ISDN - Grundlagen, Technik und Aufbau

ISDN wurde im Jahre 1989 offiziell durch die damalige Deutsche Bundespost in Betrieb genommen und somit war Deutschland das erste europäische Land mit einem digitalen Telefonnetz. ISDN steht für "Integrated Services Digital Network", im Deutschen auch Integriertes Sprach- und Datennetz genannt, und dient dazu, mehrere Dienste (services) in einem Datennetz zu integrieren. Die meisten Benutzer verbinden mit dem Begriff ISDN lediglich eine Alternative zum herkömmlichen analogen Telefon, welches dem Endanwender mehr Funktionen und aufgrund der digitalen Übertragung eine etwas höhere Bandbreite beim Internetzugang bietet.

Doch ISDN ist mehr als nur ein "erweiterter Telefonanschluss". Vor der Einführung von ISDN fungierten Dienste wie Telex (Fernschreiben), Teletex, leitungsvermittelnde Datenübertragung (Datex-L), paketvermittelnde Datenübertragung (Datex-P), Telefon oder Fax als einzelne Dienste. ISDN vereint die genannten Dienste und bietet mithilfe der digitalen Datenübetragung zusätzliche Telefonfunktionen und höhere Datenübertragungsraten an.

NTBA / NTPM

Damit die hauseigenen ISDN-Geräte und Telefone eine Verbindung mit der örtlichen Vermittlungsstelle ("Dame vom Amt") bekommen, muss ein so genannter NTBA bzw. NTPM (abhängig vom Anschluss, Basis- oder PMS-Anschluss) installiert sein. Ein solches Gerät ermöglicht einen Übergang von der zweiadrigen Leitung der Vermittlungstelle zu dem hausinternen, vieradrigen S0- bzw. S2M-Bus. An den S0- bzw. S2M-Bus werden dann die ISDN-Geräte oder eine Telefonanlage (Nebenstelle) angeschlossen. Ein NTBA bzw. NTPM ist demzufolge eine wichtige ISDN-Netzkomponente, welche die zwei unterschiedlichen Bussysteme miteinander verbindet.

ISDN NTBA / NTPM

Das NTBA bzw NTPM verbindet die
örtliche Vermittlungsstelle mit den hauseigenen ISDN-Geräten.
2 auf 4 Adern

Mehrgeräteanschluss und Anlagenanschluss

Die Begriffe Mehrgeräteanschluss, Anlagenanschluss, Basisanschluss und Primärmultiplexanschluss sind auf den ersten Blick etwas verwirrend und man sollte diese nicht miteinander vermischen. Ein Mehrgeräteanschluss oder Anlagenanschluss sagt erst einmal aus, auf welche Weise die ISDN-Geräte die Verbindung zur örtlichen Vermittlungstelle bekommen, nämlich direkt über das NTBA (Mehrgeräteanschluss) oder auf einen Umweg über eine Telefonanlage (Anlagenanschluss). Basisanschluss und Primärmultiplexanschluss sind Leistungsmerkmale des ISDN-Anbieters (Anzahl der Kanäle, Bandbreite, etc).

Da sich ISDN hervorragend dafür eignet, mehrere Telefon-, Fax- oder andere Geräte in einem Haushalt oder Unternehmen einzurichten, muss man sich ab einer bestimmten Größe bzw. Anzahl der installierten ISDN-Geräte Gedanken über die Verwaltung machen. Das bedeutet, dass man zwischen einem Mehrgeräte- und Anlagenanschluss wählen muss.

ISDN Mehrgeräte/Anlagenanschluss

Mehrgeräteanschluss
Für private Haushalte eignet sich am besten ein Mehrgeräteanschluss. Hier werden die ISDN-Geräte direkt an das NTBA angeschlossen, woraus sich auch die Bezeichnung Point-to-Multipoint ergibt. Da an einem Mehreräteanschluss maximal nur 8 Geräte angeschlossen werden können, sind diesem Anschluss schnell die Grenzen gesetzt.

