Wolfgang Lösch

Contact© Wolfgang Lösch

Lokale Netze (LAN) — Bitübertragung

Stand: 2007 (weitere Aktualisierung eingestellt)

No matter how hard you push and no matter what the priority, you can't increase the speed of light.

R. Callon, The Twelve Networking Truths, April 1996

Signalausbreitung

Zunächst werden einige wichtige Grundbegriffe erläutert, die man braucht, um eine Übertragung quantitativ zu beschreiben:

Übertragungsrate (Übertragungsgeschwindigkeit, Bitrate, Data Rate) R:
Anzahl der Bits, die pro Zeiteinheit übertragen werden (Einheit: bit/s).
Baudrate (Schrittgeschwindigkeit, Telegrafiergeschwindigkeit, Symbol Rate):
Anzahl der Symbole, die pro Zeiteinheit übertragen werden (Einheit: baud, nach J. M. E. Baudot). Wenn ein Symbol lediglich ein Bit darstellen kann (0 oder 1), dann gilt 1 baud = 1 bit/s. Wenn das Signal mehrere Bits darstellen kann, gilt diese Gleichheit nicht mehr, wie die folgende Tabelle zeigt.
Baudrate vs. Übertragungsrate
Anzahl der pro Symbol dargestellten Bits Mögliche Bitkombinationen Beziehung zwischen baud und bit/s
21 = 2 0, 1 1 baud = 1 bit/s
22 = 4 00, 01, 10, 11 1 baud = 2 bit/s
23 = 8 000, 001, 010, 011 100, 101, 110, 111 1 baud = 3 bit/s
24 = 16 0000, 0001, 0010, ..., 1101, 1110, 1111 1 baud = 4 bit/s
Signalgeschwindigkeit (Signalausbreitungsgeschwindigkeit) v:
Geschwindigkeit, mit der sich ein elektrisches oder optisches Signal auf dem Übertragungsmedium ausbreitet (Einheit: m/s oder km/s).
Signallaufzeit t:
Zeit, die ein elektrisches oder optisches Signal für den Übertragungsweg der Länge l braucht (Einheit: s). Zwischen v, t und l besteht folgender Zusammenhang: v = lt
Informationsinhalt (Informationslänge) L:
Anzahl von Bits, die während der Zeit t übertragen werden (Einheit: bit). Zwischen R, t und L besteht folgender Zusammenhang: R = Lt Man kann L auch interpretieren als die Anzahl von Bits, die auf einem Übertragungsweg der Länge l = vL R Platz finden (entsprechend einer Anzahl von Perlen, die hintereinander auf einer Schnur aufgereiht sind).

Bandbreite

Ein weiterer, vor allem in der Nachrichtentechnik wichtiger Begriff, ist die Bandbreite. Hierbei muss man zwischen der Bandbreite eines Übertragunskanals und der Bandbreite eines Signalimpulses unterscheiden.

Kanalbandbreite:
Frequenzbereich, den der Übertragungskanal (z.B. Kabelverbindung, Funkstrecke) durchlässt.
Signalbandbreite:
Frequenzbereich, in dem das Frequenzspektrum (Fourier-Spektrum) des Signals wesentlich von Null verschieden ist. Das Wort wesentlich deutet schon darauf hin, dass es hier mehrere gebräuchliche Definitionen gibt. Im einfachsten Fall beschränkt man sich auf das zusammenhängende Frequenzintervall, in dem das Frequenzspektrum sein Maximum hat.

Wie immer man auch die Bandbreite B eines Signalimpulses im Einzelfall definiert, stets gilt die Gesetzmäßigkeit, dass die Signalbandbreite B umgekehrt proportional zur Signaldauer T ist: B ∝ 1/T, d.h. je kürzer das Signal ist, desto größer ist die Bandbreite des Signals und umgekehrt. Steigerung der Datenübertragungsrate, d.h. Verkürzung der Signaldauer, bedeutet daher eine Vergrößerung der Signalbandbreite, was wiederum eine entsprechend größere Kanalbandbreite erfordert, damit das Signal übertragen werden kann.

