Vermittlungstechnik

Kommunikationsnetze
5. Vermittlungstechnik




Leitungsvermittlung
Nachrichtenvermittlung
Virtuelle Verbindung
Datagrammvermittlung
Wiederholung:
Kommunikationsnetz
Backbone
LAN 1
mobile
Teilnehmer
LAN 2
(drahtloses)
LAN 3
155
Kommunikationsnetze (MT) - 5. Vermittlungstechnik
Verbindungsorientierte und
verbindungslose Kommunikation

Verbindungsorientierte Kommunikation:




Verbindungslose Kommunikation:



156
Aufbau der Verbindung vor dem
Datenaustausch
Höherer Aufwand
Mehr Qualität
Datenaustausch ohne Verbindungskontext
Keine Qualitätszusicherung
Geringer Aufwand („Shoot and pray“)
Kommunikationsnetze (MT) - 5. Vermittlungstechnik
Teilnehmer-Adressierung

Im verbindungsorientierten Fall:
• Kontext, etabliert durch Verbindungsaufbau,
beinhaltet Adressierungsinformation
• Bei mehreren Verbindungen vom selben
Dienstzugangspunkt: Verbindungsidentifikation
Y
X
Verbindungsendpunkt
Dienstzugangspunkt
Verbindung
157
Kommunikationsnetze (MT) - 5. Vermittlungstechnik
Vermittlung und
Signalisierung

Vermittlung

Grundlegende Aufgabe
• Bereitstellung eines temporären Kommunikationsweges
durch das Netz auf Anforderung
• Geschieht über eine Kette von Vermittlungsstellen zum
Zwecke des Datenaustausches zwischen zwei oder mehreren
Teilnehmern

Arten
• Verbindungsorientierte und
• Verbindungslose Vermittlungstechniken.

Signalisierung

Oberbegriff für die vermittlungstechnische Kommunikation
zwischen
• Teilnehmereinrichtung (Endgerät) und Netz sowie
• im Netzinneren

158
Üblicherweise separater Protokollstapel für Signalisierung
Kommunikationsnetze (MT) - 5. Vermittlungstechnik
Wegewahl / Routing

Wesentlich in teilvermaschten Netzen
Mitunter existieren mehrere Wege
 Metriken für die Auswahl des Weges
notwendig

Sowohl für verbindungsorientierte als
auch für verbindungslose
Kommunikation
 Hauptaufgabe der Vermittlungsschicht

159
Kommunikationsnetze (MT) - 5. Vermittlungstechnik
Beispiel für die Wegewahl
Sender
Satellit
Erdstationen
WAN
160
Kommunikationsnetze (MT) - 5. Vermittlungstechnik
Empfänger
Schicht-3-Verbindung

Schicht 3-Verbindung oder Netzwerkverbindung


Koppelt in verbindungsorientierter Art zwei Teilnehmer über
eine oder mehrere Vermittlungsstellen (bei Wählnetzen
temporär) zum Zwecke des Datenaustausches
Arten von Teilnehmern
• Rufender Teilnehmer: der eine Schicht 3-Verbindung wünschende
A-Teilnehmer (Anrufer)
• Gerufener Teilnehmer: der eine Schicht 3-Verbindung erhaltende
B-Teilnehmer (Angerufener)

Prinzip des Verbindungsaufbaues
• Rufender Teilnehmer liefert neben dem Verbindungswunsch auch
Identifizierungsdaten für den gerufenen Teilnehmer
• Rufnummer, Kennung, Dienst-Nummer, Adresse, usw.
• Zwischen Vermittlungsstellen werden zusätzlich
vermittlungstechnische Daten ausgetauscht (Signalisierung)
161
Kommunikationsnetze (MT) - 5. Vermittlungstechnik
Vermittlungsprinzip Durchschalttechnik – Eigenschaften

Synonyme Begriffe








162
Kanalvermittlung
Leitungsvermittlung
Circuit Switching
Line Switching
Gegenwärtig noch dominierende Vermittlungstechnik für
öffentliche Fernmeldenetze
Aufbau eines durchgehenden, nicht-speichernden
Übertragungskanals (Leitung) zwischen den Teilnehmern
Übertragungsverzögerungen sind auf physikalisch bedingte
signaltechnische Laufzeiten beschränkt
Bitfolgen werden reihenfolgetreu übertragen (signalübertragungstechnisch bedingt), damit wird die Absendereihenfolge beim
Empfänger beibehalten („wire-like feature“)
Kommunikationsnetze (MT) - 5. Vermittlungstechnik
Vermittlungsprinzip
Durchschalttechnik – Schema

