Kapitel 4: Physikalische Schicht (physical layer - Torsten E. Neck

K744.04 — „Büroautomation, Datenkommunikation, Netze“ 

Kapitel 4: Physikalische Schicht (physical( 

layer) 

Das öffentliche Fernsprechnetz 

Modem und Modemtechnologien 

Repeater 

K744: „Büroautomation, Datenkommunikation, Netze“ – WS-1999/2000 — K04.0 (01/03/08) 

Forschungszentrum Karlsruhe 

Technik und Umwelt 

Fortbildungszentrum Technik u. Umwelt 

Dipl.-Inform. Torsten Neck

Bedeutung von Schnittstellen 

 

 

Die Übertragung von digitalen Daten über: 

zentral-organisierte Netze (z.B. öffentl. Telefonnetze) 

dezentrale Netze (z.B LAN-Netze) 

erfordert die Standardisierung ihrer Schnittstellen. 

 

Im Bereich der öffentlichen leitungsgebundenen Netze sind dies: 

ITU-T V-Empfehlungen 

Fernsprech- (Telefon-) Netz (analog) 

Älteste Empfehlungsgruppe 

ITU-T X-Empfehlungen 

Integriertes Daten- und Nachrichtennetz 

ITU-T I.100 - I.600 Empfehlungen 

Integrated Services Digital Network (ISDN) 






Schema des analogen - öffentlichen 

- Fernsprechnetzes 

 

 

Im Innern des Netzes - zwischen 

Ortsvermittlungsstellen (OVSt) und 

Fernvermittlungsstellen (FeVSt( 

FeVSt) - werden die Sprechrichtungen 

getrennt (Vier-Draht-Verbindung). 

Im Analog-Teilnehmer-Anschluß des Telefonnetzes sind Endgeräte 

und Leitungsabschluß (Network Termination NT) nicht getrennt. 

technische Schnittstelle 

"Anschlußsteckdose" beim TN 

Vier-Draht- 

Verbindung 

Zwei-Draht-Verbindung 

Teilnehmeranschlußleitung 

OVSt 

FeVSt 

OVSt 

Telefonapparat 

TN A 

TN = Teilnehmer 

TN-Anschlußpunkt 

im Ortsnetz 

andere FeVSt 

und OVSt 

Schematischer Aufbau des öffentlichen Fernsprechnetzes 

Telefonapparat 

TN B 






Klassische Telefon-Teilnehmerschnittstelle: Teilnehmerschnittstelle: a/b-Schnittstelle 

 

 

 

 

Die Bezeichnung a/b unterscheidet die beiden Adern (Sprechadernpaar) 

aar) 

für r die Zweidraht-Teilnehmer 

Teilnehmer-Anschlußleitung leitung (local( 

subscriber loop). 

Energieversorgung Telefon: 

Beim Abheben des Handapparats ("Telefonhörer") wird ein 

Gleichstromkreis — gespeist von Amtsbatterie — geschlossen. 

Früheres Analogtelefon ferngespeist von OVST (Schleifenstrom i). 

Kein lokaler Stromanschluß erforderlich (wie bei ISDN). 

Signalisierung (automatisches Selbstwahlverfahren), Dienstsignale: 

e: 

Netz gibt akustische Signale 

während des Vermittlungsdialogs mit Teilnehmer. 

Impulswahlverfahren (IWV): 

Rufnummerneingabe klassischer Telefonapparat mit Nummernscheibe 

(Wählscheibe). 

Signalisierung im gleichen "Band" wie die spätere (Sprach-) 

Übertragung (in-band). 






Impulswahlverfahren (IWV) 

Aufziehen der 

Nr.-Scheibe 

Rücklauf der Nummernscheibe 

i 

100 ms 100 ms 100 ms 100 ms 100 ms 

Abheben des Handapparates 

t 

Wahl der Ziffer 5 über einen mechanisch arbeitenden Apparat 

mit Nummernscheibe (Impulswahlverfahren) 






Mehrfrequenzverfahren (MFV) 

 

Für r Tastentelefone (anstelle des Impulswahlverfahrens): 

Einsetzbar nur mit modernen (elektronischen) Vermittlungen 

Tastentelefon in 12 Tastenversion und 16 Tastenversion 

Jede Taste wird signaltechnisch durch ein Frequenzpaar codiert 

(zwei Frequenzen aus Störsicherheitsgründen). 

