Grundlagen der Datenübertragung

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February 1, 1995
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von: Kristian Köhntopp, aus: DOS Sonderheft DFÜ, DMV Verlag

Grundlagen der Datenübertragung

Der Einsteiger in das Gebiet der Datennah- und fernübertragung wird zunächst einmal mit einer verwirrenden Vielfalt neuer Konzepte und Begriffe konfrontiert. Wir wollen hier versuchen, einen allgemeinen Überblick über das Gebiet der Datenübertragung zu geben und die wichtigsten Ideen und Ausdrücke darzustellen.

Die Grundaufgabe bei der Datenübertragung ist es, eine Menge an Informationen von einem Gerät zu einem anderen zu übertragen. Diese Formulierung ist mit Absicht genauso allgemein gewählt, wie sich das Problem in der Wirklichkeit darstellen kann. Bei dem zu lösenden Problem kann es sich um die einfache Übermittlung einer Grafikdateien vom Rechner zum Drucker handeln, aber genausogut kann es sein, daß die kompletten Konstruktionspläne eines Containerfrachters vom koreanischen Konstruktionsbüro an eine Werft in Bremen oder Kiel übermittelt werden müssen. Entsprechend vielfältig sind die Lösungen, die für das jeweilige Problem gefunden werden und entsprechend unterschiedlich ist nicht nur die verwendete Hard- und Software, sondern auch die Begriffswelt, die die entsprechenden Personen verwenden.

Das OSI-Modell

Um dieses Problem in den Griff zu bekommen, hat sich die Normungskommision ISO zusammengesetzt und ein sogenanntes Referenzmodell für die Datenübertragung ausgearbeitet. Dieses Referenzmodell wird allgemein als Open Systems Interconnect (OSI) Modell bezeichnet. Das Modell gibt keine konkrete Lösung zur Datenübertragungsproblemen an, sondern versucht das komplizierte Problem Datenübertragung in kleine, leichter zu lösende Teilprobleme zu unterteilen, die aufeinander aufbauen. Hat man ein Teilproblem im Griff, kann man sich dem nächstkomplizierten Problem zuwenden. Das OSI-Modell besteht insgesamt aus sieben Schichten, mit denen man versucht, die Aufgabe zu strukturieren.

Bild 1: Das OSI 7-Schichtenmodell

Weil jede Schicht auf den darunter liegenden Schichten aufbaut, redet man auch gelegentlich von einem Stapel oder protocol stack. Man kann nicht immer ein Protokoll oder eine Funktion in der realen Welt genau auf eine Schicht im OSI-Referenzmodell abbilden. Das ist auch nicht notwendig, denn das Modell stellt nur eine Strukturierungshilfe dar und repräsentiert keine Gesetzmäßigkeit, nach der ein Protokoll zwangsläufig aufgebaut sein muß.

Von Punkt zu Punkt

Um Daten übertragen zu können, muß zunächst einmal eine Verbindung zwischen den beteiligten Geräten hergestellt werden. Genau damit beschäftigt sich die unterste Schicht des OSI-Protokollturmes, die physical layer. Damit eine Verbindung konstruiert werden kann, ist es notwendig, die verwendeten Kabel und Stecker zu normieren. Außerdem müssen die elektrischen Parameter der Übertragung festgelegt werden und eine entsprechende Hardware vorhanden sein. Natürlich braucht man heute für Standardfälle keine solchen Vereinbarungen mehr zu treffen. Stattdessen existiert eine reichhaltige Palette von Normen für die unterschiedlichsten Anwendungsfälle. So legt die CCITT-Norm V.24 z.B. die elektrischen Parameter einer seriellen Schnittstelle eines PC fest, während die parallele Schnittstelle durch eine Herstellernorm des Druckerherstellers *Centronics beschrieben wird. Andere Normen beschreiben die Hardware zum Anschluß an ein Ethernet, ein Token-Ring Netzwerk oder an einen FDDI-Glasfaserring.

Danach kann man sich Gedanken über ein Übertragungsprotokoll machen. Das Protokoll legt eine Verfahrensvorschrift fest, nach der sich alle an der Übertragung beteiligten Geräte Zeichen auf dem Übertragungsmedium signalisieren dürfen. Dabei muß nicht nur das wie der Zeichenübertragung geregelt werden, sondern auch das wann. Das bedeutet: Man muß nicht nur festlegen, wie und mit welcher Geschwindigkeit die einzelnen Bits eines Datenbytes codiert werden, sondern man muß auch festlegen, wie ein Gerät seine Übertragung anmelden muß. Einerseits verhindert man damit, daß mehrere Sender gleichzeitig versuchen, einem Empfänger eine Nachricht zu senden und sich gegenseitig blockieren. Diesen Teil eines Protokolles nennt man media access layer, weil er den Zugriff auf das Datenübertragungsmedium - sprich: das Kabel - regelt. Andererseits muß der Empfänger die Möglichkeit haben, eine Datenübertragung abzulehnen, weil er z.B. intern noch mit der Verarbeitung einer vorhergehenden Nachricht beschäftigt ist oder weil seine Puffer voll sind und die Daten deswegen nicht entgegen nehmen kann. Diesen Teil eines Protokolles nennt man flow control (Datenflußkontrolle).

