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Wide Area Networks
Weitverkehrsnetze
Die Datennetze werden in verschiedene Kategorien eingeteilt. Man unterscheidet hauptschlich nach der rumlichen Ausdehnung des jeweiligen Netzes. Daneben unterscheiden sich die Netzkategorien in der Netzwerkstruktur und der Anzahl der angeschlossenen Endgerte. Es ist zu beachten, da diese Abgrenzungne flieend sind. Heutzutage werden folgene Netzkategorien unterschieden:
- CPN
- CPN(Customer Premises Network, Kunden-Grundstck) sind Netze, die vor allem in Haushalten aufgebaut werden. Sie sind durch geringe Datenraten und wenige Endgerte gekennzeichnet. In Zukunft werden sie auch fr die Steuerung von Haushaltsgerten eingesetzt.
- LAN
- LAN(Local Area Network) LANs erstrecken sich ber ein oder mehrere Gebude und verbinden oft viele Rechner und Drucker. Sie haben Reichweiten von bis zu mehreren 100m.
- MAN
- MAN(Metropolitan Area Network) erstrecken sich ber Stadtgebiete oder Ballungszentren. Sie verknpfen oft LANs, daher haben sie eine hohe Datenrate. Aufgrund der sich stndig ndernden Anschlsse haben diese Netze oft eine Ring- oder vermaschte Struktur.
- WAN
- WAN(Wide Area Network) umspannen den gesamten Globus. Hier herrschen oft lange Punkt-zu-Punkt Verbindungen vor, die ganze Lnder oder Kontinente verbinden. Die Datenraten liegen an der Grenze des technisch machbaren.
Vermittlungstechnik
Um eine Kommunikation zwischen zwei Teilnehmern aufzubauen, wird beim
Telefon ein (virtuelle) Leitung zwischen die beiden Teilnehmer
geschaltet. Daher auch der Namen Leitungsvermittlung. Im Gegensatz
hierzu wird beim Datenaustausch zwischen Computern im Internet auf
diese ``durchgehende'' Leitung verzichtet.
Leitungsvermittlung
Die bertragung von Sprache erfordert ein gewisses Echtzeitverhalten
des Systems, da die Gegenstelle die bertragenen Informationen kaum
verstehen knnte. Um dieses zu gewhrleisten mu der bertragungskanal
eine bestimmte Bandbreite dauernd sicher zur Verfgung stellen. Daher
wird dieser fr die Dauer eines Gesprches den Kommunikationspartnern
dauernd zur Verfgung gestellt. Aus Sicht des Anwenders ist hier eine
direkte Leitung zwischen den Kommunikationsendpunkten geschaltet.
Kennzeichnend ist also, da der Kanal fr die Dauer des Gesprchs vollstndig belegt wird. Der Kanal mu vor Beginn der eingentlichen Kommunikation durch das gesamte Netz von einen Teilnehmer beginnend aufgebaut werden.
Das analoge Telefonnetz sowie das ISDN arbeiten bis heute nach dem Prinzip der Leitungsvermittlung. Hier werden zwar digitalisierte Signale ber virtuelle Kanle bertragen, doch die kennzeichnenden Parameter wie die Gewhrleistung der vollen Bandbreite ber die Kommunikationsdauer sowie der Aufbau des Kommunikationskanals zeigen das Prinzip der Leitungsvermittlung.
Paketvermittlung
Fr den Datenaustausch zwischen Computern werden keine
Echtzeitanforderungen gestellt. Der Datenaustausch ist gekennzeichnet,
da die bentigte Bandbreite stark schwankt und zudem auch mit einer
geringen Bandbreite bei lngerer Dauer der Kommunikation stattfinden
kann. Bei den paktevermittelten Verfahren wird daher auf eine quasi
durchgehende Leitung zwischen den Kommunikationspartnern
verzichtet. An den Vermittlunsstellen werden Computer installiert, die
als Netzknoten die Daten an benachbarte Knoten weitervermitteln. Die
Daten werden in jedem Netzknoten auf bertragungsfehler berprft und
ggf. neu angefordert.
Durch die Verteilung der Daten ber die Leitungen mit noch freien Kapazitten werden die vorhandenen Kanle erheblich besser ausgenutzt, als bei einem Paktevermittelten Verfahren. Aufgrund der Verarbeitung der in jedem Netzknoten und einer eventuellen Pufferung bei zu hohem Datenaufkommen kann es natrlich zu Verzgerunge im Datenverkehr kommen. Ein Beispiel fr ein solches Datennetz ist das X.25 Netz.
