4.6 Merksätze und Prüfungswissen zu OSI-Schicht 1 Diese Seite fasst die wichtigsten Inhalte zur OSI-Schicht 1 zusammen. OSI-Schicht 1 heißt: Bitübertragungsschicht Sie ist die unterste offizielle Schicht des OSI-Modells. Ihre Hauptaufgabe ist: Bits als physische Signale übertragen. Wichtig: Schicht 1 kennt keine IP-Adressen, keine MAC-Adressen, keine Ports und keine Anwendungen. Grundidee von Schicht 1 Schicht 1 beschäftigt sich mit der physischen Übertragung. Dabei geht es um: - Bits - Signale - elektrische Übertragung - optische Übertragung - Funkübertragung - Signalpegel - Taktung - Synchronisation - Geschwindigkeit - Duplex - physische Schnittstellen - Link-Status Merksatz: Schicht 1 = Bits und Signale. Offizielle Einordnung im OSI-Modell OSI-Schicht Name Kurzaufgabe 7 Anwendungsschicht Netzwerkdienste für Anwendungen 6 Darstellungsschicht Daten darstellen, codieren, verschlüsseln 5 Sitzungsschicht Sitzungen verwalten 4 Transportschicht Ende-zu-Ende-Transport 3 Vermittlungsschicht IP-Adressierung und Routing 2 Sicherungsschicht Frames und MAC-Adressen 1 Bitübertragungsschicht Bits als Signale übertragen Wichtig: Schicht 1 ist die unterste offizielle OSI-Schicht. Schicht 0 und Schicht 1 unterscheiden In unserem Lernsystem wurde vorher Schicht 0 als Lernhilfe verwendet. Schicht 0 ist nicht offiziell im OSI-Modell. Bereich Bedeutung Schicht 0 Übertragungsmedien und Verkabelung Schicht 1 Bitübertragung über Signale Beispiel: Twisted-Pair-Kabel = Schicht 0 / Medium elektrische Signalübertragung = Schicht 1 Glasfaser = Schicht 0 / Medium Lichtsignal = Schicht 1 Merksatz: Schicht 0 = worüber übertragen wird. Schicht 1 = wie Bits übertragen werden. Bit und Signal Begriff Bedeutung Bit kleinste Informationseinheit, 0 oder 1 Signal physische Darstellung eines Bits oder einer Bitfolge Ein Bit ist logisch. Ein Signal ist physisch. Beispiel: Bitfolge: 1 0 1 1 Diese Bitfolge muss auf dem Medium als Signal dargestellt werden. Merksatz: Bits sind logisch. Signale sind physisch. Signalarten Je nach Medium gibt es unterschiedliche Signalarten. Medium Signalart Kupferkabel elektrische Signale Lichtwellenleiter optische Signale WLAN elektromagnetische Funksignale Merksätze: Kupfer = elektrisch. Glasfaser = optisch. WLAN = Funk. Elektrische Übertragung Elektrische Übertragung findet über Kupfer statt. Typische Medien: - Twisted-Pair-Kabel - Koaxialkabel Typische Einflussfaktoren: - Kabellänge - Kabelqualität - Schirmung - Steckverbindungen - elektromagnetische Störungen - Dämpfung Merksatz: Kupfer überträgt Bits als elektrische Signale. Optische Übertragung Optische Übertragung findet über Lichtwellenleiter statt. Andere Bezeichnungen: - LWL - Glasfaser - Fiber Typische Einflussfaktoren: - Faserart - Wellenlänge - SFP-Modul - Steckverbindungen - Verschmutzung - Dämpfung - Biegeradius - TX/RX Wichtig: Niemals direkt in Glasfaser oder optische Ports schauen. Merksatz: Glasfaser überträgt Bits als Lichtsignale. Funkübertragung Funkübertragung findet bei WLAN statt. Typische Frequenzbereiche: - 2,4 GHz - 5 GHz - 6 GHz Typische Einflussfaktoren: - Entfernung - Wände - Decken - Störungen - Kanalbelegung - Signalstärke - Access-Point-Position - Anzahl der Clients Merksatz: WLAN überträgt Bits per Funk. Codierung Codierung bedeutet: Bits werden nach einer festgelegten Regel als Signale dargestellt. Vereinfacht: Bit 0 = bestimmter Signalzustand Bit 1 = anderer Signalzustand In echten Netzwerken sind die Verfahren komplexer. Für die Prüfung reicht: Schicht 1 legt fest, wie Bits physisch