4 Layer 1 - Die Physikalische Schicht

4.1 Einführung: Die Basis aller Netzwerkkommunikation

Layer 1, die physikalische Schicht, bildet das Fundament jeder Netzwerkverbindung. Diese Ebene sorgt für die tatsächliche Übertragung der Bits - der kleinsten Informationseinheiten in der digitalen Welt - von einem Gerät zum anderen. Ohne eine funktionierende physikalische Schicht ist keine Kommunikation zwischen Netzwerkgeräten möglich.

4.2 Was passiert auf Layer 1?

Auf Layer 1 erfolgt die tatsächliche physische Übertragung der Daten. Hier werden die Bits in Signale umgewandelt, die über verschiedene Übertragungsmedien gesendet werden können:

• Bei Kupferkabeln: Elektrische Signale
• Bei Glasfaserkabeln: Lichtsignale
• Bei WLAN: Elektromagnetische Funkwellen

Die physikalische Schicht definiert somit die elektrischen, mechanischen und funktionalen Spezifikationen für die Aktivierung, Aufrechterhaltung und Deaktivierung einer physischen Verbindung zwischen Netzwerkgeräten.

4.3 Die Hauptaufgaben von Layer 1

4.3.1 Beim Sender:

1. Bit-Stream-Erzeugung: Umwandlung der Daten in eine Reihe von Bits (1en und 0en)
2. Codierung: Festlegung, wie 1en und 0en dargestellt werden (z.B. Manchester-Codierung, NRZ)
3. Modulation: Umwandlung der codierten Bits in physikalische Signale
4. Signalerzeugung: Übertragung dieser Signale auf das Medium

4.3.2 Beim Empfänger:

1. Signalerkennung: Erfassung der ankommenden Signale
2. Demodulation: Rückgewinnung der codierten Bits aus den Signalen
3. Decodierung: Interpretation der Signale als Bits
4. Bit-Stream-Rekonstruktion: Wiederherstellung des ursprünglichen Bit-Streams

4.4 Übertragungsmedien in der Netzwerktechnik

Die physikalische Schicht definiert die Eigenschaften der Übertragungsmedien, die für Netzwerkverbindungen verwendet werden:

4.4.1 Übertragungsmedien und Geschwindigkeiten

Für die Datenübertragung werden verschiedene physische Medien verwendet:

• Twisted-Pair-Kabel (mit RJ45-Steckern)
  • Cat 5e: bis zu 1 Gbit/s
  • Cat 6/6a: bis zu 10 Gbit/s
  • Cat 7/8: bis zu 40 Gbit/s
• Glasfaser: 1 Gbit/s bis 100 Gbit/s und mehr
• Koaxialkabel: In älteren Installationen, heute selten

4.4.2 Twisted-Pair-Kabel: Technische Eigenschaften

Twisted-Pair-Kabel enthalten acht Drähte, die zu vier Paaren verdrillt sind. Die Verdrillung reduziert elektromagnetische Störungen durch Übersprechen zwischen Adernpaaren. Unterschiedliche Kabeltypen:

• UTP (Unshielded Twisted Pair): Ohne zusätzliche Abschirmung
• STP (Shielded Twisted Pair): Mit Abschirmung gegen elektromagnetische Interferenzen
• F/UTP: Folienschirm um alle Adernpaare
• S/FTP: Geflechtschirm um das gesamte Kabel und Folienschirm um die einzelnen Paare

4.5 Codierungsverfahren: Wie werden Bits zu Signalen?

Ein wichtiger Aspekt von Layer 1 ist, wie die Bits (1 und 0) tatsächlich als physikalische Signale dargestellt werden:

4.5.1 NRZ (Non-Return-to-Zero)

• 1: hohe Spannung
• 0: niedrige Spannung
• Vorteil: Einfach
• Nachteil: Bei vielen gleichen Bits hintereinander (z.B. 0000000) verliert der Empfänger die Synchronisation

4.5.2 Manchester-Codierung

• 1: Übergang von niedrig nach hoch in der Mitte des Bit-Intervalls
• 0: Übergang von hoch nach niedrig in der Mitte des Bit-Intervalls
• Vorteil: Enthält ein Taktsignal, ermöglicht Synchronisation
• Nachteil: Benötigt doppelte Bandbreite

Bei der Manchester-Codierung ist nicht nur die Präsenz des Signals relevant, sondern auch der Signalwechsel innerhalb eines definierten Zeitraums, was die Taktsynchronisation sicherstellt.

4.6 Kollisionserkennung und -vermeidung

In Ethernet-Netzwerken können Probleme auftreten, wenn zwei Geräte gleichzeitig senden. Layer 1 spielt eine wichtige Rolle bei der Erkennung und Vermeidung solcher Kollisionen:

4.6.1 CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection)

• Gerät prüft, ob das Medium frei ist (Carrier Sense)
• Wenn ja, beginnt es zu senden
• Wenn eine Kollision erkannt wird, senden beide Geräte ein Jam-Signal
• Danach warten beide für eine zufällige Zeit und versuchen es erneut

4.6.2 CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)

• Wird hauptsächlich in WLAN-Netzwerken verwendet
• Versucht, Kollisionen von vornherein zu vermeiden
• Geräte senden eine Ankündigung, bevor sie tatsächlich Daten übertragen

4.7 Praxistipps für die IT-Fehlersuche

4.7.1 Schnelle Fehlersuche bei Netzwerkproblemen auf Layer 1:

1. Ist das Kabel angeschlossen? Klingt banal, ist aber häufig das Problem!
2. Leuchten die Link-LEDs am Switch und an der Netzwerkkarte? Wenn nicht, deutet das auf ein physisches Verbindungsproblem hin.
3. Gibt es Beschädigungen am Kabel? Sichtbare Brüche oder Knicke können die Signalqualität beeinträchtigen.
4. Richtige Kabelkategorie: Für höhere Geschwindigkeiten werden entsprechende Kabelkategorien benötigt (Cat 5e für Gigabit, Cat 6 für 10 Gigabit).

4.8 Die wichtigsten Fakten

• Layer 1 ist für die physische Übertragung der Bits verantwortlich
• Wichtige Komponenten: Kabel, Stecker, Hubs, Repeater
• Codierungsverfahren wie NRZ und Manchester bestimmen, wie Bits als Signale dargestellt werden
• Bitübertragungssynchronisation erfolgt durch spezielle Signalmuster wie Preambles
• Kollisionsvermeidung wird durch Protokolle wie CSMA/CD und CSMA/CA realisiert

Wichtig: Bei Netzwerkproblemen ist es effizient, von unten nach oben vorzugehen - Layer 1 bildet das Fundament. Wenn die physische Verbindung nicht funktioniert, können die höheren Schichten noch so perfekt konfiguriert sein - es wird nichts funktionieren!