Technik der digitalen Netze Teil 1 - Einführung

1. TechnikderdigitalenNetzeTeil 1 - Einführung Stephan Rupp Nachrichtentechnik www.dhbw-stuttgart.de

2. Inhalt TechnikderNetze - Einführung • Netze • Leitungsvermitlung, Paketvermittlung • geografische Ausprägung: Lokales Netz und Weitverkehrsnetz (Zugangsnetz, Metronetz, Kernnetz) • Netztypen: Telefonnetz, CaTV-Netz, Mobilfunknetz, Satelliten

3. Was wissen wir über Netze? ?

4. DSL - Was stecktdahinter?

5. CaTV - Was stecktdahinter?

6. Händi - Was stecktdahinter?

7. Das Strickmuster erkennen • Vereinfachung durch Abstraktion

8. 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

9. Ende-zu-Ende Beziehung NetzealsWölkchen ö Netz = gemeinsamerAdressraum(Domaine) Alternative Definition: Netz = Eigentumdes Betreibersbzw. einerFirma oderPrivatperson (Domaine)

10. AdressräumespannenNetze auf

11. Das Händials Modem In welchem Netz befindet sich das Gerät?

12. Route Schichtenmodell – Netzebene Empfänger- Adresse A Terminal (Endgerät) Terminal (Endgerät) B Netzknoten = Postämter Paketvermittlung – ganz wie bei der Post

13. Anwendungsebene Netzebene Modemebene WiFi DSL SDH DSL Ethernet Schichtenmodell A Terminal (Endgerät) Terminal (Endgerät) B

14. Digitalisieren • Kodieren • Paketieren • Auspacken • Dekodieren • Zusammensetzen • Übertragen Anwendungsebene - Sprachpakete

15. Schichtenmodell - Internet Anwendungsebene Netzebene Ganz unten durch: Leitungen und Luft

16. Schichtenmodell • Pizzaservice oder Containerdienst? Empfänger Absender Paketvermittlung Containerdienst Container Service Wege: Leitungen oder Luft

17. ÖffentlicherVerkehr Hierbenimmt man sich, wieessich in derÖffentlichkeitgehört.

18. PrivaterVerkehr: Tunnel (VPN) Tunnel Was nichtfür die Öffentlichkeitbestimmtist, wirdüber Tunnel kommuniziert.

19. Das kennenwirjetzt: 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 Systemdesign?

20. Inhalt TechnikderNetze - Einführung • Netze • Leitungsvermitlung, Paketvermittlung • geografische Ausprägung: Lokales Netz und Weitverkehrsnetz (Zugangsnetz, Metronetz, Kernnetz) • Netztypen: Telefonnetz, CaTV-Netz, Mobilfunknetz, Satelliten

21. Download Pizza“ funktioniertnicht Medien Daten Signale Audio Bits Text Bilder Alles digital - Netzetransportierennur Bits Netze „Wir faxen Pizzas“ hatte auch nicht funktioniert.

22. 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: HaraldOrlamünder

23. Leitungsvermittlung • Schritt 2: Verbindung schalten Nutzung der Resourcen? Datentransfer über die Verbindung Daten nehmen den allokierten Pfad Quelle: HaraldOrlamünder

24. Leitungsvermittlung • Noch einmal: Schritt 1 und Schritt 2

25. Prozessor (Steuerung) Trunks … Koppelnetz (Digital Switching Network) Line Cards … Lines AufbaueinesVermittlungssystems zu anderen Vermittlungsstellen Steuerung durch Signalisierung zu den Teilnehmern (ISDN, a/b)

26. Paket 1 Paket 3 Paket 4 Paket 2 Paket 6 Paket 5 Paketvermittlung • „Fein geschnitten und in Stücken“ E-mail Daten werden in Paketen transportiert Bild & Ton Telefon (VoIP) Quelle: HaraldOrlamünder

27. Postamt: Storage & Forward Routing Quelle: GerdSiegmund

28. Inhalt TechnikderNetze - Einführung • Netze • Leitungsvermitlung, Paketvermittlung • geografische Ausprägung: Lokales Netz und Weitverkehrsnetz (Zugangsnetz, Metronetz, Kernnetz) • Netztypen: Telefonnetz, CaTV-Netz, Mobilfunknetz, Satelliten

29. SCHLESWIG-HOLSTEIN MECKLENBURG-VORPOMMERN HAMBURG BREMEN NIEDERSACHSEN BERLIN BRANDENBURG SACHSEN-ANHALT NORDRHEIN-WESTFALEN SACHSEN THÜRINGEN HESSEN RHEINLAND-PFALZ SAARLAND BAYERN BADEN-WÜRTTEMBERG Verkehrsnetzefür Bits Ein Beispiel: die grössten Städte in Deutschland

