PCMCIA GPRS/UMTS-Datenmodem-Karte für Laptops. Bild: Wikimedia Commons, Palatinatian, gemeinfrei.
PCMCIA GPRS/UMTS-Datenmodem-Karte für Laptops. Bild: Wikimedia Commons, Palatinatian, gemeinfrei.

Im dritten Teil der Mobilfunk-Serie haben wir die Dienste des GSM-Netzes kennengelernt. GSM bot zwar mit CSD und FAX rudimentäre, leitungsvermittelte Datendienste, die aber nur für das Synchronisieren einer Mailbox, Dateidownload oder eben Faxversand durch einen angeschlossenen Computer ausgelegt waren. Der Nachteil der leitungsvermittelten Dienste war, dass jedesmal ein Ruf aufgebaut werden musste, der so lange Bestand hatte, Kosten verursachte und Kanalressourcen verbrauchte, wie die Datenverbindung zur Verfügung stehen sollte. Eine Stunde webbrowsen am Laptop über das Handy war also gleichwertig mit einer Stunde telefonieren, und das war damals richtig teuer.

Als GSM in den 1980ern spezifiziert wurde, dachte noch niemand an das Internet, das damals fast ausschließlich von Instituten und Hochschulen benutzt wurde. Das am CERN erfundene World Wide Web ging im August 1991 an den Start, da war GSM in manchen Ländern schon im Betrieb. So richtig populär wurde das Web dann erst ab Mitte der 90er Jahre, aber das GSM-Netz war damals noch nicht fit für das Web.

 

General Packet Radio Service – Dschi Pi Ar Ess

Schon kurz nach dem GSM-Start in Deutschland begann in weiser Voraussicht einiger Experten 1993 die Spezifikation von GPRS, dem General Packet Radio Service.  Die Idee des Dienstes war, den Kanal nur dann zu belegen und auch entsprechend abzurechnen, wenn wirklich Daten zu übertragen waren, das Handy aber permanent in Sende- und Empfangsbereitschaft zu haben. Außerdem sollte es einen direkten Anschluss ans Internet geben, ohne die Notwendigkeit, irgendein Modem oder Faxgerät auf der Gegenseite anrufen zu müssen.

GPRS wurde 2000 im Netz eingeführt und von den Netzbetreibern heftigst beworben. Allerdings nicht als Technologie, die war den Nutzern schwer zu vermitteln, sondern über die neuen Dienste MMS (dem Multimedia Message Service, der Bilder, Video- und Audiodateien von Endgerät zu Endgerät versenden konnte) und WAP (einem Webbrowser für mobile Webseiten, basierend auf dem HTML-Dialekt WML, Wireless Markup Language), sowie dem unsäglichen Download von Klingeltönen. Mit Grauen denke ich an die Zeit mit dem Crazy Frog zurück, und als in der Werbung gewappt wurde bis der Arzt kam. MMS erfreute sich einer gewissen Beliebtheit; mangels angebotener Inhalte konnte WAP hingegen nur als Flop bezeichnet werden, dafür gingen die Klingeltondownloads durch die Decke – und unzählige Deutsche Mark verschwanden in den Abgründen irgendwelcher halblegal zustande gekommener Abo-Verträge. Erst mit UMTS und Smartphones sowie Daten-Flatrates wurden Datendienste im mobilen Netz schließlich wirklich populär.

Über vom Handy angezeigte GPRS-Versorgung rümpfen wir heute nur noch die Nase, bedeutet es doch endlose Ladezeiten, die wir nicht mehr gewöhnt sind, weil unsere Webseiten an üppigere Übertragungsraten angepasst sind. Dennoch öffnete GPRS das Tor zum Internet, und die aus ihm entstandene Technologie verdrängt mit LTE gerade die alte Leitungsvermittlung komplett aus den Mobilfunknetzen. WhatsApp, Instagram oder Facetime wären ohne die Technik von GPRS undenkbar.

 

Als Päckchen billiger

Der Name General Packet Radio Service deutet bereits an, dass bei GPRS die Paketvermittlung zum Einsatz kommt: Dateien und Streams werden in Pakete (auch Datagramme genannt) einer bestimmten Länge zerlegt, die mit einem Header mit ihrer Zieladresse und einer laufenden Nummer versehen auf ihren Weg durch das Netz geschickt werden, den sie von Rechner zu Rechner individuell finden, je nachdem welche Route gerade die schnellste ist, und das kann sich sekündlich ändern. Am Ziel können sie anhand ihrer fortlaufenden Nummer wieder zu einer kompletten Datei oder einem Datenstrom zusammengesetzt werden. Verlorene oder fehlerhafte Pakete können etwa im TCP-Protokoll nochmals angefordert werden, so dass eine Datei mit Sicherheit fehlerfrei übertragen werden kann, oder alternativ wie im UDP-Protokoll, das typischerweise zum zeitkritischen Streamen von Audio oder Video verwendet wird, verworfen werden.