Bitte nicht stören

Jede Datenübertragung in der wirklichen Welt hat mit dem Problem mehr oder minder starker Störungen zu kämpfen. Nachdem man das Problem der Datenübertragung erst einmal grundsätzlich gelöst hat, kann man sich daran machen, das Übertragungsprotokoll so zu verbessern, daß solche Übertragungsfehler erkannt und korrigiert werden können. Derartige Spezifikationen werden im OSI-Modell in die zweite Schicht, die data link layer, eingeordnet. Die Korrektur von Übertragungsfehlern kann auf zwei Arten geschehen: Einmal könnte man sich für die Übertragung einen speziellen Code definieren, der es nicht nur möglich macht, Übertragungsfehler zu erkennen, sondern sogar das ursprüngliche Zeichen zurückzuberechnen. Zum anderen könnte man sich darauf beschränken, Fehler nur zu erkennen und dem Sender zu signalisieren, die beschädigten Daten ein weiteres Mal zu übertragen.

Dies ist das gebräuchlichere Verfahren, aber es setzt voraus, daß es Rückkanal existiert, über den der Empfänger den Sender darüber informieren kann, ob und wie gut die Übertragung funktioniert hat. Wenn man sowieso schon dabei ist, mit verschiedenen Codierungen zu hantieren, fügt man an dieser Stelle oft noch eine Kompression der Daten für die Dauer der Übertragung mit ein. Dies ist letztendlich auch nur ein weiteres Umkodieren von Zeichen, wenn auch mit dem Ziel, eine möglichst kurze und nicht eine möglichst sichere oder leicht zu verarbeitende Darstellung zu finden. Auf diese Weise kann man die Übertragungsleistung einer Datenleitung noch beträchlich erhöhen. Je nach Art der Daten und des verwendeten Kompressionsprogrammes ist eine Steigerung um 200 % bis 500 % möglich.

Aus vielen Verbindungen wird ein Netz geknüpft

Auf diese Weise kann man sich eine schnelle und fehlerfreie Verbindung zwischen zwei Endpunkten konstruieren. Fügt man noch eine weitere Idee hinzu, gelangt man von Punkt-zu-Punkt Verbindungen zu echten Rechnernetzen: In einem solchen Rechnernetz sind auch indirekte Verbindungen möglich. Es besteht also die Möglichkeit, eine Nachricht oder ein Datenpaket über einen oder mehrere andere Rechner an einen Zielrechner zu senden. Der erste Rechner auf dem Weg nimmt das Paket entgegen und stellt fest, über welche seiner Punkt-zu-Punkt Verbindungen er es zum eigentlichen Zielrechner senden kann. Die folgenden Rechner leiten das Paket ebenfalls weiter, solange bis es den Zielrechner endlich erreicht.

Bild 2: Ein Router nimmt ein Paket und leitet es an einen näher am Ziel gelegenen Rechner weiter. Auf diese Weise entstehen indirekte Verbindungen.

Um aus einem Netz von Punkt-zu-Punkt Verbindungen also ein echtes Rechnernetz zu machen, muß man eine Route oder einen Pfad festlegen können, auf dem Informationen übermittelt werden sollen. Dementsprechend muß man seinen Rechnern routing beibringen. In einem gut ausgebauten Rechnernetz kann es mehr als eine Route geben, auf der man von einem Rechner zu einem anderen gelangt. Dementsprechend wird ein guter Router nicht einfach irgendeine Route auswählen, sondern versuchen, eine möglichst schnelle oder möglichst billige Route zum Ziel zu finden. Routingprotokolle werden im OSI-Modell in die dritte Schicht eingeordnet, die dementsprechend network layer heißt.

Wenn man routet, kann es nicht nur vorkommen, daß eine Nachricht über mehr als eine Leitung übertragen werden muß, bis sie am Ziel ist, sondern es müssen auch Nachrichten von verschiedenen Systemen über eine Leitung übertragen werden. Die Leitung muß also zwischen verschiedenen Benutzern aufgeteilt werden. Dies erreicht man durch Multiplexen der Verbindung. Dabei werden die verschiedenen Datenpakete unterschiedlicher Benutzer entweder nacheinander übertragen (serielles Multiplexen) oder gleichzeitig, aber in verschiedenen Frequenzbereichen, übermittelt (paralleles Multiplexen). Außerdem kann es vorkommen, daß Routen zusammenbrechen, weil ein Rechner auf dem Weg ausgefallen ist oder ein Kabel beschädigt worden ist. Dadurch werden Routen ungültig und es kommt zu Übertragungsfehlern, die korrigiert werden müssen. Dies ist die Aufgabe der vierten OSI-Schicht, der transport layer.

