Datenuebertragung

P.PÖSEL, Dezember 10 Datenübertragung.ppt 1

Daten-übertragung Digitale Signalverarbeitung, Abtasttheorem

Um Signale mit dem Computer zu verarbeiten, müssen sie zuerst digitalisiert werden.

S

SS

t SamplingInterval1f SamplingFrequenzt

Die SamplingFrequenz muß genügend hoch sein, um ein Signal eindeutig darzustellen.Ist das SamplingIntervall im Vergleich zum Signal zu groß, dann wird das Signal mit einer falschen Frequenz dargestellt.

ALIASING

ABTASTTHEOREM von SHANNONbesagt, daß bandbegrenzte Signale (f<B0) aus ihren Abtastwerten eindeutig wieder rückgewonnen werden können, wenn die Abtastfrequenz mindestens fS 2B0 ist.

S

SNNYQUIST F

Abtastfrequ

requen

enz

z

fff2

0 NB f

Abtastung (SAMPLING)

tS


Daten-übertragung AD-Konverter

Die Amplituden der Abtastpulse werden in Binär-Zahlen umgewandelt.

Die Auflösung hängt von der Bit-Anzahl ab.

n BitsResolution 2

Die Genauigkeit hängt aber auch vom eingestellten Range ab:Der kleinste, darstellbare Unterschied entspricht der CodeWidth.

RangeCodeWidthResolution

Für hohe Genauigkeit ist daher der Range dem zu messenden Signal gut anzupassen!

Besser!


Daten-übertragung

t

tsmaxBf

max21

B

ABTAST-Theorem

Puls-Amplituden-Modulation

CODIERUNGn2 könnenBit nMit

werden.codiert Stufenn = 8 ---> 256 StufenTelefon-Kanal:2 x 4kHz x 8 Bit ---> 64kBit/sErhöhung der:Bandbreite/Bitrate->RedundanzermöglichtReduktion von SNR bei gleicher(Bit-)Fehlerrate

Puls-Code-Modulation

PCM-SystemeGrundlagen


Daten-übertragung

t

tsn

s

PPSNR log10

SNR... Signal to Noise RatioAnalog:

26dB störend30dB wahrnehmbar40dB Teilnehmer-Leitung>50dB Weitverkehr

CODIERT(Digital)BER... BitErrorRate

Oszilloskop

1 0 01

0

1

10

Augen-Diagramm

Schwell-Wert-Entscheider

t

ts

910BER 15dBSNR trotz

Störabstand/BitFehlerRate, RegenerationGrundlagen


Daten-übertragung Datenübertragung

SIMPLEX nur in einer Richtung

HALB-DUPLEX in beiden Richtungen, jedoch nur abwechselnd; z.B. WalkyTalky

VOLL-DUPLEX gleichzeitig in beiden Richtungen

A BEinteilung nach der Richtung:

Einteilung nach dem Übertragungsverfahren:

Seriell:

Impulse werden nacheinander übertragen

Parallel:8 Impulse werden auf parallelen Leitungen gleichzeitig übertragen.8 Bit 1 Byte

123

8

Die Taktrate auf einer Verbindung mißt man in BAUD.Die Übertragungsgeschwindigkeit mißt man in BIT/s.Serielle Leitung: 1BAUD = 1Bit/sParallele Leitung: 1BAUD = 8Bit/s = 1Byte/s


Daten-übertragung Telefon-Netze

Teilnehmer-Netz: Jeder Teilnehmer istmit einer eigenen 2-Draht Leitung an einen KNOTEN angeschlossen. STERNNETZWeitverkehrsnetz: Die Knoten sinduntereinander mit 4-Draht-Leitungen vermascht. MASCHENNETZ

Eine Telefonverbindung ist eine VOLL-DUPLEX Verbindung.Links schematisch: Die wesentlichen Teile eines Telefonapparates.2-Draht-Leitung: werden als Teilnehmer-Anschluß verwendet. Signale werden trotzdem in beiden Richtungen übertragen. ZurTrennung der beiden Signalrichtungen wird eine Gabelweiche(Duplex coil) verwendet.4-Draht-Leitung: werden im Weitverkehr verwendet. Jeweils einAderpaar (aber auch Koax oder Lichtwellenleiter) für jedeSignalrichtung. Notwendig wegen des Einbaues von Verstärkern.

Sprach-Telefonie: 300Hz bis 3,4kHz, darüber andere Dienste (z.B.ADSL oder Daten) möglich.