übertragen werden. Merksatz: Codierung macht Bits auf dem Medium übertragbar. Modulation Modulation bedeutet: Information wird auf ein Signal aufgeprägt. Besonders wichtig ist Modulation bei Funktechnik. Eigenschaften eines Signals können verändert werden, zum Beispiel: - Amplitude - Frequenz - Phase Merksatz: Modulation = Information auf ein Signal aufprägen. Taktung und Synchronisation Sender und Empfänger müssen zeitlich zusammenpassen. Der Empfänger muss erkennen: Wann beginnt ein Bit? Wann endet ein Bit? Wann soll das Signal ausgewertet werden? Dazu dienen: - Taktung - Synchronisation Merksatz: Synchronisation sorgt dafür, dass Sender und Empfänger die Bitfolge gleich verstehen. Bitrate und Baudrate Begriff Bedeutung Bitrate übertragene Bits pro Sekunde Baudrate übertragene Symbole pro Sekunde Wichtig: Bitrate und Baudrate sind nicht immer dasselbe. Ein Symbol kann je nach Verfahren ein oder mehrere Bits darstellen. Merksatz: Bitrate = Bits pro Sekunde. Baudrate = Symbole pro Sekunde. Bandbreite, Durchsatz und Latenz Diese Begriffe werden oft verwechselt. Begriff Bedeutung Bandbreite theoretische oder mögliche Übertragungskapazität Durchsatz tatsächlich erreichte Datenrate Latenz Verzögerungszeit Jitter Schwankung der Verzögerung Prüfungsfalle: Bandbreite ist nicht automatisch Durchsatz. Merksätze: Bandbreite = möglich. Durchsatz = tatsächlich erreicht. Latenz = Verzögerung. Jitter = schwankende Verzögerung. Dämpfung und Signalqualität Dämpfung bedeutet: Ein Signal wird schwächer. Signalqualität beschreibt: wie gut ein Signal beim Empfänger ankommt. Typische Ursachen schlechter Signalqualität: - zu lange Strecke - defektes Kabel - schlechte Steckverbindung - Störungen - Rauschen - Verschmutzung bei LWL - falsches SFP-Modul - schwaches WLAN-Signal Merksatz: Dämpfung = Signalverlust. SNR SNR steht für: Signal-to-Noise Ratio Auf Deutsch: Signal-Rausch-Abstand Ein hoher SNR-Wert bedeutet: Das Nutzsignal ist deutlich stärker als das Störsignal. Ein niedriger SNR-Wert bedeutet: Das Nutzsignal ist schwerer vom Rauschen zu unterscheiden. Merksatz: Hoher SNR = bessere Signalqualität. Bitfehler und Bitfehlerrate Ein Bitfehler entsteht, wenn ein Bit falsch erkannt wird. Beispiel: gesendet: 1 empfangen: 0 Die Bitfehlerrate beschreibt, wie viele Bits fehlerhaft übertragen werden. Abkürzung: BER BER steht für: Bit Error Rate Merksatz: BER = Anteil fehlerhafter Bits. Simplex, Halbduplex und Vollduplex Modus Bedeutung Beispiel Simplex nur eine Richtung Radio Halbduplex beide Richtungen, aber abwechselnd Walkie-Talkie Vollduplex beide Richtungen gleichzeitig Telefonat Prüfungstauglich: Simplex = eine Richtung. Halbduplex = abwechselnd. Vollduplex = gleichzeitig. Merksatz: Vollduplex ist bei modernen Switch-Verbindungen üblich. Auto-Negotiation Auto-Negotiation bedeutet: Zwei Netzwerkgeräte handeln automatisch Verbindungseigenschaften aus. Dazu gehören zum Beispiel: - Geschwindigkeit - Duplexmodus - unterstützte Betriebsarten Beispiel: PC und Switch einigen sich auf 1 Gbit/s Vollduplex. Wichtig: Beide Seiten müssen die Betriebsart unterstützen. Merksatz: Auto-Negotiation = automatische Aushandlung der Verbindung. Link und Link-LED Ein Link ist eine aktive physische Verbindung. Die Link-LED zeigt häufig an, ob eine Verbindung erkannt wurde. Typische Bedeutung: Anzeige Bedeutung LED aus kein Link LED an Link vorhanden LED blinkt Aktivität andere Farbe oft andere Geschwindigkeit Wichtig: Link vorhanden bedeutet nicht automatisch, dass IP oder DNS funktionieren. Merksatz: Link = physische Verbindung, nicht vollständige Netzwerkfunktion. Hub Ein Hub ist ein altes Schicht-1-Gerät. Ein Hub arbeitet so: Signal kommt an einem Port an. Hub verteilt das Signal an alle anderen Ports. Ein Hub prüft nicht: - MAC-Adresse - IP-Adresse - VLAN - TCP-Port - Anwendung Merksatz: Hub = Schicht 1, verteilt Signale an alle Ports. Repeater Ein Repeater arbeitet auf Schicht 1. Aufgabe: Signal aufnehmen, neu aufbereiten, weitergeben. Ein Repeater hilft gegen Signalabschwächung. Er trifft aber keine logischen Weiterleitungsentscheidungen. Merksatz: Repeater = Signal regenerieren. Medienkonverter Ein Medienkonverter verbindet unterschiedliche Übertragungsmedien. Typisches Beispiel: Kupfer Ethernet ↔ Glasfaser Ethernet Er wandelt zum Beispiel: elektrisches Signal ↔ optisches Signal Wichtig: Ein Medienkonverter ändert normalerweise keine IP-Adresse. Merksatz: Medienkonverter = Medium wandeln, nicht IP-Adresse ändern. SFP-Modul SFP steht für: Small Form-factor Pluggable Ein SFP-Modul ist ein steckbares Netzwerkmodul. Es stellt eine physische Schnittstelle bereit. Beispiele: - Multimode-LWL - Singlemode-LWL - RJ45-Kupfer - DAC - AOC Merksatz: SFP = steckbare physische Netzwerkschnittstelle. SFP-Port und SFP-Modul Nicht verwechseln: Begriff Bedeutung SFP-Port Steckplatz am Gerät SFP-Modul eingesteckte physische Schnittstelle Prüfungsfalle: Ein SFP-Port allein ist noch keine Glasfaserverbindung. Merksatz: SFP-Port = Steckplatz. SFP-Modul = Schnittstelle. Kollisionen Eine Kollision entsteht, wenn mehrere Geräte gleichzeitig auf einem gemeinsamen Medium senden. Das war besonders relevant bei: - Koaxial-Ethernet - Hubs - Halbduplex-Ethernet Bei modernen Switch-Verbindungen mit Vollduplex spielen klassische Kollisionen praktisch keine Rolle mehr. Merksatz: Kollision = gleichzeitiges Senden auf gemeinsamem Medium. Kollisionsdomäne Eine Kollisionsdomäne ist ein Bereich, in dem Kollisionen auftreten können. Bei einem Hub: alle Ports in einer gemeinsamen Kollisionsdomäne Bei einem Switch: normalerweise jeder Port eigene Kollisionsdomäne Merksatz: Hub = eine Kollisionsdomäne. Switch = getrennte Kollisionsbereiche pro Port. CSMA/CD und CSMA/CA Verfahren Bedeutung Einsatz CSMA/CD Collision Detection älteres kabelgebundenes Ethernet CSMA/CA Collision Avoidance WLAN CSMA/CD bedeutet: Kollisionserkennung CSMA/CA bedeutet: Kollisionsvermeidung Merksatz: CD = Detection. CA = Avoidance. Typische Schicht-1-Geräte und Komponenten Gerät / Komponente Schicht-1-Bezug Netzwerkkarte sendet und empfängt Signale Hub verteilt Signale Repeater regeneriert Signale Medienkonverter wandelt Übertragungsmedium SFP-Modul stellt physische Schnittstelle bereit Kabel physisches Medium Stecker physische Verbindung Antenne Funkübertragung Access Point Funk auf Schicht 1, WLAN-Zugriff auf Schicht 2 Switch-Port physischer Anschluss auf Schicht 1 Wichtig: Ein Gerät kann mehrere Schichten betreffen. Die betrachtete Funktion entscheidet über die Schicht. Gerätezuordnung für die Prüfung Gerät typische Hauptschicht Hub Schicht 1 Repeater Schicht 1 Medienkonverter Schicht 1 Switch Schicht 2 Bridge Schicht 2 Router Schicht 3 Layer-3-Switch Schicht 2 und 3 Firewall je nach Funktion Schicht 3, 4 oder 7 Access Point Schicht 1 und 2 Merksatz: Hub = Schicht 1. Switch = Schicht 2. Router = Schicht 3. Was Schicht 1 nicht macht Schicht 1 macht nicht: - MAC-Adressen auswerten - Ethernet-Frames gezielt weiterleiten - VLANs trennen - IP-Adressen verwalten - Routing durchführen - TCP- oder UDP-Ports auswerten - DNS-Namen auflösen - Webseiten bereitstellen - Benutzer authentifizieren Merksatz: Schicht 1 kennt keine logischen Adressen und keine Dienste. Typische Schicht-1-Fehler Typische Fehler: - kein Link - Link flapping - Kabel defekt - Stecker beschädigt - falsches SFP-Modul - TX/RX bei LWL vertauscht - WLAN-Signal zu schwach - falsche Geschwindigkeit - Duplex-Mismatch - zu hohe Dämpfung - schlechte Signalqualität - Stromversorgung fehlt Merksatz: Schicht-1-Fehler sind physische Verbindungsfehler. Fehlerbild: Kein Link Kein Link bedeutet: keine aktive physische Verbindung. Mögliche Ursachen: - Kabel nicht gesteckt - falscher Port - defektes Kabel - defekter Switch-Port - Netzwerkkarte deaktiviert - falsches SFP-Modul - TX/RX vertauscht - kein Strom Merksatz: Kein Link = zuerst Schicht 1 prüfen. Fehlerbild: Nur 100 Mbit/s statt 1 Gbit/s Mögliche Ursachen: - nur 4 Adern verbunden - Kabel defekt - Dose falsch aufgelegt - Patchfeldproblem - altes Gerät - schlechter Port - schlechte Signalqualität Wichtig: 1000BASE-T benötigt alle 8 Adern. Merksatz: Gigabit über Twisted Pair braucht alle 8 Adern. Fehlerbild: CRC- oder FCS-Fehler CRC- und FCS-Fehler werden auf Schicht 2 erkannt. Die Ursache liegt aber oft auf Schicht 1. Mögliche Ursachen: - schlechtes Kabel - Störungen - schlechte Steckverbindung - zu lange Strecke - Duplex-Probleme - schlechte Glasfaserstrecke Merksatz: Schicht 2 erkennt den Fehler, Schicht 1 verursacht ihn oft. Schicht-1-Fehlersuche Sinnvolle Reihenfolge: 1. Strom prüfen 2. Kabel prüfen 3. Stecker prüfen 4. Link-LED prüfen 5. Port prüfen 6. Geschwindigkeit prüfen 7. Duplex prüfen 8. Fehlerzähler prüfen 9. SFP / LWL prüfen 10. WLAN-Signal prüfen Danach: MAC, VLAN, IP, DNS, Anwendung Merksatz: Erst physisch, dann logisch. Typische Werkzeuge Werkzeug Einsatz Sichtprüfung Kabel, Stecker, LEDs prüfen Kabeltester Adern und Durchgang prüfen Switch-Port-Status Link, Speed, Duplex, Fehler prüfen Betriebssystemanzeige Adapterstatus und Link-Speed prüfen WLAN-Analyzer Signal, Kanal und Störungen prüfen optischer Leistungsmesser LWL-Signal prüfen LWL-Reinigungswerkzeug Glasfaserstecker reinigen Merksatz: Gute Fehlersuche kombiniert Prüfen, Messen und Eingrenzen. Schicht-1-Fehler und höhere Symptome Schicht-1-Fehler können sich wie höhere Netzwerkprobleme anfühlen. Symptom mögliche Schicht-1-Ursache Webseite langsam Paketverluste durch schlechte Verbindung VPN bricht ab Link flapping VoIP klingt schlecht Jitter durch instabile Verbindung Dateiübertragung langsam schlechte Signalqualität Server nicht erreichbar kein Link WLAN langsam schwaches Signal oder Störungen Merksatz: Probleme oben können unten verursacht werden. Prüfungswissen: wichtigste Zuordnungen Begriff richtige Einordnung Bit Schicht 1 Signal Schicht 1 Link Schicht 1 Hub Schicht 1 Repeater Schicht 1 Medienkonverter Schicht 1 SFP-Modul Schicht 1 MAC-Adresse Schicht 2 Ethernet-Frame Schicht 2 VLAN Schicht 2 IP-Adresse Schicht 3 Routing Schicht 3 TCP-Port Schicht 4 DNS Schicht 7 Merksatz: Signal = Schicht 1. MAC = Schicht 2. IP = Schicht 3. Port = Schicht 4. Typische IHK-Fragen In AP1 und AP2 kann zum Beispiel gefragt werden: - Welche Aufgabe hat die Bitübertragungsschicht? - Was wird auf Schicht 1 übertragen? - Was ist der Unterschied zwischen Bit und Signal? - Welche Signalarten gibt es? - Was macht ein Hub? - Was macht ein Repeater? - Was macht ein Medienkonverter? - Was ist ein SFP-Modul? - Was bedeutet Auto-Negotiation? - Was bedeutet Simplex, Halbduplex und Vollduplex? - Was ist eine Kollision? - Was