Diplomarbeit

Fachhochschule München
Munich University of Applied Sciences
Fachbereich Elektrotechnik
Diplomarbeit
von
Matthias Hammer
Im Rahmen einer Diplomarbeit sollen Erkenntnisse zu Möglichkeiten und Grenzen
der ADSL-Technik mit Bezug auf erweiterte Rundfunkdienste gewonnen werden.
Hierzu zählen vor allem die Verbreitung von Audio und Video vom „Provider“ zum
„Endkunden“ (Programverbreitung, Video-on-Demand, Download).
Es soll ein ADSL-Testnetz aufgebaut werden, welches die komplette Signalkette
vom Service-Provider (z.B. Rundfunkanstalten) über einen ATM-Backbone und das
ADSL-Netz bis zum Endteilnehmer darstellt. Anschlusseinheiten wie DSLAM und
Endgeräte wie ADSL-Modems werden an verschiedenen Stellen im „Institut für
Rundfunktechnik“ (IRT) und beim „Bayerischen Rundfunk“ (BR) platziert. Zur
geeigneten Darstellung soll ein VoD-Demonstrator für einen entsprechend
leistungsoptimierten Server erstellt werden.
Unterschiedliche Übertragungsverfahren, wie IP-Paket-Streaming, IP basierender
Filetransfer oder direkter ATM-Zelltransport, sollen in Qualität und Ausfallsicherheit
verglichen werden. Hierzu sind Performance-, Jitter- und EMV-Untersuchungen, bei
sich ändernden Bedingungen auf der ADSL-Übertragungsstrecke, durchzuführen.
Als potentielle Endgeräte sind dabei PCs und (wenn möglich) Set-Top-Boxen
einzubeziehen.
Betreuer (FHM):
Professor J. Plate
Betreuer (IRT):
Dipl.-Ing. (FH) H. Guist
Bearbeitungsbeginn: 12.04.2001
Abgabe:
11.01.2002
Laufende Nummer:
1721
Matr. Nr.:
69304960188
Inhaltsverzeichnis
1 Einleitung..............................................................................................7
2 ADSL-Testnetz......................................................................................7
2.1 xDSL – Typen....................................................................................................8
2.1.1 HDSL........................................................................................................10
2.1.2 SDSL........................................................................................................10
2.1.3 VDSL........................................................................................................10
2.1.4 ADSL........................................................................................................11
2.1.4.1 Bitraten und Marktangebot...............................................................11
2.1.4.2 Leitungsnutzung...............................................................................12
2.1.4.3 Modulation........................................................................................15
2.2 ADSL-Netzaufbau..........................................................................................16
2.2.1 Netzabschnitte..........................................................................................16
2.2.2 OSI-Referenzmodell................................................................................19
2.2.3 ATM.........................................................................................................21
2.2.4 Ethernet.....................................................................................................22
2.2.5 Internet Protocol (IP)................................................................................23
2.3 Inbetriebnahme der Komponenten...............................................................24
2.3.1 DSLAM....................................................................................................24
2.3.1.1 ADSL-Ports......................................................................................25
2.3.1.2 WAN-Anschluss (Trunk)..................................................................26
2.3.1.3 DSLAM-Konfiguration ...................................................................27
2.3.1.4 Dienstgüte (Quality-of-Service-Verträge)........................................35
2.3.2 ADSL-Modem..........................................................................................37
2.3.3 Contentserver............................................................................................39
2.3.3.1 Hardware...........................................................................................39
2.3.3.2 Software............................................................................................40
2.4 Fehlersuche im ADSL-Netz............................................................................41
2.4.1 DSLAM....................................................................................................41
2.4.2 Modem......................................................................................................43
2.4.3 Software....................................................................................................45
3 Anwendungen.....................................................................................46
3.1 Rundfunkinteressen........................................................................................46
3.1.1 Inhalte.......................................................................................................46
3.1.2 Anforderungen..........................................................................................47
3.2 Formen der Programmverbreitung..............................................................49
3.2.1 Download.................................................................................................49
3.2.2 Streaming..................................................................................................50
3.2.2.1 On-Demand-Streaming.....................................................................51
3.2.2.2 Live-Streaming.................................................................................51
3.2.2.3 Unicast..............................................................................................51
3.2.2.4 Multicast...........................................................................................52
3.3 Protokolle höherer OSI-Schichten................................................................53
3.3.1 Transport-Protokolle................................................................................53
3.3.2 Protokolle der Anwendungsschicht..........................................................54
3.3.3 Protokoll-Overhead..................................................................................55
3.4 Software zur Verbreitung von Rundfunkinhalten.......................................59
3.5 Streaming-Hardware......................................................................................61
3.6 Praktische Untersuchung von Anwendungen .............................................62
3.6.1 Website des Contentservers......................................................................63
3.6.2 Qualität der Wiedergabe...........................................................................65
3.6.3 Streaming-Test durch das Internet...........................................................71
4 Messung elektromagnetischer Strahlung.........................................73
4.1 Messaufbau......................................................................................................74
4.2 Messergebnisse................................................................................................77
5 Zusammenfassung..............................................................................82
A.1 Abkürzungsverzeichnis..................................................................84
A.2 Internet-Adressen-Verzeichnis......................................................87
A.3 Literaturverzeichnis.......................................................................88
1 Einleitung
1 Einleitung
Netzwerke und speziell das Internet spielen heutzutage in immer mehr Bereichen
eine prägende Rolle. Ein besonderer Vorzug von Computernetzen ist die schnelle
und flexible Verbreitung von Informationen. Mit der Weiterentwicklung der
Übertragungsverfahren und der Öffnung des Telekommunikationsmarktes haben
sich, besonders für den privaten Endnutzer, interessante Möglichkeiten ergeben.
Breitbandige Netzzugänge wie ADSL (Asymmetric Digital Subscriber Line) sollen
die Anwendungsmöglichkeiten von Computernetzen nicht nur für Privathaushalte
revolutionieren.
Das Institut für Rundfunktechnik (IRT) ist eine Forschungs- und
Entwicklungseinrichtung der öffentlich-rechtlichen Rundfunkanstalten in
Deutschland, Österreich und der Schweiz. Ein Projekt, in dem Techniken der xDSLFamilie untersucht wurden, bot den Rahmen für die Diplomarbeit, in welcher
speziell auf die ADSL-Technik eingegangen wurde.
Eines der Ziele der Diplomarbeit war der Aufbau eines ADSL-Netzes als
Testumgebung mit der Möglichkeit der Erweiterung und Integration in das
bestehende LAN. Durch dieses Netz war es möglich verschiedene Szenarien zu
erstellen und rundfunkrelevante Anwendungen wie Videoübertragung auf die
Einsatzmöglichkeiten in ADSL-Netzen zu untersuchen.
Zudem wurden Messungen der von ADSL-Leitungen ausgehenden Störstrahlungen
vorgenommen, um Einflüsse auf den Rundfunkbetrieb abschätzen und weitere
Detail-Messungen effektiv planen zu können.
Die Diplomarbeit ist in die drei Hauptabschnitte „Netzaufbau“, „Anwendungen“ und
„elektro-magnetische Messungen“ gegliedert. Im Kapitel „Netzaufbau“ wird auf die
Arbeitsprinzipien und Konfiguration von ADSL-spezifischen Komponenten
eingegangen. Das Kapitel „Anwendungen“ beschreibt die Einsatzmöglichkeiten von
Hard- und Software die zur Verteilung von Rundfunkinhalten verwendet werden
kann anhand repräsentativen Systemen und diskutiert die damit erreichbaren
Ergebnisse. Eine Auswahl des, für die Untersuchungen von Anwendungen und deren
Qualitäten, verwendeten Beispielmaterials ist mit der hierfür erstellten Web-Seite auf
einer CD-ROM im Anhang beigefügt.
2 ADSL-Testnetz
In heutigen Computernetzen werden, abhängig von der Aufgabenstellung und
Umgebung, meist verschiedene Netztechniken verwendet (Heterogene Netze). Das
Zusammenspiel der unterschiedlichen Systeme und deren Auswahl ist oft nicht
unproblematisch. Im Rahmen der Diplomarbeit wurde eine Situation geschaffen, die
möglichst gut einer typischen Verbindung zwischen Endnutzer (Client) und dem
Anbieter des gewünschten Inhalts (Content Provider) entspricht.
Um eine sinnvolle Testumgebung zu schaffen, war es nötig, neben der
ADSL-Strecke, auch weitere Netzabschnitte mit einzubeziehen. So konnte das
- 7-
2 ADSL-Testnetz
Zusammenspiel der Techniken getestet und das Gesamtsystem auf Schwachpunkte
überprüft werden.
Die Verbindung zwischen dem Computer des Endnutzers und der
ADSL-Schnittstelle, dem Modem, wird durch Ethernet-Technik geschaffen. Über die
ADSL-Leitung wird die Verbindung zum Netz des Carriers geschaffen, welches
typischerweise Glasfasertechnik verwendet.
Somit sind drei verschiedene Techniken vertreten, auf die in den folgenden Kapiteln
genauer eingegangen wird.
2.1 xDSL – Typen
xDSL ist ein Begriff, der zur Zeit sehr häufig benutzt wird, da er durch den
Platzhalter „x“ eine Gruppe
an Übertragungstechniken und somit auch
Anwendungsbereichen abdeckt.
Diese besitzen zum Teil gegensätzliche Merkmale, wodurch die Anwendungsbereiche oft stark eingeschränkt werden.
So schließt z. B. High-bit-rate-Digital-Subscriber-Line (HDSL) im Gegensatz zu
ADSL eine Integration von Telefonie auf der selben Leitung aus [BER-99].
Die nächsten Abschnitte stellen einen Überblick dar. Es wird besonders auf die
ADSL-Technik eingegangen, da sie für die weiteren
Betrachtungen die
Schlüsseltechnik ist. (Siehe dazu Tabelle 1).
HDSL
Bedeutung
Upstream
Downstream
Bemerkung
High-bit-rateDSL
1,5 Mbit/s (T1),
2 Mbit/s (E1)
1,5 Mbit/s (T1),
2 Mbit/s (E1)
SDSL
VDSL
ADSL
Single-pair-DSL
Very-high-bitrate-DSL
AsymmetricDSL
bis 2,3 Mbit/s
bis 26 Mbit/s
bis 1 Mbit/s
bis 2,3 Mbit/s
bis 26 Mbit/s
bis 8 Mbit/s
kein
POTS1
POTS möglich
vorgesehen.
noch
Testphase
in
POTS möglich
Tabelle 1: Übersicht über die wichtigsten xDSL-Techniken
Die vier gängigsten Techniken haben auf den ersten Blick nur
das
Unterscheidungsmerkmal der Symmetrie. Die eine Gruppe (SDSL, HDSL) benutzt in
beide Richtungen (zum Client und von ihm weg) die gleiche Bitrate und die Andere
stellt asymmetrisch eine höhere Bandbreite zum Benutzer hin bereit.
Die maximal mögliche Bitrate ist bei xDSL abhängig von dem verfügbaren
Frequenzspektrum. Frequenzbereiche sind nicht mehr verfügbar, wenn die
1 POTS steht für Plain Old Telefon Service, dem analogen Telefondienst
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2 ADSL-Testnetz
Leitungsdämpfungen oder Störungen wie Signalnebensprechen in dem verwendeten
Bereich zu groß werden.
In Abbildung 1 ist die xDSL-Familie mit ihren typischen Bitraten und Reichweiten
aufgeführt. Auffällig ist der Zusammenhang, dass die Systeme, die hohe Bitraten zur
Verfügung stellen, kürzere Leitungen benötigen.
Abbildung 1: xDSL-Reichweiten bei unterschiedlichen Bitraten [MER-00].
Ein gemeinsamer Vorteil der xDSL-Techniken gegenüber alternativen Breitbandverbindungen wie Powerline Communication (PLC) oder Breitbandkabel ist, dass die
Verbindung kein „Shared Medium“ darstellt. Die verfügbare Bandbreite pro
Benutzer schrumpft also nicht abhängig von der Anzahl der Nutzer, die sich das
Medium teilen.
Trotzdem kann es bei ADSL zu ähnlichen Effekten kommen. Schätzungen gehen
davon aus, dass nur maximal 20% der Leitungen in einem Bündel ohne gegenseitige
Störungen für ADSL verwendet werden können [BER-99]. Durch die entstehenden
Einschränkungen in den Frequenzbereichen kann es auch zu einer dynamischen
Verringerung der verfügbaren Bitrate kommen. Gerade bei laufzeitsensiblen
Anwendungen wie z. B. der Übertragung von Bewegtbildern in Echtzeit ist das ein
kritischer Punkt. Mehr dazu in Abschnitt 2.1.4.3 und Abschnitt 3.6.
Weitere aktuelle Details zu allen xDSL Techniken und ihren Varianten sind u. a. auf
den Internetseiten2 der Standardisierungsgremien ANSI3 (www.ansi.org), ETSI4
(www.etsi.org) und ITU-T5 (www.itu.int) sowie in [SUM-99] zu finden.
2
3
4
5
Leider ist der Zugriff auf manche Veröffentlichungen Mitgliedern vorbehalten.
ANSI ist das American National Standards Institute
ETSI ist das European Telecommunications Standard Institute
ITU-T steht für International Telecommunications Union - Telecommunications
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2 ADSL-Testnetz
2.1.1 HDSL
HDSL steht für High-bit-rate-DSL und war als erste dieser Techniken auf dem Markt
verfügbar. Wie anfangs schon erwähnt, erlaubt dieses Verfahren keine Integration
von Telefondiensten auf den selben Leitungen, da der untere Frequenzbereich auch
für die Datenübertragung verwendet wird.
Eine weitere Eigenschaft von HDSL ist, dass für die Verbindung bis zu drei
UTP-Doppeladern (Unshielded Twisted Pair) benötigt werden. Das macht die
Technik für viele Anwender uninteressant, da besonders private Haushalte oder
kleine Firmen nicht über mehrere Leitungen verfügen um Telefon und
Netzanbindung zu realisieren.
Die amerikanische Weiterentwicklung HDSL2 ist in Europa nicht verbreitet. An
deren Stelle ist der Nachfolger SDSL (Siehe dazu Abschnitt 2.1.2) getreten. Beide
verwenden nur noch ein Adernpaar.
Da die Daten symmetrisch mit der gleichen Bitrate von 1,544 Mbit/s (nach
ANSI-Standard) bzw. 2,048 Mbit/s (nach ETSI-Standard) transportiert werden,
eignet sich HDSL besonders für die Anbindung von Grosskunden mit mittlerem
Datenaufkommen und der Verbindung von LANs (Local Area Network).
2.1.2 SDSL
SDSL wird normalerweise als Single-Pair-DSL aber gelegentlich auch als
Symmetric-DSL ausgeschrieben. Bezeichnend ist beides, da SDSL, auf HDSL
aufbauend, die Bandbreite auch symmetrisch auf Hin- und Rückkanal verteilt.
Zudem wird nur ein Leitungspaar (UTP) benötigt.
Man hat, ähnlich wie bei HDSL, bis 2,3 Mbit/s pro Richtung zur Verfügung und man
kann bei SDSL auch Telefondienste auf der selben Leitung nutzen
(vgl. Abschnitt 2.1.1). Somit ist diese, überwiegend in Europa eingesetzte Technik
für Firmen und theoretisch auch für Privatpersonen interessant, wobei sie momentan
deutlich teurer als ADSL ist.
Durch die Symmetrie der Kanäle bietet sich SDSL besonders für Netzanschlüsse an,
die in beide Richtungen hohe Datenraten benötigen wie z. B. bei der Verbindung
zweier LANs oder dem Betrieb von Servern.
2.1.3 VDSL
Very-High-Speed-DSL (VDSL) ist die neueste Variante der xDSL-Familie. Wie der
Name schon nahelegt, zielt man hier auf besonders hohe Bitraten ab. Das Verfahren
ist eine Weiterentwicklung von ADSL und noch in der Entwicklung.
Wie bei SDSL können hier bereits vorhandene Kupfertelefonleitungen benutzt
werden. Zudem lässt VDSL auch eine parallele Nutzung von Telefondiensten auf
dem selben Adernpaar zu. Über das zu verwendende Modulationsverfahren wird
noch diskutiert. Es stehen CAP (Carrierless Amplitude Phase Modulation) und DMT
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2 ADSL-Testnetz
(Discrete Multitone Modulation) zur Diskussion. Weiteres dazu in Abschnitt 2.1.4.3
und [MER-00].
Stark abhängig von der Leitungslänge und -qualität können 6 bis 52 Mbit/s auch
asymmetrisch auf Hin- und Rückkanal (Up- und Downstream) verteilt werden.
In der folgenden Tabelle 2 sind einige mögliche Bitratenkombinationen abhängig
von der Distanz aufgeführt.
Upstream
Downstream
Reichweite
2 Mbit/s
13 Mbit/s
1500 m
2 Mbit/s
26 Mbit/s
1000 m
13 Mbit/s
13 Mbit/s
500 m
26 Mbit/s
26 Mbit/s
300 m
Tabelle 2: VDSL-Bitraten bei verschiedenen Leitungslängen [BER-99].
Die Verschiebung des Verhältnisses zwischen Up- und Downstream kommt dem
Bedarf der meisten Nutzer entgegen und kann im Prinzip beliebig verteilt werden.
Besonders beim Laden von Dateien oder Webseiten werden die Daten überwiegend
in Richtung Endnutzer transportiert. Zum Server wird nur wenig Bandbreite für die
Steuerung der Abläufe benötigt.
Diese Technik ist durchaus vielversprechend bezüglich rundfunkrelevanter
Anwendungen, da hier das asymmetrische Profil und die möglichen Bitraten sehr gut
zu den Anforderungen im Bereich der Videoübertragung passen. Bis VDSL bereit
steht, ist die Vorläufertechnik ADSL die interessanteste Alternative. Besonders für
Anwendungen, die ein unsymmetrisches Datenaufkommen haben. (Näheres dazu im
Abschnitt 2.1.4).
2.1.4 ADSL
Momentan ist ADSL für Privatkunden die interessanteste Technologie der
xDSL-Familie. Aufbauend auf dem bereits vorhandenen Telefonkabelnetz, kann man
in Deutschland einen sehr großen Teil der Haushalte über die verlegten
Kupferleitungen erreichen. Das macht ADSL auch für die Rundfunkanstalten
interessant. Es ist natürlich erstrebenswert, Dienste auf Wegen anzubieten, die in
Zukunft von möglichst vielen Rundfunkteilnehmern genutzt werden können.
2.1.4.1 Bitraten und Marktangebot
Auf dem deutschen DSL-Markt gibt es inzwischen von einigen Unternehmen
Angebote über verschiedene ADSL-Dienste. Die verfügbaren Bandbreiten der
Anschlüsse bewegen sich überwiegend in folgenden Bereichen:
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2 ADSL-Testnetz
Upstream:
128
bis
512 kbit/s
Downstream
768
bis
1500 kbit/s
Gegen entsprechende Gebühren sind auch Leitungen mit bis zu 6 Mbit/s
Downstream erhältlich. Die Nutzung der im Standard maximal vorgesehenen
8 Mbit/s ist meist schon deshalb nicht möglich, weil in der Regel ein Teil des unteren
Spektrums für Telefonie reserviert (besonders in Europa für ISDN) werden muss.
Hinzu kommen noch die Leitungseigenschaften, die bei so hohen Raten besonders
ausschlaggebend sind [BER-99].
Preislich liegen diese Angebote als Standleitung in einem Bereich, der auch für
private Haushalte interessant ist. Bei Standleitungen bzw. Pauschalangeboten (engl.
Flatrate) wird nicht mehr, wie bisher üblich, nach Zeit abgerechnet. Meist wird ab
bestimmten Grenzen das Datenvolumen in Rechnung gestellt.
2.1.4.2 Leitungsnutzung
ADSL kommt mit einem Leitungspaar (UTP) aus und ermöglicht es, das Telefon an
der selben Leitung wie gewohnt zu nutzen. Zum Anschluss der Telefone muss
lediglich das Spektrum über eine Frequenzweiche (auch engl. Splitter = Teiler
genannt) aufgeteilt werden. Es sind keine aufwendigen und teuren Veränderungen
des Anschlusses nötig, was für den Massenmarkt bezüglich Vermarktung und Kosten
ein interessanter Gesichtspunkt ist.
In Abbildung 2 ist dargestellt, wie die Signale von Telefon und Computer, die sich
die Anschlussleitung teilen, getrennt werden. Der gemeinsame Weg führt nur bis zur
nächsten Gegenstelle der Telefongesellschaft. Von dort an gehen die Daten getrennte
Wege. Die Sprachdaten gehen zur Telefon-Vermittlungsstelle und die
Computerdaten zum Internet Service Provider (ISP).
Abbildung 2: Trennung von Sprach- und Computerdaten mittels Splitter [BER-99].
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2 ADSL-Testnetz
Ein Splitter besteht prinzipiell aus einem Hoch- und Tiefpassfilter. Bei ADSL liegen
die Frequenzbereiche für die Datenübertragung oberhalb der für Telefonie (siehe
Abbildung 3). Umgekehrt werden die Signale, meist im selben Gerät, wieder
aufaddiert und über die Kupferleitung zur Gegenstelle geleitet.
Je nach Arbeitsumgebung müssen die Grenzfrequenzen für ADSL angepasst werden.
Dabei lassen sich vier Fälle unterscheiden, die alle durch die ITU-T im Standard6
G.992.1 festgelegt werden.
1. Reine Datenübertragung ohne Telefondienste.
Hier nutzt man das volle Spektrum bis 1100 kHz. Man hat somit die beste
Voraussetzung für eine möglichst hohe Bitrate. Ein gleichzeitiger Betrieb von
Diensten wie Telefonie ist nicht möglich, da das dafür benötigte Spektrum für den
Rückkanal (Up-Stream) verwendet wird. Der Einsatz einer Splittereinrichtung ist
in diesem Fall nicht nötig.
2. Datenübertragung und analoge Telefonie (POTS)
Plain Old Telefon Service (POTS) benötigt als analoger Dienst nur die ersten
4 kHz im Frequenzspektrum. (Siehe Abbildung 3). Mit ein wenig Abstand der
eine exakte Trennung durch den Splitter gewährleisten soll beginnt das von ADSL
benutzte Spektrum bei 20 kHz. Die Obergrenze verändert sich nicht. Somit muss
man Abstriche bei der verfügbaren aufteilbaren Bandbreite machen.
3. Datenübertragung und 2B1Q-kodiertes ISDN (80 kHz)
Wird neben ADSL auch ein digitales Telefon verwendet, so liegt meist ISDN mit
einer 2B1Q-Leitungskodierung vor. Hierbei werden die vier möglichen Zustände
einer zweistelligen Binärzahl (00, 01, 10, 11) mit einem vierstufigen Signal
dargestellt. Diese ISDN-Form ist die weltweit verbreitetste. Sie belegt den
Frequenzbereich bis 80 kHz und bietet eine Nutzdatenrate7 von 56 kbit/s (siehe
dazu Abbildung 3). Auch hier werden die einzelnen Bereiche mit einer
Splittereinrichtung bei ca.100 kHz voneinander getrennt bevor sie
weiterverwendet werden.
4. Datenübertragung und 4B3T-kodiertes ISDN (120 kHz)
Diese Form des ISDN ist eine Sonderform, die z. B. in den Ländern Deutschland,
Belgien und Italien eingeführt worden ist. Ein 4B3T-kodiertes Signal überträgt
vier Bit in drei Takten. Bei diesem System wird eine Verbessung der
Sprachqualität aufgrund der höheren Datenrate von 64 kbit/s erreicht. Allerdings
wird ein breiteres Frequenzspektrum benötigt, wodurch die Grenzfrequenzen des
Splitters bei ca. 130 kHz liegen (siehe Abbildung 3).
6 Dieser Standard berücksichtigt u. a. den ANSI T1.413 Standard.
7 Bitrate für Sprache und ISDN-Computermodems pro B-Kanal.
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2 ADSL-Testnetz
In dem im Rahmen der Diplomarbeit aufgebauten ADSL-Netz wurden
UTP-Leitungen verwendet die für weitere Telefonanschlüsse vorgesehen waren.
Durch die Verwendung eigener Leitungen konnte auf Splittereinrichtungen
verzichtet werden.
Amplitude
POTS
0
ADSL-Up
4
ADSL-Down
138
20
1100
Frequenz
in kHz
Amplitude
ADSL-Up
ISDN
0
4
80
20
(2B1Q)
120
ADSL-Down
276
138
(4B3T)
1100
Frequenz
in kHz
Abbildung 3: Frequenzverteilung von ADSL, ISDN und POTS
Zur besseren Frequenzausnutzung werden bei manchen wenigen Herstellern der Upund Downstreambereich überlagert. Um beim Empfang des Signals das Eigene vom
zu empfangenden Signal trennen zu können, wird über das Verfahren
„Echo Cancellation“
das
relevante
Signal
mit
Hilfe
von
Digitalen-Signal-Prozessoren (DSP) herausgefiltert [ADS-01].
2.1.4.3 Modulation
Für die Datenübertragung werden bei ADSL hauptsächlich die zwei
Modulationsverfahren CAP/QAM (Carrierless Amplitude and Phase Modulation /
Quadrature Amplitude Modulation) und DMT (Diskrete Multitone Modulation)
eingesetzt. Weitergehende Informationen über CAP/QAM und DMT sind in
[MER-00] zu finden.
CAP und QAM verwenden die Amplitude und die Phase des Signals zur
Informationsübermittlung. Im ITU-T-Standard G.992.1 ist allerdings nur die
DMT-Modulation vorgesehen.
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2 ADSL-Testnetz
Im aufgebauten ADSL-Netz wird zur Übertragung DMT, ein Vielträgerverfahren
benutzt wie es der Standard G.922.1 vorsieht. Hier wird das zugewiesene
Frequenzspektrum in 255 Unterabschnitte geteilt und diese vermessen. In jedem
dieser Abschnitte wird eine unabhängige Verbindung eingerichtet. Über diese
werden die Daten dann genau so schnell übertragen, wie es entweder mit einer
bestimmten Fehlerwahrscheinlichkeit möglich ist oder es wird eine gewünschte
Bitrate mit einer minimalen Bitfehlerwahrscheinlichkeit zur Verfügung gestellt.
Dieses Verfahren, einzelne Träger dynamisch mit einer ihrer Situation
entsprechenden Bitrate zu nutzen, nennt man „Rate Adaption“.
Wenn sich nun während einer bestehenden Modemverbindung Störungen auf der
Leitung ergeben, können die Bitraten umverteilt werden. Ist die Störung später nicht
mehr vorhanden, so kann das wieder verfügbare Spektrum verstärkt belegt werden.
Durch diese Flexibilität kann sich das Modem an dauerhafte und temporäre
Leitungseigenschaften anpassen.
Ist das Frequenzspektrum ausgereizt, gibt es keinen Spielraum für eine individuelle
Anpassung mehr. Im schlechtesten Fall reduziert sich die Bitrate auf das, den
Vorgaben (Fehlerhäufigkeit, Signalpegel) und Umständen entsprechende, Maximum.
Fazit
Die xDSL-Familie bietet allgemein viel Potential, das für rundfunktechnische
Anwendungen interessant ist (vgl. Abschnitt 3.2). Die ADSL-Technik ist aufgrund
ihrer Eigenschaften bei der Internetverbindung besonders bei privaten Haushalten
und kleinen Firmen sehr gefragt.
Die Möglichkeit einer dauerhaften Internetverbindung (Standleitung) und die
flexiblen Bandbreiteneinstellungen machen es den Providern leicht ein breites
Spektrum an Angeboten zu erstellen (vgl. 2.3.1.3). Auch die geringen Umstellungen
beim Endnutzer, was Telefon und Verkabelung betrifft, spricht für ADSL. Die
Anbindung an bestehende Netze ist weitgehend problemlos. Dazu aber in den
nächsten Abschnitten mehr.
- 15 -
2 ADSL-Testnetz
2.2 ADSL-Netzaufbau
Zu Beginn der Netzplanung stand die Frage:
„Welche Nutzen sollen aus dem ADSL-Netz gezogen werden?“
Folgende Ziele wurden als wichtig angesehen:

