modem/modem_talk.tex

   1 \documentclass{beamer}
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  21
  22 \begin{document}
  23
  24 \title{Das Modem - die Schnittstelle ins Internet}
  25 \subtitle{Vom kalten Krieg bis zum Internet}
  26 \author[M. Lenk]{Melanie Lenk \\ \texttt{mali@malinet.org}}
  27 \date{25. April 2006}
  28
  29 \AtBeginSection[]
  30 {
  31   \begin{frame}<beamer>
  32     \frametitle{"Uberblick}
  33     \tableofcontents[currentsection]
  34   \end{frame}
  35 }
  36
  37 \begin{frame}
  38   \titlepage
  39 \end{frame}
  40
  41 \begin{frame}
  42 \begin{center}
  43   \includegraphics[width=10cm]{internet-modem.eps}
  44 \end{center}
  45 \end{frame}
  46
  47 \begin{frame}
  48   \frametitle{"Uberblick}
  49   \tableofcontents%[pausesections]
  50 \end{frame}
  51
  52 \section{Das Modem}
  53
  54   \subsection{Motivation und Begriffserkl"arung}
  55
  56 \begin{frame}
  57   \frametitle{Das Modem}
  58   \framesubtitle{Motivation und Begriffserkl"arung}
  59   Motivation
  60   \begin{itemize}
  61     \item Notwendigkeit des {\bf schnellen} Informationsaustauschs
  62     \item Verarbeitung {\bf gro"ser} Datenmengen \\
  63           $\Rightarrow$ Daten"ubertragung zwischen (zwei) Computern
  64     \item Telefonnetz (Ursprung 1880) weit verbreitet
  65   \end{itemize}
  66   \pause
  67   $\Rightarrow$ Idee: Kommunikation der Computer "uber das Telefonnetz\\
  68   \vspace{0.5cm}
  69   \pause
  70   {\color{red} Problem:} Telefonnetz konzipiert zur "Ubertragung von Sprache\\
  71   \vspace{0.2cm}
  72   \pause
  73   {\color{green} L"osung:} Wandlung digitaler Information in T"one und zur"uck
  74   \begin{center}
  75   $\rightarrow$ {\bf Modem} $\leftarrow$
  76   \end{center}
  77 \end{frame}
  78
  79 \begin{frame}
  80   \frametitle{Das Modem}
  81   \framesubtitle{Motivation und Begriffserkl"arung}
  82   \begin{center}
  83   {\bf Modem} $\Rightarrow$ {\bf Mo}dulator/{\bf Dem}odulator
  84   \end{center}
  85   \begin{itemize}
  86     \item Modulator: Modulation eines analogen Tr"agersignals zur Kodierung digitaler Information
  87     \item Demodulator: Dekodierung der digitalen Information durch Demodulation des analogen modulierten Tr"agersignals
  88   \end{itemize}
  89   \vspace{0.15cm}
  90   \begin{center}
  91   \includegraphics[width=8cm]{modulation.eps}
  92   \end{center}
  93 \end{frame}
  94
  95   \subsection{Geschichtliche Entwicklung des Modems}
  96
  97 \begin{frame}
  98   \frametitle{Das Modem}
  99   \framesubtitle{Geschichtliche Entwicklung des Modems}
 100   1950: {\bf SAGE} - {\bf S}emi {\bf A}utomatic {\bf G}round {\bf E}nvironment
 101   \begin{columns}
 102   \column{9.0cm}
 103   \begin{itemize}
 104     \item Automatisches Kontrollsystem zum Aufsp"uren/Verfolgen und Abfangen gegnerischer Bomber
 105     \item 1958: IBM AN/FSQ-7 (Whirlwind II) R"ohrenrechner, $55.000$ Elektronenr"ohren, Ferrit-Kernspeicher, 275 Tonnen, $2.000 \, m^2$, $3 \, MW$
 106   \end{itemize}
 107   \column{4.0cm}
 108   \includegraphics[width=2.3cm]{sage.eps}
 109   \end{columns}
 110   \vspace{0.3cm}
 111   \begin{center}
 112   \includegraphics[height=2.7cm]{sage_computer.eps}
 113   \includegraphics[height=2.7cm]{sage_building.eps}