Schema eines DurchschalttechnikVermittlungssystems
Teilnehmerleitung
Fernleitungen
Teilnehmerleitung
OVM
Datenstationen
FVM
OVM Ortsvermittlung
FVM Fernvermittlung
163
Kommunikationsnetze (MT) - 5. Vermittlungstechnik
Urform der
Leitungsvermittlung




164
Verbindungswunsch erkennen
(Klappenschrank)
Rufnummer
abfragen
Verbindung
„stöpseln”
Verbindung
trennen
Kommunikationsnetze (MT) - 5. Vermittlungstechnik
Technische Entwicklung der
Durchschaltvermittlungen

Klassische elektromechanische Wähler (überholt)



Heb-Dreh-Wähler
Edelmetall-Motor-Drehwähler (EMD)
Rechnergesteuerte Vermittlungen (Stored Program Control,
SPC) Beispiel: Rechnergesteuertes Vermittlungssystem mit
analogem Koppelfeld
analoges
abgehende
ankommende
Koppelfeld
Leitungen
Leitungen
Vermittlungssteuerung durch
Digitalrechner
Rechnerprogramme

Volldigitale Vermittlungssysteme

165
Digitalisierung der Vermittlungsstellen zusammen mit der
digitalen Übertragungstechnik ist Voraussetzung für das ISDN
Kommunikationsnetze (MT) - 5. Vermittlungstechnik
Durchschaltung
Raummultiplex

Synonyme Begriffe





Raummultiplex
Raumvielfach
Durch Schließen eines Koppelpunktes wird die
Verbindung hergestellt.
Für analoge Übertragungen können ausschließlich
Raummultiplex-Koppelanordnungen (Koppelfelder)
verwendet werden.
Zubringer
Beispiel
1



m Zubringerleitungen
n Abnehmerleitungen
Hier: Zubringer 1 mit
Abnehmer 2 verbunden
2
...
m
1
166
Kommunikationsnetze (MT) - 5. Vermittlungstechnik
2
...
Abnehmer
n
Durchschaltung Zeitmultiplex



Anderer Begriff: Time Division Multiplex
Der Zubringer ist mit dem Abnehmer nur für kurze
Abtast-Zeitintervalle über den Koppelbus verbunden.
Der Verbindungsspeicher hält die Zuordnung
„Zubringerleitung – Abnehmer“ für die jeweiligen
Abtastzeitpunkte.
7 Verbindungsspeicher
3
.
.
.
5
1
Zubringer
2
.
.
.
m
Abnehmer
167
1
2
Kommunikationsnetze (MT) - 5. Vermittlungstechnik
3
...
n
Vermittlungsprinzip
des Zeitlagenvielfachs
Informationsspeicher
Zyklisches
Einschreiben
ZubringerMultiplexleitung
A4 A3 A2 A1
tE4 tE3 tE2 tE1
125µs-Periode
(Eingangszeitlagen)
tE1
A1
tA2
tA4
AbnehmerMultiplexleitung
A2 A4 A1 A3
tA1
tA4 tA3 tA2 tA1
Speicherplatz 1
tE2
A2
Wahlfrei
gesteuertes
auslesen
Speicherplatz 2
tE3
A3
Speicherplatz 3
tE4
A4
125µs-Periode
(Ausgangszeitlagen)
tA3
Speicherplatz 4
3
1
4
2
168
Kommunikationsnetze (MT) - 5. Vermittlungstechnik
Haltespeicher
Steueradressen
( Nr. der Informationsspeicherplätze)
Zeitmultiplexsignal
S1
S1
S2
S2
S1
Pulsrahmen
S1
A
S3
S3
B
S4
S4
S3
S3
t4 t3 t2 t1
S4
t4 t3 t2 t 1
169
S2
S2
Zeitschlitz
Kommunikationsnetze (MT) - 5. Vermittlungstechnik
S4
t4 t3 t2 t1
Vermittlungsprinzip
Speichervermittlung

