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Vernetzte IT-Systeme 
2. Übertragungstechnische Grundlagen 
Prof. Dr. Volkmar Langer 
Florian Schimanke 
Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz.
Vernetzte IT-Systeme 
2. Übertragungstechnische Grundlagen 
2.1 Betriebs- und Übertragungsarten 
Prof. Dr. Volkmar Langer 
Florian Schimanke
Prinzipieller Übertragungsablauf 
Verwürfler 
(Scrambler) 
Übertragungstechnische Grundlagen 
Analog-quelle 
Digital-quelle 
A/D 
Wandler 
Digital-senke 
D/A 
Wandler 
Analog-senke 
Digital- 
Kanal 
Quellenkodierung 
ggf. Komprimierung 
Rahmenbildung 
Kanalcodierung 
Fehlererkennung 
Fehlerkorrektur 
Leitungskodierung 
Übertragungskanal 
Quellendekodierung 
ggf. Dekomprimierung 
Entpacken 
Entwürfler 
(Descrambler) 
Leitungsdekodierung 
Demodulation 
Modulation 
Fehlersicherung 
Fehlererkennung 
Fehlerkorrektur 
Daten der 
Anwendung 
(ASCII Zeichen, …) 
in Binärformat 
optional 
Zerlegung in 
Datenblöcke 
Hinzufügen von 
Synchronisations-informationen 
Hinzufügen von 
Redundanz 
4
Betriebsarten 
Simplexbetrieb sx (Richtungsbetrieb): 
nur eine Richtung 
z.B. TV; Radio 
Halbduplexbetrieb hx (Wechselbetrieb): 
abwechselnd beide 
Richtungen z.B. Funksprechverkehr 
Duplex- od. Vollduplexbetrieb dx (Gegenbetrieb): 
Sender Empfänger 
Sender Sender 
Empfänger 
Empfänger 
Sender/ 
Empfänger 
Sender/ 
Empfänger 
gleichzeitig beide Richtungen 
z.B. IT-Netzwerke 
Übertragungstechnische Grundlagen 
Seite 6
Übertragungsarten 
Grundsätzlich ist eine Synchronisation 
zwischen Sender und Empfänger notwendig! 
Asynchron Synchron 
Übertragungstechnische Grundlagen 
Seite 8
Übertragungsarten 
 Unterscheidung asynchron/synchron: 
 wie diese Synchronisation, d.h. die Erzeugung eines Gleichlaufs zwischen 
Sender und Empfänger hergestellt wird 
 wie lange dieser Gleichlauf gesichert ist, bzw. in welchen Abständen neu 
synchronisiert werden muss 
asynchrone 
Übertragung 
synchrone 
Übertragung 
parallele 
Übertragung 
Handshake- 
Betrieb 
gemeinsame 
Taktleitung 
serielle 
Übertragung 
Start-Stop- 
Verfahren 
geeigneter Leitungscode oder 
Scrambler 
(gemeinsame Taktleitung) 
Übertragungstechnische Grundlagen 
9
Asynchrone Übertragung 
Ein System arbeitet asynchron, wenn die zeitliche Folge der einzelnen 
Operationen … 
Übertragungstechnische Grundlagen 
gesteuert wird! 
 Start-Stop-Betrieb 
 getrennte Taktgeneratoren bei Sender und Empfänger 
 jedes Zeichen beginnt mit einem Startbit und endet mit einem oder 
mehreren Stoppbits 
Startschritt Stoppschritte 
Pause 
Nächstes 
Zeichen 
Nutzschritte 
Zeichenrahmen 
Zeit 
10 
unabhängig von einem zentralen Takt
Synchrone Übertragung 
Blockorientiertes Verfahren: 
 Informationen werden in Blöcken übertragen, d.h. es … 
besteht eine Synchronisation über einen längeren Zeitraum 
 Die eigentliche Synchronisation erfolgt … 
 Übertragung erfolgt auch hier innerhalb eines Steuerrahmens 
Blocksynchronisation (Synchronbetrieb) 
Block-ende-muster 
Zeit 
Zeichen 
1. 2. n. 
… 
Zeichen des Blocks 
Block 
Block-start-muster 
Übertragungstechnische Grundlagen 
11 
zu Beginn durch spezielle Sync-Zeichen
Block-/Paketgröße 
Kritische Parameter: 
– mit zunehmender Blocklänge steigen die Anforderungen an den … 
Übertragungstechnische Grundlagen 
[1] Kap.4 
12 
- Gleichlauf zwischen Sender und Empfänger 
Gleichlaufschwankungen 
- Fehlerkorrektur wird zunehmend aufwendiger 
- Zwischenspeicherung/Puffergröße
Vernetzte IT-Systeme 
2. Übertragungstechnische Grundlagen 
2.2.1 Übertragungsmedien und -strategien 
Prof. Dr. Volkmar Langer 
Florian Schimanke
Klassifikation der Medien 
„Medien“ 
leitungsgebunden nicht leitungsgebunden 
Stromleiter Wellenleiter gerichtet ungerichtet 
Übertragungstechnische Grundlagen 
Funk 
Richtfunk terrestrischer Rundfunk 
Satelliten-Direktfunk Satelliten-Rundfunk 
verdrillte Kupfer 
Doppellader 
geschirmt 
(shielded) 
ungeschirmt 
(unshielded) 
Koaxialkabel 
Hohlleiter 
Lichtwellenleiter 
(Glasfaser) 
Laserstrecke 
15
Medien im elektromagnetischen Spektrum 
leitungsgebundene Übertragungstechniken 
verdrillte Adern Koaxialkabel 
Hohlleiter 
105 107 109 1011 1013 1015 
Übertragungstechnische Grundlagen 
10³ 
nicht-leitungsgebundene Übertragungstechniken 
optische 
Fasern 
Langwellen- 
Radio 
Mittelwellen- 
Radio 
Kurzwellen 
Fernsehen 
Mikrowellen Infrarot 
sichtbares 
Licht 
Hz 
17
Kupfer-Doppelader (DA) 
• vielfältiger Einsatz in Telefon- und 
Datennetzen 
• Leiterdurchmesser: 0,4 - 0,9 mm 
• Bandbreite: einige 100 kHz bis ca. 600 MHz 
• Fachbezeichnung: 
Unshielded Twisted Pair (UTP) 
• verschiedene Qualitätsklassen, z. B. UTP 3, 
4, 5, 6 bis zu 2,5 Gbit/s 
• vollduplex (z.B. CAT 5) 
• unterschiedliche Bauformen 
Kupferleiter 
Übertragungstechnische Grundlagen 
Kunststoffisolation 
verdrillt 
18 
Warum verdrillt? 
 Kompensation der Induktion
Bauformen Twisted Pair im Querschnitt 
Twisted-pair- 
Kabel 
UTP S/UTP 
STP/ 
FTP 
FTP-Kabel 
Übertragungstechnische Grundlagen 
S/STP/ 
S/FTP 
Kupferader 
Kunststoff-isolation 
UTP-Kabel 
Kunststoff-aussenmantel 
S/UTP-Kabel 
Kupferader 
Kunststoff-isolation 
Kunststoff-aussenmantel 
Gesamtschirm 
(Metallgeflecht) 
Kupferader 
Kunststoff-isolation 
Metallfolien-schirm 
Kunststoff-aussenmantel 
S/FTP-Kabel 
Kupferader 
Kunststoff-isolation 
Metallfolien-schirm 
Kunststoff-aussenmantel 
Gesamtschirm 
(Metallgeflecht) 
19 
Warum Abschirmung? 
