Black Box erklärt - Zu black

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Black Box erklärt:
DSL - Digital Subscriber Line
BLACK BOX
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Inhaltsverzeichnis
1. Entstehung............................................................................................................................................................................................... 3
2. Die wesentlichen DSL-Unterschiede.......................................................................................................................................................... 4
3. Die xDSL Familie ...................................................................................................................................................................................... 4
4. Leitungscodierung.................................................................................................................................................................................... 6
5. DSL-Hardware.......................................................................................................................................................................................... 8
6. DSL-Anwendungen.................................................................................................................................................................................. 8
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1. Entstehung
Schon Ende der 80er, spätestens Anfang der 90er Jahre erkannte man, dass die herkömmlichen Datenübertragungssysteme der
wachsenden Internetgemeinde und deren Anforderungen nicht mehr gewachsen waren.
Analoge Modems nutzen über POTS (Plain Old Telephone Service) den traditionellen Telefondienst mit einem kleinen
Frequenzbereich von nur 300 Hz bis 3,4 kHz, bei einer maximalen Übertragungsrate von 56 kbit/s.
ISDN (Integrated Services Digital Network), ein Dienst integrierendes digitales Fernmeldenetz, arbeitet von 0 bis 120 kHz bei einer
Übertragungsrate von 144 kbit/s. Dabei besteht jeder ISDN-Basisanschluß, das so genannte BRI (Basic Rate Interface) aus zwei 64
kbit/s B-Kanälen (Basiskanäle) sowie einem 16 kbit/s D-Kanal (Steuerkanal). Auch der ISDN-Primärmultiplexanschluß PRI (Primary
Rate Interface) kann nur dreißig B-Kanäle und zwei D-Kanäle mit somit auf maximal 2048 kbit/s zur Verfügung stellen.
Das Bedürfnis nach Bandbreite geht aber weit über 2048 kbit/s hinaus
Definition Bandbreite:
analog – der Frequenzbereich;
digital – die Übertragungsrate
Beispiel: Nehmen wir eine Grafik mit einer Auflösung von 1280x1024
Das entspricht 1 310 720 pixel oder 31 457 280 bits bei 24 bit Farbtiefe. Eine solche Grafik über eine 1 Mbit/s-Verbindung zu
übertragen, würde 31 Sekunden dauern. Statistisch verliert aber der Durchschnitts-Internetanwender nach zwei Sekunden
Bildaufbau die Geduld. Um diese Grafik in zwei Sekunden zu übertragen, benötigt man eine 15,7 Mbit/s-Verbindung!
Die folgende Tabelle informiert über die ungefähr benötigten Bandbreiten:
Anwedung
Webseiten
Video Konferenz
Video Spiele
Multimedia (Video)
HDTV
Digitale Fotografie
Minimum
384 kbit/s
384 kbit/s
1 Mbit/s
1,4 Mbit/s
19,3 Mbit/s
3 Mbit/s
Ideal
1,5 – 12,5 Mbit/s
384 kbit/s – 1,5 Mbit/s
6 – 12 Mbit/s
5 – 12 Mbit/s
19,3 – 38,6 Mbit/s
20 – 120 Mbit/s
Tabelle 1: Bandbreitenanforderungen der gängigen Anwendungen
Also wurde das DSL-Verfahren (Digital Subscriber Line) als digitale Teilnehmeranschlussleitung weiter entwickelt. Der Begriff DSL
stammt ursprünglich aus dem ISDN-bzw. Standleitungsbereich. Auch heute steht DSL für die Verbindung zwischen dem
Teilnehmer und einer Vermittlungsstelle (Provider), der sogenannten „Last Mile“ aber für deutlich höhere Geschwindigkeiten wie
z.B. 16 Mbit/s.
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2. Die wesentlichen DSL-Unterschiede
Bei den DSL-Verfahren unterscheiden wir zwischen symmetrischen-DSL und asymmetrischen-DSL.
Beim asymmetrischen DSL haben wir unterschiedliche Datenraten für Downstream (vom Provider zum Teilnehmer) und Upstream
(vom Teilnehmer zum Provider). Asymmetrisches DSL findet überwiegend bei Internet-Anbindungen Verwendung (ADSL, ADSL2,
ADSL2+, VDSL, VDSL2). Wenn wir von einer „2000er“ oder „6000er“ DSL sprechen, ist hiermit ein (theoretischer) Downstream
von 2000 kbit/s oder 6000 kbit/s gemeint.