Um paketdatenfähig zu werden, musste das Netz mit zusätzlichen Komponenten erweitert werden:

 

GPRS Netzarchitektur. Neue Knoten im Netz sind der SGSN und der GGSN. Während der SGSN über BSC und BTS die Verbindung zum Endgerät (MS = Mobile Station) hält, vermittelt der GGSN in öffentliche Datennetze (PDN = Packet Data Network) und benachbarte GPRS-Netze (PLMN = Public Land Mobile Network). Die beiden GSN-Typen haben Schnittstellen zu verschiedenen Komponenten des GSM-Netzes wie BSS, GMSC, HLR, VLR und EIR. Bild: [1].

GPRS Netzarchitektur. Neue Knoten im Netz sind der SGSN und der GGSN. Während der SGSN über BSC und BTS die Verbindung zum Endgerät (MS = Mobile Station) hält, vermittelt der GGSN in öffentliche Datennetze (PDN = Packet Data Network) und benachbarte GPRS-Netze (PLMN = Public Land Mobile Network). Die beiden GSN-Typen haben Schnittstellen zu verschiedenen Komponenten des GSM-Netzes wie BSS, GMSC, HLR, VLR und EIR. Bild: [1].

Gateway GPRS Support Node – GGSN

Der GGSN bildet das eigentliche Tor zum Internet – auf der einen Seite kommuniziert er mit dem GSM-Netz und auf der anderen Seite mit dem Internet. Er erfüllt damit die Funktion eines Routers, er verbindet zwei Netze die mit unterschiedlichen Protokollen arbeiten.

Der GGSN stellt aber auch die Verbindung zu den MMS-Servern der Netzbetreiber her, denn die befinden sich nicht im freien Internet, sondern werden vom Netzbetreiber gehostet, und zu WAP-Gateways, die WWW-Seiten auf WML übersetzen können. In einigen Netzen bietet er über entsprechende Server weitere Dienste wie Push-to-Talk an.

Außerdem stellt er die Verbindung zu ausländischen Mobilfunknetzen her, so dass die heimischen Datendienste den eigenen Nutzern auch im Ausland zur Verfügung stehen.

Des weiteren kommuniziert der GGSN mit dem HLR, einerseits um den Teilnehmer im Falle eines an ihn gerichteten Datendienstes zu lokalisieren, andererseits um bestimmte Dienste abzurechnen.

Der GGSN ist aber vor allem mit den SGSNs verbunden.

 

Serving GPRS Support Node – SGSN

Der SGSN bedient die einzelnen Endgeräte und nimmt ihre Daten entgegen. Dazu ist er mit BSCs (oder ihren Entsprechungen im UMTS- und LTE-Netz, die wir in einem späteren Artikel kennen lernen werden) verbunden, die wiederum über das BSS mit den Endgeräten im Austausch sind. Sprachdaten leiten die BSCs an das MSC, Paketdaten hingegen an den SGSN, der sie an den GGSN weiterleitet.

Der SGSN sammelt dabei Informationen über das ausgetauschte Datenvolumen zur Abrechnung (und drosselt ggf. die Bandbreite, wenn das Flatrate-Volumen aufgebraucht ist). Daher kommuniziert er auch mit dem HLR, wo die Dienste des Nutzers verwaltet werden, und mit dem EIR, um ggf. gesperrten Geräten den Netzzugang zu verweigern. Der SGSN hat weiterhin eine Schnittstelle zum SMS-Centre, um SMS per GPRS zu übertragen, als deutlich schnellere Alternative zur klassischen SMS-Übertragung in den Signalisierungskanälen von GSM.

Schließlich verfügen einige SGSNs über Verbindungen zu GGSNs anderer Mobilfunknetze, wie oben beim GGSN bereits erwähnt – hier umgekehrt, um ausländischen Nutzern die Nutzung heimischer Datendienste  im besuchten Netz zu ermöglichen.

SGSNs und GGSNs bilden somit eine Art parallele Paketdaten-Infrastruktur in Analogie zu den MSCs und Gateway MSCs des Sprachnetzes. Die Zuordnung von SGSNs zu den BSCs ist jedoch verschieden von derjenigen der MSCs zu den BSCs (und meist feinmaschiger), daher gibt es in Analogie zu den MSC-Location Areas separate Routing Areas und ein vom GSM-Sprachnetz separates Mobility Management (GMM, GPRS Mobility Management) mit vom Endgerät durchgeführten Routing Area Updates (RAU). Wenn ein Endgerät eine Routing Area verlässt und dies per RAU mitteilt, dann übernimmt eine andere SGSN die Versorgung des Endgeräts.

 

Tunnelblick

Für den Nutzer bzw. die Applikationen auf seinem Handy ist dies transparent. Ähnlich wie bei VPN-Protokollen baut der SGSN einen Tunnel auf, durch den die Daten in verschlüsselter Form zum GGSN transportiert werden (GPRS Tunnel Protocol, GTP). Für die Datenapplikation auf dem Endgerät sieht es dann so aus, als ob es direkt mit dem Internet, dem WAP-Gateway oder dem MMS-Server spräche, ohne sich um die Details der Übertragung zum SGSN und GGSN kümmern zu müssen. Insbesondere gaukelt der Tunnel der Applikation vor, dass sie permanent online sei – sie bekommt nichts davon mit, dass das Handy nur beim Datenaustausch rasch eine Verbindung zur Funknetz aufbaut. Der Tunnel fungiert also als höhere Schicht oberhalb der GPRS-Protokolle. Auch ein Teil des Verbindungsaufbaus läuft durch den Tunnel, über den die Dateninstanz im Handy direkt mit dem GGSN reden und die Verbindungsmodalitäten wie die gewünschte Kapazität der Verbindung aushandeln kann (s.u. PDP-Kontext-Aktivierung).