Daten-übertragung Integrated Services Digital Network (ISDN)

ISDN ist ein digitales Netzwerk zurÜbertragung von Sprache und Daten auf normalen Telefonkabeln. Basisanschluß: Beim Teilnehmer wird die ankommende 2-Draht Leitung in einemNetzwerkabschluß auf eine 4-Drähtige Busleitung umgesetzt. (S0-Bus)

2B-Kanäle (Telefon) a 64Kb/s 128Kb/s1D-Kanal (Signalisierung) a 16KB/s 16Kb/sGesamt 144Kb/s

Die beiden B-Kanäle können auch gebündelt verwendet werden.ISDN hat seit der Einführung von ADSL an Bedeutung verloren.


Daten-übertragung Asymmetric Digital Subscriber Line (ADSL)

Das normale Telefon verwendet die 2-Draht Leitung nur im Frequenzbereich 300Hz bis 3.4kHz Plain Old Telefon (POT)Dieser schmale Frequenzbereich war notwendig, um in hochpaarigen Kabeln bei analogerÜbertragung das Nebensprechen zu begrenzen. Bei digitaler Übertragung kann wegen dermöglichen Regeneration (Schwellwert-Entscheidung) ein viel größerer Frequenzbereichausgenützt werden.Außerdem sind die Teilnehmer-Anschlußleitungen (2-Draht) kürzer und die Kabelnetze bessergeworden.

Asymmetric bedeutet: (Maximalwerte)

8Mb/s downstream (zum User)1Mb/s upstream (vom User)


Daten-übertragung ADSL

Es gibt 2 Übertragungsverfahren:ADSL CAP (Carrierless Amplitude Phase Modulation)

Amplituden-Phasenmodulation ohne TrägerFür UPSTREAM und DOWNSTREAM werdenunterschiedliche Frequenzbänder verwendet.

ADSL DMT (Discrete MultiTone Modulation)

Beiden Verfahren ist gemeinsam, daß das normale Telefon (POT) über ein Tiefpass-Filter (SPLITTER) abgetrennt wird.

Das Band wird in einzelne Kanäle aufgeteilt:32 Kanäle a 4KHz UPSTREAM

256 Kanäle a 4KHz DOWNSTREAMDie Kanäle werden in ihrer Qualität überwachtund in wechselnder Reihenfolge verwendet.

DMT ist das neuere und qualitativ sicherere Verfahren.Gestörte Kanäle werden nicht verwendet, wodurch sich allerdings die Bandbreite reduziert.


Daten-übertragung Serielle Schnittstelle (RS232)

TXRXHandShakeGND

VOLL-DUPLEX-VerbindungGeschwindigkeiten (Bit/s)

300, 600, 1200, 2400, 48009600, 19200,... 115200

Um die CPU zu entlasten, erfolgt die Übertragung über Puffer-Speicher.Die CPU füllt den TX-Puffer viel schneller, als in der UART auf die Leitung schicken kann.Der UART füllt den RX-Buffer. Ist dieser fast voll, dann liest ihn die CPU mit hoher Geschwindigkeit.Der Füllzustand der Puffer wird über die HANDSHAKE-Leitungen signalisiert.

UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter, special controller chip)

CPU TX-Buffer UART UART RX-Buffer CPURS232

1

2

3

4

5

6

7

8

9

DB9 - ConnectorKurz Name PinTXD Transmit 3 DTE->DCERXD Receive 2 DCE->DTEGND Ground 5

DCD DataCarrierDetect 1 DCE->DTEDTR DataTerminalReady 4 DTE->DCEDSR DataSetReady 6 DCE->DTERTS ReadyToSend 7 DTE->DCECTS ClearToSend 8 DCE->DTERI RingIndicator 9

DatenÜbertragungsLtg.

HandShake- undSignalisierungsleitungen

Für kurze Entfernungen:10 - 15m


Daten-übertragung MODEM

MODEM = MOdulator - DEModulator, wird verwendet, um digitale Signale über Telefon zuübertragen.

Die digitalen Impulse werden in hörbare Töne übersetzt.Die Handshake -Leitungen werdennicht übertragen. Es muß daher einSW-Handshake durchgeführt werden.

Unsymmetrische Leitung, für kurze Entfernungen 10 - 15mSignalpegel: TTL, negative Logik 0 5V 1 0V


Daten-übertragung HANDSHAKE

Im Minimum werden für eine VOLLDUPLEX-Übertragung nur 3 Leitungen benötigt:TX, RX und GND siehe Übertragung über Telefonleitungen.Da die Verarbeitungsgeschwindigkeit verschiedener Geräte aber unterschiedlich ist, stellt eineSignalisierung zwischen Sender und Empfänger sicher, daß der Empfangspuffer nichtüberläuft.

