Grundlagen der Datenübertragung: Modi, Medien und Protokolle

Synchrone Übertragung

Bei dieser Art der Übertragung benötigen Sender und Empfänger die gleiche Taktfrequenz. Die Übertragung erfolgt in Blöcken. Dabei werden zwei Gruppen von Bits, sogenannte Trennzeichen, definiert, welche den Anfang und das Ende eines jeden Blocks markieren.

Diese Methode ist effektiver, da der Informationsfluss gleichmäßig erfolgt, wodurch höhere Übertragungsgeschwindigkeiten erreicht werden können.

Um die Synchronisation zu erreichen, sendet der Sender ein Startsignal. Die Übertragung wird durch die Uhr des Empfängers aktiviert. Von diesem Augenblick an sind Sender und Empfänger synchronisiert.

Asynchrone Übertragung

Die asynchrone Verbindung sendet jedes Zeichen in unregelmäßigen Zeitabständen (z. B. wenn ein Benutzer Zeichen in Echtzeit über die Tastatur eingibt).

Um dies zu bewerkstelligen, wird jedem Zeichen eine Information vorangestellt, die den Beginn der Zeichenübertragung signalisiert (dieses Bit wird als START-Bit bezeichnet). Die Beendigung der Übertragung wird durch das END-Bit signalisiert, welches möglicherweise sogar aus mehreren Bits bestehen kann.

Übertragungsmedien

Das Übertragungsmedium ist der Kanal, der den Informationsaustausch zwischen den beiden Endgeräten in einem Übertragungsnetz ermöglicht.

Die Wellen werden in der Regel unter Verwendung elektromagnetischer Ausbreitung durch den Kanal gesendet.

Manchmal ist der Kanal physisch, manchmal nicht, da sich elektromagnetische Wellen auch durch das Vakuum ausbreiten können.

Geführte Medien (Wired)

Geführte Übertragungsmedien bestehen aus einem Kabel, das dafür verantwortlich ist, die Signale von einem Ende zum anderen zu leiten (oder zu führen).

Die Übertragungsgeschwindigkeit hängt direkt von der Entfernung zwischen den Endgeräten ab und davon, ob das Medium für eine Punkt-zu-Punkt- oder eine Mehrpunkt-Verbindung verwendet wird. Aufgrund dieser Unterschiede ermöglichen verschiedene Übertragungsmedien unterschiedliche Verbindungsgeschwindigkeiten, was eine Mischnutzung ermöglicht.

Beispiele:

• UTP oder Twisted Pair
• Glasfaser
• Koaxialkabel

Ungelenkte Medien (Wireless)

Ungelenkte Übertragungsmedien senden Signale nicht durch irgendeine Art von Kabel, sondern die Signale breiten sich frei durch ein nicht-physisches Medium aus. Dies kann Luft oder Vakuum sein.

Sowohl das Senden als auch das Empfangen von Informationen erfolgt durch Antennen. Bei der Übertragung strahlt die Antenne elektromagnetische Energie in die Umgebung ab. Im Gegensatz dazu fängt die Antenne beim Empfang die elektromagnetischen Wellen aus der Umgebung auf.

Die Einstellungen für ungelenkte Übertragungen können gerichtet oder kugelförmig (omnidirektional) sein.

Bei der gerichteten Übertragung strahlt die Sendeantenne Energie in einem konzentrierten elektromagnetischen Strahl ab. Die Antennen von Sender und Empfänger müssen dabei aufeinander ausgerichtet sein.

Bei der kugelförmigen Strahlung erfolgt die Emission gestreut in alle Richtungen, und das Signal kann von mehreren Antennen empfangen werden. Generell gilt: Je höher die Frequenz des gesendeten Signals, desto einfacher ist es, die Energie in einem gerichteten Strahl zu bündeln.

Die Datenübertragung über ungelenkte Medien bringt zusätzliche Probleme mit sich, die durch Reflexionen des Signals an verschiedenen Hindernissen im Medium verursacht werden.

Beispiele:

• Bluetooth
• Infrarot
• Wi-Fi

Übertragungsmodi

Simplex:

Ein Sender fungiert immer als Quelle und der andere immer als Empfänger. Diese Methode ermöglicht die Übermittlung von Informationen nur in eine Richtung. Beispiel: Das Fernsehen.