 

Luftschnittstelle

GPRS verwendet wie Sprache und CSD die Zeitschlitze (Slots) der Traffic Channels, allerdings nur temporär und niedriger priorisiert als Sprachkanäle. Wieviele Slots ein Endgerät maximal nutzen kann, ist durch seine Multislot-Klasse definiert. Multislotklasse 1 teilt dem Endgerät einen Slot im Downlink und einen im Uplink zu (1+1), entsprechend  9,05-21,4 kbit/s, je nach Güte der Fehlersicherung, die einen Teil der Nutzdatenrate auffrisst. Redundanz erlaubt es, defekte Bits zu rekonstruieren – je sicherer, desto geringer die Nutzdatenrate. Standard ist Multislotklasse 12 mit 4+4 (entsprechend ca. 56 kbps je Downlink und Uplink bei guter Fehlersicherung), wobei gleichzeitig aber höchstens 5 Zeitslots in Beschlag genommen werden dürfen (Halbduplex-Übertragung). Das ist sinnvoll, denn bei einem Dateidownload oder beim Browsen fließt nur sehr wenig Verkehr in die Uplinkrichtung, im Wesentlichen nur Bestätigungen über den korrekten oder fehlerhaften Empfang von Paketen. Bei Uploads ist es umgekehrt. Die höchste Klasse ist 34 mit 5+5 Slots (und 6 davon parallel). Eine Liste aller definierten Multislotklassen findet sich hier. Nicht alle davon sind im Gebrauch.

Der Kanalzugang erfolgt analog zum Sprachkanal, aber mit eigenen logischen Kanälen, die dem Protokoll zwischen Endgerät und BTS hinzugefügt wurden – es gibt einen extra Packet Broadcast Control Channel (PBCCH), in dem die Zelle ihre Identität und Routing Area kundtut, und einen eigenen Packet Random Access Channel (PRACH), auf dem ein Endgerät sich um die Zuteilung des Kanalzugriffs bewerben kann, der auf einem Packet Access Grant Channel (PAGCH) von der BTS beantwortet wird, wobei ihm eine Packet-TMSI (P_TMSI) zugeteilt wird. Und um ein Endgerät, dem jemand Daten zukommen lassen will, aufzuspüren, gibt es einen eigenen Packet Paging Channel (PPCH). Entsprechend gibt es ein eigenes GPRS Attach, um sich beim GPRS-Netz anzumelden. Der zur Nutzdatenübertragung verwendete Kanal heißt Packet Data Traffic Channel (PDTCH). Sendet eine Zelle keinen PBCCH, dann weiß das Endgerät, dass es in dieser Zelle keine Daten übertragen kann und wird sich eine andere suchen, falls ein GPRS Attach durchgeführt wird. Handys führen meist einen kombinierten Attach für Sprache und Daten durch, aber Datenmodems können sich auch separat nur für GPRS anmelden.

Logische Kanäle im GPRS. Es gibt Kanäle für die Signalisierung (Control) und Nutzlast (Traffic). Broadcastkanäle werden an alle Teilnehmer gesendet, Common-Kanäle werden von allen Teilnehmern geteilt, Dedicated-Kanäle werden dediziert einem Teilnehmer zugewiesen. PBCCH = Packet Broadcast Control Channel (Zellinfo), PCCCH = Packet Common Control Channel, PRACH = Packet Random Access Channel (Anforderung Kanalzugang), PAGCH = Packet Access Grant Channel (Zuweisung Kanalzugang), PPCH = Packet Paging Channel (Teilnehmer aufspüren), PACCH = Packet Associated Control Channel (Verbindungsauf- und -abbau), PTCCH = Packet Timing Control Channel (Timing Advance information), PDTCH = Packet Data Traffic Channel (Nutzdaten). Bild: [1]

Logische Kanäle im GPRS. Es gibt Kanäle für die Signalisierung (Control) und Nutzlast (Traffic). Broadcastkanäle werden an alle Teilnehmer gesendet, Common-Kanäle werden von allen Teilnehmern gemeinsam genutzt, Dedicated-Kanäle werden einem Teilnehmer dediziert zugewiesen. PBCCH = Packet Broadcast Control Channel (Ausstrahlung Zellinfo), PCCCH = Packet Common Control Channel betstehend aus PRACH = Packet Random Access Channel (Anforderung Kanalzugang), PAGCH = Packet Access Grant Channel (Zuweisung Kanalzugang) und PPCH = Packet Paging Channel (Teilnehmer aufspüren); PACCH = Packet Associated Control Channel (Signalisierung während der Verbindung), PTCCH = Packet Timing Control Channel (Timing Advance Information), PDTCH = Packet Data Traffic Channel (Nutzdaten). Bild: [1]

Handovers gibt es nicht, denn es wird keine Standleitung aufgebaut, die von BTS zu BTS übergeben werden müsste, aber natürlich kann das Endgerät während einer aktiven Datenverbindung die Zelle wechseln. Bei GPRS heißt die Prozedur Cell Reselection. Das Endgerät kann diese autonom durchführen und sich einfach auf der gewünschten neuen Zelle anmelden oder  aber vom Netz eine neue Zelle zugeteilt bekommen. Die Cell Reselection kann zu einem Routing Area Update führen, der dann von den beteiligten SGSNs vollzogen wird.

