Kommunikationssysteme Teil 1 1 Einfhrung Stephan Rupp Informatik

Kommunikationssysteme Teil 1. 1 - Einführung Stephan Rupp Informatik Masterstudium www. dhbw-stuttgart. de Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Inhalt Kommunikationssysteme - Einführung • Netze • Leitungsvermitlung, Paketvermittlung • geografische Ausprägung: Lokales Netz und Weitverkehrsnetz (Zugangsnetz, Metronetz, Kernnetz) • Netztypen: Telefonnetz, Ca. TV-Netz, Mobilfunknetz, Satelliten Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 2 Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Was wissen wir über Netze? ? Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 3 Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

DSL - Was steckt dahinter? Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 4 Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Ca. TV - Was steckt dahinter? Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 5 Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Händi - Was steckt dahinter? Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 6 Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Das Strickmuster erkennen Vereinfachung durch Abstraktion Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 7 Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Strickmuster Adressräume als Netze Schichtenmodell • Leitungen und Luft • Modem-Schicht: Punkt-zu-Punkt Verbindungen • Netzschicht: Zustellung von Paketen bzw. Vermittlung von Verbindungen • Anwendungsschicht: Ende-zu-Ende Beziehung, vom Netz sieht man nichts mehr Funktionen, z. B. Mobilitätsverwaltung • gleiche Funktionen • viele unterschiedliche Implementierungen Geografische Netzausprägung Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 8 Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Netze als Wölkchen Ende-zu-Ende Beziehung Netz = gemeinsamer Adressraum (Domaine) ö Alternative Definition: Netz = Eigentum des Betreibers bzw. einer Firma oder Privatperson (Domaine) Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 9 Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Adressräume spannen Netze auf Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 10 Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Das Händi als Modem In welchem Netz befindet sich das Gerät? Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 11 Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Schichtenmodell – Netzebene änger Empf se Adres Route A Terminal (Endgerät) B Netzknoten = Postämter Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp Paketvermittlung – ganz wie bei der Post 12 Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Schichtenmodell A Terminal (Endgerät) B Anwendungsebene Netzebene Modemebene Wi. Fi DSL Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp SDH DSL 13 Ethernet Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Anwendungsebene - Sprachpakete • Digitalisieren • Kodieren • Paketieren • Auspacken • Dekodieren • Übertragen Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 14 • Zusammensetzen Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Schichtenmodell - Internet Anwendungsebene Netzebene Ganz unten durch: Leitungen und Luft Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 15 Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Öffentlicher Verkehr Hier benimmt man sich, wie es sich in der Öffentlichkeit gehört. Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 16 Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Privater Verkehr: Tunnel (VPN) Tunnel Was nicht für die Öffentlichkeit bestimmt ist, wird über Tunnel kommuniziert. Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 17 Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Das kennen wir jetzt: Was fehlt noch? Schichtenmodell Öffentliche Netze? Netze als Wölkchen Mobilnetze? Ende-zu-Ende Beziehungen Internet? Privat und öffentlich Sicherheit? Punkt-zu-Punkt per Modem Funktionen? Implementierungen? Paketvermittlung auf Netzebene Netzdesign? Containerdienst für Fernverkehr Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp Systemdesign? 18 Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Inhalt Technik der Netze - Einführung • Netze • Leitungsvermitlung, Paketvermittlung • geografische Ausprägung: Lokales Netz und Weitverkehrsnetz (Zugangsnetz, Metronetz, Kernnetz) • Netztypen: Telefonnetz, Ca. TV-Netz, Mobilfunknetz, Satelliten Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 19 Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Leitungsvermittlung Schritt 1: Signalisierungsphase Kein Anschluss unter dieser Nummer Wählton, Rufton und Besetztzeichen Pfad durch das Netz allokieren Ressourcen verfügbar? Teilnehmer am Ziel erreichbar? Quelle: Harald Orlamünder Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 20 Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Leitungsvermittlung Schritt 2: Verbindung schalten Nutzung d er Resourcen ? Datentransfer über die Verbindung Daten nehmen den allokierten Pfad Quelle: Harald Orlamünder Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 21 Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Leitungsvermittlung