Technik der Weitverkehrsnetze
Fernsprechnetze und ISDN
Das Fernsprechnetz ist das mit Abstand am weitesten ausgebaute
Weitverkehrsnetz. Es dient vor allem zur bertragung von
Telefongesprchen, aber auch fr die Datenkommunikation. Das
Telefonnetz ist ein Beispiel fr ein Leitungsvermitteltes Netz. Jedem
Verbindungskanal steht eine Bandbreite von 64 kBit/s zur
Verfgung.
Die parallele bertragung von mglichst vielen Gesprchen ber eine
Leitung erfordert eine Begrenzung des Frequenzbandes der bertragenen
Daten. Daher wurde der Frequenzbereich fr die Sprachkommunikation auf
den Bereich zwischen 300 Hz und 3,4 kHz beschrnkt. Die Gesprche
werden ber grere Entfernungen digital bertragen. Hierfr wird in
der Vermittlungsstelle oder im Telefon bei ISDN eine A/D-Wandlung
vorgenommen. Das Signal wird mit einer Abtastrate von 8 kHz
abgetastet. Der Momentanwert wird durch eine 8 Bit groe Zahl
beschrieben. Die Abtastrate von 8 kHz wurde nach dem Abtasttheorem von
Shannon festgelegt. Dieses besagt, da die Abtastfrequenz bei der
A/D-Wandlung mindestens doppelt so hoch wie die hchste Signalfrequenz
sein mu. Mit einem Sicherheitabstand wurde die Abtastfrquenz dann auf
8 kHz festgelegt.
Bei der digitalisierung wird alle 125 µs (1/8000s) ein
Datenblock von 8 Bit erzeugt, daher ergibt sich eine Datenrate von (8
Bit x 8.000)/s.
Auf analogen Leitungen (Modem) wird diese Grenze allerdings nicht erreicht. Die Datenrate kann hier bei bester Leitungsqualitt bis zu 56 kBit/s betragen. Bei einem Zugang ber eine Mobilfunkstrecke ist die Bandbreite allerdings noch geringer. Neben dem analogen Netz wurde ein neuer Standart entwickelt: ISDN.
ISDN
ISDN steht fr Integrated Services Digital Network (Diensteintegrierendes Netzwerk). Der ISDN-Basisanschlu (ISDN-Ba) ISDN-Ba bietet 2 Kanle mit einer Bandbreite 64 kBit/s pro Kanal. Aufgrund der digitalen bertragungsweise steht diese durchgehend zur Verfgung. Neben den beiden Basiskanlen steht noch der Signalisierungskanal (D-Kanal) mit 16 kBit/s zur Verfgung. Dieser wird nur fr die Signalisierung genutzt, whrend die beiden B-Kanle der eingentlichen Datenbertragung dienen.Neben dem Standartanschlu mit 64 kBit/s wird noch der ISDN-Primrmultiplexanschlu (PMxA) PMxA angeboten, der eine Bandbreite von 2 MBit/s bietet. Letzerer ist fr Geschftskunden zum Anschlu von Nebenstellenanlagen, fr schnelle Datenbertragungen und fr kleinere Internetprovider gedacht.
Der PMxA bietet 30 B-Kanle mit einer Datenrate von jeweils 64 kBit/s. Dazu kommt noch ein D-Kanal, der hier im Unterschied zum ISDN-Ba auch eine Datenrate von 64 kBit/s hat, sowie ein weiterer Kanal fr Rahmenbildung und Rahmenerkennung mit einer Rate von ebenfalls 64 kBit/s.
X.25
X.25X.25 ist ein Standart der ITU (International
Telecommunication Union). Das Datex-P Netz der Telekom entspricht
diesem Standart. X.25 ist ein paketvermitteltes Netz mit
verbindungsorientiertem Datenverkehr. Die Paketelnge im X.25 ist
variabel. Der Standart wurde ursprnglich fr analoge Netze
konzipiert und ist daher auf eine Bandbreite von 64 kBit/s begrenzt.