Anlagenanschluss
Wie der Name schon vermuten lässt, wird beim Anlagenanschluss eine Telefonanlage (Nebenstelle) zwischengeschaltet. Die Telefonanlage übernimmt die Verwaltung der ISDN-Geräte.

Basisanschluss und Primärmultiplexanschluss (PMX)

Wer ISDN in einem privaten Haushalt oder kleinen Unternehmen einsetzt, der wird mit einem Basisanschluss auskommen. Zwei so genannte B-Kanäle ermöglichen es, zwei Dienste gleichzeitig in Anspruch zu nehmen, beispielsweise auf der einen Leitung zu telefonieren während man mit dem anderen Anschluss gerade im Internet eingewählt ist. Ein B-Kanal verfügt über eine Bandbreite von 64 KBit/s, welches durch Kanalbündelung auf 128 KBit/s verdoppelt werden kann. Des Weiteren ist es möglich, dass zwei Personen gleichzeitig telefonieren können.

Beim Basisanschluss hat man die Wahl, ob man eine Telefonanlage einsetzt oder nicht, also man einen Mehrgeräte- oder Anlagenanschluss nutzt.

Basisanschluss

  • Verfügbar als Mehrgeräte- und Anlagenanschluss
  • B-Kanäle: 2 (64 KBit/s)
  • D-Kanäle: 1 (16 KBit/s)
  • Analoge Schnittstelle: UK0
  • Digitale Schnittstelle: S0
  • Maximale Bruttobandbreite: 192 KBit/s (3x64 KBit/s)

ISDN Basisanschluss

Der Primämultiplexanschluss ist für größerer Unternehmen geeignet, denn er bietet 16 bis 30 Nutzkanäle (B-Kanäle) an, was eine deutliche Steigerung im Vergleich zum Basisanschluss ist. Dies lassen sich die ISDN-Anbieter selbstverständlich gut bezahlen, so dass sich ein PMX-Anschluss für den Privatanwender nicht lohnt.

Der PMX-Anschluss ist nur als Anlagenanschluss verfügbar. Technisch gesehen wäre ein PMX-Anschluss als Mehrgeräteanschluss möglich, was aber wenig Sinn machen würde, da maximal 8 Endgeräte angeschlossen werden würden und die restlichen Nutzkanäle brach liegen würden. Aus diesem Grund wird eine Telefonanlage benötigt.

Der Primämultiplexanschluss wurde oft mithilfe von Kanalbündelung als 2 MBit-Standleitung eingesetzt.

Primärmultiplexanschluss

  • Verfügbar als Anlagenanschluss
  • B-Kanäle: 16 - 30 (64 KBit/s)
  • D-Kanäle: 1 (64 KBit/s)
  • Synchronisationskanal: 1 (64 KBit/s)
  • Analoge Schnittstelle: UK2
  • Digitale Schnittstelle: S2M
  • Maximale Bruttobandbreite: 2048 KBit/s (32x64 KBit/s)

ISDN PrimärMultiplexAnschluss

S0-Bus und S0-Frame

Der S0-Bus ist das interne Bussystem, an dem die ISDN-Geräte angeschlossen werden. Wie bereits in einigen Abbildungen zu sehen war, besteht der S0-Bus aus vier Adern bzw. zwei Adernpaaren, wobei zwei Adern zum Senden und zwei Adern zum Empfangen benutzt werden.

Maximal 12 Anschlussdosen und 8 Endgeräte dürfen an den S0-Bus angeschlossen werden. Da das installierte NTBA für eine Spannung von 40V in den S0-Bus einspeist, können von den 8 Endgeräten bis zu 4 passive Geräte, also ohne eigene Stromversorgung, sein. Verfügen alle Endgeräte am S0-Bus über eine eigene Stromversorgung, so benötigt das NTBA keine eigene Stromversorgung, was die Lebensdauer des NTBA erhöht.

Wichtig ist, dass der S0-Bus maximal 150m lang sein darf und an der letzten UAE Abschlusswiderstände installiert sein müssen. Die Länge des Anschlusskabels eines Endgerätes an die UAE sollte 10m nicht überschreiten.

