EUROPA-FACHBUCHREIHEfür elektrotechnischeund elektronische Berufe
Informationstechnik,Telekommunikation, Neue Netze
7. Auflage
Herausgegeben von Horst Jansen
VERLAG EUROPA-LEHRMITTEL · Nourney, Vollmer GmbH & Co. KGDüsselberger Straße 23 · 42781 Haan-Gruiten
Europa-Nr.: 36217
Autoren von Informationstechnik, Telekommunikation, Neue Netze:
Ralf Hoheisel Studiendirektor Wunstorf
Horst Jansen Studiendirektor a.D. Hemmingen
Reiner Kochanke Oberstudienrat Wunstorf
Dr. Bernd Lübben Studiendirektor a.D. Hannover
Eckart Meyke Oberstudienrat Nordstemmen
Manfred Raschke Oberstudienrat a.D. Garbsen
Gerd Siegmund Prof., Dr.-Ing. Stuttgart
Lektorat: Horst Jansen
Bildbearbeitung:Zeichenbüro des Verlages Europa-Lehrmittel GmbH & Co. KG, Ostfildern
7. Auflage 2015; 1. korrigierter Nachdruck 2017
Druck 5 4 3 2
Alle Drucke derselben Auflage sind parallel einsetzbar, da sie bis auf die Behebung von Druckfehlern untereinander unverändert sind.
ISBN 978-3-8085-3627-8
Alle Rechte vorbehalten. Das Werk ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der gesetzlich geregelten Fälle muss vom Verlag schriftlich genehmigt werden.
© 2015 by Verlag Europa-Lehrmittel, Nourney, Vollmer GmbH & Co. KG, 42781 Haan-Gruitenhttp://www.europa-lehrmittel.de
Umschlaggestaltung: braunwerbeagentur, 42477 RadevormwaldSatz: Satz+Layout Werkstatt Kluth GmbH, 50374 ErftstadtDruck: UAB BALTO print, 08217 Vilnius (LT)
3
Vorwort
Nie zuvor gab es so gravierende Veränderungen im Bereich der Telekommunikation wie heute. Das erst seit 1989 in Europa verfügbare Internet hat sich in allen Bereichen der Kommunikation durchge-setzt. Alle zukünftigen Kommunikationsnetze basieren auf dem Internet. Die Datenkommunikation hat explosionsartig zugenommen, heute sind mehr als 95 % der transportierten Informationen Daten. Über Breitbandanschlüsse (VDSL) wirkt das IP-Protokoll bis in den Zugangsbereich und ermöglicht dem Teilnehmer neue Dienste (Video-Übertragung, Fernsehen etc.). Mehr als 90 % aller Betriebe ver-fügen bereits über Breitbandanschlüsse.
Dieser Trend verstärkt sich noch durch die erheblich ansteigende Zahl mobiler Teilnehmer. Hier neh-men zudem die „intelligenten“ mobilen Anwendungen zu. Das Mobiltelefon wurde noch 2008 zu 80 % zum Telefonieren verwendet, heute werden die Smartphones in weniger als 20 % der Anwendungen zum Telefonieren verwendet und dies mit einer stark abnehmenden Tendenz.
Diese Veränderungen sind in der vorliegenden Ausgabe des Buchs spürbar. Fast alle Kapitel muss-ten den aktuellen Entwicklungen angepasst werden. Die im Kapitel 6 beschriebenen Grundlagen der Netze der nächsten Generation haben die Telekommunikation integriert und breiten sich weiter aus. Dabei liegt den Autoren sehr daran, über die Vermittlung von Grundkenntnissen das Begreifen kom-plexer Zusammenhänge zu erschließen.
Die inhaltliche Konzeption dieses Buches wurde so angelegt, dass es auch über den Berufsschulunter-richt hinaus als Fachinformation verwendet werden kann. In Meisterkursen, an Berufsfach- und Fach-schulen oder auch Fachhochschulen, wo Inhalte der Informationstechnik und Telekommunikation gelehrt werden, ist es sowohl zur elementaren Einführung als auch Themen begleitend anwendbar.
Auf die Beachtung der gültigen Normen für Fachbegriffe, Bezeichnungen, Schaltzeichen und gra-fischen Darstellungen wurde besonderer Wert gelegt. Die dargestellten Sachverhalte wurden so in Wort und Bild beschrieben, dass sie auch im Selbststudium erarbeitet werden können. Das betrifft insbesondere diejenigen Themen, die je nach Schülerniveau in diesem Umfang nicht im Unterricht behandelt werden können.
Das Buch vermittelt nicht nur den erforderlichen Überblick, sondern ermöglicht auch mithilfe kon-kreter Beispiele eine Vertiefung des Wissens. Im Vordergrund steht dabei der Einblick in die Grund-prinzipien und die Verfahren der Informationstechnik und der neuen Netze der Telekommunikation. Erst dieses berufliche Grundwissen ermöglicht ein notwendiges Systemdenken, die geforderte Fach-kompetenz und die Umsetzung in kundenorientierte Anwendungen. Mit dem umfangreichen Bildma-terial wird in diesem Buch versucht, komplexe Zusammenhänge zu veranschaulichen.
Die Autoren und der Verlag sind allen Anwendern dieses Fachbuches für Hinweise und Anregungen dankbar, die die zukünftige Weiterentwicklung dieses Buches unterstützen. Schreiben Sie uns unter [email protected].