Semi-Duplex oder Half Duplex:

Eine Station A fungiert zu einem Zeitpunkt als Quelle und eine andere Station B als Empfänger. In der nächsten Periode wird B zur Quelle und A zum Empfänger. Ermöglicht die Übertragung in beide Richtungen, jedoch nicht gleichzeitig. Beispiel: Ein Gespräch über Walkie-Talkies oder CB-Funk.

Vollduplex (Full Duplex):

Beide Geräte (A und B) fungieren gleichzeitig als Quelle und Empfänger, senden und empfangen Informationen gleichzeitig. Ermöglicht die Übertragung in beide Richtungen gleichzeitig. Beispiel: Ein direktes Telefongespräch.

Multiplexing-Techniken

Multiplexing ist ein Verfahren, bei dem verschiedene Informationen einen gleichen Kommunikationskanal nutzen können.

Frequenzmultiplex (FDM)

Diese Technik dient dazu, die verfügbare Bandbreite eines physischen Mediums in mehrere kleinere, unabhängige logische Kanäle aufzuteilen, wobei jeder Kanal eine geringere Bandbreite erhält.

Dies wird erreicht, indem das verfügbare Spektrum in Kanäle unterteilt wird, die unterschiedlichen Frequenzbereichen entsprechen. Diese Kanäle werden verschiedenen Benutzern zugewiesen, sodass die Kommunikation ohne gegenseitige Interferenzen durchgeführt wird.

Es wird verwendet, um mehrere Informationskanäle gleichzeitig über dasselbe Kommunikationsmedium zu übertragen.

Zeitmultiplex (TDM)

Eine Technik, die die Übertragung digitaler Signale ermöglicht. Die Idee ist, einen Übertragungskanal aus verschiedenen Quellen zu belegen, wodurch eine bessere Ausnutzung des Übertragungsmediums erreicht wird.

Dabei wird die gesamte Bandbreite des Übertragungsmediums jedem Kanal für einen Bruchteil der Gesamtzeit (Zeitintervall) zugeteilt.

Übertragungsarten (Adressierung)

Unicast-Übertragung

Unicast ist das Senden von Paketen oder Informationen von einem einzigen Sender an einen einzigen Empfänger, d. h. eine Übertragung von Eins-zu-Eins (Punkt-zu-Punkt).

In einer Unicast-Umgebung, in der mehrere Benutzer dieselben Informationen vom Server anfordern, beantwortet der Server die Anfragen, indem er die Informationen an jeden einzelnen Benutzer sendet.

Die Unicast-Methode sendet den Datenverkehr getrennt an alle Geräte, die die Daten angefordert haben. Dies kann wiederum zu einer Überflutung (Flooding) des Netzwerks aufgrund der Menge des Verkehrs führen.

Multicast-Übertragung

Multicast ist die Übermittlung von Informationen an mehrere Netzwerkempfänger gleichzeitig (Eins-zu-Viele). Das heißt, ein Sender sendet eine Nachricht, und mehrere Empfänger erhalten dieselbe.

Es ist wichtig zu beachten, dass der Sender die Informationen nur einmal sendet und nicht n Kopien, obwohl es n Empfänger gibt. Der Router ist für die Verbreitung der Informationen verantwortlich.

Ein Beispiel für Multicast-Kommunikation könnte eine Konferenz sein, bei der mehrere Personen miteinander kommunizieren.

Diese Methode ähnelt der Broadcast-Übertragung, außer dass Multicast die Informationen nur an eine bestimmte Gruppe sendet, während Broadcast Informationen an alle Knoten im Netzwerk sendet.

Broadcast-Übertragung

Dies ist eine Form der Übertragung, bei der ein sendender Knoten Informationen gleichzeitig an eine Vielzahl von empfangenden Knoten sendet (Übertragung von Eins-für-Alle). Es ist nicht notwendig, dieselbe Übertragung Knoten für Knoten zu reproduzieren.

Ein einfaches Beispiel für die Implementierung der Broadcast-Kommunikation ist ein Funksender, der Signale aussendet, ohne die Empfänger zu kennen. Der Empfänger entscheidet, ob er das Signal empfangen möchte oder nicht, wie z. B. bei einem TV-Signal, das an alle Empfänger gesendet wird.

Das Problem bei dieser Art der Übertragung in einem Netzwerk ist, dass sie den Datenverkehr im Netzwerk erhöht und dass die Informationen möglicherweise Computer erreichen, die kein Interesse an den übertragenen Informationen haben.

