Grundkomponenten der Datenübertragung

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Teil 3 von 71 aus der Serie "Professionelle Datenkommunikation"
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Im Teil 1 und 2 wurden unterschiedliche Arten von Netzwerken vorgestellt, im Teil 3 der grundsätzliche Aufbau einer Netzwerkarchitektur erläutert. Nun, alle Software nützt nichts, wenn es nicht gelingt, die Bits physikalisch auf die Reise zu schicken. In diesem Teil werden immer wieder auftretende Begriffe zur Übertragungstechnik an sich geklärt.

Informationen werden in den Rechnern, die die meisten von uns benutzen, in binärer Form verarbeitet. Das heißt »Nullen« und »Einsen« oder »Low« und »High« stellen nicht nur Zahlen, sondern auch Buchstaben und andere Zeichen dar. Wenn man genug Nullen und Einsen nimmt, kann man wirklich jede Information in ihnen unterbringen.

Es geht also letztlich darum, Nullen und Einsen zu manipulieren, zu speichern und zu übertragen. Die üblicherweise innerhalb der PCs verwendeten Signale zur Übermittlung von Bits zwischen der CPU und anderen Einheiten sind zwar genau für diesen Zweck nett und gut, kämen aber außerhalb des PCs nicht besonders weit, weil sie zu schwach sind. Es ist also notwendig, die auf einer Leitung eines Rechnernetzes zu übertragenden Daten in Signale zu packen, die einerseits kräftig genug sind, um die Reise zu überstehen, sich andererseits mit anderen Signalen nicht unnütz überlappen und stören, sofern grundsätzliche Nebenbedingungen, wie ein vernünftiges Kabel, eingehalten werden.

In einem Rechner, der an ein Netzwerk angeschlossen werden soll, muss es also eine Einsteckkarte oder eine andere Einheit geben, die die Signale in eine passende Form bringt. Für den Anschluss an lokale Netze gelten andere Regeln als für den Anschluss an WANs. Eine etwas ältere Form des Anschlusses ist das Modem (Modulator/Demodulator). Es wandelt die Bitströme aus einer meist externen Schnittstelle in Töne um, die auf dem analogen Telefonnetz übertragen werden können. Alle anderen Anschlussarten arbeiten mit sog. Adaptern, die mit den Rechnern meist über die internen Rechnerbus-Schnittstellen Daten austauschen und diese in eine für das jeweilige Netzwerk passende Form bringen. Dabei unterstützen sie auch direkt die für den Anschluss an das Netzwerk passenden Kommunikationsprotokolle mindestens einschließlich der Schicht 2, oftmals sogar mehr. Entsprechend der Rechnerbusse gibt es Adapterkarten für ISA-, EISA-, MicroChannel-, PCI-, PCM/CIA-Busse usw. Am weitesten verbreitet sind Adapterkarten für LANs wie Ethernet oder für ISDN.

Die Form der Signale und die Anzahl der möglichen Bits pro Sekunde hängen stark von der sog. Bandbreite des gesamten Übertragungssystems ab. Ein Übertragungssystem besteht allgemein aus einem Sender, einem Übertragungskanal und einem Empfänger. Sender und Empfänger müssen aufeinander abgestimmt sein. So wird ein Empfänger für digitale Signale ein Element besitzen, welches es ihm möglich macht, bei einem ankommenden Signal, auch wenn dieses etwas gestört ist, zu unterscheiden, ob mit diesem Signal ursprünglich eine »Null« oder eine »Eins« ausgedrückt werden sollte. Der Empfänger wird also versuchen, das Signal in jedem Falle richtig zu interpretieren. Der Übertragungskanal muss so gestaltet sein, dass er die Signale des Senders möglichst so zum Empfänger bringt, dass dieser etwas damit anfangen kann.

Die Codierung des digitalen Informationsstromes auf eine geeignete Leitungsdarstellung spielt eine sehr große Rolle. Es dürfen während der Übertragung nicht zu viele Teile des Sinals verloren gehen. Man verwendet heute gerne Codierungen, die mehr aussagen als die einzelnen Bits. Die häufig verwendete Manchester-Codierung überträgt z. B. auch gleich den Takt mit. Ein Bit wird durch einen Wechsel der Signalspannung zu einem bestimmten Zeitpunkt dargestellt, z. B. eine Eins durch einen Wechsel von Minus nach Plus und eine Null umgekehrt.