Beim symmetrischen DSL haben wir gleiche Übertragungsraten bei Down- und Upstream (HDSL, SDSL, MDSL, G.SHDSL, VDSL,
VDSL2). Symmetrisches DSL finden wir häufig auf Providerseite und bei Punkt-zu-Punkt Applikationen (Campus-LAN-Umfeld).
Es fällt auf, daß VDSL bei beiden Varianten auftaucht, doch dazu später mehr.
3. Die xDSL Familie
HDSL (High Bitrate DSL – G.991.1) ist ein symmetrisches DSL Verfahren über zwei oder drei Doppeladern und war die erste entwickelte DSL-Variante. HDSL arbeitet mit einer festen Übertragungsrate von 1,544 Mbit/s in USA (gemäß der T1-Spezifikation) und
2,048 Mbit/s in der übrigen Welt (E1-Geschwindigkeit). HDSL benutzte zuerst den 2B1Q-Leitungscode und später CAP (Carrierless Amplitude and Phase Modulation). HDSL kann nicht parallel mit der Telefonie über dieselben Leitungen genutzt werden. Die
durchschnittlich erreichbare Leitungslänge liegt bei ca. 5 km.
xDSL Modem
Upstream=Downstream
Kupferleitung
xDSL Modem
Downstream=Upstream
LAN B
LAN A
Abb. 1: Symmetrische DSL-Verbindung
SDSL (Single Pair – auch Single Line oder Symmetric – DSL) ist im Grunde genommen die 2-Draht-Variante von HDSL. SDSL liefert
Übertragungsraten von 192 kbit/s bis 2,312 Mbit/s in 64 kbit/s-Schritten. Als Leitungscode wird TC-PAM (Trellis Coded Pulse
Amplitude Modulation) verwendet. Die Leitungslängen liegen hier durchschnittlich bei 3,5 km. Genau wie HDSL unterstützt auch
SDSL nicht die Splitter-Technologie und ist somit auch nicht parallel zur Telefonie nutzbar. SDSL wird teilweise auch als HDSL2
bezeichnet.
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MDSL (Multirate DSL) ist ebenfalls eine Variante von HDSL über eine Doppelader. MDSL benutzt die CAP-Leitungscodierung.
MDSL ist, genauso wie SDSL, nicht durch die ITU (International Telecommunication Union) standardisiert.
SHDSL (Single Pair High Bitrate DSL) ist eine Weiterentwicklung von SDSL und HDSL.
SHDSL ist voll standardisiert gemäß ITU-T Recommendation G.991.2 und wird deshalb auch als G.SHDSL bezeichnet. G.SHDSL
benutzt ein oder mehr Adernpaare. Dabei wird bei vier-, acht- oder mehradrigen Verbindungen mit dem Loop-Bonding gearbeitet. Die maximalen Übertragungsraten liegen bei 2,3 Mbit/s bei einem Adernpaar, 4,6 Mbit/s bei zwei Adernpaaren, 9,2 Mbit/s bei
vier Adernpaaren .... usw. Die durchschnittliche Reichweite liegt bei ca. 6 Kilometer. G.SHDSL benutzt die TC-PAM 16
Leitungscodierung (das Signal wird in 16 Pegelwerten abgetastet und übertragen, man spricht hier auch von 16-stufiger PAM).
G.SHDSL.bis Erweiterung der G.SHDSL-Norm. Benutzt die TC-PAM 32 Leitungscodierung. Dadurch werden bei kürzeren
Reichweiten (bis ca. 2,5 km) wesentlich höhere Datenraten erreicht (5,7 Mbit/s bei 2-Draht, 11,4 Mbit/s bei 4-Draht und 22,8
Mbit/s bei 8-Draht). Bei größeren Entfernungen fallen G.SHDSL.bis-Modems automatisch in den G.SHDSL-Modus zurück und sind
somit voll-kompatibel zu diesen.
ADSL (Asymmetric DSL – G.992.1/G.992.2) ist, wie der Name schon sagt, eine asymmetrische Verbindung. Sie verwendet beim
Downstream eine höhere Bandbreite (bis 8 Mbit/s) als beim Upstream (bis 1 Mbit/s). Diese Technik wird parallel zur vorhandenen
Telefonie (POTS oder ISDN) genutzt. Hierzu wird ein Splitter benutzt, der mittels FDM (Frequency Division Multiplexing – jeder
hereinkommende Kanal bekommt eine bestimmte Trägerfrequenz zugewiesen) die Up- und Downstreams auf die vorhandene
Telefonleitung aufmoduliert.