S0-Bus

  • max. 12 UAE-Anschlussdosen
  • max. 8 Endgeräte
  • max. 4 passive Geräte
  • max. Buslänge von NTBA->UAE: 150m
  • empfohlene Länge von UAE zum Endgerät: 10m
  • Muss mit zwei 100 Ohm Widerständen terminiert werden

passiver S0-Bus

Die Datenübertragung in einem ISDN-Netz erfolgt über so genannte Frames, bei einem S0-Bus demzufolge über einen S0-Frame. In einem Frame werden die Datenbits (B-Kanal, D-Kanal, Sonstige Informationen) zu einem logischen Bündel zusammengesetzt, die dann zusammen in einem Frame übertragen werden. Man kann sich das ungefähr so vorstellen, dass das Frame einem Passagierschiff gleicht, in dem die Plätze für D-Kanal, B-Kanal, etc fest reserviert sind. Pro Fahrt ist demzufolge eine theoretische maximale Übertragungsrate möglich, wo bei es auch möglich ist, dass Plätze frei bleiben, wenn nicht genügend Daten vorhanden sind. "Halbe Frames" sind also ausgeschlossen.

Ein S0-Frame ist 48 Bit groß, wobei 32 Bit die beiden B-Kanäle, 4 Bit der D-Kanal und die restlichen zwölf andere Steuerkanäle in Anspruch nehmen. 4000 Frames werden pro Sekunde übertragen, was einer Übertragungszeit eines einzigen Frames von 250µs entspricht.

S0-Frame

  • Länge: 48 Bit
  • Übertragung: 4000 Mal pro Sekunde
  • davon B-Kanal: 32 Bit (2x16 Bit)
  • davon D-Kanal: 4 Bit
  • davon Steuerebefehle: 12 Bit
  • Übertragungszeit: 250µs

ISDN S0-Frame

Folgende Rechenbeispiele zeigen den Zusammenhang der Bandbreite und dem S0-Frame:

B-Kanal: 16 Bit pro Frame x 4000/s = 64.000 Bit/s = 64 KBit/s
D-Kanal: 4 Bit pro Frame x 4000/s = 16.000 Bit/s = 16 KBit/s

ISDN - Fachbegriffe

ISDN: steht für Integrated Services Digital Network
Euro ISDN: seit 1987 europäischer Standard. Protokoll im D-Kanal ist DSS1
Basisanschluss: Standard ISDN-Anschluss mit 2x B-Kanal, 1x D-Kanal
PrimärMultiplexanschluss: ISDN-Anschluss mit max. 30x B-Kanal, 1x D-Kanal, 1x Synchronisation. Wird oftmals bei 2MBit-Standleitungen eingesetzt.
Mehrgeräteanschluss: (Punkt-Zu-Mehrpunkt). Am NTBA können mehrere Geräte angeschlossen werden. MSN (3-10 Nummern).
Anlagenanschluss: (Punkt-Zu-Punkt). NTBA wird direkt mit einer Telefonanlage verbunden. Anlagen-Nummer + DDE.
DIVO: Örtliche Vermittlungsstelle
B-Kanal: Ist ein Nutzkanal, über den Daten wie Sprache, Fax, etc. übertragen werden.
D-Kanal: Ist ein Steuerkanal, über den Informationen wie Telefonnummer übertragen werden.
MSN: steht für Mehrfachrufnummer
DDE: Durchwahlnummer 4910(Anlagennummer) + xx(Durchwahl)
DSS1: Ist das aktuelle Protokoll für Euro-ISDN.
1TR6: Das veraltete nationale ISDN-Protokoll (bis 1999)
NTBA: Verbindet die örtliche Vermittlungsstelle (ISDN-Netz) mit den Geräten im Heimnetz.
TAE: Telefonanschlusseinheit für analoge Geräte
IAE: ISDN Anschlusseinheit, welche über 4 Adern verfügt
UAE: Universal-Anschlusseinheit mit 8 Adern
a/b-Port: analoger Port, Anschluss eines analogen Endgerätes
passiver S0-Bus: max. Länge: 150m, 12 Anschlussdosen, 8 Endgeräte (davon 4 passiv)
ISDN-PC-Adapter: ISDN-Controller, der aus der Anwendung die Befehle umsetzt (PCI, USB, PCMCIA, etc)
ISDN-Endgerät: Telefon, TK-Anlage, Fax, Systemtelefon, passives/aktives ISDN-Gerät
MFV: Mehrfrequenzwählverfahren (Tonverfahren), für jede Taste auf dem Telefon ist eine bestimmte Frequenz festgelegt.
S2M: digitale Schnittstelle des NTPM bei einem PMX-Anschluss
S0: digitale Schnittstelle des NTBA
UK2: analoge Schnittstelle des NTPM bei einem PMX-Anschluss
UK0: analoge Schnittstelle des NTBA
aktiver ISDN-Controller: Controller mit eigener CPU/Speicher, kann auch im ausgeschaltetem Zustand arbeiten, belastet die CPU des Rechners nicht.