Details zu den Prozeduren mit entsprechenden Protokolldiagrammen findet man in diesem schönen Dokument.

 

Aufbau der Datenverbindung

Wenn das Endgerät am GPRS-Netz angemeldet ist, muss  eine Applikation (oder das Handy-Betriebssystem) noch die temporäre Datenverbindung aufbauen, bevor sie mit dem Senden und Empfangen loslegen kann. Im GPRS-Jargon bezeichnet man diese als Temporary Block Flow, TBF. Zum Aufbau des TBF benötigt das Netz Informationen über den gewünschten Datendienst (Ziel, Typ, Anforderungen). Diese werden in einem sogenannten PDP-Kontext festgelegt (PDP = Packet Data Protocol).

Ein PDP-Kontext muss zuerst definiert werden. Dazu gibt die Applikation dem Endgerät den gewünschten Access Point Namen (APN), die gewünschte Dienstgüte (Quality of Service, QoS), das gewünschte Datenprotokoll (PPP, IP), die IP-Adresse des Endgeräts (die aber auch erst noch zugeteilt werden kann) und einige weitere Informationen (wie das Authentifizierungsprotokoll) an. Der PDP-Kontext kann dann unter einer laufenden Nummer abgerufen werden, wenn er benötigt wird.

Der APN dürfte den meisten Nutzern schon begegnet sein, er ist ein vom Netz abhängiger Name des zu nutzenden Gateways im GGSN, also etwa Internet, MMS oder WAP. Beim im O2-Netz aufgegangen E-Plus-Netz lauteten die APNs beispielsweise internet.eplus.de, mms.eplus.de und wap.eplus.de. Bei O2 heißt er jetzt einfach internet und man braucht für MMS und WAP keine Extra-APNs mehr anzugeben.

In der Quality of Service können die gewünschte Datenrate, Verzögerungsklasse (Daten eilig?), Zuverlässigkeitsklasse (Datenverlust tolerierbar?) und Präzedenzklasse (Daten wichtig?) für den TBF angegeben werden (ob die dann genehmigt werden, entscheidet das Netz, aber fragen kostet ja nichts…).

Die IP-Adresse (v4 oder v6) kann statisch bereits beim GPRS-Attach oder dynamisch erst bei der PDP-Kontext-Aktivierung  zugeteilt werden. Unter dieser Adresse ist das Endgerät innerhalb des Mobilfunknetzes für Datendienste ansprechbar.

Wenn Daten übertragen werden sollen, muss der PDP-Kontext aktiviert werden. Das Endgerät sendet dann einen PDP Context Activation Request an sein SGSN, das daraufhin einen Create PDP Context Request an den zum APN gehörigen GGSN stellt. Wenn nichts dagegen spricht, erfolgt eine Bestätigung vom GGSN an den SGSN und danach eine vom SGSN an das Endgerät, und dann kann dieses mit dem Datentransfer beginnen.

PDP-Kontext-Aktivierung ausgehend vom Endgerät (MS = Mobile Station). Bild: [2]

PDP-Kontext-Aktivierung ausgehend vom Endgerät (MS = Mobile Station). Bild: [2]

Sollten sich die Anforderungen der Applikation ändern, kann der bestehende Kontext jederzeit modifiziert werden. Wird er nicht mehr benötigt, dann kann er wieder deaktiviert werden und kurzfristig wieder aktiviert werden.

Auch der GGSN kann einen PDP-Kontext öffnet, um ein Endgerät für ein TBF zu erreichen.

PDP-Kontext-Aktivierung ausgehend vom GGSN. Bild: [2]

PDP-Kontext-Aktivierung ausgehend vom GGSN. Bild: [2]

Es ist auch möglich, mehrere definierte Kontexte parallel zu aktivieren und zu betreiben. Und man kann, wenn das Endgerät dies unterstützt, parallel zur Datenübertragung telefonieren, sich also beispielsweise während eines Telefongesprächs Bildchen oder WhatsApp-Nachrichten zusenden.

 

Fit für die Zukunft

Fast alles vom hier Gelesenen findet sich auch in UMTS und LTE wieder, und man hat einen Großteil von UMTS und LTE verstanden, wenn man GPRS durchblickt hat. Man kann sagen, dass mit GPRS der Grundstein für UMTS gelegt wurde.

Während die analogen A-, B- und C-Netze als Netze der ersten Generation (1G), das GSM-Netz (wie auch seine damaligen amerikanischen und asiatischen Konkurrenten) als zweite Generation (2G) und UMTS als 3G bezeichnet werden, wird GPRS oft als 2,5G  bezeichnet. Die Datenrate war bei der Einführung von GPRS allerdings schon unbefriedigend, weil die Festnetznutzer schon Megabits pro Sekunde gewohnt waren und damit Webseiten mit Grafik und Video herunterladen konnten, was mit dem Laptop über das GPRS-Modem oder -Handy unerträglich lange dauerte. Daher unternahm man vor der Einführung von UMTS den Versuch GPRS mit höherer Datenrate aufzupeppen, ohne das ganze Netz umkrempeln zu müssen. Die entsprechende Netztechnologie (die unter 2,75G läuft) heißt Enhanced Data Rates for GSM Evolution, kurz EDGE. Die schauen wir uns beim nächsten Mal an.

