Budapest University of Technology and Economics, Faculty of Electrical Engineering and Informatics

Grundlagen der Physik, Digitaltechnik, Codierungstechnik

A kötelező előtanulmányi rend az adott szak honlapján és képzési programjában található.

Woche 1: Einführung

Einführung, Beschreibung der Ziele und Anforderungen des Moduls. Motivationen zum Thema.

Einführung in Netzwerken und Systemen anhand von Beispielen, Geschichte, Grundlagen und Architektur des Internets und der Fernkommunikation. Anwendungen, Dienste und Beispiele. Anforderungen an das Netzwerk. Paketverlust und Verzögerungen im Netz.

Woche 2: Protokollarchitekturen

Protokollarchitekturen, Referenzmodelle: ISO-OSI-Referenzmodell, TCP/IP-Protokollarchitektur, Durchschaltevermittlung, Paketvermittlung, Adressierung.

Woche 3: Physikalische- und Datenvermittlungsschicht

Übertragungsmedien und ihre Eigenschaften. Physikalische Grundlagen der Funkkommunikation.

Ethernet. Übersicht, Versionen. Ethernet-Frame-Struktur. Ethernet-Switches: Betrieb, Eigenschaften, Management. Vergleich von Switching und Routing. Virtuelle lokale Netzwerke (VLAN).

Drahtlose lokale Netzwerke (WLAN). Überblick. Eigenschaften von drahtlosen Verbindungen. Drahtlose lokale Netzwerke nach IEEE 802.11: Architektur, Frequenzzuweisung, Medienzugriff. Das Problem der versteckten Terminals. Rahmenorganisation. Ausblick: Bluetooth versus Zigbee.

Woche 4: Routing-Grundlagen

Interpretation der Aufgabe, Routentabellen, Distance-Vector-Methode, Link-State-Methode. Hierarchisches Routing, autonome Systeme.

Woche 5:

Multicast-Routing.

Internetprotokoll: Aufgabe von IP, Eigenschaften, Adressierung (Adressklassen, private Adressbereiche, klassenloses Inter-Domain-Routing, IPv4-Adressbereichserschöpfung), IP-Paketstruktur.

Woche 6:

IP-Routing (RIP, EIGRP, OSPF, IS-IS, BGP), Address Resolution Protocol, IP-Routing, IP-Signalisierung und Verwaltungsnachrichten (ICMP und IGMP).

MultiProtocol Label Switching (MPLS) 

Woche 7:

Verkehrssteuerung: wünschenswerte Eigenschaften und Arten der Verkehrssteuerung. Transportschicht: Socket-Konzept, Socket-Typen, User Datagram Protocol (Portverwaltung, Header, Anwendung)

Woche 8:

Transmission Control Protocol (Hauptmerkmale, Segmentformat, Anrufstruktur, Verwendung von Sequenznummern und Bestätigungsnummern, Neuübertragungsfälle, schnelle Neuübertragung). Verkehrssteuerung, Stausteuerung, AIMD, Slow Start, einige gängige Anwendungen und die verwendeten Transportprotokolle, praktische Berechnungsbeispiele.

Woche 9:

Netzwerkanwendungen

Infrastrukturdienste: DNS (Namensauflösungsrolle und -anforderungen, Namensraum, Zonen- und Namensserver, Namensauflösungsprozess, DNS-Nachrichten), Dynamic Host Configuration Protocol.

Mailsysteme: Simple Mail Transfer Protocol, Post Office Protocol, Internet Message Access Protocol.

Websysteme: HyperText Transfer Protocol, persistente und nicht-persistente Verbindung, Nachrichtenformate, Befehle, Header.

Woche 10:

Drahtlose und mobile Netzwerke. Funksysteme. Übersicht, das Zellprinzip. Eigenschaften und Funktionsweise von Funksystemen. Medienzugriff, Netzwerkarchitektur, Dienste, Identifikatoren, Standortregistrierung, Anrufweiterleitung.