Nach der vierten Ebene des OSI-Protokollturmes hat man ein Verfahren definiert, daß es zwei beliebigen Programmen über ein Rechnernetz hinweg erlaubt, einen beliebigen Bytestrom auszutauschen. Dieser Datenstrom hat noch keine Struktur, so wie eine Datei aus der Sicht des Betriebssystems zunächst auch nur eine strukturlose Ansammlung von Bytes ist. In den weiteren Schichten des OSI-Modells macht man sich jetzt daran, Protokolle zu definieren, um diesen Bytestrom zu strukturieren, gemeinsame Repräsentationen von Daten festzulegen und ähnliche Verfeinerungen zu definieren. Diese Protokolle sind aber, genau wie Dateiformate für Dateien, abhängig von der jeweiligen Anwendung.

Seriell oder Parallel?

Wir wollen uns deswegen noch einmal den unteren Schichten des OSI-Modells zuwenden. Bei der “selbstgemachten” Datenübertragung, etwa über ein Modem oder ein Laplink-Kabel, hat man es meistens mit den OSI-Schichten 1 und 2 zu tun. Wir wollen uns diejenigen Verfahren, die in einem PC-Haushalt am gebräuchlichsten sind, einmal genauer ansehen.

Für kurze Strecken von einigen Metern wird man wegen der größeren möglichen Geschwindigkeiten meistens eine parallele Datenübertragung wählen. Bei dieser Form der Übertragung hat man ganzes Bündel von Datenleitungen, etwa 8 Datenleitungen zur parallelen Übertragung eines Bytes bei der Centronics-Schnittstelle. Auf je einer Leitung wird dabei eines der 8 Bits eines Bytes signalisiert. Leider sind elektronische Bauteile nicht immer gleich schnell, sodaß es sein kann, daß Bit 3 einer Leitung einen winzigen Bruchteil einer Sekunde eher verfügbar ist, als etwa Bit 6. Deswegen sieht man noch eine neunte Leitung vor, die als Steuerleitung (Strobe, “Bitte sehr”) fungiert und signalisiert, daß die Inhalte der acht Datenleitungen gültig sind.

Bild 3: Signal-Zeitdiagramm an einer Centronics Schnittstelle. Die Datenübertragung erfolgt asychron ohne ein Taktsignal. Die Geschwindigkeit der Übertragung regelt sich durch die Bestätigung eines jeden Zeichens selbst.

Der Empfänger der Daten - bei einer Centronics-Schnittstelle meistens ein Drucker - liest nach dem Empfang des Steuersignals die Datenleitungen ab und bestätigt dies mit einem Impuls (Acknowledge, “Danke schön”) an den Sender, sobald er fertig ist.

Auf diese Weise regelt sich nicht nur die Übertragungsgeschwindigkeit zwischen den beiden Partnern ganz automatisch, sondern man hat auch ohne Mehraufwand ein Verfahren zur Flußkontrolle bekommen: Wenn der Drucker keine weiteren Daten annehmen kann, weil sein Puffer voll ist oder er zur Bearbeitung eines Zeichens längere Zeit benötigt (um etwa das Papier vorzuschieben), kann er das Bestätigungssignal verzögern und so den Sender auf die von ihm benötigte Geschwindigkeit herunterbremsen. Weil sich Sender und Empfänger frei über die Übertragungsgeschwindigkeit einigen (jeder so schnell er kann), kann man keine allgemeine Datenübertragungsgeschwindigkeit für eine Centronics-Schnittstelle angeben. Sie liegt jedoch je nach Drucker- und Rechnermodell in der Größenordnung von 60 bis 150 KB pro Sekunde. Noch größere Geschwindigkeiten erlauben die in der Regel recht trägen Ausgangsbausteine eines PC nicht.

Parallele Datenübertragung ist relativ aufwendig: Immerhin muß für jedes Bit, das zu Übertragen ist, eine eigene Leitung verlegt werden. Das ist bei größeren Entfernungen zu teuer, denn man muß nicht nur viele Kabel verlegen, sondern diese auch gegeneinander abschirmen, damit sie sich nicht beeinflussen. Deswegen wird parallele Datenübertragung nur dort eingesetzt, wo kurze Strecken zu überbrücken sind: Vom Rechner zum Drucker, von der Festplatte zum Controller, von der CPU über den Bus zur Peripherie.