 Kompensation elektromagn. Einflüsse von außen!
CAT 7 S/FTP Kabel 
Übertragungstechnische Grundlagen 
Kupferleiter 
MetallFolienschirm 
Metallgeflecht 
„Screened“ 
20
Koaxialkabel 
 Außenleiter umgibt Innenleiter 
koaxial 
 Isolation dient als Dielektrikum (aus 
Kunststoff oder Gasen) 
 Signalausbreitung erfolgt im 
Dielektrikum zwischen den beiden 
Leitern (Wellenleitung) 
 Bandbreite: bis ca. 900 MHz 
Übertragungstechnische Grundlagen 
Bild von Tkgd2007, http://bit.ly/17JAcdn , 21.08.2013 
21
Lichtwellenleiter (Glasfaser) 
• dünne Faser aus Glas (halber Ø eines menschlichen Haares) 
• Kabel bestehen aus bis zu 2000 Fasern 
• Wellenlängen 850nm, 1300 nm oder 1550nm 
• hoher Durchsatz 40 Gbit/s (bis zu 160 Gbit/s) 
• Repeaterabstand 10 – 100 km 
Faserkern 
(core) 
Fasermantel 
(cladding) 
Primäre 
Kunststoffisolierung 
Übertragungstechnische Grundlagen 
22
Prinzip der LWL 
Übertragungstechnische Grundlagen 
Bild von Gringer (talk), http://bit.ly/1av8I08, 21.08.2013 
Totalreflexion 
Brechung 
23 
 Verlust 
 verlustfrei 
α 
α: Akzeptanzwinkel
LWL-Typen 
Pulsverformung durch Dispersion 
Monomode – Faser 
Multimode – Faser 
(Stufenindex) 
Multimode – Faser 
(Gradientenindex) 
Übertragungstechnische Grundlagen 
Eingangssignal 
Ausgangssignal 
24 
 optische Dispersion
LWL-Steckverbinder im LAN 
ST Connector 
LC Connector 
Übertragungstechnische Grundlagen 
25
Funk- und Satellitentechnik 
• Funk: elektromagn.Welle 
• Frequenzbereich: 104 – 109 Hz 
• eingeschränkte Reichweite, je nach 
Ausgangsleistung der Sender und 
örtlichen Gegebenheiten 
• Datenrate: einige 10…100.000 kbit/s 
• Satellitenfunk: elektromagn. Welle 
• Frequenzbereich: 109 – 1011 Hz 
• Transponder im Satellit empfängt auf 
einem Kanal, sendet auf einem 
anderen 
• mehrere Transponder pro Satellit 
• hohe Bandbreite (>500 MHz/Kanal) 
Übertragungstechnische Grundlagen 
26
Vernetzte IT-Systeme 
2. Übertragungstechnische Grundlagen 
2.2.2 Übertragungsmedien und -strategien 
Prof. Dr. Volkmar Langer 
Florian Schimanke
Strukturierte Verkabelung 
Übertragungstechnische Grundlagen
Strukturierte Verkabelung 
DIN EN 50173-1:2011-09 
Anwendungsneutrale Kommunikationskabelanlagen 
Deutsche Fassung EN 50173-1:2011 
 Strukturierung in Form von 
Hierarchieebenen 
Ebenen gehören topologisch oder 
administrativ zusammen! 
Übertragungstechnische Grundlagen
Strukturierte Verkabelung 
Drei Bereiche: 
Primär = Gebäude zu Gebäude 
 900 – 1500m 
Sekundär = Etagen zu Etagen 
 ≤ 500m 
Tertiär = Verteiler zu Endgeräten 
 100m 
By Guml1966 (Own work) [CC-BY-SA-3.0 
(www.creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], 
via Wikimedia Commons 
Übertragungstechnische Grundlagen
Strukturierte Verkabelung - Medien 
By Alexander Stohr [CC-BY-SA-3.0 
(www.creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) or 
GFDL (www.gnu.org/copyleft/fdl.html)], via 
Wikimedia Commons 
x 
Übertragungstechnische Grundlagen
Vernetzte IT-Systeme 
2. Übertragungstechnische Grundlagen 
2.3.1 Signalübertragung und Codierung 
Prof. Dr. Volkmar Langer 
Florian Schimanke
A(z) 
Daten und Signal 
Ein Signal ist die physikalische Darstellung durch räumliche und zeitliche 
Veränderung physikalischer Größen (elektromagnetische Welle). 
t 
Übertragungstechnische Grundlagen 36 
A(t)
Zeitdiskrete Quantisierung 
Betrachtung an einem bestimmten Ort zu bestimmten Zeiten 
zeitdiskrete Abtastung = äquidistante Zeitintervalle 
t 
Übertragungstechnische Grundlagen 38 
A(t)
Wertdiskrete Quantisierung 
Betrachtung an einem bestimmten Ort mit bestimmten Werten 
wertdiskrete Abtastung = äquidistante Wertintervalle 
t 
Übertragungstechnische Grundlagen 39 
A(t)
Signalklassen 
zeitkontinuierlich zeitdiskret 
Übertragungstechnische Grundlagen 41 
wertdiskret wertkontinuierlich 
Analogsignal 
Digitalsignal
Kenngrößen periodischer Signale 
• Amplitude A(t) 
• Periodendauer T 
• Frequenz f = 1/T 
• Phase  
t 
Wellengeschw. c 
Übertragungstechnische Grundlagen 43 
A(t) 
t 
A(t) 
T 
ᵠ 
A(t) = A0 
 sin(2πf  t) 
A(t) = A0 sin(2πf  t +  ) 
 = 2 πf : Kreisfrequenz 
W(t, x) = W0 sin (t - x/c) +   : Wellenfunktion 
Ortskomponente x
Prinzip der Datenübertragung 
Codierung und Dekodierung 
Störeinflüsse, Rauschen, Burst usw. 
Transmit T(t) Receive R(t) 
Übertragungstechnische Grundlagen 45
Wichtige Eigenschaften von Codierungsverfahren 
• Gleichstromanteil 
 …möglichst gering, wg. R[] 
• Übertragungsreichweite 
 …frequenzabhängige Dämpfung D = D() 
• Taktrückgewinnung 
 …R(t) sollte Taktrückgewinnung ermöglichen 
• Packungsdichte: Anzahl simultan codierter Zeichen 
 …in einem „Schritt“ > 1 Zeichen übertragen 
(Baudrate erhöhen) 
• Fehlererkennung 
 …möglichst auf Signalebene – schnell! 
Übertragungstechnische Grundlagen 46
Vernetzte IT-Systeme 
2. Übertragungstechnische Grundlagen 
2.3.2 Signalübertragung und Codierung 
Prof. Dr. Volkmar Langer 
Florian Schimanke
Signalübertragung und Codierung 
Übertragungstechnische Grundlagen 48 
Transmit T(t) 
Receive R(t)
Return-to-Zero 
• Funktion/Eigenschaften: 
– Rechteckimpuls nur für „1“ in 1. Hälfte des Bit-/Taktintervalls 
– Rückkehr in den Grundzustand=Nullsignal 
• Bewertung: 
– …hoher Gleichstromanteil! 
