Die Physikalische Schicht (OSI Modell): Funktionen & Beispiele
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Die Physikalische Schicht (OSI Modell): Kernfunktionen
Die Physikalische Schicht ist verantwortlich für alle physikalischen, elektrischen, funktionalen und prozessualen Aspekte der Netzwerkelemente. Ihre Hauptaufgabe ist die Transformation von Bitströmen (von der Sicherungsschicht) in physikalische Signale und umgekehrt, um die Datenübertragung zwischen zwei Hosts über ein physikalisches Medium zu ermöglichen.
Dazu gehören Komponenten wie:
- Kabel und Stecker zwischen Netzwerkgeräten
- Netzwerkgeräte selbst (die auf der Ebene elektrischer Impulse und Signale arbeiten)
- Repeater, Hubs, Modems
- Netzwerkkarten
Hauptaufgaben und Verantwortlichkeiten
Die Physikalische Schicht ist zuständig für:
- Signalisierung: Die Transformation von Daten in physikalische Signale.
- Signaltypen: Festlegung der Art der Signale (z.B. elektrische Impulse, Lichtwellen, Funkwellen).
- Pulsdauer und Modulation: Definition von Eigenschaften der Signale, wie Pulsdauer und Modulationsverfahren, falls erforderlich.
Sie definiert außerdem die verwendeten Übertragungsmedien, die Verkabelung und die Anschlüsse. Dies umfasst die Art und Weise, wie Geräte über Kabel verbunden werden, die Kompatibilität zwischen verschiedenen Anschlusstypen und die Belegung der einzelnen Pins dieser Anschlüsse.
Des Weiteren sorgt sie für die Re-Synchronisierung und Verstärkung von Signalen auf ihrem Weg durch das Medium, um die Auswirkungen von Dämpfung und Rauschen zu minimieren.
Schritt-für-Schritt-Beispiel: Datenübertragung (Schicht 1)
Bitstrom-Umwandlung und Codierung
Die von der Sicherungsschicht (Link Layer) bereitgestellten Datenmuster werden zu „Bitströmen“ zusammengefasst – Sequenzen von Nullen und Einsen, die alle notwendigen Informationen für die Host-Kommunikation enthalten. Diese Bitströme müssen in für die Geräte der Physikalischen Schicht (Schicht 1) erkennbare Muster umgewandelt (codiert) werden, damit sie am Zielort verstanden werden können. Die Codierung fügt Steuerinformationen am Anfang und Ende jedes Bitrahmens hinzu. Sobald die Frames korrekt codiert sind, werden die Bitsequenzen in physikalische Signale transformiert. Dieser Prozess, oft als Bit-Signalverarbeitung bezeichnet, legt fest, wie die reinen Bits in der physikalischen Umgebung dargestellt werden.
Die Physikalische Schicht sendet die Bits nacheinander als Signal in das Übertragungsmedium. Die Geräte der Schicht 1 am Zielort sind dann für die Dekodierung verantwortlich.
Signalübertragung und Anschlussdefinition
Die Signale werden über die Verkabelung übertragen. Dies erfordert spezifische Elemente zwischen den Kabeln und den Netzwerkkomponenten (z.B. Netzwerkkarten oder Modems). Die Physikalische Schicht definiert die verwendeten Stecker (z.B. RJ-45 Stecker und Buchsen, BNC Stecker und Buchsen) sowie deren Kompatibilität untereinander.
Anpassung an unterschiedliche Medien (Transceiver)
Wenn das Signal verschiedene Zwischennetzwerke mit unterschiedlichen physikalischen Topologien durchläuft, kann es notwendig sein, die Signalart anzupassen. Hierfür werden „Transceiver“ eingesetzt, die beispielsweise elektrische Impulse in Lichtsignale oder Funkwellen umwandeln können, um die Übertragung über verschiedene Medien zu ermöglichen.
Signalverstärkung und Re-Synchronisierung
Die Länge des physikalischen Übertragungsweges muss berücksichtigt werden. Über bestimmte Distanzen hinaus ist es notwendig, das Signal zu verstärken und zu re-synchronisieren (z.B. durch Repeater, Switches oder aktive Hubs), um die Auswirkungen von Dämpfung und Rauschen zu reduzieren. Ohne diese Maßnahmen würde das Signal irgendwann unverständlich werden oder sein Ziel nicht erreichen.
Dekodierung am Zielhost
Sobald die Signale den Zielhost erreichen, wird der Codierungsprozess umgekehrt. Die empfangenen Signale werden von der Physikalischen Schicht dekodiert und wieder in Bitströme umgewandelt, die dann dem Protokoll-Stack zur weiteren Verarbeitung übergeben werden, um die ursprüngliche Nachricht wiederherzustellen.