7 VDSL und Datenkommunikation

Praktikum Grundlagen der IKT
Technische Universität Ilmenau
Institut für Informationstechnik
Praktikum Grundlagen der Informations- und Kommunikationstechnik
Versuchsanleitung:
7
VDSL und Datenkommunikation
Fachgebiet Kommunikationsnetze
M.Sc. Silvia Krug
Raum: H 1529
Stand: 18.03.2014
Inhaltsverzeichnis
1
Ziele des Versuches
3
2
Grundlagen
5
2.1
Datenkommunikation im OSI-Referenzmodell . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
2.1.1
Übermittlungsdienste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
5
2.1.2
Anwendungen der Datenkommunikation . . . . . . . . . . . . . . .
7
2.2
Datenübertragungseinrichtungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
2.3
Very High Speed Digital Subscriber Line VDSL . . . . . . . . . . . . . . . .
8
2.4
Spezielle Probleme der Datenübertragung . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
2.4.1
Übertragung von Daten über Leitungen . . . . . . . . . . . . . . . .
9
2.4.2
Modulation für analoge Modems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.4.3
Modulationsverfahren für DSL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4.4
Synchrone und asynchrone Übertragung . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4.5
Die serielle COM-Schnittstelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4.6
Richtungsbetriebsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3
2.5
Dateiübertragungsprotokolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.6
Datensicherung und Kompression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.7
Testschleifen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
Versuchsaufbau
3.1
3.2
17
Hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.1.1
Modems USRobotics 56K* V.92 External Modem 5630 . . . . . . . 17
3.1.2
VDSL-Modems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3.1.3
VDSL-Teststrecke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.1.4
Logikanalysator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
Software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2.1
Das Terminalprogramm Minicom . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.2.2
VDSLScanner . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2.3
TrafficSimulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1
Praktikumsversuch VDSL und Datenkommunikation
2
4
Hausaufgaben
23
5
Versuchsaufgaben
24
6
Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen
30
M.Sc. Silvia Krug
EI
Fachgebiet „Kommunikationsnetze“
Kapitel 1
Ziele des Versuches
Mit der Einführung des Computers im kommerziellen Bereich wurde die Datenübertragung
zunächst über gemietete Standleitungen abgewickelt, da das öffentliche, analoge Telefonnetz
anfangs für die direkte Übertragung von binären Daten kaum geeignet war. Zur Verwendung
des Telefonnetzes mit seinen Vermittlungsmöglichkeiten musste eine Möglichkeit geschaffen
werden, welche die digitalen Maschinendaten in analoge Signale wandelt und umgekehrt.
Hierzu wurden Modems entwickelt, die diese Digital-Analog-Wandlung durchführen.
Über das Fernsprechnetz ist dabei die direkte Kommunikation zwischen Computern oder
der Zugang zu Datennetzen mit Hilfe eines Gateways möglich (z.B. durch Internet Service
Provider, ISP). In diesem Falle ist das zweite Modem nicht an einen Computer, sondern an
einen Gateway angeschlossen. Da das Telefonnetz nur bedingt zur Übertragung von digitalen
Daten geeignet ist, wurden spezielle Netze für die Übertragung von digitalen Daten entwickelt. Von 1967 bis 1997 bot die Deutsche Bundespost und später Telekom das leitungsvermittelte Datennetz Datex-L an. Ein weiterer Fortschritt war das 1980 in der Bundesrepublik
eingeführte paketvermittelte Datennetz Datex-P auf der Basis von X.25.
Bessere Möglichkeiten bei der Übertragung von Daten boten sich auch dem privaten Nutzer
durch die Einführung von ISDN und B-ISDN. Mit diesen Netzen waren nicht nur höhere
Übertragungsraten möglich, sondern es konnten auch noch andere Dienste über dieses Netz
angeboten und genutzt werden.
Obwohl die Modems ständig weiterentwickelt wurden und Datenraten bis zu 56 kb/s über
die analoge Anschlussleitung möglich sind, besteht bei den großen Datenmengen multimedialer Angebote der Wunsch, auch privaten Teilnehmern eine größere Bitrate über die Anschlussleitung bereitzustellen, deren Bandbreite noch eine Reihe von Reserven besitzt. Im
Ergebnis entstand Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) und später Very High Speed
Digital Subscriber Line (VDSL), meist kurz als DSL bezeichnet. Die Ziele des Versuches
sind folgende:
• Darstellung der Datenkommunikation innerhalb einer leitungsvermittelten Nebenstellenanlage
• Verdeutlichung der Notwendigkeit der Standardisierung von Übertragungsprotokollen
• Überprüfung der Unterschiede von Übertragungsprotokollen
• Vertiefung der Grundlagen des OSI-Referenzmodells
3
Praktikumsversuch VDSL und Datenkommunikation
4
• Unterschiede der Datenkommunikation über leitungsvermittelte Verbindungen und
über VDSL
M.Sc. Silvia Krug
EI
Fachgebiet „Kommunikationsnetze“
Kapitel 2
Grundlagen
2.1
Datenkommunikation im OSI-Referenzmodell
Kommunikationsnetze erbringen Übermittlungsdienste, d.h. sie erlauben den Austausch
von Informationen zwischen Endgeräten, auch als Terminal Equipment (TE) bezeichnet.
Endgeräte sind Anfangs- und Endknoten des Informationsaustausches.
Der Informationsaustausch ist allerdings immer an bestimmte Anwendungen gebunden, die
in den TE implementiert sind. Diese sind den höheren Schichten (einschließlich der Transportschicht) zuzuordnen. Diese Anwendungen werden auch als Teledienste bezeichnet. Typische Anwendungen der Datenkommunikation sind Filetransfer, E-Mail, WWW, VoIP usw.
Dafür stehen entsprechende Anwendungsprogramme (z.B. Browser und E-Mail-Clients) für
den Anwender zur Verfügung.
2.1.1
Übermittlungsdienste
Im OSI-Referenzmodell sind die Funktionen zur Übermittlung in den Schichten eins bis drei
spezifiziert. Dabei hängt es vom verwendeten Netz ab, welche Schichten wirklich implementiert sind. Handelt es sich um ein Datennetz mit Routern und eigener Adressierung, sind die
Schichten voll implementiert. Genauso kann es sein, dass nur ein Strom von Bits übertragen wird (Plesiochrone und Synchrone Digitale Hierarchie) oder gar nur ein physikalischer
Kanal bereitgestellt wird (Dark Fiber).
Eine Möglichkeit der Nutzung von Kommunikationsnetzen ist die Bereitstellung von
gemieteten Kanälen zum Anschluss von TE oder auch der Verbindung privater Netze. Diese
Möglichkeit ist jedoch relativ teuer und kommt für Privatpersonen oder kleine Betriebe kaum
in Betracht. Eine sehr interessante Möglichkeit, auch diesen Kundenkreis zu erschließen, ist
die Nutzung von Telefonanschlussleitungen.
Zum Anschluss von Datenendgeräten (DEE) an ein Kommunikationsnetz ist eine digitale
standardisierte Schnittstellen notwendig. Diese unterscheidet sich von der eines analogen
oder digitalen Telefons. DEE senden und empfangen Informationen in digitaler Form, in der
Regel als binäre Zeichen. Die Schnittstelle wird durch sogenannte Datenübertragungseinrichtungen (DÜE) bereitgestellt. Diesen Zusammenhang stellt Abbildung 2.1 dar. Neben der
Anpassung sind auch die Funktionen der Data Link Layer durch die DÜE bereitzustellen.
5
Praktikumsversuch VDSL und Datenkommunikation
DÜE
6
DÜE
Netz
Kommunikationsnetz
(Übermittlungsdienst)
TE (DEE)
TE (DEE)
Abbildung 2.1: Datenübertragunseinrichtung als Netzabschluss
Für das Fernsprechnetz oder ISDN verhält sich die DÜE wie ein Telefon, muss also auch
Signalisierungsfunktionen für die Verbindungssteuerung erbringen.
Anwendung
Darstellung
Darstellung
Komm-Steuerung
Komm-Steuerung
Transport
Transport
Sicherung
Sicherung
Bitübertragung
Bitübertragung
Endgerät (PC)
Anwendung
Modem
Modem
Endgerät (PC)
Mit Hilfe eines leitungsvermittelten Netzes können die DÜE zweier DEE direkt miteinander verbunden werden. In diesem Falle ist kein Routing (dieses erfolgt ja durch die Signalisierung) der Informationen und damit keine Vermittlungschicht notwendig (Abbildung 2.2).