Aufgrund der mitgefhrten Kontrollinformationen fr die bertragung
auf analogen Leitungen ist der Protokolloverhead betrchtlich, was die
effektiv nutzbare Bandbreite weiter beeintrchtigt.
Frame Relay
Aufgrund des immer breiteren Einsatzes von Glasfaserleitungen ist die
Fehleranflligkeit der Datenbertragung zurckgegangen. Die
Rechenleistung der Endgerte ist zudem mittlerweile gengend hoch, um
auch Aufgaben der Flusteuerung und Verbindungsberwachung zu
bernehmen. Aus diesem Grunde kann hier das Prinzip des ``Fast Packet
Switching'' (schnelle
Paketvermittlung) zum Einsatz kommen. Das Verfahren ist als ``Frame
Relay'' standartisiert worden. Das Frame Relay Verfahren arbeitet mit
Datenpaketen variabler Lnge, die allerdings ohne Fehlerkorrektur
vermittelt werden.
Beim Frame-Relay Verfahren findet die Datenbertragung ber virtuelle
Verbindungen statt. Die zugehrigkeit eines Datenpaketes zu einer
virtuellen Verbindung wird im Paketheader codiert. Hierfr ist das
DLCI (Data Link Connection Identifier) Feld vorgesehen, das insgesamt
10 Bit breit ist. Insgesamt sind maximal 1024 virtuelle Verbindungen
gleichzeitig mglich. Die Zahl der virtuellen Verbindungen wird durch
die Anzahl der Bits im Paketheader, die zur Codierung einer Verbindung
dienen begrenzt. Mit 10 Bit knnen demnach 2^10 = 1024 virtuelle
Verbindungen dargestellt werden.
Effektiv nutzbar sind allerdings nur 976 virtuelle Verbindungen, da
einige DLCI fr Sonderaufgaben reserviert sind.
Eine virtuelle Verbindung kann dauerhaft eingerichtete werden oder
erst bei Bedarf aufgebaut und nachher abgebaut werden. Im Falle der
dauerhaften Verbindung spricht man von einer Permanent Virtual
Circuit, abgekrzt PVC, anderenfalls von einer Switched Virtual
Circuit (SVC).
Die SVC werden beispielsweise dann eingesetzt, wenn die Verbindung nur
selten punktuell genutzt wird. Eine dauerhafte Verbindung wrde in
einem solchen Falle nur unntige Kosten verursachen. Ein Beispiel
hierfr ist z.B. die Anbindung von Telearbeitspltzen an das
Rechnernetz des Betriebes.
Das Frame-Relay-Verfahren ermglicht zwar einen schnellen Datenaustausch in paktetvermittelten Datennetzen, doch die bertragung von Sprache und anderen echtzeitkritischen Datenstrmen kann hiermit nicht erfolgen. Bei der bertragung eines Datenpaktes ist die Leitung fr die Zeit der bertragung blockiert; eine begonnene bertragung eines Paketes kann nicht mehr unterbrochen werden. Aufgrund der variablen Gre der Datenpaktete bei Frame Relay kann die bertragung daher eine lngere Zeit inanspruch nehmen. Ein Weg dieses Problem zu lsen wre es, die Datenpaketgre drastisch zu reduzieren, wie es z.B. beim ATM-Verfahren festgelegt wurde.
ATM
Um gewisse Echtzeitkriterien bei der Datenbertragung zu
gewhrleisten, mssen die Pakete mglichst klein gehalten werden. So
kann die bertragung eines zeitkritischen Paktes gegebenenfalls
schnell erfolgen. Die kleinen Datenpakete, die bei ATM eine
feste Breite von 53 Bit haben, werden auch Zellen genannt. Das
ATM-Verfahren gehrt daher zu den Zellvermittlungsverfahren.
Jedes Endgert hat beim ATM-Verfahren eine Leitung zum nchsten Netzknoten. Dieser kann falls gewnscht vor der bertragung eine gewisse Bandbreite fr die Kommunikation reservieren, da ein virtueller Datenkanal zum Kommunikationspartner aufgebaut wird. Diesen Kanal kann man sich so vorstellen, da die Route durch das Netz vor der Verbindung festgelegt wird. Aufgrund der Bandbreitengarantie ist das ATM Verfahren auch fr die bertragung von echtzeitkritischen Daten geeignet.
