Netzwerk-Grundlagen – sichere Datenübertragung durch Synchronisierung

Unterschiedliche Verfahren transportieren Daten asynchron, synchron und isochron

19.10.2007 | Autor / Redakteur: Gerhard Kafka / Andreas Donner

Ohne Synchronisation geht in der Datentechnik gar nichts
Ohne Synchronisation geht in der Datentechnik gar nichts

Um einen sicheren und unverfälschten Empfang von Daten, die zwischen einer Quelle und Senke ausgetauscht werden zu garantieren, ist eine Synchronisierung der miteinander kommunizierenden Einheiten erforderlich. Dafür wurden im Lauf der Zeit verschiedene Verfahren entwickelt, welche den jeweiligen Anwendungen aus dem Netzwerk die erforderlichen Taktsignale zur Verfügung stellen. Diese Verfahren arbeiten asynchron, synchron, isochron oder plesiochron.

Um den korrekten Empfang von Daten sicher zu stellen, ist eine Taktung der Datenübertragung unerlässlich. in öffentlichen WANs wird mit zentralem Takt gearbeitet während im LAN der Takt aus den Daten selbst zurückgewonnen wird.

Der zentrale Takt in einem öffentlichen Netzwerk – Beispiele dafür sind X.25, ISDN, ATM und Frame Relay – wird von einem hochgenauen Zeitnormal abgeleitet und über die Netzknoten bis zu den Abschlussgeräten verteilt. Die Datenpakete mit fester oder variabler Länge werden hierbei jeweils in dem vorgegebenen Zeitraster synchron übertragen. Als spezielle Verfahren der zentralen Taktung werden isochrone und plesiochrone Übertragungsmethoden eingesetzt.

Von einer asynchronen Datenübertragung wird dann gesprochen, wenn die zu übermittelten Texte durch einzelne Zeichen transportiert werden. Im Unterschied zu den synchronen Verfahren erfolgt hier keine Blockbildung sondern es wird Zeichen für Zeichen vom Sender zum Empfänger übertragen. Wie das praktisch funktioniert, wird anschließend erläutert.

Asynchrone Datenübertragung

Bei der asynchronen Übertragung müssen den beiden Kommunikationspartnern vor der Übertragung die Datenrate, das Datenformat und die Art der Steuersignale bekannt sein. Die asynchrone Datenübertragung wird auch als zeichenweise Übertragung bezeichnet, bei welcher der zeitliche Abstand zwischen den einzelnen Zeichen keine Rolle spielt. Jedes Zeichen stellt für sich einen kompletten Datenrahmen dar, der durch so genannte Start- und Stoppbits begrenzt ist.

Für das Startbit in Bild 1 wurde eine logische „1“ zur Kennzeichnung gewählt. Als Stoppbit werden in der Praxis 1, 1,5 oder 2 Zeichen benutzt. Die Variante mit 1,5 Stoppbits ist historisch bedingt und kommt aus der Zeit der mechanischen Fernschreiber. Diese Telex-Geräte wurden über mechanische Fliehkraftregler auf ihre Drehzahl und damit auf ihre Übertragungsgeschwindigkeit eingestellt, wobei das halbe Bit Drehzahlschwankungen ausgleichen konnte.

Die Zeichenübertragung erfolgt mittels ASCII-Code, der einen Zeichenvorrat von 128 Zeichen besitzt (27 = 128). Mit Hilfe des anschließenden Paritätsbits besteht die Möglichkeit, Übertragungsfehler zu erkennen. Die Einstellungen dafür lauten: EVEN (gerade), ODD (ungerade) und NONE (keine Parität). Je nach Auswahl wird dem ASCII-Zeichen eine weitere „0“ hinzugefügt, um die Gesamtzahl der Nullen gerade oder ungerade zu gestalten.

Um die Nutzinformation von sieben Datenbits zu übertragen werden bei der asynchronen Datenübertragung bis zu vier weitere Steuerbits hinzugefügt, was einem Overhead von ca. 60% entspricht. Das erklärt, warum heute eine synchrone Datenübertragung bevorzugt wird.