Netz
Abbildung 2.2: OSI-Schichten im Falle einer leitungsvermittelten Direktverbindung der DEE
Wird mit Hilfe des Fernsprechnetzes oder des ISDN ein Netzzugang zu einem Datennetz
realisiert (Datex-P bzw. X.25, Internet o.a.), fungiert die leitungsvermittelte Verbindung als
temporärer Zugang (Schicht 1 oder 2) zum Datennetz. Im Datennetz selbst ist damit eine
Vermittlungschicht notwendig. Dieser Fall ist in Abbildung 2.3 dargestellt.
M.Sc. Silvia Krug
EI
Fachgebiet „Kommunikationsnetze“
Darstellung
Darstellung
Komm-Steuerung
Komm-Steuerung
Transport
Transport
ISP
Vermittlung
Vermittlung
Vermittlung
Sicherung
Sicherung
Sicherung
Sicherung
Bitübertragung
Bitübertragung
Bitübertragung
Bitübertragung
Modem
Router
FeNetz
Endgerät (z.B. Server)
Anwendung
7
LAN-Karte
Anwendung
Modem
Endgerät (PC)
Praktikumsversuch VDSL und Datenkommunikation
DatenNetz
Abbildung 2.3: OSI-Schichten im Falle des Netzzugangs über ein Fernsprechnetz mit Modem
2.1.2
Anwendungen der Datenkommunikation
Die Funktionen höherer Protokollschichten einschließlich des Transportprotokolls werden
in den Endgeräten durch Programme bereitgestellt. Diese Programme liefern auch die Benutzerschnittstelle.
Neben Programmen für eine oder mehrere Anwendungen (z.B. Webbrowser, E-Mail-Client,
News-Reader) gibt es auch Terminalprogramme (z.B. Telnet), die zur direkten Kommunikation mit der DEE dienen. Entsprechend erfüllen diese Terminalprogramme Transportfunktionen (Ende-zu-Ende-Kommunikation). Das Terminalprogramm nutzt die Dienste des Netzes.
Deshalb muss es ein Nutzerinterface zur Signalisierung bereitstellen, um den Aufbau und
die Überwachung der leitungsvermittelten Verbindungen zu ermöglichen (durch Eingabe von
Wahlparametern, Kommandos zum Verbindungsaufbau/-abbau usw.).
2.2
Datenübertragungseinrichtungen
Bei der Nutzung der Teilnehmeranschlussleitung für die Datenkommunikation gibt es folgende Möglichkeiten für DÜE:
• Analog-Modem zur Umwandlung der digitalen Datensignale in ein analoges Signal, das auf einer analogen Verbindung (wie zwischen zwei analogen Telefonapparaten) übertragen wird (Modulation) und umgekehrt (Demodulation). Als Standardschnittstelle zur DEE (Computer) wird in der Regel eine COM-Schnittstelle (RS232
bzw. V.24) oder USB genutzt. Ein Modem kann auch an den jeweiligen Computerbus
M.Sc. Silvia Krug
EI
Fachgebiet „Kommunikationsnetze“
Praktikumsversuch VDSL und Datenkommunikation
8
angepasst werden (internes Modem). In diesem Fall handelt es sich um eine propritäre,
vom jeweiligen Bus spezifizierte Schnittstelle. 1 Neben dem Datenaustausch müssen
auch Steuerfunktionen des Modems unterstützt werden. Dazu werden in der Regel sogenannte AT-Befehle (AT von “Attention”) verwendet.
• ISDN-Karten, die in den Computer eingebaut werden und den Zugriff auf die B-Kanäle
bzw. auf das Common Application Programming Interface (CAPI) ermöglichen. CAPI
ist ein Industriestandard von Kartenherstellern und Netzbetreibern und stellt ein Standardinterface zum Management von Verbindungen und den Zugriff auf die B-Kanäle
bereit.
2.3
Very High Speed Digital Subscriber Line VDSL
Ein großer Nachteil bei der Verwendung leitungsvermittelter Verbindungen besteht darin,
dass die Übertragungskapazität durch die Vermittlungseinrichtungen beschränkt wird. Für
analoge Verbindungen stehen niemals mehr als 3,1 kHz Bandbreite zur Verfügung, je BKanal im ISDN immer nur 64 kbits/s. Dabei haben die zum Netzzugang verwendeten Leitungen aufgrund ihrer Übertragungsbandbreite deutlich höhere Übertragungskapazitäten.
Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL) sowie Very High Speed Digital Subscriber Line
(VDSL) sind Techniken, die gerade diese Übertragungskapazitäten nutzten. Dabei dürfen die
Datenströme aus o.g. Gründen nicht durch die Vermittlungsstellen übertragen werden.
ADSL und VDSL ermöglichen mit einer Anschlussleitung parallel den Zugang zu zwei Netzen: dem Fernsprechnetz (analoger Teilnehmeranschluss) oder ISDN und einem “Breitbandnetz”2 (z.B. Datennetz). Die benötigten Kanäle werden mit Hilfe des Frequenzmultiplexverfahrens bereitgestellt. Je ein Splitter auf Teilnehmer- und Netzseite trennen das Übertragungsspektrum der Anschlussleitung in einen unteren, für den Telefon/ISDN-Zugang, und
einen oberen, für die Datenkommunikation bestimmten Teil auf. Die Daten werden wieder
mit Hilfe von Modems übertragen.
ADSL und VDSL sind Zugangstechniken für private Nutzer oder kleine Betriebe, die im Vergleich zu anderen Zugangstechniken (z.B. über Glasfaser) kostengünstig angeboten werden.
Dabei werden unterschiedliche Übertragungsraten in Abhängigkeit der Übertragungsrichtung genutzt. Es wird eine große Downstream-Datenrate (vom Netz zum Endgerät) von bis
zu 50 MBit/s und eine wesentlich geringere Upstream-Datenrate von bis zu 5 MBit/s angeboten. Das ist durch die Tatsache motiviert, dass in der Regel Informationen von Servern
abgerufen werden, zumindest in viel größerem Umfang als eigene Daten oder Anfragen in
Richtung Netz gesendet werden müssen. Die Datenraten sind theoretische Werte und werden
je nach Leitungslänge geschaltet. Wegen der Asymmetrie der Datenübertragung sind unterschiedliche Modems notwendig: Auf der Teilnehmerseite ist ein DSL-Modem notwendig.
In Privathaushalten ist dieses i.d.R. in DSL-Routern eingebaut. Auf Seite der Netzbetreiber
werden DSL Access Multiplexer (DSLAM) verwendet. Abbildung 2.4 zeigt eine schematische Darstellung.
1
Busse von Computersystemen sind zwar keine Telekommunikationsstandards, bilden jedoch De-factoStandards, die von Peripherie-Hardwareherstellern implementiert werden und in der Regel bekannt sind.
2
“Breitbandnetz” ist in diesem Zusammenhang umgangssprachlich und steht für ein Datennetz mit (subjektiv) hohen Datenraten.
M.Sc. Silvia Krug
EI
Fachgebiet „Kommunikationsnetze“
Praktikumsversuch VDSL und Datenkommunikation
9
BreitbandNetz
Telefon/
ISDN-Anlage
POTS,
ISDN
Abbildung 2.4: Direkter und indirekter Zugang zu Fernsprech- und Datennetz
Wie das Referenzmodell zeigt, handelt es sich bei DSL um eine Festverbindung. Für jeden Teilnehmer muss auf der Netzseite ein DSL-Kanal und ein entsprechender Zugang zum
Datennetz (z.B. Switchport) bereitgestellt werden.
2.4
Spezielle Probleme der Datenübertragung
2.4.1
Übertragung von Daten über Leitungen
Zur Übertragung digitaler Signale über Leitungen wird entweder Basisband- oder
Trägerfrequenzübertragung verwendet. Die Basisbandübertragung wird traditionell als
Leitungskodierung/Dekodierung bezeichnet.
Trägerfrequente Übertragung
Die trägerfrequente Übertragung ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Informationsübertragung modulierte Träger genutzt werden. Das Prinzip zeigt Abbildung 2.5.
Basisbandsignal
(Nutzsignal)
Basisbandsignal
(Nutzsignal)
moduliertes
Signal
Tiefpassfilter
Modulator
Demodulator
Rekonstruktionsfilter
Bs (t)
Bs(t)
Abbildung 2.5: Prinzip der Datenübertragung nach dem Trägerfrequenzverfahren
M.Sc. Silvia Krug
EI
Fachgebiet „Kommunikationsnetze“
Praktikumsversuch VDSL und Datenkommunikation
10
Basisbandübertragung
Bei der Basisbandübertragung wird das gesamte Frequenzspektrum des zur Verfügung stehenden Mediums genutzt. Es zeichnet sich durch besonders einfache Realisierung auf der
Senderseite aus. Beim Empfänger muss sich der Binärentscheider selbstständig an die aktuellen Amplitudenverhältnisse anpassen. Zur Übertragung eines Gleichanteils muss eine
durchgehende galvanische Kopplung vorliegen. Falls dies nicht gegeben ist, dürfen die verwendeten Leitungscodes nur gleichstromfreie Signale erzeugen.