HW-Handshake:erfolgt über die Leitungen RTS (Ready to Send) und CTS (Clear to send) vom Sender zumEmpfänger.Erfolgt über die Leitungen DTR (Data Terminal Ready) und (DTS (Data Set Ready) in Gegenrichtung.

SW-Handshake: (z.B. XON-XOFF-Protokoll)Zur Signalisierung werden ASCII-Zeichen vereinbart, die innerhalb der Nutzdaten nichtvorkommen (XON = DC1 (0x11) oder Ctrl-S, XOFF = DC3 (0x13) oder Ctrl-QKann bei der Übertragung von Binärdaten nicht verwendet werden, da dann alleBitkombinationen Bestandteil der Nachricht sein können.


Daten-übertragung Null-Modem Kabel

Ursprünglich wurde Rs232 zum Anschluß eines MODEMS verwendet. Von dort kommen auchdie Bezeichnungen der Steuerleitungen.DTE: Data Terminal Equipment, z.B. ComputerDCE: Data Communication Equipment, z.B. ModemWill man 2 Computer miteinander verbinden, dann müsssen RX - TX und die Steuerleitungenausgekreuzt werden! NULL-MODEM Kabel

DTE DCE


Daten-übertragung Timing Control

Im Empfänger werden Digitale Signale abgetastet.Es muß daher der Zeitraster der Signale bekannt sein Timing ControlDaten werden in Frames übertragen = Header + Datenblock + Trailer

Asynchrone Datenübertragung

Frame ist gekennzeichnet durchStart-Bit und 1 bis 2 Stop-Bits.Zur Synchronisation der Clock imEmpfänger sind keine zusätzlichenSignale vorgesehen.Die Synchronisation erfolgt überdas Start-Bit, welches umgek. Vorzeichen zu Line-idle hat. Das Stop-Bit bringt die Leitungwieder zurück in Line-idle.

Da dies rel.ungenau ist, können nur kurze Datenblöcke gesandt werden, z.B. 1char=1Byte.Der Overhead ist rel.Groß: 20% - 30% nur für langsame Datenübertragung (20Kb/s)


Daten-übertragung Asynchrone Datenübertragung

Um die Genauigkeit zu erhöhen, wird eine Clock mit wesentlich über der Bitrateliegenden Taktrate verwendet.


Daten-übertragung Synchrone Datenübertragung

Bei synchroner Datenübertragungwerden größere Datenblöcke in einemFrame übertragen.Der Header muß eindeutig sein (darf imDatenblock nicht vorkommen).Dies wird durch Bit-Stuffing imDatenblock erreicht. (Diese Bits werdenim Empfänger wieder entfernt.)

Durch geeignete Codierung wird die Information zurSynchronisation in den Datenblock eingebettet, z.B: Manchester-CodeBits werden nicht durch Signal-Pegel sonderndurch Signal-Flanken dargestellt:1: positive Flanke 0: negative FlankeEs entsteht ein Signal, bei dem die Clock bei jedemBit nachgetellt werden kann.Nachteilig ist die höhere Datenrate.


Daten-übertragung Serielle Übertragung (RS422, RS485)

Wird in industriellen Anlagen zur Datenübertragung verwendet.

RS232 verwendet unsymmetrische Leitung: störanfällig (Beeinflussung) bei längerenStrecken und in EMI-verseuchten Umgebungen.

RS422/485 verwenden verdrillte, symmetrische Leitungen. 2 TP (Twisted Pair) für Vollduplex.Störbeeinflußung tritt in diesen Leitungen höchstens im Gleichtakt auf. Die Nutzsignale sindaber im Gegentakt. Über differentielle Eingänge (OPAMP) bleiben Störsignale wirkungslos.

bis 2,5Mb/s, bis 1200m

Single Master oder Point to point Multi-Master


Daten-übertragung 20mA Stromschleife


Daten-übertragung Parallele Schnittstelle (CENTRONIX)

Ursprünglich von IBM und CENTRONIX für DRUCKER (SIMPLEX) konzipiert.Später auch für SCANNER, CD-Brenner, externe DISKS etc.

Für eine VOLLDUPLEX-Verbindung werden die Pins 18 -25 als Data-pins fürdie Gegenrichtung verwendet.Das STROBE-Signal (0) signalisiert DatentransferDer Empfänger signalisiert mit ACKNOWLEDGE.

