Analyse und Bewertung der Möglichkeiten einer IP-basierten Übertragung im UMTS Funknetz für Echtzeit- und Nicht-Echtzeit-Dienste.

Inhalt

1. UMTS - Aufbau und Funktion
1.1 Allgemeines
1.1.1 UMTS-Architektur
1.1.2 UTRA-FDD-Modus
1.1.3 UTRA-TDD-Modus
1.2 UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN)
1.3 UMTS Core Network (CN)

2. Das ISO-OSI-7-Schichtenmodell
2.1 Prinzip des Schichtenmodells
2.2 Die Schichten des ISO-OSI-Modells
2.2.1 Bitübertragunsschicht (Physical Layer, physikalische Schicht)
2.2.2 Sicherungsschicht (Link Layer, Verbindungsschicht)
2.2.3 Netzwerkschicht (Network Layer, Vermittlungsschicht)
2.2.4 Transportschicht (Transport Layer)
2.2.5 Sitzungsschicht (Session Layer, Kommunikationssteuerungsschicht)
2.2.6 Präsentationsschicht (Presentation Layer, Darstellungsschicht)
2.2.7 Anwendungsschicht (Application Layer)

3. Die Internet-Protokollfamilie
3.1 Systemarchitektur und Protokolle
3.1.1 Protokolle der Sicherungsschicht
3.1.1.1 Address Resolution Protocol (ARP) & Reverse Address Resolution Protocol (RARP)
3.1.1.2 Asynchronous Transfer Modus (ATM) & ATM Adaption Layer (AAL)
3.1.2 Protokolle der Vermittlungsschicht
3.1.2.1 Internet Protocol Version 4 (IPv4)
3.1.2.2 Internet Protocol Version 6 (IPv6)
3.1.2.3 Internet Group Management Protocol (IGMP)
3.1.2.4 Internet Control Message Protocol (ICMP) und ICMPv6
3.1.2.5 Resource Reservation Protocol (RSVP)
3.1.3 Protokolle der Transportschicht
3.1.3.1 Transmission Control Protocol (TCP)
3.1.3.2 User Datagramm Protocol (UDP)
3.1.3.3 Realtime Transport Protocol (RTP)
3.1.3.4 RTP Control Protocol (RTCP)
3.2 Bewertung der Protokolle bezüglich ihrer Eignung für QoS
3.2.1 Bewertung der Protokolle der Vermittlungsschicht
3.2.1.1 IPv4
3.2.1.2 IPv6
3.2.1.3 RSVP
3.2.1.4 Schlussfolgerung
3.2.2 Bewertung der Protokolle der Transportschicht
3.2.2.1 TCP
3.2.2.2 UDP
3.2.2.3 RTP & RTCP
3.2.2.4 Schlussfolgerung

4. Protokollarchitektur der UTRAN-Schnittstellen
4.1 Übersicht
4.2 Iu-Schnittstelle

5. Quality of Service (QoS) - Die Dienstgüte
5.1 Anforderungen an ein Funksystem
5.2 QoS - Aufbau bei UMTS
5.3 UMTS QoS-Verkehrs-Klassen
5.4 UMTS Trägerdienst Eigenschaften (UMTS Bearer Service)
5.5 Referenz Radio Access Bearer

6. Analyse der Datenübertragung mittels IP im UTRAN
6.1 Kapselung der Daten
6.2 Mögliche Übertragungssysteme für das UTRAN
6.3 Berechnungen am Beispiel GTP-U/UDP/IP/AAL5/ATM

7. Mobile IP
7.1 Grundkonfiguration nach RFC 2002
7.2 Funktionsweise von Mobile IP
7.3 Mobile IP im UMTS-Netz

8. IP über Funk
8.1 Funksysteme / Wireless LAN
8.1.1 IEEE 802.11
8.1.2 HIPERLAN
8.1.3 Bluetooth
8.2 Vergleich WLANs
8.3 Bewertung WLAN hinsichtlich ihrer Dienstgütegarantien

9. Bewertende Zusammenfassung und Schlussfolgerungen

Abkürzungen nach[46]

Abbildungsverzeichnis

Tabellenverzeichnis

Quellen und Literatur

Einleitung und Problemstellung

Durch die ständig wachsende Flut von Informationen im Internet und anderen Kom munikationsmedien wird der Ruf nach immer schnelleren Übertragungsmedien lauter.