Tastatur des Tastentelefons nicht nur für Wählziffern, sondern 

auch als Einfachterminal für Datenübertragung 

Frequenzen[Hz] 1209 1336 1447 1633 

697 1 2 3 

A 

770 

4 

5 

6 

B 

852 

7 

8 

9 

C 

941 

* 

0 

# D 

Tastenbelegung und Frequenzzuordnung bei 

Mehrfrequenzcode-Wählverfahren für Tastwahlfernsprecher (16 Tasten) 






Übertragungsschnittstelle digitaler Daten 

 

Zwischen Endgerät t (Datenendeinrichtung, DEE) und Netz wird eine 

Datenübertragungseinrichtung (DÜE) 

zwischengeschaltet. 

DEE DEE 

... 

DÜE DÜE 

Netzwerk 

mit bitseriellem 

Übertragungsmedium 

Übertragungsdatenund 

Steuer-Leitungen 

DÜE DÜE 

... 

DEE DEE 

z.B. a/b-Schnittstelle 

 

 

 

 

DEE, engl. DTE: Data Terminal Equipment 

DÜE, engl. DCE: Data Circuit Terminating Equipment 

DÜE enthält signaltechnische Funktionen für die Anpassung an die 

Teilnehmeranschlußleitung (z.B. Modem). 

Die DEE/DÜE-Schnittstelle ist sehr wichtig für den Anwender, da die 

Ankopplung sehr unterschiedlicher Endgeräte erwünscht ist. 






DEE-DÜE-Schnittstellen 

Standardisierungsumfang: 

Mechanische (Steck-)Ver-bindung 

Elektrische Koppelvorschriften 

Schnittstellenfunktionen 

Schnittstellenprozeduren 

(-protokolle) Vereinbarungen zur 

(schrittweisen) Absicherung der 

über die Schnittstelle 

auszuführenden Aufgaben. 

Ziel: 

Herstellerunabhängige Kopplung 

Geräte gleicher Funktionalität über 

gemeinsame Schnittstelle. 

Geschichte: V-SchnittstellenV 

Erste Schnittstellenstandardisierungen 

DEE und DÜE nicht von 

der Post, sondern von der US-EIA 

(Electrical Industries Association), 

einer Vereinigung von Geräteherstellern. 

EIA-RS 232 (C), EIA-RS 449 

usw. 

Diese waren Vorbild für die ITU- 

Empfehlungen. 

Zentralteil ist Empfehlung V.24 

"Liste der Definitionen für Schnittstellenleitungen 

zwischen Datenendeinrichtungen 

(DEE) und Datenübertragungseinrichtungen 

(DÜE)" 

V.24 umfaßt Anzahl, Benennung 

(100-Serie) und 

Funktionsbeschreibung der 

Schnittstellenleitungen. 






Mechanische Schnittstellen DEE/DÜE 

 

 

 

 

 

Die Schnittstellen nach V und X haben unterschiedliche Zahl von 

Schnittstellenleitungen. 

Normung primär durch ISO (bei Bedarf übernommen durch ITU). 

Stecker mit bis zu 37 Anschlußpunkten (PIN). 

Stecker (mit Steckstiften) und Anschlußschnur meist an DEE 

Buchsenleisten (Federleisten) an DÜE. 

ISDN bringt neue mechanische Schnittstelle. 

9 pin V-Schnittstelle 

15 pin X-Schnittstelle 

25 pin V-Schnittstelle "Grund-Steckung" 






ISDN - Stecker (Westernstecker): RJ45 

Seitenansicht 

Untenansicht 

8 Kontakte 






Schnittstelle V.24 / RS-232C 

Rufende 

DEE 

RS-232C/V.24 

Durchgeschaltete / gemietete Leitung 

Modem 

Modem 

RS-232C/V.24 

Gerufene 

DEE 

DEE (Computer) 

125 - RI 

108 - DTR 

111 - TxClk 

114 - TxClk 

115 - RxClk 

109 - CD 

102 - SIG 

107 - DSR 

106 - CTS 

105 - RTS 

104 - RxD 

103 - TxD 

101- SHG 

Pin-Zuweisung 

22 

20 

16 

15 

17 

8 

7 

6 

5 

4 

3 

2 

1 

25-way D connectors 

DÜE (Modem) 

RING INDICATION (RI) 

DATA TERMINAL READY (DTR) 

TRANSMIT DATA TIMING (DTE SOURCE) 

TRANSMIT DATA TIMING (DTE SOURCE) 

RECEIVE DATA TIMING 

CARRIER DETECT (CD) 

SIGNAL GROUND (SIG) 

DATA SET READY (DSR) 

CLEAR TO SEND (CTS) 

REQUEST TO SEND (RTS) 

RECEIVE DATA (RxD( 

RxD) 

TRANSMIT DATA (TxD( 

TxD) 

SHIELD GROUND (SHG) 






Modem 

Modem = Modulation/Demodulation = DÜE D E im Fernsprechnetz 

Modems basieren ursprünglich auf der klassischen 

Teilnehmeranschlußleitung des Fernsprechnetzes 

Endgerätanschluß 

Teilnehmeranschlußleitung 

(nach V.) 