Für längere Strecken verwendet man bitserielle Übertragung. Hier wird jeweils ein Datenbyte in ein Schieberegister geladen und Bit für Bit auf einer einzelnen Signalleitung übermittelt. Für eine minimale Verkabelung braucht man bei einer seriellen Schnittstelle nur drei Leitungen im Gegensatz zu mindestens elf bei einer parallelen Schnittstelle: Eine Leitung für die Sendedaten, eine für die Empfangedaten und eine gemeinsame Masseleitung, damit ein elektrischer Bezugspegel existiert. Und dabei ist bei einer seriellen Schnittstelle dann schon Kommunikation in beide Richtungen möglich, während eine Centronics-Schnittstelle nur als Sender betrieben wird. Doch dadurch, daß die einzelnen Bits nacheinander über eine einzelne Leitung übermittelt werden müssen, ist diese Art der Übertragung langsamer: Ein PC erreicht eine Höchstgeschwindigkeit von 115200 Bit pro Sekunde, das sind etwa 11.2 KB/Sekunde.

V.24

Bild 4: Belegung und Bedeutung der Anschlüsse an einer V.24 Schnittstelle.

Die Leitungen an einer V.24 Schnittstelle, die die eigentliche Übertragungsarbeit leisten, sind die Pins 2 (Transmit Data, Sendedaten) und 3 (Receive Data, Empfangsdaten). Dort wird mit den Pegeln +12V eine logische Null und -12V eine logische 1 signalisiert. Um Zeichen zu übertragen, müssen sich Sender und Empfänger darüber einig sein, aus wievielen Bits ein Zeichen besteht, wie schnell die einzelnen Bits signalisiert werden und an welchem Ende eines Bytes angefangen wird, zu übertragen. Einige dieser Parameter sind festgelegt, andere sind in gewissen Grenzen variabel. Wenn Sender und Empfänger nicht auf genau die gleichen Übertragungsparameter eingestellt sind, wird die Übertragung nicht gelingen.

Bild 5: Bitfolge auf einem V.24 Kabel zur Übertragung eines 7 Bit Zeichens mit gerader Parität: Nach dem Startbit folgenden die 7 Datenbits, das niederwertigste Bit zuerst. Das Paritätsbit sorgt dafür, daß die Anzahl der Einsbits im Datenwort gerade ist. Mit dem Stopbit wird das Ende des Datenwortes signalisiert.

Das Verfahren zur Übermittlung von Zeichen ist genau wie die Steckerbelegung und die verwendeten Spannungen in der V.24-Norm festgelegt. Wenn kein Zeichen zur Übertragung anliegt, soll die Schnittstelle auf 1-Pegel liegen. Sobald dann ein Zeichen zu übertragen ist, wird zunächst durch Übermittlung eines 0-Bits signalisiert, daß jetzt ein Zeichen zu übertragen ist. Dieses 0-Bit wird als Startbit bezeichnet. Danach werden die einzelnen Bits eines Bytes übermittelt, und zwar mit dem niederwertigsten Bit zuerst. Nach dem Byte wird eventuell noch ein Paritätsbit zur Fehlererkennung mitgesendet und danach wird die Leitung für eine gewisse Mindestdauer auf den Ruhepegel logisch 1 gelegt. Diese Pause stellt sicher, daß ein nachfolgendes Startbit sicher erkannt werden kann und wird als Stopbit bezeichnet.

Zur Übermittlung eines einzelnen Bytes sind 8 Datenbits plus ein Startbit plus ein Stopbit zu übertragen. Bei einer Datenrate von 9600 Bit pro Sekunde werden pro Sekunde also genau 960 Byte transportiert. Der Benutzer einer seriellen Schnittstelle kann einige Parameter der Übertragung frei festlegen.

Bild 6: Nicht alle Parameter einer seriellen Schnittstelle sind konfigurierbar. Einstellbar sind neben der Geschwindigkeit der Übertragung auch die Anzahl der Datenbits pro Datenwort, die Parität und die Anzahl der Stopbits. Übliche Parameterwerte sind 8-N-1 oder 7-E-1.

Als wichtigster Parameter ist dort die Übertragungsgeschwindigkeit in Bit pro Sekunde zu nennen. Die Basis bildet eine Datenrate von 300 Bit pro Sekunde. Die anderen möglichen Übertragungsgeschwindigkeiten ergeben sich dann durch Verdoppelung: 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200 und 38400 Bit pro Sekunde. Noch höhere Datenraten sind in der V.24 Norm zwar nicht definiert, aber die meisten Programme können außerdem noch mit 57600 und 115200 Bit pro Sekunde senden.