Synonyme Begriffe










170
Teilstreckenvermittlung
Store and Forward
Älteste Vermittlungstechnik in Form der Telegrammvermittlung.
Rechner der End- und Durchgangsvermittlungsstellen mit Speichern
Es treten keine Besetzt- oder Belegtfälle, sondern nur Wartefälle auf.
Zwischengespeicherte Vermittlungsdatenblöcke warten auf das
Freiwerden der gewünschten Teilstrecke.
Verlust von Vermittlungsdatenblöcken durch Speicherüberlauf
möglich.
Wartende Vermittlungsdatenblöcke werden in
Speichervermittlungsstellen z.B. nach Prioritäten oder „zufällig“
umgeordnet vermittelt (Reihenfolgevertauschung).
Es besteht i. Allg. keine feste Zeitbeziehung zwischen den einzelnen
Speichervermittlungsdatenblöcken.
Geschwindigkeitsanpassung zwischen unterschiedlich
leistungsfähigen Endgeräten ist möglich.
Kommunikationsnetze (MT) - 5. Vermittlungstechnik
Modell Speichervermittlungsnetz –
topologische Sicht
Endgeräte
(Teilnehmer)
TS1
TS-T
TS2
TS3
B
C
171
D
TS-T
A
Endgeräte
(Teilnehmer)
E
TS-T
Vermittlungsrechner
TS-T Teilstrecke-Teilnehmeranschluss
Endgerät (Teilnehmer)
TSx
interne Teilstrecke x zwischen
Vermittlungsrechnern
Kommunikationsnetze (MT) - 5. Vermittlungstechnik
Konzept des
Übermittlungsabschnitts



Ausgangspunkt: Puffer-zu-Puffer-Betriebsmodell
Übermittlungsabschnitt („Data Link“) umfasst konzeptionell beide
Pufferspeicher für den zu übermittelnden Datenblock und den
nicht speichernden Übertragungsweg.
Eine Übermittlung ist erst abgeschlossen, wenn der zu
übermittelnde Datenblock vollständig und fehlergeprüft im
Empfangsspeicher abgelegt ist.
Sender mit
gespeicherten
Datenblöcken
nicht speichernder
Übertragungskanal
Übermittlungsabschnitt
172
Kommunikationsnetze (MT) - 5. Vermittlungstechnik
Empfänger mit
Empfangspuffer
Modell Speichervermittlungsnetz – Innensicht
Endgeräte
(Teilnehmer)
Endgeräte
(Teilnehmer)
TS-T
C
TS2
TS-T
A
TS1
TS3
B
D
TS-T
E
173
Endgerät
(Teilnehmer)
Vermittlungsrechner
TS-T
Teilstrecke-Teilnehmeranschluss
Puffer für SpV-Datenblock
TSx
interne Teilstrecke x zwischen
Speichervermittlungsstellen
SpV-Datenblöcke
Kommunikationsnetze (MT) - 5. Vermittlungstechnik
Nachrichtenvermittlung —
Begriffe und Eigenschaften

Synonyme Begriffe



Einheit des Vermittlungsvorgangs entspricht dem Speichervermittlungsdatenblock mit variabler Länge entweder als





Nachricht oder
Sendung
Diese ist nach inhaltlichen Gesichtspunkten definiert,
z. B. Passagierliste eines Fluges oder Flugplanungsinformation.
Nachricht kann pro Teilstrecke in mehrere Übermittlungsblöcke
segmentiert werden, z. B. aus Gründen der Blocklängenbegrenzung durch Störeinflüsse.
Hinweis: Nachricht als


174
Sendungsvermittlung
Message Switching
Vermittlungseinheit auf Schicht 3 sowie als
Übermittlungsblock (evtl. mehrere) auf Teilstrecke Schicht 2
Kommunikationsnetze (MT) - 5. Vermittlungstechnik
Sendungsvermittlung
(„Message Switching“)
Nachrichtenblock:
Rumpf
Kopf
Rumpf: Nutzinformation
Kopf:
Steuerinformationen
(Ziel, Länge,
Priorität, ...)
Eigenschaften:
 Nachrichtenblock enthält gesamte Nachricht
 keine Zerstückelung auf Vermittlungsschicht, jedoch
lange Übertragungszeit
 großer Speicherbedarf
 geeignet für zeitunkritischen Massentransport
175
Kommunikationsnetze (MT) - 5. Vermittlungstechnik
Segmentieren von
Nachrichten