Leistungsmerkmale von ISDN

MSN (Mehrfachrufnummer, Multiple Subscriber Number): An einem Mehrgeräteanschluss können mehrere Endgeräte angeschlossen. Diesen Endgeräten kann man individuelle Rufnummern, also Mehrfachrufnummern zuweisen.

CLIP (Rufnummernanzeige, Calling Line Identification Presentation): CLIP bezeichnet den Vorgang, dass die eigene Telefonnummer zum Gesprächspartner übermittelt wird.

CLIR (Rufnummernunterdrückung, Calling Line Identification Restriction): Bei CLIR wird die Rufnummer nicht zum Gesprächspartner gesendet, also unterdrückt.

TP (Umstecken am Bus, Terminal Portability): Terminal Portability ermöglicht, wie der Name schon sagt, dass man das ISDN-Endgerät während der Verbindung einfach an eine andere Buchse stecken und die Verbindung dort wieder aufnehmen kann. Voraussetzung ist, dass das Verbindung vor dem Umstecken geparkt wurde.

MCID (Fangen der Rufnummer, Malicious Call Identification): Mit dieser Technik ist es möglich, die Rufnummer des anonymen Anrufers zu ermitteln. Dieses Leistungsmerkmal ist kostenpflichtig.

CUG (geschlossene Benutzergruppe, Closed User Group): Mit dieser Funktion sind nur Gespräche innerhalb der Benutzergruppe möglich.

CW (Anklopfen, Call Waiting): Normalerweise würde der Anrufer ein Besetzzeichen hören, wenn der Angerufene gerade telefoniert. Anklopfen signalisiert dem Angerufenen, dass ein andere ihn zu erreichen versucht. Der Anrufer hört statt dem Besetzzeichen ein Freizeichen.

CD (Weiterleitung, Call Deflecting): Ein Anruf weiterleiten.

3PTY (Dreierkonferenz, Three Party Service): Telefonkonferez mit 3 Personen, indem zwei Verbindungen zusammengeschaltet werden.

CCBS (automatischer Rückruf bei Besetzt, Completion of Calls to Busy Subscriber): Dieses Feature signalisiert dem Anrufer, wann die Leitung beim Angerufenen frei ist und baut eine Verbindung auf.

HOLD (Makeln): Mit Makeln kann man einen Anrufer "parken", während man mit einer anderen Person eine Verbindung aufbauen kann. Anschließend kann man das Gespräch wieder aufnehmen.

AOCE (Gebührenanzeige, Advice of Charge End): Anzeige der Gebühren am Ende des Gesprächs.

AOCED (Gebührenanzeige, Advice of Charge During): Anzeige der Gebühren während des Gesprächs.