 

Referenzen

[1] Renju Narayanan, Ljiljana Trajkovic, “General Packet Radio Service OPNET Model“, Proceedings OPNETWORK 2006 Wahington DC, August 2006.

[2] PDP Context Management, eTutorials.

[3] en.wikipedia.org, General Packet Radio Service.

[4] en.wikipedia.org, GPRS Core Network.

 

Abkürzungen

APN Access Point Name
BSC Base Station Controller
BSS Base Station Subsystem
BTS Base Transceiver Station (Basisstation)
CSD Circuit Switched Data
EDGE Enhanced Data Rates for GSM Evolution
EIR Equipment Identity Register
GGSN Gateway GPRS Support Node
GMM GPRS Mobility Management
GMSC Gateway Mobile Switching Centre
GPRS General Packet Radio Service
GSM Global System for Mobile Communications
GTP GPRS Tunnel Protocol
HLR Home LocationRegister
IP Internet Protocol
LTE Long Term Evolution
MMS Multimedia Message Service
MS Mobile Station (Mobiltelefon)
MSC Mobile Switching Centre
PACCH Packet Associated Control Channel
PAGCH Packet Access Grant Channel
PBCCH Packet Broadcast Control Channel
PCCCH Packet Common Control Channel
PDN Packet Data Network (Datennetz)
PDP Packet Data Protocol
PDTCH Packet Data Traffic Channel
PLMN Public Land Mobile Network (Mobilfunknetz)
PPCH Packet Paging Channel
PPP Point-to-Point Protocol
PRACH Packet Random Access Channel
P_TMSI Packet Temporary Mobile Suscriber Identity
PTCCH Packet Timing Control Channel
RAU Routing Area Update
SGSN Serving GPRS Support Node
TBF Temporary Block Flow
TCP Transmission Control Protocol
UDP User Datagram Protocol
UMTS Universal Mobile Telecommunications System
VLR Visitor Location Register
VPN Virtual Private Network
WML Wireless Markup Language

Kommentare (24)

  1. #1 rolak
    8. September 2018

    moin Alderamin, alles wieder sehr gut dargestellt – bis auf das Bild der GPRS-Struktur und das ist ja das böse WP schuld ;•) Da hat wohl Prokrustes beim Einbinden zugeschlagen (hinter dem Link ist alles da) und ein ‘cliggen2embiggen’ oder so wäre sicherlich auch nach der Reparatur förderlich.
    Jetzt, im aktuellen Zustand, ists schon ein bißchen verwirrend mit den unerklärten Akronymen und dem ungesehenen Erklärten…

  2. #2 Alderamin
    8. September 2018

    @rolak

    Danke, war mir nicht aufgefallen, dass das Bild so stark beschnitten war. Seltsam, ich hab‘s wie immer auf 600 Pixel Breite skaliert, was sonst stets funktioniert hat.

    Jetzt ist es nicht skaliert, wird aber deswegen auch nicht zu groß angezeigt. Wenn‘s bei jemandem blöde aussihet, bitte melden.

    Nochmal @alle, es geht um das Bild mit der GPRS Netzarchitektur.

  3. #3 rolak
    8. September 2018

    Sieht sehr gelungen aus!

  4. #4 Karl-Heinz
    8. September 2018

    Auch ich möchte ein großes Lob ausprechen.

  5. #5 Till
    9. September 2018

    Vielen Dank für die sehr interessante Artikelserie. Es ist wirklich spannend, was unsere Handys so alles treiben, wenn wir “einfach nur” eine WhatsApp schreiben.

    Das einzige was mir bei der Artikelserie schwer fällt ist bei den ganzen Abkürzungen den Überblick zu behalten. Da muss ich immer wieder hoch scrollen und noch einmal bei der Definition nachsehen, was eigentlich ein BTS, ein BSC oder ein HLR war.

  6. #6 Karl Mistelberger
    10. September 2018

    > Das einzige was mir bei der Artikelserie schwer fällt ist bei den ganzen Abkürzungen den Überblick zu behalten.

    Das Thema an sich wird ja ganz brauchbar angegangen. Die Mischung aus den originalen und den deutschen Bezeichnungen sowie den dazugehörigen Akronymen macht die Lektüre beschwerlich.

    https://descanso.jpl.nasa.gov/ erst diagonal und später schwerpunktmäßig im Detail durchzulesen war ein Vergnügen. Hier ist es eher PITA.

  7. #7 schorsch
    10. September 2018

    ” von Rechner zu Rechner individuell finden […] und das kann sich sekündlich ändern”

    Ist das in der Praxis von irgendwelcher Bedeutung? Sind die Netze nicht vielmehr tatsächlich streng hierarchisch aufgebaut, so dass innerhalb einer einmal aufgebauten Verbindung alle Pakete den gleichen Weg laufen?