(TAL) 

Modulationsteitionsteianschaltung 

Modula- 

Leitungs- 

Steuer-/ 

Leitungsanschaltung 

Steuer-/ 

Meldeteiteil 

z.B. 

Melde- 

a/b-Schnittstelle 

 

 

 

Schematischer Aufbau eines Modems 

Leitungsanschaltung: Signaltechnische (Sende- und Empfangs-) 

Verstärkung der zu übertragenen Signale 

Modulationsteil: Modulation und Demodulation 

(Amplitude, Frequenz bzw. Phase) 

Steuer-/Meldeteil: Analyse der vom Netz kommenden Dienstsignale, 

An-/Abschaltung des Modems an die Leitung, Überwachung des 

Leitungsbetriebs, Auslösung der V.24-Steuerfunktionen (z.B. 

Betriebs-, Sendebereitschaft, Ankommender Ruf) 






Akustische Koppler 

 

ITU Empfehlung V.15 - „Urahn“ der heutigen Modems 

 

Funktion: Werte "0", "1" entsprechen hohen bzw. niedrigen 

Tonfrequenzen 

Hörkapsel Telefon 

(Lautsprecher) 

Sprechkapsel Telefon 

(Mikrofon) 

Mikrofon Lautsprecher 

akustischer Koppler 

Schema eines akustischen Kopplers 

Vorteil: 

Nachteil 

• mobiler Einsatz • nur einige 100 bit/s 

• keine feste Verdrahtung • Mikrofone: Einschlafeffekt 






Beispiel: V.21 Modem 

Kennzeichen: 

Weltweit sehr häufig h 

eingesetztes Modem bei schlechten Leitungen 

Nutzung des ITU-Standard 

Standard-Telefonkanals (300 - 3400 Hz) 

Übertragungsgeschwindigkeit (synchron oder asynchron) bis 300 bit/s 

Vollduplex-Betrieb 

durch Parallelbetrieb beider Übertragungsrichtungen in 

zwei Frequenzlagen: 

fm1 

= 1080 Hz Frequenzhub ± 100 Hz 

fm2 

= 1750 Hz 

Sprachkanal 3,1 kHz 

Kanalbelegung: 

Kanal A: Verbindung 

aufbauendes Modem 

Kanal B: angerufenes Modem 

(schaltet sich bei Ruf 

automatisch um) 

Sendedaten Empfangdaten 

"1" "0" "1" "0" 

f Z1 = 980 Hz 

fm 1 = 1080 Hz 

f A1 = 1180 Hz 

f Z2 = 1650 Hz 

fm 2 = 1750 Hz 

f A2 = 1850 Hz 

Echosperre 

f E = 2100Hz 






ITU-V-Empfehlungen: 

Übersicht 

2/4-drähtige 

Standleitung 

Telefonnetz 

V.24/RS-232C Schnittstelle 

V.23 V.23 600 600 od. od. 1200 1200 Bit/s Bit/s 




ITU-V-Empfehlungen 

(halbduplex (halbduplex zweidrähtig zweidrähtig 

2-drähtig 

vollduplex vollduplex vierdrähtig) vierdrähtig) 

vermittelte Leitung 

V.21 V.21 300/1200 300/1200 Bit/s Bit/s duplex duplex 


V.22 V.22 bis bis 2400/2400 2400/2400 Bit/s Bit/s duplex duplex 

V.23A V.23A 75/1200 75/1200 Bit/s Bit/s duplex duplex 

V.29 V.29 4800/9600 4800/9600 Bit/s Bit/s halbduplex halbduplex 


V.32 V.32 bis bis 7200/12000/14400 7200/12000/14400 Bit/s Bit/s 

V.34 V.34 28800 28800 Bit/s Bit/s 

Breitbandnetz 

V.35/RS-449 Schnittstelle 

Synchron Punkt-zu-Punkt 

V.35 V.35 48 48 kBit/s kBit/s 

V.36 V.36 48-72 48-72 kBit/s kBit/s 

V.37 V.37 96-168 96-168 kBit/s kBit/s 






Modem-Protokoll 

Call set-up 

Data transfer 

DTE 

(terminal) 