Ein einzelnes Zeichen besteht heute normalerweise aus 8 Datenbits. In den Anfangstagen der Datenverarbeitung kam man noch ohne Umlaute und Sonderzeichen zurecht und nutzte damit nur einen über 7 Bit definierten ASCII-Zeichensatz aus. Das achte Bit wurde dann nicht zur Codierung von Daten genutzt, sondern in Form eines Paritätsbits für eine einfache Fehlerkontrolle verwendet. Die Parität eines Zeichens berechnet man, indem man die 1-wertigen Bits in der Binärdarstellung seines Zeichencodes zählt. Ist die Anzahl ungerade, hat das Zeichen ungerade Parität, ist sie gerade, hat es eine gerade Parität. Bei der Datenübertragung kann man gerade oder ungerade Parität wählen: Stellt man gerade Parität ein, wird bei Zeichen mit ungerader Parität das achte Bit gesetzt, um die Anzahl der 1-Bits im Zeichen wieder auf eine gerade Anzahl zu bringen.

Auf diese Weise kann man Übertragungsfehler leicht erkennen: Da nur Zeichen mit gerader Parität übermittelt werden, muß ein Zeichen mit ungerader Parität einer Störung zum Opfer gefallen sein. Leider besteht ohne ein Protokoll zur Fehlerkorrektur keine Möglichkeit, dieses Zeichen erneut übertragen zu lassen, sodaß man zwar die Information hat, daß ein Fehler aufgetreten ist, aber keine Chance hat, diesen zu korrigieren. Da Parität als Fehlerkorrektur also nur von begrenztem Nutzen ist, verwendet man sie heute normalerweise nicht mehr, sondern nutzt das achte Bit als normales Datenbit mit. Während man früher als gelegentlich 7 Datenbits, gerade Parität und ein Stopbit als Schnittstellenparameter gewählt hat, verwenden heute fast alle Systeme 8 Datenbits, keine Parität und ein Stopbit.

Im Gegensatz zum Protokoll einer Centronics-Schnittstelle bekommt man bei der V.24 Schnittstelle die Datenflußkontrolle nicht als Abfallprodukt des Übertragungsprotokolls. Stattdessen müssen ausdrückliche Vereinbarungen zwischen dem Sender und dem Empfänger getroffen werden. Für die bereits erwähnte Dreidrahtleitung verwendet man dazu zwei besondere ASCII-Zeichen, die Zeichen Control-S (XOFF, ASCII 13h) und Control-Q (ASCII 11h, XON). Wenn der Empfänger keine weiteren Daten mehr aufnehmen kann, sendet er das Zeichen XOFF an den Sender. Der Sender muß daraufhin die Übertragung einstellen. Sobald der Empfänger wieder bereit ist, Daten entgegenzunehmen, signalisiert er dies dem Sender mit dem Zeichen XON.

Dieses Verfahren ist praktisch, weil es keine weiteren Steuerleitungen notwendig macht, hat aber den Nachteil, zwei Zeichen aus dem Zeichensatz zu “verbrauchen”. Diese Zeichen werden für Steuerfunktionen verwendet und können nicht mehr direkt übermittelt werden. Stattdessen müssen sie durch bestimmte Zeichenfolgen anderer Zeichen “umschrieben” werden. Eine Leitung, die nicht für alle ASCII-Zeichen durchlässig ist, nennt man nicht transparent. Auf einer nicht transparenten Leitung müssen die Zeichen, die nicht direkt übermittelt werden können mit Hilfe eines Escape-Mechanismus umschrieben werden.

Eine andere Methode der Flußkontrolle verwendet statt zweier Zeichen zwei zusätzliche Steuerleitungen an der V.24 Schnittstelle. Die Leitungen an den Pins 4 (Request to Send, RTS) und 5 (Clear to Send, CTS) signalisieren für jeweils eine Übertragungsrichtung, ob gesendet werden darf oder nicht. Solange die zu der jeweiligen Datenleitung gehörige Steuerleitung 1-Pegel führt, darf gesendet werden. Sobald der Pegel auf 0 wechselt, muß der Sender seine Arbeit so lange einstellen, bis der Pegel wieder auf 1 wechselt. Datenflußkontrolle mit RTS und CTS ist nicht nur transparent, sondern auch schneller und sicherer als XON/XOFF-Steuerung. Gerade bei höheren Datenraten sollte man daher dieses Verfahren vorziehen.