    Zumal ein solch nachträgliches Zusammenschustern der Fragmente ausserordentlich bremsend wirken kann, da für jedes ‘zu spät’ kommende Paket ein Timeout festgelegt sein müsste, bevor das Paket als ‘verloren’ betrachtet und neu angefordert wird.

    Besonders für Streamingdienste kann ich mir vorstellen, dass ein solches Szenario zu unerträglichen Verzögerungen führen würde.

    Dass das Routing sich gelegentlich mal ändert, z. B. beim Wechsel von einer Funkzelle in eine andere (besonders wenn diese – etwa beim Roaming im Grenzbereich – von verschiedenen Betreiber betrieben werden), ist eine andere Sache, denn in dem Fall werden die Verbindungen neu aufgebaut.

    Aber dass innerhalb einer Verbindung aufeinanderfolgende Pakete verschiedene Wege nehmen und dadurch in ihrer Reihenfolge durcheinandergeraten, halte ich für einen sehr exotischen Spezialfall.

    Am ehesten wäre so etwas rein theoretisch zu erwarten, wenn an intensiv belasteten Netzknoten mehrere physikalische Router zu einem virtuellen Router zusammengeschlossen werden – aber auch in dem Fall ist m. W. zwar der Weg, den eine neue Verbindung aufbaut, nicht vorhersagbar. Aber sobald der Weg festgelegt ist, gilt er für alle Pakete dieser Verbindung.

  8. #8 Alderamin
    10. September 2018

    @Till

    Vielen Dank für die sehr interessante Artikelserie. Es ist wirklich spannend, was unsere Handys so alles treiben, wenn wir “einfach nur” eine WhatsApp schreiben.

    Danke. Der erste Teil der Serie wird noch ziemlich oft gelesen. Bis zu Teil 4 hat dann noch 1/6 der Leser durchgehalten, aber vielleicht steigt die Zahl noch. Voraussichtlich kommen noch 4 Teile, dann sind wir bei 5G.

    Das einzige was mir bei der Artikelserie schwer fällt ist bei den ganzen Abkürzungen den Überblick zu behalten. Da muss ich immer wieder hoch scrollen und noch einmal bei der Definition nachsehen, was eigentlich ein BTS, ein BSC oder ein HLR war.

    Nachvollziehbar. Leider ist das die Terminologie, die bei dieser Technik verwendet wird, und es wird bei UMTS und LTE nicht besser werden. Bei der Firma mit den drei Würstchen im Logo wurde jedem Dokument vorsichtshalber ein Abkürzungsverzeichnis vorangestellt, das gerne mal eine DIN-A4-Seite umfasste.

    Ich werde mal versuchen, ob ich hier mit dem <abbr>-Tag arbeiten kann, dann kann man mit der Maus (oder dem Finger?) auf dem Word “hovern” und die Abkürzung wird ausgeschrieben.

  9. #9 Alderamin
    10. September 2018

    @Karl Mistelberger

    Die Mischung aus den originalen und den deutschen Bezeichnungen sowie den dazugehörigen Akronymen macht die Lektüre beschwerlich.

    Englisch ist der Standard bei 3GPP und ich kenne für die meisten Begriffe gar kein deutsches Word, aber aus Zeiten der Deutschen Bundespost stammen noch deutsche Bezeichnungen für viele allgemeinere Begriffe (wie Vermittlungsstelle – englisch switch, und natürlich die Dienste). Da das Blog deutsch ist, verwende ich die deutschen Begriffe, wo ich sie für verbreiteter halte (wie: Rufumleitung), aber die 3GPP-Terminologie brauche ich schon um die Abkürzungen zu erklären (Call Forward Unconditional – CFU).

  10. #10 Karl-Heinz
    10. September 2018

    TEST TEST
    The WHO was founded in 1948.

  11. #11 Alderamin
    10. September 2018

    @schorsch

    Ist das in der Praxis von irgendwelcher Bedeutung? Sind die Netze nicht vielmehr tatsächlich streng hierarchisch aufgebaut, so dass innerhalb einer einmal aufgebauten Verbindung alle Pakete den gleichen Weg laufen?

    Wie oft es in der Praxis vorkommt, dass Pakete der gleichen Übertragung verschiedene Wege gehen, kann ich nicht sagen, aber es ist nun einmal der wesentliche Unterschied zwischen Leitungsvermittlung und Paketvermittlung, dass jedes Paket seinen eigenen Weg nehmen darf und könnte, und deshalb keine Ankunftsreihenfolge garantiert werden kann. In der Praxis braucht ja nur plötzlich eine große zusätzliche Übertragung einen Netzknoten auf dem bisherigen Weg zu belasten und eine andere Route kann schneller werden, so dass von da an die Pakete einen anderen Weg nehmen.

    Zumal ein solch nachträgliches Zusammenschustern der Fragmente ausserordentlich bremsend wirken kann, da für jedes ‘zu spät’ kommende Paket ein Timeout festgelegt sein müsste, bevor das Paket als ‘verloren’ betrachtet und neu angefordert wird.

    Ist eine Frage des ARQ-Protokolls. Bei gewünschter sicherer Übertragung ist es unvermeidlich, ein solches Protokoll zu fahren. TCP tut das auch.