 114   \includegraphics[height=2.7cm]{sage_terminal.eps}
 115   \end{center}
 116 \end{frame}
 117
 118 \begin{frame}
 119   \frametitle{Das Modem}
 120   \framesubtitle{Geschichtliche Entwicklung des Modems}
 121   1950: {\bf SAGE} - {\bf S}emi {\bf A}utomatic {\bf G}round {\bf E}nvironment
 122   \begin{columns}
 123   \column{8.0cm}
 124   \begin{itemize}
 125     \item Zeitpunkt der Einsetzbarkeit: Bedrohung durch sowjetische Bomber ersetzt durch sowjetische Raketen\\
 126           $\Rightarrow$ SAGE g"anzlich ungeeignet
 127     \item wesentlicher {\color{red} Einfluss} auf {\color{red} Entwicklung} von Computersystemen, Echtzeitverarbeitung von Informationen und der {\color{red} Vernetzung durch Modems}
 128     \item 1957: IBM / American Airlines mini-SAGE, zentralisierter Vertrieb von Flugtickets
 129           \begin{center}
 130           Terminals $\leftarrow$ Modem $\rightarrow$ Zentralrechner
 131           \end{center}
 132   \end{itemize}
 133   \column{4.0cm}
 134   \includegraphics[width=4.0cm]{sabre.eps}
 135   \end{columns}
 136 \end{frame}
 137
 138 \begin{frame}
 139   \frametitle{Das Modem}
 140   \framesubtitle{Geschichtliche Entwicklung des Modems}
 141   AT\&T - {\bf A}merican {\bf T}elephone \& {\bf T}elegraph Corporation
 142   \begin{columns}
 143   \column{8.0cm}
 144   \begin{itemize}
 145     \item nordamerikanischer Telekommunikationskonzern
 146     \item Monopolstellung in USA und Kanada
 147     \item Nur AT\&T Ger"ate durften elektrisch mit dem Netzwerk verbunden werden
 148           \begin{itemize}
 149             \item 1958: 2 {\bf digital subset} Ger"ate
 150             \item 1960: {\bf 202 Data-Phone}:\\
 151                   halbduplex, asynchron
 152             \item 1962: {\bf 201A/B Data-Phone}:\\
 153                   halbduplex, synchron, PSK, 2000 bps \\
 154                   (std. Telefonleitung) / \\
 155                   vollduplex, synchron, PSK, 2400 bps\\
 156                   (4 Adern)
 157             \item 1962: {\bf 103A Data-Phone}:\\
 158                   vollduplex, FSK, 300 bps \\
 159                   (std. Telefonleitung)
 160           \end{itemize}
 161   \end{itemize}
 162   \column{4.0cm}
 163   \includegraphics[width=4cm]{bell_systems_dataphone.eps}
 164   \end{columns}
 165 \end{frame}
 166
 167 \begin{frame}
 168   \frametitle{Das Modem}
 169   \framesubtitle{Geschichtliche Entwicklung des Modems}
 170   Der Akustikkoppler und Ger"ate anderer Hersteller
 171   \begin{columns}
 172   \column{8.0cm}
 173   \begin{itemize}
 174     \item AT\&T Monopol $\Rightarrow$ Akustikkoppler\\
 175           \begin{itemize}
 176           \item Kopplung elektrischer Signale durch akustische Signale
 177           \item Lautsprecher am Mikrofon des Telefonh"orers
 178           \item Mikrofon am Lautsprecher des Telefonh"orers
 179           \item $\Rightarrow$ "Ubertragung von Signalen in beiden Richtungen
 180           \end{itemize}
 181   \end{itemize}
 182   \column{4.0cm}
 183   \includegraphics[width=4cm]{akustikkoppler.eps}
 184   \end{columns}
 185   \begin{columns}
 186   \column{12.0cm}
 187   \begin{itemize}
 188     \item 1968: Gerichtsurteil, Erlaubnis f"ur nicht-AT\&T Ger"ate\\