Während im Festnetz die drahtgebundenen Datenübertragungsraten immer weiter zunehmen, ist auf dem Gebiet der mobilen Funk-Übertragung noch lange nicht eine vergleichbare Geschwindigkeit möglich.

Die heutigen digitalen Mobilfunkstandards (zweite Generation der mobilen Telekommunikation) basieren auf Schmalbandtechniken, die entwickelt wurden, um die elementaren Anforderungen an Sprach- und Datendiensten abdecken zu können. Diese etablierten Funkstandards basieren auf dem CDMA- (Code Division Multiple Access) oder FDMA-Verfahren (Frequency Division Multiple Access)

Um die Anforderungen der erwartenden Dienste für die nächste Generation zu erfüllen, ging von der International Telecommunication Union (ITU) ein offizieller Aufruf zur Einreichung von Vorschlägen für die Übertragungstechnik zukünftiger Mobilfunksys teme im Rahmen des International Mobile Telecommunications (IMT-) 2000 Programms aus.

Der europäische Vorschlag für IMT-2000, der von European Telecommunications Standards Institute (ETSI) vorbereitet wird, ist das Universal Mobile Telecommunica tions System (UMTS). Innerhalb dieses Vorschlages wurden die grundlegenden Anfor derungen für UMTS und UTRA (UMTS Terrestrial Radio Access) festgelegt. Für die Erarbeitung dieser Vorschläge/Spezifikationen haben sich mehrere Firmen und Interes sengruppen zusammen geschlossen, dem 3GPP (3rd Generation Partnership Project).

Wesentliche Anforderungen sind eine minimale Datenrate von 144kBit/s für ländliche Regionen bei einer maximalen Geschwindigkeit von ca. 500 km/h. Im Vorstadt-Bereich sollten bei einer Geschwindigkeit von bis zu 120 km/h immer noch 384 kBit/s angebo ten werden. Die höchste Geschwindigkeit von 2 Mbit/s ist in Gebäuden oder in Innen städten angestrebt, wobei hier die Geschwindigkeit nur noch bei Schrittgeschwindigkeit (unter 10 km/h) liegt.

UMTS soll verschiedene Trägerdienste, echtzeitfähige und nicht echtzeitfähige Dienste, leitungsvermittelte und paketorientierte Übertragungen und viele unterschiedliche Da- tenraten anbieten. Dabei soll die Übergabe nicht nur zwischen UMTS-Zellen möglich sein, sondern auch zwischen UMTS und GSM. Außerdem sollte das System in gewis sen Maße rückwärtskompatibel zu GSM-, ATM-, IP- und ISDN-basierten Netzen sein.

Im Rahmen dieser Diplomarbeit werden die Möglichkeiten einer IP-basierten Übertragung im UMTS Funknetz für Echtzeit- und Nicht-Echtzeit-Dienste analysiert und bewert. Dazu werden vorhandene Transportnetze (ATM, WLAN etc.) betrachtet und daraus Schlüsse für den Transport der Daten durch das UMTS-Netzwerk hinsichtlich der erforderlichen Parameter für die Dienstgüte gezogen.

Im ersten Kapitel wird der Aufbau und die Funktion des UMTS-Netzwerkes beschrieben. Dazu werden zuerst die Zugriffsverfahren für den Funkzugang erläutert und anschließend die Architektur von UMTS beschrieben.

