modem/modem_script.tex

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  39
  40 % author & title
  41 \author{Melanie Lenk\\{\texttt mali@malinet.org}}
  42 \title{Das Modem - die Schnittstelle ins Internet\\{\small Vom kalten Krieg bis zur digitalen Revolution}}
  43
  44 \begin{document}
  45
  46 \frontmatter{}
  47 \maketitle
  48 \tableofcontents
  49
  50 \mainmatter{}
  51 \chapter{Einleitung}
  52 Das Internet \cite{wiki_internet_de} ist heutzutage nicht mehr weg zu denken.
  53 Zu wichtig und hilfreich sind die hohe Anzahl an M"oglichkeiten die es bietet.
  54 Einen der wohl wichtigsten Dienste des Internets stellt das {\em World Wide Web} dar, ein "uber das Internet abrufbares {\em Hypertext-System}, in denen die Anwender mit Hilfe eines {\em Webbrowsers} Dokumente von einem {\em Webserver} herunterladen, anschauen und sogenannten {\em Hyperlinks} auf andere {\em Webseiten} folgen k"onnen \cite{wiki_www_de}.
  55 Dieser Dienst wird oft mit dem Internet gleichgesetzt, ist aber j"unger und stellt nur eine m"oglich Nutzung des Internets dar.
  56 Weitere bekannte Dienste sind zum Beispiel die {\em E-Mail}, das Chat-Protokoll {\em IRC} und die Kommunikationsm"oglihckeit durch das {\em Telnet}-Protokoll.
  57
  58 \begin{figure}[!h]
  59 \begin{center}
  60 \includegraphics[width=15cm]{internet-modem.eps}
  61 \caption{Grobes Schema einer Verbindung eines Heimcomputers mit dem Internet durch ein Modem}
  62 \label{img:internet_modem}
  63 \end{center}
  64 \end{figure}
  65 Abbildung \ref{img:internet_modem} zeigt, wie man mit Hilfe eines Modems \cite{wiki_modem_de} seinen Computer zu Hause "uber die Telefonleitung ins Internet verbinden kann.
  66 Im der vorliegenden Arbeit soll das Szenario dieser Abbildung verstanden und detailierter betrachtet werden, es wird uns aus diesem Grund noch einige weitere Male begegnen.
  67
  68 Zun"achst setzt sich die Arbeit im ersten Kapitel mit dem Modem auseinander.
  69 Im zweiten Kapitel wird das Internet behandelt.
  70 Zu beiden Errungenschaften des digitalen Zeitalters wird ein grober geschichtlicher Ablauf gegeben, was den Titel dieser Arbeit erkl"aren wird.
  71
  72 \chapter{Das Modem}
  73
  74 \section{Begriffserkl"arung}
  75
  76 Das Modem ist aus den zwei W"ortern {\bf Mod}ulator/{\bf Dem}odulator zusammengesetzt.
  77 Es dient zur "Ubertragung digitaler Daten "uber analoge Leitungen, wie etwa der Telefonleitung.
  78 Dazu wandelt es digitale Information durch Modulation der Daten auf ein analoges Tr"agersignal.
  79 An der Gegenstelle, einem weiteren Modem, passiert genau der umgekehrte Prozess.
  80 Das modulierte analoge Signal wird demoduliert und die digitalen Informationen zur"uckgewonnen.
  81 Das analoge Signal ist dabei den Besonderheiten des Telefonnetzes angepasst.
  82 F"ur die "Ubertragung stand in dem alten analogen Telefonnetz zun"achst das Frequenzband von $300 \, Hz$ bis $3.4 \, kHz$ zur Verf"ugung.
  83 \begin{figure}[!h]
  84 \begin{center}
  85 \includegraphics[width=14cm]{modulation.eps}
  86 \caption{Amplituden-, Frequenz- und Phasenmodulation eines digitalen Signals}
  87 \label{img:modulation}
  88 \end{center}
  89 \end{figure}
  90 Abbildung \ref{img:modulation} zeigt drei verschiedene und einfache Modulationsverfahren.
  91
  92 \section{Geschichtliche Entwicklung}
  93
  94 In den Zeiten des kalten Krieges um 1950 wurde von den Vereinigten Staaten ein computergest"utztes Luftverteidigungssystem mit dem Namen SAGE \cite{wiki_sage_en} entwickelt.
  95 Dieses sollte in der Lage sein, feindliche sowjetische Bomber aufzusp"uren, zu verfolgen und abzufangen.
  96 Es war das erste landesweit vernetzte Radarsystem.
  97 Zum Zeitpunkt der Fertigstellung durch {\em IBM} (sieh Abbildung \ref{img:whirlwind}) war die Bedrohung durch Bomber l"angst der durch Raketen gewichen.