 189           (komplexe/teure Tests) \\
 190           $\Rightarrow$ Akustikkoppler bis 1980 weit verbreitet
 191     \item 1972: {\em Vadic VA3400}\\
 192           vollduplex, 1200 bps, std. Telefonleitung
 193   \end{itemize}
 194   \end{columns}
 195 \end{frame}
 196
 197 \begin{frame}
 198   \frametitle{Das Modem}
 199   \framesubtitle{Geschichtliche Entwicklung des Modems}
 200   Das Smartmodem
 201   \begin{columns}
 202   \column{8.0cm}
 203   \begin{itemize}
 204     \item 1981: Hayes Communications\\
 205           \begin{itemize}
 206             \item Std. Modemchip + Befehls-Controller
 207             \item Modem im {\bf data} oder {\bf command} mode
 208             \item {\bf data mode}:\\
 209                   Daten werden zum Modem der Gegenstelle gesendet
 210             \item {\bf command mode}:\\
 211                   Daten werden als Befehle (AT-Befehlssatz) interpretiert und ausgef"uhrt
 212           \end{itemize}
 213   \end{itemize}
 214   \column{4.0cm}
 215   \includegraphics[width=4.0cm]{hayesmodem.eps}
 216   \end{columns}
 217   \begin{columns}
 218   \column{12.0cm}
 219   \begin{itemize}
 220     \item $\Rightarrow$ Modem kann selbstst"andig w"ahlen bzw. abheben
 221     \item Hayes command set (AT-Befehlssatz) bis heute Basis computergesteuerter Modems
 222   \end{itemize}
 223   \end{columns}
 224 \end{frame}
 225
 226 \begin{frame}
 227   \frametitle{Das Modem}
 228   \framesubtitle{Geschichtliche Entwicklung des Modems}
 229   Zunahme der "Ubertragungsraten
 230   \begin{itemize}
 231     \item bis Mitte 80er:\\
 232           300 und 1200 bps, Akustikkoppler weicht dem Smartmodem
 233     \item Sp"ate 80er:\\
 234           2400 bps, Modems unterst"utzen alle Standards
 235     \item {\bf Minitel}: Franz"osischer Vidiotext Online Service \\
 236           hohe/niedrige Geschwindigkeit f"ur Empfang/Versand von Daten
 237     \item 1984: {\bf Trailblazer Modems} bis zu 19.000 bps \\
 238           Dynamische Geschwindigkeit f"ur Empfang/Versand \\
 239           (Aushandlung durch einen extra Kanal je nach Bedarf)
 240   \end{itemize}
 241 \end{frame}
 242
 243 \begin{frame}
 244   \frametitle{Das Modem}
 245   \framesubtitle{Geschichtliche Entwicklung des Modems}
 246   Zunahme der "Ubertragungsraten
 247   \begin{itemize}
 248     \item Ende 80er: 9600 bps v.32 Standard ({\bf Echounterdr"uckung})
 249     \item 1994: 28.800 bps v.34 Standard \\
 250           Modemchip ersetzt durch \dq flexiblere\dq{} DSP und Microcontroller L"osungen (Kompatibilit"at zu anderen Standards)
 251     \item 1996: 56k v.90 Standard \\
 252           \begin{itemize}
 253             \item Einf"uhrung des digitalen Telefonnetzes seit 1990 \\
 254                   $\Rightarrow$ 16 bit Sprachsample, Samplingrate 4 kHz \\
 255                   $\Rightarrow$ Datendurchsatz von 64 kbps
 256             \item Ein Bit Kommando pro Byte \\
 257                   $\Rightarrow$ realer Datendurchsatz von 56 kbps
 258             \item digitale Leitung $\Rightarrow$ AD/DA-Wandlung wenig sinnvoll \\
 259                   $\Rightarrow$ v.91 Standard, vollst"andig digital \\
 260                   (Entwicklung ausgestorben auf Grund von ADSL und Kabelmodems)
