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Standards der physikalischen Schicht

In Bezug auf die Bitübertragungsschicht - ergo Layer 1 (Physical) haben Sie schon einiges gehört 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 gehören 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 ausgeführt, 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 für diese Hardware von den entsprechenden Organisationen der Elektro- und Nachrichtentechnik definiert werden.

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

• Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)

            Institut für 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 Regulierungsbehörden für Telekommunikation einschließlich der Federal Communication Commission (FCC) in den USA und des Europäischen Instituts für

            Telekommunikationsnormen (ETSI)

Darüber hinaus gibt es häufig 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-Geräte, Medien und andere Konnektoren, die die Signale übertragen, die die Bits repräsentieren. 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 Empfänger erkannt werden kann. Mit anderen Worten: Kodierung ist die Methode oder das Muster, das zur Darstellung digitaler Informationen verwendet wird. Dies ähnelt 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 Übergang von hoher zu niedriger Spannung dar, und ein 1-Bit wird als Übergang von niedriger zu hoher Spannung dargestellt.  Der Übergang 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 älteren Ethernet-Standards wie 10BASE-T verwendet. Ethernet 100BASE-TX verwendet 4B/5B-Kodierung und 1000BASE-T verwendet 8B/10B-Kodierung.

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Weshalb Wireless Network Technologies?

Diese Netzwerktechnologie basiert auf der Funktechnik und nutzt somit für die Datenübertragung die Luft als Kanal. Jedoch ist die Annahme bzw. These im Kontext der einzigen Möglichkeit der Datenübertragung in Bezug auf Luft als solche eine irrige und somit falsche. Der pyhsikalischen Grundlage nach ist es eine elektromagnetische Welle, welche wiederum an eine elektrische und magnetische Transversalwelle gekoppelt ist, die im freien Raum bzw. im Raum-Zeit-Kontinuum übertragen wird. Daher können diese elektromagnetische Wellen auch ohne das Medium Luft übertragen werden, wie z. B. im Weltall, ergo im Vakuum. 

Daraus resultiert die Möglichkeit, sich nicht erschlossene Regionen oder Örtlichkeiten ohne die Verlegung von Kabeln kostengünstig zu vernetzen oder diese Technologie theoretisch auch im Weltraum zu benutzen. 

Wir beschränken uns hier jedoch auf den irdischen Teil. 

Wie bei den drahtgebundenen Netzwerken werden auch diese in folgende Segmente unterteilt nach IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers):

PAN (Personal Area Network):

IEEE 802.15.3 UWB (Ultra-Wide Band)=High Speed Wireless PAN; bis zu 1000 Mbit/s

LAN (Local Area Network):

• IEEE 802.11 Wireless LAN, 1997 veröffentlicht, nutzt 2,4 GHz-Frequenz, Reichweite im Haus ca. 20m 
• IEEE 802.11a, 1999 veröffentlicht, nutzt 5 GHz-Frequenz, Reichweite im Haus ca. 35m 
• IEEE 802.11b, 1999 veröffentlicht, nutzt 2,4 GHz-Frequenz, Reichweite im Haus ca. 38
• IEEE 802.11g, 2003 veröffentlicht, nutzt 2,4 GHz-Freqzenz, Reichweite im Haus ca. 38m 
• IEEE 802.11n Wi-Fi (Wireless Fidelity) theoretisch bis zu 600 Mbit/s, 2009 veröffentlicht, nutzt 2,4 GHz sowie 5 GHz Frequenz, ca. 70m
• IEEE 802.11ac, bis zu 6,933 Gbit/s im 5 GHz Band, Standard 802.1n, siehe eins drüber

MAN (Metropolitan Area Network)

• IEEE 802.16 Broadband Wireless Access, Dezember 2001, 10-66 GHz Frequenz, max. bis zu 128 Mbit/s (28-MHz-Kanal), bis zu 75 km 
• IEEE 802.16 WiMAX, Worldwide Interoperability for Microwave Access, für genauere Deklarationen wird ein extra Artikel geschrieben 

WAN (Wide Area Network):

• 5G, von 10 Gbit/s - 20 Gbit/s möglich ab 2020 
• 4G, bis zu 100 Mbit/s
• 3G, bis 384 kbit/s, obsolet, 2020 abgeschalten

Merkmale des WLAN - Wireless Lan

• drahtloses LAN = WLAN = lokale Netzwerke, basierend auf Funk

• Endgeräte benötigen diverse Applikationen 

• über sogeannte AP (Access Points) erfoglt der Zugang

• sind über die OSI Schichten 1 und 2 geregelt, Physical & Data Link, Bitübertragungsschicht sowie Sicherungsschicht

• bei Störungen, die extern auftreten können, existieren im Bezug auf die Funkkanäle Maßnahmen in den Kommunikationsprotokollen

• durch HF-Leistungsbeschränkungen (Hochfrequenztechnik) ist die Reichweite beschränkt 

• gegen Abhörmaßnahmen muss sehr gut und stark verschlüsselt werden z.B. AES-256 bit

• weltweiter Standard

• lizenzfreier Betrieb

• hohes Maß an Flexibilität vorhanden (an jeweilige Gegebenheiten anpassbar) 

• relativ einfache Handhabung/Administration bezüglich der Endgeräte 

Im WLAN nach IEEE 802.11 existieren Einzelspezifikationen, die diversen Anforderungen gerecht werden. 

Grundlagen hierzu sind: 

• BSS (Basic Service Set: Basis-Dienstelement), ein essentielles Architekturelement 

• STA (Station: Station), Mitglied des BSS

• IBSS (Independend BSS: unabhängiges BSS), ist ein BSS, in dem die Kommunikation der STA direkt untereinander stattfindet

• DS (Distribution System: Verteilungssystem), fungiert als Element, um die Verbindung mehrerer BSS untereinander oder dem Zugang zum Festnetz zu ermöglichen 

• AP: (Acces Point: Zugangspunkt), ist der Access zum DS und nutzt das WM (Wireless Medium) sowie das DSM (Distributed System Medium

• ESS: (Extended Service Set: extendierte Dienstelemente), Zusammenführung/schaltung mehrerer BSS über DS

• Portal: es realisiert den Übergang zu einem anderen LAN

Grundlegend wird bei IEEE 802.11 das CSMA/CA-Verfahren (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) genutzt, was der Kollisionsvermeidung dient. 

Im nächsten Artikel befassen wir uns mit dem WLAN-Einsatz sowie der WLAN-Sicherheit, welche unabdingbar und gesetzlich vorgeschrieben, aber auch abgesehen davon, sinnvoll und empfehlenswert ist.