Das Erlernen des Umgangs mit den neuen noch unbekannten Komponenten.

Die möglichst realistische Simulation der kompletten Linie zwischen Client und
Provider (Kapitel 2).

Die Möglichkeit einer Einschätzung der ADSL-Netztechnik für rundfunkrelevante
Einsatzbereiche (Kapitel 3).

Die Schaffung einer Messumgebung zur Bestimmung von Elektromagnetischen
Eigenschaften.
Für die konkrete Planung des Netzaufbaus musste geklärt werden, welche Geräte
noch benötigt werden, und welche auf dem Markt verfügbar sind. Dabei musste
darauf geachtet werden, dass ein möglichst reibungsloses Zusammenspiel der
Komponenten möglich ist.
Wie anfangs schon erwähnt, besteht das Netz aus drei Abschnitten (vgl.
Abbildung 4). Einen ersten Überblick bietet Tabelle 3.
Client
Last Mile
Backbone
physikalische Verbindung 10Base-T
UTP (Telefon) Glasfaser (Multimode)
mögliche Bitraten
10 Mbit/s
bis zu 8 Mbit/s 155 Mbit/s (STM-1)
Protokolle (Schicht 2)
Ethernet
ATM8
ATM
Tabelle 3: Grundlegende Eigenschaften der Netzabschnitte
2.2.1 Netzabschnitte
Der Client ist der Endnutzer, der über eine gängige Netzwerkkarte mit seinem
ADSL-Modem verbunden ist. Der Bereich zwischen Kunden und seinem
Netzanbieter (Service Provider), die „Last Mile“9, wird mit ADSL-Technik
überbrückt. Ab dort legen die Daten die Wege in den Backbone-Netzen10 der Service
Provider meist über Lichtwellenleiter (LWL) zurück.
Um den Ethernet-Bereich (siehe 2.2.4) zum Modem aufzubauen war kein grösserer
Aufwand nötig. Die bereits vorhandenen Rechner, die als Client verwendet werden
sollten, waren bereits mit Hardware ausgestattet, die einen problemlosen Betrieb an
8 ATM steht für Asynchronous Transfer Mode. Siehe auch Abschnitt 2.2.3 und [DET-98].
9 Engl. für Letzte Meile. Die typischen letzten wenigen Kilometer zum Telefonverteiler.
10 Engl. für Rückgrat. Steht für große Netzabschnitte die kleinere Segmente miteinander verbinden.
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2 ADSL-Testnetz
einem Netz ermöglichten. Sie wurden mit zusätzlichen Netzwerkkarten versehen, um
sie parallel auch über ein zweites Netz ansprechen zu können (vgl. Abschnitt ).
Der nächste Abschnitt ist die ADSL-Übertragung. Über die Eigenschaften dieser
Technik wurde schon in 2.1.4 einiges gesagt. Es wurden drei „CellPipe“ Modems
der Firma „Lucent Technologies“ verwendet. Jedes Modem sollte mit einer anderen
maximalen Bitrate verwendet werden. So konnten die gängigsten Bandbreiten
parallel zueinander getestet werden.
Zwei der Clients wurden über einen Switch (möglich wären auch ein Hub oder
Router) an ein einziges Modem angeschlossen. Dadurch war es möglich, die
Situation darzustellen, wie sie häufig in kleineren Firmen oder Wohngemeinschaften
anzutreffen ist. Mehrere Computer teilen sich über ein entsprechendes Gerät die
Bandbreite des ADSL-Anschlusses, wofür er aufgrund der möglichen Bitraten
durchaus geeignet ist.
Client: 1
Client: 3
Client: 2
Ethernet
10Base-T
Switch
Ethernet
10Base-T
Ethernet
10Base-T
Ethernet
10BaseT
ADSL-Modem
"CellPipe"
ADSL-Modem
"CellPipe"
DSLAM "Stinger"
ADSL
down: 1,4 Mbit/s
up: 0.3 Mbit/s
ADSL
down: 8 Mbit/s
up: 0,9 Mbit/s
ATM 155 Mbit/s
Content Server
ATM
155 Mbit/s
IRT-ATM-LAN
Media-Encoder
Ethernet
10BaseT
Abbildung 4: ADSL-Netz-Struktur im IRT
- 17 -
2 ADSL-Testnetz
Geräte wie ein Hub, Switch oder Router können mehrere Netzverbindungen
miteinander koppeln. Ein Router oder Switch ist, im Gegensatz zu einem Hub, in der
Lage verschiedene Netze zu unterscheiden und Datenpakete je nach Bedarf in das
entsprechende Netz weiterzuleiten (näheres hierzu in [PLA-99] und [WAL-00]).
Passend zu der Modemaustattung wurde der DSLAM (DSL-Access-Multiplexer)
„Stinger“ von „Lucent Technologies“ verwendet. Er ist die Gegenstelle des ADSLModems, die zugleich mehrere Anschlüsse mit dem nächsten Netzsegment
(Backbone) verbindet. Zum Verbinden wird eine eigene Schnittstelle benötigt, die
den Zugang zum LAN ermöglicht. Prototypen der hierfür benötigten Zusatzhardware
standen während der Testphase noch nicht zu Verfügung.
Das IRT-Hausnetz basiert auf einem ATM-Backbone, mit dem die einzelnen
Rechner entweder über Ethernet oder ATM verbunden sind. Die Verknüpfung des
Internet Protocols (IP) mit der ATM-Netztechnik erfolgt über das Verfahren
„Multiprotocol Over ATM“ (MPOA11).
Vom DSLAM aus werden alle Verbindungen über eine Permanent Virtual
Connection (PVC) durch das IRT-LAN zum Contentserver geleitet. Dies ist eine
dauerhaft vorgegebene Verbindung zwischen zwei ATM-Geräten, die eine virtuelle
Punkt-zu-Punkt-Verbindung ermöglicht.
Normalerweise sollte sich auf der Strecke zwischen Stinger und dem gewünschten
Ziel (Contentserver) ein Router befinden, der die Datenpakete entsprechend umund weiterleitet. Aufgrund von fehlender bzw. nicht kompatibler Hardware konnte
diese Form der Vernetzung nicht realisiert werden. Das Problem wird in
Abschnitt 2.3.1.2 genauer beschrieben.
Der Contentserver ist der Rechner, der verschiedene Dienste und Inhalte, wie z. B.
Videoübertragung, bereitstellt. Er ist über eine ATM-Schnittstelle mit 155 Mbit/s an
das IRT-LAN angeschlossen und stellt momentan die Gegenstelle des DSLAMs am
anderen Ende des PVCs dar (siehe Abschnitt 2.2.3). Seine Inhalte bezieht er, wenn
sie nicht lokal gespeichert sind, über eine zweite Netzanbindung von Rechnern wie
z. B. einem Media-Encoder. Dies ist ein Gerät (oft ein leistungsstarker Computer),
das die Daten einer Quelle (z. B. Filmkamera) verarbeitet und fertig zum Verteilen
über eine Ethernetschnittstelle an den Contentserver weiterleitet.
2.2.2 OSI-Referenzmodell
Das OSI12-Referenzmodell, oder OSI-Schichtenmodell, wurde 1977 von der ISO
definiert um eine bessere Kommunikation zwischen den Systemen verschiedener
Firmen zu ermöglichen. Die in Abbildung 5 dargestellten Ebenen teilen die
Kommunikation der Computeranwendungen von der physikalischen Bitübertragung
bis zur Anwendungsebene in sieben Schichten.
Jede Ebene entspricht bestimmten Vorgängen, die eine Zuordnung der verschiedenen
Abläufe einer Verbindung zu einer der Schichten zulässt. Die einzelnen Schichten
kommunizieren virtuell direkt mit den ihnen entsprechenden auf der Gegenseite und
11 Weitere Informationen zu MPOA in [WAN-01b].
12 OSI steht für Open Systems Interconnection.
- 18 -
2 ADSL-Testnetz
stützen sich dabei auf die Informationen und Funktionen der unter ihnen liegenden
Ebenen.
Abbildung 5: Das OSI-Referenzmodell [DET-98]
Die Nummerierung der Schichten beginnt bei der physikalischen Bitübertragung, die
zusammen mit den Ebenen 2 und 3 die Signalisierung im Netzwerk übernehmen.
Die Schichten des OSI-Referenzmodells [DET-98]:
1. Bitübertragungsschicht (Physikal Layer)
Sie stellt die physikalische Verbindung über das eigentliche Medium her. Sie
ist auch für Aufgaben wie die Taktsynchronisation zuständig.
2. Datensicherungsschicht (Data Link Layer)
Auf dieser Ebene werden Bitfehler in der Übertragung bereinigt und die
einzelnen Protokolldatenelemente erkannt. Zudem sind hier Funktionen zur
Datenflussregelung und Aufteilung der verschiedenen Verbindungen höherer
Schichten angesiedelt.
3. Netzschicht (Network Layer)
Durch sie werden virtuelle Verbindungen bereitgestellt und die beteiligten
Systeme über Netzadressen angesprochen. Sie ist die höchste der Schichten,
die direkt auf die Netzsignalisierung einwirken.
4. Transportschicht (Transport Layer)
Hier werden die einzelnen Anwendungsprozesse, unabhängig von der
zugrundeliegenden Netztechnik, über die virtuellen Verbindungen der Schicht
drei, miteinander verbunden.
- 19 -
2 ADSL-Testnetz
5. Kommunikationssteuerschicht (Session Layer)
Sie stellt Dienste zur Steuerung der logischen Verbindung von Anwendungen
der obersten beiden Schichten zur Verfügung.
6. Darstellungsschicht (Presentation Layer)
Diese Schicht wandelt die übertragenen Daten vom Austauschformat in das
von der Anwendung benötigte und umgekehrt.
7. Anwendungsschicht (Application Layer)
Nicht die Anwendungen selbst, sondern die, für das Nutzen von
Netzverbindungen durch Anwendungen wie z. B. E-Mail nötigen, Dienste sind
hier eingeordnet.
Die Anwendungsschicht ist eng mit der Darstellungsschicht verknüpft und oft
schwer von ihr zu trennen. Dieses Referenzmodell erlaubt es verschiedene
Netztechniken, wie z. B. ATM und Ethernet, in ein einheitliches Schema
einzuordnen und gegenüberzustellen.
2.2.3 ATM
Asynchronous Transfer Mode (ATM) ist ein komplexes, verbindungsorientiertes
Netzwerkprotokoll, das sich unter Anderem gut für den Einsatz bei zeitkritischen
Anwendungen im WAN und LAN eignet. Für den Desktopbereich ist die
ATM-Technik verhältnismäßig teuer und hat sich dort gegenüber Techniken wie
Ethernet nicht durchgesetzt. Im OSI-Schichtenmodell ist ATM und somit auch seine
ATM-Adaptation-Layer13 (AAL), in den OSI-Schichten 1 und 2 anzusiedeln
(vgl. 2.2.2). Aufgrund seiner Möglichkeiten hat ATM ein eigenes Referenzmodell
welches nur bedingt mit dem OSI-Referenzmodell in Einklang zu bringen ist.
Typisch für ATM sind die vergleichsweise kleinen Zellen. Jede Zelle ist 53 Byte
groß und beinhaltet einen Header von 5 Byte. Durch diese Charakteristik eignet sich
ATM auch zum Transport von Sprachdaten was eine Kombination von Daten- und
Telefonnetzen ermöglicht. Ein weiterer Vorteil der geringen Zellgröße ist die kleine
Zell-Verzögerung. Wenn der Nutzdatenstrom nicht kontinuierlich ist, werden
Füllzellen eingefügt, um feste Bitraten im ATM-Netz zu erhalten.
Verbindungen werden immer über Virtual Channels (VC) hergestellt, die vor der
eigentlichen Datenübermittlung aufgebaut und in einem Virtual Path (VP) gebündelt
werden können. Innerhalb eines Kanals besteht eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung
zwischen den beiden Endgeräten. Einzelne Netzabschnitte sind über Switche
verbunden, die ATM-Kanäle und -Pfade schalten (switchen) können.
Die Kopplung von ATM mit IP-Netzen kann über Classical-IP (CLIP), LAN-Emulation (LANE) oder Multiprotocol over ATM (MPOA) geschehen [BER-99]. Im
aufgebauten ADSL-Netz wurde CLIP verwendet, da die ADSL-Hardware MPOA
nicht unterstützte. CLIP bindet IP-Subnetze an ein ATM-Netz an und verwendet
einen ATM-Address-Resolution-Protocol-Server (ATMARP-Server) um die ATMAdresse zu einem IP-Paket zu erhalten.
13 Siehe auch ITU-T I.363
- 20 -
2 ADSL-Testnetz
Die Verbindungsschicht, zwischen der physikalischen ATM-Zell-Übertragung und
den Protokollen deren Daten transportiert werden sollen, ist die AAL-Schicht. Die
Daten der höheren Protokolle werden durch AAL in passende (meist 48 Byte) große
Segmente aufgeteilt, in einzelne ATM-Zellen eingebettet und beim Empfänger
wieder zusammengefügt. Man unterscheidet vier AAL-Typen: AAL-1, AAL-2,
AAL-3/4, und AAL-5. Jeder der Typen ist auf spezielle Anwendungsgebiete
zugeschnitten [WAN-01a].
ATM realisiert die Fehlerprüfung über seine AAL (z. B. AAL-1) in den Endgeräten.
Die Prüfung und Korrektur der übertragenen Daten kann auch von Protokollen in
höheren Schichten übernommen werden. Der daraus resultierende Vorteil ist ein
besonders schnelles Hardware-Switching, da die Geräte in der ATM-Strecke ihre
Kapazitäten stärker für die Datenübermittlung verwenden können.
Über Quality-of-Service-Verträge können Eigenschaften und das Verhalten der
ATM-Verbindungen beeinflusst und so die Verbindung sehr flexibel auf die
jeweiligen Bedürfnisse eingestellt werden (vgl. 2.3.1.4). Bestehende Verbindungen
mit garantierter Bandbreite (Constant-Bit-Rate, CBR) werden durch den Aufbau
neuer Kanäle nicht eingeschränkt, wie es bei Verbindungslosen Protokollen der Fall
ist. Ist die Leitungskapazität erschöpft, werden keine neuen Kanäle aufgebaut.
Der DSLAM unterstützt AAL-5 und AAL-0. Bei AAL-0 ist kein Service definiert.
Verwendet wird AAL-0 oft für proprietäre Systeme, da sie die Daten direkt in die
ATM-Zellen weiterleitet. AAL-0 wird im Stinger immer dann eingesetzt, wenn nicht
AAL-5 verwendet wird. Eine Anpassung der Übertragungs-Eigenschaften geschieht
dann durch Einstellungen im Stinger-Betriebsystem.
AAL-5 wird eingesetzt wenn das Datenaufkommen schwankt bzw. stoßweise auftritt
(Burst-Verhalten) und zeitlichen Schwankungen der Zellverzögerung (Jitter)
gegenüber tolerant ist (z. B. bei Filetransfer). Zudem werden die übertragenen
Teilstücke durch einen Cyclic-Redundancy-Check (CRC) überprüft um
Übertragungsfehler erkennen zu können. Im aufgebauten Netz wurde AAL-0
verwendet, da hier die Daten und deren Übertragung durch höhere Protokolle
überprüft werden.
2.2.4 Ethernet
Das Ethernet-Protokoll14 ist z. Z. das übliche Protokoll zur Verbindung von PCs im
LAN. Meist werden die Rechner über Twisted-Pair-Leitungen, die durch das „T“ in
xBase-T gekennzeichnet werden, verbunden. Man unterscheidet zwischen Ethernet
mit 10 Mbit/s (Koax-Kabel), Fast Ethernet mit 100 Mbit/s (UTP) und
Gigabit-Ethernet mit 1000 Mbit/s (Glasfaser oder Twisted Pair). Ein Ethernet-Paket
kann in seiner Größe variieren und bis 1500 Byte Informationen transportieren und
enthält im Header die Media-Access-Control-Adresse (MAC-Adresse) des
Empfängers.
Ethernet ist ein verbindungsloses Protokoll und liegt in seiner ursprünglichen Form
in einer Busstruktur vor. Jede Station sendet seine Informationen als Broadcast an
alle Anderen, die den Empfänger des Paketes überprüfen. Senden zwei Stationen
14 IEEE-Standard 802.3. Weitere Informationen in [WAN-01a]
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2 ADSL-Testnetz
gleichzeitig kommt das CSMA/CD-Verfahren zum Tragen, das die Wiederholung
des Sendevorgangs durch zufällige Zeitintervalle regelt.
In aktuellen Ethernet-Netzen werden als Netzknoten keine Repeater mehr verwendet,
sondern Switche (Switched Ethernet). Switche leiten die Ethernet-Pakete anhand der
MAC-Adresse auf Ebene der OSI-Schicht-2 (Layer-2-Switching) an die
entsprechenden Empfänger weiter. Ermittelt wird dieser über die im Switch
dynamisch angelegte Tabelle der mit ihm verbundenen MAC-Adressen. Diese Form
der Paketvermittlung bringt vor allem den Vorteil, dass nicht mehr alle Stationen alle
Pakete in Empfang nehmen müssen, wodurch das Netz und seine Stationen deutlich
entlastet werden.
Zur Regelung der einzelnen Datenverbindungen werden höhere Protokolle wie das
Internet Protokoll (IP) und das Transmission Control Protocol (TCP) verwendet
(siehe auch 2.2.5).
Obwohl Ethernet ein verbindungsloses Protokoll ist, kann, mit Hilfe von
Multiprotocol-Label-Switching (MPLS), eine virtuelle Verbindung, ähnlich wie bei
ATM, aufgebaut werden. Eingesetzt wird MPLS weniger im Endnutzer-Bereich als
bei den Netzbetreibern. Die zu transportierenden IP-Pakete einer Verbindung legen
anhand der angefügten Zusatzinformationen alle den gleichen Weg zurück. Durch
zusätzliche Priorisierung der Daten kann durch diese Art der Vermittlung eine Art
„Quality of Service“ (QoS) im Ethernet erreicht werden [DAV-00].
2.2.5 Internet Protocol (IP)
Das Internet Protocol15 gehört zu den verbindungslosen Protokollen. Die aktuelle
Version 4 soll in Zukunft von Version 6 abgelöst werden, die einen von 32 bit auf
128 bit erweiterten IP-Adressraum hat. Die im IP-Header enthaltene
Empfängeradresse ermöglicht das gezielte Weiterleiten (Routing) der Pakete in der
OSI-Schicht 3. Es wird hierbei nicht überprüft ob und in welcher Form die Daten am
Ziel angekommen sind. Um solche Mechanismen nutzen zu können, wird TCP
verwendet. Dieses überprüft die Übertragung und ermöglicht bei Bedarf die erneute
Anforderung eines bestimmten Pakets.
Im Bereich Multimedia werden neben TCP andere Protokolle verwendet, die auf
spezielle Anwendungen zugeschnitten sind. Wie z. B. das Real Time Transport
Protocol (RTP) oder das User Datagramm Protokoll (UDP). (vgl. Abschnitt 3.3).
Die Länge eines IP-Datagramms liegt zwischen 64 Byte und 64 kByte. In Netzen wie
dem, im Rahmen der Diplomarbeit aufgebauten, bestimmt der Ethernet-Abschnitt die
„Maximal Transfer Unit“ (MTU). Sie wird von den meisten Betriebsystemen
standardmäßig auf 1500 Byte, die maximale Kapazität eines Ethernet-Pakets,
gesetzt [PET-01].
Die Übertragung der IP-Pakete ist durch den Jitter und die Gleichwertigkeit aller
Pakete begrenzt für Übertragung von Bild und Ton geeignet. Um IP-Paketen
verschiedene Dringlichkeitsstufen geben zu können, wurde das Verfahren
15 Festgelegt durch: RFC 791
- 22 -
2 ADSL-Testnetz
„Differentiated Services“16 (DiffServ) festgelegt. Hierbei werden in das
„Type-of-Service-Feld“ (ToS-Feld) Prioritäten eingetragen, die dazu führen, dass z.
B. die Daten der Videoübertragung den Paketen der E-Mail-Anwendung vorgezogen
werden.
2.3 Inbetriebnahme der Komponenten
Die Beschreibung der Inbetriebnahme und Konfiguration der einzelnen Geräte soll
den Netzaufbau nachvollziehbar darlegen ohne weiter in Details zu gehen, die nicht
unbedingt nötig sind um einen Einblick in die Thematik zu bekommen. Bei leicht
veränderten Umständen können gänzlich andere Vorgehensweisen nötig sein.
Es sollen auch die aufgetretenen Probleme angesprochen und wenn möglich ihre
Lösungen diskutiert werden.
2.3.1 DSLAM
Der DSLAM „Stinger“ der Firma Lucent Technologies liegt in Minimalausstattung
mit einem (von bis zu 14 möglichen) ADSL-Einschub für maximal 24
ADSL-Leitungen vor. Man kann die Anzahl der ADSL-Anschlüsse durch
hinzufügen von Einschubkarten bis auf 336 erhöhen. Die Verbindung mit dem
Backbone wird über eine ATM-Glasfaserverbindung mit 155 Mbit/s (STM-1) auf der
Trunk-Seite des Stingers hergestellt.
In Abbildung 6 ist der Stinger schematisch mit seinen Verbindungen dargestellt. Auf
der linken Seite sind die angeschlossenen ADSL-Modems als Customer-ProvidedEquipment (CPE) dargestellt. Der Contentserver auf der rechten Seite stellt das Ende
des PVCs der ATM-Verbindung zwischen ihm und dem DSLAM dar.
Zum Konfigurieren des DSLAM gibt es zwei Möglichkeiten sich am System
anzumelden. Einmal über eine serielle RS-232 Schnittstelle und Zweitens über eine
10Base-T-Ethernet-Verbindung. Bevor man den Stinger über den Netzanschluss
bedienen kann, muss der vorhandene Management-Ethernet-Anschluss über die
serielle Schnittstelle mit einer IP-Adresse versehen werden. Sie dient wie die
RS-232-Schnittstelle nur zum Ändern der DSLAM-Einstellungen. So ist es möglich
Konfigurationen von jedem Rechner aus im Netzwerk über Telnet zu tätigen.
16 Siehe dazu auch: RFC 2474
- 23 -
2 ADSL-Testnetz
Abbildung 6: DSLAM Verbindungen [STI-99]
Die auf dem DSLAM vorhandene Software TAOS17 verwaltet alle Einstellungen
bezüglich der Leitungseigenschaften, PVC-Verbindungen und QoS-Verträge. Die
Befehle wie „LIST“oder „READ“ werden auf der Telnet-Kommando-Zeile
eingegebenen und mit RETURN bestätigt.
Die
Hauptaufgabe
des
DSL-Access-Multiplexers
ist
es,
mehrere
ADSL-Verbindungen auf ATM-Ebene umzuleiten und zu bündeln. Eine
ankommende Verbindung wird einem Virtual-Connection (VC) und dieser einem
Virtual-Path (VP) zugeordnet. So
kann bestimmt werden, welche ADSLVerbindung über welche ATM-Verbindung ihr Ziel (z. B. einen Router oder einen
Contentserver) erreicht (vergleichbar mit Autobahnen und ihren einzelnen Spuren).
2.3.1.1 ADSL-Ports
Über die Line-Interface-Module (LIM) werden die UTP-Leitungen der Modems mit
dem Stinger verbunden. Das in Einschub 3 installierte Modul stellt 24 ADSLAnschlussmöglichkeiten zu Verfügung und unterstützt folgende ADSL-Standards:

ANSI T1.413.2 Standard (ANSI DMT)

ITU G.992.1 (G.dmt)

ITU G.992.2 (G.lite)
Im Testnetz wurde G.dmt verwendet, um Störungen mit dem europäischen ISDN
(4B3T-Kodierung) auf benachbarten Leitungen durch Nebensprechen, zu vermeiden.
Wenn der Übertragungsstandard ANSI DMT verwendet wird, fallen
17 True Access Operating System (Version 7.11)
- 24 -
2 ADSL-Testnetz
Frequenzbereiche von ISDN und ADSL zusammen. Das führte im Testnetz auch bei
separaten Leitungen für Telefon und ADSL, zu Störungen durch Nebensprechen.
2.3.1.2 WAN-Anschluss (Trunk)
Trunk wird hier die Seite des Stingers genannt, die über ATM mit dem Netz des
Carriers (dem Backbone) verbunden ist.
Im IRT-ATM-LAN wird, zur Verknüpfung von IP und ATM, „MPOA“ verwendet.
Dieses Verfahren ist bei Carriertechnik wie dem Stinger nicht üblich. Um trotzdem
eine IP-Verbindung über die ADSL/ATM-Strecke aufbauen zu können wurde der
Contentserver direkt an ATM angeschlossen. Die Kommunikation zwischen Stinger
und Contentserver lief über „Classical-IP“ (CLIP).
Für die einzelnen ADSL-Modems wurde jeweils ein PVC zum Contentserver
festgelegt. Um die IP-Daten über den richtigen Kanal an ein Modem schicken zu
können, musste dem Contentserver der jeweils zugehörige PVC mitgeteilt werden. In
Abbildung 7 ist die Tabelle mit allen Zuordnungen zu sehen. Hinter jedem Modem
muss ein eigenes Netz stehen, damit die IP-Pakete vom Modem weitergeleitet
werden können.
Abbildung 7: PVC-Table für CLIP-Verbindungen zwischen Server und Modems
Um nicht für jeden Client ein eigenes IP-Netz mit 256 IP-Adressen verwenden zu
müssen, wurden Subnetze geschaffen (siehe Abbildung 8). Durch die verwendete
IP-Netzmaske „255.255.255.248“ stehen in jedem Subnetz 8 IP-Adressen zu
Verfügung. Es wird eine Adresse für Broadcasts und eine als Netzadresse verwendet.
Die restlichen 6 Adressen können für Geräte verwendet werden.
Um das ADSL-Netz sinnvoll mit dem IRT-LAN verbinden zu können wird ein
Router, der ATM-Verbindungen terminieren und auf Ethernet umsetzen kann,
benötigt. Es existieren bereits Prototypen eines Einschubs für den DSLAM
„Stinger“, der genau diese Möglichkeit bietet. Eine weitere Möglichkeit ist ein
eigenständiger Router, der die über ATM übertragenen IP-Daten vom DSLAM
entgegennimmt und anhand der IP-Adressen in zu den entsprechenden Netzen
weiterleitet.
- 25 -
2 ADSL-Testnetz
Client: 1
192.168.61.2
Client: 3
192.168.61.12
Client: 2
192.168.61.13
Ethernet
10Base-T
Ethernet
10Base-T
Ethernet
10BaseT
LAN:192.168.61.1
ADSL-Modem
"CellPipe"
WAN: 192.168.60.101
VPI = 8
VCI = 35
Ethernet
10Base-T
Switch
LAN: 192.168.61.11
ADSL-Modem
"CellPipe"
WAN: 192.168.60.102
DSLAM "Stinger"
ADSL
down: 1,4 Mbit/s
up: 0.3 Mbit/s
ADSL
down: 8 Mbit/s
up: 0,9 Mbit/s
"Virtueller Pfad und
virtueller Kanal
über ATM"
ATM
VPI = 0
155 Mbit/s VCI = 36
Content Server
IP: 192.168.60.60
IRT-ATM-LAN
ATM
155 Mbit/s
Media-Encoder
192.168.21.198
Ethernet
10BaseT
Abbildung 8: ADSL-Netz mit IP-Adressen, Nailed Groups und PVC
2.3.1.3 DSLAM-Konfiguration
Um die ADSL-Modems mit dem DSLAM verbinden zu können, müssen einige
grundlegende Einstellungen vorgenommen werden. Alle anderen Einstellungen
können ihre Standardwerte beibehalten oder von der Hardware automatisch erkannt
werden. Hinzu kommt, dass nicht alle Optionen die in den Dateien sichtbar sind, in
dieser Softwareversion zu Verfügung stehen.
- 26 -
2 ADSL-Testnetz
Prinzipiell werden die Einstellungen in drei Bereichen vorgenommen:

In der Konfigurationsdatei AL-DMT der „Line Interface Module“ (LIM)