User dials 

number 

PUSH DATA 

BUTTON ON 

* 

* 

RS-232C/V.24 

CD ON 

DTR ON 

DSR ON 

RxD 

CD OFF 

RTS ON 

TxD 

DCE 

(modem) 

SHORT 

DELAY 

PSTN 

Dial digits 

TONE ON 

DATA TONES 

TONE OFF 

DATA TONES 

DCE 

(modem) 

SHORT 

DELAY 

RS-232C/V.24 

DTR ON 

RI ON 

RTS ON 

CTS ON 

TxD 

RTS OFF 

CTS OFF 

CD ON 

RxD 

DTE 

(terminal) 

Call clearing 

REPLACE 

HANDSET 

RTS OFF 

CTS OFF 

CD OFF 

DSR OFF 

TONE OFF 

TONE OFF 


Time 

= Light ON = Light OFF 

* 

RTS OFF 

CTS OFF 

CD OFF 

DTR OFF 

DTR ON 

DELAY 





DEE/DÜE-Schnittstellen: 

Öffentliche digitale Datennetze 

Seit 70er Jahren: Öffentliche Datennetze. (Public Data Network = PDN) 

ITU-Empfehlungen der X-SerieX 

Leitungsvermittelte Netze (Data circuit switching network), DATEX-L 

Datenpaketvermittlungsnetze (Packet switching network), 

DATEX-P 

Rahmenempfehlung (Struktur und Begriffe): X.24 

Schnitt- Daten Kontrolle Taktung 

stellen- Bezeichnung von der zur von der zur von der zur 

leitung DÜE DÜE DÜE DÜE DÜE DÜE 

G Erdleiter 

G a DEE-Rückleiter X 

G b DÜE-Rückleiter X 

T Sendedaten X X 

R Empfangsdaten X X 

C Steuern X 

I Anzeigen/Melden X 

S Bittaktung (Schrittaktung) X 

B Bytetaktung (Zeichentaktung) X 

F Rahmenbeginnanzeige (Rahmentakt) X 






Vergleich X-Schnittstellen X 

mit V-SchnittstellenV 

 

 

"V"-Philosophie: Function by wire 

"X"-Philosophie: Function by code 

Verlagerung wichtiger Steuer- und Vermittlungsfunktionen in DEE 

bzw. in das Datennetz (DÜE, z.B. Takt) 

Codierte Steuer- und Meldedaten 

(Steuern: von DEE nach DÜE; Melden: von DÜE nach DEE) 

Nur noch 2 Daten-, 2 Steuer/Melde-, 3 Takt- und 3 Erdleitungen 

X.20-Empfehlung: 

DEE-DÜE-Schnittstelle für Start-Stop-Verfahren im öffentl. 

Datennetzen 

DEE 

Bezeichnung nach DIN Bezeichnung nach ITU 

Betriebserde G Signal ground or common return 

DEE-Rückleiter G a DTE common return 

DÜE-Rückleiter G b DCE common return 

Senden T Transmit 

Empfangen R Receive 

DÜE 






Wahlprozedur automatische Wahl (V.24/V.25) 

Schaltvorgänge auf der DEE/DÜE-Schnittstelle 

Ein 

Aus 

Übertragungsleitung belegen 

Ein 

Aus 

Übertragungsleitung belegt 

Ein 

Aus 

Wählzeichen Übernahmebereitschaft 

0 

1 

Wählbit 1 

0 

1 Wählbit 2 

01 

0 

1 

Ein 

Aus 

Ein 

Aus 

} 

} 

Übernahme Wählziffer 

Wählbit 3 

Wählbit 4 

Wählzeichen übernehmen 

Gerufene Station angeschaltet 

Zeit 

DEE / DÜE 






Übersicht 

über spezielle ITU-X-Empfehlungen 

 

X.21-Empfehlung 

 

DEE-DÜE-Schnittstelle für Synchronverfahren in öffentl. Datennetzen 

Aus OSI-Sicht eine Mischempfehlung: 

Enthält Vorschriften für elektr./mechan. Schnittstelle, Elemente der 

Sicherungsschicht u. Empfehlungen für Vermittlungsverfahren 

Codierung der Steuerzeichen im ITU-Alphabet Nr. 5 

 

X.22-Empfehlung 

Multiplex-DEE/DÜE-Schnittstelle für 600, 2400, 4800, 9600 bit/s 

Mit 4800 bit/s-Schnittstelle können mehrere X.21-Teilnehmerkanäle 

der genannten Geschwindigkeitsklassen mit Synchronbetrieb im 

Zeitmultiplex übertragen werden 






Aktuell: V.90 Modem (I) 