 261           \end{itemize}
 262   \end{itemize}
 263 \end{frame}
 264
 265 \begin{frame}
 266   \frametitle{Das Modem}
 267   \framesubtitle{Geschichtliche Entwicklung des Modems}
 268   Deutsche Post - Modems in Deutschland
 269   \begin{itemize}
 270     \item 1983: BTX, Bildschirmtext
 271     \item Bis Mitte 1980 nur posteigene Modems erlaubt
 272     \item Modem als Netzabschluss \\
 273           $\Rightarrow$ Hoheitsbereich der staatlichen Deutschen Bundespost
 274     \item Zunahme privater Modems (schneller, billiger) \\
 275           $\Rightarrow$ Modem-Monopol nicht l"anger aufrechterhaltbar
 276   \end{itemize}
 277   \vspace{0.2cm}
 278   \begin{center}
 279   \includegraphics[height=3.7cm]{btx-modem.eps}
 280   \includegraphics[height=3.7cm]{btx-terminal.eps}
 281   \end{center}
 282 \end{frame}
 283
 284 \begin{frame}
 285   \frametitle{Das Modem}
 286   \framesubtitle{Geschichtliche Entwicklung des Modems}
 287   Standleitungsmodems (Anfang 1990)
 288   \begin{itemize}
 289     \item x{\bf DSL}-Modem: {\bf D}igital {\bf S}ubscriber {\bf L}ine\\
 290           {\bf NTBBA}: {\bf N}etwork {\bf T}ermination {\bf B}road{\bf b}and {\bf A}ccess\\
 291           (Netzabschluss f"ur Breitbandzugang)
 292           \begin{itemize}
 293             \item Daten"ubertragung "uber digitale Teilnehmeranschlussleitung
 294             \item hochfrequentes Signal $\Rightarrow$ starke D"ampfung $\Rightarrow$ Reichweite begrenzt (3 km)
 295           \end{itemize}
 296           \begin{center}
 297           \includegraphics[width=6.0cm]{dsl.eps}
 298           \end{center}
 299     \item Kabelmodem \\
 300           Daten"ubertragung "uber das TV-Kabelnetz
 301   \end{itemize}
 302 \end{frame}
 303
 304   \subsection{Modem-Varianten}
 305
 306 \begin{frame}
 307   \frametitle{Das Modem}
 308   \framesubtitle{Modem-Varianten}
 309   Man unterscheidet folgende Modemtypen:
 310   \begin{itemize}
 311     \item Telefonmodems\\
 312           Angepasst an die Besonderheiten des Telefonnetzes
 313           \begin{itemize}
 314             \item Akustikkoppler
 315             \item Smartmodem
 316             \item Faxmodem
 317             \item Voicemodem
 318             \item Soft/Winmodem
 319           \end{itemize}
 320     \item Standleitungsmodems \\
 321           Punkt-zu-Punkt-Verbindung zu fester Vermittlungsstelle
 322           \begin{itemize}
 323             \item xDSL-Modem
 324             \item Kabelnetz-Modem
 325           \end{itemize}
 326     \item Funkmodems \\
 327           selbes Prinzip: digitale Information $\rightarrow$ analoges Radiosignal
 328     \item Stromleitungsmodem \\
 329           Modulation von Datensignalen auf die Stromleitung
 330   \end{itemize}
 331 \end{frame}
 332
 333 \begin{frame}
 334   \frametitle{Das Modem}
 335   \framesubtitle{Modem-Varianten}
 336   Das Softmodem bzw. Winmodem
 337   \begin{itemize}
 338     \item Modem mit stark abgespeckter/reduzierter Hardware
 339     \item Fehlende Hardwarefunktionalit"at auf Software (Treiber) ausgelagert
 340     \item Onboard Soundhardware ersetzt analoge Koponente des Modems
 341 \pause
 342     \item $\Rightarrow$ {\color{blue} billiger/flexibler als herk"ommliche Modems}