Synchrone Datenübertragung

Bei der synchronen Datenübertragung werden die zu übertragenden Informationen in definierte Rahmen zusammengefasst. Die Länge solch eines Datenrahmens hängt von dem verwendeten Protokoll der Schicht 2 und der Qualität (Bitfehlerrate) der Übertragungsstrecke ab. Typische Beispiele sind Ethernet mit rund 1.500 und Frame Relay mit 1.024 Oktetts.

Generell gilt: je schlechter die Übertragungsqualität um so kleiner die Rahmenlänge. Werden Echtzeitanwendungen wie Sprache und Video über paketvermittelte IP-Netze transportiert, dann sind solche Pakete zu priorisieren und deren Länge zu optimieren. Für Voice over IP (VoIP) liegt die praktische Länge für den Inhalt eines Sprachpakets zwischen 10 und 20 ms.

Die klassische synchrone Datenübertragung kennt zwei Methoden: zeichenorientiert und bitorientiert. Wie aus Bild 2 ersichtlich wird, ist das Datenfeld für die Nutzdaten erst ab dem Steuerzeichen STX transparent. Der Inhalt des Datenrahmens ist durch eine Blocksicherung (BCC = block check character) gegen Übertragungsfehler gesichert.

Moderne synchrone Übertragungsverfahren wie SDLC oder HDLC arbeiten bitorientiert. Hier beginnt und endet ein Datenrahmen mit einem eindeutigen und geschützten Flag (binär 10000001). Damit dieses Zeichen nicht innerhalb des transparenten Datenfelds auftreten kann, wird automatisch nach fünf aufeinander folgenden Nullen noch eine „0“ eingefügt, die beim Empfänger auch wieder entfernt wird. Dadurch erhöht sich die physikalische Bitrate gegenüber der reinen Datenrate auf der Schicht 2. Die Blocksicherung FCS (frame check sequence) erkennt Übertragungsfehler und kann diese durch eine Wiederholungsanfrage auch korrigieren.

Isochrone Datenübertragung

Der Begriff leitet sich aus der griechischen Sprache ab und bedeutet wortwörtlich: iso = gleich und chronos = Zeit. Bei der isochronen Datenübertragung liegt immer eine feste Anzahl von Schritten zwischen zwei beliebigen Kennzeichnungspunkten. Der zeitliche Abstand zwischen zwei übertragenen Bits ist stets gleich groß. Zeitliche Abweichungen, die als Jitter bezeichnet werden, existieren im Idealfall nicht. Sie werden deshalb in der Praxis begrenzt. Bei der asynchronen Datenübertragung werden die einzelnen Zeichen zwar zu beliebigen Zeitpunkten übertragen, die Start-, Daten- und Stoppbits werden aber isochron gesendet.

Plesiochrone Digitale Hierarchie

Die Plesiochrone Digitale Hierarchie (PDH) (griechisch: plesio = fast, beinahe) ist eine von der ITU-T standardisierte Multiplextechnik für die Übertragung digitaler Datenströme in öffentlichen Netzen. Die TDM-basierte Zeitmultiplextechnik arbeitet hierarchisch in den Ebenen 64 kbit/s, 2, 8, 34 und 140 Mbit/s. Die Datenströme müssen dabei annähernd synchron sein und eine maximale Abweichung der Taktrate von 50 ppm einhalten.

Zum Ausgleich der abweichenden Taktraten wird die so genannte Stopftechnik eingesetzt. Diese Stopftechnik arbeitet mit Hilfe zusätzlicher „Stopf- oder Füllbits“, die an genau definierten Stellen im Signal eingefügt beziehungsweise herausgenommen werden, um so die variierenden Bitraten der Datenströme auszugleichen. Die Stopftechnik hat den gravierenden Nachteil, dass der Zugriff auf einen Datenstrom nur auf der untersten Multiplex-Ebene von 2 Mbit/s möglich ist. Die PDH-Technologie wird heute zunehmend durch SDH abgelöst, weil hier der Zugriff auf die Daten in jeder Multiplex-Ebene möglich ist und der Transport von Ethernet und IP sehr viel effizienter erfolgt.

Über den Autor

Gerhard Kafka arbeitet als freier Fachjournalist für Telekommunikation in Egling bei München

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