Weitere Entwicklungen:EPP (Enhanced Parallel Port, 1991)500kB/s bis 2MB/s für externe SpeicherECP (Enhanced Capabilities Port, 1992) for printersBeide Standards sind bidirektional


Daten-übertragung Universal Serial Bus (USB)

Ersetzt alle anderen Schnittstellen für jegliche Peripherie(bis 5m).• Computer ist HOST für die Schnittstelle.• Geräte sind HOT SWAPPABLE (Plug and Play)• Bis zu 127 Anschlüsse mit hoher Geschwindigkeit sind möglich.

Erweiterung mit HUB.• USB 1.1: 12Mb/s USB2.0: bis 480Mb/s• Power supply durch den Computer für Busgeräte: 5V 500mA

Übertragungsprotokoll: Frame a 1500 Bytes/1msEnumeration: Jedes angeschlossene Gerät erhält eine Adresse.3 verschiedene Access-Modes sind möglich:• INTERRUPT: z.B. Mouse oder Keyboard mit wenigen Daten.• BULK: z.B. Printer mit großen Datenblöcken• ISOCHRONOUS: streaming Data (Speakers, Video). Real

Time data ohne error correction


Daten-übertragung Informationstheorie

Bandbegrenzter Kanal (B):

fs 2B [spl/s] NYQUIST-SHANNON-Theorem

fs AbtastFrequenz, B Bandbegrenzung

R = 2B [b/s]

R max.Datenübertragungsrate

Für Multi-Level-Coding ergibt sich:

R = 2B·log2n [b/s]

n Anzahl der Level

Rauschen begrenzt die Anzahl der möglichen Levels:

C = R = B·log2 (1 + S/N) [b/s] HARTLEY-SHANNON-Theorem

S/N Rauschabstand C Kanalkapazizät


Daten-übertragung OSI 7-Schichten Modell

ISO-Norm 1983: Open System Interconnection Reference Model = OSI

Beschreibt die Kommunikation zwischen Teilnehmern eines Kommunikationssystems

Beim Feldbus sind nur die Schichten 1, 2 und 7 implementiert.






Daten-übertragung Das 7-schichten OSI-Modell (3)


Daten-übertragung Protokolle der Anwendungsschicht


Daten-übertragung Darunter liegende Protokolle


Daten-übertragung

Das 7-schichten OSI-Modell (4)am Beispiel eines Mail-Programmes


Daten-übertragung

Protokoll-Stack(Ethernet)

Mehrere Netzwerkprotokolle sind in Form eines Stapels angeordnet.

Jedes Segment hat eine bestimmte Funktion. Die Nachricht wird beim Senden von Innen nach Außen weitergereicht. Jedes Segment fügt einen Header hinzu, der es ermöglicht, die jeweilige Funktion auszuführen.

Beim Empfang durchläuft das Signal die umgekehrte Richtung.

Jedes Segment führt seine Funktion aus und entfernt den betroffenen Header.


Daten-übertragung Ethernet (IEEE 802.3)

IEEE 802.3 spezifiziert eine kabelgebundene Datennetztechnik für lokale Netze auf Layer 1 (PHYSICAL) und Layer 2 (DATA LINK):

• Jede Netzwerkschnittstelle hat eine eigene, eindeutige MAC-Adresse

• Carrier Sense Multiple Access / CollisionDetection (CSMA/CD)

IEEE 802.3 tagged MAC-Frame

Die Nutzdaten werden von dem im Typ-Feld angegebenen Protokoll interpretiert.

SFD… StartFrameDelimiter


Daten-übertragung Ethernet (IEEE 802.3)

Die Tabelle zeigt die auf Layer 1 spezifizierten Übertragungsstandards.


Daten-übertragung Media Access Control (MAC-Adresse)

Auszug aus: http://de.wikipedia.org/

• dient zur eindeutigen Identifikation des Netzwerkadapters im Netzwerk

• Ist 6 Byte lang, z.B.

INTELCorp

ASUStec

00-13-E8-24-B7-79

00-1B-FC-4D-7F-65

• Die ersten 3 Bytes Kennzeichnen den Hersteller

• Die letzten 3 Bytes werden vom Hersteller vergeben

Die Adressierung auf Schicht 2 (DATALINK) erfolgt mit Hilfe der MAC-Adresse


Daten-übertragung Internet Protokoll (IP)

Layer 3 Protokoll: NetworkComputer werden durch IP.Adresse und Subnetz-Maske in Subnetze gruppiert.Über Routing wird die Verbindung zwischen ihnen aufgebaut.Die IP-Adresse besteht aus 4 Byte. Die Netzwerkadresse und die Hostadresse teilen sich diesen Zahlenraum.Die Subnetz-Maske gibt an, wo die Teilung stattfindet.z.B.: Subnetz Maske 255.255.255.0 ergibt 256 mögliche GeräteadressenSonderadressen: 0… Netzwerkadresse

255… BroadcastEs verbleiben 254 Hostadressen.

