ppt - Rechnernetze und Telematik
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Systeme II Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Christian Schindelhauer Sommersemester 2006 3. Vorlesung 03.05.2006 [email protected] 1 Das ISO/OSI Referenzmodell Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer 7. Anwendung (Application) – Datenübertragung, E-Mail, Terminal, Remote login 6. Darstellung (Presentation) – Systemabhängige Darstellung der Daten (EBCDIC/ASCII) 5. Sitzung (Session) – Aufbau, Ende, Wiederaufsetzpunkte 4. Transport (Transport) – Segmentierung, Stauvermeidung 3. Vermittlung (Network) – Routing 2. Sicherung (Data Link) – Prüfsummen, Flusskontrolle 1. Bitübertragung (Physical) – Mechanische, elektrische Hilfsmittel (Aus Tanenbaum) Systeme-II 3. Vorlesung - 2 ISO/OSI - Schicht 5 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer 5. Sitzungsschicht – Festlegung der Sitzungsart, z.B. • Dateitransfer, Einloggen in ein entferntes System – Dialogkontrolle • Falls Kommunikation immer nur abwechselnd in einer Richtung geht, regelt die Richtung die Sitzungsschicht – Token Management • Falls Operationen nicht zur gleichen Zeit auf beiden Seiten der Verbindungen möglich sind, verhindert dies die Sitzungsschicht – Synchronisation • Checkpoints zur Wiederaufnahme abgebrochener Operationen (z.B. Filetransfer) Systeme-II 3. Vorlesung - 3 ISO/OSI Schicht 6,7 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer 6. Präsentationsschicht – Anpassung von Kodierungen, z.B. Zeichensätze, Namen, Addressfelder, Formulare, etc. 7. Anwendungsschicht – Große Vielfalt aller möglichen Funktionen, z.B. – Virtuelle Terminals – Filetransfer – E-mail Systeme-II 3. Vorlesung - 4 Die Schichtung des Internets - TCP/IP-Layer Anwendung Application Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Telnet, FTP, HTTP, SMTP (E-Mail), ... TCP (Transmission Control Protocol) Transport Transport UDP (User Datagram Protocol) Vermittlung Verbindung Systeme-II Network IP (Internet Protocol) + ICMP (Internet Control Message Protocol) + IGMP (Internet Group Management Protoccol) Host-to-network LAN (z.B. Ethernet, Token Ring etc.) 3. Vorlesung - 5 OSI versus TCP/IP Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer (Aus Tanenbaum) Systeme-II 3. Vorlesung - 6 Hybrides Modell Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Wir verwenden hier Tanenbaums hybrides Modell Tanenbaum (Aus Tanenbaum) Systeme-II 3. Vorlesung - 7 Signale, Daten und Information Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Information – Menschliche Interpretation, • z.B. schönes Wetter Daten – Formale Präsentation, • z.B. 28 Grad Celsius, Niederschlagsmenge 0cm, Wolkenbedeckung 0% Signal – Repräsentation von Daten durch physikalische Variablen, • z.B. Stromfluss durch Thermosensor, Videosignale aus Kamera – Beispiele für Signale: • Strom, Spannung – In der digitalen Welt repräsentieren Signale Bits Systeme-II 3. Vorlesung - 8 Unicast, Multicast und Broadcast Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Unicast (Punkt-zu-Punkt-Übertragung) – Z.B. Telefon – Genau zwei Teilnehmer kommunizieren direkt miteinander Broadcast (Einer-an-Alle) – Z.B. Radio, Fernsehen – Ein Sender sendet Signale an alle Empfänger Multicast (Einer an Viele) – Z.B. Telefonkonferenz, Video on demand – Ein Sender sendet an eine ausgewählte Menge von Empfänger Systeme-II 3. Vorlesung - 9 Broadcast-Netzwerke Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer (Aus Tanenbaum) Systeme-II 3. Vorlesung - 10 Local Area Networks (LAN) Bus Systeme-II Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Ring (Aus Tanenbaum) 3. Vorlesung - 11 Metropolitan Area Networks Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer TV-Kabel basiertes Netzwerk (Aus Tanenbaum) Systeme-II 3. Vorlesung - 12 Wide Area Networks (1) Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Verknüpfung der LANs mit dem Subnet (Aus Tanenbaum) Systeme-II 3. Vorlesung - 13 Wide Area Networks (2) Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Datenstrom im WAN (Aus Tanenbaum) Systeme-II 3. Vorlesung - 14 Funknetzwerke (1) Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Kategorien drahtloser