Aufteilen von Nachrichten in mehrere Übermittlungsblöcke
Resultierende zu kurze Übermittlungsblöcke werden
eventuell mit Bits aufgefüllt, um Mindestlänge der Blöcke auf
Schicht 2 zu erreichen (Padding)
Schicht 3
Nachrichtenkopf
Nachrichtentext
Übermittlungsblock Übermittlungsblock Übermittlungsblock
Ü. 4
1
2
3
Übermittlungsblöcke
Nachrichten
Schicht 2
176
Padding
Kommunikationsnetze (MT) - 5. Vermittlungstechnik
Segmentieren über mehrere
Teilstrecken hinweg
Über mehrere Teilstrecken hinweg können unterschiedlich große
Übertragungsblöcke gebildet werden
Instanz der Schicht 3
Instanz der Schicht 3
Nachricht
Nachricht
Schicht 3
Teilstrecke 2
1
2
3
4
Teilstrecke 1
1
2
Schicht 2
177
1, 2, 3, 4: Übertragungsblöcke auf der jeweiligen Teilstrecke
Kommunikationsnetze (MT) - 5. Vermittlungstechnik
Segmentieren und
Reassemblieren einer Nachricht
Segmentieren und Reassemblieren von Schicht-3-Datenpaketen zur
Anpassung an unterschiedliche maximale Paketgrößen auf Schicht 2
Instanz der Schicht 3
Schicht 3
PCI
Instanz der Schicht 3
SDU
PCI
SDU
Reassemblieren
PCI SDU
PCI SDU
Teilstrecke 2
Schicht 2
178
PCI SDU
Segmentieren
PCI SDU
Teilstrecke 1
PCI SDU
Segmentieren
PCI = Protocol Control Information der jeweiligen Schicht
SDU = Service Data Unit der jeweiligen Schicht
Kommunikationsnetze (MT) - 5. Vermittlungstechnik
Nachrichtenvermittlung —
der „Nachrichtenbegriff“

Zentrales Kennzeichen


Die Nachricht muss beim empfangenen
Vermittlungsknoten vollständig eingehen und wieder
montiert werden, ehe die Weiterleitung über die
nächste Teilstrecke zur folgenden
Speichervermittlungsstelle oder zum endgültigen
Teilnehmer erfolgen kann.
Aufbau einer Nachricht aus

Nachrichtenkopf mit
•
•
•
•
•

179
Ziel- und Herkunftsadresse
Nachrichtentyp
Längenangabe
Priorität
Zeitangaben (z.B. Abgangszeit)
Nachrichtentext
Kommunikationsnetze (MT) - 5. Vermittlungstechnik
Paketvermittlung —
Begriffe und Eigenschaften


Synonymer Begriff
 Packet Switching
Einheit des Vermittlungsvorganges ist ein Datenblock
eventuell fester mit meist maximaler Länge: Paket



180
Länge vergleichsweise kurz, z. B. einige 100 Oktette
oder einige 1000 bit pro Paket.
Oft wird eine Vermittlungseinheit, ein Paket der
Schicht 3 – mit zusätzlichen Steuerdaten – in einen
Übermittlungsdatenblock der Schicht 2 „eingepackt“.
Jedes Paket enthält im Paketkopf Schicht 3-bezogene
Steuerdaten, insbesondere paketvermittlungsrelevante
Daten.
Kommunikationsnetze (MT) - 5. Vermittlungstechnik
Paketvermittlung —
Vermittlungsvorgang

Vermittlungsvorgang





Hauptunterschied zwischen Nachrichten- und
Paketvermittlung


181
Pakete zeitlich voneinander unabhängig
Dadurch zeitlich unabhängige Weitervermittlung je Paket
Kein Wiederzusammensetzen im Durchgangsvermittlungssystem
erforderlich
Folge: Zeitliche Überlappungen möglich,
d.h. kürzere Durchlaufzeiten durch das Netz als bei der
Nachrichtenvermittlung
Paketvermittlung: Inhaltlich zusammengehörende
Transfereinheiten (Transport-Datenblöcke der Schicht 4) werden
in Pakete nach den Vorschriften des Paketvermittlungsnetzes
segmentiert
Nachrichtenvermittlung: Wiederherstellung der Transfereinheiten
in jedem Vermittlungssystem aus den Segmenten
Kommunikationsnetze (MT) - 5. Vermittlungstechnik
Dienste in paketvermittelten
Netzen


