Physikalische Schicht (Physical Layer)
Die physische Schicht ist die unterste Schicht des ISO/OSI-Modells. Sie befasst sich mit der Übertragung von Rohdatenbits über ein physisches Medium. Diese Schicht definiert die Hardwarekomponenten und physikalischen Spezifikationen, die für die Übertragung von Daten notwendig sind.
Aufgaben der physischen Schicht
Die physische Schicht hat die Aufgabe, die Rohdatenbits, die aus den höheren Schichten stammen, in physikalische Signale zu konvertieren und diese über ein Medium zu übertragen. Diese Signale können elektrisch, optisch oder in Form von Funkwellen sein. Zu den weiteren Aufgaben gehört die Definition der physikalischen Netzwerktopologie, also wie die Geräte physisch miteinander verbunden sind, und die Festlegung der Spezifikationen der physikalischen Medien und der Netzwerkschnittstellen.
Komponenten der physischen Schicht
Kabeltypen:
- Koaxialkabel: Ein Kabel mit einem Innenleiter, einer Isolierung, einem Schirm und einer Außenhülle. Wird häufig in älteren Netzwerken verwendet.
- Twisted-Pair-Kabel: Besteht aus paarweise verdrillten Kupferdrähten, um elektromagnetische Störungen zu minimieren. Häufig verwendete Typen sind Cat5e, Cat6 und Cat7.
- Glasfaserkabel: Überträgt Daten als Lichtimpulse und bietet hohe Bandbreiten und große Reichweiten.
Steckertypen:
- RJ45: Standardstecker für Twisted-Pair-Kabel in Ethernet-Netzwerken.
- BNC: Bajonettverschlussstecker für Koaxialkabel.
- SC, ST, LC: Verschiedene Steckerarten für Glasfaserkabel.
Netzwerkgeräte:
- Repeater: Verstärkt das Signal, um größere Entfernungen zu überbrücken.
- Hubs: Verteilt das Signal an alle angeschlossenen Geräte, ohne es zu filtern oder zu verstärken.
- Medienkonverter: Wandelt ein Signal von einem Medientyp in einen anderen um, z.B. von Kupfer zu Glasfaser.
Signaltypen:
- Elektrische Signale: Übertragung über Kupferkabel.
- Optische Signale: Übertragung über Glasfaserkabel.
- Funkwellen: Drahtlose Übertragung.
Netzwerktopologien
| Topologie | Beschreibung | Vor- und Nachteile |
|---|---|---|
| Bus-Topologie | Einzelnes Kabel verbindet alle Geräte | + Einfach zu implementieren <br> – Anfällig für Kabelausfälle |
| Ring-Topologie | Geräte sind in einer geschlossenen Schleife verbunden | + Signalverstärkung an jedem Knoten <br> – Ein Ausfall kann das gesamte Netzwerk beeinträchtigen |
| Stern-Topologie | Alle Geräte sind mit einem zentralen Hub oder Switch verbunden | + Einfach zu verwalten und auszubauen <br> – Zentraler Punkt ist ein potenzieller Fehlerpunkt |
| Mesh-Topologie | Jedes Gerät ist mit mehreren anderen Geräten verbunden | + Hohe Redundanz und Ausfallsicherheit <br> – Komplex und teuer |
| Hybrid-Topologie | Kombinationen aus verschiedenen Grundtopologien | + Flexibel und anpassbar an verschiedene Anforderungen <br> – Abhängig von der verwendeten Kombination |
Beispiel einer physischen Schicht: Ethernet
Ethernet ist eine der am häufigsten verwendeten Technologien auf der physischen Schicht. Es definiert sowohl die Kabeltypen und Stecker als auch die Signale und Übertragungsverfahren.
Ethernet-Kabel:
- Twisted-Pair (Cat5e, Cat6, Cat7): Wird in modernen Ethernet-Netzwerken verwendet.
- Glasfaser (Singlemode, Multimode): Für Hochgeschwindigkeits- und Langstreckenverbindungen.
Ethernet-Spezifikationen:
- 10BASE-T: 10 Mbps über Twisted-Pair-Kabel.
- 100BASE-TX: 100 Mbps über Twisted-Pair-Kabel.
- 1000BASE-T: 1 Gbps über Twisted-Pair-Kabel.
- 10GBASE-T: 10 Gbps über Twisted-Pair-Kabel.
- 1000BASE-LX: 1 Gbps über Glasfaser (Langstrecken).
Signalisierung und Übertragungstechniken:
- Manchester-Codierung: Eine Kodierungsmethode, bei der jeder Bit eine Übergangspolarität hat, um eine synchrone Übertragung zu ermöglichen.
- Differenzielle Manchester-Codierung: Ähnlich wie Manchester-Codierung, aber mit zusätzlichen Übergängen, um die Synchronisation zu verbessern.
- Non-Return-to-Zero (NRZ): Eine einfache Codierung, bei der 1 und 0 durch verschiedene Spannungspegel dargestellt werden.