2.4.2
Modulation für analoge Modems
Modulation ist die Steuerung einer oder mehrerer Parameter (Amplitude, Phase, Frequenz)
eines Trägersignales durch ein Basisbandsignal (Nutzsignal). Durch geeignete Wahl der
Trägerfrequenz und der Modulationsart kann das Trägerfrequenzband an den Übertragungskanal angepasst werden. Die hauptsächlichen Spektralanteile des übertragenen Frequenzbandes liegen in der Umgebung der Trägerfrequenz oder ihrer harmonischen Anteile. Der Wertebereich des Basisbandsignals kann unendlich (analog) oder endlich (digital) sein. Falls das Basisband nur zwei Werte annehmen kann (z. B. 0 und 1), spricht
man von einer binären Modulation oder Umtastung. Ein besonderer Vorteil der Übertragung
mit moduliertem Träger gegenüber der Übertragung im Basisband ist die Möglichkeit der
Mehrfachausnutzung eines Übertragungskanals.
Bei digitalen Nutzsignalen werden auch oft die Begriffe digitale Modulation und Shift Keying anstelle von Modulation zur Bezeichnung der Modulationsverfahren verwendet.
Das Modulationsverfahren 4-DPSK
Bei Analog-Modem-Verbindungen nach der ITU-Norm V.21 wird Differential Phase Shift
Keying (Phasendifferenzmodulation, DPSK) eingesetzt. Bei DPSK werden die Bits nicht
in der Phase selbst kodiert, sondern in den Phasensprüngen. Im Falle von V.21 kommt 4DPSK zum Einsatz. Somit sind vier verschiedene Phasensprünge möglich. Ein Phasensprung
kodiert somit zwei Bit. Tabelle 2.1 zeigt die möglichen Phasensprünge.
Zustand 0 0
Phase
+0◦
0 1
+90◦
1 0
+180◦
1 1
+270◦
Tabelle 2.1: Phasendifferenzen und übertragene Bitkombinationen der 4DPSK
Zur Übertragung höherer Datenraten bei verbesserter spektraler Effizienz werden mehrstufige Modulationen genutzt, die eine Übertragung von mehr als einem Bit je Leitungszustand
und damit Leitungssysmbol ermöglichen. So können zum Beispiel bei der 4DPSK in einem
Schritt 4 Zustände unterschieden und damit 2 Bit übertragen werden.
Das Grundprinzip einer 4-DPSK ist in Abbildung 2.6 dargestellt. Als Beispiel wurde hier das
ASCII-Zeichen “S” verwendet.
S → 083d → 53h → 01010011b
Die erste Schwingung einer DPSK-Modulation darf eine beliebige Phase haben. In Bild 2.6
wurde eine Sinusschwingung mit einer Anfangsphase von 0◦ gewählt.
M.Sc. Silvia Krug
EI
Fachgebiet „Kommunikationsnetze“
Praktikumsversuch VDSL und Datenkommunikation
11
Abbildung 2.6: Prinzip der 4DPSK
2.4.3
Modulationsverfahren für DSL
Die Aufgabe von DSL-Modems besteht ebenfalls in der Umwandlung von Datensignalen in
analoge, auf einer Leitung übertragbare Signale und umgekehrt. Im Unterschied zur analogen Verbindung kann die Bandbreite der Leitung bedingt durch die Leitungslänge sehr stark
variieren. Sie kann bei VDSL2 Werte bis 30 MHz erreichen. Außerdem kann die Leitung
auch starken, vom jeweiligen Einsatzfall abhängigen Störeinflüssen ausgesetzt sein, die den
Signal-Rausch-Abstand verringern und damit die übertragbare Datenrate begrenzen. Störsignale sind dabei vor allem periodisch, die Spektren also linienförmig.
Für DSL sind zwei Modulationsverfahren standardisiert: Carrierles Amplitude Phase Shift
Keying (CAP) und Discrete Multi Tone (DMT).
CAP ist dabei vergleichbar mit den QAM-Verfahren konventioneller Telefonleitungsmodems. Das Signal setzt sich aus zwei amplitudenmodulierten Einzelsignalen,
mit unterdrücktem Sinus-/Cosinus-Träger zusammen. Die beiden Träger haben die gleiche
Frequenz, allerdings beträgt ihre Phasendifferenz 900 . Durch Addition der Einzelsignale
entsteht ein amplituden- und phasenmoduliertes Signal mit kontinuierlichem, von der zu
übertragenden Bitrate abhängigem Spektrum.
DMT verwendet eine Vielzahl von Trägern, von denen jeder für sich nur einen geringen Teil
der Gesamtbitrate überträgt. Dieses Verfahren ist auch als OFDMA (Orthogonal Frequency Division Multiple Access) bekannt. Ein wesentlicher Vorteil von DMT ist die bessere
Anpassbarkeit an Bandbreite und Rauschen des Übertragungskanals, da die Bitrate für jeden Träger explizit ausgehandelt wird. DMT ist das heute vorwiegend verwendete Modulationsverfahren in der DSL-Technik.
Abbildung 2.7 zeigt den prinzipiellen Verlauf der Spektren von DMT und CAP.
2.4.4
Synchrone und asynchrone Übertragung
An der Schnittstelle zwischen DEE und DÜE werden Daten in der Regel sequentiell übertragen. Der Empfänger benötigt einen Bittakt als Zeitinformation, wann ein Datenbit auf der
Empfangsleitung zur Verfügung steht und eingelesen werden kann. Dieser Bittakt kann von
der DÜE explizit zur Verfügung gestellt werden, dann handelt es sich um synchrone Übertragung. Steht kein Bittakt zur Verfügung müssen innerhalb der Daten auf der Empfangsleitung
M.Sc. Silvia Krug
EI
Fachgebiet „Kommunikationsnetze“
Leistungsdichte
Praktikumsversuch VDSL und Datenkommunikation
12
Splitter
ISDN
DSL (CAP)
POTS
Leistungsdichte
Frequenz
Splitter
DSL (DMT)
ISDN
POTS
Frequenz
Abbildung 2.7: Spektren von DSL
Taktinformationen mit übertragen werden. In diesem Fall handelt es sich um asynchrone
Übertragung.
Diese unterschiedlichen Möglichkeiten der Bitsynchronisation dürfen nicht mit asynchronem
und synchronem Transfermode verwechselt werden.
Asynchrone Datenübertragung
Bei der asynchronen Datenübertragung werden die Daten in einzelnen Zeichen asynchron
übertragen. Jedes Zeichen ist durch ein Startbit (“Low-Pegel-Flanke“) und durch 1, 1.5 oder
2 Stoppbits (“High-Pegel-Flanke“) eingerahmt. Eine Pause zwischen aufeinander folgenden
Zeichen wird vom Sender durch Abgabe eines kontinuierlichen H-Pegels ausgefüllt. Dadurch
ist sichergestellt, dass die Vorderflanke eines darauf folgenden Startbits („Startflanke“) stets
eindeutig erkannt wird. Ein High-Low-Übergang auf der Datenleitung nach abgeschlossener Übertragung eines Zeichens signalisiert dem Empfänger den Beginn eines Startbits. Der
Empfänger tastet dieses Bit sicherheitshalber in der Mitte der Bitzeit nochmals ab und ist
anschließend zur Datenaufnahme bereit. Die Synchronisation muss für jedes übertragene
Zeichen eingangs erneut hergestellt werden. Die Bitrate (Anzahl der übertragenen bit/s) lässt
sich durch Verändern der Taktfrequenz programmieren.
Den sieben Informationsbits eines ASCII-Zeichens wird beim Senden ein Prüfbit zugefügt,
mit dessen Hilfe eventuelle Übertragungsfehler beim Empfänger erkannt und eine Blocksicherung eingeleitet werden kann.
Das in Abbildung 2.8 verwendete Prüfbit ergänzt die Anzahl der logischen Einsen auf eine
gerade Anzahl (parity even). Bei sehr guter Übertragungsqualität kann auch auf die Prüfung
M.Sc. Silvia Krug
EI
Fachgebiet „Kommunikationsnetze“
Praktikumsversuch VDSL und Datenkommunikation
13
Paritätsbit
logisch
“H”
1
logisch
“L”
2
4
8
1
2
4
Start- niederwertiger höherwertiger
Teil
bit Teil
=9
=5
Stoppbit
59h
Abbildung 2.8: Asynchrone Datenübertragung
verzichtet werden (parity none). In Tabelle 2.2 sind Beispiele für wichtige Übertragungsformate gezeigt.