 343     \item $\Rightarrow$ {\color{red} h"ohere CPU Auslastung f"ur nichttriviale Tonerzeugung} (z.B. schlecht f"ur Onlinegaming)
 344     \item $\Rightarrow$ {\color{red} stark abh"angig vom Treiber} (Betriebssystem(version))
 345   \end{itemize}
 346 \end{frame}
 347
 348 \begin{frame}
 349   \frametitle{Das Modem}
 350   \framesubtitle{Modem-Varianten}
 351   Das Funkmodem
 352   \begin{columns}
 353   \column{8.0cm}
 354   \begin{itemize}
 355     \item Funkmodems notwendig f"ur digitale Daten"ubertragung durch die Luft
 356     \item Modulation digitaler Signale auf analoges Radiosignal
 357     \item Beispiele: WiFi Standard (IEEE 802.11, WLAN), Mobilfunk (GSM), GPS, DVB-S/T
 358   \end{itemize}
 359   \column{4.0cm}
 360   \includegraphics[width=4.0cm]{wlan.eps}
 361   \end{columns}
 362 \pause
 363   \vspace{0.3cm}
 364   Das Stromleitungsmodem
 365   \begin{columns}
 366   \column{12cm}
 367   \begin{itemize}
 368     \item Modulation digitaler Datensiganle auf die Stromleitung
 369     \item Beispiele:
 370           \begin{itemize}
 371             \item Rundsteuertechnik der Energieversorgungsunternehmen \\
 372                   (Umschaltung der Stromz"ahler auf Tag/Nacht)
 373             \item Babyfon, Homeplug (st"orungsanf"allig, abh"orbar)
 374           \end{itemize}
 375   \end{itemize}
 376   \end{columns}
 377 \end{frame}
 378
 379   \subsection{Bauformen und Anschluss am PC}
 380
 381 \begin{frame}
 382   \frametitle{Das Modem}
 383   \framesubtitle{Bauformen und Anschluss am PC}
 384   Unterschiedliche Bauformen und Schnittstellen zum Computer
 385   \begin{columns}
 386   \column{7.0cm}
 387   \begin{itemize}
 388 \pause
 389     \item Externe Modems
 390           \begin{itemize}
 391 \pause
 392             \item Smart/Fax/Voicemodem: \\
 393                   RS232 (serielle Schnittstelle), USB
 394 \pause
 395             \item xDSL/Kabel: Ethernet, USB
 396           \end{itemize}
 397 \pause
 398     \item Steckkartenmodem\\
 399           PCI, ISA, PCMCIA, propriet"are Sockel
 400 \pause
 401     \item Onboard Modem
 402   \end{itemize}
 403   \column{5.0cm}
 404   \only<1-2>{
 405     \includegraphics[height=5.0cm]{blankv.eps}
 406   }
 407   \only<3>{
 408     \includegraphics[height=5.0cm]{smartmodem.eps}
 409   }
 410   \only<4>{
 411     \includegraphics[height=5.0cm]{dslmodem.eps}
 412   }
 413   \only<5>{
 414     \includegraphics[height=2.5cm]{isamodem.eps}
 415     \includegraphics[height=2.5cm]{pcimodem.eps}
 416   }
 417   \only<6>{
 418     \includegraphics[height=5.0cm]{blankv.eps}
 419   }
 420   \end{columns}
 421 \end{frame}
 422
 423   \subsection{Aufbau und Funktionsweise}
 424
 425 \begin{frame}
 426   \frametitle{Das Modem}
 427   \framesubtitle{Aufbau und Funktionsweise}
 428   Aufgaben des Modems
 429   \begin{itemize}
 430     \item Schnittstelle zur Telefonleitung
 431     \item Kontrolle "uber die Telefonleitung "ubernehmen (go off-hook)
 432     \item Rufaufbau durch W"ahlen der Telefonnummer
 433     \item Einigung auf gemeinsame Sprache (Protokoll) mit Modem der Gegenstelle
 434     \item Umwandlung digitaler Daten in analoge Signale und umgekehrt
 435           (f"ur Kommunikation "uber die Telefonleitung)