Aufbau/Funktion eines ISDN-Endgerätes

Wie wir bereits gelernt haben, ist ISDN ein digitales Netz und jetzt stellt sich natürlich die Frage, wie bei einem Telefonat die menschliche Sprache als "Nullen und Einsen" in das ISDN eingespeist wird. Diese Aufgabe übernimmt in der Regel das ISDN-Telefon, welches die analogen Sprachdaten verarbeitet, in digitale Daten umwandelt und in Verbindung mit den Steuersignalen, beispielsweise die Rufnummernübertragung, einen vollständigen S0-Frame aufbaut.

ISDN Endgerät

Die oben gezeigt Abbildung zeigt den groben Aufbau eines ISDN-Telefongerätes. Wenn eine Person in das Mikrofon des Telefons spricht, werden die analogen Daten von dem Frequenzfilter verarbeitet. Dieser sorgt dafür, dass die nichthörbaren Höhen und Tiefen herausgefiltert werden, ähnlich dem Verfahren der MP3-Kompression. Somit werden die Sprachdaten auf das "wesentliche" reduziert. Im anschließenden Schritt verstärkt ein Verstärker diese wesentlichen Sprachdaten, damit sie besser verarbeitet werden können.

Nachdem die analogen Sprachdaten vorbereitet wurden, werden sie von einem Analog/Digital-Wandler in digitale Daten umgewandelt. Vorerst liegen die Daten parallel vor, es führen also 8 Adern von A/D-Wandler zum Parallel-/Seriell-Wandler. Letzterer hat nun die Aufgabe, diese Daten an den seriellen Bus zu leiten. Beim A/D-Wandler wird auch die Bandbreite des B-Kanals deutlich, denn der A/D-Wandler verfügt über eine Abtastrate von 8000/s, was eine Datenmenge von 8000/s mal 8 Bit = 64.000 Bit/s = 64 KBit/s ergibt.

Die nun digitalen Sprachdaten (B-Kanal) und die Steuersignale wie beispielsweise Tastatureingaben (D-Kanale) werden nun vom Multiplexer verarbeitet. Dieser schaltet je nachdem eine der beiden Leitungen und baut somit nach und nach einen S0-Frame auf, so dass diese dann über den S0-Bus auf die Reise geschickt werden können.

Aufbau ISDN-Telefonanlage

ISDN Telefonanlage

RAS (Remote Access Service)

Mit RAS kann man sich über ein analoges Modem, ISDN oder X.25 in ein fremdes Netz einwählen.

Remote Access Service (RAS)

Die Sicherheit wird durch folgende Punkte gewährleistet:

  • MSN prüfen: nur bestimmte Nummern dürfen sich einwählen
  • Call-Back: Der Server ruft den Teilnehmer zurück, um Missbrauch von MSN-Nummern zu gewährleisten
  • Passwortabfrage: Server fragt Passwort ab. Hier gibt es auch eine Time-Out-Funktion, um Hacker-Attacken zu verhindern.

Anhand der RAS-Technologie lassen sich schöne Beispielrechnungen zum Aufbau eines S0-Frames realisieren.

Frage: Eine RAS-Verbindung vom Client zum Server wird über einen D-Kanal gesteuert und überwacht. Ein Befehl der Schicht 3 (D-Kanal) hat ein Datenvolumen von 765 Bit. Berechnen Sie die Zeit, die benötigt wird, um diese Daten in der Schicht zu übertragen.

Antwort: In einem S0-Frame werden 4 Bits für den D-Kanal übertragen. Ein Frame benötigt 250µm für die Übertragung. Daraus folgt die Rechnung:

765 Bit / 4 Bit = 191,25 --> 192 Frames müssen übertragen werden
192 x 250µm = 48000µs = 48ms

Frage: Wie lange dauert die Übertragung von 1 MB über den B-Kanal?

Antwort: In einem S0-Frame werden 16 Bits für den B-Kanal übertragen. Ein Frame benötigt 250µm für die Übertragung. Daraus folgt die Rechnung:

1 x 1024 x 1024 x 8 Bit = 8388608 Bit
8388608 Bit / 16 Bit = 524288 Frames müssen übertragen werden
524288 x 250µm = 131072000µs = 131072ms = 131,072s = ca. >2 Minuten