Häufig spricht man bei einem Netz mit hoher Übertragungsrate von einem Netz hoher Bandbreite. Dies ist eigentlich nicht korrekt, jedoch folgt aus der oben genannten Proportionalität B ∝ 1/T und der Gleichung R = L/t mit t = T und L = 1 bit, dass die Übertragungsrate R proportional zur Signalbandbreite B ist: R ∝ B. Eine hohe Übertragungsrate bedeutet somit eine hohe Signalbandbreite, was wiederum eine hohe Kanalbandbreite des Übertragungsnetzes voraussetzt.

Basisband vs. Breitband

Wenn auf einem Übertragungsmedium das gesamte technisch nutzbare Frequenzband für einen einzigen Kanal zur Verfügung steht und bei Null beginnt, spricht man von einem Basisband (Base Band). Digitale Datenübertragung erfordert immer ein Basisband, da hier gerade die niedrigen, d.h. nahe bei Null liegenden Frequenzen wichtig sind. Falls mehrere unabhängige Informationsströme zu übertragen sind, muss dies in der Regel durch ein Zeitmultiplexverfahren (Time Division Multiplexing, TDM) geschehen.

Bei Lichtwellenleitern ist es inzwischen möglich, mehrere Kanäle gleichzeitig zu bedienen, indem man mit verschiedenen Wellenlängen arbeitet. Dieses Verfahren wird als Wellenlängenmultiplexverfahren (Wavelength Division Multiplexing, WDM) bezeichnet. Im einfachsten Fall werden zwei optische Fenster für zwei getrennte Kanäle, meist 1300 nm und 1550 nm, verwendet. Werden dagegen in einem optischen Fenster sehr viele Kanäle mit einem Abstand von 1 bis 2 nm untergebracht, spricht man aufgrund der dichten Kanalordnung von dichtem Wellenlängenmultiplexverfahren (Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM). Eine weitere Variante, die vor allem bei 10-Gbit-Ethernet zur Anwendung kommt, stellt das grobe Wellenlängenmultiplexverfahren (Coarse Wavelength Division Multiplexing, CWDM) dar. Hier werden im ersten optischen Fenster vier Kanäle untergebracht, und zwar bei 780 nm, 805 nm, 830 nm und 855 nm.

Wenn das gesamte Frequenzband (nicht notwendigerweise bei Null beginnend) für mehrere Kanäle zur Verfügung steht und daher in mehrere nebeneinanderliegende Bänder aufgeteilt wird, spricht man von einem Breitband (Broad Band). In jedem dieser Bänder werden digitale Daten in Form von auf einen analogen Träger aufmodulierten Signalen übertragen. Die zugrundeliegende Technik dafür heißt Frequenzmultiplexverfahren (Frequency Division Multiplexing, FDM).

Ein Basisbandnetz ist also ein Netz, bei dem digitale Signale verwendet werden, welche direkt als Spannungs- oder Stromimpulse auf das Übertragungsmedium übergehen. Im Gegensatz dazu werden beim Breitbandnetz analoge Signale verwendet, d.h. digitale Signale werden nach dem Durchgang durch ein Modem auf einer Trägerwelle in einem der Frequenzbänder des Übertragungsmediums weitergeleitet. Breitbandnetze spielen im LAN-Bereich aufgrund der komplizierten und teuren Hochfrequenztechnik keine Rolle.

Bit-Kodierung und Leitungscodes

Die Darstellung der logischen Zustände 0 und 1 in Form von Signalen, die ein elektrisches oder optisches Übertragungssystem erkennen kann, erfordert eine geeignete Kodierung. Einige der im LAN-Bereich gebräuchlichsten Codes werden im folgenden erläutert.

