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Standards der physikalischen Schicht

In Bezug auf die Bitbertragungsschicht - ergo Layer 1 (Physical) haben Sie schon einiges gehrt 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 gehren 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 ausgefhrt, 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 fr diese Hardware von den entsprechenden Organisationen der Elektro- und Nachrichtentechnik definiert werden.

Es gibt viele verschiedene internationale und nationale Organisationen, behrdliche Regierungsorganisationen und private Unternehmen, die an der Festlegung und Aufrechterhaltung von Standards fr die physikalische Schicht beteiligt sind. Beispielsweise werden die Standards fr 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 fr 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 fr Normung (ANSI)

• Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)

            Institut fr 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 Regulierungsbehrden fr Telekommunikation einschlielich der Federal Communication Commission (FCC) in den USA und des Europischen Instituts fr

            Telekommunikationsnormen (ETSI)

Darber hinaus gibt es hufig 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-Gerte, Medien und andere Konnektoren, die die Signale bertragen, die die Bits reprsentieren. 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 Empfnger erkannt werden kann. Mit anderen Worten: Kodierung ist die Methode oder das Muster, das zur Darstellung digitaler Informationen verwendet wird. Dies hnelt 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 bergang von hoher zu niedriger Spannung dar, und ein 1-Bit wird als bergang von niedriger zu hoher Spannung dargestellt.  Der bergang 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 lteren 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 Errterung der Ethernet-Technologie einschlielich einer Erklrung 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, einschlielich Twisted Pair, Glasfaserverbindungen und Koaxialkabel.

Ethernet arbeitet in der Datensicherungsschicht (Data Link Layer) und in der Bitbertragungsschicht (Physical Layer). Es handelt sich um eine Familie von Netzwerktechnologien, die in den IEEE-Normen 802.2 und 802.3 definiert sind. Ethernet untersttzt 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, einschlielich 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 Gertehardware auf den unteren Schichten. Sie platziert Informationen in den Rahmen, die angeben, welches Protokoll der Netzwerkschicht fr den Rahmen verwendet wird. Diese Informationen ermglichen 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 fr die Datenkapselung und Medienzugriffskontrolle zustndig. Sie ermglicht die Adressierung der Sicherungsschicht und ist mit verschiedenen Technologien der Bitbertragungsschicht integriert.

MAC-Subschicht:

Die MAC-Unterschicht ist fr 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 enthlt 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 enthlt einen Frame Check Sequence (FCS)-Anhnger, der zur Fehlererkennung dient.
  Zugriff auf die Medien

Die IEEE 802.3 MAC-Subschicht enthlt die Spezifikationen fr verschiedene Ethernet-Kommunikationsstandards ber verschiedene Medientypen, einschlielich Kupfer und Glasfaser.

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

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-Rahmengre betrgt 64 Byte und die maximale Gre 1518 Byte. Dies umfasst alle Bytes vom Feld der Ziel-MAC-Adresse bis zum Feld der Frame Check Sequence (FCS). Das Prambel-Feld wird bei der Beschreibung der Gre des Frames nicht bercksichtigt.

Jeder Frame mit einer Lnge 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 Gre eines bertragenen Frames kleiner als das Minimum oder grer als das Maximum ist, verwirft das Empfangsgert den Frame. Fallengelassene Frames sind wahrscheinlich das Ergebnis von Kollisionen oder anderen unerwnschten Signalen. Sie werden als ungltig betrachtet. Jumbo-Frames werden in der Regel von den meisten Fast Ethernet- und Gigabit Ethernet-Switches und NICs untersttzt.