Bezeichnung
Parität
Datenbits Stoppbits
8N1
keine (none)
8
1
7E1
gerade (even)
7
1
7O1
ungerade (odd)
7
1
Tabelle 2.2: Wichtige Übertragungsformate
2.4.5
Die serielle COM-Schnittstelle
Für die Datenübertragung wurde eine Schnittstelle nach RS-232-Norm bzw. ITU-T V.24
eingeführt. Ihre Aufgabe gliedert sich in vier Teile:
• die Polaritätszuordnung
• Steckertyp und Belegung
• Beschreibung der Signalleitungen
• Beschreibung spezieller Signale, die für die verschiedenen Modems benötigt werden
Die V.24-Schnittstelle ist für niedrige Datenübertragungsraten (< 20 kbit/s), relative kurze
Entfernungen (< 15 m), damit sich Masseschleifen nicht störend auswirken) und für unsymmetrische Leitungen konzipiert worden. Heute werden jedoch deutlich höhere Übertragungsraten und Reichweiten erzielt. Das übertragene Spannungssignal ist bipolar (HighPegel, logisch 0: + 3 bis 15V; Low-Pegel, logisch 1: -3 bis -15V. Daten werden in negativer
und Steuersignale in positiver Logikzuordnung dargestellt. Neben den beiden Datenleitungen
M.Sc. Silvia Krug
EI
Fachgebiet „Kommunikationsnetze“
Praktikumsversuch VDSL und Datenkommunikation
14
TXD (Transmit Data, Datenausgang) und RXD (Receive Data, Dateneingang) sind für die
Schnittstelle 5 Steuerleitungen definiert: Sendeerlaubnisausgang/-eingang (RTS/CTS, Ready
to send /Clear to send), Übertragungsstrecke in Ordnung (DCD, Data carrier detect), Rechner betriebsbereit (DSR, Data set ready), Terminal betriebsbereit (DTR, Data terminal ready).
Mit ihrer Hilfe lässt sich der Handshakebetrieb zwischen dem Sender und dem Terminal
(Peripheriegerät) realisieren.
2.4.6
Richtungsbetriebsarten
Die Betriebsart bezeichnet die Richtung des Datenaustausches zwischen Sender und
Empfänger. Mögliche Betriebsarten sind Simplex, Duplex und Halbduplex. Die Betriebsart
bezieht sich auf die Charakteristik der genutzten Übertragungsstrecke und bestimmt die unterstützten Richtungen des Datenflusses.
Duplex
Diese Betriebsart erlaubt beiden Datenstationen Daten zu empfangen und zu senden. Die
Übertragungsgeschwindigkeiten auf den Kanälen müssen nicht unbedingt identisch sein.
Halbduplex
Im Halbduplex-Betrieb wird eine wechselseitige Kommunikation geführt, bei der jeweils
nur eine Station sendet und die andere empfängt. Diese Betriebsart wird über einen Kanal
abgewickelt, auf der nur eine Station senden kann. Die gerade sendende Station hat immer
die höchste Priorität. (Beispiel: CB-Funk, Wechselsprecher)
Simplex
In dieser Betriebsart findet der Datenfluss nur in eine Richtung statt. Eine wechselseitige
Kommunikation ist nicht möglich. (Beispiel: Rundfunk)
2.5
Dateiübertragungsprotokolle
Dateiübertragungsprotokolle dienen der Übertragung von Dateien. Einige ermöglichen
die Erkennung und Beseitigung von Übertragungsfehlern, die durch die Datenübertragungsstrecke verursacht wurden. Diese Protokolle sind den Anwendungsschichten des OSIReferenzmodells zuzuordnen, das Steuerungsprotokoll dabei der Schicht 5 (Kommunikationssteuerungsschicht). Beide am Transfer beteiligten Endgeräte müssen das gleiche Protokoll
verwenden, da sonst ein erfolgreicher Datentransfer nicht gewährleistet wird. Einige dieser
Protokolle werden nun näher beschrieben.
Xmodem Xmodem überträgt Dateien in Blöcken zu je 128 Zeichen. Der
empfangende Computer signalisiert, wenn er einen Block intakt
erhalten hat und wartet auf den nächsten Block. Die Erkennung
von Übertragungsfehlern geschieht mit einer CRC-Prüfsumme.
M.Sc. Silvia Krug
EI
Fachgebiet „Kommunikationsnetze“
Praktikumsversuch VDSL und Datenkommunikation
Zmodem
15
Zmodem kann eine ganze Gruppe von Dateien auf einmal übertragen. Die zur Datei gehörenden Daten (Dateigröße, Name
usw.) werden beibehalten. Zmodem kann Fehler schnell erkennen, sie korrigieren und unterbrochene Übertragungsvorgänge zu
einem späteren Zeitpunkt wieder aufnehmen.
Die genannten Protokolle werden heute hauptsächlich verwendet, um mit Embedded Systems zu kommunizieren.
2.6
Datensicherung und Kompression
Bei einer transparenten Übertragung werden die Daten ohne Veränderung übertragen. Das
heißt, die über Modems miteinander kommunizierenden Rechner müssen lediglich die Daten
richtig empfangen und interpretieren, also die gleichen Übertragungsformate und Terminaleinstellungen haben.
Das allgemeine Modell einer Übertragungsstrecke nach Abbildung 2.9 sieht die Möglichkeit
einer Quellencodierung einer Kanalcodierung und einer Leitungscodierung/Modulation vor.
Quelle
QuellenCodierung
KanalCodierung
LeitungsCodierung
Übertragungskanal
Modulation
LeitungsDecodierung
DeModulation
KanalDecodierung
QuellenDecodierung
Senke
Abbildung 2.9: Modell einer gerichteten digitalen Übertragungsstrecke
Bei der Quellencodierung wird die in der Quelle vorhandene Redundanz reduziert, um
den Speicherbedarf der zu übertragenden Daten zu minimieren. Zur Fehlererkennung oder
Fehlerkorrektur wird dann bei der Kanalcodierung wieder Redundanz hinzugefügt. Die
Leitungscodierung/Modulation bestimmt, wie die Daten physikalisch über den Übertragungskanal übertragen werden.
Im einfachsten Fall kann die Quellen- und Kanalcodierung durch Software im Rechner
geschehen, was allerdings zusätzliche Rechnerleistung erfordert. Eine günstigere Variante
ist die Abwicklung von fehlersichernden Protokollen auf Ebene der Modems. Die im Versuch verwendeten Modems können den MNP- und den V.42/V.42bis Standard unterstützen.
Diese Protokolle vereinen Fehlerkorrektur und Datenkompression.
Datensicherung und Kompression nach ITU-T-Empfehlung V.42 und V.42bis
Das Protokoll V.42 ist ein Verfahren zur Datensicherung, welches das Fehlerkontrollverfahren (OSI Schicht 2) LAPM (Link Access Procedure for Modems) verwendet. Hierbei
M.Sc. Silvia Krug
EI
Fachgebiet „Kommunikationsnetze“
Praktikumsversuch VDSL und Datenkommunikation
16
werden ähnliche Verfahren wie bei MNP 1-4 angewendet (Wegfall der Start- und Stoppbits,
variable Blocklänge).
Die CCITT-Empfehlung V.42bis beschreibt das Kompressionsverfahren nach dem British
Telecom Lempel-Ziv (BTLZ)-Verfahren. Dieses Verfahren ist noch leistungsfähiger als das
der MNP-Klasse 5. Der Grad der Kompression ist stark von der Art (Redundanz) der Daten
abhängig. Es können Durchsatzraten von maximal 400% erreicht werden. Der Kompressionsalgorithmus beruht auf der Suche nach mehrfach vorhandenen Mustern auf Bit- und
Wortebene.
2.7
Testschleifen
Digitale (ferne) Testschleife (AT-Befehl: AT&T3)
Diese Testschleife überprüft den gesamten Kommunikationsweg, d. h. den eigenen Rechner,
das Modem, die Telefonleitung und das Modem der Gegenstation. Der sendende Rechner
übermittelt die Zeichen über das Modem und die Telefonleitung an die Gegenstation. Die
Gegenstation schickt die Zeichen unverändert zum sendenden Rechner zurück. Erscheinen
die eingegebenen Zeichen unverändert auf dem Bildschirm, dann haben alle Komponenten
der Übertragungsstrecke den Test bestanden.
