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Standards der physikalischen Schicht

In Bezug auf die Bitübertragungsschicht - ergo Layer 1 (Physical) haben Sie schon einiges gehört und gelernt, wie der Platz dieser Schicht in einem Netzwerk konstituiert ist. 

Dieses Thema taucht etwas tiefer in die Besonderheiten der physikalischen Schicht ein. Dazu gehören die Komponenten und die Medien, die zum Aufbau eines Netzwerks verwendet werden, sowie die Standards, die erforderlich sind, damit alles zusammen funktioniert.

Die Protokolle und Operationen der oberen OSI-Schichten werden mit Software ausgeführt, die von Software-Ingenieuren und Informatikern entworfen wurde. Die Dienste und Protokolle in der TCP/IP-Suite werden von der Internet Engineering Task Force (IETF) definiert.

Die physikalische Schicht besteht aus elektronischen Schaltkreisen, Medien und Konnektoren, die von Ingenieuren entwickelt wurden. Daher ist es angebracht, dass die Normen für diese Hardware von den entsprechenden Organisationen der Elektro- und Nachrichtentechnik definiert werden.

Es gibt viele verschiedene internationale und nationale Organisationen, behördliche Regierungsorganisationen und private Unternehmen, die an der Festlegung und Aufrechterhaltung von Standards für die physikalische Schicht beteiligt sind. Beispielsweise werden die Standards für die Hardware der physischen Schicht, die Medien, die Kodierung und die Signalisierung durch diese Normungsorganisationen definiert und geregelt:

• International Organization for Standardization (ISO)

            Internationale Organisation für Normung (ISO)

• Telecommunications Industry Association/Electronic Industries Association (TIA/EIA)

            Telekommunikationsindustrie/Elektronikindustrieverband (TIA/EIA)

• International Telecommunication Union (ITU)

            Internationale Fernmeldeunion (ITU)

• American National Standards Institute (ANSI)

           Amerikanisches Nationales Institut für Normung (ANSI)

• Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)

            Institut für Elektro- und Elektronikingenieure (IEEE)

• National telecommunications regulatory authorities including the Federal Communication Commission (FCC) in the USA and the European Telecommunications Standards Institute (ETSI)

            Nationale Regulierungsbehörden für Telekommunikation einschließlich der Federal Communication Commission (FCC) in den USA und des Europäischen Instituts für

            Telekommunikationsnormen (ETSI)

Darüber hinaus gibt es häufig regionale Verkabelungsnormengruppen wie CSA (Canadian Standards Association), CENELEC (European Committee for Electrotechnical Standardization) und JSA/JIS (Japanese Standards Association), die lokale Spezifikationen entwickeln.

Physikalische Komponenten

Die Standards der physikalischen Schicht beziehen sich auf drei Funktionsbereiche:

• Physikalische Komponenten
• Kodierung
• Signalisierung
• Physikalische Komponenten

Die physischen Komponenten sind die elektronischen Hardware-Geräte, Medien und andere Konnektoren, die die Signale übertragen, die die Bits repräsentieren. Hardwarekomponenten wie NICs, Schnittstellen und Konnektoren, Kabelmaterialien und Kabeldesigns werden alle in Standards spezifiziert, die mit der physikalischen Schicht verbunden sind. 

Kodierung

Codierung oder Zeilencodierung ist eine Methode zur Umwandlung eines Stroms von Datenbits in einen vordefinierten "Code". Codes sind Gruppierungen von Bits, die verwendet werden, um ein vorhersehbares Muster bereitzustellen, das sowohl vom Sender als auch vom Empfänger erkannt werden kann. Mit anderen Worten: Kodierung ist die Methode oder das Muster, das zur Darstellung digitaler Informationen verwendet wird. Dies ähnelt der Art und Weise, wie im Morsealphabet eine Nachricht mit einer Reihe von Punkten und Strichen kodiert wird.

Zum Beispiel stellt die Manchester-Codierung ein 0-Bit durch einen Übergang von hoher zu niedriger Spannung dar, und ein 1-Bit wird als Übergang von niedriger zu hoher Spannung dargestellt.  Der Übergang erfolgt in der Mitte jeder Bitperiode. Diese Art der Kodierung wird im 10-Mbit/s-Ethernet verwendet. Schnellere Datenraten erfordern eine komplexere Kodierung. Die Manchester-Kodierung wird in älteren Ethernet-Standards wie 10BASE-T verwendet. Ethernet 100BASE-TX verwendet 4B/5B-Kodierung und 1000BASE-T verwendet 8B/10B-Kodierung.

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Ethernet-Kapselung:

Dieses Kapitel beginnt mit einer Erörterung der Ethernet-Technologie einschließlich einer Erklärung der MAC-Unterschicht und der Ethernet-Rahmenfelder.

Ethernet ist eine von zwei heute verwendeten LAN-Technologien, wobei die andere drahtlose LANs (WLANs) sind. Ethernet verwendet drahtgebundene Kommunikation, einschließlich Twisted Pair, Glasfaserverbindungen und Koaxialkabel.