Damit ein besseres Verständnis für den Aufbau von Netzwerken vermittelt werden kann, wird auch ein kleiner Exkurs über das OSI-Schichtenmodell gemacht. Anschließend erfolgt eine Beschreibung und Bewertung der zur Auswahl stehenden Protokolle, besonders der Protokolle IPv4 und IPv6. Da der Einsatz von IP einen Overhead mit sich bringt, wird die Datenübertragung am Beispiel von einigen Diensten wie Sprache analysiert.

Da in UMTS das Internetprotokoll eingesetzt wird, muss auch eine Betrachtung der Mobilität des Teilnehmers erfolgen. Dazu wird das zuständige Protokoll „Mobile IP“ beschrieben und nachfolgend beispielhaft auf ein UMTS-Netz übertragen.

Auf dem Gebiet der „Wireless LAN“ werden zur Zeit durch diverse Gremien und Firmen neue Standards spezifiziert, sodass einige dieser Standards der drahtlosen Netze kurz angesprochen und hinsichtlich der Möglichkeit zur Übertragung IP-basierter Protokolle mit Dienstgüte bewertet werden.

Als Abschluss dieser Diplomarbeit erfolgt eine Zusammenfassung der einzelnen Kapitel und einige Vorschläge zum Einsatz IP-basierter Protokolle im UMTS-Funknetz. .

1. UMTS - Aufbau und Funktion

1.1 Allgemeines

Die Spezifikation der physikalischen Schicht, die den terrestrischen UMTS Funkzugang (UTRA-UMTS Terrestrial Radio Access) definiert, sieht für UMTS das DS-CDMA (Direct-Sequence Code Division Multiple Access) Verfahren vor, im Gegensatz zu GSM, bei dem eine Kombination aus FDMA (Frequency Division Multiple Access) und TDMA (Time Division Multiple Access) zum Einsatz kommt.

Bei dem Codemultiplexverfahren werden die Funkkanäle weder durch Frequenzbereiche noch durch Zeitschlitze getrennt. Jeder Teilnehmer sendet auf der gleichen Frequenz bzw. im gleichen Frequenzband mit einer ungefähren Bandbreite von 5 MHz. Durch eine Spreizbandcodierung werden die schmalbandigen Nutzdaten (Bits) auf ein breitbandiges Spektrum abgebildet, weshalb dieses Verfahren auch „Wideband CDMA“ (WCDMA)genannt wird. Dazu erhält jeder Benutzter eine Codesequenz, die zu denen der anderen Benutzter orthogonal ist. Je nach Spreizfaktor wird so aus jedem einzelnem Nutzbit eine Codesequenz die aus mehreren „Chips“ (codierte Bits) mit erheblich kleinerer Periodendauer besteht. Das Spektrum der Datensequenz ist also gespreizt worden.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1-1 CDMA-Verfahren

Dieses Verfahren zur spektralen Spreizung nennt man „Direct Sequence“ (DS). Zur Decodierung der Codesequenz muss dem Empfänger die Codiervorschrift bekannt sein.

Die Kapazität ist auch bei dem CDMA Verfahren begrenzt, da man nicht unbegrenzt spreizen kann.

Das UTRA hat zwei Modi, FDD (Frequency Division Duplex) und TDD (Time Divisi on Duplex), mit welchen es in gepaarten bzw. ungepaarten Frequenzbereichen arbeitet. Die Möglichkeit sowohl im FDD- als auch im TDD-Modus zu arbeiten, ermöglicht ei ne effiziente Ausnutzung des Spektrums aufgrund einer Frequenzzuweisung für be stimmte Regionen. Eine weitere Beschreibung entnehme man den folgenden Abschnit ten.

Der Vorteil von WCDMA gegenüber FDMA und TDMA Systemen liegt vor allem in der Störunempfindlichkeit, da Störsender meist nur in einem schmalbandigen Frequenzbereich stören. Außerdem entfällt die zeitliche Synchronisation, die für das TDMA-Verfahren nötig ist.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1-2 TDMA-Verfahren

Zur Einführung von UMTS stehen die Frequenzbänder 1900-1920 MHz, 1920-1980 MHz, 2010-2025 MHz und 2110-2170 MHz zur Verfügung. Die Bandbreite eines Kanals beträgt 5 MHz bei einer Chiprate von 3.840 Mchips/s.[26][27]

Hier zeigt sich ein weiterer Vorteil von UMTS.