In der „Connection“-Datei

In den QoS-Verträgen
Beispiel:
Im Folgenden soll die Einrichtung einer Modem-Verbindung im IRT-ADSL-Netz
beschrieben werden. Es würde den Rahmen der Diplomarbeit sprengen, auf alle
Einstellmöglichkeiten einzugehen. Daher werden nur die behandelt, die für die
Inbetriebnahme des ADSL-Netzes wichtig waren (Für weitere Informationen
siehe [STI-00]).
Nachdem man mit Telnet über die RS-232- oder Ethernet-Schnittstelle eine
Verbindung mit dem „Stinger“ aufgebaut hat, wird ein Benutzername und Passwort
abgefragt.
Die verwendeten Modem sind werksseitig auf VPI = 8 (Virtual Path Identifier) und
VCI = 35 (Virtual Channel Identifier) eingestellt. Man kann diese Einstellungen für
alle Modems übernehmen ohne dass Verwechslungen befürchtet werden müssen. Im
DSLAM kommen die UTP-Leitungen an unterschiedlichen Ports an und jedem Port
wird eine einmalige Nummer, eine Nailed Group (NG), zugewiesen. Sie ermöglicht
dem System die genaue Zuordnung einer Verbindung zu einem Port bzw. dem daran
angeschlossenen Gerät. Es wird hierbei kein Unterschied zwischen einem ATM-Port
und ADSL-Port gemacht. Möchte man wissen, was für ein Port hinter einer NG
steht, so kann man sich die zugehörigen Informationen über den „WHICH“-Befehl
anzeigen lassen und daraus die Einschubkarte identifizieren (siehe ConnectionsEinstellungen weiter unten im Beispiel).
Einstellungen der ADSL-Ports (LIM)
Die Eigenschaften der ADSL-Ports werden in der Datei AL-DMT gespeichert. Für
jede physikalische Modemverbindung muss ein Port aktiviert und passend
konfiguriert werden.
Mit dem Befehl „READ“ können die Dateien zum Auflisten ( mit „LIST“) oder
Editieren (mit „SET“) geladen werden. Hier für das Beispielmodem an Port 6:
Eingabe:
READ AL-DMT {1 3 6}
LIST
Ausgabe:
[in AL-DMT/{ shelf-1 slot-3 6 }]
name = cp3
physical-address* = { shelf-1 slot-3 6 }
enabled = yes
sparing-mode = inactive
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2 ADSL-Testnetz
ignore-lineup = system-defined
line-config = { 0 106 15 static { any-shelf any-slot 0 } automatic-at+
fast-path-config = { 128 128 384 768 512 1000 }
interleave-path-config = { 128 128 1000 8000 512 1000 16 16 }
margin-config = { 6 6 6 6 31 31 0 0 0 0 0 0 0 0 }
thresh-profile = default
Man befindet sich hier in der Ausgabe, wie in einem Dateiverzeichnisbaum, in der
obersten Ebene. Jede Zeile mit geschweiften Klammern muss zum Editieren oder
detailierten Aufschlüsseln mit dem Befehl „LIST Abschnitts-Name“ wiederholt
geöffnet werden. Zeilen die zu lang für die Anzeige waren, wurden an der mit einem
„+“-Zeichen gekennzeichneten Stelle abgebrochen.
Die Eingabe eines Namens ist optional und dient nur zur besseren Orientierung.
Eingabe:
SET name = cp3
Um den Port zu aktivieren, musste das Feld „enabled“ von „no“ auf „yes“ gesetzt
werden:
Eingabe:
SET enabled = yes
Im Abschnitt „line-config“ können unter Anderem die Grenzwerte der
Übertragungsleistung (max-aggr-power-level) in dBm verändert werden. Dies war
im Testnetz nicht erforderlich. Es kann aber nötig sein, wenn z. B. benachbarte
Leitungen durch die ADSL-Übertragung gestört werden.
Eingabe:
LIST line-config
Ausgabe:
[in AL-DMT/{ shelf-1 slot-3 6 }:line-config]
trunk-group = 0
nailed-group = 106
vp-switching-vpi = 15
activation = static
call-route-info = { any-shelf any-slot 0 }
rate-adapt-mode-up = automatic-at-startup
rate-adapt-mode-down = automatic-at-startup
rate-adapt-ratio-up = 100
rate-adapt-ratio-down = 100
max-aggr-power-level-up = 13
max-aggr-power-level-down = 20
max-power-spectral-density = 40
line-code = auto-select
line-latency-down = fast
- 28 -
2 ADSL-Testnetz
line-latency-up = fast
trellis-encoding = yes
gain-default = 20-db
upstream-start-bin = 6
upstream-end-bin = 31
downstream-start-bin = 32
downstream-end-bin = 255
loop-back = none
bit-swapping = no
fbm-dbm-mode = fbm
Die Einstellungen zu „line-latency“ beeinflussen die Störfestigkeit und
Reaktionsgeschwindigkeit der ADSL-Übertragung. Der Standardwert „fast“ bietet
weniger Verzögerung und die Einstellung „interleave“ mehr Störfestigkeit. Außer
bei G.lite, wird vom Hersteller für alle Übertragungsstandards „fast“ empfohlen.
Die Werte bei „start-bin“ und „end-bin“ geben die erlaubten Grenzfrequenzen des
Up- und Downstream-Kanals an. Die Zahlen müssen mit dem Faktor „4,135“
multipliziert werden, um die Frequenz in „kHz“ zu erhalten. Die Grenzfrequenzen in
diesem Beispiel sind in Tabelle 4 aufgeführt:
Grenze
Multiplikation
Frequenz
upstream-start-bin
6 * 4,135
24,81 kHz
upstream-end-bin
31 * 4,135
128,2 kHz
downstream-start-bin
32 * 4,135
132,3 kHz
downstream-end-bin
255 * 4,135
1054,4 kHz
Tabelle 4: Berechnung der Grenzfrequenzen des ADSL-Spektrums
In Abbildung 9 in Abschnitt 2.1.4.2 sind vergleichbare Spektren dargestellt. Die hier
verwendeten Frequenzen sind auf den gleichzeitigen Betrieb von analogem Telefon
(POTS) zugeschnitten. Durch ein Verändern der Bereiche, kann die Leitung auf
unterschiedliche Ansprüche angepasst werden (z. B. paralleler Betrieb mit ISDN).
Durch ein Verbreitern eines zugewiesenen Frequenzbereich wird nicht automatisch
die Datenrate erhöht, sondern nur die Störfestigkeit verbessert. Wenn im
Frequenzband Störungen auftreten, kann leichter auf andere ungestörte Bereiche
ausgewichen werden. Allerdings schmälert man u. U. die Frequenzbereiche an
anderen Stellen (Downstreambereich) unvorteilhaft. Die Nutzung der zugewiesenen
Frequenzbereiche hängt auch von dem gewählten Übertragungsstandard, wie z. B.
ANSI.DMT, ab.
Die letzten Eintragungen in die Datei „AL-DMT“ waren die für die Verbindung
vorgesehenen Bitraten. Hierzu musste erst in die oberste Ebene der Datei und dann
in den zu den „line-latency“-Einstellungen passenden Abschnitt „fast-path-config“
gewechselt werden.
- 29 -
2 ADSL-Testnetz
Eingabe:
LIST ..
Ausgabe:
(die oberste Ebene von AL-DMT)
Eingabe:
LIST fast-path-config
Ausgabe:
[in AL-DMT/{ shelf-1 slot-3 6 }:fast-path-config]
min-bitrate-up = 128
min-bitrate-down = 128
max-bitrate-up = 384
max-bitrate-down = 768
planned-bitrate-up = 512
planned-bitrate-down = 1000
Die einzelnen Bitraten wurden mit dem „SET“-Befehl auf die gewünschten Werte
eingerichtet. Die „planned-bitrate“-Zeilen betreffen nur SDSL-Leitungen. Die hier
verwendeten Werte liegen in dem aktuell von Providern angebotenen Anschlüssen.
Die „min“-Werte setzen die Grenze, an der das Modem, wenn die Bitrate
unterschritten wird, die Verbindung beendet. Das kann zu Beginn eines
Verbindungsaufbaus oder bei sich ändernden Störeinflüssen aufgrund der RateAdaption der Fall sein (siehe Abschnitt 2.1.4.3).
Die mit dem „SET“-Befehl vorgenommenen Änderungen treten nicht sofort in Kraft.
Um die Einstellungen zu übernehmen, müssen sie mit dem „WRITE“-Befehl
dauerhaft gespeichert werden..
Eingabe:
WRITE
Ausgabe:
AL-DMT/{ shelf-1 slot-3 6 } written
Verbindungseinstellungen in der Connections-Datei:
Hier werden die Einstellungen der einzelnen Modemverbindung gespeichert. Für
jede ATM-Verbindung muss eine eigene Datei angelegt und aktiviert werden. Für
die Benennung der einzelnen Verbindungen wurde nach folgender Nomenklatur
vorgegangen:
„Gerät mit Nummer“ -“eine '2' als Abkürzung von 'to'„-“Zielgerät“
Es wurden während der Diplomarbeit ausschließlich „Cell Pipe“-Modems (cp) mit
dem Contentserver (cs) verbunden. Durch diese Form der Bezeichnung können
zukünftig verwendete Geräte, wie z. B. „ADSL-Set-Top-Boxen“, in das ADSL-Netz
eingebunden und über die Namengebung schnell identifiziert werden.
- 30 -
2 ADSL-Testnetz
Um eine neue Datei mit einem frei wählbaren Namen (hier: „cp3-2-cs“) anzulegen
und zu aktivieren musste folgendes eingegeben werden:
Eingabe:
NEW connection cp3-2-cs
Ausgabe:
CONNECTION/cp3-2-cs read
Eingabe:
SET active = yes
LIST
Ausgabe:
[in CONNECTION/cp3-2-cs]
station* = cp3-2-cs
active = yes
encapsulation-protocol = atm-circuit
called-number-type = national
dial-number = ""
clid = ""
auto-profiles = yes
ip-options = { yes yes 0.0.0.0/0 0.0.0.0/0 1 60 120 no 0 0.0.0.0 r+
bridging-options = { 0 no no }
session-options = { "" "" no 120 no-idle 120 "" 0 disabled autobaud+
telco-options = { ans-and-orig no ft1 106 no no 56k-clear 0 "" "" no+
ppp-options = { no-ppp-auth none "" none "" "" "" "" stac 1524 no+
mp-options = { 1 1 2 }
mpp-options = { "" quadratic transmit 1 1 15 5 10 70 }
fr-options = { "" 16 "" transparent-link no "" 16 "" }
tcp-clear-options = { "" 0 "" 0 "" 0 "" 0 no "" 0 0 }
answer-options = { }
usrRad-options = { global 0.0.0.0 1646 "" 1 acct-base-10 }
calledNumber = ""
cross-connect-index = 0
atm-options = { aal5-llc 8 35 106 p2p pvc no 00:00:00:00:00:00:00+
atm-connect-options = { aal5-llc 0 36 801 p2p pvc no 00:00:00:00+
atm-qos-options = { default default }
atm-aal-options = { no aal-0 1 1 }
conn-user = default
Die Eingabe eines Namens im Feld Station ist auch hier nicht zwingend nötig und
dient der Orientierung.
Da die ATM-Verbindungen nicht am DSLAM enden sondern durch ihn hindurch
zum Contentserver geleitet werden, war es nötig als „encapsulation-protocol“
„atm-circuit“ zu wählen. Werden Verbindungen im Stinger terminiert, wie es z. B.
bei einer IP-Router-Einschubkarte der Fall wäre, muss „atm“ eingestellt werden.
Eingabe:
SET station* = cp3-2-cs
SET encapsulation-protocol = atm-circuit
- 31 -
2 ADSL-Testnetz
Als nächstes wurden die Nailed Group des LIM-Ports im Abschnitt „atm-options“
eingetragen. Hier werden die Einstellungen VPI, VCI, NG der ADSL-Seite
angegeben.
Welche NG einem Port zugeordnet wurde, kann mit folgendem Befehl abgefragt
werden:
Eingabe:
WHICH -n {1 3 6}
Ausgabe:
Nailed group corresponding to port { shelf-1 slot-3 6 } is 106
Die Option „-n“ bestimmt, dass die NG des Ports 6 am Einschub 3 im Stinger
Nummer 1 angezeigt wird. Es ist umgekehrt mit „-p“ auch möglich sich den Port zu
einer NG ausgeben zu lassen.
Eingabe:
WHICH -p 106
Ausgabe:
The port corresponding to nailed group 106 is: { shelf-1 slot-3 6 }
Die durch den „WHICH“-Befehl gewonnene Information wurde mit folgender
Eingabe eingetragen:
Eingabe:
SET nailed-group = 106
LIST atm-options
Ausgabe:
[in CONNECTION/cp3-2-cs:atm-options]
atm1483type = aal5-llc
vpi = 8
vci = 35
atm-enabled = yes
nailed-group = 106
cast-type = p2p
conn-kind = pvc
vp-switching = no
target-atm-address = 00:00:00:00:00:00:00:00:00:00:00:00:00:00:00+
target-select = required
target-vpi = 0
target-vci = 0
spvc-retry-interval = 10
spvc-retry-threshold = 1
spvc-retry-limit = 0
atm-direct-enabled = no
atm-direct-profile = ""
vc-fault-management = none
vc-max-loopback-cell-loss = 1
- 32 -
2 ADSL-Testnetz
fr-08-mode = translation
atm-circuit-profile = ""
oam-support = yes
Die VPI- und VCI-Angaben gelten für die von den ADSL-Modems ankommenden
Kanäle und entsprechen den Standardeinstellungen.
Eingabe:
SET vpi = 8
SET vci = 35
Wechselt man in den Dateiabschnitt „atm-connect-options“, so kann man die
Einstellungen der Trunkverbindung bearbeiten.
Eingabe:
LIST ..
LIST atm-connect-options
Ausgabe:
[in CONNECTION/cp3-2-cs:atm-connect-options]
atm1483type = aal5-llc
vpi = 0
vci = 36
atm-enabled = no
nailed-group = 801
cast-type = p2p
conn-kind = pvc
vp-switching = no
target-atm-address =
00:00:00:00:00:00:00:00:00:00:00:00:00:00:00:00:00:00:00:00
target-select = required
target-vpi = 0
target-vci = 0
spvc-retry-interval = 10
spvc-retry-threshold = 1
spvc-retry-limit = 0
atm-direct-enabled = no
atm-direct-profile = ""
vc-fault-management = none
vc-max-loopback-cell-loss = 1
fr-08-mode = translation
atm-circuit-profile = ""
oam-support = yes
Die
Standardeinstellung
„VPI=0“
bewirkt
Virtual-Channel-Switching
(VC-Switching). Hierbei wird nicht der Pfad durch den Stinger geschleift, sondern
- 33 -
2 ADSL-Testnetz
die Kanäle aus dem Pfad der LIM-Seite in einen Anderen auf der Trunk-Seite
umgeleitet. Für jedes angeschlossene Modem muss ein eigener Kanal (hier VCI 36)
festgelegt werden.
Eingabe:
SET vci = 36
Auch der Trunkport wird über eine NG bestimmt. Der ATM-Anschluss befindet sich
im Trunkmodul in Slot 17. Die entsprechene NG wird wie bei den ADSL-Ports
abgefragt und eingetragen.
Eingabe:
WHICH -n {1 17 1}
Ausgabe:
Nailed group corresponding to port {shelf-1 trunk-module-1 1} is 801
Eingabe:
SET nailed-group = 801
Auch hier ist ein dauerhaftes Speichern der Einstellungen in die Datei „cp3-2-cs“ mit
„WRITE“ zum Aktivieren der Änderungen nötig.
Eingabe:
WRITE
Ausgabe:
CONNECTION/cp3-2-cs written
2.3.1.4 Dienstgüte (Quality-of-Service-Verträge)
Im Abschnitt „CONNECTION/atm-qos-options“ können Vereinbarungen zum
Verhalten der Verbindung als QoS-Contracts angegeben werden. Hierbei handelt es
sich um Dateien, die Grenzwerte von z. B den zulässigen Verzögerungen der
einzelnen ATM-Zellen enthalten. Zusätzlich zu den grundlegenden Eigenschaften
der verschiedenen AAL werden in QoS-Verträgen die Eigenschaften der Verbindung
weitergehend und anwendungsspezifisch festgelegt. Es ist beim Stinger möglich
unterschiedliche Verträge für Up- und Downstream anzugeben.
[in CONNECTION/cp3-2-cs:atm-qos-options]
usr-up-stream-contract = default
usr-dn-stream-contract = default
Prinzipiell unterscheidet man zwischen fünf QoS-Kategorien [STI-99]:
- 34 -
2 ADSL-Testnetz
1. Constant Bit Rate (CBR)
stellt eine fixe Datenrate mit minimalen Verzögerungen zu Verfügung.
Besonders für anspruchsvolle Sprach- und Videoübertragung (z. B.
Videokonferenz).
2. Real-time Variable Bit Rate (real-time-VBR)
bietet bei schwankenden Bitraten geringen Jitter und eignet sich somit
für Anwendungen wie Streaming von komprimierten Videodaten, deren
Datenraten variieren.
3. Non-real-time Variable Bit Rate (non-real-time-VBR)
ist für Übertragungen mit schwankenden Raten, die unsensibel
Verzögerungen gegenüber sind, gedacht.
4. Available Bitrate (ABR)
stellt die momentan im Netzwerk verfügbare Datenrate bereit (BestEffort-Service). Sie ermöglicht eine Kontrolle des Datenflusses durch
Netzkomponenten.
5. Unspecified Bit Rate (UBR)
beinhaltet keine besonderen Merkmale zur Sicherung der Dienstgüte. Sie
wird hauptsächlich für Daten verwendet, die mit stossartigen Bitraten
(Burst-Charakteristik) arbeiten (z. B. Filetransfer oder E-Mail).
Die für rundfunktechnische Anwendungen im ADSL-Netz wichtigsten Merkmale
der QoS-Kategorien sind Verzögerung und Jitter der ATM-Zellen sowie die
Verfügbarkeit der Bandbreite. Bei den Verträgen „CBR“ und „real-time-VBR“ wird
dafür gesorgt, dass keine oder nur sehr geringe Zell-Verzögerungen entstehen und
zusätzlich wird bei CBR die geforderte Bitrate reserviert und kann so nicht von
anderen Übertragungen verwendet werden.
Ein QoS-Vertrag für die ADSL-Leitung selbst ist normalerweise unsinnig, da sie nur
von einem Modem verwendet wird und so immer die gesamte verfügbare Bandbreite
nutzen kann. Ein Servicevertrag kann die Verbindung nicht schneller machen,
sondern nur dafür sorgen, dass z.B. ATM-Zellen in richtiger Reihenfolge gesendet
werden oder eine bestimmte Bitrate reserviert ist. Daher wird für Anschlüsse die für
die Verbindung zum Internet, Filetransfer oder E-Mail vorgesehen sind, meist kein
QoS vereinbart, was einem UBR-Vertrag entspricht.
Die eigentlichen Engstellen entstehen nach dem DSLAM. Hier kann es vorkommen,
dass die z. B. für Videoübertragung benötigte Bandbreite (mit UBR-Einstellungen)
von anderen Übertragungen beschnitten wird, wenn sie von der gesamten
verfügbaren Bandbreite zu viel belegen. Ist für die Verbindung zu dem Server ein
CBR-Servicevertrag festgelegt worden, kann dies verhindert werden. Die
Verbindungen im IRT-ADSL-Netz waren in ihrer Bandbreitennutzung ungestört,
- 35 -
2 ADSL-Testnetz
was eine Bitratenreservierung durch QoS-Vertrag im Backbone überflüssig machte.
Somit wurden nur UBR-Verträge festgelegt.
Ein UBR-QoS-Vertrag für eine ADSL-Leitung zum Stinger ist wie folgt aufgebaut
und wird entweder mit „READ ATM-QOS Dateiname“ eingelesen oder mit „NEW
ATM-QOS Dateiname“ neu erstellt.
[in ATM-QOS/default]
contract-name* = default
traffic-descriptor-index = 1
traffic-descriptor-type = noclp-noscr
atm-service-category = ubr
peak-rate-kbits-per-sec = 0
peak-cell-rate-cells-per-sec = 0
sustainable-rate-kbits-per-sec = 0
sustainable-cell-rate-cells-per-sec = 0
ignore-cell-delay-variation-tolerance = yes
cell-delay-variation-tolerance = 0
ignore-max-burst-size = yes
max-burst-size = 0
aal-type = aal-0
early-packet-discard = no
partial-packet-discard = no
tag-or-discard = discard
external-change = no
Wird bei der Einstellung „peak-rate-kbits-per-sec“ eine „0“ als Grenzwert
eingegeben, so wird die maximale Rate verwendet. Ansonsten können hier mit
„SET“ benötigte Grenzwerte angegeben werden.
Wenn verschiedene Geräte die selbe ADSL-Verbindung nutzen, können auch auf der
ADSL-Leitung QoS-Verträge nötig sein. Das ist z. B. der Fall, wenn neben dem
Modem auch eine ADSL-Set-Top-Box vorhanden ist, die einen Audio- und
Videodatenstrom von einem Server auf den heimischen Fernseher liefert
(vgl. Abschnitt 3.5). Würde man parallel zur Set-Top-Box die ADSL-Leitung für
Filetransfer o. ä. verwenden, könnte der Videodatenstrom so sehr eingeschränkt
werden, dass die Übertragung unterbrochen wird oder ins Stocken gerät. Um dies zu
vermeiden, kann für die Verbindung der Set-Top-Box ein CBR-QoS-Vertrag
vereinbart werden um die zeitkritische Übertragung zu sichern.
2.3.2 ADSL-Modem
Das ADSL-Modem „CellPipe“ von Lucent setzt die ATM-ADSL-Verbindung um
auf 10Base-T-Ethernet. Im Gegensatz zu den Modems, die man von Verbindungen
über die Telefonleitung gewohnt ist, verbindet man sich hier über eine
Netzwerkkarte mit dem ADSL-Modem. Für den Client ist das Modem wie in einem
normalen Netzwerk als Gateway sichtbar. Wie in Abbildung 8 in Abschnitt 2.3.1.2
- 36 -
2 ADSL-Testnetz
zu sehen ist, hat das Modem zwei Netzwerkadressen. Eine über die es von der
Client-Seite angesprochen wird und eine Andere für das entfernte Netz. Das Modem
routet zwischen den beiden Netzen.
Da ADSL-Verbindungen sich aufgrund ihrer Struktur für dauerhafte Verbindungen
auch mit einer festen IP-Adresse anbieten, ist im Modem eine Firewall zum
Absichern der Verbindung eingebaut. Zudem können die Einstellungsmenüs
Passwortgeschützt werden. Dies ist besonders interessant, wenn Netzbetreiber
vorkonfigurierte Modems an Kunden ausgeben und ein Verändern der Eigenschaften
verhindern möchten.
Das Modem verfügt neben den Ethernet- und Telefon-Anschlüssen auch über eine
serielle RS-232 Schnittstelle. Zum Konfigurieren kann das Modem entweder über
die Serielle- oder über die Ethernet-Schnittstellen an einen Computer angeschlossen
werden. Über Telnet werden die Einstellungen im ADSL_Modem auf einer
Tabellenförmigen Bedieneroberfläche vorgenommen (siehe Abbildung 9) Um eine
Ethernet-Verbindung zum Modem aufbauen zu können, muss zuvor eine IP-Adresse
eingetragen werden.
Abbildung 9: Konfigurationsmenü des "CellPipe"-Modems mit Statusinformationen
Anknüpfend an das Beispiel der DSLAM-Konfiguration (vgl. Abschnitt 2.3.1.3)
werden im Folgenden die vorgenommenen Änderungen am Modem beschrieben.
Mit den Tastenkombinationen „STRG-N“ für „weiter“ und „STRG-P“ für
„zurück“ kann man den Cursor im Menü bewegen. Ein Untermenü oder Einstellung
wird mit „RETURN“ ausgewählt. Die Taste „ESC“ wechselt in die nächst höhere
Ebene, und fragt bei Bedarf ab, ob Änderungen gespeichert werden sollen. Durch
drücken der „Tab“-Taste wird der nächste Rahmen selektiert.
Das wichtigste Untermenü ist das „Configure“-Menü (siehe Abbildung 9). Hier sind
alle wichtigen Punkte für eine Verbindung zusammengefasst. Wie beim DSLAM
„Stinger“ ist es nötig für jede zusätzliche Verbindung eine neue „Connection“-Datei
anzulegen. Die Einstellungen im „Configure“-Menü entsprechen automatisch der
- 37 -
2 ADSL-Testnetz
ersten „Connection“-Datei. Weitere können vom Hauptmenü aus unter „Ethernet“
im Menüpunkt „Connections“ erstellt werden.
Das Modem sollte zwischen dem Subnetz des Clients und dem WAN
(Contentserver) routen. Hierzu wurden die interne IP-Adresse des Modems bei „My
Addr“ und bei „Rem Addr“ die Adresse, unter der das Modem nach außen hin
(WAN) erreichbar sein soll, eingetragen. Die Zusätze hinter den IP-Adressen
spezifizieren die Subnetz Maske. Die „/29“ entspricht „255.255.255.248“ mit 8
Adressen und „/24“ entspricht „255.255.255.0“ wodurch 256 Adressen zur
Verfügung stehen [CEL-99]. Die Eingetragenen Namen dienen hier der besseren
Orientierung und sind nicht zwingend notwendig. Das „Route“-Feld auf „IP“ und das
„Bridge“-Feld wurde auf „No“ gesetzt.
Im Feld „Encaps“ wird für die ATM-Verbindung zum DSLAM „ATM“ ausgewählt.
Damit ist die Einstellung vom „Chan Usage“-Feld auf „Leased/Unused“ nötig. Die
Werkseinstellungen für den virtuellen Pfad und Kanal (VPI=8 und VCI=35) wurden
beibehalten und der Stinger entsprechend konfiguriert. Durch die Einstellung von
ATM-Logical-Link-Control (ATM-LLC) bei „Mux Type“ wird erreicht, dass, im
Gegensatz zu ATM-Virtual-Circuit (VC), das transportierte Protokoll im
LLC-Header beschrieben wird und so verschiedene Protokolle in der
ATM-Verbindung verwendet werden können.
Mit diesen Grundeinstellungen kann die Modem-Verbindung zum Stinger aufgebaut
werden. Bei manchen Leitungen war es für einen verlässlichen Betrieb nötig, die
„Auto Sense“-Einstellung bei „Line Code“ manuell auf „G.dmt“ zu stellen.
In Abbildung 9 sind neben dem Hauptmenüfenster noch acht weitere kleine Rahmen
zu sehen, in welchen diverse Informationen zu den bestehenden Verbindungen
aufgeführt sind. Sie können besonders bei einer Fehlersuche hilfreich sein (vgl.
Abschnitt 2.4).
2.3.3 Contentserver
Der Contentserver war der einzige über die ADSL-Strecke erreichbare Rechner. Der
Grund dafür war zum Einen, dass es nur möglich war, statische Verbindungen durch
das ATM-Netz zu realisieren18 und zum Anderen war die Kapazität des einen Servers
ausreichend für die Anforderungen im Testnetz
Der Contentserver stellte mögliche Angebote des Rundfunks in ADSL-Netzen
repräsentativ dar. Durch ihn wurden Dienste wie ein Webserver, Audio- und
Videostreaming und Filedownload angeboten. Die verschiedenen Inhalte wurden
zusammengefasst auf einer HTML-Seite im Netz angeboten (vgl. Abschnitt 3.6.1).
2.3.3.1 Hardware
Mit dem DSLAM war der Contentserver über eine 155-Mbit/s-ATM-Netzwerkkarte
verbunden. Für die physikalische Verbindung wurden Multimode-Glasfaserleitungen
verwendet. Über diese Leitung wurde der Datenverkehr zu den einzelnen Clients
18 Für mehr Informationen hierzu siehe Abschnitt 2.3.1.2.
- 38 -
2 ADSL-Testnetz
geleitet. Inhalte wie z. B. die Bilder einer Live-Kamera, wurden dem Contentserver
über eine eigene 100-Mbit/s-Ethernet-Schnittstelle eingespeist. Hierdurch sollte die
Möglichkeit geschaffen werden Daten mit dem Server austauschen zu können, ohne
die Testleitung zu belasten. Zudem war die Ethernet-Karte mit dem IRT-LAN
verbunden, was Zugriffe z. B. zu Testzwecken über ein zweites Netz erlaubte.
Der Server, ein leistungsstarker Standard-PC, war mit zwei Intel Pentium
Prozessoren (800 MHz) und 512 Mbyte Arbeitspeicher (RAM) ausgestattet. Um
grosse Datenmengen schnell bearbeiten zu können, wurde als Massenspeicher ein
Festplatten-Raidsystem verwendet. Dies ist ein Verbund mehrerer Festplatten (hier
neun) die vom System wie eine einzige, große Festplatte verwendet werden. Durch
verschiedene Techniken ist es u. a. möglich, die Daten auf den Platten so verteilt zu
speichern, dass es z. B. möglich ist eine Festplatte aus dem System zu entfernen ohne
Daten zu verlieren. Ein Raidsystem kann sich, neben der erhöhten Datensicherheit,
durch seinen hohen Datendurchsatz auszeichnen. Je nachdem, welches Raid-Prinzip
eingesetzt wird.
2.3.3.2 Software
Als Betriebsystem für den Contentserver wurde „Microsoft Windows NT 4.0“
gewählt. Ausschlaggebend hierfür war, dass nur für dieses System Treibersoftware
für die ATM-Netzkarte mit CLIP-Unterstützung verfügbar war. Ein weiteres
Kriterium war die Verfügbarkeit von Software und die reibungslose Integration in
das Windows-Netzwerk im IRT.
Der Apache-Webserver (Version 1.3.20) ist eine frei verfügbare Software, die
weltweit auf vielen19 Internetservern installiert ist. Durch ihn werden dem Client
Netz-Dienste über das Hypertext-Tranfer-protocol (HTTP) zu Verfügung gestellt,
wie u. a. das Anzeigen von „HTML“-Dokumenten im „Browser“ des Nutzers. Durch
den Einsatz von Hypertext Markup Language (HTML) ist das
plattformübergreifende Anbieten von nahezu jeder Information über Netzwerke
möglich. Programme zur Darstellung der Inhalte (Browser) sind in allen gängigen
Betriebsystemen und sogar in Geräten wie Mobiltelefonen verfügbar.
Um auf dem Contentserver auch Audio- und Video-Streaming-Inhalte anbieten zu
können wurden sog. Streaming-Server von „Real Networks“ und „Microsoft“
installiert. Das Softwarepaket „Real Server 8.0“ von „Real Networks“ ist für die
Betriebsysteme von Microsoft sowie für Linux/Unix verfügbar. Die
„Microsoft Media Server“-Software wird nur für „Microsoft“-Betriebssysteme
angeboten. Es wurden diese beiden Systeme ausgewählt, da sie z. Z. aufgrund ihrer
Verbreitung und Entwicklungen die Wichtigsten auf dem Markt sind.
Ein Streamingserver bietet u. a. die Möglichkeit einen Videodatenstrom direkt vom
Server zu beziehen ohne die Daten vorher auf der eigenen Festplatte speichern zu
müssen. Dies setzt, für eine reibungslose Übertragung durch verbindungslose Netze,
bestimmte Übertragungstechniken voraus. Auf die Arbeitsweise und Möglichkeiten
der Streamingserver wird in Abschnitt 3.2.2 genauer eingegangen.
19 Laut Hersteller verwendeten im Februar 2000 ca. 6 Millionen Internetserver „Apache“.
- 39 -
2 ADSL-Testnetz
2.4 Fehlersuche im ADSL-Netz
Die Thematik der Fehlersuche und Messtechnik in Computernetzen20 kann äußerst
komplex sein. Der folgenden Abschnitt soll deshalb nur ein Überblick über die
wichtigsten Informationsquellen des ADSL-Netzes zur Fehlersuche oder
Netzoptimierung bieten. Im aufgebauten Netz gab es folgende drei Möglichkeiten
sich detaillierte Informationen über den Netzzustand zu beschaffen.
1. DSLAM-Management
2. Modem Konfigurationsmenü
3. Software (extern oder im Betriebsystem integriert)
Probleme im Netz können durch falsche Konfiguration und physikalische
Einwirkungen wie z. B. ein defektes Kabel, Überhitzung von Geräten oder
elektromagnetische Störeineinflüsse entstehen.
2.4.1 DSLAM
Das TAOS-Betriebsystem des DSLAM ist in der Lage Informationen über die
ADSL-Leitungen, die Anschluss-Ports und die bestehenden Verbindungen
auszugeben.
Treten, während man Stinger-Management angemeldet ist, Fehler oder besondere
Ereignisse auf, so werden diese direkt auf dem Bildschirm ausgegeben. Auf Wunsch
ist es möglich diese Meldungen in Protokolldateien speichern zu lassen.
Einen Überblick über alle installierten LIM-Ports und den zugehörigen Namen, kann
man mir dem „DIR“-Befehl erhalten. In folgender Ausgabe sind drei Ports
verwendet.
Eingabe:
DIR AL-DMT
Ausgabe:
37 05/23/2001 06:36:45
48 11/13/2001 09:42:16
47 11/12/2001 10:02:25
37 05/23/2001 06:37:02
37 05/23/2001 06:37:36
58 10/26/2001 02:39:45
37 09/21/2000 13:09:04
(. . .)
38 09/21/2000 13:09:04
{ shelf-1 slot-3 1 }
{ shelf-1 slot-3 2 }
{ shelf-1 slot-3 3 }
{ shelf-1 slot-3 4 }
{ shelf-1 slot-3 5 }
{ shelf-1 slot-3 6 }
{ shelf-1 slot-3 7 }
1:3:1
cp3
cp1
1:3:4
1:3:5
cp2
1:3:7
{ shelf-1 slot-3 24 } 1:3:24
In den Profil-Dateien der ADSL-Ports können genaue Angaben über Zustände der
Verbindungen abgerufen werden. Die beiden wichtigsten sind „physical statistik“
und „physikal status“. In der Statistik sind u. a. Informationen abrufbar, die durch
20 Für weitere Informationen zu diesem Thema siehe [HOL-97].
- 40 -
2 ADSL-Testnetz
die Stinger-Hardware gemessen wurden und in keinem anderen Abschnitt aufgeführt
sind.
Eingabe:
READ AL-DMT { 1 3 6 }
LIST physical-statistic
Ausgabe:
[in AL-DMT-STAT/{ shelf-1 slot-3 6 }:physical-statistic]
line-up-timer = { 1 0 37 }
rx-signal-present = yes
up-dwn-cntr = 7
self-test = passed
noise-margin-down = 36
attenuation-down = 7
output-power-down = 6
noise-margin-up = 22
attenuation-up = 10
output-power-up = 11
near-end-fec = 0
near-end-crc = 2
near-end-hec = 0
far-end-fec = 0
far-end-crc = 0
far-end-hec = 0
received-rs-blocks = 355537184
transmitted-rs-blocks = 355537184
incoming-cells = 0
outgoing-cells = 0
Neben den Angaben über eine bestehende Modemverbindung („rx-signal-present“)
und aufgetretene Übertragungs-Fehler sind die Informationen zu den Leitungspegeln
die wichtigsten. Die Zeilen „output-power“ geben die Ausgangsleistung der
jeweiligen Senderichtung in dBm an. Auch die Leitungsdämpfung des Hin- und
Rückkanals kann unter„attenuation“ in dB abgelesen werden. Die Angabe „noisemargin“ gibt den Rauschabstand der Kanäle in dB an.
Unter „near-end“ (am DSLAM) und „far-end“ (am ADSL-Modem) ist die Anzahl
folgender erkannter Fehler aufgelistet:
FEC
=
Forward Error Correction
CRC =
Cyclic Redundancy Check
HEC =
Head Error Checksum
Die im „physikal status“ einsehbaren Angaben sind ein Überblick über
Einstellungen, die auch in den jeweiligen Abschnitten überprüft werden können.
Man spart sich durch diese Liste ein Durchsuchen verschiedener Abschnitte der
Konfiguration.
Von den „statistic“- zu den „status“- Angaben wechselt man durch:
- 41 -
2 ADSL-Testnetz
Eingabe:
LIST ..
LIST physikal-status
Ausgabe:
[in AL-DMT-STAT/{ shelf-1 slot-3 6 }:physical-status]
if-group-index = 60
unit-type = coe
dev-line-state = port-up
up-stream-rate-fast = 864000
down-stream-rate-fast = 8000000
up-stream-rate-interleaved = 0
down-stream-rate-interleaved = 0
up-stream-latency = fast
down-stream-latency = fast
firmware-ver = K28
ansi-adsl-ver = 2
initial-adsl-ver = 1
hardware-ver = 5
modem-hw-state = init-ok
accum-bit-err = 6202
num-sec-valid = 30066
num-sec-invalid = 159
operational-mode = g-dmt
2.4.2 Modem
Das Modem bietet rechts vom Konfiguration-Menüfenster eine übersichtliche
Tabelle mit acht Informations-Zellen (siehe Abbildung 10). Mit der „TAB“-Taste ist
es möglich, zum nächsten Fenster zu springen um dort mit der Tastenkombination
„Strg-N“ durch die jeweiligen Listen zu blättern.
- 42 -
2 ADSL-Testnetz
Abbildung 10: Informationsfenter des Modems
Die einzelnen Fenster des Menüs (von oben links nach unten rechts) sind
Schwerpunkten zugeordnet, die im Folgenden mit den wichtigsten Eigenschaften
erklärt sind:
1. Line Status
zeigt neben der Firmwareversion an, ob und mit welcher Geschwindigkeit
eine Verbindung besteht.
2. System Events
listet die wichtigsten System-Ereignisse auf.
3. Session Status (Sessions)
gibt alle aktiven „connections“ an.
4. Dynamic Statistics (Dyn Stat)
zeigt wichtige Informationen über die physikalische Verbindung wie die
Stärke des Empfangssignals in „dB“ oder die Anzahl der
Verbindungsunterbrechungen an.
5. WAN Status (WAN Stat)
zählt die über die ADSL-Strecke gesendeten, empfangenen und fehlerhaften
Pakete.
6. Ethernet Status (Ether Stat)
zählt die über die Ethernet-Verbindung gesendeten, empfangenen und
fehlerhaften Pakete.
7. System Options (Sys Option)
liefert Informationen wie die Seriennummer und Software-Version des
Modems.
- 43 -
2 ADSL-Testnetz
8. Hardware Configuration (HW Config)
führt u. a. die MAC-Adresse des Modems auf.
Anhand dieser Daten kann z. B. schnell überprüft werden, ob eine Verbindung
besteht, welche Fehlermeldungen ausgegeben wurden und die wie häufig Pakete
fehlerhaft übermittelt wurden. Voraussetzung hierfür ist, dass man Zugang zu dem
eventuell passwortgesicherten Einstellungsmenü des Modems hat.
Meist werden die Modemeinstellungen über die Ethernet-Schnittstelle
vorgenommen. Falls diese aufgrund eines Problems nicht zur Verfügung steht, kann
man auf die serielle Schnittstelle ausweichen.
Das Modem verfügt über verschiedene Leuchtdioden, welche anzeigen, ob eine
LAN- bzw. WAN-Verbindung besteht und ob die Leitung gerade aktiv verwendet
wird.
2.4.3 Software
Wichtige Netzwerkinformationen, nicht nur zur Fehlersuche, können auch über
Software gewonnen werden. In den meisten Betriebsystemen wie Linux und
Windows sind Programme zur Netzüberwachung (Netzmonitore) bereits integriert.
Durch sie können z. B. Netzlasten, oft auch getrennt nach Up- und Downstream,
grafisch dargestellt werden.
Die mitgelieferten Programme sind meist nicht sehr umfangreich. Möchte man mehr
Details über den Datenverkehr im Netz erfahren, ist es u. U. nötig sich spezielle
Software zu kaufen. Im Rahmen der Diplomarbeit wurde zur Analyse und
Darstellung der Daten, die über die Netzwerkschnittstelle transportiert wurden,
neben Software der Betriebsysteme das Windows-Programm „LANdecoder32“21
(Version 3.20) der Firma „Triticom“ verwendet.
Der Hauptunterschied zwischen Netzwerkmonitoren und Netz-Analyse-Software ist
die Möglichkeit der Analyse-Programme den Datenverkehr zu interpretieren und die
Informationen, bei Bedarf gefiltert, zu speichern. Diese können dann nach dem
Protokollieren untersucht und weiter verwendet werden.
Die Software „LANdecoder32“ wurde auf einem Notebook installiert und über eine
mitgelieferte „Anschluss-Box“, eine Art Hub, in den zu untersuchenden EthernetAbschnitt eingebunden. Über die „Anschluss-Box“ war es der Software möglich den
gesamten Datenverkehr auf der Leitung abzuhören, ohne selber in das Netzwerk
eingebunden werden zu müssen.
Mit dem Programm ist es möglich den Datenverkehr einzelner Stationen durch ihre
IP- oder MAC-Adresse gefiltert darzustellen. Auch können die Adressen der
erreichbaren Stationen aufgelistet werden und künstlicher Datenverkehr im Netz
generiert werden.
21 Mit diesem Programm erstellte Grafiken sind in Abschnitt 3.6 aufgeführt.
- 44 -
3 Anwendungen
3 Anwendungen
In diesem Kapitel werden die wichtigsten Möglichkeiten, Rundfunkinhalte an
Teilnehmer zu verteilen und die Voraussetzungen hierfür erklärt und anhand
verschiedener Versuche die Grenzen aktueller Technik, wie ADSL und ISDN,
untersucht. Hierfür wird auf die verwendeten Protokolle und Prinzipien der
verwendeten Softwaresysteme eingegangen und anhand verschiedener Beispiele
erklärt.
3.1 Rundfunkinteressen
Der Begriff „Rundfunk“ steht für Radio und Fernsehen. Es werden also Bild- und
Ton-Inhalte verbreitet, die hauptsächlich der Information und Unterhaltung dienen.
Empfangen wird das Programm von den Rundfunkteilnehmern über Antennen oder
Breitbandkabel. Beides sind in diesem Fall unidirektionale Verbindungen, die keine
Interaktionen mit dem Nutzer erlauben. Eine Programmverteilung über ein
Computernetz würde eine bidirektionale Verbindung zum Teilnehmer darstellen und
neue Möglichkeiten der Programmgestaltung schaffen.
3.1.1 Inhalte
Das Angebot an Fernsehprogrammen und Inhalten ist nicht nur auf reine
Unterhaltungs-, Sport- oder Nachrichtensendungen begrenzt. Eine Vielzahl an
Kanälen bieten themengebundene Programme mit z. B. Musik-, Verkaufs- und
Bildungssendungen an. Das ermöglicht dem Zuschauer aus vielen Live-ProgrammSparten zu wählen. Mit Hilfe eines Recorders, können Sendungen auch zur weiteren
Verwendung aufgezeichnet werden. Möchte man Filme, die nicht gerade ausgestrahlt
werden, sehen, hat man zudem die Möglichkeit sich eine Kopie auszuleihen. Bei der
Verbreitung von Inhalten über Datennetze lassen sich diese Angebotsformen
kombinieren.
Das Rundfunkprogramm kann über ein Computernetz in verschiedenen Formen
verbreitet werden. Entweder in seiner klassischen Form, bei der sich der Teilnehmer
in ein laufendes Programm zuschaltet. Oder in Form einer Datenbank (ähnlich einer
Videothek), in der die Inhalte bereitgestellt werden und vom Kunden bei Bedarf
abgerufen und somit selbst gestaltet werden. Dies stellt eine Erweiterung zu den
Auswahlmöglichkeiten, die Spartenkanäle bieten, dar.
Die Möglichkeit kurze Nachrichtensendungen in begrenzter Qualität über das
Internet abzurufen, besteht schon. Ein Angebot, längere Beiträge oder Filme in guter
Qualität zu beziehen, wird erst durch die Verbreitung von Netzzugängen mit hohen
Datenraten, wie sie ADSL bietet, sinnvoll.
Hörfunkinhalte haben, im Vergleich zu Fernsehinhalten, deutlich niedrigere
Datenraten, wodurch sie in komprimierter Form schon heute sinnvoll über
Computernetze verteilt werden. Das Angebot an Radiostationen, die ihr LiveProgramm über das Internet anbieten ist bereits sehr groß. Oft werden die Sendungen
herkömmlicher Radiosender zusätzlich über Internetserver bereitgestellt. Es gibt
aber auch Radiostationen, die sich auf die Verbreitung im Internet spezialisiert
- 45 -
3 Anwendungen
haben. Der Aufwand einen Radionsender nur für das Internet zu betreiben kann sehr
gering gehalten werden, wodurch es sogar Privatpersonen möglich wäre, ein eigenes
Programm zu verbreiten. Im Folgenden soll der Schwerpunkt auf die Verbreitung
von Fernsehinhalten gelegt werden, da hier die Vorteile einer ADSL-Verbindung
besonders zum Tragen kommen.
Über Computernetze ist es möglich, Daten von Servern überall auf der Welt
abzurufen. Somit wächst das Angebot für den einzelnen Teilnehmer und der
Wettbewerb unter den Anbietern.
Das Angebot an Bildungsprogrammen im Fernsehen hat sich einen festen Platz im
Programmangebot gesichert. Fernsehsender wie der „Bayerische Rundfunk“ (BR)
haben eigene Bildungs-Kanäle eingerichtet, deren Inhalt aus Reportagen,
Diskussionen und auch aus Lehrsendungen besteht. Im Programm des BRBildungskanals „BR-α“ werden auch Vorlesungen verschiedener Universitäten
gesendet. Im Projekt „UNI-TV“22 werden Vorlesungen aufgezeichnet und zu
Fernsehsendungen verarbeitet. Die Aufzeichnungen werden zudem auch auf Servern
zum Download bereitgestellt.
Für die praktischen Anwendungen im Rahmen dieser Diplomarbeit wurden Inhalte
von UNI-TV-Sendungen als Programmbeispiel verwendet. Sie eignen sich gut zur
Beurteilung unterschiedlicher Einstellungen. Das Material lag in guter Qualität zur
Weiterverarbeitung vor. Es konnte die Bild-Qualität, wie z. B. die Lesbarkeit von
Schriften und Tafelbildern und die Ton-Qualität, von Sprechern und Musik, beurteilt
werden (Genaueres zur Verwendung in Abschnitt 3.6).
3.1.2 Anforderungen
Um Programminhalte sinnvoll über ADSL-Anschlüsse anbieten zu können, ist es
nötig die Anforderungen an Bildqualität, Netzleistung, Verbreitungsform, Hard- und
Software zu definieren. Die Forderungen können, je nach Anwendungsbereich und
Zielgruppe, variieren.
An Nachrichtensendungen werden bezüglich Bild- und Tonqualität nicht so hohe
Ansprüche wie an einen Spielfilm oder eine Sportübertragung gestellt. Und Sprache
ist, durch die Nutzung eines im Vergleich zu Musik kleineren Frequenzspektrums,
einfacher zu komprimieren als der Ton eines mit Musik und Effekten versehenen
Kinofilms.
Wichtig sind Eigenschaften wie Bildwiederholfrequenz, Auflösung, Tonqualität und
Kodierqualität des Angebots. Diese Einstellungen hängen stark davon ab, über
welche Verbindung diese Inhalte an welche Rechner zu welchem Zweck verteilt
werden.
22 Ein Gemeinschaftsprojekt an dem u. a. der BR, das IRT und die Universität Erlangen beteiligt
sind. Weitere Informationen können über die Internetseiten bezogen werden (siehe Anhang).
- 46 -
3 Anwendungen