– …keine Taktrückgewinnung bei R(t) 
t 
Daten 1 1 0 1 0 1 0 
T(t) Bit-intervall 
Übertragungstechnische Grundlagen 49
Non-Return-to Zero 
• Funktion/Eigenschaften: 
– „1“=hoher Pegel; „0“=niedriger Pegel ≠ 0 
– Signalwechsel an Intervallgrenzen 
– NRZ ist Standard innerhalb digitaler Systeme 
• Bewertung: 
– …einfach 
– …keine Taktrückgewinnung 
– …hoher Gleichstromanteil 
t 
Daten 1 1 0 1 0 1 0 
T´(t) Bit-intervall 
Übertragungstechnische Grundlagen 50
Manchester Codierung 
• Funktion/Eigenschaften: 
– Mindestens ein Signalwechsel/Bitintervall 
– einfache Realisierung: XOR-Verknüpfung zwischen Taktsignal und NRZ-codierten 
Daten 
• Bewertung: 
– …Gleichstromanteil gering 
– …einfache Taktrückgewinnung aus R(t) 
– …Signalwechsel einfach zu verarbeiten 
Taktsignal Manchester-codiertes 
Übertragungstechnische Grundlagen 51 
XOR 
NRZ-codierte 
Daten 
Signal
Manchester Codierung 
Daten 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 
Übertragungstechnische Grundlagen 52 
Taktsignal 
Manchester 
vgl. G.E. Thomas 
Manchester 
vgl. IEEE 802.3
Vernetzte IT-Systeme 
2. Übertragungstechnische Grundlagen 
2.3.3 Signalübertragung und Codierung 
Prof. Dr. Volkmar Langer 
Florian Schimanke
Basisband- vs Breitbandübertragung 
• Basisbandübertragung 
– digitale Übertragung 
– gesamtes Frequenzspektrum wird für eine 
Übertragung benutzt 
– Zeitmultiplex 
– einfache Technik 
– Beispiel: Ethernet (variable Zuteilung) 
• Breitbandübertragung 
– analoge Übertragung 
– Unterteilung in mehrere Frequenzkanäle 
– Frequenzmultiplex 
– große Distanzen können überbrückt werden 
(>10km) 
– Beispiel: Kabelfernsehen 
Bandbreite 
Kanal n 
… 
Kanal 3 
Kanal 2 
Übertragungstechnische Grundlagen 56 
t 
Kanal 1 
Bandbreite 
t 
Basisband
Prinzip der Modulation 
Modulator 
Übertragungstechnische Grundlagen 57 
Digitalsignal 
Trägersignal 
Amplituden-moduliertes 
Signal
Modulationsarten 
Daten 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 
Übertragungstechnische Grundlagen 58 
AM 
FM 
PM 
Δ =  = 180o
Digitale Signalübertragung – 
Schritt- vs Übertragungsgeschwindigkeit 
• Schrittgeschwindigkeit: Zahl der Signalparameter-Zustandswechsel 
• Einheit: baud (1/s)  … 
• Übertragungsgeschwindigkeit: Anzahl der übertragenen 
Bitstellen/Zeiteinheit 
• Einheit: bit/s  … 
t 
Baudrate 
Übertragungsrate 
Daten 1 1 0 1 0 1 0 
Beispiel: 1s 
6 bit/s = 6 baud 
Achtung!! Nur für binäre Signale gilt: 
Schrittgeschwindigkeit=Übertragungsgeschwindigkeit 
T(t) Bit-intervall 
Übertragungstechnische Grundlagen 60
Mehrwertiges Digitalsignal 
Daten 10 00 11 10 01 11 00 
Quaternäres Signal 
t 
Übertragungstechnische Grundlagen 61 
T(t) 
2Bit-intervall 
2 
1 
-1 
-2 
Schritt 
1 baud = 2 bit/s
Modem/DSL - QAM 
• QAM: Quadratur-Amplituden-Modulation 
• Signalparameter: Amplitude A(t) + Phase ᵠ 
• abhängig vom Signal/Rausch-Abstand! 
• QAM bei DSL: 
– QAM-16: 1baud = 4bit/s 
– QAM-64: 1baud = 6bit/s 
• QAM bei DVB-C 
– QAM-256: 1 baud = 8bit/s 
ᵠ 
A(t) 
II 
I 
III IV 
Übertragungstechnische Grundlagen 62
Vernetzte IT-Systeme 
2. Übertragungstechnische Grundlagen 
2.4 Erzeugung von Frames 
Prof. Dr. Volkmar Langer 
Florian Schimanke
Übertragung in Datenblöcken (frames) 
Zur Erinnerung: kritische Länge der Übertragung! 
 vgl. Kap. 2.1 
 Gleichlaufschwankungen 
 Fehlerkorrektur 
 Zwischenspeicherung 
Übertragungstechnische Grundlagen 65
Bestandteile von Datenblöcken (frames) 
• Festlegung eines Rahmenformats (PDU = Packet Data 
Unit oder einfach frame) 
• Festlegung von Kontrollinformationen, die von der 
Sicherungsschicht benötigt werden. 
– Adressen 
– Fehlererkennung und -korrektur 
Kopf Nutzdaten Nachspann 
Übertragungstechnische Grundlagen 
66 
…werden eingerahmt!
Byte-Count-Methode 
• Frame-Header enthält Länge des Datenteils 
– Beispiel: Frame im DDCMP-Protokoll, DECNET: 
• Problem: was passiert, wenn Byte-Count fehlerhaft 
übertragen wird? 
Übertragungstechnische Grundlagen 
8 8 8 
SYN 
SYN 
Class 
14 42 
Count Header Body 
16 
CRC 
68 
Frame-Ende wird nicht erkannt! 
Bsp. erstes Ethernetprotokoll
Sentinel-Methode 
• Frame-Ende wird durch spezielles Zeichen markiert 
– Beispiel: Frame im BISYNC-Protokoll (IBM): 
8 8 8 8 8 16 
• Problem: Das ETX-Zeichen kann auch im Datenteil (Body) 
vorkommen 
Übertragungstechnische Grundlagen 
SYN 
SYN 
SOH 
Header 
STX 
Body 
ETX 
CRC 
69 
! 
Bsp.: aktuelles Ethernetprotokoll
Bitstopfen 
• Beispiel (HDLC-Protokoll): 
01111110 Adress 8 Bit Control 8 Bit Daten =>0 01111110 
• Anfangs- und Endesequenz ist 0 1 1 1 1 1 1 0 
– wenn z.B. 01111110 im Datenteil erscheint, dann wird grundsätzlich nach 5 
aufeinanderfolgenden 1-Bits vom Sender ein 0-Bit eingeschoben 
(gestopft)! 
Sender Stopfbit Empfänger 
Flag 
Übertragungstechnische Grundlagen 
71 
STX ETX 
01111110 
01111100 
01111110 
…. 
01111110 Übertragungsrichtung 
... 010111110 000111110 01111110 
wie ETX 
01111110 
…. 