Abhängig von dem Bitratenbedarf des Benutzers und der Qualität des Kanals können variable Bitraten zugewiesen werden. Ermöglicht wird dies durch verschiedene Zu gangsarten in die UMTS Netzstruktur. Die DS-CDMA Luftschnittstellen Technologie ermöglicht den Aufbau einer hierarchischen Netzstruktur bestehend aus einer globalen Zone, Makrozelle (Ballungsgebiet), Mikrozelle (Großstadt) und Pikozelle (Gebäude).

Bei der Spezifikation für den UMTS Funkzugang wurde eine Kombination aus CDMA und TD-CDMA Technik festgelegt. Deshalb wird diese Kombination auch oft als TDMA/CDMA bezeichnet

Die Zugangsart UTRA/TDD wird in Mikro- und Pikozellen mit einer maximal nutzbaren Datenrate von 2Mbit/s unterstützt. In größeren Zellen kann aufgrund der unterschiedlichen Signallaufzeiten das Zeitduplexverfahren nicht mehr angewandt werden.

Der UMTS Zugang erfolgt in Mikro- und Makrozellen mit dem Frequenz Duplexverfahren (UTRA/FDD) und ermöglicht eine Nutzer-Datenrate von bis zu 384 kBit/s. Die variablen Datenraten werden durch die Variation des Spreizgrades und durch die Vergabe mehrere Codesequenzen für einen Benutzer erreicht. Dazu muss allerdings der Empfänger auch in der Lage sein, auf mehrere Sequenzen hin zu decodieren.

Wie bereits weiter oben erwähnt, ermöglicht die Kombination dieser Verfahren die Vergabe variabler Datenraten und damit die bessere Ausnutzung des Übertragungsmediums. Innerhalb eines Zeitrahmens ist die Bitübertragungsrate konstant. Über einen Steuerkanal werden dem Empfänger die Systemparameter kontinuierlich, also unabhängig von der Last im Verkehrskanal übertragen. Damit ist die Datenrate von Rahmen zu Rahmen veränderbar.[5]

Eine wesentliche Rolle bei CDMA Systemen spielt die Leistungsregelung. Damit die Leistungsdichte eines Spektrums nicht in dem Spektrums eines anderen Teilnehmers untergeht, müssen alle Codesequenzen mit gleicher Leistungsdichte beim Empfänger ankommen ( 1dB Toleranz ). Dazu ist eine schnelle Leistungsregelung nötig, die z.B. durch eine "Inner-Loop" Leistungsregelung realisiert sein kann. Dabei wird aus der Dämpfung des Downlinks auf die nötige Ausgangsleistung des Mobiles geschlossen.

Zusammenfassend soll UMTS folgende Dienste bereitstellen:

- Leitungs- und paketvermittelnde Dienste mit bis zu 2 Mbit/s
- Audio- und Videoübertragung
- Telefonkonferenz, Gruppenruf, Rundsendedienste
- Internetzugang
- Datenbankabfragen
- Datenübertragung bei bis zu 500 km/h Geschwindigkeit des Teilnehmers
- Globales Roaming
- Handover zwischen verschiedenen Netzbetreibern

1.1.1 UMTS-Architektur

UMTS (Universal Mobile Telecommunications System) besteht aus folgenden Komponenten[33]:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

UE

Abbildung 1-3 Vereinfachte UMTS-Referenzarchitektur

Die Funktionen zur Verwaltung der Mobilität sind im UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) enthalten.

UTRAN ist über die Luftschnittstelle UU mit dem mobilen Endgerät UE (User Equipment) verbunden. Das mobile Endgerät kann z.B. ein UMTS-fähiges Mobiltelefon sein.