( )

(27 Bit in der Subnetz-Maske)


Daten-übertragung Internet Adressen

Durch die variable Länge der Netzwerkadresse entstehen folgende Netzwerk-Klassen:

128 382 =3,4×10 Adressen

IPv4: herkömmliche Version der 4 Byte Internetadresse:

Da in Zukunft (hauptsächlich wegen der Entwicklungsländer und der fortschreitenden vernetzten Automatisierung) mehr Adressen benötigt werden:

IPv6: 16 Byte Internetadresse:

z.B:2001:0DB8:85A3:08D3:1319:8A2E:0370:7344 2 Byte, jeweis in HEX

z.B.: 127.255.255.255jedes Byte in DEZ

127.0.0.0/8 Local Loop Back

32 92 =4,3×10 Adressen


Daten-übertragung Subneting

Wird in einer Klasse die Default-Subnet Maskverwendet, so bedeutet das NO SUBNETTING

Die Trennung zwischen NETWORK und HOST erfolgt durch die SUBNETMASK.

Verwendet man z.B. in einem Netzwerk der Klasse A die SUBNETMASK 255.255.0.0 dann werden für die Hostadressen nur 2 Byte an Stelle von 3 Byte verwendet. Das so gewonnene Byte wird für SUNNETADRESSEN verwendet.

SUBNETZE können also auf Kosten von HOST-Adressen erstellt werden.


Daten-übertragung Network Address Translation (NAT)

Nicht öffentliche Adressen für priv.Netzwerke:

10.0.0.0/8192.168.0.0/16172.16.0.0/12

Diese Adressbereiche können im Intranetselbständig vergeben werden.Im Internet können diese Adressen nicht verwendet werden, sie werden dort nicht geroutet.Sie müssen zur Verwendung im Internet durch externe Adressen ersetzt werden.

NAT reduziert die benötigten öffentlichen Adressen.Angenommen für das lokale Netz 192.168.0.0/24 steht die öffentliche IP-Adresse 205.0.0.2 zur Verfügung :

Es findet eine Umsetzung der Adresse und des Port statt (Network Address / Port Translation = NAPT)Das NAT-Gerät merkt sich diese Umsetzungstabellen.

Bei Netzwerkdiensten, die OutOfBand Signalisierung oder Rückkanäle verwenden, können sich Probleme ergeben.(z.B. Voice over IP VoIP, oder Spiele)


Daten-übertragung Routing

• Beim Senden vergleicht der Router Quell- und Zieladresse .

• Sind sie gleich, dann wird das Paket im eigen Netz zugestellt.

• Andernfalls wird über die Routing-Tabelle ein nächster Router gesucht, dem das Paket zugestellt wird. Router-Hop


Daten-übertragung Internet Protokoll (IP)

Der Header des IP-Paketes enthält neben Source- und Destination Addressnoch folgende weitere Felder:

• IHL… IP Header Length (in Vielfachen von Byte)

• TOS… Type of Service: Hier kann die Priorisierung des Paketes gesetzt werden.

• Total Length… Gibt die Länge des gesamten Frames in Byte an (max. 65535)

• Identification, Flags und Fragment Offset… steuern die Reassimblierung der Pakete (in richtiger Reihenfolge)

• Time to Live… jeder Router veringert diese Feld um 1. Bei 0 wird das Paket verworfen. Verhindert, dass Pakete ewig (z.B. im Kreis) weitergeleitet werden.

• Protocol… Kennzeichnet das darüberliegende Protokoll (z.B. TCP)

• Header Checksum… Enthält eine Checksum (nur über den Header). Kann recht rasch in HW ausgewertet werden.Fehler des Inhalts werden von darüber liegender Layer erkannt.


Daten-übertragung Transport Control Protokoll (TCP)

Layer 4 Protokoll: Transport

TCP ist eine Ende-zu Ende Verbindung in Vollduplex.

Ein Endpunkt (SOCKET) ist gekennzeichnet durch:

IP-Adresse: identifiziert Rechner

Port: identifiziert Programm

Die wichtigsten Aufgaben des Protokolls:

• Auf- und Abbau einer Ende- zu Ende Verbindung

• Zerlegung der Daten in nummerierte Pakete (1460 Byte)

• Anforderung von falschen oder fehlenden Paketen.

