OSI Layer 1 & 2: Data Link Layer, Physikalische Schicht und Medienzugriff

Einführung in die Data Link Layer (Schicht 2)

Schlüsselbegriffe der Data Link Layer

Frame (PDU): Die Protocol Data Unit (PDU) der Data Link Layer.

Knoten: Bezeichnung für Layer-2-Netzwerkgeräte, die ein gemeinsames Medium nutzen.

Physisches Netzwerk vs. Logisches Netzwerk

Netzwerk (Physisch): Zwei oder mehr Knoten, die an ein gemeinsames Medium angeschlossen sind. Die Data Link Layer ist für den Austausch von Frames zwischen den Knoten in einem physischen Netzwerk zuständig.

Ein physisches Netzwerk unterscheidet sich von einem logischen Netzwerk. Logische Netzwerke werden in der Network Layer (Schicht 3) durch hierarchische Adressierung definiert. Physische Netzwerke stellen die Verbindung der Geräte über gängige Medien her. Manchmal wird ein physisches Netzwerk auch als Netzwerksegment bezeichnet.

Unterteilung der Data Link Layer

Logical Link Control (LLC)

Die LLC-Unterschicht fügt dem Frame Steuerungsinformationen hinzu, welche das von der Network Layer verwendete Protokoll identifizieren. Diese Informationen ermöglichen die Nutzung mehrerer Layer-3-Protokolle (wie IP und IPX) über dieselbe Netzwerkschnittstelle und dasselbe Medium.

Media Access Control (MAC)

Die MAC-Unterschicht bietet der Data Link Layer die Steuerung des Medienzugriffs und die Datenabgrenzung (Framing) entsprechend den Signalisierungsanforderungen des Mediums und der Art des verwendeten Link-Layer-Protokolls.

Wichtige Layer-2-Protokolle und Standards

• ISO: HDLC (High-Level Data Link Control)
• IEEE: 802.2 (LLC) / 802.3 (Ethernet) / 802.5 (Token Ring) / 802.11 (Wireless LAN)
• ITU: Q.922 (Frame Relay) / Q.921 (ISDN / HDLC)
• ANSI: ADCP 3T9.5

Medienzugriffsverfahren (Media Access Control)

CSMA/Collision Detection (CSMA/CD)

Bei CSMA/CD überwacht das Gerät das Medium, um die Anwesenheit eines Datensignals zu erkennen. Wenn kein Datensignal vorhanden ist (Medium ist frei), sendet das Gerät Daten. Werden Anzeichen dafür erkannt, dass ein anderes Gerät gleichzeitig gesendet hat (Kollision), beenden alle Geräte die Übertragung und versuchen es später erneut. Traditionelle Ethernet-Formen verwenden diese Methode.

CSMA/Kollisionsvermeidung (CSMA/CA)

Bei CSMA/CA prüft das Gerät das Medium auf die Anwesenheit eines Datensignals. Wenn das Medium frei ist, sendet das Gerät eine Meldung über das Medium, die seine Absicht zur Nutzung ankündigt. Anschließend sendet das Gerät die Daten. Diese Methode wird von 802.11-WLAN-Technologien verwendet.

Die Physikalische Schicht (Schicht 1)

Ziele und Funktionen der Physikalischen Schicht

Das Ziel der Physikalischen Schicht (Layer 1) ist es, die optischen, elektrischen oder Mikrowellensignale zu erzeugen, welche die Bits jedes Frames darstellen.

Kodierung (Coding)

Kodierung ist eine Methode, um einen Datenbitstrom in einen vorgegebenen Code umzuwandeln. Codes sind Gruppen von Bits in einem vorhersagbaren Muster, das sowohl Sender als auch Empfänger erkennen können. Die Verwendung dieser Muster hilft, Daten-Bits von Kontroll-Bits zu unterscheiden und ermöglicht eine bessere Fehlererkennung im Medium.