Sommer 2015 Die Verfasser
1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.1 Informationsübertragung
und Energieversorgung . . . . . . . . 9
1.2 Elektrischer Stromkreis . . . . . . . . 121.2.1 Elektrische Größen . . . . . . . . . . . . . . 131.2.2 Ohmsches Gesetz . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.2.3 Arbeit, Leistung und Wirkungsgrad 16 1.2.4 Reihenschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.2.5 Spannungsquellen-Ersatzschaltung 17 1.2.6 Parallelschaltung . . . . . . . . . . . . . . . 181.2.7 Spannungsteiler und Brücken- schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 1.2.8 Anpassung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201.2.9 Übertragen von Spannungen,
Stromstärken und Widerstands-werten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2.10 Gabelschaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . 221.2.11 Betriebsspannungsversorgung . . . . 231.2.12 Sinus- und nichtsinusförmige
Spannungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.3 Bausteine zur Signal-
verarbeitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261.3.1 Kondensator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261.3.2 Spule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291.3.3 Tiefpass, Hochpass und Bandpass . 311.3.4 Resonanzkreise . . . . . . . . . . . . . . . . . 321.3.5 Bandfilter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341.3.6 Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 1.3.7 Operationsverstärker . . . . . . . . . . . . 35
1.4 Optoelektronik . . . . . . . . . . . . . . . . 371.4.1 Allgemeines zur Optoelektronik . . . 371.4.2 Empfänger-Bauelemente . . . . . . . . . 371.4.3 Emitter-Bauelemente . . . . . . . . . . . . 38
1.5 Installation elektrischer
Betriebsmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . 401.5.1 Erzeugung und Verteilung
elektrischer Energie . . . . . . . . . . . . . 401.5.2 Dokumentationsunterlagen
für die Elektroinstallation . . . . . . . . . 411.5.3 Schutzmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . 431.5.4 Bemessung von Leitungen
und Sicherungen . . . . . . . . . . . . . . . 461.5.5 Prüfen von Schutzmaßnahmen . . . . 471.5.6 Projekt: Installation einer
Energieversorgung für 24 PCs . . . . . 48
2 Digitaltechnik . . . . . . . . . . . . . . 49
2.1 Einführung in die
Digitaltechnik . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.2 Kombinatorische Elemente . . . . . 492.2.1 UND-Element . . . . . . . . . . . . . . . . . . 502.2.2 ODER-Element . . . . . . . . . . . . . . . . . 512.2.3 NICHT-Element . . . . . . . . . . . . . . . . . 522.2.4 NAND-Element . . . . . . . . . . . . . . . . . 532.2.5 NOR-Element . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.3 Schaltalgebra . . . . . . . . . . . . . . . . . 552.3.1 Rechenregeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552.3.2 Gesetz von De Morgan . . . . . . . . . . . 562.3.3 Anwendungsbeispiele . . . . . . . . . . . 57
2.4 Zahlensysteme . . . . . . . . . . . . . . . . 582.4.1 Dezimalsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . 582.4.2 Dualsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 592.4.3 Oktal- und Sedezimalsystem . . . . . . 592.4.4 Umwandlung: Dezimalzahlen in Dualzahlen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 602.4.5 Rechnen mit Dualzahlen . . . . . . . . . 61
2.5 Binärcodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 622.5.1 BCD-Code . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 622.5.2 Gewichtete Codes . . . . . . . . . . . . . . . 622.5.3 Ungewichtete Codes . . . . . . . . . . . . 622.5.4 Fehlererkennende Codes . . . . . . . . . 63
2.6 Grundlegende Schaltnetze . . . . . 642.6.1 Addierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 642.6.2 Arithmetisch-Logische- Einheit (ALU) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 662.6.3 Äquivalenz-Element . . . . . . . . . . . . . 672.6.4 Pseudotetraden-Erkenner . . . . . . . . 672.6.5 Zahlen-Komparator . . . . . . . . . . . . . 682.6.6 Bustreiber, 3-state-Treiber . . . . . . . . 69
2.7 Codierer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 702.7.1 Dezimal-BCD(8421)-Codierer . . . . . . 702.7.2 BCD(8421)-Dezimal-Codierer . . . . . . 712.7.3 Binär-Gray-Codierer . . . . . . . . . . . . . 72
2.8 Multiplexer, Demultiplexer . . . . . 732.8.1 Multiplexer (MUX). . . . . . . . . . . . . . . 742.8.2 Demultiplexer (DMUX) . . . . . . . . . . . 74
2.9 Bistabile Elemente, Flipflops . . . . 752.9.1 RS-Flipflop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 752.9.2 D-Flipflop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 772.9.3 Einflankengesteuerte Flipflops . . . . 782.9.4 Umwandlung von Flipflops . . . . . . . 792.9.5 Zweispeicher-Flipflop . . . . . . . . . . . . 802.9.6 Codeumsetzer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
4
Inhaltsverzeichnis
2.10 Zählschaltungen . . . . . . . . . . . . . . . 822.10.1 Asynchron-Zähler . . . . . . . . . . . . . . . 822.10.2 Synchron-Zähler . . . . . . . . . . . . . . . . 84
2.11 Register . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 862.11.1 Schieberegister . . . . . . . . . . . . . . . . . 862.11.2 Parallel-Seriell-Umsetzer . . . . . . . . . 882.11.3 Seriell-Parallel-Umsetzer . . . . . . . . . 892.11.4 Scrambler, Descrambler . . . . . . . . . 89
2.12 Rechenwerke . . . . . . . . . . . . . . . . 912.12.1 Serielles Addierwerk . . . . . . . . . . . 912.12.2 Serielles Subtrahierwerk . . . . . . . . 922.12.3 Serielles Multiplizierwerk . . . . . . . . 932.12.4 Paralleler Addierer . . . . . . . . . . . . . 94
2.13 Digital-Analog-Umsetzer . . . . . . 952.13.1 DA-Umsetzer mit gestuften Widerständen . . . . . . . . . . . . . . . . . 952.13.2 DA-Umsetzer mit Widerstands- kettenleiter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
2.14 Analog-Digital-Umsetzer . . . . . . 982.14.1 AD-Umsetzer mit Widerstandsnetzwerk . . . . . . . . . . . 982.14.2 AD-Umsetzer nach dem Sägezahnverfahren . . . . . . . . . . . . . 992.14.3 AD-Umsetzer nach dem Wägeverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . 1002.14.4 AD-Umsetzer nach dem Parallelverfahren . . . . . . . . . . . . . . . 1002.14.5 AD-Umsetzung durch Delta-Modulation . . . . . . . . . . . . . . 101
2.15 Halbleiterspeicher . . . . . . . . . . . . 1022.15.1 Lesespeicher (ROM) . . . . . . . . . . . . 1032.15.2 Schreib-Lese-Speicher (RAM) . . . . 105