Netzwerke – Systemverdrahtung • Z.B. Bluetooth – Wireless LANs • Z.B. Uni-Netzwerk – Wireless WANs • Drahtlose Vernetzung von W-LANs Systeme-II 3. Vorlesung - 15 Funknetzwerke (2) Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer (a) Bluetooth (b) Wireless LAN (Aus Tanenbaum) Systeme-II 3. Vorlesung - 16 Funknetzwerke (3) Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer (a) Individuelle mobile Rechner (b) Das fliegende LAN (Aus Tanenbaum) Systeme-II 3. Vorlesung - 17 Systeme II Kapitel 2 Bitübertragungsschicht Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer 18 Bitübertragungsschicht Physical Layer Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer ISO-Definition – Die Bitübertragungsschicht definiert • mechanische • elektrische • funktionale und • prozedurale – Eigenschaften um eine physikalische Verbindung • aufzubauen, • aufrecht zu erhalten und • zu beenden. Systeme-II 3. Vorlesung - 19 Die einfachste Bitübertragung Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Bit 1: Strom an Bit 0: Strom aus Schicht 1: Bit zu Spannung Bit=1: Schalter zu Bit=0: Schalter auf Schicht 1: Spannung zu Bit Spannung: Bit 1 Keine Spannung: Bit 0 Schicht 0 ”Physikalische Verbindung” (aus Vorlesung von Holger Karl) Systeme-II 3. Vorlesung - 20 Übertragung eines Buchstabens: “b” Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Zeichen “b”benötigt mehrere Bits – z.B. ASCII code of “b” als Binärzahl 01100010 Spannungsverlauf: Spannung Zeit (aus Vorlesung von Holger Karl) Systeme-II 3. Vorlesung - 21 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Was kommt an? Übertrieben schlechter Empfang 1.2 1 Current 0.8 0.6 0.4 0.2 Was passiert hier? 0 -0.2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Time (aus Vorlesung von Holger Karl) Systeme-II 3. Vorlesung - 22 Physikalische Grundlagen Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Bewegte elektrisch geladene Teilchen verursachen elektromagnetische Wellen – Frequenz f : Anzahl der Oszillationen pro Sekunde • Maßeinheit: Hertz – Wellenlänge : Distanz (in Metern) zwischen zwei Wellenmaxima – Durch Antennen können elektro-magnet. Wellen erzeugt und empfangen werden – Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von elektro-magnetischen Wellen im Vakuum ist konstant: Lichtgeschwindigkeit c 3 108 m/s Zusammenhang: f = c Systeme-II 3. Vorlesung - 23 Amplitudendarstellung Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Amplitudendarstellung einer Sinusschwingung – A: – f: : T: Amplitude Frequenz = 1/T Phasenverschiebung Periode T At -/2f Systeme-II 3. Vorlesung - 24 Fouriertransformation Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Fouriertransformation einer periodischen Funktion: – Zerlegung in verschiedene – Sinus/Cosinus-Funktionen Dirichletsche Bedingungen einer periodischen Funktion f: – f(x) = f(x+2) – f(x) is in (-,) in endlich vielen Intervallen stetig und monoton – Falls f nicht stetig in x0, dann ist f(x0)=(f(x0-0)+f(x0+0))/2 Satz von Dirichlet: – f(x) genüge in (-,) den Dirichletschen Bedingungen. Dann existieren Fourierkoeffizienten a0,a1,a2,…,b1,b2,… so dass gilt: Systeme-II 3. Vorlesung - 25 Berechnung der Fourierkoeffizienten Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Die Fourierkoeffizienten ai, bi können wie folgt berechnet werden: – Für k = 0,1,2,… – Für k = 1,2,3,… Beispiel: Sägezahnkurve Systeme-II 3. Vorlesung - 26 Fourier-Analyse für allgemeine Periode Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Der Satz von Fourier für Periode T=1/f: – Die Koeffizienten c, an, bn ergeben sich dann wie folgt Die Quadratsumme der k-ten Terme ist proportional zu der Energie, die in diser Frequenz verbraucht wird: Üblicherweise wird die Wurzel angegeben: Systeme-II 3. Vorlesung - 27 Anwendung der FourierAnalyse Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Problem: – Signal ist nicht periodisch Lösung: – Wiederholung des Signals mit Periode 8 Repeated waveform for bit pattern 'b' 1 Current 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 Systeme-II 5 10 15 20 (aus Vorlesung Time von Holger Karl) 25 3. Vorlesung - 28 Anwendung der FourierAnalyse Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Fourier-Analyse mit 512 Termen: 1.2 1 Current 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Time (aus Vorlesung von Holger Karl) Systeme-II 3. Vorlesung - 29 5 Gründe für den schlechten Empfang 1. 