Übertragungsstreß

Hohe Datenraten sind auch aus einem anderen Grund ein Problem: Normalerweise wird die serielle Schnittstelle in einem PC von einem Baustein vom Typ 16450 oder einem seiner Verwandten betreut. Diese Bausteine lösen für jedes empfangene oder gesendete Zeichen eine Unterbrechung aus. Wird die Schnittstelle also mit 38400 Bit pro Sekunde unter Vollast betrieben, erzeugt sie um die 8000 Unterbrechungen pro Sekunde. Das bedeutet: 8000 mal pro Sekunde wird das gerade laufende Programm unterbrochen, um ein Zeichen für den Schnittstellenbaustein zu lesen oder ihm das nächste Zeichen zum Senden zu nennen. Gerade bei Betriebssystemen, die den Prozessor im erweiterten 386-Modus betreiben, können diese Unterbrechungen sehr aufwendige Umschaltungen in der Betriebsart des Prozessors notwendig machen. Das kostet wertvolle Rechenzeit und der Rechner wird unnötig langsam oder verliert bei der Übertragung sogar einzelne Zeichen. Schnittstellenbausteine vom Nachfolgetyp 16550AF haben deswegen eine Warteschlange, die mehrere übertragene Zeichen speichern kann. Solche Bausteine müssen im Durchschnitt nur noch alle 4 Zeichen vom Prozessor betreut werden und sind gerade unter Multitasking-Betriebssystemen für einen sicheren Betrieb der seriellen Schnittstelle bei hohen Geschwindigkeiten unerlässlich. Der 16550AF ist pinkompatibel zu seinem Vorgänger 16450 und kann, wenn dieser gesockelt ist, auch leicht ausgetauscht werden.

Fehlerkorrektur

Bei der Übertragung von Dateien und Programmen ist es sehr wichtig, daß auch bei schlechten Verbindungen alle Daten unverfälscht und fehlerfrei übermittelt werden. Schon ein einziges falsch gesetztes Bit in einer Programmdatei kann fatale Folgen haben. Deswegen schützt man eine Datenübertragung in der Regel mit einem Übertragungsprotokoll. Es gibt viele dieser Protokolle, von unterschiedlicher Datensicherheit und Effizienz, aber das Grundprinzip ist bei allen gleich: Immer wird ein Block von Daten (z.B. 128 oder 1024 Byte am Stück) gefolgt von einer durch den Sender errechneten Prüfsumme übermittelt. Der Empfänger liest den Datenblock und errechnet die Prüfsumme nach demselbem Verfahren selbst. Stimmt die errechnete Prüfsumme mit der empfangenen Prüfsumme überein, ist der Datenblock korrekt angekommen und wird bestätigt. Andernfalls wird eine Fehlermeldung an den Sender zurückgegeben, der daraufhin den Datenblock noch einmal überträgt.

Das primitivste dieser Protokolle, das im PC-Bereich Anwendung findet, ist das X-MODEM Protokoll. Es sendet relativ kleine Blöcke von 128 Zeichen und eine einfache Summe der übertragenen Bytes. Summen sind aber relativ schlechte Indikatoren für Verfälschungen: Sie registrieren nicht die Einfügung von Nullbytes, sind unempfindlich gegenüber Vertauschungen von Bytes und können bestimmte Doppelfehler (eine Erhöhung um Eins an einer Stelle und eine Verminderung um Eins an anderer Stelle) nicht erkennen. CRC-Prüfziffern (cyclic redundancy check) erkennen alle diese und viele andere Veränderungen an Daten und werden deswegen in der Computertechnik immer dann eingesetzt, wenn die Integrität eines Datenblockes gesichert werden muß.

XMODEM ist auch aus anderen Gründen ein relativ schlechtes Protokoll: Es überträgt keine Informationen über die Datei. Weder der Dateiname noch die Länge, das Datum oder eventuell vorhandene Dateieigentümer oder Zugriffsrechte werden übermittelt. Außerdem wartet XMODEM nach jedem gesendeten Block erst auf die Bestätigung der Gegenseite, bevor der nächste Datenblock verschickt wird. Ein Datenpaket muß gewissermaßen erst seine Rundreise auf einer Leitung beendet haben, bevor das nächste Datenpaket verschickt werden kann. Man kann sich eine Datenleitung vorstellen, wie einen Gartenschlauch: Nachdem man das Ventil aufgedreht hat, muß der Schlauch erst vollaufen, bevor am Ende des Schlauches Wasser austritt. XMODEM versendet die Daten jetzt nicht als Strom, sondern schickt sie gewissermaßen schluckweise durch die Leitung. Auf diese Weise wird möglicherweise ein Großteil der Übertragungskapazität der Leitung verschenkt.

ZMODEM hat diese Probleme nicht: Nicht nur, daß es Dateinamen, Länge und andere Informationen mit überträgt. Es ist auch in der Lage, weitere Datenblöcke zu versenden, bevor die Bestätigungen für vorhergehende Pakete eingegangen sind.