• Prüfung der Pakete mit Hilfe von Check-Summen (CRC)

• Variieren der Übertragungsgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Netzwerklast

• Übergabe in richtiger Reihenfolge

Zur Erfüllung dieser Aufgaben wird dem Nachrichtenblock ein 20 Byte langer TCP-Header vorangesetzt.

WINDOWS: wsock32.dll


Daten-übertragung Domain Name System (DNS)

Hauptaufgabe des DNS ist die Umsetzung von Namensadressen in IP-Adressen.

Root

Toplevel-Domain

Domain-Name: (Host-Name)

Jedem vollen Domain-Namen ist eine IP-Adresse zugeordnet. Hierarchisch strukturierte DNS-Server erledigen die Aufgabe der Namensumstzung.

Bei Verwendung von DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) werden IP-Adressen dynamisch zugeordnet. Der DHCP-Server meldet dies an den jeweilien Namensserver Dynamic DNS.


Daten-übertragung Uniform Resource Locator (URL), Protokolle

URL‘s spezifizieren eine Resource mit Protokoll und Ort

Mindestens erforderlich ist Protokoll und Hostname. http://www.example.org/

Wird kein Port angegeben, dann wird der Default-Port des Protokolls verwendet.

Fully qualified domain name, eg.:

jupiter.example.com

Host Domain TopLevelDomain


Daten-übertragung HyperText Transfer Protokoll (HTTP)

Dient zur Übertragung von Web-Seiten (oder anderen Dateien) von einem entfernten Computer. Jeder Hyperlink startet eine

Anfrage:

Antwort des Servers:


Daten-übertragung File Transfer Protokoll (FTP)


Daten-übertragung World Wide Web (WWW)

Geschichte des WWW:

Das WWW basiert auf:

• HTTP: HyperText-Transfer Protokoll,mit dem der Browser Informationen von Web-Servern anfordern kann.

• HTML: HyperText Markup Language,Dokumentbeschreibungssprache, Trennung von Inhalt und Darstellung, Hyperlinks

• URL: Uniform Resource Locatorzur eindeutigen Bezeichnung einer Resource

Weiterentwicklungen sind:

• Spezielle Bild-, Ton- und Video-Formate (JPG, PNG, MPG)

• Dynamische Webseiten und Anwendungen

- am Client: z.B. JavaSkript

- am Server: z.B. Anwendungen in PHP oder PERL


Daten-übertragung HUB‘s und SWITCHE‘sHUB (REPEATER):• arbeitet auf Layer 1

• verteilt Signale eines Netzes auf mehrere Ports

• Trennt nicht die COLLISION-DOMAIN

• Ermöglicht sternförmige Verkabelung

• Alle Teilnehmer teilen sich die Bandbreite

Switch:

• arbeitet auf Layer 2

• verteilt Signale eines Netzes auf mehrere Ports, anhand einer MAC-Tabelle.Zunächst wird an alle Ports gesendet. Auf Basis der Antworten wird die MAC-Tabelle selbst erlernt.

• Trennt COLLISION-DOMAIN

• Ermöglicht sternförmige Verkabelung

• Alle Teilnehmer an einem Port nützen die volle Bandbreite


Daten-übertragung ROUTER, BRIDGE

ROUTER:

• arbeitet auf Layer 3

• Trennt an seinen Ports mehrere Netze anhand einer konfigurierten Routingtabelle

WLAN-Router:• Trennt LAN und WLAN auf Basis von MAC-Adressen SWITCH

• Trennt WAN auf Basis IP-Adresse ROUTER

Bridge:

• arbeitet auch auf höheren Layern

• Kann verschiedene Protokolle verbinden


Daten-übertragung Gegenüberstellung der Koppelmodule


Daten-übertragung Datenübertragung in der Industrie

Unterschiedliche Hierarchien in einemindustriellen Datennetz.

SpeicherProgrammierbare Steuerung (SPS)

•Micro-Prozessor und RAM•Zeitgeber- und IO-Module

Realtime-Verarbeitung, definierte Antwortzeit


Daten-übertragung Feld-Bus Systeme

Prozesssteuerung

Zentrale Rechner erfassen über dezentrale Sensoren den jeweiligen Zustand eines Prozessesund steuern diesen über ebenfalls dezentrale Aktoren.

In der Analogtechnik wurden diese dezentralen Geräte über eine Sternverkabelung mit dem Rechnerverbunden. Als Übertragungsverfahren wurde die 4 - 20mA Schnittstelle verwendet.