M.Sc. Silvia Krug
EI
Fachgebiet „Kommunikationsnetze“
Kapitel 3
Versuchsaufbau
3.1
3.1.1
Hardware
Modems USRobotics 56K* V.92 External Modem 5630
Bei der Datenübertragung über das analoge Fernsprechnetz dienen Modems, die die von der
DEE ausgehenden digitalen Datenströme in analoge Signale umwandeln, als solche übertragen und beim Empfänger wieder in digitale Signale rückwandeln. Wegen der begrenzten
Bandbreite (0,3 - 3,4 kHz) des analogen Fernsprechnetzes nutzt man ausschließlich Trägerfrequenzverfahren. Die Daten vom Rechner zum Modem werden auch hier über eine serielle
V.24 Schnittstelle übertragen.
In diesem Versuch werden USRobotics Modems verwendet. Beide Modems beherrschen das
Modulationsverfahren nach dem Standard V.92 und können somit mit maximal 56 kbit/s
übertragen.
Kommandomodus und Transparentmodus
Die Modems unterstützen zwei Betriebsmodi:
Kommandomodus: in diesem Modus verarbeitet das Modem Befehle, die es über die serielle
Schnittstelle gesendet bekommt. Eine Weiterleitung über die Telefonleitung findet nicht statt.
Transparentmodus: in diesem Modus werden alle Daten, die das Modem über die serielle
Schnittstelle bekommt, an das ferne Modem über die Telefonleitung gesendet.
Nach einem erfolgreichem CONNECT wechseln die Modems automatisch in den Transparentmodus. Um diesen zu verlassen, muss +++ an das Modem gesendet werden. Hierbei ist
zu beachten, dass vor der Eingabe dieser Zeichenkette mindestens eine Sekunde nichts an
die Modems gesendet wird, da sonst die Modems diese Zeichenkette als zu übertragende
Zeichen interpretieren und diese nicht als Steuerzeichen auswerten.
Wenn die Verbindung abgebrochen wird, wechseln die Modems automatisch in den Kommandomodus. Um bei bestehender Verbindung vom Kommandomodus in den Transparentmodus zu gelangen sendet man den Befehl ATO an das Modem.
17
Praktikumsversuch VDSL und Datenkommunikation
18
Anwahl des gerufenen Modems
Vor der Anwahl des anderen Modems sollte generell geprüft werden, ob das Modem die
richtige Übertragungsrate der seriellen Schnittstelle erkannt hat. Dies tut man mit der
Eingabe von AT. Diese Eingabe bestätigt man mit <Enter>. Wenn das Modem darauf mit
OK antwortet, hat sich das Modem auf die richtige Geschwindigkeit eingestellt.
Die Anwahl ist mit Hilfe von AT-Befehlen direkt durch Texteingabe am Terminalprogramm
möglich (Modem muss sich im Kommandomodus befinden). Die Kommandofolge ist
ATDT Rufnummer
Rückmeldungen der Modems
Die Modems bestätigen eingehende Befehle mit Rückmeldungen auf dem Bildschirm. Folgende Rückmeldungen können ausgegeben werden:
3.1.2
OK
Befehl ohne Fehler ausgeführt
ERROR
Falscher Befehl
RING
Ankommender Ruf
NO CARRIER
Faxmodem empfängt keinen Trägerton
NO DIALTONE
Kein Wählton, Wahl abgebrochen
BUSY
Gegenstation ist besetzt
CONNECT xxxx
Verbindung mit xxxx bit/s hergestellt
CARRIER xxxx
xxxx bit/s Trägersignal erkannt
COMPRESSION:
(Class 5, V.42BIS, NONE)
Datenkompression (MNP5, V.42bis, keine)
PROTOCOL:
Datensicherungsprotokoll (ALT, LAP-M, NONE)
VDSL-Modems
In diesem Versuch werden zwei VDSL2-Modems der Firma ALLNET verwendet. Diese
Modems können bis zu 100 MBit/s symmetrisch übertragen. Sie verfügen über einen eingebauten Splitter, so dass über die VDSL-Strecke auch ISDN oder Sprache übertragen werden
kann. Dies wird in dem Versuch genutzt, um auch die Analog-Modems über die VDSLTeststrecke zu verbinden.
Weiterhin verfügen die VDSL-Modems über einen eingebauten Ethernet-Switch. Über die
VDSL-Verbindung sind diese Switche transparent miteinander verbunden. Dadurch ist es
M.Sc. Silvia Krug
EI
Fachgebiet „Kommunikationsnetze“
Praktikumsversuch VDSL und Datenkommunikation
19
möglich, dass Rechner, die an die VDSL-Modems angeschlossen sind, per IP-Protokoll
miteinander kommunizieren können.
3.1.3
VDSL-Teststrecke
Die VDSL-Teststrecke besteht aus zwei Kabeltrommeln die je mit 150 m Kabel bestückt
sind. Diese Kabel bestehen wiederum aus je 4 symmetrisch beschaltete Adernpaare mit
einem Leiterdurchmesser von je 0,4 mm. Diese Adernpaare können im Versuch bis insgesamt 1050 m Gesamtlänge verschaltet werden. Der Durchmesser der Leitungen ist geringer,
als der, der in öffentlichen Netzen (0,6 mm) verwendet wird.
Zur Verbindung werden TAE-Dosen verwendet. Diese dienen der Verbindung der gewählten
Leitungsstücke über TAE-Stecker mit dem Modem und der Verbindung benachbarter
Leitungsstücke, wenn kein Stecker in der Dose steckt. Sobald ein TAE-Stecker gesteckt wird,
unterbricht die Dose die Verbindung der beiden Seiten. Die beiden TAE-Stecker sind richtungsabhängig: Sie verbinden das Modem mit dem Leitungsabschnitt, zu dem die Kontakte
zeigen.
3.1.4
Logikanalysator
Der Logikanalysator ist an COM 1 zwischen dem PC-1 und dem dazugehörigen Modem
angeschlossen. Schalten Sie den Logikanalysator an der Rückseite ein, legen Sie sofort die
Bootdiskette ein, und warten Sie, bis der Ladevorgang abgeschlossen ist. Achtung: Während
des Ladens keine Taste drücken, da sonst ein längeres Testprogramm durchgeführt wird.
Nachdem die Systemsoftware vollständig geladen ist, erscheint das Config-Menü. Durch
Druck auf die Taste Display gelangt man in das Display-Menü, in dem die gemessenen
Daten angezeigt werden. Mit der Taste „Run“ wird eine Messung gestartet und mit der
Taste „Stop“ manuell angehalten. In dem erscheinenden Bildschirmfenster wird das Feld
„ja“ (Überschreiben der vorherigen Daten) mit den Cursortasten aufgehellt und mit „Select“ bestätigt. Im oberen Teil des Display-Menüs sind die Felder X, R und S vorhanden.
X, R und S sind verschiebbare Zeit-Markierungen (Cursor). Weiterhin kann durch drücken
auf „Select“ auf dem entsprechenden Cursor ein Menü aufgerufen werden. In diesem Menü
kann man „Trigger“ auswählen. Dann wird der entprechene Cursor auf das erste Ereignis
verschoben.
Durch Aufhellen der Felder im oberen Bildschirmbereich mit den Cursortasten kann mit dem
Drehknopf auf der Frontplatte des Gerätes der jeweils zugehörige Cursor bewegt werden.
Weiterhin kann durch dücken von „Select“ ein Menü aufgerufen werden, in dem es möglich
ist die Cursor X, R und S zu triggern bzw. aufeinander zu legen. Die Zeitachse kann bei
zuvor mit den Cursortasten aufgehelltem Feld „Z/Tlg“ gedehnt oder gestaucht werden. Zu
Zeitdifferenzmessungen werden R- und S-Cursor auf die zu messenden Ereignisse bewegt
und die Zeitdifferenz R-S am gleichnamigen Fenster abgelesen.
M.Sc. Silvia Krug
EI
Fachgebiet „Kommunikationsnetze“
Praktikumsversuch VDSL und Datenkommunikation
3.2
3.2.1
20
Software
Das Terminalprogramm Minicom
Um einen PC als Datenendeinrichtung verwenden zu können, muss neben der Hardwarekonfiguration eine entsprechende Software auf dem PC installiert sein. Diese Software bezeichnet man u.a. als Kommunikations- oder Terminalprogramm. Kommunikationsprogramme ermöglichen es dem PC, über Analog-Modems die Verbindung zur Gegenstelle aufzunehmen.
Mit Hilfe dieser Programme erfolgt die Konfiguration der Analog-Modems sowie die Übertragung der eigentlichen Daten.
Das Terminalprogramm ermöglicht die Datenkommunikation zwischen den Endgeräten und
ist deshalb der OSI-Schicht 4 zuzuordnen.