Anforderungen an das Netzwerkdesign

Der Entwurf eines Netzwerks dient dazu, die physische Struktur des Netzes festzulegen. Ein gutes Netzwerkdesign ist unerlässlich, um Datenverluste, kontinuierliche Netzwerkausfälle, Probleme mit langsamer Informationsverarbeitung und Sicherheitsprobleme zu vermeiden.

Bei jedem Netzwerkdesign müssen die zu verwendenden Komponenten bestimmt werden: Anzahl der Switches, Router, Ethernet-Karten sowie das Layout der RJ45-Stecker.

Folgende Punkte müssen ermittelt werden:

• Der Typ der Hardware jedes Computers.
• Die Auswahl des Servers oder der Server für Verbindungen zwischen Computern.
• Die Art der benötigten Netzwerkadapter.
• Die notwendige Hardware: Modems, Router, Switches, Kabeltyp, Kabelkanäle.
• Die Kapazitäten von Prozessor und Speicher der Geräte.
• Die Messung des Abstands zwischen Computer und Server.

Weitere Anforderungen, die beim Entwurf eines Netzwerks berücksichtigt werden müssen, sind:

Anzahl der Verkabelungspunkte: Es ist wichtig, die benötigte Menge an Verkabelungspunkten im Voraus zu kennen.

Der Standort der Netzwerkinstallation: Dies bezieht sich auf Bauzeichnungen und die Lage der zukünftigen Arbeitsplätze. Es ist notwendig, detaillierte Pläne der Einrichtungen zu haben, in denen sich die zukünftigen Netzwerkknoten befinden werden. Es ist sehr wichtig, einen technischen Besuch vor Ort durchzuführen, um die Installation und mögliche Einschränkungen zu überprüfen.

Verwendung korrekter Materialien, Werkzeuge und Schutzmaßnahmen: Die Installationsmaterialien, Kabel und Anschlüsse sind maßgeblich an der Implementierung einer Netzwerkverkabelung beteiligt. Es ist notwendig, dass sowohl grundlegende Materialien wie Kabel als auch Stecker die entsprechenden Herstellerzertifizierungen besitzen, welche die Parameter und die Einhaltung der erforderlichen Standards bestätigen.

Zertifizierung der Verkabelung: Die Zertifizierung der Kabelinstallation gewährleistet die Einhaltung der Normen und die ordnungsgemäße Funktion aller installierten Materialien.

Netzwerkschnittstellenkarte (NIC)

Die meisten Datenübertragungsnetzwerke arbeiten mit einer festen Geschwindigkeit, die oft schneller ist als die Geschwindigkeit, mit der Computer die Bits verarbeiten können. Um ungleiche Geschwindigkeiten auszugleichen, sind die angeschlossenen Computer mit einer speziellen Hardware, der Netzwerkschnittstellenkarte (NIC), ausgestattet.

Sicherheit im Netzwerkdesign

Um die Sicherheit der auf dem Server gespeicherten Informationen zu gewährleisten, ist es erforderlich, mehr als eine Festplatte für die Datensicherung sowie Backup-Geräte (z. B. Bandlaufwerke) zu verwenden.

Flusskontrolle (Flow Control)

Flusskontrolle ist eine Technik, die verwendet wird, um sicherzustellen, dass eine sendende Instanz die empfangende Instanz nicht mit einer übermäßigen Datenmenge überlastet. Im Allgemeinen reserviert die empfangende Instanz einen temporären Speicherbereich für die Übertragung. Ohne Flusskontrollverfahren könnte sich der temporäre Speicher des Empfängers füllen und überlaufen, bevor die vorherigen Daten verarbeitet wurden.

Flusskontrolle mittels Sliding Window

Dies ist ein gerichteter Mechanismus zur Steuerung des Datenflusses zwischen einem Sender und einem Empfänger, die zu einem Netzwerk gehören.

Das Schiebefenster (Sliding Window) ist ein Software-Gerät zur Flusskontrolle, d. h., die Flusskontrolle wird durch den Austausch bestimmter Steuerzeichen oder Kontroll-Frames durchgeführt. Damit teilt der Empfänger dem Sender mit, in welchem Zustand der Bereitschaft er sich für den Empfang von Daten befindet.

Um diesen Zustand zu vermeiden, steuert das Schiebefenster die Menge der Sendungen vom Sender zum Empfänger. Mit diesem Mechanismus werden zwei große Probleme gelöst: die Steuerung des Datenflusses und die Effizienz der Übertragung.