Definition einiger Leitungscodes
0 1
Non Return to Zero (NRZ) Code elektrisch: Pegel tief;
optisch: kein Licht
elektrisch: Pegel hoch;
optisch: Licht
Non Return to Zero Inverted (NRZI) Code elektrisch: kein Pegelwechsel;
optisch: kein Zustandswechsel
elektrisch: Pegelwechsel zum Taktbeginn;
optisch: Zustand ändern (Licht / kein Licht)
Multi-Level Transition (MLT-3) Code elektrisch: kein Pegelwechsel elektrisch: Pegelwechsel von negativ nach 0 oder von 0 nach positiv (falls zuvor negativ); Pegelwechsel von positiv nach 0 oder von 0 nach negativ (falls zuvor positiv)
Manchester Code elektrisch: Pegel positiv und Polaritätswechsel von positiv nach negativ in der Taktmitte elektrisch: Pegel negativ und Polaritätswechsel von negativ nach positiv in der Taktmitte
Differentieller Manchester Code elektrisch: Polaritätswechsel zum Taktbeginn und in der Taktmitte elektrisch: Polaritätswechsel nur in der Taktmitte

Das folgende Beispiel zeigt die Signalformen der genannten Codes im elekrischen Fall, d.h. bei der Übertragung über ein Kupferkabel.

Signalformen einiger Leitungscodes
Signalformen einiger Leitungscodes

Der Manchester-Code wird beim 10-Mbit/s-Ethernet-Verfahren verwendet, der differentielle Manchester-Code beim Token-Ring-Verfahren.

4B/5B-Umwandlung

Weder die NRZ-Codes noch der MLT-Code erlauben die Taktrückgewinnung auf der Empfängerseite, da bei ungünstigen Bit-Folgen unter Umständen lange Zeit kein Zustandswechsel eintritt. Daher sind diese Codes nur zu gebrauchen, wenn vorher eine Bit-Umwandlung vorgenommen wird. Dies leistet zum Beispiel die 4B/5B-Umwandlung (4 binary 5 binary), bei der gemäß der folgenden Tabelle jeweils ein 4-Bit-Block (Nibble) in einen 5-Bit-Block derart umgewandelt wird, dass in jedem 5-Bit-Block maximal zwei aufeinanderfolgende Nullen vorkommen.

4B/5B-Umwandlung
Ursprüngliche Bitfolge (4-Bit-Block) Umgewandelte Bitfolge (5-Bit-Block)
0000 11110
0001 01001
0010 10100
0011 10101
0100 01010
0101 01011
0110 01110
0111 01111
1000 10010
1001 10011
1010 10110
1011 10111
1100 11010
1101 11011
1110 11100
1111 11101

Die 4B/5B-Umwandlung mit anschließender NRZI-Kodierung wird bei Fast-Ethernet 100Base-FX und beim FDDI-Verfahren eingesetzt, mit anschließender MLT-3-Kodierung bei Fast-Ethernet 100Base-TX. Da von den 32 möglichen 5-Bit-Kombinationen nur 16 für die Übertragung der 4-Bit-Blöcke benötigt werden, bleiben noch 16 weitere 5-Bit-Kombinationen für Sondersymbole übrig. Sondersymbole werden verfahrensspezifisch definiert und dienen zum Beispiel Steuerungs- und Kontrollzwecken.

8B/10B-Umwandlung

Die 8B/10B-Umwandlung (8 binary 10 binary) sieht ähnlich aus wie die 4B/5B-Umwandlung. Hier werden jedoch 8-Bit-Blöcke in 10-Bit-Blöcke umgewandelt. Die 8B/10B-Umwandlung wird bei Gigabit-Ethernet 1000Base-CX, -SX, -LX, beim Fibre-Channel und in leicht abgeänderter Form beim Firewire eingesetzt.

Auch hier werden von den 1024 möglichen 10-Bit-Kombinationen nur 256 Kombinationen für die Übertragung benötigt. Der Rest der 10-Bit-Kombinationen kann wiederum genutzt werden, um Sondersymbole zu definieren, die für Steuerungs- und Kontrollzwecke benötigt werden. Alle für die Übertragung gültigen Kombinationen sind derart aufgebaut, dass 5 mal die 0 und 5 mal die 1 vorkommt, um Gleichstromfreiheit zu garantieren. Außerdem weisen diese Kombinationen mindestens 3 Zustandswechsel auf (von 0 nach 1 oder umgekehrt), um auf Empfängerseite die Taktrückgewinnung zu gewährleisten.