Mittels IU-Schnittstelle wird die Kommunikation des UTRAN mit dem Kernnetz CN (Core Network) hergestellt. Das Kernnetz enthält alle Mechanismen für eine Verbindungsübergabe an andere Systeme, aber auch Schnittstellen zu Fest- oder Mobilfunknetzen.

Die Signalisierungs- und die Nutzer-Daten werden getrennt übertragen. Dazu wird zum einen eine Steuerungsebene (Control-Plane) und zum anderen eine Benutzerebene (User-Plane) genutzt.

1.1.2 UTRA-FDD-Modus

Wie bereits oben genannt, wird für den FDD-Modus im UTRA eine Breitband-CDMA Technik (Wideband-CDMA) mit Direct Sequence als Bandspreizverfahren eingesetzt. Die Richtungstrennung regelt FDD, d.h. ein mobiles Endgerät nutzt eine Trägerfrequenz zwischen 1920,9 und 1979,7 MHz für den Uplink, hingegen sendet die Basisstation in Abwärtsrichtung zwischen 2110,9 und 2169,7MHz[5].

Dadurch besitzt jeder logische Kanal eine Trägerfrequenz, einen bestimmten Spreizcode sowie eine Phasenlage in Aufwärtsrichtung. Es stehen eine Vielzahl logischer und physikalischer Kanäle zur Verfügung:

In Aufwärtsrichtung werden User-Daten über den Uplink Dedicated Physical Data Channel (DPDCH) transportiert. Dabei werden Steuerdaten über den Uplink Dedicated Physikal Control Channel (DPCCH) zeitgleich übertragen. Außerdem kann der Spreizfaktor getrennt eingestellt werden.

Die Steuerdaten von einer Mobilstation auf das Medium werden mittels Physical Random Access Channel (PRACH) übertragen.

In Abwärtsrichtung überträgt der Downlink Dedicated Physical Channel (Downlink DPCH) sowohl Nutz- als auch Steuerungsdaten im Zeitmultiplexverfahren.(zuerst wird DPCCH, dann DPDCH übertragen).

Abbildung 1.4 zeigt die Rahmenstruktur von UTRA im FDD-Modus mit ausgewählten Kanälen. Jeder Rahmen besitzt 15 Slots (Zeitschlitze) und hat eine Dauer von 10 ms. Damit hat ein Slot eine Dauer von 666 µs. In der Abbildung werden drei verschiedene Kanäle gezeigt, die einen Zeitschlitz belegen können.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1-4 Rahmenstruktur des UMTS-FDD-Modus nach 3G TS 25.221

Ein Uplink DPCCH hat u.a. einen Piloten zur Kanalschätzung und ein Feld zur Steuerung der Sendeleistung TPC (Transmit Power Control).

Im Uplink DPDCH befinden sich die Nutzdaten, welche gleichzeitig mit dem Uplink DPCCH übertragen werden. Der Downlink DPCH hat genau die gleichen Felder (Pilot, TPC, Daten), jedoch nun nacheinander in einem Zeitschlitz.

1.1.3 UTRA-TDD-Modus

Im TDD-Modus wird auf der gleichen Frequenz gesendet und empfangen. Dazu wird das Breitband-TDMA/CDMA-Verfahren eingesetzt. Bis zu vier Kanäle mit einer Breite von je 5 MHz nutzten den Bereich von 1900,1 MHz bis 1920,1 MHz und zwei weitere Kanäle im Bereich von 2010,1 MHz bis 2020,1 MHz.

Damit bietet dieser Modus ebenfalls 2 Mbit/s an. Jedoch sind hierbei nur etwa 120 physikalische Kanäle für Nutzdaten möglich, welche durch Zeitschlitze und den Spreizcode (DSSS-Verfahren) getrennt werden.