2.16 Mikroprozessor-Prinzip . . . . . . . 1082.16.1 Programm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1092.16.2 Prinzip eines Mikroprozessor- Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1102.16.3 Aufbau eines Mikroprozessors . . . 1112.16.4 Endgeräte mit Mikroprozessoren. . 1182.16.5 Mikrocontroller . . . . . . . . . . . . . . . . 1192.16.6 Grundlagen der Programmierung . . . . . . . . . . . . . . 120
3 Arbeitsplatzrechner . . . . . . . 125
3.1 Allgemeines . . . . . . . . . . . . . . . . . 1253.1.1 Möglichkeiten der Vernetzung . . . . 1253.1.2 Aufbau eines Arbeitsplatzrechners 126
3.2 PC-Gehäuseformen . . . . . . . . . . . 1263.2.1 Stationäre Geräte . . . . . . . . . . . . . . 1263.2.2 Mobile Geräte . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
3.3 Aufbau eines Arbeitsplatz-
rechners . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1283.3.1 Mikroprozessor (CPU) . . . . . . . . . . 1283.3.2 Hauptplatine (Motherboard,
Mainboard) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1293.3.3 Kenngrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1303.3.4 Chipsatz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1313.3.5 Arbeitsspeicher . . . . . . . . . . . . . . . . 1323.3.6 Interne Bussysteme . . . . . . . . . . . . 134
3.4 Eingabe und Ausgabe . . . . . . . . . 1353.4.1 Tastatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1353.4.2 Maus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1363.4.3 Touchpad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1363.4.4 TrackPoint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1363.4.5 Periphere Schnittstellen . . . . . . . . . 1373.4.6 Grafikkarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1393.4.7 Monitore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1403.4.8 Möglichkeiten der Eingabe-
Ausgabe-Kommunikation . . . . . . . 141
3.5 Massenspeicher . . . . . . . . . . . . . . 1413.5.1 Magnetische Aufzeichnungs- systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1413.5.2 Optische Aufzeichnungssysteme . . 145
4 Übertragungsnetze . . . . . . . 147
4.1 Übertragungstechnik . . . . . . . . . 1484.1.1 Informationstechnische
Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1484.1.2 Übertragungsverfahren . . . . . . . . . 1494.1.3 Übertragungswege . . . . . . . . . . . . . 1504.1.4 Signalarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1504.1.5 Elektroakustik . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
4.2 Leitungsgebundene
Signalübertragung . . . . . . . . . . . . 1574.2.1 Übertragungskabel mit Kupferadern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1574.2.2 Lichtwellenleiterkabel (LWL-Kabel) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1604.2.3 Kabelnetzaufbau . . . . . . . . . . . . . . . 1634.2.4 Grundgrößen einer Leitung . . . . . . 1654.2.5 Dämpfung auf Leitungen . . . . . . . . 1764.2.6 Pegel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1794.2.7 Übertragungsstörungen . . . . . . . . . 182
4.3 Mehrfachausnutzung von
Übertragungswegen . . . . . . . . . . 1884.3.1 Verfahren zur Mehrfach- ausnutzung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1884.3.2 Modulationsverfahren. . . . . . . . . . . 1904.3.3 Modulationsarten bei Sinusschwingungen . . . . . . . . . . . . 1914.3.4 Modulationsarten bei Pulsfolgen . . 1954.3.5 Frequenz-Multiplexverfahren . . . . 196
5
4.3.6 Wellenlängen-Multiplex- verfahren WDM . . . . . . . . . . . . . . . . 1994.3.7 Digitale Modulationsverfahren
mit sinusförmigem Träger . . . . . . . 2004.3.8 Digitaler Teilnehmeranschluss ADSL . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2014.3.9 Zeitmultiplex-Verfahren PCM . . . . . 2034.3.10 PCM-Messtechnik . . . . . . . . . . . . . . 210
4.4 Datenübertragung in der
Synchronen Digitalen
Hierarchie SDH . . . . . . . . . . . . . . . 217
4.5 Datenkommunikation mit
dem Asynchronen Transfer-
Modus ATM . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2204.5.1 Integriertes Datennetz . . . . . . . . . . 2204.5.2 Asynchroner Transfer-Modus ATM 2224.5.3 ATM-Schichtenmodell . . . . . . . . . . 226
4.6 Datenkommunikation mit
dem Internet-Protokoll IP . . . . . . 2314.6.1 OSI-Referenzmodell und seine Protokolle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2314.6.2 TCP/IP-Referenzmodell und OSI . . 2314.6.3 Internet-Transport-Protokoll TCP . . 2324.6.4 TCP-Segment-Header . . . . . . . . . . . 2334.6.5 Das Internet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2344.6.6 Header des IP-Protokolls . . . . . . . . 2354.6.7 IP-Adressen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2364.6.8 Domain Name System DNS . . . . . 236
4.7 Frame Relay . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
4.8 Telefonieren über das Internet
„Voice over IP“ . . . . . . . . . . . . . . . 2394.8.1 Telefonieren im Festnetz . . . . . . . . 2394.8.2 Telefonieren über Datennetze mit VoIP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2394.8.3 Telefon-Anschluss am Internet. . . . 2404.8.4 Netzübergänge Internet – Festnetz 2414.8.5 Routing im Teilnehmerbereich . . . 2424.8.6 Protokolle der Internet-Telefonie VoIP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2424.8.7 Verbindungssteuerung mit SIP . . . 2434.8.8 Weltweit gültige Telefonnummern 243
5 Netzknoten . . . . . . . . . . . . . . . . 244
5.1 Netzaufbau . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2455.1.1 Grundverbindungen in
Telekommunikationsnetzen . . . . . 2455.1.2 Aufbau des Orts- und Fernwahlnetzes . . . . . . . . . . . . . . . . 246
5.2 Koppeltechnik . . . . . . . . . . . . . . . . 2475.2.1 Prinzip der Koppeltechnik . . . . . . . 247
5.2.2 Begriffe der Koppeltechnik . . . . . . 2485.2.3 Gruppierung von Koppelanordnungen . . . . . . . . . . . . 2495.2.4 Zwischenleitungsanordnung . . . . . 2505.2.5 Steuervorgänge beim Verbindungsaufbau . . . . . . . . . . . . 251
5.3 Vermittlungstechnik . . . . . . . . . . 2525.3.1 Anschlussteil . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2525.3.2 Digitales Raum-Koppelvielfach . . . 2545.3.3 Zeit-Koppelvielfach . . . . . . . . . . . . . 255
5.4 Mobile Kommunikation . . . . . . . 2565.4.1 Mobilfunknetz . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
6 Netze der nächsten Generation – NGN . . . . . . . . 260
6.1 Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2606.1.1 Entwicklung zum NGN . . . . . . . . . . 2626.1.2 Sprachübertragung mit VoIP
oder im NGN . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2646.1.3 IP Multimedia Subsystem IMS . . . 2676.1.4 Einbindung der bestehenden
Netze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2686.1.5 Regulierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2696.1.6 Architekturen in öffentlichen
Netzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2706.1.7 Dienstgüte im Internetverkehr