Das ATM Verfahren ist fr die Betreiber der WAN interessant, da hier alle Dienste ber ein einziges Netz transportiert werden knnen. Es mssen keine getrennten Netze fr Sprach- und Datenverkehr aufgebaut werden. Darber hinaus hat ATM noch den Vorteil, da die Vermittlungsstellen aufgrund der festen Zellengre von 53 Byte einfacher gebaut werden knnen als beim Frame Relay Verfahren. Daher kommt es bei Datenraten von mehr als 45 MBit/s fast nur noch zum Einsatz.
IP-Verkehr ber ATM
Fr die bertragung von IP-Paketen ber ATM haben sich die nachfolgend beschriebenen 3 Verfahren heute etabliert.- CLIP
- Abkrzung fr Classical IP. Hier werden die Datenpakete aus unterschiedlichen Netzen ber ATM transportiert. Die Datenpakete aus verschiedenen Netzformen (wie Ethernet, Token-Ring) knnen in einem Fall nach der Logical Link Control Encapsulatoin Methode alle ber eine virtuelle Verbindung bertragen werden. Die ATM-Zellen werden mit Header-Informationen ber den Protokolltyp des transportierten Datenpaketes versehen. Zur effizienten Gestaltung des Datentransportes kann auch je Protokolltyp eine virtuelle Verbindung aufgebaut werden. Das Feld mit der Typangabe fr die transportierten Pakete kann enfallen, so das mehr Raum fr Nutzinformationen zur Verfgung steht. Die mittels CLIP transportierten Datenpakete knnen allerdings hinsichtlich der IP-Adressen nur immer innerhalb eines IP-Subnetzes transportiert werden, da hier keine Mglichkeit des Routings ber ATM besteht.
- LANE
- Das LAN-Emulationsverfahren (LANE) simuliert die Ablufe und Funktionen eines herkmmlichen LAN. Hierdurch kann eine existierendes LAN auf ATM abgebildet werden. Das emlierte LAN (ELAN) hat eine Client/Serverarchitektur, bei der jedes Endgert einen softwareseitigen LAN Emulation Client (LEC) besitzt. Dieser unterhlt Steuerverbindungen zu den einzelnen LANE Servern. Eine Nutzdatenverbindung kann direkt zu den anderen LEC aufgebaut werden. Daneben kann auch eine Broadcastsendung verschickt werden, indem einen Nachricht an den Broadcast and Unknown Server (BUS) geschickt wird, der diese Nachricht dann an alle Clients verteilt. Das ELAN wird von einem LAN Emulation Configuration Server konfiguriert. Daneben ist noch ein LAN Emulation Server installiert, der zur Registrierung einzelner Clients und zur Ermittlung von Adressen dient. Die Teilnehmer des emulierten LAN gehren alle zu einem Subnetz. Es besteht mittels LANE keine Mglichkeit Datenpakete zwischen einzelnen LANE-Netzen zu routen. Auch die Garantie einer Dienstegte ist bei LANE nicht mglich.
- MPoA
- Das Multiprotocol Encapsulation over ATM Verfahren
beseitigt die Nachteile der anderen beiden Verfahren hinsichtlich
des Routings zwischen den Subnetzen. Zudem kann hier die Dienstegte
fr einzelne Dienste garantiert werden. Das Netz besteht aus MPoA
Servern und MPoA Clients.
Die MPoA Server fungieren als virtelle Router, die die Aufgabe haben die Route zum Zielnetz zu ermitteln. Im Gegensatz zu den herkmmlichen Routern, die auch den Transport der Daten bernehmen, sind die Router hier allerdings nur fr die Wegewahl zustndig. Die MPoA Clients bauen mit den Informationen der MPoA Server die gewnschte Verbindung auf, und bernehmen den eigentlichen Datentransport.
Gegenberstellung der Technologien
| Telefonnetz | Paketnetz (X.25) | Frame-Relay | ATM | |
| Vermittlungsprinzip | Leitungsvermittlung | Paketvermittlung | schnelle Paketvermittlung | Zellvermittlung |
| Fehlerkorrektur im Netz | nein | ja | nein | nein |
| Paketgre | keine Pakete | variabel | variabel | fest (53 Byte) |
| mehrere Verbindungen gleichzeitig | nein | ja | ja | ja |
| Durchsatz der Netzknoten | sehr hoch | mittel | hoch | sehr hoch |