  98 F"ur diesen Zweck war {\em SAGE} v"ollig ungeeignet.
  99 Jedoch hatte das Projekt entscheidenden Einfluss auf die Entwicklung von Computersystemen, Echtzeitverarbeitung von Informationen und der Vernetzung durch Modems.
 100 1957 baute {\em IBM} zusammen mit {\em American Airlines} eine kleine Variante der {\em SAGE} f"ur den zentralisierten Vertrieb von Flugtickets.
 101 \begin{figure}[!h]
 102 \begin{center}
 103   \includegraphics[height=3.7cm]{sage_computer.eps}
 104   \includegraphics[height=3.7cm]{sage_building.eps}
 105   \includegraphics[height=3.7cm]{sage_terminal.eps}
 106 \caption{IBM AN/FSQ-7 Whirlwind II R"ohrenrechner, Geb"aude und Terminal}
 107 \label{img:whirlwind}
 108 \end{center}
 109 \end{figure}
 110
 111
 112 Die Notwendigkeit eines schnellen Informationsaustauschs lag also vor.
 113 Da sehr gro"se Datenmengen nur durch Computer verarbeitet werden k"onnen, lag es nahe, eine Daten"ubertragung zwischen Computern zu realisieren.
 114 Da das Telefonnetz, mit seinem Ursprung 1880, zu dieser Zeit gut ausgebaut war, kam die Idee, die Computer "uber die Telefonleitung miteinander kommunizieren zu lassen.
 115 Das Telefonnetz war jedoch nur zur Sprach"ubertragung gedacht, weshalb ein Ger"at zur Wandlung digitaler Information in T"one und zur"uck ben"otigt wurde, das Modem.
 116
 117 Der nordamerikanische Telefonkonzern {\em AT\&T} genoss eine Monopolstellung in den USA und Kanada.
 118 Nur Ger"ate von {\em AT\&T} selbst durften elektrisch mit ihrem Netzwerk verbunden werden.
 119 {\em At\&T} brachte 1958 zwei {\em digital subset} Ger"ate f"ur die stark ansteigende Anzahl der Computernutzer heraus.
 120 Diese Ger"ate hatten eine "Ubertragungsrate von $200 \, baud$, $1 \, baud = 1 \, \frac{bit}{s}$.
 121 1960 wurde der Name {\em Data-Phone} eingef"uhrt und ersetzte den Begriff {\em digital subset}.
 122 Ein sehr bekanntes Modem ist das {\em 103A Data-Phone}, das 1962 auf den Markt kam.
 123 Es schaffte eine "Ubertragungsrate von $300 \, baud$ in beide Richtungen (vollduplex) "uber die normale Telefonleitung.
 124
 125 Auf Grund der Monopolstellung von {\em At\&T} und dem Verbot nicht-{\em AT\&T} Ger"ate elektrisch mit dem Telefonnetz zu verbinden, entstand die Idee der Akustikkoppler \cite{wiki_akustikkoppler_en}.
 126 \begin{figure}[!h]
 127 \begin{center}
 128 \includegraphics[width=14cm]{akustikkoppler.eps}
 129 \caption{Akustikkoppler}
 130 \label{img:akustikkoppler}
 131 \end{center}
 132 \end{figure}
 133 Abbildung \ref{img:akustikkoppler} zeigt einen solchen Akustikkoppler.
 134 An Mikrofon und Lautsprecher des Telefonh"orers werden die entsprechenden Gegenst"ucke des Akustikkopplers befestigt.
 135 Somit k"onnen die modulierten analogen Signale in beiden Richtungen durch das Telefonnetz "ubertragen werden, ohne dass das Modem elektrisch mit der Telefonleitung verbunden ist.
 136
 137 Mit einem Gerichtsurteil von 1968 wurden nun auch nicht-{\em AT\&T} Ger"ate am Telefonnetz erlaubt.
 138 Diese mussten allerdings komplexe und teure Tests bestehen, weshalb der Akustikkoppler bis 1980 weit verbreitet blieb.
 139
 140 1972 brachte {\em Vadic} das {\em VA3400} mit einer beachtliche vollduplex Daten"ubertragung von $1200 \, baud$ "uber eine Standard-Telefonleitung auf den Markt.