Signalisierung (Signaling)

Die Physikalische Schicht muss Funksignale, optische oder elektrische Signale erzeugen, um die binären Zustände "1" und "0" im Medium darzustellen. Die Methode zur Darstellung von Bits wird als Signalisierungsmethode bezeichnet. Die Standards der Physikalischen Schicht müssen definieren, welche Art von Signal eine "1" und welche eine "0" darstellt. Dies kann so einfach sein wie eine Änderung der Amplitude eines elektrischen Signals oder ein komplexeres optisches oder elektrisches Verfahren.

Digitale Bandbreite

Die digitale Bandbreite misst die Informationsmenge, die über einen bestimmten Zeitraum von einem Ort zum anderen übertragen werden kann.

Physikalische Übertragungsmedien

Medien / Medium (Physisch): Die physischen Mittel zur Übertragung von Informationen zwischen zwei Knoten. Medien sind Kupferkabel, Glasfaser oder die physische Umgebung, durch die das Signal reist. Hinweis: In diesem Kapitel bezieht sich der Begriff nicht auf digitale Programminhalte wie Audio oder Video.

Kabelgebundene Medien (Twisted Pair & Glasfaser)

Geschirmte Twisted-Pair-Kabel (STP) oder ungeschirmte Twisted-Pair-Kabel (UTP) sind so konzipiert, dass sie Signalverluste durch elektromagnetisches Rauschen minimieren.

Singlemode-Glasfaser

Singlemode-Glasfaser überträgt einen einzigen Lichtstrahl, der typischerweise von einem Laser emittiert wird. Diese Art von Glasfaser kann Impulse über sehr große Entfernungen übertragen, da das Laserlicht in einer Richtung durch das Zentrum der Faser läuft.

Multimode-Glasfaser

Multimode-Glasfaser verwendet oft LED-Strahler, die keine einzelne Welle kohärenten Lichts erzeugen. Stattdessen tritt das LED-Licht unter verschiedenen Winkeln in die Multimode-Faser ein. Dies kann dazu führen, dass die Impulse beim Empfänger unscharf ankommen, da das Licht, das unter verschiedenen Winkeln eintritt, unterschiedliche Zeitspannen benötigt, um die Faser zu durchqueren. Dieser Effekt, bekannt als Modendispersion, begrenzt die Segmentlänge von Multimode-Fasern.

Drahtlose Medien (Wireless Media)

Drahtlose Medien übertragen elektromagnetische Signale über Funk- und Mikrowellenfrequenzen, um die binären Ziffern der Datenkommunikation darzustellen. Als Netzwerkmedium ist das drahtlose System nicht durch Kabelkanäle oder physische Leitungen begrenzt, wie es bei Glasfaser oder Kupfer der Fall ist.

Wichtige IEEE-Standards für LANs und WLANs

Historie und IEEE 802.3 (Ethernet)

Die erste LAN-Technologie (Local Area Network) war die ursprüngliche Version von Ethernet, entwickelt von Robert Metcalfe und seinen Kollegen bei Xerox. Der erste Ethernet-Standard wurde von einem Konsortium aus Digital Equipment Corporation, Intel und Xerox (DIX) veröffentlicht. Metcalfe wollte Ethernet als offenen Standard etablieren, von dem alle profitieren konnten. Die ersten Produkte, die Ethernet-fähig waren, wurden in den frühen 1980er Jahren verkauft.

Im Jahr 1985 veröffentlichte das Normungskomitee für lokale und städtische Netze des Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) Standards für LANs, die mit der Nummer 802 beginnen. Der Ethernet-Standard ist 802.3. Um die Kompatibilität mit dem OSI-Modell der International Organization for Standardization (ISO) zu gewährleisten, mussten die IEEE 802.3-Standards die Anforderungen von Layer 1 und den unteren Teilen von Layer 2 des OSI-Modells abdecken. Daher wurden einige kleinere Änderungen am ursprünglichen Ethernet-Standard vorgenommen, um 802.3 zu schaffen.

