Kurs:Wirtschaftsinformatik WS09 Kommunikationsnetze1/Lernskript/kap2

Kapitel 2: Grundlagen

Symbolrate

*; Die Symbolrate oder Baudrate ist ein Maß, welches die Schrittgeschwindigkeit bei der Daten-übertragung beschreibt. Die Baudrate beschreibt die Anzahl der Signalcodes (Symbole), die pro Sekunde übertragen werden können. Jeder Signalcode entspricht einer definierten messbaren Signaländerung im physikalischen Übertragungsmedium. Die Symbolrate entspricht der Bitrate, wenn nur ein einziges Bit pro Symbol übertragen wird.

*; Berechnung: Kehrwert der Symboldauer

*; Einheit: Symbole/s (Baud, Bd)

Nominale Übertragungsrate (Bitrate)

*; Die Bitrate (oder nominale Übertragungsrate) gibt die pro Sekunde (Zeiteinheit) maximal über-tragbare Anzahl von Bits an. Sie ergibt sich deshalb aus der Anzahl der Bits, die pro Symbol über-tragen werden können, und der Symbolrate. Die nominale Bitrate gibt eine oberste Grenze für die Kanalkapazität an.

*; Berechnung: Symbolrate * Anzahl Bits pro Symbol

*; Einheit: Bit/s

Kanalkapazität (Bandbreite)

*; Die Kanalkapazität (oder Bandbreite) gibt die technisch tatsächlich mögliche Übertragungsrate an. Wenn Symbole nicht genutzt werden können, ist die Kanalkapazität kleiner als die nominale Übertragungsrate. Beispiel: Der Ethernet-Standard legt fest, dass zwischen zwei aufeinanderfolgenden Rahmen mindestens ein Abstand von 96 Bitdauern eingehalten werden muss (Inter Fra-me Gap, IFG). Dadurch reduziert sich die Kanalkapazität auf ~ 9,92 Mbit/s bei einer nominalen Übertragungsrate von 10 Mbit/s.

*; Berechnung:

*; Einheit: Bit/s

Durchsatz

*; Der Durchsatz gibt die Anzahl der pro Sekunde übertragenen Bits der betrachteten Instanz (z.B. Verbindung) an. Man muss dabei spezifizieren auf welche Instanz sich die Aussage bezieht und wo (im Protokolls tack) genau gemessen wird.

Gesamtdurchsatz

*; Zum Gesamtdurchsatz einer Instanz zählen alle Bits, die von ihr übertragen wurden – egal ob sie dieser Instanz einen Nutzen bringen oder nicht. Beispiel: Eine Station am Ethernet sendet pro Se-kunde 992 Rahmen von jeweils 1000 Bit Länge. Sie hat also einen Gesamtdurchsatz von 992000 Bit/s. Auch wenn Rahmen kollidieren oder wenn Rahmen vom Empfänger wegen Bitfehlern ver-worfen werden, zählen die dabei übertragenen Bits zum Gesamtdurchsatz. Der maximal erreich-bare Gesamtdurchsatz entspricht der Kanalkapazität, d.h. alle nutzbaren Symbole (und damit Bits) werden tatsächlich genutzt (belegt).

*; Einheit: Bit/s

Nutzdurchsatz

*; Beim Nutzdurchsatz wird nur der Anteil der übertragenen Bits der Instanz gewählt, die der In-stanz einen Nutzen bringen. Beispiele: Aus Sicht einer Ethernet-Instanz bringen Pakete mit Bit-fehlern (oder Kollisionen) keinen Nutzen, da sie beim Empfänger verworfen werden und neu übertragen werden müssen  Übertragungsfehler mindern also den Nutzdurchsatz. Aus Sicht der darüberliegenden IP-Instanz stellt nur das im Datenfeld des Ethernet-Rahmens übertragene IP-Paket Nutzbits dar. Der Overhead des Ethernet-Rahmens (Header, CRC, Skript Seite 109) ver-mindert aus Sicht der IP-Instanz den Nutzdurchsatz  Overhead reduziert den Nutzdurchsatz. Beim Nutzdurchsatz muss also genau definiert werden, aus Sicht welcher Instanz die Angabe er-folgen soll.

*; Einheit: Bit/s

Merke: Bitrate ≥ Kanalkapazität ≥ Gesamtdurchsatz ≥ Nutzdurchsatz! Auslastung

*; Generell bezeichnet die Auslastung den Anteil der Gesamtkapazität einer Ressource, der tatsäch-lich genutzt wird. Die Auslastung wird über ein Zeitintervall bestimmt. Beispiele: Bei einer Rech-ner-CPU ergibt sich die Auslastung als Verhältnis der Rechenzyklen in denen der Prozessor arbeitet zu der Gesamtzahl der Rechenzyklen, die der Prozessor in dem Betrachtungsintervall verfüg-bar ist. Bei einer Übertragungsleitung ergibt sich die Auslastung als Verhältnis der (insgesamt) genutzten (belegten) Bits zu der Gesamtzahl nutzbarer Bits, die in dem Betrachtungsintervall ver-fügbar sind. Wenn mehrere Verbindungen gleichzeitig bestehen, geht die Summe der einzelnen Gesamtdurchsätze in die Berechnung ein.