 141
 142 Der n"achste Meilenstein in der Modemtechnologie war die Entwicklung des Smartmodems durch den Herrn Hayes.
 143 Dieses besteht aus einem Standard-Modemchip und einem zus"atzlichen Befehls-Controller.
 144 Das Modem arbeitet in zwei m"oglichen Modi.
 145 Im sogenannten {\em data mode} werden alle Daten wie gehabt an die Gegenstelle gesendet.
 146 Im {\em command mode} werden die Daten als Befehle von dem Controller interpretiert und ausgef"uhrt.
 147 Hayes entwickelte das {\em Hayes command set}, auch AT-Befehlssatz genannt, der bis heute Basis computergesteuerter Modems ist.
 148 Das Modem war nun selbstst"andig in der Lage zu w"ahlen beziehungsweise abzuheben und aufzulegen.
 149 Abbildung \ref{img:hayes} zeigt ein solches Modem.
 150 \begin{figure}[!h]
 151 \begin{center}
 152 \includegraphics[width=14cm]{hayesmodem.eps}
 153 \caption{Hayes Modem}
 154 \label{img:hayes}
 155 \end{center}
 156 \end{figure}
 157
 158 Bis Mitte der 80er Jahre erreichte man Geschwindigkeiten von $300$ bis $1200 \, baud$.
 159 Die Akustikkoppler wichen den weiterentwickelten Smartmodems.
 160 In den sp"aten 80er Jahren waren "Ubertragungsraten bis zu $2400 \, baud$ m"oglich.
 161 {\em Minitel}, ein franz"osischer Vidiotext Online Service Anbieter, f"uhrte erstmals hohe Geschwindigkeiten f"ur den Empfang von Daten und niedrige Geschwindigkeiten f"ur den Versand von Daten ein.
 162 Studien zeigten n"amlich, dass die Empfangsrichtung deutlich mehr genutzt wird.
 163 1984 bot {\em Trailblazer Modems} Ger"ate an, die eine dynamische "Ubertragungsrate f"ur den Empfang und den Versand erlaubten.
 164 Die "Ubertragungsrate wurde "uber einen extra Kanal je nach Bedarf ausgehandelt.
 165 Damit waren "Ubertragungsraten von $19000 \, baud$ m"oglich.
 166
 167 Ende der 80er Jahre wurde mit Hilfe der Echounterdr"uckung \cite{wiki_echo_en} eine vollduplex "Ubertragungsrate von $9600 \, baud$ m"oglich gemacht.
 168 Daraus entwickelte sich der {\em v.32} Standard.
 169
 170 1994 wurde der  {\em v.34 Standard} verabschiedet.
 171 Die speziellen Modemchips wurden durch flexiblere DSP und Microcontroller L"osungen ersetzt.
 172 So konnte man Kompatibilit"at zu "alteren Standards realisieren.
 173 Die {\em v.34} Generation erm"oglichte "Ubertragungsraten von $28,800 \, baud$.
 174
 175 Mit der Digitalisierung des Telefonnetzes seit 1990 entstand der {\em v.90} Standard.
 176 Durch Anschliessen der Teilnehmeranschlussleitungen an digitale Vermittlungsstellen konnte der Frequenzbereich auf $0$ bis $4 \, kHz$ erweitert werden.
 177 Jedes Sample ist $16 \, Bit$ breit, was zu einer "Ubertragungsrate von $64 \,kbps$ f"uhrt.
 178 Da jedoch ein $Bit$ pro $Byte$ als Meta- beziehungsweise Kontrolldaten genutzt werden, erreicht man effektive "Ubertragungsraten von $56 \, kbps$.
 179
 180
 181 \chapter{Das Internet}
 182
 183 \backmatter{}
 184 \begin{thebibliography}{99}
 185   \bibitem{wiki_internet_de} Wikipedia, Internet. http://de.wikipedia.org/wiki/Internet
 186   \bibitem{wiki_www_de} Wikipedia, World Wide Web. http://de.wikipedia.org/wiki/World\_Wide\_Web
 187   \bibitem{wiki_modem_de} Wikipedia, Modem. http://de.wikipedia.org/wiki/Modem
 188   \bibitem{wiki_sage_en} Wikipedia, SAGE. http://en.wikipedia.org/wiki/Semi\_Automatic\_Ground\_Environment
 189   \bibitem{wiki_akustikkoppler_en} Wikipedia, Acoustic coupler. http://en.wikipedia.org/wiki/Acoustic\_coupler
 190   \bibitem{wiki_echo_en} Wikipedia, Echo cancellation. http://en.wikipedia.org/wiki/Echo\_cancellation
 191 \end{thebibliography}
 192
 193 \end{document}