Generationen von Mobilfunknetzen.

Woche 11:

4G-Mobilfunknetze: LTE: Long Term Evolution: Anforderungen, Medienzugriff, Ressourcenblöcke. Zellkapazität. LTE-Architektur, Hauptprotokolle. Sprachübertragung über LTE. VoLTE. VoWiFi.

5G-Mobilfunknetze. Anforderungen. 5G-Architektur, Zugangs- und Backbone-Netzwerke. CUPS (Steuerungs- und Benutzerebenentrennung).

Woche 12:

Analoge und digitale Sprachübertragung. Eigenschaften des Sprachsignals. Digitalisierung des Sprachsignals: der PCM-Encoder. Anwendungsbeispiele: Telefonische Sprachübertragung, digitale Audiocodierung in HiFi-Qualität. Ausblick: andere Sprachcodierer. Überblick über Next Generation Networks (NGN).

Woche 14:

Multimediale Netzwerke. Eigenschaften von bewegten Bildern. Arten von Multimedia-Netzwerkanwendungen. Streaming über UDP, HTTP. Netzwerke zur Verteilung von Inhalten. IP-Fernsehen (IPTV). IPTV und Internet-TV: Gemeinsamkeiten und Unterschiede. IPTV: Aufbau der Kopfstation, Detaillierung des Mediastreams. MPEG-2-Transportstrom. Aufbau eines H.264 kodierten Datenstroms. IPTV-Servicequalität: Messung, wichtigere Einflussfaktoren, Möglichkeiten zur Qualitätsverbesserung.

Die detaillierten Themen der Übung:

1. Messung: TCP/IP-Protokollstack-Untersuchung, Präsenzveranstaltung

Kennenlernen von Wireshark (das Programm selbst, Erfassungsfilter, Anzeigefilter; Ethernet-, IP-, ICMP-, TCP-, UDP-Header auf Übersichtsebene). ARP kennenlernen: Request, Reply, Probe und Announcement. Kennenlernen von DHCP: Zurückgeben einer Adresse (Release, Ack), der Vorgang des Anforderns einer Adresse (Discover, Offer, Request, Ack). Lernen über Ping und Traceroute. Auf- und Abbau einer TCP-Verbindung. Zählen von TCP-Verbindungen beim Herunterladen einer komplexen Webseite. Untersuchung der TCP-Überlastkontrolle. Untersuchen von TCP-Optionen.

2. Messung: Untersuchung von Anwendungen, Präsenzveranstaltung

DNS: „A“, „PTR“ und „AAAA“ zeichnen die Anfrage auf und untersuchen die Antwort. SMTP: Senden von Briefen „von Hand“ mit den Befehlen des SMTP-Protokolls, wobei zwischen dem Absender/Empfänger des Umschlags und den im Brief erscheinenden Kopfzeilenfeldern unterschieden wird. POP3: Postfachverwaltung (Befehle USER, PASS, STAT, LIST, RETR, DELE, RSET, QUIT). FTP: Datenübertragung mit einem Client-Programm und zwischenzeitlich:
a) aktiven und passiven Modus mit Wireshark testen: von wo nach wo wird die Datenverbindung aufgebaut?
b) BIN- und ASCII-Übertragungsmodus prüfen Was passiert mit einer Textdatei, was mit einer jpg-Datei?
Überprüfung der Datenübertragung im FTP-PASV-Modus mit Telnet.
HTTP: GET-Befehl Version 1.0 und 1.1 (Host: Spezifikation, virtuelle Webserver). Untersuchung von ssh und scp: Schlüsselgenerierung, Login mit schlüsselbasierter Authentifizierung, Kopieren von Dateien mit scp.

