Stand: 2004-03

Thomas Mertin
Netzwerk- und Elektrotechnik
D-41334 Nettetal

Datennetze dienen dem Austausch von Daten, zumeist von ganzen Nachrichtenpaketen. Mit Datennetzen innerhalb von Fertigungsstätten überträgt man neben Daten auch Steuersignale, z.B. für Maschinen.

Kennzeichnend für ein Datennetz ist, daß es von vielen Teilnehmerstationen, den Datenendeinrichtungen (DEE), gemeinsam genutzt wird und zwar jeweils nur für kurze Sendezeiten. Damit wird sichergestellt, daß alle DEE Gelegenheit zum Senden haben. Die zu übertragenden Daten werden seriell, also Bit für Bit, je Datenkanal übertragen.

WAN

Bei der Kommunikation im Fernbereich spricht man von WAN (Wide Area Network = weitflächiges Datennetz). In Deutschland werden solche Netze von der Post betrieben. Für kleine Datenmengen verwendet man bei kleinen Übertragungsgeschwindigkeiten das Telefonnetz in Verbindung mit Akustikkopplern und Modems (Anschlußbaugruppen). Auch zur Übertragung von Schriftstücken mit Telefax wird das Telefonnetz benützt.

Mit ISDN (Integrated Services Digital Network = integrierte Dienste in digitalem Netz) werden über Ländergrenzen hinweg Daten, Sprache und Bilder übertragen.

MAN

MAN = Metropolitan  Area Network, Stadtbereichsnetz

LAN

Im Bereich eines Unternehmens bezeichnet man die Kommunikationssysteme mit LAN (Local Area Network = lokales Netz). Sie werden von den Firmen selbst betrieben und sind je nach Größe eines Unternehmens in verschiedene Hierarchiestufen eingeteilt. Der Datenverkehr zwischen einzelnen Fabriken einer Firma oder den großen Abteilungen einer Firma werden über Breitbandkommunikationssysteme abgewickelt. In einem Breitbandnetz können mit einer Koaxialleitung mehrere Datenkanäle betrieben werden. Jeder Datenkanal beansprucht ein Frequenzband von z.B. 6MHz. Somit können bei der sehr großen Bandbreite von 456MHz eines Breitbandnetzes, z.B. 67 Datenkanäle mit einer Leitung bereitgestellt werden.

Zur Datenübertragung innerhalb von Fabriken bis zur Ankopplung von Fertigungszellen verwendet man Basisband-LAN. Bei einem Breitband-Kommunikationssystem kann zur gleichen Zeit nur eine Station Daten senden. Damit viele Stationen Daten austauschen können, muß das LAN nacheinander den sendewilligen Stationen zugeteilt werden.

In einem LAN werden Daten seriell übertragen.

Die wichtigsten Netztopologien (Topologie = Lehre von der Lage im Raum) sind die Busstruktur, die Sternstruktur, die Ringstruktur und die Baumstruktur.

Busstruktur und Sternstruktur

Sternstruktur

Der Buszugriff, d.h. der Zugang zur gemeinsamen Datenleitung, muß nach vereinbarten Regeln (Protokoll) erfolgen, damit es im Datenverkehr keine Kollisionen (Störungen) gibt.

Bei den Busstrukturen kann die Teilnehmerzahl einfach erweitert werden, und das Einkoppeln und Abkoppeln von Teilnehmerstationen ist auch im laufenden Betrieb leicht möglich.

Das Buszugriffsverfahren ist im Netzwerkprotokoll festgelegt.

Ringstruktur

Baumstruktur

Die Baumstruktur ist für eine flächendeckende Vernetzung sehr vorteilhaft. Erweiterungen durch Äste und Zweige sind leicht machbar.

Die Datennetze unterscheiden sich in der Art der Zugriffsverfahren auf das gemeinsame Medium, dem Datenkanal, d.h. nach den Vereinbarungen (Protokoll). Das Protokoll bestimmt, wann und wie lange ein Netzteilnehmer den gemeinsamen Datenkanal benutzen darf. Es legt die Software und die Hardware fest.

Es müssen Vorkehrungen getroffen sein, wenn gleichzeitig mehrere Teilnehmer Daten senden wol­len, damit es auf dem Datenkanal zu keiner Kollision, d.h. Störung kommt. Es muß aber auch sichergestellt sein, daß alle Teilnehmer in angemessener Zeit ein Senderecht erhalten.

CSMA/CD Zugriffsverfahren

Das Verfahren CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection = Verfahren mit Abfrage des Signalträgers bei mehrfachem Zugriff mit Kollisionserkennung) arbeitet wie folgt:

• Ein sendewilliger Teilnehmer hört in das Datennetz hinein, ob gerade ein anderer Teilnehmer sendet, also das Netz belegt ist (Carrier Sense = Abfrage der Leitung).
• Ist das Netz frei, so sendet der Teilnehmer für kurze Zeit (einige Millisekunden). Alle Netzteilnehmer können die Nachricht empfangen. Jedoch nur der adressierte Teilnehmer, z.B. Teilnehmer 5, nimmt die Nachricht auf.
• Ist das Netz belegt, so wird abgewartet und ständig mitgehört, bis das Netz frei wird und sodann gesendet. Da dies auch andere Teilnehmer tun, ist die Wahrscheinlichkeit groß, daß mehrere Teilnehmer gleichzeitig mit Senden beginnen, also daß mehrere auf das Netz zugreifen (Multiple Access = Mehrfachzugriff).
• Greifen mehrere Teilnehmer gleichzeitig auf das Netz zu, dann führt dies zu einer Kollision. Die Kollision wird von jeder Station erkannt. Jede Station stoppt das senden und beginnt mit einem erneuten Sendeversuch nach Ablauf einer von einem Zufallsgenerator bestimmten Zeit. Jeder Teilnehmer hat im statistischen Mittel die gleichen Sendechancen.