Noch einmal: Schritt 1 und Schritt 2 Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 22 Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Aufbau eines Vermittlungssystems Prozessor (Steuerung) Trunks … Koppelnetz zu anderen Vermittlungsstellen (Digital Switching Network) Line Cards … Steuerung durch Signalisierung Lines zu den Teilnehmern (ISDN, a/b) Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 23 Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Paketvermittlung „Fein geschnitten und in Stücken“ E-mail et Daten werden in Paketen transportiert Pak 1 Pak 3 et Pak 4 T Bild & et on et Pak 2 et Pak P) I o l 6 Pak 5 Te et n o ef (V Quelle: Harald Orlamünder Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 24 Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Postamt: Storage & Forward Routing Quelle: Gerd Siegmund Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 25 Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Inhalt Technik der Netze - Einführung • Netze • Leitungsvermitlung, Paketvermittlung • geografische Ausprägung: Lokales Netz und Weitverkehrsnetz (Zugangsnetz, Metronetz, Kernnetz) • Netztypen: Telefonnetz, Ca. TV-Netz, Mobilfunknetz, Satelliten Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 26 Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Verkehrsnetze für Bits SCHLESWIG-HOLSTEIN MECKLENBURG-VORPOMMERN HAMBURG Ein Beispiel: die grössten Städte in Deutschland BREMEN NIEDERSACHSEN BERLIN BRANDENBURG SACHSEN-ANHALT NORDRHEIN-WESTFALEN THÜRINGEN SACHSEN HESSEN RHEINLAND-PFALZ SAARLAND BAYERN BADEN-WÜRTTEMBERG Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 27 Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Verkehrsnetze für Bits Kiel SCHLESWIG-HOLSTEIN Rostock Lübeck MECKLENBURG-VORPOMMERN Hamburg HAMBURG Datenautobahn: zwischen den grössten Städten BREMEN Bremen NIEDERSACHSEN BERLIN Hannover BRANDENBURG Braunschweig Magdeburg Bielefeld SACHSEN-ANHALT Münster Dortmund Duisburg Essen NORDRHEIN-WESTFALEN Krefeld Hagen Wuppertal Düsseldorf Mönchengladbach Aachen Köln Halle Erfurt THÜRINGEN Dresden SACHSEN Bonn Stuttgart HESSEN RHEINLAND-PFALZ Frankfurt am Main Wiesbaden Mannheim SAARLAND Nürnberg Karlsruhe BAYERN Stuttgart BADEN-WÜRTTEMBERG Augsburg München Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 28 Nahverkehr Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Nahverkehr und letzte Meile Strassen und Haushalte Stuttgart die letzte Meile Metro-Bereich (Nahverkehr) Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 29 Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Zum Beispiel Kabel-TV Netze Coax Verstärker Fibre. Node Ein zellulares Netz. Braucht m an das für Verteildien ste (Broad cast)? Quelle: Alcatel Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 30 Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Zum Beispiel DSL-Netze vorher 24 VDSL ports nachher Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 48 ADSL ports Source: Wikipedia, Web 31 per line card Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Zum Beispiel Mobilfunk BTS Node B (BTS) Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp Quellee: www. duwen. de; vodafone Node B Standorte 32 Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Zellulare Netzstruktur Grösse der Zellen ist abhängig von der Verkehrsdichte (bzw. Teilnehmerdichte) Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 33 Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Beispiel: Verkehrsdichte im Metronetz dense urban rural Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 34 Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Glasfaserringe als Zubringer Legende: • MDF (Main Distribution Frame): Hauptverteiler für Telefonleitungen (Kupferdoppelader), kann mit DSL aufgerüstet werden MDF DSL • HFC (Hybrid Fibre Coax): Ca. TV Verteilnetz HFC • 2 G/3 G: 2. Generation (GSM) bzw. 3. Generation (UMTS) Mobilfunk Ring 1 • Wi. MAX: neue Funkzugangstechnik, vgl. WLAN Ring 3 Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 2 G/3 G Wi. MAX Ring 2 35 Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Beispiel: Metronetz Stuttgart Stammheim 8/1 Schuetzenbuehl Korntal 1/1 8/1 Giebel 1/1 Weilimdorf 1/1 Steinhaldenfeld 3/1 8/1 Zuffenhausen 1/1 Freiberg 8/1 3/1 Muenster Feuerbach 8/1 Killesberg Schmiden 3/1 Fellbach 3/1 Memberg Bad Cannstatt 8/1 Lautenschlagerstr 16/1 Hasenbergstr 6/1 Ostheim Untertuerkheim 1/1 18/2 Botnang 3/1 19/2 1/1 Sene 8/1 1/1 3/1 Gablenberg felder. Botnangerstr 6/1 Blumenstr Obertuerkheim str Boeblingerstr 11/1 3/1 21/2 Hedelfingen Hohenkreuz 6/1 Degerloch 3/1 Sillenbuch 3/1 1/1 26/2 1/1 Am Feldrand 27/2 1/1 3/1 1/1 Pliensau Vorstadt 1/1 Vaihingen 1/1 Esslingen Heumaden Hoffeld 1/1 Oberesslingen 1/1 Moehringen 27/2 1/1 Schockenriedstr 1/1 Rohr 1/1 Duerrlewang Hohenheim Berkheim 27/2 Nellingen Fasanenhof Oberaichen Schanbach 1/1 Zell 27/2 1/1 1/1 Leinfelden 1/1 Denkendorf 1/1 Echterdingen Bernhausen 1/1 Plattenhardt Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 36 Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Inhalt Technik der Netze - Einführung • Netze • Leitungsvermitlung, Paketvermittlung • geografische Ausprägung: Lokales Netz und Weitverkehrsnetz (Zugangsnetz, Metronetz, Kernnetz) • Netztypen: Telefonnetz, Ca. TV-Netz, Mobilfunknetz, Satelliten Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 37 Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Aufbau der Weitverkehrsnetze Letzte Meile Kupfer Kabel Kernnetz Hauptverteiler Call Server Metronetz Paket. Netz (IP) Hub Funk POP Leitungsvermitteltes Netz POI Basisstation m Netzzugang (Gateway) m Verkehrstrennung m Netzübergänge (POI) m Medienkonversion Zugangsnetz POI Point of Interconnect Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 38 Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Von der Datenautobahn bis ins Haus • Die Netze sind sehr unterschiedlich ausgebaut. • Datenautobahnen (Back-Bones) sind reichlich vorhanden. • Im Nahverkehr (City-Ringe, Metronetze) gibt es Glasfaser. Infrastruktur in allen größeren Städten. • In der letzten Meile gibt es unterschiedliche Technologien, die in Deutschland sehr unterschiedlich genutzt werden: • Kupferdoppelader (Telefon, DSL) • Ca. TV-Netze (Kabelmodem, Kabeltelefon) • Mobilfunk der 2. , 3. und 4. Generation (GSM/GPRS, UMTS, LTE): weiteres Wachstum durch Telematik, Maschinen, Internet der Dinge. • Hot-Spots (Wi. Fi) für massives Datenaufkommen bzw. hohe lokale Verkehrsdichten Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 39 Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Strecken und Dehnen Gymnastik Netzdesign Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 40 Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Weitverkehrsnetz – Röhren für Bits Nutzung: • 50 Mio. Teilnehmer • 2 Transaktionen pro Teilnehmer in der Hauptverkehrsstunde • 50% Telefongespräche mit 100 Sekunden Dauer und 64 k. Bit/s • 50% SMS mit 200 Bytes pro Nachricht Kernnetz Zugangsnetz Last mile Struktur: • 16 Regionen mit eigenem regionalen Access Point (Regional Node) • 4 Regionale Access Points pro Weitverkehrsknoten (Wide Area Node) Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 41 Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Weitverkehrsnetz - Fragen • Wie viele Daten pro Teilnehmertransaktion? • Wie viel Verkehr pro Teilnehmer im Mittel? • Wie viel Verkehr an den Schnittstellen 1 und 2? (Annahme: geschlossenes System mit gleichmässiger Verteilung) • Bonus-Stretch: “Der hat aber eine lange Leitung” • Verzögerungen und Reaktionszeiten (Latency, Round-Trip-Delays) bedingt durch Propagation Delay (Ausbreitungsgeschwindigkeit), Transmission Delay (Bitrate) und Processing Delay (Storage & Forwarding bzw. allgemein die Bearbeitung von Transaktionen). Leitung: 3. 000 km Bitrate: 64 k. Bit/s Verarbeitung: 10 ms pro Hop A B Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 42 Fall 1: 64 Bits an B mit Rückmeldung Fall 2: 2 MBytes download von B Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Strecken und Dehnen Gymnastik Mobilität Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 43 Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Mobilität: Mit dem Laptop bin ich doch auch mobil - was ist daran besonders? Laptop Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 44 Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Mobilitätsverwaltung A Server Szenario: Nachricht von A nach B. B Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 45 Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Mobile Teilnehmer im Netz - Fragen • A (Alice) schickt eine Nachricht an B (Bob, Adresse 17 an Knoten 32) – Was passiert im Netz (Routing-Tabellen in den Knoten)? • B ist mobil und hat sich zum Knoten 43 bewegt – Was passiert nun? • Wie kann man Nachrichten an mobile Nutzer zustellen? Was sind die Unterschiede zum Festnetz? • B hat sein Händi ausgeschaltet – Was passiert nun mit an ihn verschickten Nachrichten? • Wie kann man ausgeschaltete Geräte berücksichtigen und Nachrichten trotzdem zustellen? • Der falsche Bob: Mallory kennt die Adresse von Bob, empfängt dessen Nachrichten und verschickt Nachrichten auf dessen Kosten. Warum ist das im Festnetz kein Problem? Was kann man dagegen tun? • Das falsche Netz: Eine Basisstation in der Aktentasche ist der stärkste Sender in der Nähe und nimmt Nachrichten von Alice entgegen. Was kann man dagegen tun? Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 46 Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Satelliten im Weitverkehrsnetz Satellite Movies Busines Back-Bone Play-out Center Networks: • SDH/ATM • DWDM Studio Video Production Regionale Head-Ends Metro. Networks: • SDH/ATM • DWDM • Trunk Radio • HFC regional and local content Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 47 Access Networks: • Satellite (DVB-S) • Ca. TV (DVB-C) • Telefone Network • terrestr. Radio (DVB-T, DAB) Local Loop • UMTS, DVB-H interactive Services Home Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Netze und Benutzer inkl. Nahbereich (Bluetooth, Wi. Fi, …) Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 48 Informatik Master, PM 2100. 1, 2013

Kommunikationssysteme ENDE Teil 1. 1 Einführung Kommunikationssysteme, Teil 1. 1, S. Rupp 49 Informatik Master, PM 2100. 1, 2013