Drahtlose Standards

• IEEE 802.11 (Wi-Fi): Eine drahtlose LAN-Technologie (WLAN), die ein nicht-deterministisches System mit einem Medienzugriffsverfahren (Multiple Access with Carrier Detect / Collision Avoidance, CSMA/CA) verwendet.
• IEEE 802.15 (Bluetooth): Ein Wireless Personal Area Network (WPAN)-Standard, der einen Pairing-Prozess nutzt, um Geräte über eine Entfernung von 1 bis 100 Metern zu verbinden.
• IEEE 802.16 (WiMAX): Allgemein bekannt als Worldwide Interoperability for Microwave Access, verwendet eine Punkt-zu-Mehrpunkt-Topologie, um drahtlosen Breitbandzugang zu bieten.
• Global System for Mobile communications (GSM): Enthält Physical-Layer-Spezifikationen, die die Implementierung des General Packet Radio Service (GPRS) ermöglichen, um Layer-2-Datenübertragung über Mobilfunknetze bereitzustellen.

Datenkapselung und Frame-Verarbeitung

Funktionen der Datenkapselung

Der Prozess der Datenkapselung beinhaltet den Aufbau des Frames vor der Übertragung und die Analyse des Frames zum Zeitpunkt des Empfangs. Die Kapselung bietet drei Hauptfunktionen:

1. Adressierung
2. Frame-Abgrenzung
3. Fehlererkennung

Beim Erstellen eines Frames fügt die MAC-Schicht einen Header und einen Trailer zur PDU der Layer 3 hinzu. Die Verwendung von Frames erleichtert die Übertragung der Bits, da sie im Medium platziert werden, und die Gruppierung der Bits im Empfängerknoten. Der Framing-Prozess liefert wichtige Ankerpunkte, die verwendet werden, um eine Gruppe von Bits zu identifizieren, die einen Frame bilden. Dieser Prozess sorgt für die Synchronisation zwischen dem Sender- und dem Empfängerknoten.

Der Kapselungsprozess ermöglicht auch das Routing der Data Link Layer. Jeder Ethernet-Frame-Header enthält die physische Adresse (MAC-Adresse), damit der Frame an einen Zielknoten gesendet werden kann. Eine zusätzliche Funktion der Datenkapselung ist die Fehlererkennung. Jeder Ethernet-Frame enthält einen Trailer mit einer zyklischen Redundanzprüfung (CRC) des Frame-Inhalts. Sobald ein Frame empfangen wird, erstellt der empfangende Knoten eine CRC zur Überprüfung. Wenn diese beiden CRC-Berechnungen übereinstimmen, kann davon ausgegangen werden, dass der Frame fehlerfrei empfangen wurde.

LLC-Implementierung und NIC-Treiber

Die LLC-Unterschicht empfängt Daten von der Network Layer (typischerweise ein IPv4-Paket) und fügt Steuerungsinformationen hinzu, um das Paket an den Zielknoten zu übermitteln. Layer 2 ermöglicht die Kommunikation mit den oberen Schichten über die LLC. Die LLC wird in Software implementiert, wobei die Implementierung von der Hardware abhängt. Auf einem Computer kann die LLC als Teil der Steuerung der Netzwerkschnittstellenkarte (NIC) betrachtet werden. Der NIC-Treiber ist ein Programm, das direkt mit der Hardware der Netzwerkkarte interagiert, um Daten zwischen dem Medium und der MAC-Unterschicht weiterzuleiten.

MAC-Steuerung und Frame-Platzierung

Die MAC-Unterschicht steuert die Platzierung von Frames im Medium und die Entnahme der Frames aus dem Medium. Sie ist für die Verwaltung des Medienzugriffs verantwortlich. Dies beinhaltet den Beginn der Frame-Übertragung und die Wiederherstellung nach Übertragungsfehlern aufgrund von Kollisionen.