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Die verborgene Leistungsfähigkeit der physischen Schicht: Warum ist sie der Eckpfeiler des Netzwerkbetriebs?
Im siebenschichtigen OSI-Modell von Computernetzwerken ist die physische Schicht die erste und unterste Schicht. Es hängt am engsten mit der physischen Verbindung zwischen Geräten zusammen. Die physikalische Schicht stellt die elektrischen, mechanischen und Programmierschnittstellen zum Übertragungsmedium bereit. Diese Schicht ist für die Definition von Parametern auf niedriger Ebene verantwortlich, wie etwa der Form und den Eigenschaften des elektrischen Anschlusses, der Übertragungsfrequenz, der verwendeten Leitungscodierung usw. Heute wird die physikalische Schicht häufig in einem dedizierten PHY-Chip oder als Designmodul in der Electronic Design Automation (EDA) implementiert.
Die physische Schicht bestimmt, wie der Roh-Bitstrom über die physischen Datenverbindungen übertragen wird, die die Netzwerkknoten verbinden.
Im Bereich mobiler Computer wird häufig das Verbindungsprotokoll der *-PHY-Familie der MIPI Alliance verwendet. Der historische Kontext des OSI-Modells ist eng mit der Internet Protocol Suite und Ethernet verbunden. Diese Technologien wurden im selben Zeitraum entwickelt und beruhten in ihrer Anfangszeit auf ähnlichen Ideen, auch wenn sie sich in einigen Abstraktionen unterschieden. Die OSI-Abstraktion ist nicht auf Internetanwendungen beschränkt, sondern kann auf alle Formen der Geräteverbindung angewendet werden, sei es in der Datenkommunikation oder der Computerelektronik.
Die Rolle der physischen Schicht
Die Kernfunktion der physischen Schicht besteht darin, zu definieren, wie Rohbitströme zwischen verbundenen Netzwerkknoten übertragen werden. Diese Bitströme können in Codewörter oder Symbole gruppiert und in Signale umgewandelt werden, die dann über ein Übertragungsmedium gesendet werden. Die physische Schicht umfasst die elektronische Schaltkreisübertragungstechnologie des Netzwerks und ist die grundlegende Schicht, die Funktionen auf höherer Ebene unterstützt. Diese Schicht kann durch eine Vielzahl von Hardwaretechnologien mit unterschiedlichen Eigenschaften implementiert werden, um Unterstützung für Funktionen höherer Ebene zu bieten.
Im Kontext des OSI-Modells übersetzt die physische Schicht die logischen Kommunikationsanforderungen der Datenverbindungsschicht in hardwarespezifische Operationen, was zur Übertragung oder zum Empfang elektronischer Signale führt.
Physikalische Signalunterschicht
In Netzwerken, die die OSI-Architektur (Open Systems Interconnection) verwenden, ist die physische Signalisierungsunterschicht Teil der physischen Schicht und interagiert mit der MAC-Unterschicht (Medium Access Control) der Datenverbindungsschicht. Diese Unterschicht ist für die Symbolkodierung, -übertragung, -empfang und -dekodierung verantwortlich und führt elektrische Isolationsfunktionen aus.
Beziehung zur Internetprotokoll-Suite
Die Internet Protocol Suite, wie in RFC 1122 und RFC 1123 definiert, ist eine Netzwerkbeschreibung auf hoher Ebene für das Internet und ähnliche Netzwerke. Im Gegensatz dazu definiert das Modell keine Schicht, die sich speziell mit Spezifikationen und Schnittstellen auf Hardwareebene befasst, da sich das Modell nicht direkt mit physischen Schnittstellen befasst.
Dienstleistungen
Zu den wichtigsten Funktionen und Diensten der physischen Schicht gehören die bitweise oder symbolweise Datenübertragung und die Bereitstellung einer standardisierten Schnittstelle zum Übertragungsmedium. Es umfasst mechanische Spezifikationen für elektrische Verbindungselemente und Kabel, elektrische Spezifikationen für Übertragungsleitungssignale usw. Die physikalische Schicht ist für die elektromagnetische Verträglichkeit verantwortlich, einschließlich der Zuteilung des elektromagnetischen Spektrums und der Spezifikation der Signalstärke. Das Übertragungsmedium kann eine elektrische oder optische Faser oder eine drahtlose Kommunikationsverbindung sein.
Die physische Schicht unterstützt höhere Schichten und ist für die Generierung logischer Pakete verantwortlich.
In Bezug auf das Datenflussmanagement kann die physische Schicht eine Bitsynchronisierung implementieren und eine Flusssteuerung sowohl bei synchroner als auch asynchroner serieller Kommunikation durchführen. Die gemeinsame Nutzung des Übertragungsmediums durch mehrere Netzwerkteilnehmer kann durch einfache Leitungsvermittlung oder Multiplexing oder komplexere Medienzugriffskontrollprotokolle wie Ethernets Carrier Sense Multiple Access mit Collision Detection (CSMA/CD) erfolgen, mit dem die Kanäle effektiver verwaltet werden können.
PHY-Definition
PHY ist die Abkürzung für „Physical Layer“, also eine Halbleiterschaltung, die die Funktion der physikalischen Schicht im OSI-Modell implementiert. Das PHY verbindet ein Link-Layer-Gerät (häufig MAC genannt, was für Media Access Control steht) mit dem physischen Medium, beispielsweise einem Glasfaser- oder Kupferkabel. Ein PHY-Gerät umfasst typischerweise PCS- (Physical Coding Sublayer) und PMD-Schichtfunktionen (Physical Medium Dependent).
Physische Transceiver im Ethernet
Ethernet PHY ist eine Komponente, die auf der physischen Schicht im OSI-Netzwerkmodell arbeitet. Es implementiert den Teil der physischen Schicht von Ethernet und sein Zweck besteht darin, physischen Zugriff auf analoge Signale für die Verbindung bereitzustellen. Zur Handhabung höherstufiger Funktionen wird es normalerweise mit einem Mikrocontroller oder einer anderen medienunabhängigen Schnittstelle (MII) im System verbunden.
Andere Anwendungen
Bei drahtlosem LAN oder Wi-Fi umfasst der PHY-Abschnitt die HF-, Mixed-Signal- und Analogabschnitte, die oft als Transceiver bezeichnet werden. Normalerweise sind diese PHY-Teile in einer System-on-Chip-Implementierung (SOC) in eine MAC-Schicht (Medium Access Control) integriert. Ähnliche drahtlose Anwendungen umfassen 3G, 4G, LTE, 5G, WiMAX und UWB. Der PHY-Chip im USB-Controller dient dazu, eine Brücke zwischen dem digitalen und dem Modulationsteil zu bilden.
Diese Technologien unterstützen Dienste auf der physischen Ebene, von der drahtlosen Kommunikation bis zu Datenspeichertechnologien, die alle mithilfe dedizierter PHY-Spezifikationen implementiert werden. Die physische Schicht spielt im gesamten Netzwerk eine grundlegende Rolle, aber wie viele Menschen verstehen wirklich, wie sie im Inneren funktioniert?