Soll die Sendung auch auf leistungsschwachen Computern verarbeitbar sein oder
ist sie auf eine bestimmte Leistungs-Kategorie zugeschnitten?

Wird der Film auf einem PC oder einem TV-Gerät betrachtet?

Sollen die Daten live empfangen werden oder werden sie vor der Wiedergabe
lokal gespeichert um dann bei Bedarf abgespielt zu werden?
Fragen dieser Art müssen geklärt werden, um zu entscheiden, in welcher Form der
Programminhalt vorliegen muss. In Abschnitt 3.6 werden Rahmenbedingungen der
Programmverteilung über das ADSL-Netz untersucht.
Ein wichtiger Punkt ist das Gerät, mit dem der Programminhalt wird. Soll das Bild
auf einem Computermonitor oder auf einem Fernsehgerät betrachtet werden? Durch
die Weiterentwicklung von Bildschirmen und den Fähigkeiten von Computern ist es
möglich ein Fernsehsignal über einen Computer zu empfangen und auf einem
angeschlossenen TV-Gerät auszugeben. Filme über den Computerbildschirm zu
betrachten ist sicher nur in bestimmten Situationen, wie Kurznachrichten oder
Börseninformationen, interessant. Die Größe und die, in diesem Fall ungünstige
Schärfe der Computerbildschirme macht sie für das Betrachten von komprimierten
Videos oft ungeeignet.
Die Verbindung zwischen Server und Bildschirm kann auch, anstelle eines
Computers, über Set-Top-Boxen, unabhängige Empfangsgeräte, geschehen. Wie in
Abschnitt 3.5 angesprochen, können diese eine eigene Verbindung zu
Contentservern unterhalten, über die Rundfunkinhalte bezogen werden können.
Momentan wird der Empfang von Rundfunkinhalten über ADSL-Netze meist mit
Hilfe eines Computers und entsprechender Software realisiert. Es sind
unterschiedliche, zueinander nicht kompatible Systeme, auf dem Markt, auf die in
Abschnitt 3.4 genauer eingegangen wird.
Je unabhängiger die Software vom Computer-Betriebsystem oder proprietären
Standards ist, desto flexibler kann sie eingesetzt werden. Oft ist die entsprechende
Software schon Bestandteil des Betriebsystems.
Daten, die durch Computer abgespielt oder empfangen werden, können
normalerweise auch lokal abgespeichert werden. Wie bei einem Videorecorder,
können die abgespeicherten Inhalte beliebig oft genutzt und eventuell auch bearbeitet
werden. Daher ist eine Form der Nutzungseinschränkung für gewisse Anwendungen
notwendig. Eine der interessantesten Nutzungsmöglichkeiten ist sicher das Abrufen
von Sendungen „On-Demand“. So, wie z. B. Filme in einer Videothek ausgeliehen
werden und für den Nutzungszeitraum bezahlt wird, so können auch Filme über
ADSL-Netze auf dem heimischen PC geladen werden, wobei der Inhalt nur solange
abspielbar sein darf, wie dafür bezahlt wurde.
Solche Mechanismen werden bei heutigen Projekten23 dieser Art über eine
Manipulation der Player-Software erreicht. Man bezahlt für einen bestimmten
Zeitraum im Voraus und bekommt eine entsprechend eingestellte Version der
Player-Software mitgeliefert.
23 In Deutschland bietet die Firma „Arcor“ eine virtuelle „On-Demand“-Videothek an.
- 47 -
3 Anwendungen
3.2 Formen der Programmverbreitung
Die zwei, im Folgenden erläuterten, Hauptprinzipien der Audio/Video-Verbreitung
über ein Computernetz sind „Streaming“ und „Download“. Bei beiden Prinzipien
werden die Daten über die Netzverbindung an das Empfangsgerät geschickt. Sie
stellen aber unterschiedliche Ansprüche an die Bandbreite und Verlässlichkeit des
ADSL-Netzes.
3.2.1 Download
Wird eine Datei von einem Server aus dem Netz heruntergeladen, so spricht man von
„Download“. Für Rundfunkinhalte bedeutet dies, dass die Datei erst komplett über
das Netzwerk auf den Rechner geladen werden muss, bevor man ihren Inhalt
wiedergeben kann. Man kann die Datei auch aufteilen, wodurch nach dem Download
des ersten Teilstücks schon mit dem Abspielen begonnen werden kann, während im
Hintergrund die nächsten Teile übertragen und gespeichert werden.
Treten während der Übertragung Fehler auf, so können diese durch die
Fehlerschutzmechanismen der Transportprotokolle erkannt und vermieden werden.
Diese Form der Übertragung eignet sich besonders für Inhalte, die nicht sofort
betrachtet werden. Mit steigender Qualität steigt auch die Datenmenge stark an.
Wenn man die entsprechende Download-Zeit in Kauf nimmt, kann man Filme in
guter Qualität (z. B. 500 kbit/s) auch über relativ langsame Verbindungen
(z. B. ISDN mit 128 kbit/s) beziehen.
Hier zwei Beispiele zu verschiedenen Download-Situationen:
Download-Bitrate
Qualität 1
Qualität 2
500 kbit/s
2000 kbit/s
1000 kbit/s
ca. 45 Min.
ca. 3 h
768 kbit/s
ca. 1 h
ca. 4 h
Tabelle 5: Download-Zeiten eines 90-Min- Films
Die in Tabelle 5 verwendeten Bitraten entsprechen ungefähr den Ober- und
Untergrenzen, in den sich aktuelle Anwendungen, mit guter Qualität, bewegen.
Diese Werte sollen nur einen Eindruck vermitteln, in welcher Größenordnung sich
die Ladezeit bewegen kann. Um die 90-Min-Filme aus dem Beispiel über eine
ADSL-Datenleitung auf Festplatte abzuspeichern, werden ca. 322 MByte bzw.
1,26 GByte Speicherplatz benötigt.
Die Qualität des Bildmaterials ist abhängig von dem verwendeten Kodierverfahren
und wird sich bei gleicher Bitrate aufgrund der Weiterentwicklung der
Komprimierverfahren sicher noch verbessern. Je nach Inhalt, können mit 300 kbit/s
bis 500 kbit/s Qualitäten vergleichbar mit der des „Video Home Systems“ (VHS)
erreicht werden (vgl. 3.6 und [SCH-01]).
- 48 -
3 Anwendungen
Eine sehr positive Eigenschaft lokal gespeicherter Audio/Video-Daten ist neben der
dauerhaften Verfügbarkeit, die Möglichkeit die Wiedergabe zu unterbrechen und
beliebig vor und zurück zu springen.
Mit spezieller Software, kann der Inhalt der Datei, die gerade gespeichert wird, über
das Verfahren „Progressive Download“ schon während des Speicherns betrachtet
werden. Das Verwenden der Abspielfunktionen ist hier auf die bereits gespeicherten
Daten beschränkt. Da die Daten so schnell wie es die die Netzlast zulässt übertragen
werden, können, durch Schwankungen in der Downloadrate, Unterbrechungen bei
der Wiedergabe entstehen. Liegt die Bitrate des Inhalts über der (durchschnittlichen)
Datenrate der Netzverbindung, so ist eine Sofortige Wiedergabe
ohne
Unterbrechungen nicht möglich.
Die Hauptvorteile dieser Übertragungsform sind die dauerhafte Verfügbarkeit des
Inhalts (nach dem Speichern), die Möglichkeit der Betrachtung ab Start des
Ladevorgangs und die einfache Handhabung, da kein zusätzlicher Aufwand
zwischen Server und Client betrieben werden muss. Die Wiedergabe von
Live-Inhalten oder Funktionen wie „Vorlauf“ sind hierbei nicht möglich.
3.2.2 Streaming
Mit „Streaming“ wird der Vorgang bezeichnet, bei dem die Daten als
zusammenhängender Paket-Daten-Strom über das ADSL-Netz direkt von der
Abspielsoftware entgegengenommen und wiedergegeben wird. Die empfangenen
Daten werden normalerweise nicht lokal abgespeichert. Dadurch muss kein
zusätzlicher Speicherplatz zu Verfügung gestellt werden.
Dieses Verfahren hat den grossen Vorteil, dass der Inhalt sofort einzusehen ist und
keine langen Wartezeiten entstehen. Um Schwankungen im Datenstrom ausgleichen
zu können, werden die ankommenden Daten im Player gepuffert. Die Größe des
Zwischenspeichers richtet sich hauptsächlich nach der Verbindungsqualität und der
Bitrate des kodierten Signals und kann bis zu 20 s groß sein.
Je stärker der Streaming-Inhalts die Bandbreite des Anschlussnetzes ausreizt, desto
höher werden die Anforderungen bezüglich Verfügbarkeit der Bitrate,
Paketverzögerung und Jitter. Ist die Verbindungsqualität zu gering, wird trotz Puffer
die Wiedergabe unterbrochen oder gerät ins Stocken, weil der Puffer nicht
ausreichend gefüllt werden kann.
Um sich ändernden Übertragungsraten anpassen zu können, wurden von den
Herstellern verschiedener Streaming-Software entsprechende Verfahren entwickelt
(mehr dazu in Abschnitt 3.4).
Man unterschiedet bei Streaming zwei Unterarten, die beide die Möglichkeit bieten
Inhalte „live“ zu senden bzw. zu empfangen und einen Datenstrom bei Bedarf
anzufordern.
- 49 -
3 Anwendungen
3.2.2.1 On-Demand-Streaming
Wenn Programminhalte gespeichert auf einem Server vorliegen und vom Nutzer bei
Bedarf ausgewählt und als Daten-Strom bezogen werden, spricht man von
„On-Demand-Streaming“. Das in Abschnitt 3.2.1 erklärte Download-Verfahren stellt
auch eine Form des „On-Demand“-Bezuges dar. Nur dass die Audio/Video-Daten
beim Streaming direkt vom Massenspeicher des Servers bezogen werden, ohne
vorher lokal gespeichert zu werden..
Bei dieser Form des Abspielen ist es durch die Kommunikation mit der
Serversoftware möglich wie bei lokal gespeicherten Daten die Wiedergabe zu
unterbrechen und zu allen Stellen im Inhalt zu springen. Allerdings muss vor der
erneuten Wiedergabe der Puffer neu gefüllt werden, was eine Verzögerung von
mehreren Sekunden darstellen kann.
3.2.2.2 Live-Streaming
Bei Live-Streaming werden die Daten der Quelle, wie z. B. eine Filmkamera, direkt
über den Server, der die Daten zur Übertragung vorbereitet, angeboten. Ein solcher
Live-Stream verhält sich ähnlich einem herkömmlichen Fernsehempfang. Man
schaltet sich im laufenden Programm zu und hat keine Möglichkeit die Wiedergabe
zu pausieren oder vorzuspulen.
Der besondere Vorteil von Live-Streaming ist, dass man sehr aktuelle Daten
verbreiten kann und weder auf der Sende- noch auf der Empfängerseite
Speicherplatz zur Archivierung der Daten benötigt wird.
3.2.2.3 Unicast
Unicast ist die aktuell am meisten genutzte Verbreitungsvariante. Wie die Silbe
„Uni“ schon beschreibt, werden einzelne Datenverbindungen aufgebaut. Egal ob
Live- oder On-Demand-Streaming, für jeden Teilnehmer wird eine eigene
Punkt-zu-Punkt-Verbindung aufgebaut. Wenn nun 100 Clients den selben Inhalt
beziehen möchten wird auch das 100fache der Bitrate auf den Hauptstrecken (z. B.
zwischen Contentserver und dem ersten Netzknoten) benötigt (siehe Abbildung 11).
Selbst wenn zwei der Empfänger im selben Raum sitzen, werden zwei unabhängige
Datenströme gesendet. Jede der Verbindungen ist unabhängig von den Parallelen,
wodurch eine individuelle Steuerung möglich ist.
Diese Form der Verteilung ist nicht sehr ressourcensparend, ermöglicht aber die
individuelle Steuerung der einzelnen Verbindungen. Um eine Vielzahl an Clients
versorgen zu können, sind entsprechend große Datenleitungen im Backbone-Netz
und beim Nutzer nötig.
- 50 -
3 Anwendungen
Contentserver
Netzknoten 1
Datenstrom 1
Datenstrom 1
Datenstrom 2
Datenstrom 2
Netzknoten 2
Datenstrom 1
Client 1
Datenstrom 3
Datenstrom 3
Datenstrom 2
Client 2
Client 3
Abbildung 11: Prinzip der Unicast-Verteilung
3.2.2.4 Multicast
Bei Multicast (MC) wird versucht die Netzlast, die aufgrund vieler paralleler
Unicast-Ströme entstehen kann, durch Bündeln der Ströme zu reduzieren. Beim
Aufbau einer Streaming-Verbindung wird der Weg durch das Netz bestimmt und die
Daten für jeden Wegabschnitt nur einmal gesendet. An jedem Netzknoten, an dem
sich die Wege der einzelnen Pakete trennen, wird eine Kopie des Datenpakets erstellt
und verteilt. So kann man erreichen, dass besonders die stark frequentierten
Netzabschnitte nur einmal für jedes Streaming-Angebot belastet werden (siehe
Abbildung 11).
Die Einsparung kann sich bis kurz vor den Client ergeben. Möchten z. B. zwei
Nutzer im selben LAN, den gleichen Programminhalt beziehen, so müssen die Daten
nur einmal durch das Netz an das Ziel-LAN gesendet werden, in dem sie von allen
MC-Stationen empfangen werden. Somit wird auch hier nur einmal die Bandbreite
des Streams benötigt. Wichtig hierbei ist, dass von der Quelle bis zum Nutzer alle
beteiligten Abschnitte MC unterstützen müssen.
Um Multicast anbieten zu können, muss spezielle Hardware im Netz verwendet
werden. Bestehende Netze in der geforderten Durchgängigkeit auf Multicastfähigkeit
aufzurüsten, sofern möglich, ist aufwändig und somit kostenintensiv. Aus diesen
Gründen ist es unwahrscheinlich, dass das Internet in absehbarer Zeit multicastfähig
sein wird.
Multicasting ist besonders für Live-Angebote geeignet, da hier alle Clients zeitgleich
von der Quelle versorgt werden können. Auch die Zusammenarbeit mit
Set-Top-Boxen, die ihre Daten über Multicast alle gleichzeitig beziehen, ist
denkbar.
- 51 -
3 Anwendungen
Contentserver
Netzknoten 1
Multicast-
Multicast-
Datenstrom
Datenstrom
Netzknoten 2
Datenstrom
Datenstrom
Client 1
Datenstrom
Client 2
Client 3
Abbildung 12: Prinzip der Multicast-Verteilung
MC-Netze, wie der Multicast-Backbone (MBone), werden wahrscheinlich eigene
Netze sein, die speziell für die Audio/Video-Streaming-Versorgung von Kunden
reserviert sind. Der MBone ist ein experimentelles Netz verschiedener
Internet-Service-Provider (ISP), das Multicast-Hardware innerhalb des Internets
einsetzt und so ein virtuelles, unabhängiges Streaming-Netz im Internet schafft .
[MIL-98]
3.3 Protokolle höherer OSI-Schichten
Bei der Übertragung von Multimedia-Inhalten spielen unterschiedliche Protokolle
zusammen, die dem Datentransport und der Kontrolle der Übertragung bzw. der
Netzverbindung, dienen. Besonders bei Streaming werden spezielle, eigens dafür
entwickelte Protokolle eingesetzt
3.3.1 Transport-Protokolle
Die Transport-Protokolle sind der OSI-Schicht 4 zugeordnet. Sie bauen auf
IP-Verbindungen auf und erweitern die Eigenschaften des Internet-Protokolls
(vgl. Abschnitt 2.2.5). Die am häufigsten verwendeten Protokolle, wie das
Transport-Control-Protocol (TCP), und deren Aufgaben werden im Folgenden
beschrieben.
TCP:
Die zu übertragenden Daten werden von TCP24 segmentiert und in nummerierte
Pakete eingebettet. Durch TCP werden zum Ziel der Datenpakete eine virtuelle
Verbindung aufgebaut und die Datenübertragung gesteuert und überwacht. Treten
Störungen oder Datenverluste auf, so werden die betroffenen Daten wiederholt
gesendet. Durch die Kontrollmechanismen und die Kommmunikation zwischen den
beiden Gegenstellen, belegt TCP mehr Bandbreite auf der Datenleitung durch
Protokolldaten (vgl. Abschnitt 3.3.3) als verwandte Transportprotokolle wie das
User-Datagramm-Protocol (UDP) oder das Real-Time-Transport-Protocol (RTP).
24 TCP: RFC 793
- 52 -
3 Anwendungen
Für den Einsatz bei Streaming-Übertragungen eignet sich TCP, aufgrund des
Overheads und der, für diese Anwendung unnötigen Kontrolleigenschaften, weniger
als z. B. UDP. Wenn bei Streaming-Übertragungen Pakete verloren gehen, ist meist
aufgrund der Verzögerungen und Puffergrößen keine erneute Anforderung der
Datenpakete sinnvoll. Zudem können, durch die Abspielsoftware, kleinere
Datenlücken oft sehr erfolgreich vor dem Betrachter verborgen werden.
UDP:
Das OSI-Schicht-4 -Protokoll UDP25 dient, wie TCP, der Übermittlung von Daten
über IP, bietet aber, bis auf die Erkennung von verfälschten Datagrammen, keinerlei
Schutz gegen Übertragungsfehler.
Der dadurch geringere Protokoll-Overhead macht UDP zu dem bei Streaming
bevorzugten Protokoll. Für Anwendungen, die keine Fehlertoleranz aufweisen wie
z. B. Filetransport, sollte UDP nicht eingesetzt werden.
RTP:
Das Real-Time-Transport-Protocol26 baut meist auf UDP auf und ist speziell für die
Übermittlung von Audio/Video-Inhalten im Streaming-Verfahren konzipiert worden.
Es kann zur Übertragung aber auch andere OSI-Schicht-4-Protokolle, wie TCP,
verwenden. RTP arbeitet eng mit dem Real-Time-Control-Protocol (RTCP)
zusammen.
RTCP:
RTP wird durch RTCP27 ergänzt und gesteuert. Es kontrolliert die Übertragung und
kann, aufgrund von Informationen der beteiligten Stationen, Rückschlüsse über den
Verbindungszustand ziehen und diese an die betroffenen Anwendungen weitergeben.
Dabei werden maximal 5%
der verfügbaren Bandbreite für RTCP-Daten
verwendet [WAN-01b].
3.3.2 Protokolle der Anwendungsschicht
Die Anwendungsschicht entspricht der OSI-Schicht 7 (vgl. Abschnitt 2.2.2). Die
Protokolle dieser Ebene werden direkt von den Programmen verwendet und sind
wichtige Bestandteile der Übertragung von Rundfunkinhalten über Datennetze.
HTTP:
Die Verbindung zum Web-Server des ADSL-Netzes wurde über das
verbindungsorientierte Hypertext-Transfer-Protocol aufgebaut. Es dient im
klassischen Anwendungsfall der Übermittlung von Webseiten für die Darstellung im
Browser.
25 UDP: RFC 768
26 RTP: RFC 1890
27 RTCP: RFC 1889
- 53 -
3 Anwendungen
HTTP kann im Prinzip für die Übertragung von beliebigen Daten verwendet werden.
So auch für Streaming-Inhalte. Der besondere Vorteil darin liegt in der Flexibilität.
In manchen Netzen ist der Einsatz anderer Protokolle der Anwendungsschicht, wie
z. B. das Real-Time-Streaming-Protocol (RTSP), durch eine Firewall28 gesperrt. Um
dennoch eine Verbindung zu einem Streaming-Server aufbauen zu können, kann auf
HTTP ausgewichen werden. Spezielle Eigenschaften der reinen StreamingProtokolle stehen hierbei nicht zur Verfügung.
RTSP:
Dieses Protokoll ist von Real Network, Netscape und der Columbia University
speziell für die Übertragung von Streaming-Inhalten entwickelt worden. Es ist in
einem offenen Standard an HTTP und RTP angelehnt und stützt sich bei der
Übertragung auf UDP und TCP.
Verbindungen die (z. B. vom Real-Player) über RTSP29 aufgebaut werden, können
spezielle Funktionen nutzen, die es u. a. erlauben den Datenstrom zu Pausieren oder
aufzuzeichnen und oder Informationen über die Verbindung auszutauschen
[WAN-01b].
Da RTSP als offener Standard vorliegt und von wegweisenden Firmen wie
Real Networks und Netscape verwendet wird, spielt es im Streaming-Bereich eine
wichtige Rolle.
MMS-Protokoll:
Das Microsoft-Media-Server-Protokoll ist eine proprietäre Entwicklung der Firma
Microsoft. Eingesetzt wird es, ähnlich wie RTSP, zur Streaming-Übertragung mit
Hilfe von UDP und TCP. Es bietet auch spezielle Funktionen zur Steuerung der
Wiedergabe von Dateien im Microsofts Advanced-Streaming-Format (ASF).
Durch die Integration des MMS-Protokolls in die Microsoft-Betriebsysteme (z. B.
über die Multimediasoftware), ist eine entsprechende Verbreitung gegeben.
3.3.3 Protokoll-Overhead
Als Overhead bezeichnet man hier Daten, die zusätzlich zu den eigentlichen
Nutzdaten anfallen. Jedes Protokoll fügt zusätzlich die für seine Aufgaben benötigten
Informationen hinzu, wobei die Menge des anfallenden Overheads je nach Protokoll
unterschiedlich ist.
Abhängig von den beteiligten Protokollen, können die Bandbreiten durch den
Overhead merklich beschnitten werden. Um einen Überblick über die beteiligten
Protokolle und deren Zusammenspiel zu bekommen, wird im Folgenden eine
typische Streaming-Übertragung als Beispiel erklärt (siehe Abbildung 13).
Betrachtet man eine Übertragung, wie sie in einem ADSL-Netz möglich wäre, so
werden meist u. a. folgende Protokolle verwendet: RTP, UDP, IP, ATM (vgl.
28 Eine Firewall ist eine Sicherheitseinrichtung, die den Datenverkehr zwischen Netzen überwacht.
29 RTSP: RFC 2326
- 54 -
3 Anwendungen
Abschnitt 2.2). Die einzelnen Protokolle bauen nach dem OSI-Schichten-Modell
aufeinander auf und transportieren somit auch die Zusatz-Daten der höheren
Schichten.
In Abbildung 13 sind die OSI-Schichten und die einzelnen Overhead-Größen
aufgeführt. Wird anstelle von UDP TCP verwendet, so fallen statt 8 Byte nur 20 Byte
Overhead an. Die Menge der Nutzdaten pro Paket wird in diesem Beispiel von der
maximalen Nutzlast eines IP-Paketes bestimmt, welche bei Ethernet vom
Betriebsystem meist auf 1500 Byte gesetzt wird.
Ausgehend vom IP-Payload, ergeben sich die Kapazitäten der in IP eingebetteten
Pakete. Unter IP liegt bei ADSL das ATM-Protokoll und die physikalische
Bit-Übertragung. Bei ATM werden die Nutzdaten durch AAL-5 (vgl.
Abschnitt 2.2.3) entgegengenommen und in 48 Byte große Segmente geteilt. Diese
Segmente wiederum werden von den ATM-Zellen transportiert. Bei
Netzverbindungen zu Service-Providern wird, im Gegensatz zum aufgebauten
ADSL-Testnetz, oft zusätzlich zu den aufgeführten Protokollen noch das
Point-to-Point-Protocol30 (PPP) verwendet. Dieses wird u. a. zur Identifizierung des
Teilnehmers und der Erfassung von Gebühren verwendet.
Data Link und Physical Layer (OSI-Schicht 2 und 1)
Network Layer (OSI-Schicht 3)
Transport Layer (OSI-Schicht 4)
Session Layer (OSI-Schicht 5)
Presentation und Application Layer
(OSI-SchichtI 6 und 7)
ATM
AAL-5
IP
UDP
RTP
Internet Protocol
Overhead: 20 Byte
Payload: 1480 Byte
(bei MTU von 1,5 kB)
ATM Adaptation Layer 5:
Overhead: 12 Byte
ATM-Zellen:
Overhead: 5 Byte
je 48 Byte Payload
Nutzdaten
Real Time Transport Protocol
Overhead: 12 Byte
Payload: flexibel
(typisch bis 1460 Byte)
User Datagram Protocol
Overhead: 8 Byte
Payload: Flexibel
(typisch bis 1472 Byte)
Abbildung 13: Übersicht über die verwendeten Protokolle einer typischen Streaming-Anwendung
Die in der ADSL-Hardware eingestellte Bitrate für Up- und Downstream stellt die
Bitrate dar, mit der die ATM-Zellen transportiert werden. Wenn ein Kunde z. B. eine
Verbindung mit einer IP-Datenrate von 1 Mbit/s mietet, so muss auf der
ADSL-Strecke mehr Bandbreite reserviert werden.
30 PPP: RFC 1661
- 55 -
3 Anwendungen
Welche Bitrate bereitgestellt werden muss und wieviel davon in etwa für
Audio/Video-Übertragungen zu Verfügung stehen, soll am Beispiel der in Tabelle 6
aufgeführten Protokolle berechnet werden:
Protokoll
Overhead in Byte
Payload in Byte
Overhead in %
RTP
12
1460
0,82
UDP
8
1472
0,5
IP
20
1480
1,35
AAL
12
1500
0,8
ATM-Zelle
5
48
10,4
Tabelle 6: Overhead und Payload verschiedener Protokolle
Die Summe der Overheads von RTP, UDP und IP beträgt nach (1) 40 Byte. Bezogen
auf das 1500 Byte große IP-Paket, ergibt sich daraus nach (2) ein Overhead-Anteil
von 2,67 %.
12 Byte8 Byte20 Byte=40 Byte
(1)
40 Byte
⋅100=2,67 %
1500 Byte
(2)
Um 1500 Byte (hier die Größe eines IP-Pakets) über ATM zu transportieren, werden
inklusive der weiteren 12 Byte, die durch AAL-5 hinzugefügt wird, wie in (3)
berechnet, der „31,5“-fache Payload einer Zelle benötigt. Der ungenutzte Platz der
32ten Zelle wird von der AAL mit Füllbits, die zusätzlichen Overhead darstellen,
belegt.
1512 Byte
=31,5
48 Byte
(3)
Für die 32 benötigten ATM-Zellen, von je 53 Byte Gesamtgröße, werden, nach (4),
1696 Byte auf der ADSL-Leitung zur Übertragung benötigt. Hieraus ergibt sich, wie
in (5) berechnet, ein ATM-Gesamt-Overhead von 196 Byte. Diese 196 Byte
entsprechen einem in (6) berechneten Overhead-Anteil von 11,6%.
32⋅53 Byte=1696 Byte
(4)
1696 Byte1500 Byte=196 Byte
(5)
196
∗100=11,6 %
1696
(6)
- 56 -
3 Anwendungen
Um über eine ADSL-Verbindung eine Bitrate von z. B. 1 Mbit/s für IP-Verkehr
nutzen, muss auf der ADSL-Leitung eine um den ATM-Overhead höhere Bitrate
bereitgestellt werden. Bezieht man den in (5) berechneten ATM-Overhead auf die
Datenmenge eines IP-Pakets (1500 Byte), so kann wie in (7) bestimmt werden, um
wieviel Prozent die ADSL-Datenrate über der, für IP-Verkehr gewünschten, liegen
muss.
196 Byte
⋅100=13,1 %
1500 Byte
(7)
Bei einem IP-Verkehr von 1 Mbit/s muss also, nach (8), die um 13,1 % höhere
ADSL-Bitrate von 1,131 Mbit/s bereitgestellt werden.
1 Mbit⁄ s1 Mbit⁄ s⋅0,131=1,131 Mbit⁄ s (8)
Zudem muss beachtet werden, dass Protokolle wie das RTCP zusätzlich bis zu 5
Prozent der verfügbaren IP-Bandbreite für Steuerdaten und Verbindungsinformationen verwenden können (vgl. Abschnitt 3.3.1).
Die von den ISP angegebenen Bitraten der ADSL-Anschlüsse stellen meistens die,
für den IP-Datenverkehr des Kunden, zu Verfügung stehenden dar. Von diesen
Angaben müssen noch ca. 8 % aufgrund des Protokoll-Overheads abgezogen
werden, um die theoretisch maximal für Streamingdaten zu Verfügung stehende
Bitrate zu erhalten. In Abschnitt 3.6 wurden u. a. die möglichen Bitraten anhand von
verschiedenen Übertragungen untersucht.
3.4 Software zur Verbreitung von Rundfunkinhalten
Um Audio/Video-Inhalte über Netze an Clients verteilen zu können, kann ein
Softwaresystem verwendet werden, das die Quelldaten in die benötigte Form
konvertiert, sie über geeignete Protokolle sendet und mit der Abspielsoftware beim
Empfänger kompatibel ist. Besonders letzterer Punkt sorgt dafür, dass der
Streaming-Markt unter verschiedenen Firmen aufgeteilt wird.
Die Datenraten von Videosignalen sind, im Vergleich zu Audio, deutlich höher. Ein
unkomprimiertes, qualitativ hochwertiges „Serial-Digital-Interface“-Studiosignal
(SDI) hat eine Datenrate von 270 Mbit/s. Um unkomprimierte Videoinhalte auf
Computern zu verarbeiten werden meist Dateien im Audio-Video-Interleave-Format
(AVI) mit einer Bitrate von ca. 250 Mbit/s, in Fernsehqualität, verwendet.
Da Datenströme in diesen Dimensionen in herkömmlichen Netzen und auch lokal
schwer zu handhaben sind, werden verschiedenste Algorithmen zur Kompression
und Dekompression (sog. CoDec) eingesetzt31. Die bekanntesten Standards zur
Audio/Video-Kompression sind MPEG32 1, MPEG 2 und MPEG 4. Diese können
31 Für weitere Informationen über Kompressionsverfahren siehe [SCH-01].
32 Motion Picture Experts Group
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3 Anwendungen
Bild und Ton in verschiedenen Qualitäten verarbeiten und sind mit steigender
Nummer in ihren Fähigkeiten und Zusatzfunktionen erweitert worden. Neben MPEG
sind auch die CoDecs von Real Networks und Microsoft sehr verbreitet. Beide
stellen eigene Entwicklungen mit speziellen Vorzügen dar.
Mit Hilfe dieser Verfahren ist es möglich Bild und Ton so stark zu komprimieren,
dass man sie über Computernetze, Telefonleitungen und auch über
ADSL-Verbindungen senden kann.
C ontent S erver
"E rzeugt M edienstrom
für C ontent S erver"
ATM
STM1
E thernet
100B ase-T
IR T -A T M -LA N
"V erteilt D atenstrom an
die einzeln en N utzer"
M edia-Encoder
ATM
STM1
D S LAM "S tinger"
A D SL
dow n: 8 M B it/s
up: 0,9 M bit/s
A D SL-M odem
"C ellP ipe"
E thernet
100B ase-T
Ethernet
E thernet
10B ase-T
7x
8x
9x
1x
2x
3x
1 0x
11 x
12 x
7x
8x
9x
4x
5x
6x
1x
2x
3x
1 0x
1 1x
1 2x
4x
5x
6x
E thernet
100B ase-T
C
7 8 9 101112
A
1 2 3 4 5 6
A
B
100B aseT - H U B
C lient: B
C lient A
Abbildung 14: Streaming-Prinzip im ADSL-Testnetz
Die Systeme arbeiten alle nach sehr ähnlichen Prinzipien. Daher wurden