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

31. Strassen und Haushalte Nahverkehr und letzteMeile Stuttgart die letzte Meile Metro-Bereich (Nahverkehr)

32. ZumBeispielKabel-TV Netze Coax Verstärker Fibre- Node Ein zellulares Netz. Braucht man das für Verteildienste (Broadcast)? Quelle: Alcatel

33. ZumBeispiel DSL-Netze vorher 24 VDSL ports 48 ADSL ports per line card nachher Source: Wikipedia, Web

34. ZumBeispielMobilfunk BTS Node B (BTS) Quellee: www.duwen.de; vodafone Node B Standorte

35. ZellulareNetzstruktur GrössederZellenistabhängig von derVerkehrsdichte (bzw. Teilnehmerdichte)

36. Beispiel: VerkehrsdichteimMetronetz dense urban urban rural

37. MDF DSL HFC 2G/3G WiMAX Ring 2 GlasfaserringealsZubringer • Legende: • MDF (Main Distribution Frame): Hauptverteiler für Telefonleitungen (Kupferdoppelader), kann mit DSL aufgerüstet werden • HFC (Hybrid FibreCoax): CaTVVerteilnetz • 2G/3G: 2. Generation (GSM) bzw. 3. Generation (UMTS) Mobilfunk • WiMAX: neue Funkzugangstechnik, vgl. WLAN Ring 1 Ring 3

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

39. Inhalt TechnikderNetze - Einführung • Netze • Leitungsvermitlung, Paketvermittlung • geografische Ausprägung: Lokales Netz und Weitverkehrsnetz (Zugangsnetz, Metronetz, Kernnetz) • Netztypen: Telefonnetz, CaTV-Netz, Mobilfunknetz, Satelliten

40. Letzte Meile Kupfer Kabel Kernnetz Call Server Hauptverteiler Hub Paket- Netz (IP) Funk POP Basisstation • Netzzugang (Gateway) • Verkehrstrennung • Netzübergänge (POI) • Medienkonversion Leitungs- vermitteltes Netz POI POI Point of Interconnect AufbauderWeitverkehrsnetze Metronetz Zugangsnetz

41. 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): über 12 Millionen Breitbandanschlüsse, ca. 40 Millionen Telefone. • CaTV-Netze (Kabelmodem, Kabeltelefon): fast nur als Fernsehverteilnetz genutzt (18 Millionen Haushalte). • Mobilfunk der 2. und 3. Generation (GSM/GPRS, UMTS): über 80 Millionen Mobiltelefone, weiteres Wachstum durch Telematik und Maschinen. • Hot-Spots (WiFi) und Hot-Zones (WiMAX) für massives Datenaufkommen bzw. hohe Verkehrsdichten

42. Strecken und Dehnen Gymnastik Netzdesign

43. Weitverkehrsnetz – Röhrenfür Bits • Nutzung: • 50 Mio. Teilnehmer • 2 Transaktionen pro Teilnehmer in der Hauptverkehrsstunde • 50% Telefongespräche mit 100 Sekunden Dauer und 64 kBit/s • 50% SMS mit 200 Bytes pro Nachricht Kernnetz Zugangsnetz Last mile • Struktur: • 16 Regionenmiteigenemregionalen Access Point (Regional Node) • 4 Regionale Access Points pro Weitverkehrsknoten (Wide Area Node)

44. Leitung: 3.000 km Bitrate: 64 kBit/s Verarbeitung: 10 ms pro Hop A Fall 1: 64 Bits an B mit Rückmeldung Fall 2: 2 MBytes download von B B 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).

45. Strecken und Dehnen Gymnastik Mobilität

46. Laptop Mobilität: • Mit dem Laptop bin ich doch auch mobil - was ist daran besonders?

47. Mobilitätsverwaltung A Server Szenario: Nachricht von A nach B. B

48. Mobile TeilnehmerimNetz - 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?

49. Satellite Movies Busines • Back-Bone Networks: • SDH/ATM • DWDM • Metro-Networks: • SDH/ATM • DWDM • Trunk Radio • HFC • Access Networks: • Satellite (DVB-S) • CaTV (DVB-C) • Telefone Network • terrestr. Radio (DVB-T, DAB) • UMTS, DVB-H Play-out Center Home Regionale Head-Ends regional and local content Local Loop interactive Services Studio Video Production SatellitenimWeitverkehrsnetz

50. Netze und Benutzer • inkl. Nahbereich (Bluetooth, WiFi, …)