In diesem Versuch wird Minicom (unter GNU/Linux) als Kommunikationsprogramm verwendet. Es bietet neben umfangreichen Einstellmöglichkeiten der seriellen Schnittstelle auch
alle gängigen Übertragungsprotokolle an.
Direkt nach dem Start initialisiert Minicom das angeschlossene Modem. Nach dieser Initialisierung werden alle über die Tastatur eingegebenen ASCII-Zeichen zum Modem-Port
geschickt und alle vom Modem eingehende Zeichen auf dem Bildschirm dargestellt.
Um Minicom selbst zu steuern, muss Minicom in den Befehls-Modus versetzt werden.
Dies geschieht, indem man <Strg>-<A> drückt. Wenn man daraufhin z.B. die Taste
<Z> drückt, bekommt man alle verfügbaren Befehle angezeigt. Durch drücken der der
entsprechenden Taste wird der Befehl ausgeführt. Diese Hilfe-Menü kann auch durch direktes drücken der Befehlstaste übersprungen werden. Jeder Befehl kann mit <ESC> abgebrochen werden.
Minicom verfügt über eine optionale Statuszeile. Dort werden die aktuellen Übertragungsparameter wie Schnittstellenrate, Parität oder der Status der Verbindung angezeigt.
CTRL-A Z = Hilfe | 9600 8N1 | NOR | Minicom | V102 | Online
Abbildung 3.1: Optionale Statuszeile des Programms Minicom
Parameter der seriellen Schnittstelle
Um die Übertragungsparameter der seriellen Schnittstelle zu ändern, drücken Sie
<Strg>-<A> um in den Befehlsmodus zukommen. Anschließend drücken Sie <Z> um in
den Hilfe-Modus zu gelangen. Durch Drücken von <O> erscheint das Konfigurationsmenü.
Hier folgen Sie den Anweisungen des Programms. Es ist auch möglich, das Hilfemenü zu
überspringen indem man sofort <Strg>-<A> und <O> eingibt. Im Einstellungsmenü für
die Datenrate der serielle Schnittstelle können Sie mit der Taste A die Datenrate erhöhen
sowie mit der Taste B die Datenrate senken.
M.Sc. Silvia Krug
EI
Fachgebiet „Kommunikationsnetze“
Praktikumsversuch VDSL und Datenkommunikation
21
Senden von Dateien (Upload)
Der Sendevorgang zu einem entfernten Rechner wird durch Drücken der Tastenkombination
<Strg>+<A> und <S> eingeleitet. Es erscheint das Menü zur Abfrage des zu verwendenden Übertragungsprotokolls. Nach Auswahl des gewünschten Protokolls wird nach der zu
versendenden Datei gefragt. Verschieben Sie an dieser Stelle den Cursor mit den Pfeiltasten an die gewünschte Datei, markieren Sie diese Datei durch drücken der Leertaste und
bestätigen Sie Ihre Auswahl mit der Enter-Taste.
Während der Übertragung wird ein Statusfenster mit Angaben über den Download angezeigt.
Empfangen von Dateien (Download)
Der Empfang von Dateien von einem entfernten Rechner muss mit <Strg>+<A> und <R>
gestartet werden. Daraufhin erscheint ein Menü, das die Auswahl des Übertragungsprotokolls für den Dateitransfer ermöglicht. Bei Xmodem oder ASCII fragt Minicom nach dem
Namen, unter dem die Datei abgespeichert werden soll.
Bei Auswahl eines anderen Protokolls vergibt der Absender der Datei den Namen, unter dem
die empfangene Datei abgespeichert wird. Existiert ein vom Rechner vergebener Name bereits, wird er durch Nummerierung seiner Erweiterung umbenannt. Während der Übertragung
wird ein Statusfenster mit Angaben über den Download angezeigt.
Verbindungsabbruch/Auflegen
Um eine bestehende Verbindung zu beenden wechselt man zu erst in den Kommandomodus
(+++ / siehe 3.1.1). Im Kommandomodus kann dann die Verbindung mit dem Kommando
ATH beenden werden.
minicom beenden
Mit <Strg>+<A> und <X> kann minicom beendet werden. Besteht noch eine Verbindung
zu einem anderen Computer, fragt minicom ab, ob diese Verbindung vor Verlassen des Programms unterbrochen werden soll. Wählen Sie dann die Option Auflegen.
Modem-Reset
Falls durch eine Fehleingabe eine Praktikumsaufgabe nicht gelöst werden kann, sollte das
Modem neu initalisiert werden. Dies geschieht mit der Eingabe von <Strg>+<A> und <M>.
Darauf hin kann die entsprechende Aufgabe nochmals gelöst werden.
3.2.2
VDSLScanner
VDSLScanner ist eine Software, um das Signalrauschverhältnis und die Bitraten aus den
VDSL-Modems auszulesen. Diese Programm kann nur auf einem der beiden Rechner gestartet werden. Falls Sie mehrere Messungen machen, drücken Sie den Refresh-Knopf. Falls
Sie die Daten der ersten Messung behalten möchten, starten Sie eine neue Instanz der Software.
M.Sc. Silvia Krug
EI
Fachgebiet „Kommunikationsnetze“
Praktikumsversuch VDSL und Datenkommunikation
3.2.3
22
TrafficSimulator
TrafficSimulator ist eine Software mit der man UDP- sowie TCP-Datenströme simulieren
kann. Die Software ist auf beiden Rechner zu starten. Damit die Trafficsimulatoren über
TCP miteinander kommunizieren können, müssen sie zuvor verbunden werden. Dafür gibt
es im Bereich der ShoutBox und im Bereich des „TCP-Traffic“-Feldes eine entsprechende
Schaltfläche. Es ist ausreichend, nur auf einem Rechner die Schaltfläche zu drücken, da die
Software sowohl aus Server als auch als Client fungieren kann.
Im Feld „TCP-Traffic“ können Blöcke mit selbst gewählter Größe an den anderen Rechner
geschickt werden. Weiterhin kann dort angeben werden, nach welcher Zeit der nächste Block
gesendet werden soll. Somit ist es möglich, die Datenrate zu begrenzen. Gleichzeitig wird
in diesem Feld angezeigt, mit welcher TCP-Datenrate das Programm Daten vom entfernten
Rechner empfängt.
Im Feld UDP-Traffic kann man die Sendedatenrate sowie die Datagrammgröße angeben.
Darunter stellt die Software die UDP-Empfangsdatenrate vom entfernten Rechner dar.
Im Bereich IP-Traffic wird der Datenverkehr auf der IP-Netzwerkschnittstelle des Betriebssystem angezeigt. Die hier angezeigten Werte verstehen sich inklusive IP-Header.
M.Sc. Silvia Krug
EI
Fachgebiet „Kommunikationsnetze“
Kapitel 4
Hausaufgaben
1. Wiederholen Sie die Ihnen aus der Vorlesung bekannte Schichtenstruktur des OSIReferenzmodells! Beschriften Sie die Zeichnung in Abbildung 4.1 und verwenden
Sie dabei Begriffe wie: (a) Übertragungskanal, (b) anwendungsorientierte Protokolle,
(c) transportorientierte Protokolle, (d) Ende-zu-Ende-Protokolle, (e) Netzzugangsprotokolle, (f) Virtual-Terminal-Emulation, (g) Umsetzung der Bildschirmdarstellung in
globales Format, (h) Dialogverwaltung (Sitzungsverwaltung), (i) Flussregelung zwischen Endsystemen, (j) Wegesuche für Verbindungsaufbau, (k) Bitsynchronisation, (l)
Leitungscodierung, (m) Sicherung!
Physikalische Verbindung
Abbildung 4.1: „Stummes“ OSI-Referenzmodell
2. Bei einer 8N1-Übertragung synchronisiert sich der Empfänger an der Flanke des
Start-Bits. Da Sender und Empfänger keine exakt synchronen Uhren besitzen, kann
der Empfänger am Ende des Datenblocks (8 Bit) unter Umständen das letzte Bit
nicht mehr optimal in der Mitte abtasten. Wie groß darf die Bitlängendifferenz
∆T = |TS − TR | maximal sein, wenn TS die Bitlänge des Senders und TR die Bitlänge
des Empfängers ist? Lösen Sie die Aufgabe mit einer Skizze!
3. Skizzieren Sie das Bild einer 4DPSK mit der Binärfolge 0011 0110 im Zeitbereich!
Die Phase der ersten Schwingung kann beliebig gewählt werden.
23
Kapitel 5
Versuchsaufgaben
Analoge Übertragungsstrecke
1. Aufbau einer Verbindung und Testen der Übertragungsstrecke
• Starten Sie Minicom auf beiden Rechnern, indem Sie die entsprechende
Verknüpfung auf dem Desktop doppelt anklicken. Maximieren Sie die Fenster.