    Besonders für Streamingdienste kann ich mir vorstellen, dass ein solches Szenario zu unerträglichen Verzögerungen führen würde.

    Deswegen verwendet man für Streaming normalerweise UDP (das heißt eigentlich User Datagram Protocol, wird aber gerne als Unreliable Data Protocol verballhornt). UDP verwendet kein ARQ, die Daten sind bestenfalls mit einer Prüfsumme versehen, um Fehler zu erkennen (der Nutzer kann, wenn er will, sein eigenes Sicherungsprotokoll auf UDP aufsetzen, daher wohl der Name).

    Ein Stream wird normalerweise zuerst beim Empfänger gepuffert, dann können Nachzügler noch einsortiert werden. Wenn aber ein Paket verloren geht, dann gibt es eben einen Paketfehler und der Stream hat einen fehlerhaften Block, der vom Dekoder irgendwie übertyncht werden muss (es gibt dann z.B. ein unscharfes Klötzchen im Bild, oder das ganze Bild fehlt und die Wiedergabe stockt einen Moment). Streams sind fehlertoleranter als Filetransfers, denn ein Blockfehler in einer Datei (etwa einem Programm) kann diese vollkommen unbrauchbar machen, während ein Stream nur temporär beeinträchtigt wird. Videokompressoren wie MPEG 4 senden deshalb regelmäßig komplette Frames (Einzelbilder eines Videostreams) zwischen den ansonsten verwendeten Differenz-Frames (enthalten nur die Information, die sich relativ zum Frame vorher geändert hat), um Aufsetzpunkte zu bieten, falls der Stream mal einen größeren Aussetzer hat.

  12. #12 Karl Mistelberger
    10. September 2018

    > Englisch ist der Standard bei 3GPP und ich kenne für die meisten Begriffe gar kein deutsches Word.

    Word heißt auf Deutsch Wort. 😉 Dass die Deutschen viel zu pingelig sind, wenn es um die Bildung eines neuen Begriffs geht, der auch in der Sprachpraxis fließend verwendet werden kann macht sie letztendlich sprachlos.

    Seit meiner Zuwanderung in 1969 wundere ich mich darüber. Das erste Jahrzehnt an der Uni war kein Problem. Die Studenten und Doktoranden waren noch flexibel genug. Die Jahre in der Industrie waren schon frustrierend. Mit dem Ruhestand sind noch die Inner und Innen dazugekommen. Seither lese ich am liebsten Englisch. Das holpert am wenigsten.

  13. #13 Alderamin
    10. September 2018

    @Karl

    Word heißt auf Deutsch Wort.

    Oh, das war ein Freudscher Vertipper… 😀

  14. #14 Alderamin
    10. September 2018

    @Till und @alle

    Ich habe oben jetzt jede erste Verwendung einer Abkürzung, die nicht im Text selbst ausgeschrieben wird, mit einem <Abbr>-Tag versehen, der Zusatzaufwand dafür bleibt überschaubar (im Gegensatz zu Fußnoten oder Links, an die ich zuerst gedacht hatte). Auf dem PC und Firefox klappt die Darstellung wunderbar; wie Euer Lieblingsbrowser auf dem Endgerät Eurer Wahl damit klar kommt, weiß ich nicht, bitte um Feedback, ob das so ok ist, oder ob eine andere Lösung gewünscht wird.

  15. #15 Alderamin
    10. September 2018

    @myself #14

    Funktioniert auf mobilen Geräten offenbar leider nicht.

  16. #16 Alderamin
    10. September 2018

    @myself

    Habe insbesondere für die Handy-Nutzer noch ein Abkürzungsverzeichnis angehängt.

  17. #17 Karl-Heinz
    10. September 2018

    @Alderamin

    Du bist der Beste.
    Denkst auch an die Handy-User wie mich. 😉

  18. #18 schorsch
    10. September 2018

    Ich persönliche habe es, wenn ich gelegentlich mal Fehleranalyse auf Protokollebene betreiben muß, fast nur mit tcp zu tun, so dass mir bei meiner Frage zur Paket-Unordnung stateless Connections gar nicht erst in den Sinn gekommen sind.

    Bei stateless Connections ist es wesentlich leichter vorstellbar, dass auf A noch nutzbare verspätete Pakete eingehen – und auch verwertet werden – während der Sender schon längst auf A’ umgestellt hat. Bei stateful Connections würden sie einfach verworfen werden..

    @Karl: Wo die Fachsprache Englisch ist, halte ich es für recht sinnlos, einzudeutschen. Ich würde nie auf die Idee kommen, eine Datei downzuloaden, wenn ich sie auch herunterladen kann. Aber z. B. für die von mir oben genannte stateful Connection gibt es (m. W.) keine übliche deutsche Entsprechung, und selbst wenn es sie gäbe, würde es oftmals wenig Sinn ergeben, diese zu verwenden.

