des Eingangsdatenstromes werden auf 5 Bitabgebildet, dadurch werden genügend Amplitudenwechselsichergestellt:
Hex 4B 5B Hex 4B 5b0 0000 11110 8 1000 100101 0001 01001 9 1001 100112 0010 10100 A 1010 101103 0011 10101 B 1011 101114 0100 01010 C 1100 110105 0101 01011 D 1101 110116 0110 01110 E 1110 111007 0111 01111 F 1111 11101
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BezeichnungenDigitale Basisband ModulationBeispiel: IEA-232
Serielle Schnittstelle
I Zeichen bestehen aus 5-8 Bit (üblicherweise 7-8 Bit)I Die Übertragung erfolgt bitweise, LSB (Least Significant
Bit) zuerst.I Spanungen zwischen -3V und -15V werden als 1
dekodiert.I Spanungen zwischen +3V und +15V werden als 0
dekodiert.I Jedes Zeichen wird bit einem Startbit (Wert 0) begonnen
(Start/Stop Verfahren)I Jedes Zeichen muß mit 1, 1.5 oder 2 Stopbits (Wert 1)
abgeschlossen werden.I Außerhalb der Übertragung liegt die Spannung für Wert 1
an.Kommunikationsnetze I
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BezeichnungenDigitale Basisband ModulationBeispiel: IEA-232
Parität
Die Übertragung eines Zeichens kann abgesichert werdendurch ein Paritätsbit, das dem Zeichen als weiteres Bitangefügt wird. Man unterscheidet:
O Ungerade Parität (Odd partiy)E Gerade Parität (Even parity)N Kein Paritätsbit (No parity)
Das Paritätsbit berechnet sich so, daß die Summe der Bitsinklusive Parität ungerade (O) bzw. gerade (E) ist.
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BezeichnungenDigitale Basisband ModulationBeispiel: IEA-232
Beispiel
Übertragung des Wortes 10010111 mit8Bit, Ungerader Parität, 1 Stopbit (8O1)
Sta
rtbit
Bit
0
Bit
1
Bit
2
Bit
3
Bit
4
Bit
5
Bit
6
Bit
7
Sto
pbit
unger
ade
Par
ität RuheRuhe
+15V
+3V
−3V
−15V
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Bemerkungen
I Es folgen maximal 9 gleiche Bit aufeinander, danachkönnen sich Sender und Empfänger neu synchronisieren.
I Das Protokoll ist nicht gleichspannungsfreiI Es wurde nur das Verhalten auf Rx und Tx Leitungen
beschrieben.I Die maximale Kabellänge hängt von
Übertragungsgeschwindigkeit, elektrischem Widerstand,Kapazizät und den verwendeten Sendern und Empfängernab. Der Standard schribt nur eine Kabelkapazität vonweniger als 2500 pF vor.
Kommunikationsnetze I