01111110 
01111100 
01111110 
Bitstopfen, engl. Bitstuffing
Vernetzte IT-Systeme 
2. Übertragungstechnische Grundlagen 
2.5.1 Fehlererkennung und Reaktion 
Prof. Dr. Volkmar Langer 
Florian Schimanke
Typische Fehlerarten bei der Übertragung 
• Physikalische Grenzen des Mediums 
– verschiedene Arten der Dämpfung 
–Bandbreitenbegrenzung 
–thermisches Rauschen 
–Übersprechen 
– … 
• Fehler in Vermittlungseinrichtung 
• Sabotage von Daten 
• … 
Übertragungstechnische Grundlagen 74
Dämpfung 
• Amplitude des gesendeten Signals T(t) wird reduziert 
• gedämpftes Signal R(t)< T(t) 
• Verhältnis R(t)/T(t) ist abhängig von Eigenschaften des 
Mediums und der Distanz 
t 
Z = R2+X2 
Übertragungstechnische Grundlagen 75 
T(t) 
t 
R(t) 
Dämpfungswiderstände 
R = U/I 
X = XL – XC =  L – 1/(C)
Verstärkung und Dämpfung 
• Verstärkung: 
• Dämpfung: 
[5] S.211 
Ua 
Pa 
Ia 
> 
Ue 
Pe 
Ie 
Ua 
Pa 
Ia 
< 
Ue 
Pe 
Ie 
Übertragungstechnische Grundlagen 76
Verstärkung und Dämpfung 
• P/U/I-Verstärkung/Dämpfung 
bei – 20 dB: Ua = 10% Ue 
Übertragungstechnische Grundlagen 77
Bandbreitenbegrenzung 
Signaldämpfung ist abhängig von der Frequenz 
t 
Δf = fo - fu 
Übertragungstechnische Grundlagen 78 
T(t) 
t 
R(t) 
f 
A0 
f 
A(f) 
Bandbreite
Thermisches Rauschen 
• „Hintergrund“-Rauschen = additives Störsignal S(t) 
• zufällige Verformung des ursprünglichen Signals T(t) 
• weitere Signalverformung neben Bandbreitenbegrenzung 
t 
Übertragungstechnische Grundlagen 
S(t) 
t 
T(t) 
t 
R(t) 
79
Impulsrauschen - Bursts 
• Bursts = additives Störsignal mit ggf. hohen Pegeln und/oder hoher 
Frequenz 
• Signal wird zufällig verformt, neben Bandbreitenbegrenzung 
t 
Übertragungstechnische Grundlagen 80 
S(t) 
t 
T(t) 
t 
R(t) 
Impuls, EMP 
kritisch
Theoretische Kapazität des Übertragungsmediums 
Wie hängen Bandbreite und Übertragungsrate zusammen? 
 Nyquist-Theorem 
– die max. Datenrate eines rauschfreien Mediums mit dem 
Kodierungslevel n und der Bandbreite B ist begrenzt: 
C = 2·B·log2(n) [bit/s] 
– Bsp.: Telefonleitung B = 3kHz; höherwertiges Signal n=16; 
C = 2  3 kHz  log2(16) bit = 24000 bit/s 
Übertragungstechnische Grundlagen 81
Reale Kapazität des Übertragungsmediums 
Durch welchen Faktor wird die Bandbreite in realen Medien 
begrenzt? 
 Shannon-Theorem 
– die max. Datenrate eines realen Mediums ist durch Bandbreite B 
und Signal-/Rauschverhältnis S/N begrenzt: 
» C = B·log2(1+S/N) [bit/s] 
– Bsp.: Telefonleitung B = 3kHz; S/N=30dB;  
mit S/N=10·log10(S/N) [dB] 
Übertragungstechnische Grundlagen 
[1] Kap. 4.1 
82 
S/N = 1000/1 
C = 3 kHz  log2(1+1000/1) bit = 29.900 bit/s
Vernetzte IT-Systeme 
2. Übertragungstechnische Grundlagen 
2.5.2 Fehlererkennung und Reaktion 
Prof. Dr. Volkmar Langer 
Florian Schimanke
Fehlererkennung 
Datenverfälschung 
zeichenorientierte 
Sicherungsverfahren 
z.B. Paritätsprüfung 
blockorientierte 
Sicherungsverfahren 
z.B. CRC 
Datenverlust 
eigenständige 
Quittierung 
integrierte 
Quittierung 
Übertragungstechnische Grundlagen 85
Maßnahmen – Reaktion auf erkannte Fehler 
 Ignorieren: 
– Echtzeitübertragung z.B. Video-/Audiostream 
– Bsp.: natürlich sprachliche Texte (ohne Zahlen) mit hoher 
Redundanz; Empfänger kann ohne Schwierigkeiten korrigieren 
(Bitfehlerrate 10-6  3 falschen Buchstaben im 600-Seiten-Buch) 
 Fehlerkorrektur: 
1. fehlererkennende Kodierung: Bsp: Hamming-Verfahren 
2. Korrektur durch Wiederholung: Bsp: nach CRC-Prüfung 
 Fehlererkennung: Grundsätzlich durch Redundanz in den 
übertragenen Nutzdaten 
Übertragungstechnische Grundlagen 86
Prinzip der CRC-Blocksicherung 
• CRC: „cyclical (oder cyclic) redundancy check“, „zyklische 
Redundanz-Überprüfung“. 
• nach einem „zyklischen“ (od. Polynom-Code) Verfahren wird eine 
Prüfsumme gebildet, die an die eigentlichen Nutzdaten angehängt u. 
zusammen mit diesen verschickt wird. 
• Sender u. Empfänger einigen sich auf ein sog. Generatorpolynom 
G(x), mit dessen Hilfe die Prüfsumme codiert und decodiert werden 
kann. 
• die Qualität des Verfahrens hängt entscheidend von der Wahl des 
Generatorpolynoms ab. 
Übertragungstechnische Grundlagen 87
Prinzip der CRC-Blocksicherung 
Prinzip der CRC-Blocksicherung 
CRC-Kontrolle beim Empfänger: 
Sei R(x) die empfangene Bitfolge, dann gilt: 
R(x) = T(x), wenn rem{ R(x)/G(x) } = 0 (fehlerfrei!) 
R(x)  T(x), wenn rem{ R(x)/G(x) } 0 (Fehler!) 
Bekannte CRC-Standards: 
CRC-16: x16+x15+x2+x+1 (Bsp. XMODEM) 
CRC-CCITT: x16+x12+x5+x+1 (Bsp: Harddisks) 
CRC-32: x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11 
+x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1 (LAN: Ethernet IEEE 802) 
Übertragungstechnische Grundlagen Seite 88
Qualität der Fehlersicherung - Restfehlerrate 
 Grundlegendes Problem: Störungen durch Fehler können sowohl Nutzdaten 
als auch Kontrolldaten betreffen! 
 Es verbleibt immer eine 
Restfehlerwahrscheinlichkeit 
 Restfehlerrate (rer: residual error rate) ist definiert als das Verhältnis der 
Anzahl fehlerhaft empfangener Bits, deren Fehler nicht festgestellt wurden, zur 
Gesamtzahl der gesendeten Bits! 
 Typische Restfehlerraten: 
– Übertragungstechnik: Deutsche Telekom: rer  10-7 
 durchschnittlich kann ca. alle 10 MBit übertragener Daten ein fehlerhaftes Bit auftreten 
– DATEX-P (HDLC-Deutsche Telekom): rer  10-12 
• durchschnittlich kann ca. alle 1 TBit übertragener Daten ein fehlerhaftes Bit auftreten 
– CRC-32 (Ethernetprotokoll): rer  10-18 
 durchschnittlich kann ca. alle 106 TBit übertragener Daten ein fehlerhaftes Bit auftreten 
Übertragungstechnische Grundlagen 89
Sicherungsmechanismen gegen Datenverlust 
Zur Sicherung gegen Datenverlust 
muß grundsätzlich eine Quittierung 
(acknowledgement) der einzelnen 
Kommunikationsschritte 
durchgeführt werden. 