Übertragungsfenster (Transmission Window)

Es ermöglicht dem Sender, mehrere Informationspakete zu übertragen, bevor er auf eine Bestätigung des Empfangs wartet. Eine solche Bestätigung wird als Validierung bezeichnet und erfolgt durch Senden einer ACK-Nachricht vom Empfänger an den Sender. Der Sender speichert alle gesendeten, aber noch nicht validierten Frames in einem Puffer. Sie werden erst aus dem Puffer gelöscht, wenn er die Bestätigung vom Empfänger erhält. Die Größe dieses Puffers sollte gleich oder größer als das Schiebefenster sein.

Empfangsfenster (Reception Window)

Der Empfänger verfügt über ein Empfangsfenster, ähnlich dem Übertragungsfenster, jedoch mit einem völlig anderen Zweck. Seine Funktion ermöglicht es dem Empfänger, eine Reihe von Frames zu empfangen, die ungeordnet ankommen. Das Empfangsfenster ist die Liste der aufeinanderfolgenden Sequenznummern von Frames, die der Empfänger zulässt. Frames werden vorübergehend in einem Puffer gespeichert, bis alle erwarteten Muster eingetroffen sind, sodass die erwartete Frame-Sequenz vollständig und gut sortiert ist.

Flusskontrolle mittels Stop-and-Wait

Ein Sender sendet ein Paket. Nach Erhalt signalisiert der Empfänger seine Bereitschaft, einen weiteren Frame zu akzeptieren, indem er eine Bestätigung (ACK) für das kürzlich empfangene Paket sendet. Die Quelle muss auf die Bestätigung warten, bevor sie mit der Übertragung des nächsten Frames fortfährt. Auf diese Weise kann das Ziel den Datenfluss anhalten, indem es einfach keine Bestätigungen sendet.

Fehlererkennung

Diese Techniken basieren auf der Idee, den zu übermittelnden Informationen redundante Informationen hinzuzufügen. Dadurch kann der Empfänger sehr zuverlässig feststellen, ob die empfangenen Bits tatsächlich mit den gesendeten übereinstimmen. Einige Methoden sind:

Paritätsprüfung

Paritätscodes werden verwendet, um Fehler bei der Übertragung zu erkennen und in einigen Fällen zu korrigieren. Dazu wird den ursprünglichen n-Bits des Zeichens ein zusätzliches Bit, das sogenannte Paritätsbit, hinzugefügt.

• Gerade Parität: Das Paritätsbit ist 0, wenn die Gesamtzahl der Einsen in der Übertragung gerade ist, und 1, wenn die Gesamtzahl der Einsen ungerade ist.
• Ungerade Parität: Das Paritätsbit ist 1, wenn die Gesamtzahl der Einsen in der Übertragung gerade ist, und 0, wenn die Gesamtzahl der Einsen ungerade ist.

Beispiel: Wenn das Zeichen 0111001 übertragen werden soll, wird bei Verwendung der geraden Parität eine 0 hinzugefügt, da die Anzahl der Einsen gerade ist (01110010). Wenn stattdessen die ungerade Parität verwendet wird, wird eine 1 hinzugefügt (01110011).

Zyklische Redundanzprüfung (CRC)

CRC ist eine Art von Funktion, die einen Datenstrom beliebiger Länge als Eingabe nimmt und einen Wert fester Länge als Ausgabe liefert. Sie kann als Prüfsumme verwendet werden, um Änderungen der Daten während der Übertragung oder Speicherung zu erkennen. CRC ist beliebt, weil die binäre Hardware-Implementierung einfach ist, mathematisch leicht zu analysieren und besonders wirksam gegen Fehler ist, die durch Rauschen in Übertragungskanälen verursacht werden.

Fehlerkontrolle (Error Control)

Die Fehlerkontrolle bezieht sich auf die Mechanismen zur Erkennung und Korrektur von Fehlern, die bei der Übertragung von Frames auftreten können. Es gibt zwei mögliche Arten von Fehlern:

• Verlorener Frame (Lost Frame): Tritt auf, wenn ein gesendeter Frame das andere Ende nicht erreicht.
• Beschädigter Frame (Damaged Frame): Tritt auf, wenn der Frame ankommt, aber mit Bitfehlern (während der Übertragung verändert).