Bild 7: Der Sender kann dem Empfänger vorauseilen. Er sendet Daten, deren Empfang der Empfänger noch nicht bestätigt hat. Das bedeutet, für solche unbestätigten Daten muß der Sender damit rechnen, daß sie nicht ordnungsgemäß beim Empfänger angekommen sind und noch einmal gesendet werden müssen. Daten, die bereits als fehlerfrei bestätigt sind, kann der Sender als erledigt betrachten.

Die Frage ist: Wie groß darf soll der Sender das Transferfenster werden lassen? Läßt er es zu klein, kann es sein, daß er auf die Bestätigungen des Empfängers warten muß, bevor er weiter senden darf. Läßt der Sender das Transferfenster zu groß werden, muß er sehr viel Speicher für Puffer bereitstellen.

In diesem Fall entsteht ein Bereich von Datenpaketen, die der Sender zwar schon abgeschickt hat, für die er aber noch keine positiven Empfangsbestätigungen gesehen hat. Diese Lücke nennt man das Transferfenster eines Übertragungsprotokolls. Ein gutes Übertragungsprotokoll wird das Transferfenster gerade so groß halten, wie die Kapazität der Leitung es erfordert. Bei einem Wasserschlauch würde man die Kapazität in Litern als Querschnitt mal Länge berechnen. Bei einer Datenleitung entspricht der Querschnitt der Datenrate in Bit pro Sekunde und die Länge der Umlaufzeit der Datenpakete in Sekunden. Das Resultat gibt die Anzahl der Bits an, die auf der Leitung unterwegs sind und stellt eine minimale Größe für das Transferfenster dar, wenn der Sender nicht auf den Empfänger warten soll.

Modulation

Während bei der Datenübertragung über ein einfaches Kabel keine besondere Codierung der Daten notwendig war, ist dies bei der Datenfernübertragung nicht mehr möglich. Eine Telefonleitung ist kein durchgehendes Kabel, sondern vielfach durch Filter, Verstärker und andere elektrische Dinge unterbrochen. Sie ist für Gleichspannungen nicht durchlässig, sondern kann nur Wechselspannungen, elektrisch codierte Töne nämlich, übertragen. Bevor man Daten also über eine Telefonleitung übertragen kann, muß man sie in hörbare Töne umwandeln. Diese Umwandlung wird von einem Modem vorgenommen. Der Name ist ein Kunstwort aus den Begriffen Modulator und Demodulator und beschreibt in etwa die Funktionsweise des Gerätes: Ein gleichmäßiger Ton, der Datenträgerton, wird abhängig von den zu übertragenden Daten verändert.

Im einfachsten Fall ordnet man dabei einem Eins-Bit einen Ton und einem Null-Bit einen anderen Ton zu. Auf diese Weise beeinflußt man jedoch nur einen einzigen Parameter einer Schwingung, nämlich die Tonhöhe, die Frequenz. Außerdem überträgt man so nur ein Bit zur Zeit.

Bild 8: Das Diagramm zeigt Phasenwinkel und Amplitudenwerte eines Signals. Der Sender steuert zur Signalisierung eines von 16 Zuständen Phase und Amplitude seines Signals so, daß er einen der markierten Punkte trifft. Auf diese Weise können in einem Zustand 4 Bit signalisiert werden.

Durch Störungen der Übertragung kommt beim Empfänger nicht genau das Signal an, das der Sender auf das Kabel schickt. Stattdessen wird der angesteuerte Punkt nur in der Nähe der markierten Punkte liegen und zwar um so weiter von den Punkten entfernt, je stärker das Signal gestört wird. Auf schlechten Leitungen verschwimmen die Punkte also stärker als auf guten Leitungen. Wenn die Störungen so groß werden, daß die Punkte ineinander verschwimmen, ist die Leitungsqualität so schlecht, daß keine Datenübertragung mehr möglich ist.

Wenn man gleichzeitig mehrere Parameter einer Schwingung verändert, kann hat man mehr als zwei verschiedene Zustände und kann so mehrere Bits zur Zeit übertragen. Das Bild zeigt ein Verfahren, bei dem Phase und Amplitude eines Signales jeweils einen von vier Zuständen annehmen können. Auf diese Weise ist es möglich, sechzehn verschiedene Zustände zu codieren und vier Bit parallel zu übermitteln. Die Geschwindigkeit, mit der ein Modem von einem Signalzustand zum nächsten wechselt, nennt man die Baudrate. Eine Geschwindigkeit von einem Baud entspricht einem Zustandswechsel pro Sekunde. Die Bitrate eines Modems ist gewöhnlich ein Vielfaches seiner Baudrate.