Sender Empfänger 
Zeitdiagramm 
Zeit 
Stop- and Wait 
Verfahren 
Übertragungstechnische Grundlagen Seite 90
Erkennung durch Quittierung 
Sender Empfänger 
separate Quittung 
Zeit 
Blockprüfung 
Wiederholung 
NAK: negative 
acknowledgement 
ACK: positiv 
acknowledgement 
 Problem: Verlust der Quittung! 
Übertragungstechnische Grundlagen Seite 91
Quittierung mit Zeitüberwachung 
Sender Empfänger 
Zeitüberwachung 
Fehlerfreie Übertragung 
Sender Empfänger 
Zeitüberwachung 
Fehlererkennung 
Übertragungstechnische Grundlagen Seite 92 
time out
Zeitüberwachung und Nummerierung 
Sender Empfänger 
Zeitüberwachung 
Fehlererkennung 
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Übertragungstechnische Grundlagen Seite 93

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  • 1. Vernetzte IT-Systeme 2. Übertragungstechnische Grundlagen Prof. Dr. Volkmar Langer Florian Schimanke Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz.
  • 2. Vernetzte IT-Systeme 2. Übertragungstechnische Grundlagen 2.1 Betriebs- und Übertragungsarten Prof. Dr. Volkmar Langer Florian Schimanke
  • 3. Prinzipieller Übertragungsablauf Verwürfler (Scrambler) Übertragungstechnische Grundlagen Analog-quelle Digital-quelle A/D Wandler Digital-senke D/A Wandler Analog-senke Digital- Kanal Quellenkodierung ggf. Komprimierung Rahmenbildung Kanalcodierung Fehlererkennung Fehlerkorrektur Leitungskodierung Übertragungskanal Quellendekodierung ggf. Dekomprimierung Entpacken Entwürfler (Descrambler) Leitungsdekodierung Demodulation Modulation Fehlersicherung Fehlererkennung Fehlerkorrektur Daten der Anwendung (ASCII Zeichen, …) in Binärformat optional Zerlegung in Datenblöcke Hinzufügen von Synchronisations-informationen Hinzufügen von Redundanz 4
  • 4. Betriebsarten Simplexbetrieb sx (Richtungsbetrieb): nur eine Richtung z.B. TV; Radio Halbduplexbetrieb hx (Wechselbetrieb): abwechselnd beide Richtungen z.B. Funksprechverkehr Duplex- od. Vollduplexbetrieb dx (Gegenbetrieb): Sender Empfänger Sender Sender Empfänger Empfänger Sender/ Empfänger Sender/ Empfänger gleichzeitig beide Richtungen z.B. IT-Netzwerke Übertragungstechnische Grundlagen Seite 6
  • 5. Übertragungsarten Grundsätzlich ist eine Synchronisation zwischen Sender und Empfänger notwendig! Asynchron Synchron Übertragungstechnische Grundlagen Seite 8
  • 6. Übertragungsarten  Unterscheidung asynchron/synchron:  wie diese Synchronisation, d.h. die Erzeugung eines Gleichlaufs zwischen Sender und Empfänger hergestellt wird  wie lange dieser Gleichlauf gesichert ist, bzw. in welchen Abständen neu synchronisiert werden muss asynchrone Übertragung synchrone Übertragung parallele Übertragung Handshake- Betrieb gemeinsame Taktleitung serielle Übertragung Start-Stop- Verfahren geeigneter Leitungscode oder Scrambler (gemeinsame Taktleitung) Übertragungstechnische Grundlagen 9
  • 7. Asynchrone Übertragung Ein System arbeitet asynchron, wenn die zeitliche Folge der einzelnen Operationen … Übertragungstechnische Grundlagen gesteuert wird!  Start-Stop-Betrieb  getrennte Taktgeneratoren bei Sender und Empfänger  jedes Zeichen beginnt mit einem Startbit und endet mit einem oder mehreren Stoppbits Startschritt Stoppschritte Pause Nächstes Zeichen Nutzschritte Zeichenrahmen Zeit 10 unabhängig von einem zentralen Takt
  • 8. Synchrone Übertragung Blockorientiertes Verfahren:  Informationen werden in Blöcken übertragen, d.h. es … besteht eine Synchronisation über einen längeren Zeitraum  Die eigentliche Synchronisation erfolgt …  Übertragung erfolgt auch hier innerhalb eines Steuerrahmens Blocksynchronisation (Synchronbetrieb) Block-ende-muster Zeit Zeichen 1. 2. n. … Zeichen des Blocks Block Block-start-muster Übertragungstechnische Grundlagen 11 zu Beginn durch spezielle Sync-Zeichen
  • 9. Block-/Paketgröße Kritische Parameter: – mit zunehmender Blocklänge steigen die Anforderungen an den … Übertragungstechnische Grundlagen [1] Kap.4 12 - Gleichlauf zwischen Sender und Empfänger Gleichlaufschwankungen - Fehlerkorrektur wird zunehmend aufwendiger - Zwischenspeicherung/Puffergröße
  • 10. Vernetzte IT-Systeme 2. Übertragungstechnische Grundlagen 2.2.1 Übertragungsmedien und -strategien Prof. Dr. Volkmar Langer Florian Schimanke
  • 11. Klassifikation der Medien „Medien“ leitungsgebunden nicht leitungsgebunden Stromleiter Wellenleiter gerichtet ungerichtet Übertragungstechnische Grundlagen Funk Richtfunk terrestrischer Rundfunk Satelliten-Direktfunk Satelliten-Rundfunk verdrillte Kupfer Doppellader geschirmt (shielded) ungeschirmt (unshielded) Koaxialkabel Hohlleiter Lichtwellenleiter (Glasfaser) Laserstrecke 15
  • 12. Medien im elektromagnetischen Spektrum leitungsgebundene Übertragungstechniken verdrillte Adern Koaxialkabel Hohlleiter 105 107 109 1011 1013 1015 Übertragungstechnische Grundlagen 10³ nicht-leitungsgebundene Übertragungstechniken optische Fasern Langwellen- Radio Mittelwellen- Radio Kurzwellen Fernsehen Mikrowellen Infrarot sichtbares Licht Hz 17
  • 13. Kupfer-Doppelader (DA) • vielfältiger Einsatz in Telefon- und Datennetzen • Leiterdurchmesser: 0,4 - 0,9 mm • Bandbreite: einige 100 kHz bis ca. 600 MHz • Fachbezeichnung: Unshielded Twisted Pair (UTP) • verschiedene Qualitätsklassen, z. B. UTP 3, 4, 5, 6 bis zu 2,5 Gbit/s • vollduplex (z.B. CAT 5) • unterschiedliche Bauformen Kupferleiter Übertragungstechnische Grundlagen Kunststoffisolation verdrillt 18 Warum verdrillt?  Kompensation der Induktion
  • 14. Bauformen Twisted Pair im Querschnitt Twisted-pair- Kabel UTP S/UTP STP/ FTP FTP-Kabel Übertragungstechnische Grundlagen S/STP/ S/FTP Kupferader Kunststoff-isolation UTP-Kabel Kunststoff-aussenmantel S/UTP-Kabel Kupferader Kunststoff-isolation Kunststoff-aussenmantel Gesamtschirm (Metallgeflecht) Kupferader Kunststoff-isolation Metallfolien-schirm Kunststoff-aussenmantel S/FTP-Kabel Kupferader Kunststoff-isolation Metallfolien-schirm Kunststoff-aussenmantel Gesamtschirm (Metallgeflecht) 19 Warum Abschirmung?  Kompensation elektromagn. Einflüsse von außen!