• Bauen Sie per Analog-Modem eine Verbindung von PC-1 zu PC-2 auf. PC-2 ist
unter der Telefonnummer 2 erreichbar. Beobachten Sie die Bildschirmausgaben
auf beiden Rechnern. Gehen Sie dabei nach der Beschreibung „Anwahl des fernen Modems“ im Kapitel 3.1.1 vor.
• Wie hoch ist die Übertragungsrate der seriellen Schnittstelle des PC-1? Mit
welcher Übertragungsgeschwindigkeit haben sich die Modems verbunden?
serielle Schnittstelle
Übertragungsrate
8N1
Modem
Tabelle 5.1: Messwerte - Datenraten
• Übertragen Sie einen beliebigen Text (mit der Tastatur) vom PC-1 zum PC-2 und
umgekehrt.
• Was passiert, wenn eine Dateneingabe gleichzeitig von beiden Endgeräten aus
erfolgt? Handelt es sich bei dieser Verbindung um eine Vollduplex-, Halbduplexoder um eine Simplex-Verbindung?
Vollduplex
Halbduplex
Simplex
• Trennen Sie die Verbindung mit dem entsprechenden AT-Kommando.
2. Übertragen von Dateien
• Bauen Sie per Analog-Modem eine Verbindung von PC-1 zu PC-2 auf.
• Übertragen Sie die Datei TEST.TXT zum PC-2 nacheinander mit den Protokollen
Xmodem und Zmodem. Gehen Sie dabei nach der Beschreibung „Senden von
Dateien“ im Kapitel 3.2.1 vor.
24
Praktikumsversuch VDSL und Datenkommunikation
25
• Notieren Sie jeweils die Übertragungsrate.
Protokoll Übertragungsrate [BPS]
Xmodem
Zmodem
Tabelle 5.2: Messwerte - Übertragen von Dateien
• Vergleichen Sie diese Werte mit der Datenrate, mit der sich die Modems verbunden haben. Woraus resultieren die Unterschiede?
–
–
• Trennen Sie die Verbindung.
3. Komprimierte Übertragung
Auf den PCs befindet sich zusätzlich zur Datei TEST.TXT auch die komprimierte
Datei TEST.gz. Diese sollen beide übertragen werden. Werden Unterschiede bei der
Übertragung dieser Dateien mit eingeschalteter Kompression bestehen? Gibt es überhaupt Unterschiede bei der Übertragung verschiedener Dateiformate? Überprüfen Sie
die Vermutung und notieren Sie die entsprechenden Übertragungsraten.
• Bauen Sie eine Verbindung zwischen beiden PCs mit eingeschalteter V.42bis
Komprimierung auf. Die Komprimierung muss vor dem Verbindungsaufbau an
beiden Modems eingeschaltet werden. Der entsprechende AT-Befehl finden Sie
im Anhang.
• Übertragen Sie die Datei TEST.TXT mit Zmodem und notieren Sie die Übertragungsrate.
Übertragungsrate:
• Warum werden die Dateien nicht schneller übertragen? Wo liegt der Denkfehler?
Hinweis: Auf welchen Streckenabschnitten findet eine Komprimierung statt und
auf welchen nicht?
Fehlerursache:
• Beenden Sie die Verbindung und beheben Sie den Fehler. (3.2.1) Bauen Sie die
Verbindung wieder auf und übertragen Sie die Dateien TEST.TXT und TEST.gz.
und notieren Sie die Übertragungsraten. Vergleichen Sie die Übertragungsraten
mit den Werten aus der Aufgabe 2.
Versuch
Übertragungsrate [BPS]
TEST.TXT
TEST.gz
Tabelle 5.3: Messwerte - Übertragen von Dateien mit Komprimierung
• Warum wird die komprimierte Datei TEST.gz mit eingeschalteter Komprimierung trotzdem schneller übertragen?
–
M.Sc. Silvia Krug
EI
Fachgebiet „Kommunikationsnetze“
Praktikumsversuch VDSL und Datenkommunikation
26
–
• Trennen Sie die Verbindung und führen Sie einen Modem-Reset durch.
• Welcher Schicht des OSI-Modells ist die Steuerung des Dateitransfers
zuzuschreiben?
–
• Welcher Schicht des OSI-Modells ordnen Sie das datensichernde V.42-Verfahren
zu?
–
4. Echo
• Stellen Sie die Bitrate der seriellen Schnittstelle am PC-1 auf 300 Bit/s.
• Schalten Sie mittels des AT-Kommandos ATE0 das Modem-Echo aus.
• Überprüfen Sie die Wirkung (ohne Verbindung), indem Sie ein „AT“ an das Modem senden. Bestätigen Sie Ihre Eingabe mit „Return“.
• Schalten Sie das lokale Echo von Minicom ein. Benutzen Sie dafür das HilfeMenü (<Strg>-<A> und <Z>)
• Überprüfen Sie die Wirkung (ohne Verbindung), indem Sie ein „AT“ an das Modem senden.
• Schalten Sie nun das Modem-Echo wieder ein und überprüfen Sie die Wirkung
durch das Senden von „AT“.
Wodurch werden die Echos auf dem Bildschirm erzeugt? Überprüfen Sie Ihre Feststellung mit Hilfe des Logikanalysators. Messen Sie hierzu die Signale auf den Leitungen
TXD und RXD der seriellen Schnittstelle und die Zeitverzögerung zwischen TXD und
RXD mit Hilfe des Logikanalysators. Gehen Sie dabei nach der Beschreibung „Logikanalysator“ im Kapitel 3.1.4 vor. Geben Sie z. B. mehrfach 40 ein.
Delay zwischen TXD und RXD
Tabelle 5.4: Messwerte - Zeitverzögerung lokal
Identifizieren Sie auf dem Logikanalysator die Zeichen mit der ausliegenden Schablone. Überprüfen Sie Ihr Ergebnis mit der ASCII-Tabelle.
Eingegebenes Zeichen:
Hexadezimalwert des Zeichens:
h
5. Ferne Testschleife
• Stellen Sie die Bitrate der seriellen Schnittstelle von PC-1 und PC-2 auch auf
2400 Bit/s.
• Erlauben Sie mit dem entsprechenden AT-Kommando das Aufbauen einer fernen
Testschleife am Modem des PC-2.
• Bauen Sie eine Verbindung von PC-1 zu PC-2 auf.
M.Sc. Silvia Krug
EI
Fachgebiet „Kommunikationsnetze“
Praktikumsversuch VDSL und Datenkommunikation
27
• Verlassen Sie den Transparent-Modus des Modems an PC-1.
• Starten Sie vom PC-1 aus eine ferne Testschleife an PC-2.
• Messen Sie mit dem Logikanalysator die Zeitverzögerung zwischen TXD und
RXD:
–
–
–
–
–
Starten Sie eine neue Messung,
geben Sie zwei bis drei Buchstaben ein,
stoppen Sie die Messung,
überschreiben Sie die vorherige Daten und
nehmen Sie die Messwerte auf.
Delay zwischen TXD und RXD
Tabelle 5.5: Messwerte - Zeitverzögerung fern
• Beenden Sie die Verbindung.
• Vergleichen Sie die gemessene Zeitverzögerung mit der Verzögerung aus der
Aufgabe 4. Woher kam jetzt das Bildschirmecho?
– Echo-Quelle Aufgabe 4:
– Echo-Quelle Aufgabe 5:
VDSL Übertragungsstrecke
1. Leitungslänge und Verbindungsgeschwindigkeit
Die vorliegenden VDSL-Modems haben jeweils eine „Link“-LED. Diese LED hat folgende Zustände: „aus“ - Modems sind nicht verbunden; „ein“ - Modems sind verbunden/synchronisiert; „blinkt“ - Modem-Synchronisation läuft. Falls die LED länger
als drei Minuten blinkt, kann davon ausgegangen werden, dass die Modems über die
eingestellte Leitungslänge sich nicht synchronisieren. Bevor Sie die Leitungslänge
ändern, schalten Sie die Modems aus. Erst nachdem Sie die Leitungslänge geändert
haben, schalten Sie die Modems wieder ein.
• Messen Sie mit dem VDSL-Scanner am PC-1 mit welchen Bitraten die Modems
sich synchronisieren. Stecken Sie dabei alle möglichen Leitungslängen auf der
Schalttafel. Für die verschiedenen Messungen sollten mehrere Instanzen vom
VDSL-Scanner geöffnet werden, um die SNR-Graphen besser vergleichen zu
können.