Beim Übergang auf die Digitaltechnik (ca. 1980) wurde die Stern-Verkabelung durch eine Bus-Verkabelung ersetzt. Hierdurch wurden wesentlicheKosteneinsparungen bei der Planung, Errichtung, Erweiterung und beim Service solcher Anlagen möglich

Echtzeitbedingung:• Hängt von der Zeitkonstanten des

Prozesses ab.• Das Abtasttheorem muß eingehalten

werden (mindestens 2-faches Übersamplingin der Praxis)

Verfahrenstechnik FertigungstechnikFeldbuslänge <1000m <300mEchtzeitbedingung 100ms - 2s 1 - 100msAnschlüsse 100 - 1000


Daten-übertragung Feld-Bus Systeme

Der Feldbus stellt die Verbindung zwischen dem Rechner und den Senoren bzw.Aktoren dar.

Bussystem: alle Teilnehmer (Slaves) hängen an einer Leitung und hören mit.

Senden darf allerdings nur einer (Bus-Master ).

Alle Nachrichten enthalten sowohl die Sender- als auch die Empfängeradresse, sodaß alle Slaves wissen, ob die Nachricht für sie bestimmt ist.

ZUGRIFFSVERFAHERN, Zeitmultiplex-Systemea) mit festem Zeitraster: jedem Teilnehmer wird ein fester Zeitschlitz zugeordnet schlechter Wirkungsgrad, hat aber Vorteile bei echtzeitkritischen Anwendungen.b) mit bedarfsabhängigem Zeitraster: Benötigt einen Master, der den Busverkehr regelt.Zu jeder Zeit kann nur 1 Master am Bus sein.Der Master addressiert eine message an den Slave.Der Slave bestätigt oder sendet Daten zurück an den Master.Ein fester Master ist störanfällig.TOKEN-PASSING: es gibt keinen festen Master, sondern der TOKEN entscheidet, werfür eine gewisse Zeit Master ist. Jede Station kennt ihren Nachfolger und Vorgänger,entweder durch Ring-Struktur, oder auch am Bus durch logische Adressierung.TOKEN hat feste Laufzeit echtzeitfähig


Daten-übertragung Zugriffsverfahren

Carrier-Sense Multiple Access Verfahren (CSMA)

Alle Teilnehmer horchen am Bus.Ist der Bus frei, dann kann ein Teilnehmer zu senden beginnen.Trotzdem kann es durch Signal-Laufzeiten zu Kollisonen kommen

Collision Detection (CD)

Beide Stationen stellen das Senden ein und probieren nochmals,nach unterschiedlichen Wartezeiten. Eine weitere Abart ist:

Collision Avoidance(CA)

Durch spezielle Kodierung der Messages kann erreicht werden, daß der Sender mit vorrangiger Messagenr. weitersendet, und nur der andere Sender aufhört..


Daten-übertragung Feldbus-Systeme

SENSOR-BUS

Verbinden einfache Sensoren und Aktoren mit derzentralen Steuerung (z.B. Schalter, Sensoren, etc)Nur geringe Informationsmengen Bitlevel-Communication

DEVICE-BUS

für komplexere Einrichtungen in Anlagen, schnelleKommunikation, größere Datenmengen.

FIELD-BUS

für sehr große Anlagen, eingebaute Sicherheit, etc.

Feldbus-Systeme gibt es in 3 verschiedenen Hierarchien, entsprechend dem jeweiligen Einsatz:


Daten-übertragung ASI-Bus (Aktuator-Sensor Interface)

Sensor-Bus

Verbindet Aktoren und Sensoren mit einer übergeordneten Steuerung. (z.B.SPSS, µP oder PC)Ersetzt den sonst üblichen Kabelbaum.

Master ist eine Karte in einer SPS oder in einem PC. Der Master fragt die Teilnehmer zyklisch ab.Die Zykluszeit ist 5ms. Den Slave-chip gibt es als eigenes Modul zum Anschluß konventioneller Sensoren oder zum Einbau in intelligente Sensoren. Das ASI-Kabel hat eine spezielle Form, sodaßKoppelmodule mit Schneidetechnik nur mit richtiger Polarität angeschlossen werden können. Module können bis zu 100mA/24V Versorgung entnehmen, insgesamt bis 2A.