Der Upstream belegt dabei den Frequenzbereich zwischen 138 und 275 kHz, der Downstream den Bereich zwischen 275 und
1104 kHz. Als Leitungscode verwendete ADSL zuerst QAM (Quadratur-Amplitudenmodulation), heute meist aber CAP oder DMT
(Discrete Multi-Tone). ADSL ist heute die meist benutzte Anschlußtechnik für den breitbandigen Internetanschluß von Firmen und
Privatpersonen. ADSL erreicht Reichweiten von ca. 6 km bis zum DSLAM (DSL Access Multiplexer) des ISP (Internet Service
Providers) dem Internet Diensteanbieter.
TelefonNetzwerk
Splitter
DSLAM
Splitter
Telefon
Modem
Internet
Datennetzwerk
Abb. 2: Der ADSL-Anschluss
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ADSL2 / ADSL2+ (G.992.3, G.992.4/G.992.5) sind Weiterentwicklungen von ADSL. Sie bieten neben mehr Störsicherheit auch
mehr Bandbreite. ADSL2 liefert beim Downstream 12 Mbit/s und beim Upstream 3 Mbit/s, ADSL2+ beim Downstream 24 Mbit/s
und 1,2 Mbit/s beim Upstream. Bei ADSL2 liegt die Reichweite etwa bei 3 km, bei ADSL2+ nur noch bei etwa 1,8 km. Dies ist
auch der Grund, weshalb DSL-Anbieter zuerst einen Verfügbarkeitscheck durchführen, bevor sie entsprechende Zusagen an ihre
Kunden machen. ADSL2+ nutzt auch den Frequenzbereich bis 2,2 MHz.
VDSL (Very High Bitrate DSL – G.993.1) ist die zurzeit schnellste Anschlußtechnik. Mit VDSL können Übertragungsraten bis zu 52
Mbit/s im Downstream und 1,5 bis 2,3 Mbit/s im Upstream erziehlt werden. Die Reichweiten liegen bei diesen hohen
Übertragungsraten allerdings unter 1 km. Die maximale Reichweite liegt bei ca. 2 bis 2,5 km, dann allerdings mit
Übertragungsraten auf ADSL-Niveau. Als Leitungscode benutzt VDSL QAM oder häufiger DMT. VDSL nutzt den Frequenzbereich
bis 12 MHz. Früher wurde VDSL auch als VHDSL bezeichnet.
VDSL2 (G.993.2) soll später Übertragungsraten von über 100 Mbit/s erreichen. Dies wird aber auf Kosten der Reichweite gehen,
die dann voraussichtlich bei ca. 350 m liegen wird. Erreicht wird diese Steigerung der Datenrate durch die Nutzung des
Frequenzbereiches bis 30 MHz. VDSL2 kann sowohl asymmetrisch wie auch symmetrisch arbeiten. Im Hinblick auf HDTV und
andere Anwendungen mit sehr hohen Anforderungen an die Bandbreite wie zum Beispiel „Triple Play“ (Fernsehen, Telefonie [IP],
Internet), bietet VDSL2 die besten Möglichkeiten. Auch für schnelle Punkt-zu-Punkt-Verbindungen stellt VDSL2 neben G.SHDSL.bis
die Zukunft dar. VDSL und VDSL2 werden meist unter dem Sammelbegriff VDSL geführt. VDSL2 benutzt ausschließlich DMT
Leitungscode. Da VDSL auch in der Lage ist, ATM-Zellen zu übertragen, indem VDSL einen Physical Layer bildet, der ein FullService-ATM-Netzwerk (wie es von den meisten Providern benutzt wird) bedienen kann, gehört dieser Technik sicherlich die
Zukunft der Internetanbindung.
IDSL, CDSL, UDSL und verschiedene andere DSL-Varianten haben mittlerweile an Bedeutung verloren und sollen deshalb hier nicht
näher angesprochen werden.
4. Leitungscodierung
Bei der digitalen Kommunikation wird durch den Leitungscode die Art
der Signalübertragung auf dem physikalischen Kanal festgelegt. Es
wird also bestimmt, wie die Nullen und Einsen gesendet und empfangen werden.