    Denn wenn ich mich – etwa per Google – über eine ‘statusbehaftete Verbindung’ schlauzumachen versuche, finde ich ein paarundvierzig Treffer, die mir allesamt nicht weiterhelfen. Eine bessere Übersetzung wäre die ‘zustandsabhängige Verbindung’ – die Trefferquote noch schlechter. Verwende ich diese Begriffe etwa in einer Dokumentation, ist der Leser gezwungen, die ursprüngliche englische Entsprechung zu finden, wenn er weitere Informationen aus Drittquellen benötigt. So geht’s mir z. B. oft mit den notorisch eindeutschenden Fehlermeldungen von Microsoft-Produkten – gruselig.

  19. […] schauen wir uns beim nächsten Mal […]

  20. #20 Manuel
    10. September 2018

    Ich finde die Serie auch super. Was mich seit Folge 1 aber nicht so richtig los lässt, ist die Erwähnung eines Sprachencoders und Sprachsynthesizer. Wie funktioniert es, dass meine Eigenschaften meiner Stimme so übertragen werden, dass es sich für den Anderen nach der Übertragung der digitalen Pakete nach mir anhört?

  21. #21 Alderamin
    10. September 2018

    @Manuel

    Das ist buchstäblich eine Wissenschaft für sich. Hier ist ein nettes, relativ kurzes und halbwegs verständliches Papier über den Full Rate Codec (Coder/Decoder) von GSM.

    Der FR-Codec ist weder ein reiner Wellen-Codec, der nur die abgetastete Wellenform des Signals kodiert (wie PCM, Differential PCM und Adaptive Differential PCM), noch ein Quellen-Codec, der die Stimmorgane nachbildet und damit Tonimpulse (stimmhafte Töne) oder Rauschen (stimmlose Töne) passend filtert (so funktioniert auch ein analoger Synthesizer), sondern ein Hybrid aus beidem, dessen Tonimpulse aus dem Originalsprachsignal generiert werden.

    Der Codec wird zunächst mit gesampelten Wellen (8 kHz Samplerate/13 Bit breit) gefüttert (also analog-digital gewandelter Sprache), die er in 20-ms-Blöcken (160 Samples) verarbeitet. Er besteht aus drei Komponenten:

    – einer linearen Vorhersage, die die Eigenschaften des Stimmapparates und daraus folgende Abhängigkeiten zwischen bis zu 16 aufeinanderfolgenden Sprachsamples berücksichtigt und durch ein Polynom 8. Ordnung extrapoliert,

    – einer Langzeitvorhersage, die Abhängigkeiten über 20-120 Samples berücksichtigt, und die Tonhöhe und Lautstärke vorhersagt,

    – und einer Analysekomponente, die alle 5 ms Phase und Amplitude der Sprache analysiert.

    Die Outputs der drei Quellen gehen dann im 5ms-Takt durch ein Filter, das aus einer Pulsfolge mit einstellbarer Verzögerung, Pulsrate und Verstärkung ein Signal erzeugt, das der Sprache ähnlich ist. Und dann überträgt man die Parameter der drei Komponenten, die sich aus dessen Differenz zur gesampelten Originalsprache ergeben (soweit ich das nachvollziehen kann). Auf der Empfangseite wird dann wohl ein ähnlicher Synthesizer aus diesen Werten der Originalton wieder zu rekonstruieren versuchen.

    Jedenfalls geht das Originalsprachsignal mit Tonhöhe und Lautstärke in die Kodierung ein und deshalb klingt das dann auch irgendwie nach Dir, aber es wird einiges modelliert und die Tonerzeugung erfolgt durch einen Synthesizer der mit Impulsen arbeitet. Die Originalsprache wird nur benutzt, um diesen richtig zu stimmen.

  22. #22 Karl Mistelberger
    11. September 2018

    > #18 schorsch, 10. September 2018
    > Wo die Fachsprache Englisch ist, halte ich es für recht sinnlos, einzudeutschen. Ich würde nie auf die Idee kommen, eine Datei downzuloaden, wenn ich sie auch herunterladen kann. Aber z. B. für die von mir oben genannte stateful Connection gibt es (m. W.) keine übliche deutsche Entsprechung, und selbst wenn es sie gäbe, würde es oftmals wenig Sinn ergeben, diese zu verwenden.

    Zustandslose und zustandsabhängige Verbindungen sind ziemlich holprig verglichen mit stateless und stateful connections und wahrscheinlich deshalb wenig gebräuchlich.

    Als Senior Consultant bei GSM-Fuzzies hatte ich das Vergnügen, eine ClearCase Installation zu verwalten und den Leuten einen brauchbaren Umgang damit näher zu bringen.

    Geht man zu sehr ins Detail verzettelt man sich und im Kopf schwurbelt es vor lauter Abkürzungen. Ericsson hat als einer der damaligen Hauptanwender einen Überbau (Ericsson ClearCase, ECC) geschaffen, der den Umgang damit kinderleicht macht. So gibt es nur wenige Begriffe, die tatsächlich relevant sind:

    https://www.matse.itc.rwth-aachen.de/dienste/public/show_document.php?id=10477

    Es kommt also in erster Linie nicht auf die verwendete Sprache an, sondern auf eine einfache Struktur ohne unnötige Details.

  23. #23 Manuel
    11. September 2018

    DANKE!!!

  24. […] 4. Teil der Mobilfunk-Reihe haben wir gelernt, wie das GSM-Netz mit GPRS fit für das Internet gemacht wurde, aber die […]