2. 3. 4. 5. Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Allgemeine Dämpfung Frequenzverlust Frequenzabhängige Dämpfung Störung und Verzerrung Rauschen Systeme-II 3. Vorlesung - 30 1. Signale werden gedämpft Received attenuated signal 1 0.8 Current Dämpfung (attenutation) – Verhältnis von Sendeenergie P1 zu Empfangsenergie P0 – Bei starker Dämpfung erreicht wenig Energie dem Empfänger Dämpfung hängt ab von – der Art des Mediums – Abstand zwischen Sender und Empfänger – ... anderen Faktoren Angegeben in deziBel Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer 0.6 0.4 0.2 0 0 1 2 3 5 4 6 7 8 Time (aus Vorlesung von Holger Karl) Systeme-II 3. Vorlesung - 31 2. Nicht alle Frequenzen passieren das Medium Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Das Signal beim Verlust der hohen Frequenzen Fourier series with 32 harmonics 1 1 1 0.8 0.8 0.8 0.6 0.4 Current 1.2 0.6 0.4 0.6 0.4 0.2 0.2 0.2 0 0 0 -0.2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 -0.2 0 1 2 3 Time 1 0.8 0.8 0.6 0.6 0.4 0.2 -0.2 -0.2 4 Time -0.2 0 8 1 2 3 4 5 6 7 8 -0.4 0 5 6 7 Fourier series with 1 harmonic 1 0.8 0.6 0.4 0.2 1 2 3 4 Time 5 6 7 8 0 0 1 2 3 4 5 6 7 Time (aus Vorlesung von Holger Karl) Systeme-II 8 Time 0.2 0 3 7 0.4 0 2 6 Current 1 Current 1.2 1 5 Fourier series with 2 harmonics 1.2 -0.4 0 4 Time Fourier series with 4 harmonics Current Fourier series with 8 harmonics 1.2 Current Current Fourier series with 128 harmonics 1.2 3. Vorlesung - 32 8 3. Frequenzabhängige Dämpfung Vorherige Seite: Cutoff – Zuerst ist die Dämpfung 1 – und dann Unendlich Realistischer: – Dämpfung steigt kontinuierlich von 1 zu höheren Frequenzen Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer 1 fc Beides: – Bandweiten-begrenzter Kanal 1 fc (aus Vorlesung von Holger Karl) Systeme-II 3. Vorlesung - 33 Beispiel mit realistischerer Dämpfung Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Beispiel: Dämpfung ist 2, 2.5, 3.333… , 5, 10, 1 für den 1st, 2nd, … Fourierkoeffizienten Received signal with frequency-dependent attenuation Warum passiert aber das? 1 1.2 1 0.8 0.6 Current Current 0.8 0.4 0.6 0.4 0.2 0 0.2 -0.2 0 1 2 3 4 Time Systeme-II 2 3 4 5 6 7 Time 0 -0.2 0 1 5 6 7 8 (aus Vorlesung von Holger Karl) 3. Vorlesung - 34 8 4. Das Medium stört und verzerrt Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer In jedem Medium (außer dem Vakuum) haben verschiedene Frequenzen verschiedene Ausbreitungsgeschwindigkeit – Resultiert in Phasenverschiebung – Zu Erinnerung: Sinuskurve ist bestimmt durch Amplitude a, Frequenz f, and Phase Die Größe dieser Phasenverschiebung hängt von der Frequenz ab – Dieser Effekt heißt Verzerrung (distortion) Systeme-II 3. Vorlesung - 35 Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Frequenzabhängige Dämpfung und Verzerrung Received signal with frequency-dependent attenuation and phase change Warum pasiert das: 1.2 1.2 1 1 0.8 Current Current 0.8 0.6 0.6 0.4 0.2 0.4 0 0.2 -0.2 0 1 2 3 4 5 6 7 Time 0 -0.2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Time (aus Vorlesung von Holger Karl) Systeme-II 3. Vorlesung - 36 8 5. Echte Medien rauschen Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Jedes Medium und jeder Sender und Empfänger produzieren Rauschen – Verursacht durch Wärme, Störungen anderer Geräte, Signale, Wellen, etc. Wird beschrieben durch zufällige Fluktuationen des (störungsfreien) Signals – Typische Modellierung: Gaussche Normalverteilung Systeme-II 3. Vorlesung - 37 Zusammenfassung Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Institut für Informatik Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer Dies alles kann das Eingangssignal erklären. 1.2 1 Current 0.8 0.6 0.4 0.2 0 -0.2 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Time (aus Vorlesung von Holger Karl) Systeme-II 3. Vorlesung - 38 Ende der 3. Vorlesung Systeme II Christian Schindelhauer Albert-Ludwigs-Universität Freiburg Rechnernetze und Telematik Prof. Dr. Christian Schindelhauer [email protected] 39