In Abbildung 1 sehen Sie, was passiert. Ein Übertragungskanal, der aus Sender, Empfänger und dem Übertragungsmedium gebildet wird, stellt ein „Fenster“ dar, dessen Seiten durch die Grundfrequenz und einem Ausdruck gebildet werden, in den das Signal/Rauschverhältnis einfließt. Die Information, die übertragen werden muss, kann man als Quader darstellen. Seine Seiten werden durch die Grundfrequenz, einen Term, der die Dichte der Codierung darstellt (z.B. binäre Codierung oder ternäre Codierung) und die Übertragungsgeschwindigkeit darstellt. Ursprünglich wird dieser Quader durch das bestimmt, was z.B. innerhalb eines Rechners auf dessen Bus passiert. Diese Signale sind aber für die Übertragung über Distanzen nicht geeignet. Also muss dieser Quader so umgeformt werden, dass er zu den Randbedingungen des Übertragungssystems passt.

Man misst die Leistung eines Netzes aus der Perspektive eines Benutzers meist mit der rohen Anzahl der Bits pro Sekunde, die man auf den Anschluss bringen kann. Wir verwenden dafür die Bezeichnung Bit/s oder auch bps (bits per second). Grob gesagt, kann man umso mehr mit einem Anschluss machen, desto mehr bps er hergibt. Leider fressen die Übertragungsprotokolle sehr viel von der Brutto-Übertragungsleistung, und wesentlich ist ja, was am Ende übrigbleibt. Für die Bewertung der Qualität eines Dienstes ist des Weiteren wie bei Anwendungen auf größeren Rechnern das Antwortzeitverhalten von Interesse. Es hängt aber aus der Perspektive des Netzes ursächlich mit der Übertragungsleistung zusammen, denn der flinkste Dienst kann nicht schnell antworten, wenn die Leistung des Netzes so gering ist, dass z. B. der Aufbau eines neuen Bildschirmes zu lange dauert. Erst wenn viele Benutzer gleichzeitig auf einen Dienst zugreifen, sollte es darüber hinaus zu weiteren Änderungen im Antwortzeitverhalten kommen. Allerdings kann das Antwortzeitverhalten auch von völlig anderen Dingen abhängen, und man muss immer sehr vorsichtig mit einer vorschnellen Beurteilung sein. Darum kümmern wir uns in späteren Kapiteln. Kommen wir jetzt wieder zur physikalischen Übertragungstechnik.

Übertragungsmedien: Übersicht

Normalerweise muss sich ein Anwender nicht mit den Kabeln befassen. Beim Aufbau von LANs ist die Verkabelung jedoch ein wichtiger Punkt, über den gerne diskutiert wird.

Für die Übertragung von Daten in den verschiedenen Formen von Rechnernetzen stehen

  • verdrillte Leitungen (Twisted Pair)
  • Koaxialkabel
  • Lichtwellenleiter und
  • Luft

als Medien zur Verfügung.

Die unterschiedlichen Übertragungsmedien haben alle unterschiedliche Möglichkeiten und Leistungsbereiche. Auch heute ist der überwiegende Teil der Netze mit metallischen Leitern aufgebaut. Durch verschiedene Entwicklungen und Innovationen hat die Übertragung über Lichtwellenleiter aber in den letzten Jahren einen enormen Aufschwung genommen. Man kann Systeme mit Lichtwellenleitern als einfache Ergänzung zu ansonsten metallisch verkabelten Netzen benutzen, z.B. auf dem Geländebereich. Man kann aber auch eine völlig neue Netzklasse bauen, die rein optischen Netze. Deshalb wird die Darstellung hier aufgeteilt. In Kapitel 3 werden die Grundzüge der Übertragung von Daten mittels Licht vorgestellt, soweit dies auch für die Erklärung der LANs notwendig ist. Wegen ihrer enormen Wichtigkeit in den nächsten Jahren bekommen die Optischen Netze dann ein eigenes Kapitel.

Durch die weite Verbreitung von Handys ist auch eine Übertragungsmöglichkeit wieder weiter nach vorne gekommen, die man in den ersten zwei Jahrzehnten der lokalen Vernetzung eher stiefmütterlich behandelt hat: die drahtlose Übertragungstechnik. Es zeichnet sich eine Reihe von Anwendungsbereichen ab, in denen drahtlose Endgeräte besonders interessant sind. Die drahtlose Übertragungstechnik als solche ist nicht so kompliziert. Deshalb wird die gesamte drahtlose Übertragungstechnik samt Anwendungsgebieten ebenfalls in einem eigenen Teil behandelt.

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