*; Berechnung:

Die maximal erreichbare Auslastung ist 1, d.h. die komplette Kapazität der Ressource wird tat-sächlich genutzt.

*; Einheit: keine, wird in Prozent angegeben

Effizienz

*; Generell gibt die Effizienz an, wie gut die Kapazität einer Ressource tatsächlich ausgenutzt wer-den kann. Beispiele: Die Effizienz eines Paketübertragungs-Verfahrens entspricht (im fehlerfreien Fall) der Länge des Informationsfelds geteilt durch die Gesamtlänge des Pakets (Skript Seite 35, Fehler auf der Folie wurde in der Vorlesung korrigiert). Die Effizienz eines fehlerbehafteten Über-tragungskanals entspricht der Anzahl der korrekt übertragenen Pakete geteilt durch die Anzahl aller übertragenen Pakete (Vortragsübung). Wenn die Pakete unterschiedlich lang sind, muss dies bei der Berechnung berücksichtigt werden.

*; Berechnung:

*; Einheit: keine, wird in Prozent angegeben

Bestandteile der Knoten-Verzögerung bei der paketorientierten Kommunikation Die für die Übertragung eines Datenpakets zwischen zwei Nachbarknoten benötigte Zeit besteht aus der Summe von mehreren Komponenten, die von der Netzauslastung und den Eigenschaften der Netzelemente abhängen. Die Bestandteile der Verzögerung werden anhand der abgebildeten Struk-tur analysiert, wo ein Datenpaket P beim Zeitpunkt t0 am Knoten A eintrifft:

*; Bearbeitungsverzögerung: Der Knoten A muss einen Teil der im Kopfteil von P enthaltenen In-formation lesen und bewerten, um die für die Weiterleitung notwendigen Parameter ermitteln zu können. Die dafür notwendige Zeit tproc wird Bearbeitungsverzögerung genannt.

*; Pufferungsverzögerung: Bevor ein Paket weitergeleitet werden kann, muss man auf die vollstän-dige Bearbeitung der bereits im System wartenden Pakete warten. Die Länge des Aufenthalts tqueue in der Warteschlange wird Pufferungsverzögerung genannt. Der Aufenthalt im Puffer ist von der Netzlast abhängig und für nicht überlastete Netze meist vernachlässigbar.

*; Ausbreitungsverzögerung: Entlang eines Übertragungsmediums erfolgt die Signalausbreitung nur mit einer endlichen Geschwindigkeit v. Die Ausbreitungsverzögerung tprop entspricht der Zeit-spanne, das ein Signal benötigt, um sich bis zum nächsten Knoten auszubreiten (d/v).

*; Übertragungsverzögerung: Wenn die Datenübertragung angefangen hat, werden die Daten mit einer Rate erzeugt, die der nominalen Datenrate entspricht. Die für das Senden des gesamten Datenpakets benötigte Zeit ttrans (Packetgröße/Datenrate) wird Übertragungsverzögerung ge-nannt.

*; Die von einem Knoten verursachte Verzögerung beträgt also:

Vermittlungsprinzipien

Vermittlungsstellen

*; Kanalorientierte Kommunikation

*; Feste Zuordnung Eingang/Zeitschlitz  Aus-

gang/Zeitschlitz (wird beim Verbindungsaufbau

festgelegt)

*; Zuordnung der Daten zu einer Kommunikations-

beziehung anhand der Position

*; Keine gegenseitige Beeinflussung da feste Zeitbeziehung (innerhalb einer Verbindung kons-tante Verzögerung wegen Zeitschlitzumsetzung)

*; Paketorientierte Kommunikation (verbindungsorientiert)

*; Zuordnung Eingang/logische Kanalnummer 

Ausgang/logische Kanalnummer (wird beim

Verbindungsaufbau festgelegt)

*; Bei momentaner Überlast erfolgt Zwischenpuf-

ferung

*; Gegenseitige Beeinflussung der Verbindungen

*; Variable Verzögerungen innerhalb einer Verbindung

*; Im Extremfall Verluste durch Pufferüberlauf

*; Paketorientierte Kommunikation (verbindungslos)

*; Zuordnung Zieladresse  Ausgang (wird durch

eigene Mechanismen (Routingprotokolle) fest-

gelegt)

*; Bei momentaner Überlast erfolgt Zwischenpuf-

ferung (siehe verbindungsorientiert)

Zeitmultiplex

*; Synchron (kanalorientiert)

*; Daten kommen periodisch an, Synchronisation kann durch systematische Verschiebung erreicht werden

*; Belegung eines Zeitschlitzes pro Verbindung und Pe-riode, feste Datenrate (bzgl. Spitzenrate und zeitli-chem Verlauf)