(Quality of Service QoS) . . . . . . . . . 2706.1.8 VDSL-Anschluss beim Teilnehmer. 272
6.2 Übertragung von Echtzeit-
informationen über NGN . . . . . . 2736.2.1 Sprachübertragung mit dem
Real-Time Transport Protocol RTP 2736.2.2 Informationsaustausch von
RTP-Paketen mit UDP . . . . . . . . . . . 2746.2.3 Übertragung der Nutz-
informationen . . . . . . . . . . . . . . . . . 2776.2.4 Echtzeit-Kontrolle mit dem
Real-Time Control Protocol RTCP . 279
6.3 Verbindungssteuerung mit dem
Signalisierungs-Protokoll SIP
(Session Initiation Protocol) . . . 2806.3.1 SIP im NGN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2806.3.2 Architektur von SIP . . . . . . . . . . . . . 2816.3.3 SIP-Proxy-Server . . . . . . . . . . . . . . . 2826.3.4 Adressen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2836.3.5 Grundlagen der Verbindungs-
steuerung mit SIP . . . . . . . . . . . . . . 2846.3.6 Aufbau von SIP-Nachrichten . . . . . 2866.3.7 SIP-Anfragen (SIP-Request) . . . . . . 2876.3.8 SIP-Antworten (SIP-Response) . . . 2896.3.9 Aufbau der Verbindungen . . . . . . . 290
6
6.3.10 Einfacher Verbindungsaufbau . . . . 2926.3.11 Vereinbarung von Verbindungs-
eigenschaften . . . . . . . . . . . . . . . . . 2936.3.12 Protokollabläufe für eine
Sprachverbindung . . . . . . . . . . . . . 294
6.4 Architekturen der öffentlichen
Netze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2966.4.1 Verbindungssteuerung im NGN . . 2966.4.2 Ablauf für eine Verbindung mit
QoS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2966.4.3 Internet Multimedia Subsystem
IMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
7 Lokale Netzwerke –
Rechnerkommunikation . . 299
7.1 Grundlagen der lokalen Netze . 2997.1.1 Serverbasierte Netzwerke . . . . . . . 3007.1.2 Peer-to-Peer-Netzwerke . . . . . . . . . 301
7.2 Netz-Topologien . . . . . . . . . . . . . 3017.2.1 Bus-Topologie . . . . . . . . . . . . . . . . . 3017.2.2 Stern-Topologie . . . . . . . . . . . . . . . 3027.2.3 Ring-Topologie . . . . . . . . . . . . . . . . 3027.2.4 Baum-Topologie . . . . . . . . . . . . . . . 3037.2.5 Vermaschte Topologie . . . . . . . . . . 3037.2.6 Zell-Topologie . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
7.3 Das OSI-Modell . . . . . . . . . . . . . . . 3047.3.1 Datenübertragung im OSI-Modell . 3047.3.2 Schichten L1 bis L3 des
OSI-Modells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3057.3.3 Standardisierung der lokalen
Netzwerke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306
7.4 Übertragungsmedien . . . . . . . . . 3077.4.1 Koaxial-Kabel . . . . . . . . . . . . . . . . . 3077.4.2 Twisted-Pair-Kabel . . . . . . . . . . . . . 3087.4.3 Lichtwellenleiter (LWL) . . . . . . . . . . 309
7.5 Netzwerkaufbau . . . . . . . . . . . . . . 3107.5.1 Das Ethernet . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3107.5.2 Twisted-Pair-Ethernet . . . . . . . . . . . 3117.5.3 Ethernet mit Lichtwellenleiter-
Verkabelung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
7.6 Netzkopplungen . . . . . . . . . . . . . . 3127.6.1 Repeater . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3127.6.2 Hub . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3137.6.3 Bridge (Brücke) . . . . . . . . . . . . . . . . 3137.6.4 Switch. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3147.6.5 Router . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
7.7 Drahtlose Netzwerke . . . . . . . . . 3157.7.1 Frequenzbereiche . . . . . . . . . . . . . . 3157.7.2 Funk-Übertragungsverfahren . . . . . 3167.7.3 Betriebsarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3167.7.4 Bluetooth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
7.8 Speichernetzwerke . . . . . . . . . . . 317
7.8.1 Direkt Attached Storage – DAS. . . . 3177.8.2 RAID-Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . 3177.8.3 Network Attached Storage – NAS . 3187.8.4 Storage Area Network – SAN . . . . . 318
7.9 Strukturierte Verkabelung . . . . . 3207.9.1 Primärbereich . . . . . . . . . . . . . . . . . 3217.9.2 Sekundärbereich . . . . . . . . . . . . . . . 3217.9.3 Tertiärbereich. . . . . . . . . . . . . . . . . . 322
8 IT-Systeme – Endgeräte
und Netz-Zugänge . . . . . . . . 323
8.1 Grundfunktion „Netz-Zugang“ 323
8.2 IT-Basisdienst
„Sprachkommunikation“ . . . . . . 3278.2.1 Signalisierungsverfahren für POTS. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3278.2.2 DECT-Telefone . . . . . . . . . . . . . . . . 328
8.3 Endgeräte im ISDN-Konzept . . . 330
8.4 Schnittstellen
des ISDN-Basisanschlusses . . . . 3328.4.1 Schaltungsanalyse ISDN- Endgerät . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3328.4.2 Signalanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . 3368.4.3 Datenanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
8.5 Installationen
beim Teilnehmer . . . . . . . . . . . . . 3458.5.1 ISDN-Basisanschluss- Installationen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3458.5.2 TK-Anlagen-Installationen . . . . . . . 3478.5.3 Installationskontrollen des Netzbetreibers . . . . . . . . . . . . . . . . . 3478.5.4 Strukturierte In-House- Verkabelungen . . . . . . . . . . . . . . . . 3488.5.5 Drahtgebundene Zugangsnetze . . . 3528.5.6 Drahtlose Zugangsnetze . . . . . . . . 3588.5.7 IP-gestützte Zugangsnetze . . . . . . . 362
8.6 Sichere Telekommunikation . . . 364
Sachwortverzeichnis . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365Glossar der Abkürzungen . . . . . . . . . . . . . . 371
7
260
Der Nachfolger des ISDN auf der Basis des Inter-netprotokolls wird in der Standardisierung als „ Next Generation Network“ NGN bezeichnet. Die-se Netze bieten den Teilnehmern gesicherte Über-tragungsqualitäten und eine hohe Verfügbarkeit.
6.1 Grundlagen
Die Datenkommunikation auf der Basis des Inter-net-Protokolls IP ist heute innerhalb der Kommu-nikationsnetze mit 95 % die größte Menge der transportierten Informationen. Der Anteil der Sprachkommunikation beträgt nur noch 5 % der übertragenen Informationen. In einem solchen Umfeld müssen sich auch die Netzarchitekturen diesen Gegebenheiten anpassen. Dies bedeutet, dass nicht mehr die Sprachübertragung die Netz-strukturen vorgibt, sondern die auf dem Internet basierende Datenübertragung. Solche Netze sind dann Datennetze, die „auch“ Sprache übertragen können. In den traditionellen Sprachnetzen voll-zieht sich der Wandel kontinuierlich. Es sind en-orme Investitionen notwendig. Auch in ferner Zu-kunft ist es nicht erforderlich, alles völlig umzu-krempeln. So wird es beispielsweise auch weiter-hin den analogen Fernsprechanschluss geben.