Richtung 150 m 300 m
Upload
Download
450 m
600 m
750 m 900 m
1050 m
Tabelle 5.6: Messwerte - VDSL Verbindungsgeschwindigkeiten
M.Sc. Silvia Krug
EI
Fachgebiet „Kommunikationsnetze“
Praktikumsversuch VDSL und Datenkommunikation
28
120
100
MBit/s
80
60
40
20
0
150
300
450
600
750
Meter
Abbildung 5.1: Abhängigkeit zwischen der Datenrate und der Leitungslänge
• Stellen Sie für die folgenden Versuche die Leitungslänge auf 600 m und messen
Sie noch einmal die Bitrate. Schließen Sie alle Instanzen des VDSL-Scanners.
2. TCP-Übertragung
• Starten Sie auf beiden Rechnern den Traffic-Simulator und bauen Sie
eine TCP-Verbindung auf. Klicken Sie hierfür im Traffic-Simulator am
PC-1 in dem Feld „TCP-Traffic“ die Schaltfläche „verbinden“ an.
• Senden Sie 500 kB große Datenblöcke von 1 ms von PC-1 auf PC-2. Beobachten
Sie die Grafik „Outgoing“ im Feld „IP-Traffic“ am PC-1 und vergleichen Sie
diese mit der entsprechenden Grafik „Incoming“ auf PC-2. Was stellen Sie fest?
Begründen Sie Ihre Beobachtung. Woher kommt die Datenrate im Downstream?
–
• Notieren Sie die am PC-2 angezeigte Empfangsdatenrate in den Feldern „TCPTraffic“ und „IP-Traffic“. Vergleichen Sie diese Werte mit den Werten, die Sie
im letzten Versuch gemessen haben. Begründen Sie Ihre Messergebnisse. Warum
unterscheiden sich die Werte?
–
TCP-Datenrate IP-Datenrate
Übertragungsraten
Tabelle 5.7: Messwerte - TCP-Übertragung
• Stoppen Sie die Übertragung von TCP-Daten und trennen Sie die Verbindung.
3. UDP-Übertragung
• Stellen Sie die UDP-Datagrammgröße auf 1500 Byte und den Abstand auf 20
ms. Senden Sie mit diesen Werten UDP-Daten von PC-1 auf PC-2. Notieren Sie
dabei die Empfangsdatenrate, die Datagrammverluste im Feld „UDP-Traffic“,
M.Sc. Silvia Krug
EI
Fachgebiet „Kommunikationsnetze“
Praktikumsversuch VDSL und Datenkommunikation
29
die Werte im Feld „IP-Traffic“ am PC-2 sowie die Werte im Feld „IP-Traffic“ am
PC-1.
PC-2
UDP-Empfang IP-Datenrate Datagrammverluste
Übertragungsraten
PC-1
IP-Datenrate
Übertragungsraten
Tabelle 5.8: Messwerte - UDP-Übertragung
• Beenden Sie das empfangende Programm am PC-2 noch während das andere Programm sendet. Beobachten Sie dabei die Werte im Feld „IP-Traffic“ des sendenden Programms. Woher kommen die Pakete im Downstream?
–
• Stoppen Sie das Senden von UDP-Daten
• Starten Sie den Traffic-Simulator am PC-2 erneut.
4. Gleichzeitige UDP- und TCP-Übertragung
• Bauen Sie eine TCP-Verbindung von PC-1 zu PC-2 auf und senden Sie über diese
Verbindung 500 kB große Datenblöcke mit einem Abstand von 1 ms an PC-2.
• Senden Sie UDP-Datagramme mit einer Größe von 1500 Byte und einem Abstand von 20 ms an PC-2. Beobachten Sie dabei die Veränderung der Empfangswerte für UDP und TCP am PC-2. Was fällt Ihnen auf?
PC-2
Übertragungsraten
TCP-Empfang
UDP-Empfang
Datagrammverluste
IP-Datenrate
Tabelle 5.9: Messwerte - Gleichzeitige UDP- und TCP-Übertragung
• Stoppen Sie das Senden von UDP-Daten und verkürzen Sie den Abstand zwischen den UDP-Datagrammen auf 2 ms. Starten Sie nun das Senden von UDPDaten am PC-1 erneut. Beobachten Sie wieder die Empfangsraten für UDP und
TCP am PC-2. Warum kommt die TCP-Übertragung fast zum Stillstand?
–
Welche Vorteile hat die Übertragunge von Daten mittels UDP? Begründen Sie
Ihre Antwort.
–
Welche Vorteile hat die Übertragunge von Daten mittels TCP? Begründen Sie
Ihre Antwort.
–
M.Sc. Silvia Krug
EI
Fachgebiet „Kommunikationsnetze“
Kapitel 6
Verzeichnis der verwendeten
Abkürzungen
4-DPSK
ADSL
ASCII
4-wertiges DPSK
Asymmetric Digital Subscriber Line
American Standard Code for Information Interchange
BTLZ
British Telecom Lempel-Ziv
CAP
CAPI
CCITT
COM
CRC
CTS
Carrierless Amplitude Phase Shift Keying
Common Application Programming Interface
Comité Consultativ International Télégrafique et Téléfonique
Bezeichnung einer seriellen Kommunikationsschnittstelle am PC
Cyclic Redundancy Check
Clear To Send
Datex
Datex-P
DCD
DEE
DMT
DPSK
DSL
DSLAM
DSR
DTR
DÜE
Data Exchange
Data Exchange, paketorientiert
Data Carrier Detect
Datenendeinrichtung
Discrete Multi Tone
Differential Phase Shift Keying (Phasendifferenzmodulation)
Digital Subscriber Line
DSL Access Multiplexer (DSL-Zugangskonzentrator)
Data Set Ready
Data Terminal Ready
Datenübertragungseinrichtung
IP
ISDN
ITU-T
Internet Protocol
Integrated Services Digital Network
International Telecommunication Union - Telephony (ehemals
CCITT)
LAP-M
MNP
Modem
Link Acess Procedure for Modems
Microcom Networking Protokoll
Modulator/Demodulator
30
Praktikumsversuch VDSL und Datenkommunikation
OFDMA
OSI
Orthogonal Frequency Division Multiple Access
Open Systems Interconnection
QAM
Quadraturamplitudenmodulation
RTS
RXD
Ready To Send
Receive Data
TA
TAE
TCP
TE
TXD
Terminal Adapter
Telekommunikations-Anschluss-Einheit
Transmission Control Protocol
Terminal Equipment
Transmit Data
UDP
USB
User Datagram Protocol
Universal Serial Bus
VDSL
Very High Speed Digital Subscriber Line
M.Sc. Silvia Krug
EI
31
Fachgebiet „Kommunikationsnetze“
Praktikumsversuch VDSL und Datenkommunikation
32
Wichtige HAYES-Befehle (AT-Befehle)
ATX3
Modem wartet nicht auf Wählton
(wichtig für Nebenstellenanlagen)
ATDPnn Pulswahl (Nummer nn)
ATDTnn Frequenzwahl (Nummer nn)
ATEn
n=0: kein Echo;
n=1: Echo
vom Modem
ATQn
Rückmeldungen:
n=1 ausgeben;
n=0 unterdrücken
ATLn
Lautstärke des Modem-Lautsprechers 1..n..3
ATMn
Lautsprecher des Modems
n=0: aus;
n=1: bei Anruf oder Wahl ein
n=2: immer ein
ATHn
n=0: auflegen;
n=1: abheben
ATS0=n automatisch abheben nach n-tem Klingeln;
n=0: nicht abheben
ATA
Anruf annehmen
AT&N6
Verbindungsdatenrate auf 9600 bps festsetzen
+++
Transparentmodus → Kommandomodus
ATO1
Kommandomodus → Transparentmodus mit Synchronisation
der Gegenstation
ATO0
Kommandomodus → Transparentmodus
AT&T6
ferne Testschleife starten
AT&T0
laufende Testschleife beenden
AT&T4
Testschleife von Gegenstation erlauben
AT&T5
Testschleife von Gegenstation verbieten
ATZn
Initialisieren mit Benutzerprofil n;
(0 = Werkskonfiguration)
AT&V
Anzeige der aktuellen Konfiguration
ATS7=45 Legt (in Sekunden) die Wartezeit des Modems auf ein Trägersignal fest
ATS0=1 Legt die Anzahl der Rufzeichen bis zum Abheben im automatischen Antwortmodus (Auto Answer) fest
ATV1
Alphabetische Statusanzeigen
AT&C1
Steuert das Trägererkennungssignal (CD) → Normaler CDBetrieb
AT&G0
Kein Guardton
AT&I0
Software-Flußkontrolle deaktiviert
AT&M0 Normalmodus, Fehlerkorrektur deaktiviert
AT&M5 ARQ-Betrieb (V.42bis ein)
M.Sc. Silvia Krug
EI
Fachgebiet „Kommunikationsnetze“