3. Messung: Untersuchung von IPv6-Betrieb und IPv6-Übergangstechnologien, Präsenzveranstaltung

Untersuchung des Prozesses der Stateless Automatic Address Configuration (SLAAC) (Untersuchung von Neighbor Solicitation, Router Solicitation, Router Advertisement Messages, Überprüfung der Korrektheit von Link-Local und Global Unicast Adressen, Modifizierte EUI-64 Berechnung). DNS64: Festlegen eines gemeinsamen DNS64-Servers als Nameserver, dann Namensauflösung: IPv4-eingebettete IPv6-Adresse prüfen. Konfigurieren und Messen eines DNS64-Servers unter Linux (überprüfen, was vor und nach dem DNS64-Server passiert). Zugriff auf reine IPv4-Server über ein gemeinsames NAT64-Gateway: zuerst mit HTTP, dann mit FTP, passiv und im Modus testen. Testen zusätzlicher Anwendungen (SMTP, POP3). Wie IPv4-Router in der Traceroute-Ausgabe aussehen (mit IPv4-eingebetteter IPv6-Adresse). Verwendung eines NAT64-Gateways auf lokalem Linux (TAYGA + IPTABLES vorkonfiguriert) und Verwendung von Wireshark, um zu sehen, was vor und nach dem NAT64-Gateway passiert.

4. Messung. Sprachübertragung über IP (Voice over IP, VoIP), keine Präsenzveranstaltung

Während der Laborsitzung lernt der Student die Sprachübertragung über IP kennen. Darauf aufbauend sammeln Sie Erfahrungen in folgenden Themen: IP-basierte Desktop- und Softwaretelefone, Telefondienste, Computervirtualisierung und Netzwerkpaketanalyse. Jeder Student kann auch eine virtualisierte eigene IP-Telefonzentrale ausprobieren.

5. Messung. IP-Fernsehen (IPTV), keine Präsenzveranstaltung

Der Zweck der Laborsitzung besteht darin, dass sich die Studenten mit dem Netzwerkkontext der Internet Protocol Television (IPTV)-Technologie vertraut machen, mit besonderem Schwerpunkt auf Multicast-basierter IP-Paketübertragung und den Netzwerkaspekten von Quality of Service-Garantien. Die Teilnehmer der Messung lernen die Multicast-IP-Übertragung, die Methoden und Protokolle zur Übertragung von IPTV-Videostreams kennen und führen Messungen durch, um die wesentlichen den Dienst charakterisierenden Netzparameter und die Dienstqualität zu ermitteln.

6. Messung. Lokale Netzwerke: Ethernet und WLAN,  keine Präsenzveranstaltung

Ziel der Laborsitzung ist es, dass sich die Studierenden durch Verkehrstests mit den grundlegenden Betriebseigenschaften von Ethernet (IEEE 802.3) kabelgebundenen und WiFi (IEEE 802.11) drahtlosen lokalen Netzwerken vertraut machen. Nach der Untersuchung des Ethernet-Protokolls mit einem Protokollanalysator haben die teilnehmenden Studierenden die Möglichkeit, dedizierte WLAN-Basisstationen zu konfigurieren, die Auswirkung von Einstellungen und Parametern auf den Betrieb zu überwachen, aber auch ihre eigenen Geräte (z. B. Mobiltelefon) zu verwenden, um Verbindungseigenschaften und Übertragungsqualität  zu überprüfen .

Woche 13:

Sprachübertragung überIP: Voice-over-IP, VoIP. Best Effort Forwarding und IP Quality of Service (QoS). Das Real-Time Transfer Protocol (RTP): seine Struktur, Funktionsweise und Einschränkungen. Überblick über das Session Initiation Protocol (SIP).

In der Vorlesungszeit:

Während des Semesters wird eine Klausurarbeit erstellt, Bedingung für die Unterzeichnung ist deren zufriedenstellende Absolvierung, für die 50 % der Punkte erreicht werden müssen. Außerdem ist es zwingend erforderlich, alle Messungen (Laborübungen) mindestens ausreichend für die Unterschrift durchzuführen.

Die Messungen werden teils in Präsenz, teils in Abwesenheit durchgeführt.