Auf der anderen Seite entwickeln sich im Internet Multimedia-Anwendungen, die diverse Medien unterstützen und unter einer einheitlichen Ober-fläche zu einem einheitlichen Dienst verschmel-zen. In diesem Fall ist die Sprachübertragung nur noch ein kleiner Teil der Gesamtkommunikation in einer sehr komplexen Umgebung. Die Zukunft ist hier aber auch keine neue Einheitstechnologie auf der Netzebene. Es wird für eine geraume Zeit noch eine Mischung von konventionellen Vermittlungs-prinzipien geben, mit vielen herkömmlichen ana-logen und digitalen Schnittstellen (Bild 1). Diese bilden zusammen mit den IP-basierten Netzen ein gemeinsames Netz.
Pakete im Internet
Das Internet ist für die Datenübertragung, wie sie für Anwendungen wie E-Mail und World Wide
6 Netze der nächsten Generation – NGN
Bild 1: Das heterogene Netz der Zukunft
Gateway(Anpassung)
NGN-Anschluss (IP-basiert)
IP-basiertes NetzNGN
ServerServer
ISDN
ISDN
analog
analog
analog
ISDN
ISDN-VSt
Bild 2: Verbindungen über Koppelanordnungen
Zeitmultiplex
VerbindungssteuerungSignalisierung
Koppelanordnung
ISDN (Zeitmultiplex mitVerbindungssteuerung)
VSt++
VSt VSt++ ++
Bild 3: Verbindungen über das Internet
Server
Internet
IP-Pakete
verbindungsloses Internet
Router
Router
Router
Web (WWW) benötigt werden, durch seinen ver-bindungslosen Transport, ohne einen vorherigen Verbindungsaufbau wie im ISDN, ideal an diese Übertragung angepasst. Das Ziel bei der Übertra-gung der Nutzinformationen war es immer, einen möglichst einfachen und schnellen Mechanismus zu verwenden (Bild 3).
Der Transport von Echtzeitinformationen, wie Sprache, hat nur einen geringen Anteil an der Summe der transportierten Informationen. Über 95 % des Verkehrs in Kommunikationsnet-zen sind Daten basierend auf dem Internetpro-tokoll IP.
261
Bild 2: Protokolle im OSI-7-Schichten-Modell
Bezeichnung der Dienste
Anwendungen
Schicht L4: Transport
Schicht L3:Internet-Protokoll
Schicht L2:Sicherung und Netz-Zugriff
Schicht L1:Übertragung
Protokoll L2
Protokoll L1 Protokoll L1
Netz 1
Protokoll L2
Netz 2
Protokoll L2
Protokoll L1
Netz 3
DNS: Domain Name ServerFTP: File Transfer ProtokollHTTP: Hypertext Transfer Protokoll
Port 53Port 80Port 23 Port 20/21 Port 161/162
IP: InternetprotokollSMTP: Simple Mail Transfer ProtokollTCP: Transport Control Protokoll
UDP: User Datagram ProtokollWWW: World Wide Web
IP (Internet Protokoll)
DomainNameServer
DNS
Telnet
Telnet
FTP
FTP
WWW
HTTP
SMTP
TCP (Transport Control Protokoll) UDP
Bild 1: Adressvergabe und Routing im Verbindungsnetz
hier startet das Pakekt mit der IP-Zieladresse
Ziel des IP-Pakets
Adressbereich D
Adress-bereich A
Adress-bereich C
Adress-bereich B
Verbindungs-netz (Backbone)
Diese Methode der verbindungslosen Kommuni-kation wird auch mit „ Best Effort“ bezeichnet. Im Zeitmultiplex der ISDN-Netze werden die Informa-tionen zu festgelegten Zeiten in Kanälen transpor-tiert. In verbindungsloser Kommunikation werden die Pakete nur bei Bedarf und dabei in Konkurrenz zu anderen Paketen übertragen. Die Datenpakete erhalten einen Paketkopf, in dem die Ursprungs- und Zieladresse (IP-Adressen) enthalten ist.
Weltweit werden die IP-Adressen nur einmal ver-geben. Man spricht von eindeutiger IP-Adresse. Mithilfe dieser „einmaligen“ IP-Adresse ist die Hinleitung (Routing genannt) der Nutzinforma-tionen zum gewünschten Ziel möglich (Bild 1).
In dieser Kommunikation werden keinerlei Garan-tien für den Transport vom Netz übernommen. Es bleibt den Endsystemen überlassen, mit den Ein-flüssen durch die Übertragung, den Störungen im Netz und den Fehlern bei der Übertragung fertig zu werden.
Die Kommunikation erfolgt innerhalb der Schicht L3 grundsätzlich verbindungslos. Innerhalb der Schicht L4 werden zwischen den Endsystemen das verbindungsorientierte Protokoll (TCP) und der verbindungslose Dienst (UDP) eingesetzt.
Die Anwendungen (Dienste) oberhalb der Schicht L4 werden durch sogenannte Ports adressiert. Neue Dienste müssen nur in ihrer Port-Nummer bekannt gegeben werden und sind sofort weltweit erreichbar. Die für die Nutzung eines neuen Diens-tes notwendige Software kann mittels HTTP (Hy-pertext-Transfer-Protokoll = WWW) oder File-Transfer-Protokoll FTP verteilt werden. Diese Of-fenheit ermöglicht die sehr schnelle Einführung neuer Dienste in das Netz (Bild 2).
Die Komplexität der Dienste liegt nur im Endgerät, nicht im Transportnetz. Diese Rahmenbedin-gungen ermöglichten die revolutionäre Entwick-lung des Internets, speziell nach der Einführung des World Wide Web (WWW).