8B/6T-Kodierung

Bei der 8B/6T-Kodierung (8 binary 6 ternary) wird ein Byte (8 Bit) in einen 6T-Code umgewandelt. Jeder 6T-Code besteht aus 6 sogenannten Tri-State-Symbolen, die als , 0 und + notiert werden. Übertragungstechnisch verbirgt sich hinter jedem der drei Symbole ein entsprechender elektrischer Pegel. Die Kodierung wird anhand einer Tabelle durchgeführt, die sämtliche 256 möglichen 8-Bit-Kombinationen enthält. Während 4B/5B nur eine Bit-Umwandlung darstellt, die noch eine anschließende Kodierung (NRZI oder MLT-3) erforderlich macht, beinhaltet 8B/6T bereits die komplette Kodierungsvorschrift. Die folgende Tabelle zeigt einen kleinen Ausschnitt an 8B/6T-Codes.

8B/6T-Kodierung
Bitfolge 8B6T-Code
0000 0000 +−00+−
0000 0001 0+−+−0
.... .... ......
0000 1110 −+0−0+
.... .... ......
1111 1110 −+0+00
1111 1111 +0−+00

Zur Zeit ist Fast-Ethernet 100Base-T4 das einzige Verfahren, bei dem die 8B/6T-Kodierung eingesetzt wird.

PAM-Kodierung

Pulse Amplitude Modulation (PAM) ist eine Form der Signalmodulation, bei der die zu übertragenden Bits als Amplituden in einer Serie von Signalimpulsen kodiert werden.

Beim Kodierungsverfahren 5-Level Pulse Amplitude Modulation (PAM5) wird pro Takt ein Symbol übermittelt, das einen von fünf verschiedenen Zuständen (−2, −1, 0, +1, +2) darstellt. Mit jedem Symbol werden zwei Bits übertragen. Da es vier verschiedene 2-Bit-Grupen (00, 01, 10 und 11) gibt, bleibt noch ein Symbol übrig, das für Fehlerbehandlung eingesetzt werden kann. Die PAM5-Kodierung wird bei Fast-Ethernet 100Base-T2 und bei Gigabit-Ethernet 1000Base-T verwendet.

Beim Kodierungsverfahren 16-Level Pulse Amplitude Modulation (PAM16) gibt es entsprechend 16 verschiedene Zustände. Diese Kodierung wird bei 10-Gbit-Ethernet 10GBase-T verwendet.

Repeater

Aufgrund der Signaldämpfung müssen bei langen Übertragungsstrecken die Signale nach bestimmten Abständen aufgefrischt werden. Dazu dienen Repeater (Verstärkerstationen), die nichts weiter machen, als ankommende Signale vor dem Weitersenden zu regenerieren. Dieses Regenerieren umfasst Signalverlauf, Pegel und Takt. Damit kann die Topologie eines Netzes vergrößert werden, indem z.B. einzelne Kabelsegmente zu einem großen Segment zusammengeschlossen werden.

Die schematische Einordnung eines Repeaters ins Schichtenmodell zeigt die folgende Abbildung.

Repeater
Repeater

Werden mehrere Kabelsegmente an einem zentralen Punkt zusammengeschlossen, benötigt man einen Repeater mit mehreren Anschlussmöglichkeiten, d.h. einen Multiport-Repeater. Handelt es sich bei diesen Kabelsegmenten um Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, bezeichnet man den Multiport-Repeater meist als Hub, Repeating-Hub oder Sternkoppler.

Bei Lichtwellenleitern, die mit DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing) genutzt werden, gibt es die Möglichkeit, optische Erbium-Verstärker (Erbium-Doped Fibre Amplifier, EDFA) einzusetzen, mit denen alle Kanäle auf rein optischer Ebene verstärkt werden können. Durch den Einsatz solcher Verstärker in Abständen von ca. 100 km können Entfernungen von einigen Tausend Kilometern ohne elektrische Wandlung überbrückt werden.