Bezeichnung Geschwindigkeit
            in Bit/s  in Baud	Modulation  duplex  Verwendung
V.17	    14400	2400	TCM	    halb	FAX
	    12000
            9600
            7200	2400 	TCM	    halb	FAX
	    4800	2400	QAM	    halb	FAX
V.21	    300		300	FSK	    voll
V.22	    1200	600	DPSK	    voll
V.22bis	    2400	600	QAM	    voll
V.23	    1200/75	1200/75	FSK	    asymm.	BTX
V.27ter	    4800	1600	DPSK	    halb	FAX
	    2400	1200	DPSK	    halb	FAX
V.29	    9600	2400	QAM	    halb	FAX
	    7200	2400	QAM	    halb	FAX
V.32	    9600	2400	TCM/QAM	    voll
	    4800	2400	QAM	    voll
V.32bis	    14400 	2400	TCM	    voll
	    12000
	    9600
	    7200	2400	TCM	    voll
	    4800	2400	QAM	    voll

Abkürzungen:
FSK	Frequency Shift Keying
DPSK	Differential Phase Shift Keying
QAM	Quadrature Amplitude Modulation
TCM	Trellis Coded Modulation

Bild 9: CCITT-Normen, Datenraten, Baudraten und Modulationsverfahren von Modems im Überblick.

Es gibt verschiedene CCITT-Normen, die unterschiedlich schneller Übertragungsverfahren für Modems normen. Während die meisten Modem-Normen gleichzeitiges Senden und Empfangen von Daten vorsehen, sehen die CCITT-Normen für FAX-Geräte keine Datenübertragung im zwei Richtungen vor. Grundsätzlich unterscheidet man drei Fälle:

  • Ist die Übertragung simplex, wird die Datenrichtung der Übertragung niemals umgeschaltet: Der Sender hat nur einen Modulator, der Empfänger nur einen Demodulator.
  • Bei einer Übertragung in halbduplex sendet immer nur einer der beteiligten Partner. Wenn er “ausgeredet” hat, wechselt die Übertragungsrichtung und der jeweils andere Partner kommt an die Reihe. FAX-Geräte übertragen ihre Informationen auf diese Weise.
  • Die meisten Modemnormen sehen eine vollduplex-Übertragung vor. Hier können beide Partner gleichzeitig senden und empfangen. Damit sich die Signale der beiden Modems leicht getrennt werden, sendet der angerufene Partner bei den Normen V.21, V.22 und V.23 auf einer anderen Frequenz als der Anrufer (answer mode/originate mode). Die unterschiedlichen Signale der beiden Modems lassen sich mit einem einfachen Filter voneinander trennen.

Die Normen V.32 und höher sehen vor, daß Anrufer und Angerufener beide auf denselben Frequenzen senden, sich also quasi “anschreien”. Auf der Leitung vermischen sich beide Signale zu einem nicht entzifferbaren Datensignal. Da jedoch jedes der beiden Modems weiß, welche Töne es gesendet hat, kann es diese Daten von den empfangenen Signalen abziehen und erhält als Differenzsignal die Informationen der Gegenseite. Dieses als echo cancellation bezeichnete Verfahren setzt jedoch einen aufwendigen Signalprozessor voraus, der die entsprechenden Berechnungen auf dem Eingangssignal vornimmt. Da die entsprechenden Prozessoren lange Zeit sehr teuer waren, waren die entsprechenden Modems gut doppelt so teuer wie ihre kleineren Brüder ohne Signalprozessor. Heute existieren für V.32 und V.32bis fertige Chipsätze mit integrierten Faxoptionen, die in großen Stückzahlen produziert werden. Entsprechend gibt es Modems für diese Übertragungsnormen zu relativ günstigen Preisen, obwohl das Modulationsverfahren sehr aufwendig und rechenintensiv ist.

Für das neue V.34-Verfahren sind solche Chipsätze noch nicht verfügbar, sodaß diese Modems zur Zeit noch unverhältnismäßig teuer sind.

Norm	Zweck
V.24	Bedeutung der Signale an einer seriellen 
	Schnittstelle.
V.28	Elektrische Pegel an einer solchen Schnittstelle.
	(V.24, V.28 und ISO 2110 sind zusammen äquivlaent 
	zu EIA RS232.)
V.42	Verfahren zur Sicherung der übertragenen Daten. Im 
	wesentlichen nicht von dem unterliegenden 
	Modulationsverfahren abhängig. Verwendet ein eigenes 
	Protokoll namens LAPM, zwecks Kompatibilität ist ein
	Rückfall auf MNP 2-4 möglich.
V.42bis	Verfahren zur transparenten Kompression von Daten
	während der Übertragung, manchmal auch BTLZ genannt.
	Effizienter als, aber inkompatibel zu MNP5.
	Alle existierenden V.42bis-Modems beherrschen MNP5
	zusätzlich.

Bild 10: Weitere häufig verwendete CCITT-Normen im Zusammenhang mit Modems.

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