  • 15. CAT 7 S/FTP Kabel Übertragungstechnische Grundlagen Kupferleiter MetallFolienschirm Metallgeflecht „Screened“ 20
  • 16. Koaxialkabel  Außenleiter umgibt Innenleiter koaxial  Isolation dient als Dielektrikum (aus Kunststoff oder Gasen)  Signalausbreitung erfolgt im Dielektrikum zwischen den beiden Leitern (Wellenleitung)  Bandbreite: bis ca. 900 MHz Übertragungstechnische Grundlagen Bild von Tkgd2007, http://bit.ly/17JAcdn , 21.08.2013 21
  • 17. Lichtwellenleiter (Glasfaser) • dünne Faser aus Glas (halber Ø eines menschlichen Haares) • Kabel bestehen aus bis zu 2000 Fasern • Wellenlängen 850nm, 1300 nm oder 1550nm • hoher Durchsatz 40 Gbit/s (bis zu 160 Gbit/s) • Repeaterabstand 10 – 100 km Faserkern (core) Fasermantel (cladding) Primäre Kunststoffisolierung Übertragungstechnische Grundlagen 22
  • 18. Prinzip der LWL Übertragungstechnische Grundlagen Bild von Gringer (talk), http://bit.ly/1av8I08, 21.08.2013 Totalreflexion Brechung 23  Verlust  verlustfrei α α: Akzeptanzwinkel
  • 19. LWL-Typen Pulsverformung durch Dispersion Monomode – Faser Multimode – Faser (Stufenindex) Multimode – Faser (Gradientenindex) Übertragungstechnische Grundlagen Eingangssignal Ausgangssignal 24  optische Dispersion
  • 20. LWL-Steckverbinder im LAN ST Connector LC Connector Übertragungstechnische Grundlagen 25
  • 21. Funk- und Satellitentechnik • Funk: elektromagn.Welle • Frequenzbereich: 104 – 109 Hz • eingeschränkte Reichweite, je nach Ausgangsleistung der Sender und örtlichen Gegebenheiten • Datenrate: einige 10…100.000 kbit/s • Satellitenfunk: elektromagn. Welle • Frequenzbereich: 109 – 1011 Hz • Transponder im Satellit empfängt auf einem Kanal, sendet auf einem anderen • mehrere Transponder pro Satellit • hohe Bandbreite (>500 MHz/Kanal) Übertragungstechnische Grundlagen 26
  • 22. Vernetzte IT-Systeme 2. Übertragungstechnische Grundlagen 2.2.2 Übertragungsmedien und -strategien Prof. Dr. Volkmar Langer Florian Schimanke
  • 24. Strukturierte Verkabelung DIN EN 50173-1:2011-09 Anwendungsneutrale Kommunikationskabelanlagen Deutsche Fassung EN 50173-1:2011  Strukturierung in Form von Hierarchieebenen Ebenen gehören topologisch oder administrativ zusammen! Übertragungstechnische Grundlagen
  • 25. Strukturierte Verkabelung Drei Bereiche: Primär = Gebäude zu Gebäude  900 – 1500m Sekundär = Etagen zu Etagen  ≤ 500m Tertiär = Verteiler zu Endgeräten  100m By Guml1966 (Own work) [CC-BY-SA-3.0 (www.creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], via Wikimedia Commons Übertragungstechnische Grundlagen
  • 26. Strukturierte Verkabelung - Medien By Alexander Stohr [CC-BY-SA-3.0 (www.creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) or GFDL (www.gnu.org/copyleft/fdl.html)], via Wikimedia Commons x Übertragungstechnische Grundlagen
  • 27. Vernetzte IT-Systeme 2. Übertragungstechnische Grundlagen 2.3.1 Signalübertragung und Codierung Prof. Dr. Volkmar Langer Florian Schimanke
  • 28. A(z) Daten und Signal Ein Signal ist die physikalische Darstellung durch räumliche und zeitliche Veränderung physikalischer Größen (elektromagnetische Welle). t Übertragungstechnische Grundlagen 36 A(t)
  • 29. Zeitdiskrete Quantisierung Betrachtung an einem bestimmten Ort zu bestimmten Zeiten zeitdiskrete Abtastung = äquidistante Zeitintervalle t Übertragungstechnische Grundlagen 38 A(t)
  • 30. Wertdiskrete Quantisierung Betrachtung an einem bestimmten Ort mit bestimmten Werten wertdiskrete Abtastung = äquidistante Wertintervalle t Übertragungstechnische Grundlagen 39 A(t)
  • 31. Signalklassen zeitkontinuierlich zeitdiskret Übertragungstechnische Grundlagen 41 wertdiskret wertkontinuierlich Analogsignal Digitalsignal
  • 32. Kenngrößen periodischer Signale • Amplitude A(t) • Periodendauer T • Frequenz f = 1/T • Phase  t Wellengeschw. c Übertragungstechnische Grundlagen 43 A(t) t A(t) T ᵠ A(t) = A0  sin(2πf  t) A(t) = A0 sin(2πf  t +  )  = 2 πf : Kreisfrequenz W(t, x) = W0 sin (t - x/c) +   : Wellenfunktion Ortskomponente x
  • 33. Prinzip der Datenübertragung Codierung und Dekodierung Störeinflüsse, Rauschen, Burst usw. Transmit T(t) Receive R(t) Übertragungstechnische Grundlagen 45
  • 34. Wichtige Eigenschaften von Codierungsverfahren • Gleichstromanteil  …möglichst gering, wg. R[] • Übertragungsreichweite  …frequenzabhängige Dämpfung D = D() • Taktrückgewinnung  …R(t) sollte Taktrückgewinnung ermöglichen • Packungsdichte: Anzahl simultan codierter Zeichen  …in einem „Schritt“ > 1 Zeichen übertragen (Baudrate erhöhen) • Fehlererkennung  …möglichst auf Signalebene – schnell! Übertragungstechnische Grundlagen 46
  • 35. Vernetzte IT-Systeme 2. Übertragungstechnische Grundlagen 2.3.2 Signalübertragung und Codierung Prof. Dr. Volkmar Langer Florian Schimanke
  • 36. Signalübertragung und Codierung Übertragungstechnische Grundlagen 48 Transmit T(t) Receive R(t)
  • 37. Return-to-Zero • Funktion/Eigenschaften: – Rechteckimpuls nur für „1“ in 1. Hälfte des Bit-/Taktintervalls – Rückkehr in den Grundzustand=Nullsignal • Bewertung: – …hoher Gleichstromanteil! – …keine Taktrückgewinnung bei R(t) t Daten 1 1 0 1 0 1 0 T(t) Bit-intervall Übertragungstechnische Grundlagen 49
  • 38. Non-Return-to Zero • Funktion/Eigenschaften: – „1“=hoher Pegel; „0“=niedriger Pegel ≠ 0 – Signalwechsel an Intervallgrenzen – NRZ ist Standard innerhalb digitaler Systeme • Bewertung: – …einfach – …keine Taktrückgewinnung – …hoher Gleichstromanteil t Daten 1 1 0 1 0 1 0 T´(t) Bit-intervall Übertragungstechnische Grundlagen 50