273
Bild 1: Real-Time Transport Protocol RTP und Real-Time Control Protocol RTCP
IPInternet Protokoll
UDPUser Datagram Protocol
RTP
Real-TimeTransport Protokoll
codierteSprache
oder Video
L4
L3
RTCP
Real-TimeTransport Control
Protokoll
digitalisierteSprache
Steuerungdes Nutzkanals
Bild 2: RTP-Header
V: Version (2 bit)P: Padding (1 bit)X: Extension (1 bit)
Payload
ggf. Header Extensions
Contributing Source (CSRC) Identifier (32 bit)
Synchronisation Source (SSRC) Identifier (32 bit)
Timestamp (TStamp, 32 bit)
V P X M PT (7 bit) Sequence Number (SQ, 16 bit)CC
CC: CSRC Count (4 bit)M: Marker (1 bit)PT: Payload Type (7 bit)
6.2 Übertragung von Echtzeit-informationen über NGN
6.2.1 Sprachübertragung mit dem Real-Time
Transport Protocol RTP
Die Sprachübertragung ist bei ISDN mit einer Bit-rate von 64 kbit/s in beiden Richtungen sehr groß-zügig festgelegt. Seit einiger Zeit werden in den Mobilnetzen bereits Codecs nach dem adaptiven Verfahren ADPCM eingesetzt, die mit kleineren Datenraten auskommen. Das Internet arbeitet ver-bindungslos und paketorientiert und ist damit ide-al für die Übertragung von Daten geeignet. Durch Sprach-Pausen-Detektoren könnte die erforder-liche Datenrate für die Sprachübertragung noch einmal deutlich gesenkt werden, ohne die Qualität nennenswert einzuschränken, denn eine Duplex-kommunikation ist in den seltensten Fällen nötig.
Die Basis für die Sprach- und Videoübertragung im Internet ist das Transportprotokoll RTP (Real-
Time Transport Protocol), das den Transport von Sprach- und Videodaten in Paket-Form ermöglicht (Bild 1).
RTP beinhaltet auch die Bereitstellung einer Diens-tesynchronität. Zwischen Sender und Empfänger werden hierfür ständig Zeit- und Synchronisati-onsinformationen ausgetauscht. Paketüberho-lungen, wie sie in verbindungslosen Netzen im-mer vorkommen können, müssen vom Empfän-ger ausgeglichen werden. Für diese Aufgaben erhält jedes übertragene RTP-Paket eine fortlau-fende Nummer, die Sequence Number, und einen Zeitstempel, den Timestamp.
Weiterhin ist in dem RTP-Kopf eine Identifikation des Senders und Empfängers enthalten. Zum Transportprotokoll RTP gehört auch das Steue-rungsprotokoll RTCP (Real-Time Control Protocol). RTCP benutzt einen eigenen Port, dessen Adresse stets die um 1 höhere Portadresse von RTP ist.
RTP und RTCP verwenden UDP als Transportpro-tokoll (Bild 1). Prinzipiell kann auch TCP verwendet werden, hierbei ergeben sich allerdings Laufzeit-probleme durch vorhandene Wartezeiten auf Be-stätigungen.
Aufbau der RTP-Nachrichten
Das Real-Time Transport Protocol RTP unter-stützt zwar die Übertragung von Echtzeitinforma-tionen über das Internet (Bild 1), es verändert aber weder das Internetprotokoll IP noch dessen Verhalten innerhalb der Netze. Mit diesem Proto-koll wird auch keine Quality of Service in IP-Netze eingeführt.
Der Transport der Sprachinformationen erfolgt in der Schicht L4 mit dem Transportprotokoll UDP, seltener mit TCP. Empfangsbestätigungen sind nicht erforderlich. Eine Neuanforderung von TCP-Paketen kommt aufgrund der engen Zeitanforde-rungen nicht infrage.
Über eine RTP-Verbindung können auch mehrere Kommunikationen gleichzeitig unterhalten wer-den, wenn sie die gleichen Kommunikationsend-punkte innerhalb des IP-Netzes haben (Aggregati-on of Calls). Dies kann beispielsweise der Fall sein bei Privatnetzkopplungen zwischen zwei Punkten des öffentlichen Netzes.
274
Bild 1: Mixer für Konferenzschaltungen
SIP-Client B(Bernd)
SIP-Client A(Anna)
SIP-Client A(Anna)
Mixer (3)
SSRC 1SSRC 1
SIP-Client B(Bernd)
SIP-Client C(Chris)
SSRC 3SSRC 1SSRC 2
SSRC 2
SSRC 1
Elemente im RTP-Header
Die Elemente im RTP-Header haben die folgende Bedeutung:
� V, Version, 2 bit: Im Versionsfeld V wird die RTP-Version (z.B. 2,) übermittelt.
� P, Padding, 1 bit: Das Padding-Bit ist gesetzt, wenn am Ende des Paketes Füll-Oktette ange-hängt sind. Wie groß der aufgefüllte Bereich ist, wird im letzten Byte des Padding-Bereichs am Ende des Nutzfeldes übertragen.
� X, Extension, 1 bit: Das Extension-Bit X wird gesetzt, wenn der Header um einen Erweite-rungs-Header verlängert wird.
� CC, CSRC-Count, 4 bit: Ob und wie viele Con-tributing Source Identifier im RTP-Header ent-halten sind, wird im CSRC-Zähler übermittelt.
� M, Marker, 1 bit: Die Bedeutung des Marker-Bit ist vom jeweils verwendeten RTP-Profil ab-hängig. Das Marker-Bit wird beispielsweise für die Erkennung von Sprachpausen (Silence Suppression) verwendet. Das Bit wird in je-dem ersten Paket mit Sprachproben nach ei-ner vorangegangenen Sprachpause auf „1“ gesetzt.
� PT, Payload-Type, 7 bit: Das Feld PT kenn-zeichnet die im Daten-(Payload-)Teil transpor-tierten Nutzinformationen. Mit diesem Feld können die verschiedenen Quellcodierungen unterschieden werden. Für die Sprach- und Bild-Kommunikation (Audio/Video-Profile) sind dies beispielsweise die Sprach-Codecs oder Video-Codecs, die auf der Empfängerseite für die Decodierung der Nutzinformationen not-wendig sind.
� SQ, Sequence Number, 16 bit: Mit der Se-quenznummer werden die RTP-Pakete vom Sender durchnummeriert. Damit werden Rei-henfolgenfehler und der Verlust von Paketen vom Empfänger erkannt.
� TStamp, Timestamp, 32 bit: Der Zeitstempel TStamp beginnt mit einer zufällig ermittelten Zahl, die mit jeder Entnahme einer Sprach- oder Video-Probe erhöht wird. Da jedes RTP-Paket eine Anzahl von entnommenen Proben transportiert, springt dieser Wert mit jedem gesendeten RTP-Paket um die Anzahl der transportierten Proben.
Beispiel: Liefert der Codec alle 125 µs eine 8 bit-Sprachprobe, so befinden sich in einem RTP-Paket, das alle 20 ms übertragen wird, insge-samt 160 Sprachproben. Die Timestamp wird daher mit jedem RTP-Paket um 160 erhöht.