 

Standard: 

ITU-Standard seit September 1998 (s. auch http://www.v90.com) 

Herstellerabhängige Vorläuferimplementierungen 

K56flex und X2 

Bitraten bis zu 56 kbit/s downstream (von Provider zu Modem) 

Upstream (von Modem zu Provider) Übertragung 

nach V.34 (33,6 kbit/s) 

 

Technik: 

Voraussetzung: Durchgehend digitale Vermittlungsstellen 

Höhere Datenraten durch digitale Übertragung vom Provider bis 

zur Vermittlungsstelle 

PCM-Signale auf der Strecke von der Vermittlungsstelle bis zum 

V.90-Modem (Verzicht auf Trägerfrequenz) 

Tatsächlich erreichte Bitraten abhängig von Leitungsqualität 

⇒ Ausmessen der Leitung (Line probing) 






Aktuell: V.90 Modem (II) 

PCM 

Digitale 

Vermittlungsstelle 

Spannungswerte

Weitere Modemtechnologien 

 

Kabelmodems: 

Datenübertragung über das Breitbandkabel („Kabelfernsehen“,CATV) 

der Kabelnetzbetreiber, 

Erweiterung des Frequenzbandes im Kabel auf bis zu 750 MHz 

Datenraten theoretisch bis zu 2 Gbit/s, aber geteiltes Medium! 

 

Powerline communications: 

Datenübertragung über das Energieverteilnetz („Stromnetz“) 

Einkopplung hochfrequenter Träger 

(16-148 kHz sowie 1-30 MHz) 

Datenraten bis zu 1 Mbit/s, aber ebenfalls geteiltes Medium 

 

xDSL-Modems: (x∈{A, S}) 

Höhere Datenraten über herkömmliches Telefonkabel 

Typische Datenraten bei 6-8 Mbit/s 

Genauere Behandlung ggfs. später 






Entwicklung der Modemtechnologien 

1997 

ISDN 

6% 

Andere 

1% 

Analoge 

Modems 

93% 

Analoge 

Modems 

ISDN 

Andere 

Kabelmodems 

8% 

xDSL 

9% 

ISDN 

17% 

Prognose 2002 

Andere 

2% 

Analoge 

Modems 

64% 

Analoge 

Modems 

ISDN 

xDSL 

Kabelmodems 

Andere 

Entwicklung stark abhängig von wirtschaftlichen Faktoren: 

Preisentwicklung bei ISDN 

Strategien der neuen Anbieter auf dem Telekommunikationsmarkt 

(z.B. Kabelnetzbetreiber) 






ASEA BROWN BOVERI 

ABB Gebäudetechnik Süd AG 

Niederlassung Karlsruhe 

Bereich Datennetze 



Fortbildungszentrum für 


Rolf Sperber 

Rolf Sperber, 

Projektleiter ABB-DEGTE: 

„NUTZT DIE NETZE!“ 

Last Mile Access 

über bestehende Breitbandkabelnetze 

Ethernet 

ATM 

IP 






Konventionelles Breitbandkabelnetz: 

Kabelfernsehen 

Fernseher 

Antennensteckdose 

BK-Netz 

Einspeisung TV 

BK- 

Kopfstation 






Separat angeschlossenes Kabelmodem, Übergang Datennetz 

PC 

Telefon 

Fernseher 

Kabelmodem (CM) 

Wohnungsanschluß mit 

Kabelmodem- und 

Antennensteckdose 

BK-Netz 


BK-Kopfstation 

Datennnetz 






Integrierte Dienste — Privatkunde: 

„universelle Dose“ 

PC 

Telefon 

Fernseher 


mit TV-Ausgang 


Kabelmodemsteckdose 

BK-Netz 


Datennnetz 







Integrierte Dienste — Geschäftskunde: 

„universelle Dose“ 

PC 

Ethernet 


Fernseher 

Ethernet Switch PC 

Telefon 


BK-Netz 

Datennnetz 







Ein komplexes Szenario 

IBM-kompatibel 

Ethernet 

BK-Netz 

BK-Netz 

PC 

Telefon 

Fernseher 

Ethernet PCSwitch 


Telefon 

Fernseher 




mit TV-Ausgang 


Kabelmodemsteckdose 


Carrier Switch 


BK-Netz 

ATM-Netz 





BK-Netz 

Erweitern um Übertragung von 

Fernsehkanälen 


BK-Netz 


BK-Netz 

Ethernet 


IBM-kompatibel 

Telefon 

Ethernet PCSwitch 




Fernseher 





Bestehende BK-Netze 

— Charakteristika (1) 

Koaxialnetz in Baumstruktur: 

von einer Einspeis-Station (Headend) werden alle Teilnehmer P2MP versorgt. 