In dem System werden acht sogenannte Bursts von verschiedenen Kanälen in einem Timeslot (Zeitschlitz) übertragen. Abbildung 1.5 zeigt einen typischen Burst innerhalb eines Zeitschlitzes mit einer Länge von 666 µs. Dieser Burst enthält Nutzdaten (Data), einen Mittelteil (Midample) für die Kanalschätzung, sowie eine Schutzzeit (GP, Guard Period) von 23,4 µs zur Vermeidung von Interferenzen zwischen den Zeitschlitzen.

Ingesamt werden 15 Zeitschlitze zu einem Rahmen von 10 ms Dauer zusammengefasst.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1-5 Rahmenstruktur des UMTS-TDD-Modus (Quelle:[5])

Bei der Übertragung kann ein TDD-Rahmen entweder die gleiche Anzahl von Zeit schlitzen in Ab- oder Aufwärtsrichtung haben oder eine beliebige Kombination enthal ten.

1.2 UMTS Terrestrial Radio Access Network (UTRAN)

Das UTRAN enthält mehrere Funkteilsysteme (RNS, Radio Network Subsystem), wel che über die Iu-Schnittstelle mit dem Kernnetzwerk (Core Network) verbunden sind. Zu einem Funkteilsystem gehört ein Radio Network Controler (RNC) und ein oder mehrere Node B.[9]

Der Node B ist eine logische Einheit, welche verantwortlich für die Funkübertragung in einer oder mehreren Zellen ist. Sie kommunizieren mit den RNC über den Bezugspunkt Iub. Die Verbindung zum User Equipment (UE), z.B. dem Handy wird mittels UuSchnittstelle hergestellt, vgl. Abb. 1-6.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1-6 UTRAN Architektur

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Jeder Verbindung zwischen UE und dem UTRAN ist ein RNC im sog. Serving Radio Network Subsystem (SRNS) zugeordnet. Werden einer Verbindung bei Bedarf von einem RNC weitere Funkbetriebsmittel, z.B. für einen Soft-Handover zur Verfügung gestellt, so wird das zugehörige RNS als Drift Radio Network Subsystem (DRNS) bezeichnet. Die Einstufung eines RNS als SRNS oder DRNS erfolgt verbindungsbezogen. Die Verbindung wird logisch am Bezugspunkt Iur hergestellt, jedoch physikalisch über der Iu-Schnittstelle aufgebaut. Eine Ende-zu-Ende Verbindung zwischen UE und CN besteht nur über die Iu-Schnittstelle am SRNS.

1.3 UMTS Core Network (CN)

Im UMTS-Netz ist das Core Network in eine logische Circuit Switched Domain (CSD) für kanalvermittelte Dienste und in eine logische Packet Switched Domain (PSD) für paketvermittelte Dienste aufgeteilt. Außerdem existiert noch eine logische Broadcast Domain (BCD), auf welche an dieser Stelle nicht näher eingegangen wird.

Dementsprechend ist die Iu-Schnittstelle zwischen CN und UTRAN logisch in eine Iu CS und in eine Iu-PS gegliedert. Dabei gehören zur CSD alle Dienste zur Erbringung der kanalvermittelten Übertragung einschließlich der Signalisierung. Bei der CSD wer den die Betriebsmittel für die Verbindung erst aufgebaut, belegt und anschließend wie der freigegeben.In der PSD werden Pakete unabhängig voneinander übertragen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 1-7 CS- und PS-Domain der Iu

2. Das ISO-OSI-7-Schichtenmodell

2.1 Prinzip des Schichtenmodells

Das OSI-Referenzmodell steht für die physikalische Beschreibung der Kommunikation zwischen verschiedenen Rechnerwelten in heterogenen Umgebungen. Es entstand Ende der 70er Jahre und hatte die Definition allgemein akzeptierter Kommunikations Standards zum Ziel. Dabei ging es um Basisdienste wie Datenübertragung, Fernzugriff auf Dateien und den Austausch von E-Mail. Zusätzlich zu den eigentlichen Anwen dungsdaten waren darüber hinaus auch strukturelle und prozedurale Informationen nö tig; diese wurden als OSI-Protokolle definiert. Es handelt sich dabei um herstellerneut rale Standards, welche die einzelnen Schichten des OSI-Modells unterstüt zen.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abbildung 2-1 ISO-OSI-7-Schichtenmodell