Der Nachteil dieses Verfahrens ist, daß man nicht vorhersagen kann, wie groß die Wartezeiten zum Senden im Einzelfall sind.

Token-Bus Zugriffsverfahren

Im Netz gibt es ein Bitmuster, das die Sendeberechtigung ausweist. Dieses Bitmuster wird Token (= Zeichen) genannt. Wer den Token hat, darf senden. Nach dem Senden muß der Teilnehmer den Token an die nächste Teilnehmerstation weitergeben. Will dieser Teilnehmer senden, so kann er senden. Will dieser Teilnehmer nicht senden, so gibt er den Token wieder an dem ihm im Bus nachfolgenden Teilnehmer weiter. Der letzte Teilnehmer im Bus gibt den Token an den ersten Teilnehmer.

Wenn kein Teilnehmer senden will, kreist der Token von Teilnehmer zu Teilnehmer in einem Ring. Die Ringform der Tokenübertragung wird durch die Reihenfolge der Teilnehmeradressen festgelegt und nicht nach der Reihenfolge ihrer Anschlüsse. Deshalb spricht man von einem logischen Ring.

Da jeder Teilnehmer nur eine begrenzte Zeit, z.B. 10ms, lang senden darf, weiß man, daß bei z.B. 100 aktiven, am Netz angeschlossenen Teilnehmern, der Token mindestens in der Zeitspanne von jedem Teilnehmer zur Verfügung steht. Wenn nicht alle Teilnehmer senden, kommt der Token bei den sendewilligen Stationen öfter vorbei.

Token-Ring Zugriffsverfahren

Das Token-Ring Verfahren ist ähnlich dem Token-Bus Verfahren. Auch hier ist ein Token als Zeichen für die Sendeberechtigung vorhanden. Der Token-Ring ist aber auch ein physikalischer Ring, d.h. die Teilnehmer sind wie bei einer Kette aneinander geschaltet. Hier wird die Nachricht mit dem Token von einem Teilnehmer zum nächsten, im Ring nachfolgenden Teilnehmer weitergereicht. Die Nachrichtenübertragung ist gerichtet (unidirektional). Kommt der Token mit der ange­hängten Nachricht beim Empfänger an, dann nimmt der Empfänger die Nachricht auf und sendet eine Kopie dieser Nachricht zusammen mit dem Token an den ursprünglichen Sender. Dieser kontrolliert diese Nachricht auf Fehler. Im Falle eines Fehlers wird die Nachricht erneut gesendet. Bei fehlerfreier Übertragung wird der Token mit einem "Freizeichen" an den nächsten Teilnehmer übertragen.

Ethernet

Der Anschluß eines Teilnehmers, z.B. eines Personalcomputers, erfolgt über ein TAB (Terminal Access Point = Terminalanschlußpunkt).

Unmittelbar am TAP befindet sich meist der Transceiver (Transmitter Receiver = Sender Empfänger) mit der Aufgabe, die Sendesignale aufzunehmen und Kollisionen zu erkennen.

Über die Transceiverleitung mit 15-poligem Subminiaturstecker ist der Ethernet-Controller angeschlossen. Bei einem PC als Teilnehmer befindet sich meist der Transceiver mit Controller auf einer Steckkarte und wird auf den PC internen Bus gesteckt. Der Controller erzeugt das zu sendende Datenpaket. Bei großen Datenmengen werden die Pakete mit einer maximal zulässigen Sendelänge 1500 Bytes (Oktetts = 8Bit) aufgeteilt.

Bei Kollision wird das fehlerhafte Datenpaket vom Controller nicht angenommen. Die zum wiederholten Senden zu bestimmenden Zufallszahlen werden im Controller berechnet. Die ankommenden Daten werden auf formale Richtigkeit geprüft.

Arten des Netzaufbaus

Kenndaten

Abschlußwiderstände:
abgeschirmte verdrillte Leitung:              150Ω
unabgeschirmte verdrillte Leitung:          100Ω
Koaxialleitung:                                       50Ω

Ethernet-Frame

Das Ethernet-Frame (Frame = Rahmen, Block) setzt sich aus Kopfdaten (Header), Nutzdaten und Abschlußdaten (Trailer) zusammen.

Die Kopfdaten beginnen mit der Präambel (Vorrede). Das ist eine Folge von 56 Bits = 7 Oktetts mit wechselnder Folge von 1010...
Da diese Folge von 1010... wie alle anderen Zeichen im Manchester-Code gesendet werden, entsteht bei einer Übertragungsrate von 10Mbit/s eine Rechteckschwingung mit einer Periodendauer von 200ns. Dieses 5MHz Signal wird verwendet um die Transceiverbaugruppe auf den 100ns Takt zu synchronisieren.