Bandbreiten: 

606 MHz oder 450 MHz 

FDM (Frequenz-Multiplex): 

Jeder Dienst auf dem Koaxnetz erhält ein Bandbreitenfenster, 

dadurch ist die Zahl verfügbarer Dienste beschränkt. 

Nur unidirektionale Datenflüsse 

Kopfstation 

Datenfluß 






Bestehende BK-Netze 

— Charakteristika (2) 

Keine Fernüberwachung: 

aktive Komponenten können nicht von von einem Managementsystem 

überwacht oder geregelt werden 

Netzwerkmanagement 

Verstärker 

Kopfstation 

Datenfluß 

Ausschließlicher Dienst: 

Ausstrahlung analoger TV- und Radioprogramme, 

digitale TV- und Radioprogramme benötigen ein höherfrequentes Band 






Zukünftige BK-Netze 

— „Mehrwertdienste“ (1) 

Kurze Verteilnetze in 

Koaxialtechnik: 

Weitestgehender Ersatz der 

Baumstruktur durch eine 

Sternstruktur; 

Belieferung der Koax-Kopfstationen 

über LWL-Verteilnetze. 

Rückwegefähigkeit: 

Integration von 

Rückkanalverstärkern 

in aktive Komponenten 

Erweiterung der Bandbreite 

auf 862 MHz 

Glasfaserverteilnetz 

Koax- 

Kopfstation 

Datenfluß 






Zukünftige BK-Netze 

— „Mehrwertdienste“ (2) 

Fernüberwachung möglich: 

Alle Komponenten sind fernüberwachbar. 

Die abfragbaren Werte werden zentral gesammelt und 

als SNMP-Datagramme an ein Managementsystem weitergegeben. 

Netzwerkmanagement 

Verstärker 

Zentrale 

Glasfaserverteilnetz 

Koax- 

Kopfstation 






Datenübertragung im BK-Netz 

— grundlegendes Schema 

„Downstream“: 

Datenfluß vom Kabelrouter im Headend zum Endanwender 

(Kabelmodem) 

„Upstream“: 

Datenfluß vom Endanwender (Kabelmodem) zum Headend 

WAN, z.B. Netz eines 

Regionalcarriers 

BK-Netz, hybrid oder Kupfer 

Kabelmodem 

Kabelrouter 

Benutzer 

Kopfstation (Headend) 

Upstream 

Downstream 






Daten über Kabel — 

Funktionsbeschreibung eines Headends 

Zwei Netzwerke: 

• Öffentliches Telefonnetz (PSTN) 

• Backbone Netzwerk (in diesem Fall ATM) 

Verbindung zum Headend: 

• PSTN über TRAC (TELCO Return Access 

Concentrator) und 

Backbone Transport Adapter 

PSTN 

TRAC 

Videokanäle 

Datenkanäle 

Combiner 

• Backbone Netz über 

Backbone Transport Adapter 

Kabel-Router 

CMTS 

TX 

Kabelrouter: 

• Netzseitig: NIC 

• BK-seitig: Modulator (downstream) und 

Demodulator (upstream); simplex 

Kanäle! 

Downstream: Combiner 

zum Zusammenfassen von 

Video- und Datenkanälen 

ATM 

Backbone 

Backbone 

Transport 

Adapter 

Server at 

Headend 

Netzwerk 

Interface 

moduliere 

RF 

Interface 

demoduliere 

Datenkanäle 

Upstream 

splitter 

mehrere 

Datenkanäle 

RX 

Kabelnetz 

interface 

Upstream: Splitter 

zum Auftrennen der Datenkanäle 






Forwarding-Modell 

bei der Datenübertragung 

über BK-Netze 

Kabel-Router 

Kabel-Modem 

IP 

IP 

Forwarding 

802.2 LLC 

802.2 LLC 

Transparent 

Bridging 

802.2 LLC 

Data 

Link 

Layer 

Link Security 

Link Security 

Cable MAC 

Cable MAC 

802.2 MAC 

PHY Layer 

Downstream 

Transmission 

Convergence 

Physical 

media 

dependent 

sublayer 

PMD 

Upstream 

Cable 

PMD 

Downstream 

Transmission 

Convergence 

Physical 

media 

dependent 

sublayer 

PMD 

Upstream 

Cable 

PMD 

802.3 10 Base-T 






Besonderheiten in der Übertragung: 