2B1Q (2 Binary 1 Quaternary) ist eine Leitungscodierung, bei der aus
zwei binären Werten (2 bits) ein quaternärer (vierstelliger) Wert gebildet wird (in einem Schritt können durch vier Spannungspegel 2 Bit
übertragen werden). Dadurch wird die Schrittgeschwindigkeit
(Baudrate) auf der Leitung halbiert.
Abb. 2: 2B1Q
QAM (Quadratur-Amplitudenmodulation), ein sogenanntes Einträger-Bandpassübertragungsverfahren, kombiniert die
Amplitudenumtastung mit der Phasenumtastung. Bei konstanter Frequenz werden Phasenwinkel und Amplitude der
Trägerschwingung zusammen mit den Digitalwerten verändert. Dabei werden die Bits gruppenweise zusammengefasst (4, 8, 16,
32, 64) und mit vier Amplituden in 12 Phasenlagen moduliert.
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DMT (Discrete Multi Tone - Mehrtonverfahren) ist eigentlich keine Codierung sondern ein Übertragungsverfahren. Es basiert auf
der 64QAM-Codierung. Es handelt sich um ein Mehrträgerverfahren, bei dem der zur Verfügung stehende Frequenzbereich in
viele kleine Frequenzbänder zerlegt wird. Die Trägerfrequenz befindet sich in der Mitte eines jeden Bandes. Es erfolgt eine eigene
Datenverbindung in jedem Band.
CAP (carrierless amplitude-phase modulation) kombiniert die Amplituden- und die Phasenmodulation. Es handelt sich um eine
trägerlose Variante des QAM-Verfahrens.
Es werden mehrere Spannungsebenen zur Verfügung gestellt (CAP-4 hat z. B. vier Spannungspegel), auf denen jeweils zwei Bit
dargestellt werden können. Dies halbiert die Bitrate im Vergleich zu einem Zwei-Ebenen-Verfahren. Bei einem System mit 16
Ebenen (CAP 16) kann auf jeder Ebene eine Sequenz von vier Bit dargestellt werden.
TC-PAM (trellis coded pulse amplitude modulation) vereinigt die Trellis-Codierung mit der Pulsamplituden-Modulation. Bei der
Trellis-Codierung wird einer bestimmten Anzahl von Bits ein weiteres Bit hinzugefügt, ein sogenanntes Sicherungspolynom. Bei
einer vier Bit Codierung werden also die vier Datenbits in fünf Bits codiert. Dies verknüpft die zeitliche Reihenfolge und dient der
Redundanz, man spricht auch von der Vorwärts-Fehlerkorrektur. Bei der Pulsamplituden-Modulation werden die
Nachrichtensignale durch Pulse abgetastet. Diese amplitudenvariablen Pulse werden übertragen und beim Empfänger in ein analoges Signal rückgewandelt. Bei dieser Modulationsart ist das Modulationssignal analog und das Trägersignal pulsförmig.
Abb 4.: PAM-Prinzipg
Loop-Bonding
Um höhere Bandbreiten über mehr Adern zu erreichen, wird heutzutage meist das Loop-Bonding-Verfahren (auch als invers
Multiplexing bezeichnet) verwendet. Dabei werden die zu übertragenden Signale gruppiert und parallel über mehrere Loops
(Schleifen) übertragen. Auf der Gegenseite wird die Gruppierung wieder aufgelöst und die Signale in der richtigen Reihenfolge
aneinandergereiht.
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5. DSL-Hardware
Eine DSL-Verbindung besteht immer aus zwei DSL-Modems (Modem1 beim Provider, Modem2 beim Teilnehmer). Diese arbeiten
normalerweise im transparenten Bridging oder als Router. Modem 1 wird als CO, Modem 2 als CPE eingestellt.
CO steht für Central Office, wird häufig auch als Master oder xTU-C[O] (z.B. ATU-C[O] = ADSL Terminal Unit – Central [Office];
VTU = VDSL Terminal Unit) bezeichnet.
CPE steht für Customer Premise Equipment und wird auch als Slave oder xTU-R (-R = -Remote) bezeichnet.
Moderne Vier- oder Mehrdraht G.SHDSL-Modems (z.B. MDS933/MDS954 von BLACK BOX) arbeiten im „1&1-Mode“. In diesem
Modus ist Loop A immer als Slave und Loop B immer als Master eingestellt. Daher muss man darauf achten, daß jeweils Loop A
von Modem 1 mit Loop B von Modem 2 verbunden wird. Es entfällt somit beim Austausch eines Gerätes jegliche Konfiguration.