� SSRC, Synchronisation Source Identifier, 32
bit: Eine eindeutige Zuordnung der Kommuni-kationspartner ist durch den Synchronisation Source Identifier SSRC für die Quelle gege-ben. Der SSRC-Identifier definiert die Quelle der RTP-Pakete. Für einfache Verbindungen ist dies der direkte Verbindungspartner.
� CSRC, Contributing Source Identifier, 0 bis 15
Felder mit je 32 bit: Für eine Konferenzschal-tung wird in den Feldern von CSRC eine Liste angelegt, in der alle an einer Konferenzschal-tung beteiligten Teilnehmer der Kommunikati-onsströme vom Mixer zusammengefasst wer-den. In dem Konferenzbeispiel (Bild 1 vorhe-rige Seite) sind dies die beteiligten Kommu-nikationsquellen, die vom Mixer zusammen-gefasst wurden.
6.2.2 Informationsaustausch von
RTP-Paketen mit UDP
Eine Verbindung (session) besteht aus einem oder mehreren Medienströmen, die durch den Port unterschieden werden und einzeln auch be-endet oder neu aufgebaut werden können. Für den Informationsaustausch mit dem Real-Time Transport Protokoll RTP wird beim Verbindungs-aufbau für jeden Medienstrom (Sprache oder Video) ein eigener UDP-Port festgelegt. Ein Be-
275
Bild 1: Informationsaustausch mit RTP
SIP-Client-A(Anna)
SIP-Client-B(Bernd)
Port y
Verbindungsaufbau mit SIP(hier nicht dargestellt)
Austausch von digitalisiertenSprachinformationen mitRTP-Pakete
Rückmeldungen 1 und 2 zurQualität der Übertragung mitRTCP-Paketen
Ende der Verbindung:der logische Kanal wird derRTCP-Nachricht „BYE”geschlossen
Abbau der Verbindung mit SIP(hier nicht dargestellt)
Port y
Port x RTP (PCMA)
RTP (PCMA)
Port y
Port x RTP (PCMA)
Port y
Port x RTP (PCMA)
Port y+1
Port x+1 RTCP (Rückmeldung 2)
Aufbau der Verbindung
Abbau der Verbindung
Nutzverbindung/Session
Port x
Port yRTP (PCMA)Port x
Port y
Port x+1 RTCP (BYE)
Port y+1RTCP (BYE)Port x+1
PCMA: PCM-Codec (G.711)
Port yRTP (PCMA)
Port x
Port y+1RTCP (Rückmeldung 1)
Port x+1
Internet
nutzer kann unterschiedliche Verbindungen zu verschiedenen Zielen und mit verschiedenen Me-dien durch verschiedene Ports unterscheiden. Eine Kommunikation zwischen einem Sender und einem Empfänger hat dabei einen Port. Wie bei jeder Kommunikation in TCP oder UDP wird für den Austausch der Informationen in den transportierten Paketen jeweils der Quell- und Ziel-Port festgelegt – beide können unterschied-lich sein (Port x und Port y in Bild 1). Für das Real-Time Control Protocol RTCP werden automatisch die Ports Port(x+1) und Port(y+1) festgelegt.
Mit RTCP werden während der Verbindung Rück-meldungen zur Übertragungsqualität an den Sender gegeben. Zum Abschluss der Kommuni-kation wird der verwendete logische Nutzkanal mit einem RTCP-BYE wieder geschlossen.
Virtuelle Verbindung
Im Prinzip wird bei UDP durch die Festlegung und Verwendung der Ports eine virtuelle Verbin-dung für den Austausch von Nutzinformationen im Internet aufgebaut. Der gravierende Unter-schied zu virtuellen Verbindungen in anderen Netzen ist die Verwendung der Ports an Stelle von logischen Kanalnummern.
Die logischen Kanalnummern wurden den Über-tragungsstrecken zugeordnet und sind damit für eine logische Verbindung an beiden Endpunkten gleich. Die Ports werden den Endpunkten (Client, Server, Proxy) zugeordnet. Diese können aber unterschiedlich sein. In Bild 1 der folgenden Seite verwendet der Teilnehmer A/Client A den Quell-Port 5002 und der erste Proxy A den Port 12046 für die betrachtete Kommunikation. In den UDP-Paketen müssen daher immer beide zugeordnete Ports angegeben werden. Im Kopf von UDP steht daher in den Paketen vom Teilnehmer/Client A zum Proxy A der Quell-Port 5002 und der Ziel-Port 12046. In den Paketen vom Proxy A zum Client A entsprechend Quell-Port 12046 und Ziel-Port 5002.
UDP transportiert die RTP-Pakete. Der verwende-te Port ist für die Echtzeitkommunikation ein vir-tueller Kanal. Die Rückmeldungen (Verzöge-rungszeit, Jitter, Paketverlust usw.) vom Emp-fänger zum Sender erfolgt mithilfe des Real-Time Control Protocol RTCP.
278
Bild 1: Übertragung mit dem Real-Time Protokoll RTP (nur eine Richtung dargestellt)
SIP-Client-A SIP-Client-B(Bernd)
Timestamp TS = 40Sequence Number SN = 1
Port y
Port x
Port y
Port y
Port y
Port x
Port x
Port x
Port y+1Port x+1
RTP (PCMA)
Timestamp TS = 200Sequence Number SN = 2
RTP (PCMA)
Timestamp TS = 240
RTCP
Timestamp TS = 360Sequence Number SN = 3
RTP (PCMA)
Timestamp TS = 520Sequence Number SN = 4
RTP (PCMA)
Zeit
t
20 m
s20
ms
20 m
s
RTP-Sender RTP-Empfänger
Internet
Bei jedem gesendeten Paket wird der Timestamp TS somit um 160 erhöht. Zusätzlich werden die Pakete mit einer Sequence Number SN durchnummeriert (Bild 1).
Echtzeitinformationen, wie Sprache, werden mit dem Real-Time Transport Protocol RTP über einen UDP-Port übertragen. Mit dem Real-Time Control Protocol RTCP werden regelmäßig Rückmeldungen an den Sender gegeben. Diese RTCP-Pakete verwenden den Port der Nutzinformation plus 1 und ent-halten auch einen Zeitstempel, der diese Rückmeldungen zeitlich einordnet.