Upstream MAC-Forwarder 

RFI-NSI Forwarding process IP-Stack, incl LLC und 802.2 

Mac Service 

Access Point 

(MSAP) 

Mac Service 

Access Point 

(MSAP) 

Mac Forwarder 

Mac Forwarder 

NSI 

Link Security 

Link Security 

Upstream und downstream 

Kanäle 



Kanäle 





Besonderheiten bei der Übertragung: 


(2) 


Mac Service 

Access Point 

(MSAP) 

Mac Service 

Access Point 

(MSAP) 

Mac Forwarder 

Mac Forwarder 

NSI 

Link Security 

Link Security 


Kanäle 



Kanäle 





Besonderheiten bei der Übertragung: 

Upstream-MAC 

MAC-Forwarder 

(3) 


Mac Service 

Access Point 

(MSAP) 

Mac Service 

Access Point 

(MSAP) 

Mac Forwarder 

Mac Forwarder 

NSI 

Link Security 

Link Security 


Kanäle 



Kanäle 







(4) 


Mac Service 

Access Point 

(MSAP) 

Mac Service 

Access Point 

(MSAP) 

Mac Forwarder 

Mac Forwarder 

NSI 

Link Security 

Link Security 


Kanäle 



Kanäle 







(5) 


Mac Service 

Access Point 

(MSAP) 

Mac Service 

Access Point 

(MSAP) 

Mac Forwarder 

Mac Forwarder 

NSI 

Link Security 

Link Security 


Kanäle 



Kanäle 





Besonderheiten: “Downstream 

Transmission Convergence Sublayer“ 

MPEG-Header 

4 Byte 

MPEG - Payload 

184 Byte 

Die Downstream Übertragung erfolgt mittels MPEG-Frames (Datenübertragung in 

MPEG-Frames, nicht MPEG Übertragung über ein Datennetz) 

ein MPEG-Frame ist 188 Byte lang 

zur Unterscheidung von Datenpaketen und Videopayload wird ein4 Byte MPEG-header 

eingeführt 






Besonderheiten bei der Übertragung 

Downstream: 

MPEG-Header 







Downstream: 

Beispiel 

Besonderheiten in der Übertragung : Downstream Übertragung 

Docsis MAC Payload kann grösser oder kleiner sein, als die zur Verfügung stehenden 184 Byte, aus diesem 

Grunde 

Payload Unit Start Indicator Bit (PUSI). Bei einem PUSI-Wert von 1 wird das erste Byte der MAC-Payload als 

Pointer 

gesetzt, der pointer zeigt auf das Startbyte des Mac-Frames. 

Einige Beispiele für MPEG-Frames: 

MPEG-Header 

PUSI=1 

pointer field 

(=0) 

MAC-Frame 

(bis 183 Byte) 

stuff bytes 

(0 oder mehr) 

PUSI = 1 

damit ist pointer field gesetzt, hat allerdings den Wert 00 

DOCSIS Mac Frame startet sofort nach dem pointer field 







Downstream: 

Beispiel 

MPEG-Header 

PUSI=1 

pointer field 

(=M) 

Ende MAC-Frame # 1 

M Bytes 

stuff bytes 

(0 oder mehr) 

Start MAC-Frame # 2 

M Bytes 

PUSI = 1 

damit ist pointer field gesetzt 

In diesem MPEG Frame wir ein DOCSIS MAC-Frame beendet 

Pointer Field zeigt auf erstes Byte nach diesem Frame 







Downstream: 

Beispiel 

MPEG-Header 

PUSI=1 

pointer field 

(=M) 

stuff bytes 

(0 oder mehr) 


bis 183 Bytes 

MPEG-Header 

PUSI=0 

Fortsetzung MAC-Frame # 1 

184 Bytes 

MPEG-Header 

PUSI=1 

pointer field 

(=M) 

Ende MAC-Frame # 1 

M Bytes 

stuff bytes 

(0 oder mehr) 


M Bytes 

PUSI = 1 

damit ist pointer field gesetzt 

Beispiel für ein DOCSIS MAC, daß sich über mehrere MPEG-Frames erstreckt. 