Jede dieser Schichten umfasst bestimmte Funktionen, die sie der nächsthöheren Ebene über entsprechende Schnittstellen zur Verfügung stellt. In Abbildung 2.1 ist der prinzi- pielle Aufbau dargestellt. Die Schichten 1 bis 4 sind die Transportprotokolle, die Schichten 5 bis 7 die Anwendungsprotokolle.

2.2 Die Schichten des ISO-OSI-Modells

2.2.1 Bitübertragunsschicht (Physical Layer, physikalische Schicht)

In der untersten Schicht, der Bitübertragungsschicht werden die physikalischen Übertragungsmedien (einfache Telefonleitung, abgeschirmte Kabel, Koaxialkabel, LWL, Funkstrecke, Netzadapter) festgelegt. Sie ist für die Verbindung zwischen zwei Kommunikationsendpunkten verantwortlich. Treten hier Probleme mit der Hardware auf, so werden diese Störungen ungesichert an die nächsthöhere Schicht weitergegeben.

2.2.2 Sicherungsschicht (Link Layer, Verbindungsschicht)

Diese Ebene regelt den Zugriff von höheren Netzprotokollen auf die Netzadapter der einzelnen Stationen; konkret geht es um Zugangsverfahren wie ATM, Ethernet, FDDI, HDLC, Token Ring usw. Vor allem werden Sicherungsmechanismen implementiert, die bei fehlerhaften Übertragungen für eine entsprechende Recovery sorgen müssen. Es werden physikalische Verbindungen aufgebaut, über die zu Blöcken (Frames) zusammengefasste Bit-Ströme transportiert werden. Diese Schicht wird nochmals in den unteren MAC-Layer (Media Access Control) und oberen LLC-Layer (Logical Link Control) unterteilt.

2.2.3 Netzwerkschicht (Network Layer, Vermittlungsschicht)

Zu unterscheiden ist an dieser Stelle zwischen verbindungsorientierten (z.B. PPTP, Point-to-Point-Tunneling-Protokoll) und verbindungslosen (z.B. IP, Internet Protocol) Netzprotokollen. Außerdem wird die Wegewahl (Routing) hier getroffen. Sollten in einem Netzwerk mehrere Alternativen zur Übertragung vorhanden sein, so müssen die Protokolle dieser Schicht die für die Übertragung optimale Route ermitteln. Dadurch wird der Aufbau eines logisch strukturierten Netzes möglich.

Die Vermittlungsschicht sorgt dafür, dass ein Datenpaket seinen Adressaten erreicht, unabhängig davon, welchen Weg es über ein Netz genommen hat. (s. Kapitel 3.1.2).

2.2.4 Transportschicht (Transport Layer)

Diese Schicht gewährleistet eine zuverlässige, transparente Datenübertragung zwischen den Endpunkten. Ein wichtiges Merkmal dieser Ebene sind Parameter wie Quality of Service (s. Kapitel 5), Fehlerwahrscheinlichkeit, geforderter Datendurchsatz oder Multiplexfähigkeit. Zu den häufig eingesetzten Protokollen dieser Schicht zählen u.a. TCP (Transmission Control Protocol) und UDP (User Datagram Protocol).

2.2.5 Sitzungsschicht (Session Layer, Kommunikationssteuerungsschicht)

Die Sitzungsschicht koordiniert und synchronisiert die Kommunikation zwischen dedizierten Anwendungsprozessen. Bei Verbindungsunterbrechungen können die stattgefundenen Dialoge durch Synchronisierung meist wiederhergestellt werden, ohne Verlust der bisher übertragenen Daten.