Alle diese Techniken werden generisch als Automatic Repeat Request (ARQ) bezeichnet. Es gibt drei Arten:

• ARQ Stop-and-Wait
• ARQ Go-Back-N
• ARQ Selective Repeat

ARQ mit Stop-and-Wait

Es basiert auf der Technik der Stop-and-Wait-Flusskontrolle. Die Quellstation sendet einen einzelnen Frame und muss auf den Empfang einer Bestätigung (ACK) warten. Sie sendet erst dann einen weiteren Frame, wenn die Antwort die Zielstation des Senders erreicht hat.

Es werden zwei Arten von Fehlern behandelt. Erstens: Das Paket, das das Ziel erreicht, kann beschädigt sein. Der Empfänger erkennt dies mithilfe von Fehlererkennungstechniken und verwirft den Frame einfach. Nach dem Senden eines Frames wartet die Station auf den Empfang einer Bestätigung. Wenn die Bestätigung nicht vor Ablauf des Timers empfangen wird, wird dasselbe Paket erneut gesendet. Es ist zu beachten, dass diese Methode erfordert, dass der Sender eine Kopie des gesendeten Frames behält, bis er die Bestätigung dafür erhält.

Die zweite Art von Fehler bezieht sich auf eine beschädigte Bestätigung. Beispiel: Der Sender A sendet einen Frame, der vom Empfänger B korrekt empfangen wird, woraufhin B mit einer Bestätigung (ACK) antwortet. Die ACK wird jedoch so beschädigt, dass sie vom Sender nicht erkannt wird. In diesem Fall tritt ein Timeout auf, und das Paket wird erneut gesendet. Dieses doppelte Paket kommt bei B an und wird akzeptiert. Somit hat B zwei Kopien desselben Pakets akzeptiert, als wären sie unterschiedlich.

ARQ Go-Back-N (Rückkehr um N)

Diese Fehlerkontrolltechnik basiert auf der Sliding-Window-Flusskontrolle und wird als ARQ Go-Back-N bezeichnet. Bei dieser Technik kann eine Station eine Reihe von Frames senden, die bis zu einem bestimmten Maximalwert nummeriert sind. Solange keine Fehler auftreten, bestätigt die Zieladresse die empfangenen Frames wie gewohnt. Wenn die Zielstation einen Fehler in einem Frame feststellt, kann sie eine negative Bestätigung (REJ, Reject) an das Paket senden.

Die Zielstation verwirft diesen Frame und alle Frames, die nach diesem fehlerhaften Frame folgen, bis der korrekte Frame eintrifft. Wenn die Quellstation ein REJ empfängt, muss sie den fehlerhaften Frame sowie alle nachfolgend übertragenen Frames erneut senden.

Einfache Ablehnung (Konzept)

Das Ziel ist es, die Zeit zu nutzen, die der Sender auf die ACK oder Bestätigung wartet. Dazu werden auch während dieser Zeit Frames gesendet.

Es ist leicht anzunehmen, dass dieses System bei der Implementierung Probleme verursachen kann. Zum Beispiel: I0 wird gesendet und nicht korrekt empfangen. Wenn der Timer abläuft, sendet der Sender I1 und dann I0 erneut, wobei letzteres ein anderes Paket ist, aber denselben Namen hat (da nur 0 und 1 als mögliche Namen verfügbar sind). Der Empfänger, der erwartet, dass das fehlerhafte I0 ankommt, verwirft I1, weil es nicht das Erwartete ist, und akzeptiert das zweite I0, als wäre es das erste. Infolgedessen gehen Frames verloren, und schlimmer noch, niemand bemerkt es.

ARQ Selective Repeat (Selektive Wiederholung)

In diesem Fall wird bei Auftreten eines Fehlers nur der Frame erneut gesendet, der nicht bestätigt wurde. Dadurch wird die Übertragungskapazität erhöht, es entstehen jedoch hohe Speicheranforderungen beim Empfänger.

Der Empfänger muss alle Frames, die nach einem fehlerhaften Frame ankommen, im Speicher ablegen und warten, bis der fehlerhafte Frame korrekt eintrifft, um sie später in der richtigen Reihenfolge an die obere Schicht weiterzugeben.

Der Hauptnachteil von ARQ Selective Repeat ist die Aufnahme ungeordneter Informationen, weshalb ein separates Empfangsfenster erforderlich ist, um die Daten geordnet an die obere Schicht weiterzuleiten, wenn ein Paket mit Fehlern empfangen wird.