Anmeldung: 

CM und CMTS handeln ihre Verkehrsbeziehung aus 

CMTS 

CM 






Registrierung 

Das Kabelmodem (CM) 

wird eingeschaltet 

sendet BOOTP REQ 

power on 

BOOTP REQ 

erhält via TFTP ein Downlad 

seiner Konfiguration von 

BOOTP Server (kann, muss 

aber nicht CMTS sein) 

TFTP Conf 

BOOTP Server 

sendet einen Registrierungs 

Request an CMTS 

Reg Request 

erhält 

Registrierungsresponse von 

CMTS 

CM 

Reg Response 

CMTS 

bestätigt die Registrierung 

an CMTS 

Reg Ackn 

on air 


t 





Übertragungsverfahren 

Übertragungsverfahren 

Downstream : 

Downstream wird ein kontinuierlicher MPEG-Rahmenfluß erzeugt. Die Verbindung 

zwischen CMTS 

und CM wird nach einem synchronen TDM Verfahren aufgebaut. Der Packetfluß sieht 

dann in etwa 

wie folgt aus : 

CM 

grün 

CMTS 

CM 

rot 

CM 

blau 

Datenpaket zu CM 

rot 


blau 


grün 

leerer Container 






TDM Aushandlung 

TDM TDM Aushandlung 

zwischen CMTS und CM wird 

der rote Timeslot vereinbart 

CMTS 

CM 

Der rote Timeslot garantiert einen eineindeutigen und kontinuierlichen 

Datenfluß zeichen CMTS und CM (inherent QoS) 






Transportverfahren upstream Upstream 

Die upstream Übertragungszeitachse ist in Intervalle aufgeteilt, die aus Anzahl von 

Minislots 

bestehen. Ein mini-Slot ist ein Produkt aus einer Zweierpotenz (2,4,6...128) und der 

Zeit von 

6,25 µs 

6,25µs 6,25µs 6,25µs 

Minislot 

Minislot 

Intervall 






In der Konfiguartion der Kabelmodems ist eine bestimmte Bandbreite 

für upstream Datenströme vorgesehen. In dem asynchronen 

Zeitmultiplexing Modell bekommen 

Datenströme Intervalle zugwiesen, die unterschiedliche 

Durchsatzraten gestatten. 

CM1 

CM2 

CMTS 

CM3 






Darstellung der der Service Service-Flows 

Upper Layer Entity, e.g. Bridge, Router, access-switch 

Upper Layer Entity, z.B. Klient 

Mac Mngmt 

Msgs 

Primary SFID 

Downstream 

Classifier 

SFID 2 

SFID ... 

Downstream 

Ingress Classifiers 

SFID n (

Packet 

Classifier 

Service flow 

LLCHeader 

[IP Header] 

[SClass] 

[Priority] 

[SFID] 

matches 

SFID 

ClassifierID 

Llcpacketpattern 

Ippacketpattern 

Priority 

SFID 

Direction 

[SID] 

[ProvQoSParamSet] 

[AdmittedQoSParamSet] 

[Active QoSParamSet] 

Service Class 

Service Class Name 

QoS Param Set 






Provisioned QoS Parameter Set=Auth QoS ParameterSet (SFID) 

Admitted QoS Parameter Set (SFID & SID) 

Actice QoS Parameter Set 

(SFID & Active SID) 






Verfügbare LösungenL 

Verfügbare Lösungen 

Mit Produkten folgende Firmen lassen sich 

Lösungen, wie in unserem Vortrag beschrieben, 

realisieren: 

CMTS BK-Netz CM 






Übertragung 

über mehrere Teilstrecken 

Satellit 

Erdstationen 

WAN 






Repeater 

Kopplung von Netzwerken auf Schicht 1 

Einsatzbereich: 

Verbindung von lokalen Netzen zur Erhöhung der räumlichen Ausdehnung 

Regeneration und Verstärkung der Signale 

Generierung mehrerer abgehender Signale an Verzweigungspunkten 

Wechsel des Übertragungsmediums 

(z.B. Kupfer auf Glasfaser, Leitung auf Funkstrecke) 

Vorteile: 

Einfache Technik 

Kostengünstige Lösung 

Keine Verarbeitung an den Daten, somit keine Beeinträchtigung der 

Geschwindigkeit 

Extrem lange Netzwerkverbindungen sind möglich (z.B. Überseeleitungen) 

Nachteile: 

Keine Intelligenz; alle Daten werden weitergeleitet 

Keine Erhöhung der Netzkapazität durch Partitionierung 






Digitale Regeneration über abstrakte Datenrepräsentation 

Daten 

Daten 

Übertragung 

Signal 

Signal 

Übertragung 






Hub 

gleiche Funktion wie Repeater 

typischerweise in Sterntopologie (separate Leitung von jedem Gerät zum Hub) 

kann kaskadiert werden 

Gesamtdurchsatz des Netzes wird nicht erhöht (vgl. Switch) 

Hub 

Hub 

Gerät Gerät 1 1 



. . . 

Gerät Gerät n n

Kapitel 4: Physikalische Schicht (physical layer - Torsten E. Neck

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