2.2.6 Präsentationsschicht (Presentation Layer, Darstellungsschicht)

Damit die übertragenen Daten einheitlich interpretiert werden können, werden in dieser Schicht anwendungsspezifische Formatierungen durchgeführt.

2.2.7 Anwendungsschicht (Application Layer)

Die Anwendungsschicht stellt die eigentliche Schnittstelle zwischen den in zwei Systemen implementierten Anwendungen dar. Der Benutzer kann die Anwendungsprogramme wechseln, ohne dabei die Hardware zu berücksichtigen.

3. Die Internet-Protokollfamilie

3.1 Systemarchitektur und Protokolle

Das Internet nutzt eine Ansammlung von unterschiedlichen, sich ergänzenden Protokollen auf verschiedenen Schichten, die gemeinhin als Internet-Protokollfamilie (Internet Protocol Suite) bezeichnet werden. Sie umfasst mehr als 100 Protokolle.

Alle Protokollspezifikationen sind öffentlich. Sie werden. als Request For Comments (RFC)-Dokumente aufsteigend durchnummeriert und bei der Internet Engineering Task Force (IETF,[2]) veröffentlicht

Abbildung 3-1 Auswahl von Internet-Protokollen

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die Internetprotokollfamilie ist in vier Schichten gegliedert, die von unten nach oben wie folgt sind:

1. die Sicherungsschicht, in der die Protokolle die unterschiedlichen Eigenschaften der unterliegenden Teilnetze vereinheitlichen,
2. die Vermittlungsschicht, die aus den einzelnen Teilnetzen ein virtuelles Netz mit Ende-zu-Ende-Sicht formt und anbietet,
3. die Transportschicht, deren Protokolle die Ende-zu-Ende-Kommunikations eigenschaften ergänzen und erweitern und
4. die Anwendungsschicht, die Protokolle für grundlegende netzbasierte Anwen dungen bereitstellt.
Nachfolgend sollen die Schichten und einige in der Abbildung 3-1 gezeigten Protokolle kurz beschrieben werden.

3.1.1 Protokolle der Sicherungsschicht

Damit die unterschiedlichen Eigenschaften der verschiedenen Teilnetze (ATM, Ethernet, X.25, FDDI etc.) an die nächsthöhere Schicht angepasst werden können, wird in der Sicherungsschicht mit Hilfe von Adaptionsprotokollen eine einheitliche Teilnetzschnittstelle angeboten.

Für die Abbildung und Konvertierung zwischen IP-Adressen und netzspezifischen Adressen werden u.a. die folgenden Protokolle eingesetzt.

3.1.1.1 Address Resolution Protocol (ARP) & Reverse Address Resolution Protocol (RARP)

Das Address Resolution Protocol (ARP) konvertiert dynamisch IP-Adressen in ihre korrespondierende physikalische Teilnetzadresse.

Mit Hilfe des Reverse Address Resolution Protocol (RARP) können Rechner ohne Festplatte ihre eigene IP-Adresse erfahren, indem er die eigene physikalische Adresse in das Teilnetz an alle angeschlossenen Rechner sendet, um so als Antwort von einem entfernten RARP seine IP-Adresse zu erhalten.

3.1.1.2 Asynchronous Transfer Modus (ATM) & ATM Adaption Layer (AAL)

ATM ist eine Multiplextechnik (statistisches Zeitmultiplexverfahren (TDM)), die es ermöglicht, die Bandbreite moderner Übertragungsstecken optimal und flexibel zu nutzen. ATM als Asynchroner Transfer Mode ist nicht zu verwechseln mit den Übertragungstechniken PDH oder SDH.

ATM ist die Art und Weise, wie die verfügbare Bandbreite eines Übertragungsmediums benutzt wird.

Der ATM Adaption Layer sorgt für die Aufteilung der Nutzdaten auf die Payloads (Nutzdaten) der einzelnen ATM-Zellen bzw. das Wiederzusammenfügen zu größeren Dateneinheiten (PDUs).

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