182
Verbindungsloser Dienst
 Alle Datenpakete werden durch das Netz geroutet
 Bestehende Beziehungen zwischen den Paketen einer
Verbindung werden nicht berücksichtigt
Verbindungsorientierter Dienst (virtuelle Verbindung)
 Aufbau von Verbindungen über mehrere Knoten
 Alle Pakete einer Verbindung nehmen den gleichen
Weg
 Unterstützung verbindungsbezogener Steuerungsaufgaben (Congestion Control - Flow Control)
Kommunikationsnetze (MT) - 5. Vermittlungstechnik
Paketvermittlung —
Vermittlungsklassen

Vermittlungsklassen für
Paketvermittlungsnetze

Virtuelle Verbindung (Virtual Circuit, VC)
• Feste virtuelle Verbindung
(Permanent Virtual Circuit, PVC)
• Gewählte virtuelle Verbindung
(Switched Virtual Circuit, SVC)

Datagrammvermittlung
• Stellt eine verbindungslose Vermittlungstechnik dar
183
Kommunikationsnetze (MT) - 5. Vermittlungstechnik
Virtuelle Verbindungen —
Eigenschaften

Eigenschaften




Feste virtuelle Verbindung



Längerfristig eingerichteter Übertragungsweg durch das Netz
Ähnlich einer Standleitung in Durchschaltnetzen
Gewählte virtuelle Verbindung



184
Bidirektionaler fester Übertragungsweg (üblicherweise
vollduplex)
Zwischen einem Paar logischer Anschlusspunkte in zwei
kommunizierenden DEEs (Datenendeinrichtungen) (auf
Schicht 3) definiert
Kann mehrere Paketvermittlungsstellen umfassen
Verbindungsaufbauprozedur erforderlich
Aufbau erfolgt vor der Datenaustauschphase
Ähnlich wie bei der Leitungsvermittlung
Kommunikationsnetze (MT) - 5. Vermittlungstechnik
Virtuelle Verbindung —
Eigenschaften (2)





185
Drei Phasen einer gewählten virtuellen Verbindung:
 Verbindungsaufbau (notwendig vor Kommunikationsphase,
Routing)
 Kommunikationsphase (Datenaustausch über bestehende
Verbindung, Pakete gehen den im Verbindungsaufbau
vorgegebenen Weg)
 Verbindungsabbau (Löschen der Verbindung)
Verbindung nicht real (keine Kanalzuordnung)
Etablierung eines Kontexts für eine Verbindung in allen beteiligten
Netzknoten
Nutzung eines Identifikators während der Datenkommunikation
(keine Adresse!)  Virtual Channel Identifier VCI
PVC: Virtuelle Standleitung, VCI ist bekannt, Verbindung kann immer
(ohne Verbindungsaufbau) genutzt werden
Kommunikationsnetze (MT) - 5. Vermittlungstechnik
Virtuelle Verbindungen –
Verbindungsherstellung



Schalten einer virtuellen Verbindung über eine feste Route
durch die Anwendung des Prinzips der Speichervermittlung
Alle Pakete verwenden einen identischen Weg im Netz
Verbindungskontext in beteiligten Paketvermittlungsstellen
Paketnetzteilnehmer A
Paketnetzteilnehmer B
B
A
Pakete
Pakete
Pakete
186
Paketnetzteilnehmer
Kommunikationsnetze (MT) - 5. Vermittlungstechnik
Paketvermittlungsstelle
Datagrammvermittlung —
Eigenschaften

Pakete bilden geschlossene Vermittlungseinheiten

Unter anderem mit vollständigen Adressdaten
• Herkunftsadresse
• Zieladresse



Kein Verbindungsaufbau oder sonstige
Abstimmungsprozedur über das Netzwerk vor Senden
des ersten und jeden weiteren Datagrammes notwendig
Datagramm-Vermittlungsstelle ohne
Verbindungskontext
Vorteile


187
Verbindungsaufbau, -überwachung und -abbau entfallen
Bessere Nutzung der Netzkapazität möglich
Kommunikationsnetze (MT) - 5. Vermittlungstechnik
Datagrammvermittlung —
Bedeutung

Verbindungsloser Datagrammverkehr spielt auch in
Nahbereichsnetzen (LAN) eine zentrale Rolle.