*; Asynchron (paketorientiert)

*; Datenpakete kommen asynchron (unkoordiniert) an

*; Es kann nur jeweils ein Paket auf der Ausgangslei-tung übertragen werden

*; Bei gleichzeitigen bzw. überlappenden Ankünften gehen Pakete verloren oder es werden Pufferspei-cher vorgesehen

*; Pufferspeicher vermeiden Verluste auf Kosten von Verzögerungen und Verzögerungs-schwankungen

*; Belegung der Übertragungskapazität durch die einzelnen Verbindungen nur bei Bedarf

*; Unterstützung beliebiger und zeitlich veränderlicher Datenraten

Verbindungskonzepte

verbindungsorientiert	verbindungslos
*; Aufwand zum Auf- und Abbau der Verbindungen *; Wegewahl einmal pro Verbindung *; Komplexe Netzknoten (Zustandsspeicherung, Steuerungskommunikation) *; Nur (kurze, pro Link eindeutige) Verbindungs-kennung pro Paket *; Gleicher Weg für alle Pakete, keine Überholun-gen (Sendereihenfolge bleibt erhalten) *; Reservierung von Betriebsmitteln (Bandbreite, Speicher, …) möglich	*; Aufwand für Wegewahl pro Paket *; Einfachere Netzknoten (gedächtnislos) *; Komplette (lange, netzweit eindeutige) Zieladres-se im Paket *; Unterschiedliche Wege, Überholungen möglich (Resequencing beim Empfänger notwendig) *; Reservierungen von Betriebsmitteln schwierig

kanalorientiert	paketorientiert
Physikalische Verbindung *; Es wird ein Weg durch das Netz aufgebaut (Laden der verbindungs-spezifischen Tabellen in den Vermittlungsstellen) *; Die Übertragungskapazität (z.B. PCM-Zeitschlitze) wird fest der Verbindung anhand der belegten Ressourcen zugeordnet	Virtuelle Verbindung *; Es wird ein Weg durch das Netz aufgebaut *; Eine bestimmte Übertragungskapazität wird zwar logisch der Verbindung zugeteilt, es werden je-doch keine Ressourcen (Zeitschlitze) fest zu-geordnet (Entkopplung des Weges durch das Netz von den Übertragungsressourcen, den Nutzdaten muss eine Kennung mitgegeben wer-den, um sie einer Verbindung zuordnen zu kön-nen)
Synchrones Zeitmultiplex *; Optimiert für konstante Datenströme (Sprache) *; Feste Datenrate (Kanalrate) *; Minimale Verzögerung *; Praktische keine Verzögerungsschwankungen *; Praktisch keine Datenverluste	Asynchrones Zeitmultiplex *; Optimiert für sporadische Datenströme (Daten) *; Variable Datenraten (Spitzenrate, zeitlicher Ver-lauf) *; Zusätzliche Verzögerungen und Verzögerungs-schwankungen durch Pufferspeicher *; Datenverluste durch Pufferüberlauf möglich

LAN (Local Area Network)

*; Optimiert für geringe räumliche Ausdehnung (Gebäude, Firmengelände, Campus)

*; Konzept: Direkte, verteilte Kommunikation ohne dedizierte Vermittlungsknoten (Peer-to-Peer-Kommunikation)

*; Mittlere bis hohe Datenraten bei kurzer Verzögerung (1 – 1.000 Mbit/s)

*; Besitz, Nutzung und Betrieb durch eine Organisation

MAN (Metropolitan Area Network)

*; Optimiert für mittlere räumliche Ausdehnung (Firmengelände, Campus, Stadt, Region; Vernet-zung von LANs)

*; Konzept: Direkte, verteilte Kommunikation ohne dedizierte Vermittlungsknoten (Peer-to-Peer-Kommunikation)

*; Mittlere bis hohe Datenraten (1 – 150 Mbit/s)

*; Besitz und Betrieb durch eine Organisation, Nutzung durch viele Organisationen und Individual-nutzer

WAN (Wide Area Network)

*; Optimiert für unbegrenzte räumliche Ausdehnung (Region, Land, weltweit)

*; Konzept: Spezielle Infrastruktur für Übertragung und Vermittlung, Nutzung durch Endsysteme

*; Niedrige bis hohe Datenraten, mehr Verzögerung (kbit/s bis 622 Mbit derzeit)

*; Besitz und Betrieb durch große (öffentliche) Netzbetreiber, Nutzung durch unbegrenzte Anzahl von Geschäfts- und Privatkunden (öffentliche, für jeden verfügbare Infrastruktur)

Verbindungseigenschaften

*; Unidirektional: Simplex / Bidirektional: Halb-/Voll-Duplex

*; Asymmetrisch / Symmetrisch

*; Punkt-zu-Punkt / Punkt-zu-Mehrpunkt / Mehrpunkt-zu-Mehrpunkt

Netztopologien