290
Bild 1: Client-Server-Protokoll
Request
ResponseUAC
UAS
UAC
UAS
UserAgent A
UserAgent B
Request
Response
Clie
nt
Ser
ver
Clie
nt
Ser
ver
Bild 2: Client-Server-Kopplung über Proxy
UserAgent A
UAC
UAS
UserAgent B
UAC
UAS
Clie
nt
Ser
ver
Request
Response
Request
Response
Request
Response
Request
Response
Clie
nt
Ser
ver
SIP-Proxy-Server
Clie
nt
Clie
nt
Ser
ver
Ser
ver
Proxy
Bild 3: Beispiel für eine einfache Verbindung
SIP-Proxy-Server ASIP-Client (/Server)User Agent A (Anna)
SIP-Client (/Server)User Agent B (Bernd)
SIP-Proxy-Server B
2
5
3
4
1
6
6.3.9 Aufbau der Verbindungen
Elemente für den Aufbau der Verbindung
Das Steuerungsprotokoll SIP ist ein Client-Server-Protokoll, das dem HTTP des World Wide Web sehr ähnlich ist. Der Nachrichtenaustausch erfolgt immer zwischen einem Client, der Anfragen (Re-quests, im SIP als Methods bezeichnet) generiert und einem Server, der die Anfragen beantwortet (Responses). Ein Request und die dazugehörige Response wird als Transaction bezeichnet. Die Rollen des Client-Servers sind nicht von vornher-ein festgelegt, sondern können im Verlauf einer Verbindung wechseln (Bild 1).
Ein SIP-Endsystem besteht immer aus beiden In-stanzen, die Client- als auch die Server-Seite (User-Agent-Client und User-Agent-Server). Zwi-schen den Endsystemen sorgen die Proxy-Server für die Weiterleitung der SIP-Nachrichten inner-halb des Netzes. Der Proxy kann außerdem Funk-tionen zur Zugangskontrolle, Authentication und Authorization, übernehmen.
Erfolgt keine direkte Kopplung, werden die Verbin-dungen zwischen den Benutzern über den Proxy geführt (Bild 2). Diese „vertreten“ praktisch den Client innerhalb des Netzes (andere Seite des Ser-vers in Richtung des Benutzers B). Zum Teilneh-mer B ergibt sich wieder eine Client/Server-Kopp-lung.
Beispiel für eine einfache Verbindung
Es wird eine einfache Verbindung über zwei SIP-Proxy-Server betrachtet (Bild 3).
1. Bei einer gehenden Verbindung wird vom SIP-Client A zum zugehörigen SIP-Proxy-Server A die Anfrage „INVITE“-Request gesendet. Diese enthält die IP-Zieladresse.
2. Der Proxy-Server A kennt in diesem ersten Fall die Adresse und sendet die Anfrage (den Re-quest) direkt zum SIP-Proxy-Server B.
3. Der SIP-Proxy B kennt die aktuelle IP-Adresse des gewünschten Teilnehmers/Endgerätes B und sendet den „INVITE“-Request zu diesem SIP-Endsystem B.
4. Der gerufene Teilnehmer/Nutzer B nimmt die kommende Verbindung an und sendet eine po-sitive Antwort (OK Response Message) an den Ziel-Proxy B zurück.
5., 6. Diese positive Antwort wird bis zum rufenden Teilnehmer A, SIP-Clint A, zurückgesendet.
SIP ist ein Client-Server-Protokoll, ähnlich dem HTTP. Zwischen einem Client und einem Server werden Anfragen und Antworten ausgetauscht (Request/Response).
291
Bild 1: Verbindungsaufbau mit SIP
SIP-Client A SIP-Client B
SIP-Telefon
Router
SIP
SIP
SIP
INVITEINVITE
SIP-Proxy SIP-Proxy
Internet
Bild 2: Nutzung des direkten Weges für Nutzinformation
SIP-Client A SIP-Client B
SIP-Telefon
Router
SIP
SIP
RTP
SIP
SIP-Proxy SIP-Proxy
Internet
Bild 3: Nutzung des direkten Weges für Nutz- und Steuerinformation
SIP-Client A SIP-Client B
SIP-Telefon
Router
RTP
SIP
SIP-Proxy SIP-Proxy
Internet
Bild 4: Zwangsführung der Nutzinformationen über den SIP-Proxy
SIP-Client A SIP-Client B
SIP-Telefon
Router
SIP
SIPRTP
SIP
SIP-Proxy SIP-Proxy
NGN(IP-Basis)
SIP ist ein Client-Server-Protokoll. Zwischen einem Client und einem Server werden Anfra-gen und Antworten ausgetauscht (Request/Res-ponse).
Signalisierung und Nutzdaten
Die Signalisierung für den Verbindungsaufbau kann einen anderen Weg durch das Internet neh-men als die spätere Nutzverbindung. Der Verbin-dungsaufbau mit SIP verwendet das Transportpro-tokoll TCP und üblicherweise den Port 5060.
Für die anschließende Übertragung der Nutzinfor-mation wird ein virtueller Kanal geöffnet. Über die-sen werden auf einem festgelegten Port mit dem Protokoll UDP die Nutzinformationen ausgetauscht.
Beim Verbindungsaufbau wird der Befehl „INVITE“-Request durch das Netz über eine Anzahl von Proxy bis zum Ziel geleitet (Bild 1). In der „INVITE“-Nach-richt kann über spezielle Parameter die direkte Adresse des Clienten angegeben werden (in SDP, der Parameter Connect c), Bild 1. Dadurch kann der direkte Weg für die Nutz informa tionen zwischen den beiden Clients hergestellt werden (Bild 2).
Der direkte Weg wird nach der Bestätigung durch den Rufenden Teilnehmer A/Initiator auch für den weiteren Austausch von Signalisierungsinformati-onen genutzt (Bild 3).
Alternativ kann auch die Führung der Nutzdaten über den Proxy vorgeschrieben werden (Proxy-Zwangsführung). Sinnvoll ist dies beispielsweise für Betreiber großer öffentlicher Netze, um die Übertragungsqualität QoS sicherzustellen, die Verbindungen zu tarifieren oder das legale Abhö-ren nach richterlichem Beschluss zu ermöglichen (Bild 4).
Aufgaben
1. Beschreiben Sie die wichtigsten Elemente im SIP-Header.
2. Welche Informationen werden im SIP-Body übertragen?
3. Erläutern Sie die Proxy-Zwangsführung.
SIP wurde für Anwendungen im Internet defi-niert (Bild 1 bis 3). Mit NGN wird auf der Basis des Internetprotokolls IP ein vom klassischen Internet getrenntes Netz mit QoS-Eigenschaf-ten und einer hohen Verfügbarkeit definiert. Das Netz mit diesen Eigenschaften wird als „Next Generation Network“ NGN bezeichnet. In einem NGN werden auch die Nutzdaten (RTP-Pakete) über die Netzelemente geführt (Zwangs-führung).