Auch ist diese Art der Verbindung viel weniger störanfällig als eine Verbindung, bei der auf einer Seite alle Loops als Slave und auf
der anderen Seite alle Loops als Master konfiguriert sind.
Bei Verbindungen mit mehreren Loops ist unbedingt darauf zu achten, dass die beiden Adern eines Loops durchgängig miteinander verdrillt sind. Werden, auch nur für kurze Strecken, die Adern unterschiedlicher Loops miteinander verdrillt, kann es zu
Nahnebensprechen (NEXT – Near End Crosstalk) kommen. Dies kann bis zum kompletten Abbruch der Verbindung führen.
Moderne Modems handeln die Übertragungsgeschwindigkeit anhand der Leitungsqualität selbstständig aus (Rate Adaptive
Mode).
Beim Anschluss von ADSL- oder VDSL-Modems via Splitter (Frequenzweiche) an eine Provider-Verbindung entfällt eine solche
Einstellung ebenfalls, da diese Modems generell immer die CPE-Seite darstellen. Die Providerseite ist immer die CO-Seite. Hierzu
wird vom Provider in der Regel ein DSLAM (DSL Access Multiplexer) eingesetzt. Diese stehen zumeist in der Vermittlungsstelle
oder an einem zentralen Aufschaltpunkt. Hier laufen die Teilnehmeranschlussleitungen zusammen, deshalb wird ein DSLAM auch
als COE (Central Office Equipment) bezeichnet.
6. DSL-Anwendungen
Asymmetrische DSL-Verfahren (ADSL, VDSL) haben sicherlich im Bereich des Internetzuganges ihre Hauptanwendung.
Symmetrische DSL-Verfahren (G.SHDSL, VDSL) eignen sich hervorragend zur Verlängerung eines vorhandenen Intranets und zur
Anbindung von entfernten Unternehmensstandorte und abgesetzten Stationen.
Anwendungsbeispiele:
1. Bei einer Firma soll ein etwa 400 m entferntes Gebäude ans Firmen-Intranet mit möglichst hoher Bandbreite angebunden
werden. Da nur zwei Telefonadern zur Verfügung stehen, eignet sich eine Anbindung über VDSL (z.B. LB300A von BLACK BOX)
mit bis zu maximal 30 Mbit/s.
2. In einer Raffinerie sollen entfernte Tanklager mit dem LAN des Verwaltungsgebäudes verbunden werden. Es stehen Zwei- und
Vierdraht-Telefonkabel zur Verfügung. Die Entfernungen variieren zwischen 3 und 8 km. Die Anforderungen an die Bandbreite
sind eher gering.
Hier eignet sich ein komplexes Netz von 2- und 4-Draht G.SHDSL-Modems (z.B. MDS932/ MDS933AE-10BT-R2 von Black Box).
Die Vierdrahtmodelle können dabei auch im Zwei-Channel-Mode arbeiten (je 2 Adern zu je einem entfernten Zweidraht-Modem).
Dadurch fungieren diese quasi als Repeater und es entsteht ein Netz aus Stern- und Bussystem.
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Tanklager
Verwaltung
Tanklager
Tanklager
2-Draht
Leitungen
MDS920AE-RMAC
4-Draht
Leitung
MDS932AE-10BT
Tanklager
Tanklager
Tanklager
MDS933AE-10BT
MDS933AE-10BT
MDS932AE-10BT
MDS932AE-10BT
MDS932AE-10BT
Abb. 5: Anwendungsbeispiel 2 G.SHDSL Modemnetz
3. Auf einem Campus soll ein etwa 900 m entferntes Labor mit möglichst hoher Bandbreite mit dem Hauptgebäude verbunden
werden. Die Kosten sollen dabei so gering wie möglich gehalten werden. Aufgrund des Kostendruckes kommt nur eine kostengünstige Alternative für die VDSL-Verbindung (z.B. MEG101AE von BLACK BOX ) in Frage.
Joachim Botsch
Tech Support Engineer
Black Box Network Services
Anmerkung: Die von mir gewählten Übersetzungen sind, aus Verständnisgründen, teilweise sinngemäß. Die genannten
Reichweiten können, je nach Stärke und Qualität der Leitungen stark variieren!
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