  • 39. Manchester Codierung • Funktion/Eigenschaften: – Mindestens ein Signalwechsel/Bitintervall – einfache Realisierung: XOR-Verknüpfung zwischen Taktsignal und NRZ-codierten Daten • Bewertung: – …Gleichstromanteil gering – …einfache Taktrückgewinnung aus R(t) – …Signalwechsel einfach zu verarbeiten Taktsignal Manchester-codiertes Übertragungstechnische Grundlagen 51 XOR NRZ-codierte Daten Signal
  • 40. Manchester Codierung Daten 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 Übertragungstechnische Grundlagen 52 Taktsignal Manchester vgl. G.E. Thomas Manchester vgl. IEEE 802.3
  • 41. Vernetzte IT-Systeme 2. Übertragungstechnische Grundlagen 2.3.3 Signalübertragung und Codierung Prof. Dr. Volkmar Langer Florian Schimanke
  • 42. Basisband- vs Breitbandübertragung • Basisbandübertragung – digitale Übertragung – gesamtes Frequenzspektrum wird für eine Übertragung benutzt – Zeitmultiplex – einfache Technik – Beispiel: Ethernet (variable Zuteilung) • Breitbandübertragung – analoge Übertragung – Unterteilung in mehrere Frequenzkanäle – Frequenzmultiplex – große Distanzen können überbrückt werden (>10km) – Beispiel: Kabelfernsehen Bandbreite Kanal n … Kanal 3 Kanal 2 Übertragungstechnische Grundlagen 56 t Kanal 1 Bandbreite t Basisband
  • 43. Prinzip der Modulation Modulator Übertragungstechnische Grundlagen 57 Digitalsignal Trägersignal Amplituden-moduliertes Signal
  • 44. Modulationsarten Daten 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 Übertragungstechnische Grundlagen 58 AM FM PM Δ =  = 180o
  • 45. Digitale Signalübertragung – Schritt- vs Übertragungsgeschwindigkeit • Schrittgeschwindigkeit: Zahl der Signalparameter-Zustandswechsel • Einheit: baud (1/s)  … • Übertragungsgeschwindigkeit: Anzahl der übertragenen Bitstellen/Zeiteinheit • Einheit: bit/s  … t Baudrate Übertragungsrate Daten 1 1 0 1 0 1 0 Beispiel: 1s 6 bit/s = 6 baud Achtung!! Nur für binäre Signale gilt: Schrittgeschwindigkeit=Übertragungsgeschwindigkeit T(t) Bit-intervall Übertragungstechnische Grundlagen 60
  • 46. Mehrwertiges Digitalsignal Daten 10 00 11 10 01 11 00 Quaternäres Signal t Übertragungstechnische Grundlagen 61 T(t) 2Bit-intervall 2 1 -1 -2 Schritt 1 baud = 2 bit/s
  • 47. Modem/DSL - QAM • QAM: Quadratur-Amplituden-Modulation • Signalparameter: Amplitude A(t) + Phase ᵠ • abhängig vom Signal/Rausch-Abstand! • QAM bei DSL: – QAM-16: 1baud = 4bit/s – QAM-64: 1baud = 6bit/s • QAM bei DVB-C – QAM-256: 1 baud = 8bit/s ᵠ A(t) II I III IV Übertragungstechnische Grundlagen 62
  • 48. Vernetzte IT-Systeme 2. Übertragungstechnische Grundlagen 2.4 Erzeugung von Frames Prof. Dr. Volkmar Langer Florian Schimanke
  • 49. Übertragung in Datenblöcken (frames) Zur Erinnerung: kritische Länge der Übertragung!  vgl. Kap. 2.1  Gleichlaufschwankungen  Fehlerkorrektur  Zwischenspeicherung Übertragungstechnische Grundlagen 65
  • 50. Bestandteile von Datenblöcken (frames) • Festlegung eines Rahmenformats (PDU = Packet Data Unit oder einfach frame) • Festlegung von Kontrollinformationen, die von der Sicherungsschicht benötigt werden. – Adressen – Fehlererkennung und -korrektur Kopf Nutzdaten Nachspann Übertragungstechnische Grundlagen 66 …werden eingerahmt!
  • 51. Byte-Count-Methode • Frame-Header enthält Länge des Datenteils – Beispiel: Frame im DDCMP-Protokoll, DECNET: • Problem: was passiert, wenn Byte-Count fehlerhaft übertragen wird? Übertragungstechnische Grundlagen 8 8 8 SYN SYN Class 14 42 Count Header Body 16 CRC 68 Frame-Ende wird nicht erkannt! Bsp. erstes Ethernetprotokoll
  • 52. Sentinel-Methode • Frame-Ende wird durch spezielles Zeichen markiert – Beispiel: Frame im BISYNC-Protokoll (IBM): 8 8 8 8 8 16 • Problem: Das ETX-Zeichen kann auch im Datenteil (Body) vorkommen Übertragungstechnische Grundlagen SYN SYN SOH Header STX Body ETX CRC 69 ! Bsp.: aktuelles Ethernetprotokoll
  • 53. Bitstopfen • Beispiel (HDLC-Protokoll): 01111110 Adress 8 Bit Control 8 Bit Daten =>0 01111110 • Anfangs- und Endesequenz ist 0 1 1 1 1 1 1 0 – wenn z.B. 01111110 im Datenteil erscheint, dann wird grundsätzlich nach 5 aufeinanderfolgenden 1-Bits vom Sender ein 0-Bit eingeschoben (gestopft)! Sender Stopfbit Empfänger Flag Übertragungstechnische Grundlagen 71 STX ETX 01111110 01111100 01111110 …. 01111110 Übertragungsrichtung ... 010111110 000111110 01111110 wie ETX 01111110 …. 01111110 01111100 01111110 Bitstopfen, engl. Bitstuffing
  • 54. Vernetzte IT-Systeme 2. Übertragungstechnische Grundlagen 2.5.1 Fehlererkennung und Reaktion Prof. Dr. Volkmar Langer Florian Schimanke
  • 55. Typische Fehlerarten bei der Übertragung • Physikalische Grenzen des Mediums – verschiedene Arten der Dämpfung –Bandbreitenbegrenzung –thermisches Rauschen –Übersprechen – … • Fehler in Vermittlungseinrichtung • Sabotage von Daten • … Übertragungstechnische Grundlagen 74
  • 56. Dämpfung • Amplitude des gesendeten Signals T(t) wird reduziert • gedämpftes Signal R(t)< T(t) • Verhältnis R(t)/T(t) ist abhängig von Eigenschaften des Mediums und der Distanz t Z = R2+X2 Übertragungstechnische Grundlagen 75 T(t) t R(t) Dämpfungswiderstände R = U/I X = XL – XC =  L – 1/(C)
  • 57. Verstärkung und Dämpfung • Verstärkung: • Dämpfung: [5] S.211 Ua Pa Ia > Ue Pe Ie Ua Pa Ia < Ue Pe Ie Übertragungstechnische Grundlagen 76