ist eine Kollisionsdomäne? - Was bedeutet CSMA/CD? - Was bedeutet CSMA/CA? - Welche Fehler gehören zu Schicht 1? - Warum prüft man bei Netzwerkfehlern zuerst Schicht 1? Typische Prüfungsfallen Schicht 1 ist die unterste offizielle OSI-Schicht. Schicht 1 überträgt Bits, keine IP-Pakete im fachlichen Sinne. Bits und Signale sind nicht dasselbe. Schicht 1 kennt keine MAC-Adressen. Schicht 1 kennt keine IP-Adressen. Schicht 1 kennt keine TCP- oder UDP-Ports. Hub ist Schicht 1. Switch ist typischerweise Schicht 2. Router ist typischerweise Schicht 3. Link vorhanden bedeutet nicht automatisch, dass IP korrekt ist. Kein Link ist zuerst ein Schicht-1-Problem. CRC/FCS-Fehler werden auf Schicht 2 erkannt, können aber durch Schicht 1 verursacht werden. Gigabit über Twisted Pair braucht alle 8 Adern. WLAN ist ein geteiltes Funkmedium. Auto-Negotiation kann durch Kabelprobleme beeinflusst werden. Wichtige Begriffe kurz erklärt Begriff Kurze Erklärung Bitübertragungsschicht OSI-Schicht 1 Bit kleinste Informationseinheit Signal physische Darstellung von Information elektrische Signale Übertragung über Kupfer optische Signale Übertragung über Licht Funksignale drahtlose Übertragung Codierung Darstellung von Bits als Signale Modulation Information auf ein Signal aufprägen Taktung zeitliche Einteilung der Übertragung Synchronisation zeitliche Abstimmung Bitrate Bits pro Sekunde Baudrate Symbole pro Sekunde Dämpfung Signalverlust SNR Signal-Rausch-Abstand BER Bitfehlerrate Link aktive physische Verbindung Auto-Negotiation automatische Aushandlung Simplex eine Richtung Halbduplex abwechselnd Vollduplex gleichzeitig Hub Schicht-1-Gerät Repeater Signalregenerator Medienkonverter wandelt Übertragungsmedien SFP steckbares Netzwerkmodul IHK-sichere Gesamtformulierung Die Bitübertragungsschicht ist Schicht 1 des OSI-Modells. Sie ist für die physische Übertragung einzelner Bits über ein Übertragungsmedium zuständig. Bits werden je nach Medium als elektrische, optische oder elektromagnetische Signale übertragen. Zur Schicht 1 gehören Themen wie Signalpegel, Codierung, Modulation, Taktung, Synchronisation, Link, Übertragungsgeschwindigkeit, Duplexmodus, Auto-Negotiation, Hub, Repeater, Medienkonverter und SFP-Module. Schicht 1 kennt keine MAC-Adressen, IP-Adressen oder TCP-/UDP-Ports. Fehler auf Schicht 1 können alle höheren Schichten beeinflussen und sollten bei der Fehlersuche zuerst geprüft werden. Wichtigste Merksätze Schicht 1 = Bitübertragungsschicht. Schicht 1 ist die unterste offizielle OSI-Schicht. Schicht 1 überträgt Bits als Signale. Bits sind logisch. Signale sind physisch. Kupfer = elektrische Signale. Glasfaser = optische Signale. WLAN = Funksignale. Codierung = Bits als Signale darstellen. Modulation = Information auf ein Signal aufprägen. Dämpfung = Signalverlust. SNR = Signal-Rausch-Abstand. Bitrate = Bits pro Sekunde. Baudrate = Symbole pro Sekunde. Bandbreite ist nicht Durchsatz. Simplex = eine Richtung. Halbduplex = abwechselnd. Vollduplex = gleichzeitig. Auto-Negotiation = automatische Aushandlung. Link = aktive physische Verbindung. Link vorhanden bedeutet nicht automatisch IP korrekt. Hub = Schicht 1. Switch = Schicht 2. Router = Schicht 3. Medienkonverter = hauptsächlich Schicht 1. SFP-Modul = physische Schnittstelle. Schicht 1 kennt keine MAC-Adressen. Schicht 1 kennt keine IP-Adressen. Schicht 1 kennt keine Ports. Kein Link = zuerst Schicht 1 prüfen. Erst physisch, dann logisch. Ohne funktionierende Schicht 1 funktionieren höhere Schichten nicht zuverlässig.