repräsentativ die beiden wichtigsten Softwaresysteme, von Real Networks und
Microsoft, betrachtet. In Abbildung 14 ist die Vorgehensweise der Datenverteilung
und Erzeugung bei Live-Streaming im Testnetz aufgezeigt. Werden gespeicherte
Inhalte verteilt, so entfällt der Schritt des Kodierens, vorausgesetzt, die Daten liegen
in streamingfähigen Formaten vor.
Zu den Softwarepaketen gehören die Software-Player für die Clients, die
Serversoftware zum Verteilen der Daten und die Software für die Aufbereitung der
Daten, hier auf einem extra Encoder-Rechner. In dem gezeigten Beispiel teilen sich
- 58 -
3 Anwendungen
die Nutzer „A“ und „B“ die Bandbreite der ADSL-Leitung. Es ist nicht zwingend
nötig für die Verteilung der Live-Daten einen eigenen Computer zu verwenden. Es
kann bei geringen Belastungen, z. B. für Testzwecke, auch direkt auf den Encoder
zugegriffen werden, wodurch allerdings keine Vorteile des Servers genutzt werden
können.
Die Serversoftware ist in der Lage, die Anzahl der parallelen Streams zu begrenzen
um eine Überlastung zu vermeiden. Zudem kann, aufgrund der Informationen, die
mit der Abspielsoftware ausgetauscht werden, der Inhalt des Streams auf die aktuelle
Netzsituation angepasst werden. Hierbei wird der Inhalt in verschiedenen Bitraten
zur Verfügung gehalten. Unterschreitet der Datendurchsatz des Netzes die
Mindestgrenze, wird automatisch auf den nächst kleineren Datenstrom umgeschaltet.
Durch die Pufferung im Player beim Nutzer, geschieht dies bei beiden Systemen
meist ohne Unterbrechungen. Ein automatisches Wechseln zu einem höherratigen
Strom ist aber auch möglich. Somit verändert sich zwar die Wiedergabequalität in
den Abstufungen, wie sie der Provider anbietet, aber es ist eine durchgehende
Bildwiedergabe gewährleistet. Es wurde beobachtet, dass der wiedergegebene Ton,
im Vergleich zum Bild, deutlich weniger von Störungen durch Netzschwankungen
betroffen ist.
Diese Anpassungsmechanismen sind bei beiden betrachteten Systemen verfügbar.
Bei der „Surestream“-Technik von Real Networks ist es, im Gegensatz zum
Microsoft-System, möglich neben der Bild-Datenrate auch den Ton in verschiedenen
Bitraten anzubieten.
Die vom Streaming-Vorreiter“ Real Networks“ verwendeten Verfahren „Real
Video“ und „Real Audio“ sind für Bitraten von 24 kbit/s bis 768 kbit/s vorgesehen
und können durch selbst definierte Profile auch auf Raten über 1 Mbit/s eingestellt
werden. Aufgrund der Kodiereigenschaften und Rechenintensität eignen sich diese
Kodier-Ergebnisse besonders für niedrige Datenströme [SCH-01]. Bezogen werden
kann die Software, für alle gängigen Betriebssysteme, in verschiedenen Varianten
auch kostenlos z. B. über das Internet, wodurch eine hohe Verbreitung an aktueller
Software möglich ist.
Microsoft verwendet in seinen „Windows Media Tools“ einen MPEG 4 ähnlichen
CoDec, der sich auch gut für Datenraten über 700 kbit/s eignet. Die
„Media Player“-Abspielsoftware wird mit den Microsoft Betriebsystemen
ausgeliefert und ist zudem kostenlos über das Internet erhältlich. Ein erheblicher
Nachteil ist, dass die Software nur für die Systeme von Microsoft verfügbar ist.
Eine interessante Funktion des Media Players ist die Möglichkeit der Realisierung
von „Pay per view“-Angeboten33. Hierbei handelt es sich um kommerzielle
Angebote, die z. B. einen Film nur für einen bestimmten Zeitraum zur Verfügung
stellen. Die nötigen Informationen werden durch den Anbieter im Player gespeichert.
Der Inhalt ist dann nur mit dieser Software für den vereinbarten Zeitraum abspielbar.
Danach sind die Daten, auch wenn sie lokal gespeichert sind, nutzlos. Diese Form
der Handhabung eignet sich gut für On-Demand-Dienste über das Internet.
33 Einer der ersten Anbieter in Deutschland, der diese Technik nutzt, ist Arcor.
- 59 -
3 Anwendungen
3.5 Streaming-Hardware
Um Rundfunkinhalte über ADSL-Verbindungen zu empfangen, ist nicht zwingend
ein Computer nötig. Über Set-Top-Boxen ist es möglich eine Netzverbindung zu
einem Provider aufzubauen und Daten zu empfangen, welche auf einem
Fernsehbildschirm auszugeben werden. Bei den meisten Modellen34 ist es zusätzlich
möglich Internetangebote und E-Mail über Web-Browser zu nutzen.
Diese unabhängigen Geräte können über verschiedene Schnittstellen, wie Ethernet
oder auch ADSL, mit dem Netz verbunden werden. Die Inhalte werden vom
Dienstanbieter eingespeist und können als Multicast oder Unicast empfangen
werden. Die Handhabung unterscheidet sich nicht sehr von der eines herkömmlichen
Fernsehers da auch hier die Programme über eine Fernbedienung o.ä. ausgewählt
werden können. Beim umschalten zwischen verschiedenen Programmen wirkt sich
hier die „Line-Latency“-Einstellung der ADSL-Leitung aus (vgl. Abschnitt 2.3.1.3).
Ist das Verfahren „Interleaving“ gewählt, so kann es zu deutlichen
Reaktionverzögerungen kommen, da hierbei die Daten nicht zusammenhängend,
sondern, um eine höhere Störfestigkeit zu erreichen, mit anderen Daten verwürfelt
übertragen werden.
Die Möglichkeit Programminhalte „On-Demand“ zu beziehen und eingebaute
Speichermöglichkeiten (z. B. Festplatten) erweitern das herkömmliche Angebot für
den Endteilnehmer. Zudem ist eine direkte Abrechnung der bezogenen Daten nach
dem „Pay-per-View“-Prinzip realisierbar.
Die Bildqualität hängt stark von den verwendeten Kompressionsverfahren und der
verfügbaren Bitrate ab (vgl. Abschnitt 3.6). Bei den Bitraten, die durch ADSL
ermöglicht werden, sind Übertragungen in verhältnismäßig guter Qualität möglich.
Es waren leider keine passenden Geräte auf dem Markt verfügbar, die im Rahmen
der Diplomarbeit in das ADSL-Testnetz integriert werden hätten können.
Es ist schwer die Kosten beim Teilnehmer für solche Systeme abzuschätzen. Es muss
die ADSL-Leitung angemietet und die Set-Top-Box gekauft oder gemietet werden.
Dem kommt die Tatsache entgegen, dass die benötigte Zweidrahtleitung vom
Telefon bereits vorhanden ist und die Netzverbindung auch als Internetzugang
genutzt werden kann. Die Dienstanbieter müssen für eine sinnvolle Verbreitung,
entsprechende Infrastruktur aufbauen und ausreichend Programminhalte bieten.
Um Rundfunkinhalte über ADSL-Netze anbieten zu können ist es nötig, diese
entsprechend aufzubereiten. Dies geschieht mit Encoder-Geräten, die entweder als
eigenständige Hardware oder als Software auf leistungsfähigen Computern realisiert
werden können. Es ist möglich, die Daten unterschiedlichster Quellen zu kodieren.
Um die entsprechenden Schnittstellen zu erhalten, können Erweiterungskarten35 für
Rechner genutzt werden, die zusätzlich den Prozessor bei der aufwändigen
Kodierung unterstützen.
34 z. B. bei Modellen der Firma „Pace“
35 Für die Diplomarbeit wurden „Osprey“-Encoder-Karten der Firma ViewCast eingesetzt.
- 60 -
3 Anwendungen
3.6 Praktische Untersuchung von Anwendungen
Im Rahmen der Diplomarbeit wurden verschiedene Anwendungen im ADSL-Netz
untersucht. Es wurden über eine HTML-Seite auf dem Contentserver
unterschiedliche Inhalte bereitgestellt und verschiedene ADSL-Modems parallel mit
verschiedenen Bitraten betrieben und miteinander verglichen. Auch wurden die
Streamingmöglichkeiten durch das Internet den Möglichkeiten im idealisierten
Testnetz gegenüber gestellt.
Für die Streamingtests sind hauptsächlich die „Microsoft Media Tools“ (MMT)
eingesetzt worden. Prinzipiell wurden alle betrachteten Möglichkeiten auch mit der
Software von Real Networks realisiert, doch aufgrund der ähnlichen
Verfahrensweise der beiden Systeme und der besseren Eignung der MMT für hohe
Bitraten, sind ausführlichere Untersuchungen nur mit den MMT durchgeführt
worden.
Alle Inhalte wurden entweder über Download oder als Unicast-Strom von den
Teilnehmern bezogen. Die Streaming-Server-Software ist, im Gegensatz zur
verwendeten Hardware, multicastfähig. Durch den Vergleich von verschiedenen
realistischen Bitraten von Streaminginhalten und ADSL-Verbindungen war es
möglich Rahmenbedingungen für die Verbreitung von Rundfunkinhalten
abzuschätzen und das Verhalten des Systems in verschiedenen Grenzsituationen zu
untersuchen.
3.6.1 Website des Contentservers
Die Website auf dem Contentserver konnte von allen Clients des ADSL-Netztes und
über die zusätzliche Netzverbindung auch von allen Computer im IRT-LAN
aufgerufen werden. Auf ihr wurden die Beispiel-Daten in Form von Verknüpfungen
(Links) aufgeführt um sie bei Bedarf schnell und bequem aufrufen zu können. Es
wurden verschiedenen Dateien zum Download sowie Audio/Video-Sequenzen für
Streaming angeboten (vgl. Abschnitt 3.2).
Auf der CD-ROM im Anhang sind die HTML-Seiten der Website gespeichert. Sie
liegen größtenteils in ihrer ursprünglichen Form vor. Nur die Verknüpfungen
wurden, soweit möglich, angepasst, um die Funktion auch auf der CD-ROM zu
ermöglichen. Zudem wurden verschiedene Beispiel-Film-Sequenzen beigefügt, die
einen Eindruck über die Bildqualitäten vermitteln und von der CD-ROM aus
abgespielt werden können. Die Streaming-Angebote gliedern sich nach LiveStreams, welche nicht von CD-ROM abgerufen werden können und On-Demand
Angebote, deren Inhalte auch auf der CD-ROM vorhanden sind. Für das Abspielen
dieser Inhalte wird, je nach Dateityp, der „Microsoft Media Player“ oder der
„Realplayer“ von Real Networks benötigt36.
Um einen Media-Stream abspielen zu können, muss dem Player der Ort und Name
des Inhalts angegeben werden. Eine entsprechende HTML-Verknüpfung sieht wie
folgt aus:
36 Beide werden kostenlos von den Herstellern über das Internet angeboten.
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3 Anwendungen
<a href="mmst://192.168.60.60/unitv/uni-tv_clip-2M.wmv">
Durch die Angabe von „mms“ wird dem Browser mitgeteilt, welches Protokoll für
die Übertragung zuständig ist. Wird die „mms“-Angabe durch ein „t“ wie im
Beispiel oder ein „u“ erweitert, so wird die Verwendung von TCP („t“) oder UDP
(„u“) fest vorgegeben. Ansonsten wählt der Microsoft-Player das Protokoll
selbstständig, wodurch aber auch Probleme bei der Übertragung auftreten können.
Im ADSL-Netz war es, aus nicht nachvollziehbaren Gründen, notwendig, TCP
vorzuschreiben. Wurde UDP, welches meist für Streaming eingesetzt wird,
verwendet, so war es nicht möglich einen kontinuierlichen Datenstrom zu
empfangen. Eine Überprüfung der Übertragung ergab keine Auffälligkeiten, wie
große Datenverluste, auf der ADSL-Leitung (vgl. Abschnitt 2.4). Zudem war
UDP-Streaming mit dem System von Real Networks problemlos möglich.
Aufgrund der Angabe der IP-Adresse des Servers (hier 192.168.60.60) und dem
Verzeichnis-Pfad (in diesem Beispiel „unitv“), kann die Datei durch den Player vom
Server angefordert werden. Nun ist es möglich mit einem Player unterschiedlichste
auch nicht streamingfähige, Audio/Video-Datenformate (z. B. „MP3“, „WAV“,
„RM“ oder „WMV“) wiederzugeben. Verweist eine Verknüpfung auf eine Datei, die
nicht für Streaming vorgesehen ist, so wird sie automatisch vor der Wiedergabe
vollständig lokal gespeichert.
Wie in Abbildung 15 zu sehen ist, ist das Angebot der Web-Seite in die Bereiche
Info, Video, Audio und Files aufgeteilt, die auf der linken Seite ausgewählt werden
können. Jede Seite beinhaltet die wichtigsten Informationen zu den jeweiligen
Inhalten und im Bereich „Info“ können weitere Daten, wie Versionsnummern des
aktuell verwendeten Browsers und Betriebsystems abgerufen werden. Unter „Video“
und „Audio“ können verschiedene „Live“ und „On-Demand“ Angebote mit dem
Real oder Microsoft Media Player bezogen werden.
- 62 -
3 Anwendungen
Abbildung 15: Screenshot des Streamingangebots der Contentserver-Web-Seite
Auf der „Files“-Seite sind die wichtigsten Links zu den Web-Seiten der
verschiedenen Firmen, Quellen und einer PDF-Version dieser Diplomarbeit
aufgeführt über die auch diverse Software bezogen werden kann. Zudem sind
Verknüpfungen zu großen Dateien angelegt, um das Netzverhalten beim Speichern
von großen Datenmengen zu beobachten.
3.6.2 Qualität der Wiedergabe
Ein Schwerpunkt der Untersuchungen im ADSL-Testnetz war die Einschätzung der
erreichbaren Qualität von Rundfunkinhalten, die über ADSL bezogen werden. Dies
schließt die Betrachtung von möglichen Bildauflösungen, Bildwiederholfrequenzen
und benötigte Rechenleistungen ein.
In diesem Abschnitt werden, anhand von Standbildern, kritische Aspekte bei
komprimierten Bilddaten und deren Einsatzmöglichkeiten beschrieben und
unterschiedliche Grenzsituationen bei der Wiedergabe von Streaminginhalten erklärt.
Vergleich von Bildqualitäten
Die bei Audio/Video-Daten angegebenen Bitraten beziehen sich nur auf den Inhalt
der Datei. Bei der Übertragung über das Netzwerk, fallen merklich höhere Bitraten
an (vgl. Abschnitt 3.3.3). Das hier verwendete Material ist den Beispieldateien
entnommen, die auch auf der CD-ROM enthalten sind und beinhalten alle einen
Audioanteil von bis zu 128 kbit/s. Sie repräsentieren verschiedene Situationen, die,
- 63 -
3 Anwendungen
je nach Anwendungsgebiet, unterschiedlich wichtig für die sinnvolle Wiedergabe der
Inhalte sind.
Die gewählten Bildausschnitte zielen speziell auf die Wiedergabe von schwachen
Bewegungen, Personen, Grafiken und Tafelbildern, wie sie z. B. für Bildungs- und
Nachrichtenprogrammen wichtig sind ab. Eine pauschale Aussage über die
benötigten Eigenschaften der Kodierung ist, durch die unterschiedlichen
Bedürfnisse, nicht möglich. Für unterschiedliche Inhaltsgebiete müssen die
Eigenschaften, wie hier für Bildungsprogramme, jeweils speziell abgestimmt
werden.
Die Verbreitung von reinen Audioinhalten ist heutzutage, aufgrund der anfallenden
Datenraten (teils weniger als 100 kbit/s), über ADSL problemlos möglich. Die
weiteren
Untersuchungen
beziehen
sich
hauptsächlich
auf
die
Bewegtbildübertragung im ADSL-Testnetz.
Da für die Bilddaten nur ein sehr begrenzter Speicherplatz zu Verfügung steht, ist es
notwendig, verschiedene Eigenschaften zu begrenzen um dadurch mehr Kapazität für
Bildqualität zu erhalten. Zum Einen kann die Bildwiederholfrequenz, auch
Framerate, verringert werden. Und zum Anderen kann die Bildgröße beschnitten
werden. In Tabelle 7 sind verschiedene Bildformate aufgeführt.
Format
Bildpunkte/Zeile
Zeilen
Framerate
PAL
720
576
25
NTSC
720
480
30
CIF
352
288
maximal 30
QCIF
176
144
maximal 30
Tabelle 7: Verschiedene Bildformate im Überblick
Die Formate „Phase Alternation Line“ (PAL) und „National Television Standards
Committee“ (NTSC) sind die in Europa und Amerika verbreiteten Fernsehstandards.
Da bei diesen Auflösungen und 25 fps bzw. 30 fps, große Datenmengen anfallen,
wird oft ein kleineres Format wie das „Common Intermediate Format“ (CIF) oder
das „Quarter Common Intermediate Format“ (QCIF), gewählt. CIF entspricht ca.
einem Viertel und QCIF einem Sechzehntel der Bildfläche von PAL. Auflösungen
zwischen den Standardformaten sind auch möglich. Eine Besonderheit, bei den
Fernsehnormen ist, dass die Bilder durch 50 bzw. 60 Halbbilder pro Sekunde
zusammengesetzt werden. Zudem wird vom sichtbaren Fernsehbild durch das
„Overscan“-Verfahren ein Teil absichtlich abgeschnitten, um ein sauberes Bild zu
garantieren. Die resultierende sichtbare Fläche kann somit von den angegebenen
Werten abweichen.
Je nach Anwendungszweck, z. B. bei Tafelbildern, kann es sinnvoll sein, durch eine
Reduzierung der Framerate auf z. B. 15 Bilder pro Sekunde (fps) schärfere Bilder zu
übertragen. Bewegungen sind dadurch nicht mehr so flüssig wie mit 25 fps aber die
- 64 -
3 Anwendungen
Detailschärfe nimmt zu, da durch den Wegfall von 10 Bildern pro Sekunde,
Bandbreite gewonnen wird.
Da aber mit heutigen Verfahren die Bildwiederholfrequenz nicht während der
Übertragung gewechselt werden kann, ist es oft schwer einen sinnvollen
Kompromiss zu finden. Bei den Tests im ADSL-Netz wurden Inhalte mit 25 fps
verwendet und die Bitrate durch die Veränderung der Bildgröße an die
Datenverbindung angepasst.
Für die Demonstration der Bildqualitäten verschiedener Bitraten, wurden
„Windows Media Video“-Dateien mit Raten zwischen 300 kbit/s und 2000 kbit/s
verglichen. Als Beispiel wurden die drei Bitraten 350 kbit/s, 700 kbit/s und
1,5 Mbit/s gewählt. Aktuelle ADSL-Anschlüsse bieten meist Download-Bitraten von
768 kbit/s bis 1 Mbit/s wodurch
theoretisch ein Streamingempfang in den
Größenordnungen der Beispiele möglich ist. Alle Beispiele wurden von einer SDIQuelle in CIF-Auflösung kodiert um direkte Vergleiche zu ermöglichen. Ein
vollständiger Vergleich der Qualitäten ist anhand von Standbildern nur begrenzt
möglich, da Unschärfen oder Störungen oft erst beim Abspielen37 auffallen.
Zuerst werden drei Bilder (siehe Tabelle 8) eines Redners verglichen. In den
Aufnahmen kommen kaum Bewegungen vor. Für den Zuschauer ist es angenehm,
die Gestik und Mundbewegungen des Sprechenden flüssig und mit dem Ton
synchron zu sehen.
350 kbit/s
700 kbit/s
1,5 Mbit/s
Tabelle 8: Standbilder von „Redner“
Die auffälligsten Unterschiede zwischen den drei Bildausschnitten in Tabelle 8, sind
Kanten an scharfen Hell-Dunkel-Übergängen, wie sie u. a. am Kragen und Krawatte
zu finden sind. Unschärfen sind im Bereich der Stirn und Haare erkennbar. Auch die
Ergebnisse der niedrigen Bitrate sind für einen Vortrag ausreichend, weil hier
besonders die Tonqualität für eine verständliche Sprache wichtig ist.
In den nächsten Bildern (siehe Tabelle 9) ist ein Plakat mit einer beschrifteten
Landkarte in einem Vorlesungssaal zu sehen. Zusätzlich blendet ein Scheinwerfer
die Kamera. Besonders im Bereich solcher Lichtpunkte sind Unschärfen zu
erkennen. Vergleicht man die Lesbarkeit der Plakatschrift, so wird erst bei der
37 Die Quelldateien ist im Anhang auf der CD-ROM zu finden.
- 65 -
3 Anwendungen
höchsten Bitrate (hier 1,5 Mbit/s) eine akzeptable Schärfe erreicht. Um Tafelbilder o.
ä. zu übertragen, sind Bitraten unter den hier gezeigten 700 kbit/s nicht geeignet.
350 kbit/s
700 kbit/s
1,5 Mbit/s
Tabelle 9: Standbilder von „Plakat vor Tafel“
In Tabelle 10 sind Bilder, wie sie z. B. bei Projektionen oder eingeblendeten
Grafiken vorkommen, aufgeführt. Durch die idealen Bedingungen für die
Aufzeichnung, wenn die Grafik nicht wie bei den Bilder in Tabelle 9 von einem
Plakat abgefilmt werden müssen, können schon bei niedrigen Raten gut lesbare
Präsentationen übertragen werden. Die Schrift ist immer lesbar und die auftretenden
Unschärfen sind gering. Sollen nur Standbilder einer Präsentation übertragen
werden, so kann zusätzlich, durch eine Reduzierung der Bildwiederholfrequenz, die
benötigte Bitrate bei gleicher Qualität deutlich verringert werden.
350 kbit/s
700 kbit/s
1,5 Mbit/s
Tabelle 10: Standbilder von „Präsentation“
Als Letztes ist in Tabelle 11 eine besonders kritische Situation zu sehen. Die
Kamera schwenkt durch den Raum in die gezeigte Position. Während und noch kurz
danach, sind besonders bei der niedrigsten Rate starke Flecken am Bildrand zu
erkennen. Es entsteht eine Art Tunnelblick, der das Wiedererkennen des Plakats (vgl.
Tabelle 9), noch zusätzlich erschwert.
- 66 -
3 Anwendungen
350 kbit/s
700 kbit/s
1,5 Mbit/s
Tabelle 11: Standbilder von „Hörsaalüberblick“
Die maximale ADSL-Bitraten würden Video-Ströme bis zu knapp 8 Mbit/s zulassen.
Die mit Software-Encodern (Microsoft Media Tolols) maximal erreichbare Bitrate
lag in den Test bei 2 Mbit/s. Die dabei erreichte Bildqualität ist, besonders bei
höheren Auflösungen, noch immer deutlich als fehlerbehaftet zu erkennen und kaum
höher als bei 1,5 Mbit/s. Die Kodierverfahren von Microsoft und Real sind für
niedrigere Bitraten optimiert. Für Qualitätszuwachs bei Bitraten über 700 kbit/s
werden, neben hohen Rechenleistungen, immer größere Bitratensprünge benötigt.
Für Anwendungen, die nicht die volle Bildgröße von Pal oder NTSC benötigen,
können bei Bitraten unter 1 Mbit/s gute Bildergebnisse erzielt werden.
Möchte man die Auflösung von CIF auf die von PAL erhöhen und dabei die
Detailschärfe beibehalten, so ist der vierfache Datenstrom von ca. 6 Mbit/s nötig,
welche die Kapazität einer ADSL-Leitung beinahe ausschöpft. Daher wird meist eine
CIF-Auflösung gewählt und das Bild auf das, bei der Wiedergabe benötigte, Format
vergrößert. Durch Weichzeichnung kann das Auftreten von auffälligen Artefakten
nachträglich verringert werden.
Verhalten von Streaming in Grenzsituationen
Grenzsituationen entstehen, wenn die Verbindung die Grenzen ihrer
Übertragungsmöglichkeiten erreicht. Diese kann unterschiedliche Gründe haben. Der
angeforderte Datenstrom kann die verfügbare Bandbreite vollständig belegen oder
überschreiten. Oder andere Anwendungen oder Nutzer begrenzen die verfügbare
Bitrate zusätzlich oder es treten Störungen auf, die zu Datenverlusten oder
zusätzlichen Datenaufkommen (z. B. bei TCP) führen.
Im Folgenden sind vier Situationen auf einer 750-kbit/s-ADSL-Leitung durch
Graphen dargestellt, welche die Änderungen der Bitströme durch die
Steuermechanismen der Streamingsoftware, zeigen. Es handelt sich hierbei um einen
„Windows-Media“-Live-Stream vom Contentserver zu ADSL-Modems. Dargestellt
wurden die für die Übertragung genutzten Bitraten in „kByte“ (hier als Ausnahme
103 Bit und nicht 210 = 1024 Bit) als Zeitfenster über der Verbindungs-Zeit (t in
„h:Min:s“) mit dem Programm „LANdecoder32“ (vgl. Abschnitt 2.4).
- 67 -
3 Anwendungen
In Abbildung 16 ist der ideale Verlauf einer Übertragung dargestellt. Der Mittelwert
liegt hier bei 84 *103 Byte/s = 82 kByte/s = 656 kbit/s. Dies ist der maximale Wert
mit dem Streaming-Inhalte übertragen werden können. Die Differenz zur Bitrate der
ADSL-Leitung ist hauptsächlich auf den Protokoll-Overhead zurückzuführen.
Der Player stellt, wenn die Bitrate der Quelle nur leicht über der Möglichen liegt und
keine niederratigere Alternative angeboten wird, automatisch die Framerate so ein,
dass die Wiedergabe nicht vollständig unterbricht. Das kann bis zu einer Wiedergabe
von einzelnen Standbildern führen.
Abbildung 16: Kontinuierliche Datenübertragung
Können die benötigten Datenmengen über längere Zeit (Pufferlängen bis zu 20s)
nicht übertragen werden, wenn z. B. die ADSL-Strecke auch durch andere Rechner
belastet wird, und keine Alternative zur Verfügung steht, so bricht die Wiedergabe
ab bzw. es werden die wenigen Informationen als „Standbilder“ angezeigt, die
empfangen werden (siehe Abbildung 17). Können nach der Unterbrechung wieder
Daten in benötigter Rate empfangen werden, wird die Wiedergabe nach Füllen des
Zwischenpuffers wieder fortgesetzt.
- 68 -
3 Anwendungen
Abbildung 17: Abbruch des Datenstroms
Solche Unterbrechungen können, durch das Anbieten von verschiedenen Bitraten des
selben Inhalts, vermieden werden. Wie in Abbildung 18 zu sehen ist, wird von der
höheren Bitrate auf eine niedrigere umgeschaltet. Ist die Bandbreitenbeschränkung
zeitlich begrenzt, so wird die Streamingrate wieder erhöht (in Abbildung 18 rechts
als Anstieg zu sehen). Da der Client und der Server über die Streaming-Protokolle
kontinuierlich Informationen über den Verbindungszustand austauschen, kann meist
ohne Unterbrechung gewechselt werden.
Die in Abbildung 18 auf der linken Hälfte des Graphen sichtbaren, spitzen
Einbrüche der Datenrate, sind typisch für Übertragungen durch verbindungslose
Netze. Sie können durch gleichzeitige Nutzung der Leitung durch andere Computer
oder Anwendungen entstehen und die durchschnittliche Datenrate so stark
verringern, dass durch die Playersoftware ein niedrigerer Datenstrom ausgewählt
wird (zu sehen in der rechten Hälfte des Graphen).
Abbildung 18: Kurzzeitiges Umschalten auf niedrigere Streaming-Raten
- 69 -
3 Anwendungen
3.6.3 Streaming-Test durch das Internet
Um einschätzen zu können, welche Bitraten sinnvoll durch das Internet über
Streaming verteilt werden können, wurden verschiedene Versuche durchgeführt. Im
Rahmen der Diplomarbeit standen zwei unabhängige Datenleitungen für
Verbindungen über das Internet zur Verfügung. Über diese beiden Leitungen wurde
die Möglichkeit geschaffen, von einem 1,5-Mbit/s-„T-DSL“-Anschluss (Client)
durch das Internet hindurch auf einen „Microsoft-Streaming-Server“ zuzugreifen,
welcher über eine 2,3-Mbit/s-Standleitung angebunden war. Beide Leitungen wurden
von verschiedenen Providern betrieben, wodurch ein weiterer Weg zurückgelegt
werden konnte, als innerhalb des Netzwerks eines Betreibers möglich wäre.
In Tabelle 24 ist das Ergebnis der Routenverfolgung mit dem Programm „Tracert“
vom Server zum Client abgebildet und die wichtigsten Stations-Namen wurden fett
hervorgehoben. Die Messung wurde zu verschiedenen Zeiten, mit dem gleichen
Ergebnis, wiederholt. In den Spalten B, C, und D sind die Antworts-Zeiten der
einzelnen Rechner aufgeführt. Die Route fängt im „Institut für Rundfunktechnik“ in
München (Provider: UUNet) an, läuft über verschiedene Netze in München,
Frankfurt und Dortmund und endet wieder in München im Anschlussnetz der
„Deutschen Telekom AG“ (DTAG).
A
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
B
<10
<10
<10
10
<10
<10
10
10
20
20
20
30
30
80
90
ms
ms
ms
ms
ms
ms
ms
ms
ms
ms
ms
ms
ms
ms
ms
C
10
<10
<10
<10
10
10
10
10
20
20
10
31
30
80
80
ms
ms
ms
ms
ms
ms
ms
ms
ms
ms
ms
ms
ms
ms
ms
D
10
<10
<10
<10
<10
<10
20
10
10
11
20
20
30
70
81
ms
ms
ms
ms
ms
ms
ms
ms
ms
ms
ms
ms
ms
ms
ms
Name (URL)
192.168.21.251
192.168.4.1
192.168.10.108
eunet-router.irt.de
gw6.munich.de.alter.net
cr1.munich.de.alter.net
103.atm0-0.cr1.frankfurt1.de.alter.net
101.atm6-1-0.cr1.frankfurt.de.alter.net
102.atm0-0.cr1.dortmund2.de.alter.net
br1.dortmund2.de.alter.net
do-gw13.do.net.dtag.de
m-eb1.m.de.net.dtag.de
m-ag9.m.net.dtag.de
05413-1-1-gw.m.net.dtag.de
62.153.163.114
Tabelle 12: Wegverfolgung der Datenverbindung
- 70 -
IP-Adresse
[194.172.230.100]
[139.4.69.69]
[139.4.41.164]
[149.227.66.121]
[149.227.31.25]
[149.227.85.50]
[139.4.40.236]
[149.227.129.6]
[62.154.27.86]
[193.158.7.223]
[62.159.4.44]
3 Anwendungen
Zum Test wurde auf einem „Windows Media Server“ ein Livestream, mit
CIF-Auflösung bei 25 fps und 32 kbit/s Mono-Ton, in folgenden Bitraten angeboten:

500 kbit/s

358 kbit/s

226 kbit/s

100 kbit/s
Die Verbindung ließ keinen dauerhaften Datenstrom von 358 kbit/s zu. In
unregelmäßigen Abständen wurde von der Software auf den nächst niedrigeren
Datenstrom (226 kbit/s) gewechselt.
Da die Schwelle für eine kontinuierliche Übertragung zwischen 226 kbit/s und
358 kbit/s lag, wurde ein zusätzlicher Stream angeboten, welcher durch schrittweises
Erhöhen der Bitrate auf eine dauerhaft verwendbare Datenrate von 350 kbit/s
eingestellt wurde.
Das Streaming wurde über mehrere Tage zu unterschiedlichsten Tageszeiten
wiederholt, wobei sich keine merklichen Veränderungen gezeigt haben. Dass die
beiden Netzzugänge deutlich höhere Bitraten zulassen, zeigen erreichte Datenraten
von über 160 kByte/s beim Filedownload.
Da mit der verwendeten Hardware über direkte Verbindungen innerhalb des LANs
Streaming-Raten von über 1 Mbit/s möglich waren, ist davon auszugehen, dass die
Komponenten der WAN-Seite zu den Begrenzungen führen. Schwankungen in der
Datenrate können oft durch die Anpassung des Zwischenspeichers beim Empfänger
ausgeglichen werden. In den durchgeführten Versuchen, wurden typische
Puffergrößen von bis zu 20s verwendet, die in den meisten Fällen ausreichend ist.
Das Streaming-Angebot wurde, zum Vergleich mit den Möglichkeiten durch ADSL,
auch für eine ISDN-Verbindung mit 128 kbit/s angeboten. Der Inhalt wurde in
diesem Fall nur noch mit 15 fps, 20 kbit/s Mono-Ton und in QCIF-Auflösung
kodiert. Das Ergebnis war eine maximale Streaming-Rate von 97 kbit/s. Der
Audioanteil war mit 20 kbit/s in deutlich schlechterer Qualität, als bei den
Datenraten für die ADSL-Leitung, vorhanden. Für Bilddaten konnten 77 kbit/s der
97 kbit/s verwendet werden, die trotz bzw. wegen der Reduzierungen (wie erwartet)
keine hohe Bildqualität ergaben (vgl. Beispiel auf CD-ROM).
Um Streaming in guter Qualität zu realisieren sind Bitraten von mindestens
300 kbit/s nötig. Da die Bildqualität nur sehr subjektiv beurteilt werden kann, ist es
schwierig Aussagen über die Qualität verschiedener CoDecs und Bitraten ohne
aufwändige Evaluierung zu machen. Firmen38 wie Arcor und Microsoft gehen davon
aus, dass mit Bitraten zwischen 300 kbit/s und 500 kbit/s Qualitäten vergleichbar mit
VHS erreicht werden können.
38 Weitere Informationen der Firmen zu diesem Thema sind auf deren Internetseiten zu finden (für
Adressen siehe Verzeichnis im Anhang oder CD-ROM).
- 71 -
3 Anwendungen
Um diese Datenraten über Netze, wie z. B. das Internet, zu beziehen, ist ein höherer
und gleichmäßigerer Datendurchsatz nötig. Erreicht werden kann dies z. B. durch
Angebote der Provider, die auf Servern nahe der Netzzugänge liegen und speziell auf
Streamingverkehr ausgerichtet werden können. Im Vergleich zu Filedownload hat
Streaming-Betrieb deutlich höhere Ansprüche an die Netzleistung. Das “Progressive
Download“-Verfahren ist z.Z., besonders für hohe Qualitäten, eine gute Alternative.
Eine Nutzung von „On-Demand“-Angeboten ist so auch mit Netzzugängen möglich,
die für Streaming in dieser Qualität nicht ausreichend wären.
4 Messung elektromagnetischer Strahlung
Ein großer Vorteil von ADSL ist, dass als Übertragungsmedium hauptsächlich, die
bereits vorhandenen Telefonleitungen verwendet werden können. Bei der
ADSL-Übertragung werden, im Vergleich zur Sprachtelefonie, deutlich höhere
Frequenzbereiche genutzt (vgl. Abschnitt 2.1.4.2). Um zu verhindern, dass
Datenleitungen elektromagnetische Störstrahlungen aufnehmen oder abstrahlen,
werden die Leitungen entsprechend geschirmt. Eine solche Schirmung ist bei
Telefonleitungen nicht immer vorhanden.
Die Obergrenze, des von ADSL verwendeten Spektrums, liegt bei 1,1 MHz. Zudem
können Oberwellen bei Vielfachen der genutzten Frequenzen auftreten wodurch
Störungen in einem deutlich größeren Spektrum möglich sind. Treten über die
ADSL-Leitung Störaussendungen auf, so können verschiedene Funkdienste, wie
z. B. Rundfunk, Amateurfunk oder Funkuhren, dadurch gestört werden.
Im Rahmen der Diplomarbeit wurden Messungen durchgeführt, die eine
Einschätzung der zu erwartenden Störungen durch ADSL ermöglichen. Da für
Messungen an ADSL-Leitungen keine expliziten Messvorschriften vorgesehen sind,
wurden die Messungen nach der Vorschrift „Reg TP 322 MV 05“39 der
„Regulierungsbehörde für Telekommunikation und Post“ (Reg TP) durchgeführt.
In dieser dieser Messvorschrift werden die Abstände und Vorgehensweisen genau
beschrieben. Auch werden die, in der Nutzungsbestimmung 3040 (NB 30) definierten
Grenzwerte der zulässigen Störstrahlungen auf Datenleitungen aufgeführt (siehe
Abbildung 19).
39 Reg TP 322 MV 05: „Messvorschrift für Messung von Störfeldern an Anlagen und Leitungen der
Telekommunikation im Frequenzbereich 9 kHz bis 3 GHz.“ [REG-01]
40 Die „NB 30“ ist in der Frequenzbereichszuweisungsplanverordnung festgelegt.
- 72 -
4 Messung elektromagnetischer Strahlung
Abbildung 19: Grenzwerte (nach NB 30) der zulässigen Störstrahlung
4.1 Messaufbau
Die Messvorschrift sieht eine Platzierung der Antenne in einer Höhe von 1 m über
dem Boden und einem Abstand zur Datenleitung von 3 m vor. Bei den Messungen
wurde eine aktive Rahmen-Antenne „HFH 2-Z2“ der Firma „Rohde und Schwarz“
mit folgenden Eigenschaften verwendet:

Frequenzbereich:
10 kHz bis 30 Mhz

Außenduchmesser:
59 cm

Messung der magnetischen Feldstärkekomponente
Als Bezugspunkt für die Positionierung dient der Antennenmittelpunkt.
Angeschlossen wurde die Antenne an einen Funkstörmessempfänger „ESPC“ von
„Rohde und Schwarz“. Dieser ermöglicht Messungen im Frequenzbereich von
150 kHz bis 30 MHz bei einer Empfängerbandbreite von 10 kHz. Über ein Notebook
wurde der Empfänger angesteuert und die Messdaten zur grafischen Darstellung
ausgelesen.
Um genaue Messungen durchführen zu können, ist eine Umgebung mit möglichst
niedrigem Rauschpegel wichtig. Aufgrund der hohen Verbreitung von Elektrischen
Geräten sind in Gebäuden für Messungen dieser Art zu viele Störungen vorhanden.
Hinzu kommt, dass in dem zu vermessenden Spektrum (150 kHz bis 30 MHz) die
Rundfunksender als starke Pegelspitzen im Spektrum erscheinen wodurch eine
Interpretation der möglichen Anteile von ADSL erschwert wird.
Um die Störeinflüsse anderer Geräte möglichst gering zu halten, wird für die
Messungen eine elektromagnetisch geschirmte Kammer (Innenmaße: Breite = 2 m,
Höhe = 2,5 m, Länge = 3 m) verwendet. Durch sie werden Einflüsse von außen so
- 73 -
4 Messung elektromagnetischer Strahlung
stark abgeschwächt, dass sie vernachlässigbar sind. In dieser Kammer wird, wie in
den Abbildungen 20 und 21 zu sehen ist, die Messeinrichtungen und ein ADSLModem aufgestellt, dessen Ethernet- und Telefonleitung durch geschirmte
Öffnungen nach außen geleitet werden. Alle Kabel, bis auf die ADSL-Leitung,
wurden zusätzlich mit geerdeten Schirmen versehen.
Während der Messung wird das Modem, wie in der Skizze (Abbildung 20)
eingetragen, an der Decke befestigt, damit die ADSL-Leitung in der Kammer
senkrecht von oben nach unten verläuft. Dies lieferte die aussagekräftigsten Spektren
im Vergleich zu anderen Positionen.
[Kammerdecke]
Ethernet-Leitung
Modem
Antenne
Messdistanz
Test-Client
Messgerät
ADSL-Leitung
Antennen-Leitung
[Kammerboden]
Abbildung 20: Skizze des Messaufbaus (Seitenansicht)
Um zu vermeiden, dass Störungen des als Client angeschlossenen Notebooks die
Ergebnisse beeinflussen, wurde es außerhalb der Kammer aufgestellt und über das
zusätzlich geschirmte Ethernet-Kabel mit dem Modem verbunden. Der
TFT-Bildschirm des Mess-Notebooks wurde während der Messdurchgänge
ausgeschaltet, um die Störungen zu minimieren.
- 74 -
4 Messung elektromagnetischer Strahlung
Abbildung 21: Fotografie des Messaufbaus in der geschirmten Kammer
Werden Leitungen von Außen in die Messkabine geführt, so können Störungen über
die Verbindung in die Kammer geleitet werden. Aus diesem Grund werden alle
Geräte in der Kabine über spezielle, gefilterte Steckdosen mit dem Stromnetz
verbunden.
Die Größe der Messkabine (Innenmaße: Breite = 2 m, Höhe = 2,5 m, Länge = 3 m)
ließ einen Messaufbau mit einer Abstand von 3 m wie von der Messvorschrift
vorgesehen nicht zu. Die maximale Distanz zwischen ADSL-Leitung und Antenne
betrug 1,60 m, wodurch höhere Pegel gemessen werden und diese somit nicht direkt
mit den NB30-Grenzwerten verglichen werden können. Für Messungen unterhalb
der vorgeschriebenen Entfernung von 3 m, können die Pegel anhand folgender
Formeln korrigiert werden [REG-01].
E Stör =E MessE Korr
(4.1)
d Mess
E Stör=E Mess20⋅log ( d
d Mess
E Korr =20⋅log ( d
Norm
Norm
)
(4.2)
)
(4.3)
EMess
= gemessene, zu korrigierende Feldstärke
EStör
= Korrigierter Störpegel
EKorr
= Korrekturpegel in dB
dNorm
= Normentfernung, 300 cm
dMess
= Entfernung in der gemessen wurde
Für die hier verwendeten Entfernungen (dMess) von 20 cm, 80 cm und 160 cm ergeben
sich aus (4.3) folgende Korrekturpegel (Ekorr), die es ermöglichen, die Ergebnisse der
- 75 -
4 Messung elektromagnetischer Strahlung
verschiedenen Messungen bei Bedarf miteinander zu vergleichen. :
dMess in cm Ekorr in dB
20
-23,52
80
-11,48
160
-5,46
4.2 Messergebnisse
Die Einzelmessungen sind so aufgebaut, dass, durch schrittweises einbeziehen der
Komponenten, die Zunahme der Feldstärke direkt nachvollzogen werden kann. In
allen Diagrammen werden die gemessenen Feldstärke-Spitzenwerte in dBµV/m über
einer logarithmischen Frequenzachse angegeben. Für weiterführene Untersuchungen,
können Bereiche durch eine erneute, deutlich zeitaufwändigere Messung über eine
Mittelung als „Quasi Peak“ angezeigt werden, deren Wert niedriger als der
Spitzenwert ist und ausschlaggebend für die Beurteilung nach „NB30“ ist. In den
durchgeführten Messungen wurde auf eine „Quasi Peak“-Ermittlung verzichtet, da
die Ergebnisse für die gewünschte Beurteilung ausreichend waren.
In Abbildung 22 ist die Messkammer ohne Kabel nach außen und mit
ausgeschaltetem ADSL-Modem vermessen worden. Diese Leermessung zeigt das
Grundrauschen in der Kammer mit einigen vom Messgerät rot markierten
Spitzenpegeln, die überwiegend Radiosendern zugeordnet werden können. Die zwei
deutlichen Pegelspitzen bei 1 MHz werden durch das Umschalten von Filterbänken
im Messgerät erzeugt.
Abbildung 22: Leermessung (Messung 1)
- 76 -
4 Messung elektromagnetischer Strahlung
In der zweiten Messung wurde nur das Ethernet-Kabel vom nun eingeschalteten
Modem nach außen
gelegt ohne den Client-Rechner anzuschließen (siehe
Abbildung 23).
Die einzige auffällige Veränderung zu „Messung 1“ ist die deutliche Spitze bei ca.
300 kHz. Es handelt sich hierbei um eine Störung, die durch das nach außen geführte
„Twisted-Pair“-Ethernet-Kabel in die Kammer geleitet wurde. Die Zuordnung dieser
„Störung“ zu einem Rundfunksender ist nicht möglich, da in diesem Bereich kein
Sender angesiedelt ist.
Abbildung 23: ungenutztes Ethernet-Kabel (Messung 2)
Radiosender sind in dem von uns betrachteten Spektrum in folgenden Bereichen zu
erwarten [NDR-99]:
Langwelle:
153 kHz
bis
279 kHz
Mittelwelle:
520 kHz
bis
1593 kHz
Kurzwelle:
6 MHz
bis
7,2 MHz
Als Nächstes wurde die Ethernet-Leitung wieder entfernt und nur das ungeschirmte
Telefonkabel an das eingeschaltete Modem angeschlossen (siehe Abbildung 24).
Das Modem baut hierbei bereits eine ADSL-Verbindung (WAN-Verbindung) zum
DSLAM auf. Da auf der ADSL-Strecke (verwendeter Standard: G.DMT,
vgl. 2.3.1.1) ATM eingesetzt wird, werden auch dann Zellen mit der maximalen
Bitrate (hier: Download = 8 Mbit/s, Upload = 0,9 Mbit/s) gesendet, wenn keine
Nutzdaten transportiert werden müssen.
- 77 -
4 Messung elektromagnetischer Strahlung
Abbildung 24: Reine ADSL-Verbindung (Messung 3)
Im Vergleich zu Abbildung 23 haben sich, bis auf zwei Peaks (ca. 4 dB über
Grundrauschen) im Frequenzbereich von 20 MHz bis 21 MHz, keine auffälligen
Änderungen ergeben.
Für die vierte Messung wurde zusätzlich zur ADSL-Leitung das Ethernet-Kabel
angeschlossen, und mit dem ausgeschalteten Client verbunden, wodurch noch kein
Ethernet-Datenverkehr vorhanden war. Die bereits in der „Messung 3“ (vgl.
Abbildung 24) aufgetretenen Störungen oberhalb von 20 MHz sind weiter verstärkt
worden, was darauf schließen lässt, dass es sich hierbei um Störungen handelt, die
von den beiden nach außen geleiteten Kabeln eingebracht werden (siehe
Abbildung 25).
Abbildung 25: Ethernet und ADSL-Verbindung ohne Datenverkehr zum Client (Messung 4)
- 78 -
4 Messung elektromagnetischer Strahlung
Im nächsten Schritt (Messung 5, siehe Abbildung 26) wurde die Ethernet-Leitung
aktiviert und mit maximalem Datenverkehr (begrenzt durch die Kapazität von
8 Mbit/s der ADSL-Leitung) betrieben.
Abbildung 26: Ethernet- und ADSL-Verbindung mit Datenverkehr durch den Client (Messung 5)
Die bisher beobachteten Spitzen bei 20 MHz sind nicht mehr zu erkennen. Dafür
treten stärkere Pegelspitzen (ca. 5 dB über Rauschlevel) zwischen 11 MHz und
20 MHz auf, die demnach auf den Ethernet-Datenverkehr zurückzuführen sind.
Veränderungen im Bereich des von ADSL genutzten Spektrums waren bisher nicht
zu erkennen.
Um größere Feldstärken messen zu können, wurde in weiteren Messungen die
Messentfernung auf 80 cm und 20 cm verringert. Bei einer Distanz von 80 cm (siehe
Abbildung 27) ist ein allgemeines Ansteigen des Rauschpegels zu beobachten.
- 79 -
4 Messung elektromagnetischer Strahlung
Abbildung 27: Messung in 80 cm Entfernung mit Datenverkehr zum Client (Messung 6)
Bei 1,1 MHz ist (in Abbildung 27) ein neuer Peak zu erkennen, bei dem es sich um
einen nahegelegenen Mittelwelle-Sender (International Broadcast Bureau, 1197 kHz,
München-Ismaning) handelt. Überprüft wurde dies durch eine Wiedergabe des
Senders über den im Feldstärke-Messgerät eingebauten Lautsprecher und die
Frequenztabelle der „Arbeitsgemeinschaft der Rundfunkanstalten Deutschlands“
(ARD) [NDR-99].
Bei beiden letzten Messungen wurde ein sehr geringer Messabstand von 20 cm
eingestellt. Es wurde mit (Abbildung 29) und ohne Datenverkehr (Abbildung 28)
durch den Client-Rechner gemessen, um Veränderungen durch die unterschiedlichen
Daten (ATM-Leer-Zellen und Nutzdaten) auf der ADSL-Verbindung und der
Ethernet-Leitung erkennen zu können.
Abbildung 28: Abstand 20 cm ohne Datenverkehr durch den Client (Messung 7)
- 80 -
4 Messung elektromagnetischer Strahlung
Die durch den Datenverkehr verursachten Pegel im Bereich von 10 MHz bis 30 MHz
sind in Abbildung 29 deutlich als zwei Erhebungen zu erkennen. Auch ist ein
gleichmäßiger Anstieg des „ADSL“-Spektrums bis 1,1 MHz zu beobachten.
Abbildung 29: Abstand 20 cm mit Datenverkehr (Messung 8)
Eine exakte Bestimmung der durch ADSL verursachten Störstrahlung, ist aufgrund
der Messumstände (Störungen durch Ethernet und Leitungen, die aus der
Messkabine herausgeführt werden müssen) nicht möglich. Es kann aber davon
ausgegangen werden, dass die Störungen durch ADSL in diesen Messungen geringer
sind als die von Ethernet und daher als unkritisch eingeschätzt werden können.
Zudem ist zu berücksichtigen, dass es sich bei den Messungen um Spitzenpegel
handelt, welche in deutlich geringeren Abständen als vorgeschrieben aufgenommen
wurden.
5 Zusammenfassung
Im Rahmen der Diplomarbeit wurden Untersuchungen einerseits zu
Anwendungsmöglichkeiten im Rundfunkbereich sowie andererseits zu möglichen
Beeinträchtigungen von Rundfunkdiensten durch Störstrahlung in einem ADSL-Netz
durchgeführt, das als Testbed für die gesamte Infrastruktur von Provider bis zum
Endnutzer aufgebaut wurde.
Das ADSL-Testnetz konnte erfolgreich für die Darstellung unterschiedlicher
Netz-Szenarien in Betrieb genommen und für eine Integration in das vorhandene
LAN vorbereitet werden. Aufgrund der für das Netzmanagement bestehenden
Einschränkungen (nur statische Routen möglich) konnte die notwendige
Konfiguration des DSLAM für die Untersuchungen erst nach intensiven
Rücksprachen erreicht werden.
- 81 -
5 Zusammenfassung
Durch die flexible Zuteilung der Bitraten für Up/Downstream verschiedener
ADSL-Verbindungen konnten rundfunkrelevante Anwendungen, wie Streaming und
Download, unter praxisorientierten Netzbedingungen auf ihre Leistungfähigkeit
getestet und ihr Verhalten untersucht und bewertet werden.
Durch Messungen der Störstrahlung einer ADSL-Leitung konnte ein Überblick über
die Störung von klassischen Rundfunkdiensten ermittelt und deren Auswirkungen
(den Messungen zufolge unkritisch) abgeschätzt werden. Die Ergebnisse können
auch als Basis für weitere Untersuchungen dienen, wobei für detailiertere
Messungen der Einfluss der involvierten Ethernet-Verbindungen deutlich minimiert
werden müsste.
Die vorhandene Telefon-Infrastruktur erlaubt einen flächendeckenden Einsatz der
ADSL-Technik. Zudem bieten ADSL-Anschlüsse, aufgrund der flexiblen
Anpassungsmöglichkeit der Bitraten an zukünftige Bedürfnisse und der
„always-on“-Verbindung, erweiterte Nutzungsmöglichkeiten, die auch die
Verbreitung von Rundfunkinhalten einschließen können. Durch Abrechnung der
Leitungsnutzung über Volumenberechnung oder Pauschalangebote (Flatrate),
verändert sich auch das Nutzungsverhalten der Endteilnehmer die bisher
überwiegend die Verbindungszeit bezahlen mussten. Erst mit diesen Tarifstrukturen
ist auch eine Nutzung für Programmverbreitung denkbar.
Mit den aktuell gängigen ADSL-Bitraten von unter 1 Mbit/s ist es, im Gegensatz zu
Audio-Inhalten, noch schwierig, Bildmaterial in einer Qualität zu übertragen, wie
man sie vom Fernsehen oder VHS gewohnt ist. Eine Erweiterung des heute
bestehenden Angebots öffentlicher Rundfunkanstallten ist über bisherige
Netzstrukturen unter Nutzung softwarebasierter Multimediasysteme begrenzt
möglich und schon teilweise realisiert (z. B. Tageschau-Online).
Wie stark der Einsatz von Multicast-Netzen und Set-Top-Boxen die Nutzung von
ADSL für Rundfunkanwendungen positiv beeinflussen kann, ist schwer
abzuschätzen, da noch keine entsprechende Endgeräte für den Einsatz in dem
aufgebauten ADSL-Testnetz verfügbar war. Eine vollständige Verschmelzung von
PC und Fernseher, mit ADSL als einem weiteren Übertragungsmedium, ist in
Zukunft durchaus denkbar und letztendlich von den Bedürfnissen der Endteilnehmer
abhängig.
Die durchgeführten Arbeiten, Untersuchungen und Abschätzungen dienen als
Grundlage für weiterführende Studien im IRT zur Nutzung von
Access-Netzstrukturen wie „xDSL“ im Rundfunkbereich.
- 82 -
Anhang
Anhang
A.1 Abkürzungsverzeichnis
Abkürzung
Bedeutung
A
AAL
ATM Adaptation Layer
ADSL
Asymmetrical Digital Subscriber Line
ANSI
American National Standards Institute
ASF
Advanced Streaming Format (Microsoft)
ATM
Asynchronous Transfer Mode
AVI
Audio Video Interleave
C
CAP
Carrierless Amplitude Phase Modulation
CIF
Common Intermediate Format
CLIP
Classical IP over ATM
Codec
Zussammengesetzt aus Coder und Decoder
CPE
Customer Premises Equipment
CRC
Cyclic Redundancy Check
D
DMT
Diskrete Multi Tone
DSLAM
Digital Subscriber Line Access Multiplexer
E
ETSI
European Telecommunications Standards Institute
F
FTP
File Tranfer Protocol
H
HDSL
High-Bit-Rate Digital Subscriber Line
HTML
Hyper-Text Mark-up Language
HTTP
Hyper-Text Transfer Protocol
I
IEEE
Institute of Electrical and Electronic Engineers
- 83 -
Anhang
Abkürzung
Bedeutung
IP
Internet Protocol
IRT
Institut für Rundfunktechnik
ISDN
Integrated Service Digital Network
ISO
International Standards Organization
ISP
Internet Service Provider
ITU-T
International Telecommunications Union - Telecommunications
L
LAN
Local Area Network
LANE
Local Area Network Emulation
LIM
Line Interface Module
M
MAC
Medium Access Control
MMS
Microsoft Media Server
MMT
Microsoft Media Tools
MPEG
Motion Picture Experts Group
MPLS
Multi-Protocol Label Switching
MPOA
Multi-Protocol Over ATM
MTU
Maximum transfer Unit
N
NG
Nailed Group
NTSC
National Television Standards Committee
O
OSI
Open Systems Interconnection
P
PAL
Phase Alternation Line
POTS
Plain Old Telefon Service
PPP
Point-to-Point Protocol
PVC
Permanent Virtual Circuit
Q
QAM
Quadratur Amplitude Modulation
QCIF
Quarter Common Intermediate Format
QoS
Quality of Service
- 84 -
Anhang
Abkürzung
Bedeutung
R
RA
Real Audio (Real Networks)
RDP
Real-Data-Package Protocol (Real Networks)
RM
Real Media (Real Networks)
RTCP
Real-time Transport Control Protocol
RTP
Real-time Transport Protocol
RTSP
Real-time Streaming Protocol
S
SDI
Serial Digital Interface
SDSL
Symmetric Digital Subscriber Line
T
TAB
Tabulator
TAOS
True Access Operating System
TCP
Transport Control Protocol
TRUNK
ATM-Seite des DSLAM
U
UDP
User Datagram Protocol
UTP
Unshielded Twisted Pair
V
VBR
Variable Bit Rate
VC
Virtual Circuit oder Virtual Connection
VCI
Virtual Channel Identifier
VDSL
Very-high-bit-rate Digital Subscriber Line
VHS
Video Home System
VP
Virtual Path
VPI
Virtual Path Identifier
W
WAN
Wide Area Network
WMF
Windows Media (Microsoft)
WMV
Windows Media Video (Microsoft)
X
xDSL
Oberbegriff für alle DSL-Technologien
- 85 -
Anhang
A.2 Internet-Adressen-Verzeichnis
Internet Adresse
Kommentar
www.ADSL.com
ADSL-Forum
www.ANSI.org
American National Standards Institute
www.Arcor.de
Internet Provider, der auch Video-On-Demand anbietet
www.BR-Online.de
Bayerischer Rundfunk
www.ETSI.org
European Telecommunications Standards Institute
www.FH-Muenchen.de Fachhochschule München
www.IEEE.org
Institute of Electrical and Electronic Engineers
www.IRT.de
Institut für Rundfunktechnik
www.ITU.int
International Telecommunications Union
www.Lucent.de
Hersteller der verwendeten ADSL-Hardware
www.Microsoft.de
Microsoft (Player, Media Tools, Browser)
www.Netscape.de
Browser
www.Real.com
Real Networks (Player und Server)
www.UNI-TV.net
Informationen zum Projekt UNI-TV
www.RFC.net
„Request for Comment“-Datenbank
- 86 -
Anhang
A.3 Literaturverzeichnis
ADS-01
ADSL Forum, Technical Frequently Asked Questions. Internet:
www.ADSL.com, 2001.
BER-99
Berezak-Lazarus, Nadine: ADSL : Auf der Überholspur durch die
Multimedia-Welt. Bonn: MITP-Verlag, 1999.
CEL-99
Lucent Technologies: DSLPipe/CellPipe User´s Guide. Alameda: Lucent
Technologies, 1999.
DAV-00
Davie, Bruce: MPLS. San Diego: Academic Press, 2000.
DET-98
Detken, Kai-Oliver: ATM in TCP/IP Netzen. Heidelberg: Hüthig Verlag,
1998.
HOL-97
Holzmann, Jörg; Jürgen Plate: Messtechnik für Computernetze. München:
Pflaum, 1997.
MER-00
Mertz Andreas; Pollakowski Martin: xDSL & Access Networks. München:
Prentice Hall, 2000.
MIL-98
Miles Peggy: Guide to Webcasting. New York : John Wiley & Sons, 1998.
NDR-99
NDR [Hrsg.]: Hörfunk- und Fernsehsender. Bonn: Norddeutscher
Rundfunk, 1999.
PET-01
Peter, Christian: Das grosse Buch T-DSL und ADSL. Düsseldorf: Data
Becker, 2001.
PLA-99
Plate, Jürgen: Grundlagen Computernetze, Vorlesungsskript. München:
Fachhochschule, 1999.
REG-01
Reg TP: 322 MV 05. Bonn: Reg TP, 2001.
SCH-01
Schmalohr, Martin: Webcasting, Diplomarb. München: Fachhochschule,
2001.
STI-00
Lucent Technologies: Stinger True Access Operating System. Alameda:
Lucent Technologies, 2000.
STI-99
Lucent Technologies: Stinger Configuration Guide. Alameda: Lucent
Technologies, 1999.
SUM-99
Summers, Charles: ADSL : standards, implementation and architecture.
Boca Raton: CRC Press, 1999.
WAL-00
Walther Frank: Networker´s Guide. München: Markt & Technik Verlag,
2000.
WAN-01a
Wangen, Klemens [Hrsg.]: Protokolle und Dienste der
Informationstechnologie, Teil 1. Kissing: Interest Verlag, 2001.
WAN-01b
Wangen, Klemens [Hrsg.]: Protokolle und Dienste der
Informationstechnologie, Teil 2. Kissing: Interest Verlag, 2001.
- 87 -