Regeln für Anwesenheitsmessungen:

1. Die Studierenden müssen sich im Voraus auf die Laborsitzungen vorbereiten. Der Messleiter prüft dies zu Beginn der Messung. Bei unzureichender Vorbereitung kann die Messung nicht durchgeführt werden.

2. Die Betreuerin bzw. der Betreuer bewertet nach der Messung die Arbeit des Studierenden, die die Ergebnisse der vorbereitenden Vorbereitungsprüfung, die Leistung während der Messung und die Qualität des erstellten Messberichts umfasst.

3. Die Abwesenheit von einer Laborsitzung gilt als unzureichende Laborpraxis.

Regeln für Fern-Messungen die in Abwesenheits durchgeführt werden:

1.    Nach entsprechender Vorbereitung kann der/die Studierende die Messung jederzeit bis zum bekannt gegebenen Termin durchführen.

2.    Zu einem vorher angekündigten Zeitpunkt steht den Studierenden ein Betreuer zur Verfügung, der die Fragen online beantwortet.

3.    Der ausgefüllte Laborbericht muss an einen vorher festgelegten Ort hochgeladen werden. Das Protokoll muss außerdem zu einem festgelegten Zeitpunkt persönlich vorgelegt werden, wobei der Betreuer Fragen stellt, um sicherzustellen, dass es sich bei dem Protokoll um eine eigene Arbeit handelt. Auf dieser Grundlage benotet der Betreuer die Arbeit des Studierenden. Erscheint der Studierende nicht zur Präsentation oder kann er die Fragen nicht ausreichend beantworten, gilt die angegebene Messung als unzureichend.

Während der Prüfungszeit:

Schriftliche Prüfung. 10 % Gewichtung wird der Punktzahl gegeben, die am "ZártHelyi" (ZH) (oder an einem "pótZH" (ersatz-ZH) oder einer Unterschriften-Ersatzprüfung) erzielt wurde, und 20 % Gewichtung wird durch den Durchschnitt der Messungen berücksichtigt. Voraussetzung für eine ausreichende Prüfung ist jedoch, mindestens 50 % der Prüfungsarbeit zu schreiben.

Es ist möglich, das angebotene Prüfungsnote in ZH zu erwerben (nicht möglich in alternativen ZH und Unterschriftenersatzprüfungen). Voraussetzung dafür ist, dass die Klausurarbeit auf einem sehr guten Niveau ist und er/sie alle Prüfungen mit sehr guten Noten abschließt. Die Messungen können auch nach dem Schreiben des ZH vorgenommen werden.

Zárthelyi (ZH) kann einmal während des Studiums (pótzárthelyi) und einmal während der Nachholzeit (Unterschriftenersatzprüfung) nachgeholt werden. Laut der zum Zeitpunkt der Erstellung des Merkblatts gültigen Studienordnung: „Der Studierende kann die zweite Gelegenheit zur Wiederholung oder Korrektur der summativen Leistungsbewertungen in Anspruch nehmen, wenn er an der Leistungsbewertung teilgenommen oder die Möglichkeit der Ersatz-, Wiederholungs- oder Korrekturmöglichkeit angekündigt hat zum ersten Mal." Daher kann der/die Studierende in diesem Fach die Unterschriftenersatzprüfung ablegen, wenn er/sie entweder am ZH oder am erstatz-ZH (oder an beiden) teilgenommen hat.

Von den Laborsitzungen kann ein Präsenz- und ein Fern-Veranstaltung während der Vorlesungszeit bzw. während der Ersatzwoche ersetzt werden.

Die Fern-Messung kann bis zu den bekannt gegebenen Terminen und Zeiten in Abwesenheit (zu Hause) durchgeführt und vorgelegt werden. Die zusätzliche Fern-Messung zieht daher eine erneute Vorlagepflicht nach sich.

Unterrichtsmaterial und Hilfsmittel für Messungen

Empfolene Literatur:

• James F. Kurose, Keith W. Ross: Computer Networking, 8th Edition, Pearson, 2021 (ISBN-13: 9780135928615)