Daten-übertragung ASI-Slave

Der ASI-Slave ist in einem Chip integriert. Eine sehr schnelle Datenverarbeitung wird dadurch ermöglicht. Durch Manchester-Codierung wird eine hohe Datensicherheit erreicht. Jeder Slave ist auf eine eigene Adresse mittels Programmiergerät einzustellen. Der Master erkennt die angeschlossenen Slavesautomatisch.

Vorteile des ASI-Bus:

• Einfache Verkabelung in beliebiger Struktur dient gleichzeitig zur Energieversorgung.

• Keine wesentlichen Programmier-arbeit an Master und Slave.

• Echtzeitfähig


Daten-übertragung ControllerAreaNetwork (CAN-Bus)

Device-Bus

Wurde zuerst für die Anwendung bei Automobilenentwickelt. (1981, BOSCH, INTEL, MERCEDES, BMW).Durch die hohen Stückzahlenergaben sich günstige Preise, wodurch das Anwendungsgebietwesentlich erweitert wurde.

10Kb/s bis 1Mb/s, 40m bis 1km, 2Drahtleitung mit 120 abgeschlossen,max.8 Byte Daten per message, messages sind “content adressed”,z.B. Drehzahl, Temperatur, etc.


Daten-übertragung CAN-Bus

Multi-Master System:CSMA/CA Übertragungsverfahren (Collision Avoidance)

Bitarbitrierung:ArbitrationField kennzeichnetPriorität der Nachricht.0-Bit hat Vorrang gegenüber1-Bit


Daten-übertragung BMW der Serie 7 (E65)


Daten-übertragung MODBUS

Master

Slaves

MODBUS ist ein open protocolzur Übertragung von Daten der Messgeräte (Slaves) an einen übergeordneten Controller (Master).

Als Übertragungsverfahren wird entweder RS232 (Punkt zu Punkt), RS485 (Bus) oder TCP/IP verwendet.


Daten-übertragung Foundation Fieldbus

FieldBus

Eigenschaften:Multidrop wiring: Bis zu 32 Stationen an einem BaumnetzMultivariable Instruments: Jede Station kann mehrere Variablen senden2-Weg Kommunikation:Service-Informationen: Stationen können ihren Zustand melden

Fieldbus Foundation: Eine gemeinsame Organisation mehrerer Herstellergarantiert, daß deren Equipment an diesem Bus funktioniert

Physical layer:

Übersetzt Messages in Leitungssignale5-32 VDC, 5 - 20mA per device, 31,25kBaud

DataLink and Application Layer:

Erstellt die Datenpakete und managt den Bus.

User layer:

provides resource blocks, transducer blocks and functionblocks defined by Device description(no programming).



FieldBus

Scheduled communications:

process control information is broadcast on a regular repeating cycle determined by a master schedule. Publisher-Subscriber method, deterministic transfer.

Unscheduled communications:

for time-uncritical information (e.g.diagnostics, status, configuration).Appr.10% of the cycle is reserved, managed by token-passing to all devices.

Parameter status:

every parameter is transmitted with a status.

Application Clock:

all devices have the same time throug periodic time-broadcast.

Link Active scheduler (LAS)

Regelt den Verkehr am Bus, fordert devices auf, messages zu wiederholen, falls notwendig.Nur ein scheduler ist aktiv, es gibt aber mehrere passive scheduler für den Fehlerfall.

Device-Adressen:

werden automatisch beim Anschluß von Geräten vergeben



FieldBus

A MACROCYCLE is fixed scheduled by the LAS

Individual communication is scheduled in respect of the beginning of the macrocycle

Unscheduled communication can take place, if nothing is scheduled.


Daten-übertragung Fieldbus Blocks

Resource Block:

identifies and provides information on the device, diagnostics may be performed, only 1 block per device.

Transducer Block:

IO functions, calibration data, operating status

Function Blocks:

functions for monitoring and control

Standard Blocks:

In der Anwendungschicht (Layer 7) sind standardisierte Funktionen als Blöcke realisiert:


Daten-übertragung Device Description

Device Description

a file, coming with the instrument.Acts as a driver for the device and describes all implemented blocks.

Diagnostics

e.g. by statistical monitoring, enables preventiv service


Daten-übertragung PROFIBUS

IEC61158 auf Basis einer deutschen Norm (SIEMENS, u.a.)Universalbus für verschiedene Ebenen:TOKEN-RING mit Multi-Master zwischen den RechnernMASTER-SLAVE auf der Sensor-Aktorebene


Daten-übertragung PROFIBUS

Die Bus-Leitung muß am Ende mitdem Wellenwiderstand abgeschlossenwerden.

Diverse Sensoren und Aktorenfür den Profibus.

Documents

Datenuebertragung