Bei vermaschten Netzen mit mehreren alternativen
Kommunikationswegen zwischen Datagramm-Sender
und Datagramm-Empfänger können die einzelnen
Datagramme individuell unterschiedliche Wege
zurücklegen.


188
Dort aber wegen einfacher (Netz-) Topologien
keine Vermittlungen
Dadurch sind Überholvorgänge möglich.
Gehören Datagramme zu einer z.B. inhaltlich
bestimmten Sequenz oder sind sie Segmente eines
größeren Transportdatenblockes, ist damit die
reihenfolgerichtige Auslieferung beim Empfänger
nicht gesichert.
Kommunikationsnetze (MT) - 5. Vermittlungstechnik
Datagrammvermittlung –
Ablauf

Datagrammverkehr in einem
Paketvermittlungsnetz


Paketnetzteilnehmer A
Jedes Datagramm mit eigenem Weg
Eine Reservierung von Speicherplätzen ist nicht
möglich
Paketnetzteilnehmer B
Sendereihenfolge
Datagramme
189
Empfangsreihenfolge
Paketnetzteilnehmer
Kommunikationsnetze (MT) - 5. Vermittlungstechnik
DatagrammVermittlungsstelle
Vergleich der
Vermittlungsverfahren (1)
Leitungsvermittlung
 Bereitstellung exklusiver
Kanäle (reale
Verbindung)
 Signallaufzeiten
minimal und konstant
 Bandbreite/Bitrate einer
Verbindung konstant
 STM-Übertragung
 Vermittlung in
Koppelfeld mit
Steuerung
190
Paketvermittlung
 Datagramm oder
virtuelle Verbindung
 Größere und nicht
konstante
Signallaufzeiten
 Bitrate je nach Bedarf
der Anwendung
 Statistischer
Zeitmultiplex
 Store and Forward
Switching
Kommunikationsnetze (MT) - 5. Vermittlungstechnik
Vergleich der
Vermittlungsverfahren (2)
Leitungsvermittlung
 Vermittlung in
Switches (Koppelfeld,
Steuerung),
Signalisierung
 Unterstützung
echtzeit-kritischer
Anwendungen und
Dialoge
 Anwendungen mit
konstanten Bitraten
191
Paketvermittlung
 Vermittlung in Routern
 Nicht oder wenig
echtzeitkritische
Anwendungen
 Unterstützung variabler
Bitraten
(Datenkommunikation,
Speicherdienste)
Kommunikationsnetze (MT) - 5. Vermittlungstechnik
Übersicht über
Vermittlungstechniken
Vermittlungstechnik
Leitungsvermittlung
Raummultiplex
Speichervermittlung
Zeitmultiplex
Paketvermittlung
Virtuelle
Verbindung
fest
192
gewählt
Kommunikationsnetze (MT) - 5. Vermittlungstechnik
Nachrichtenvermittlung
Datagramm
Literatur




193
HALSALL, F.: Data Communications, Computer Networks and Open
Systems. Harlow, England: Addison-Wesley, 4. Ausgabe, 1996.
ISBN 0-201-42293-X.
KRÜGER, G. ; RESCHKE, D. (Hrsg.): Lehr- und Übungsbuch Telematik –
Netze, Dienste, Protokolle. München, Wien : Fachbuchverlag Leipzig
im Carl Hanser Verlag, 2004.
– ISBN 3-446-22862-4.
SEITZ, J. ; DEBES, M. ; HEUBACH, M. ; TOSSE, R.: Digitale Sprach- und
Datenkommunikation; Netze – Protokolle – Vermittlung. München,
Wien : Fachbuchverlag Leipzig im Carl Hanser Verlag, 2007.
– ISBN 3-446-22979-5.
SIEGMUND, G.: Technik der Netze. Heidelberg: Hüthig Verlag, 4. neu
bearbeitete und erweiterte Auflage, 1999. – ISBN 3-7785-2637-5.
Kommunikationsnetze (MT) - 5. Vermittlungstechnik