 436     \item "Ubertragen und Empfangen von Daten
 437     \item Terminieren der Verbindung (go on-hook)
 438   \end{itemize}
 439 \pause
 440   $\Rightarrow$ Ziel: {\color{red} exakte} "Ubertragung von Daten in {\color{red} angemessener Zeit}
 441 \end{frame}
 442
 443
 444 \begin{frame}
 445   \frametitle{Das Modem}
 446   \framesubtitle{Aufbau und Funktionsweise}
 447   Einschub: technische Grundlagen des Telefonnetzes
 448   \begin{itemize}
 449     \item foo
 450   \end{itemize}
 451 \end{frame}
 452
 453
 454
 455 \begin{frame}
 456   \frametitle{Das Modem}
 457   \framesubtitle{Aufbau und Funktionsweise}
 458
 459   \color{red}{Auftretende Probleme im Telefonnetz}
 460   \begin{itemize}
 461     \item Signalverz"ogerungen
 462     \item Echosignale
 463     \item Signalpegel
 464   \end{itemize}
 465 \end{frame}
 466
 467
 468 \begin{frame}
 469   \frametitle{Das Modem}
 470   \framesubtitle{Aufbau und Funktionsweise}
 471   Funktioneller Aufbau des Modems
 472   \includegraphics[width=8cm]{aufbau.eps}
 473   \begin{itemize}
 474 \pause
 475     \item {\bf D}ata {\bf A}ccess {\bf A}rrangement \\
 476           Schnittstelle: Modem $\leftrightarrow$ Telefonnetz
 477           \begin{itemize}
 478             \item galvanische Entkopplung vom Telefonnetz
 479             \item Erkennung des Klingeltons
 480             \item Erkennung des CallerID Signals
 481             \item Ausf"uhrung des Abhebe- und Auflegevorganges
 482           \end{itemize}
 483 \pause
 484     \item {\bf A}nalog {\bf F}ront {\bf E}nd \\
 485           Modem Coder/Decoder (modem codec)
 486           \begin{itemize}
 487             \item Analog-Digital-Wandlung (ADC)
 488             \item Digital-Analog-Wandlung (DAC)
 489           \end{itemize}
 490   \end{itemize}
 491 \end{frame}
 492
 493 \begin{frame}
 494   \frametitle{Das Modem}
 495   \framesubtitle{Aufbau und Funktionsweise}
 496   Funktioneller Aufbau des Modems
 497   \includegraphics[width=8cm]{aufbau.eps}
 498   \begin{itemize}
 499     \item {\bf D}igital {\bf S}ignal {\bf P}rocessor \\
 500           Spezieller Mikroprozessor optimiert f"ur mathematische Operationen \\
 501           (FFT, Fast Fourier Transformation: Zeit $\rightarrow$ Frequenzdarstellung)
 502           \begin{itemize}
 503             \item Rauschunterdr"uckung
 504             \item Modulation/Demodulation (Daten $leftrightarrow$ Tr"agersignal)
 505           \end{itemize}
 506 \pause
 507     \item Modem Control \\
 508           Schnittstelle zum Terminal
 509           \begin{itemize}
 510             \item Steuerung des DSP
 511             \item Interpretation der AT-Kommandos
 512             \item Fehlerkorrektur
 513             \item Datenkompression
 514           \end{itemize}
 515   \end{itemize}
 516 \end{frame}
 517
 518
 519
 520   \subsection{Anschaffungskriterien}
 521
 522 \section{Das Internet}
 523
 524   \subsection{Begriffserkl"arung}
 525
 526   \subsection{Entstehung des Internets}
 527
 528   \subsection{Aufbau und Struktur}
 529
 530   \subsection{Internetprotokolle}
 531
 532   \subsection{Wichtige Dienste im Internet}
 533
 534   \subsection{Gefahren im Internet}
 535
 536 \end{document}