  • 58. Verstärkung und Dämpfung • P/U/I-Verstärkung/Dämpfung bei – 20 dB: Ua = 10% Ue Übertragungstechnische Grundlagen 77
  • 59. Bandbreitenbegrenzung Signaldämpfung ist abhängig von der Frequenz t Δf = fo - fu Übertragungstechnische Grundlagen 78 T(t) t R(t) f A0 f A(f) Bandbreite
  • 60. Thermisches Rauschen • „Hintergrund“-Rauschen = additives Störsignal S(t) • zufällige Verformung des ursprünglichen Signals T(t) • weitere Signalverformung neben Bandbreitenbegrenzung t Übertragungstechnische Grundlagen S(t) t T(t) t R(t) 79
  • 61. Impulsrauschen - Bursts • Bursts = additives Störsignal mit ggf. hohen Pegeln und/oder hoher Frequenz • Signal wird zufällig verformt, neben Bandbreitenbegrenzung t Übertragungstechnische Grundlagen 80 S(t) t T(t) t R(t) Impuls, EMP kritisch
  • 62. Theoretische Kapazität des Übertragungsmediums Wie hängen Bandbreite und Übertragungsrate zusammen?  Nyquist-Theorem – die max. Datenrate eines rauschfreien Mediums mit dem Kodierungslevel n und der Bandbreite B ist begrenzt: C = 2·B·log2(n) [bit/s] – Bsp.: Telefonleitung B = 3kHz; höherwertiges Signal n=16; C = 2  3 kHz  log2(16) bit = 24000 bit/s Übertragungstechnische Grundlagen 81
  • 63. Reale Kapazität des Übertragungsmediums Durch welchen Faktor wird die Bandbreite in realen Medien begrenzt?  Shannon-Theorem – die max. Datenrate eines realen Mediums ist durch Bandbreite B und Signal-/Rauschverhältnis S/N begrenzt: » C = B·log2(1+S/N) [bit/s] – Bsp.: Telefonleitung B = 3kHz; S/N=30dB;  mit S/N=10·log10(S/N) [dB] Übertragungstechnische Grundlagen [1] Kap. 4.1 82 S/N = 1000/1 C = 3 kHz  log2(1+1000/1) bit = 29.900 bit/s
  • 64. Vernetzte IT-Systeme 2. Übertragungstechnische Grundlagen 2.5.2 Fehlererkennung und Reaktion Prof. Dr. Volkmar Langer Florian Schimanke
  • 65. Fehlererkennung Datenverfälschung zeichenorientierte Sicherungsverfahren z.B. Paritätsprüfung blockorientierte Sicherungsverfahren z.B. CRC Datenverlust eigenständige Quittierung integrierte Quittierung Übertragungstechnische Grundlagen 85
  • 66. Maßnahmen – Reaktion auf erkannte Fehler  Ignorieren: – Echtzeitübertragung z.B. Video-/Audiostream – Bsp.: natürlich sprachliche Texte (ohne Zahlen) mit hoher Redundanz; Empfänger kann ohne Schwierigkeiten korrigieren (Bitfehlerrate 10-6  3 falschen Buchstaben im 600-Seiten-Buch)  Fehlerkorrektur: 1. fehlererkennende Kodierung: Bsp: Hamming-Verfahren 2. Korrektur durch Wiederholung: Bsp: nach CRC-Prüfung  Fehlererkennung: Grundsätzlich durch Redundanz in den übertragenen Nutzdaten Übertragungstechnische Grundlagen 86
  • 67. Prinzip der CRC-Blocksicherung • CRC: „cyclical (oder cyclic) redundancy check“, „zyklische Redundanz-Überprüfung“. • nach einem „zyklischen“ (od. Polynom-Code) Verfahren wird eine Prüfsumme gebildet, die an die eigentlichen Nutzdaten angehängt u. zusammen mit diesen verschickt wird. • Sender u. Empfänger einigen sich auf ein sog. Generatorpolynom G(x), mit dessen Hilfe die Prüfsumme codiert und decodiert werden kann. • die Qualität des Verfahrens hängt entscheidend von der Wahl des Generatorpolynoms ab. Übertragungstechnische Grundlagen 87
  • 68. Prinzip der CRC-Blocksicherung Prinzip der CRC-Blocksicherung CRC-Kontrolle beim Empfänger: Sei R(x) die empfangene Bitfolge, dann gilt: R(x) = T(x), wenn rem{ R(x)/G(x) } = 0 (fehlerfrei!) R(x)  T(x), wenn rem{ R(x)/G(x) } 0 (Fehler!) Bekannte CRC-Standards: CRC-16: x16+x15+x2+x+1 (Bsp. XMODEM) CRC-CCITT: x16+x12+x5+x+1 (Bsp: Harddisks) CRC-32: x32+x26+x23+x22+x16+x12+x11 +x10+x8+x7+x5+x4+x2+x+1 (LAN: Ethernet IEEE 802) Übertragungstechnische Grundlagen Seite 88
  • 69. Qualität der Fehlersicherung - Restfehlerrate  Grundlegendes Problem: Störungen durch Fehler können sowohl Nutzdaten als auch Kontrolldaten betreffen!  Es verbleibt immer eine Restfehlerwahrscheinlichkeit  Restfehlerrate (rer: residual error rate) ist definiert als das Verhältnis der Anzahl fehlerhaft empfangener Bits, deren Fehler nicht festgestellt wurden, zur Gesamtzahl der gesendeten Bits!  Typische Restfehlerraten: – Übertragungstechnik: Deutsche Telekom: rer  10-7  durchschnittlich kann ca. alle 10 MBit übertragener Daten ein fehlerhaftes Bit auftreten – DATEX-P (HDLC-Deutsche Telekom): rer  10-12 • durchschnittlich kann ca. alle 1 TBit übertragener Daten ein fehlerhaftes Bit auftreten – CRC-32 (Ethernetprotokoll): rer  10-18  durchschnittlich kann ca. alle 106 TBit übertragener Daten ein fehlerhaftes Bit auftreten Übertragungstechnische Grundlagen 89
  • 70. Sicherungsmechanismen gegen Datenverlust Zur Sicherung gegen Datenverlust muß grundsätzlich eine Quittierung (acknowledgement) der einzelnen Kommunikationsschritte durchgeführt werden. Sender Empfänger Zeitdiagramm Zeit Stop- and Wait Verfahren Übertragungstechnische Grundlagen Seite 90
  • 71. Erkennung durch Quittierung Sender Empfänger separate Quittung Zeit Blockprüfung Wiederholung NAK: negative acknowledgement ACK: positiv acknowledgement  Problem: Verlust der Quittung! Übertragungstechnische Grundlagen Seite 91
  • 72. Quittierung mit Zeitüberwachung Sender Empfänger Zeitüberwachung Fehlerfreie Übertragung Sender Empfänger Zeitüberwachung Fehlererkennung Übertragungstechnische Grundlagen Seite 92 time out
  • 73. Zeitüberwachung und Nummerierung Sender Empfänger Zeitüberwachung Fehlererkennung Abbruch-bedingung durch Nummerierung ! Sequenznummer prüfen: DB1 vor-handen? Übertragungstechnische Grundlagen Seite 93