Ethernet arbeitet in der Datensicherungsschicht (Data Link Layer) und in der Bitübertragungsschicht (Physical Layer). Es handelt sich um eine Familie von Netzwerktechnologien, die in den IEEE-Normen 802.2 und 802.3 definiert sind. Ethernet unterstützt folgende Datenbandbreiten:

• 10 Mbps
• 100 Mbps
• 1000 Mbps (1 Gbps)
• 10.000 Mbps (10 Gbps)
• 40.000 Mbps (40 Gbps)
• 100.000 Mbps (100 Gbps)

Wie in der folgenden Tabelle gezeigt, definieren Ethernet-Standards sowohl die Layer-2-Protokolle als auch die Layer-1-Technologien.

Data-Link-Sublayers (Sicherungsschicht Subschichten):

Die IEEE 802 LAN/MAN-Protokolle, einschließlich Ethernet, verwenden zum Betrieb die folgenden zwei getrennten Teilschichten der Sicherungsschicht. Es handelt sich um die Logical Link Control (LLC) und die Media Access Control (MAC).

Es sei daran erinnert, dass LLC und MAC die folgenden Rollen in der Sicherungsschicht haben:

LLC-Unterschicht - Diese IEEE-802.2-Unterschicht kommuniziert zwischen der Netzwerksoftware auf den oberen Schichten und der Gerätehardware auf den unteren Schichten. Sie platziert Informationen in den Rahmen, die angeben, welches Protokoll der Netzwerkschicht für den Rahmen verwendet wird. Diese Informationen ermöglichen es mehreren Schicht-3-Protokollen wie IPv4 und IPv6, dieselbe Netzwerkschnittstelle und dasselbe Medium zu verwenden.

MAC-Unterschicht - Diese Unterschicht (z. B. IEEE 802.3, 802.11 oder 802.15) ist in Hardware implementiert und für die Datenkapselung und Medienzugriffskontrolle zuständig. Sie ermöglicht die Adressierung der Sicherungsschicht und ist mit verschiedenen Technologien der Bitübertragungsschicht integriert.

MAC-Subschicht:

Die MAC-Unterschicht ist für die Datenkapselung und den Zugriff auf die Medien verantwortlich.

Kapselung der Daten:

Die IEEE-802.3-Datenkapselung umfasst Folgendes:

• Ethernet-Frame: Dies ist die interne Struktur des Ethernet-Frames.
• Ethernet-Adressierung: Der Ethernet-Frame enthält sowohl eine Quell- als auch eine Ziel-MAC-Adresse, um den Ethernet-Frame von der Ethernet-NIC zur Ethernet-NIC im selben LAN zu liefern.
• Ethernet-Fehlererkennung: Der Ethernet-Frame enthält einen Frame Check Sequence (FCS)-Anhänger, der zur Fehlererkennung dient.
  Zugriff auf die Medien

Die IEEE 802.3 MAC-Subschicht enthält die Spezifikationen für verschiedene Ethernet-Kommunikationsstandards über verschiedene Medientypen, einschließlich Kupfer und Glasfaser.

Erinnern Sie sich daran, dass Legacy-Ethernet mit einer Bustopologie oder Hubs ein gemeinsam genutztes, halb-duplexes Medium ist. Ethernet über ein Halbduplex-Medium verwendet ein konfliktbasiertes Zugriffsverfahren, Carrier Sense Multiple Access/Kollisionserkennung (CSMA/CD). Dadurch wird sichergestellt, dass immer nur ein Gerät gleichzeitig sendet. CSMA/CD ermöglicht mehreren Geräten die gemeinsame Nutzung desselben Halbduplex-Mediums und erkennt eine Kollision, wenn mehr als ein Gerät gleichzeitig versucht, zu übertragen. Es bietet auch einen Back-Off-Algorithmus für die erneute Übertragung.

Heutige Ethernet-LANs verwenden Switches, die im Vollduplex-Modus arbeiten. Vollduplex-Kommunikation mit Ethernet-Switches erfordert keine Zugriffskontrolle durch CSMA/CD.

Ethernet-Rahmen-Felder:

Die minimale Ethernet-Rahmengröße beträgt 64 Byte und die maximale Größe 1518 Byte. Dies umfasst alle Bytes vom Feld der Ziel-MAC-Adresse bis zum Feld der Frame Check Sequence (FCS). Das Präambel-Feld wird bei der Beschreibung der Größe des Frames nicht berücksichtigt.

Jeder Frame mit einer Länge von weniger als 64 Bytes wird als "Kollisionsfragment" oder "Runt Frame" betrachtet und von den Empfangsstationen automatisch verworfen. Frames mit mehr als 1500 Byte Daten werden als "Jumbo"- oder "Baby-Riesen-Frames" betrachtet.

Wenn die Größe eines übertragenen Frames kleiner als das Minimum oder größer als das Maximum ist, verwirft das Empfangsgerät den Frame. Fallengelassene Frames sind wahrscheinlich das Ergebnis von Kollisionen oder anderen unerwünschten Signalen. Sie werden als ungültig betrachtet. Jumbo-Frames werden in der Regel von den meisten Fast Ethernet- und Gigabit Ethernet-Switches und NICs unterstützt.