Физический уровень — это нижний уровень OSI модели взаимодействия открытых систем. Его задача — передача потока бит по среде передачи данных. Физический уровень не вникает в смысл информации которую передает и никак ее не анализирует. Единица передачи данных на физическом уровне называется бит. Основная задача физического уровня представить биты информации в виде сигналов, которые передаются по среде передачи данных.
У нас есть некий цифровой сигнал, мы передаем его в среду. Но из-за того, что в среде передачи данных происходят искажения, сигнала, то получатель принимает не такой хороший сигнал, как мы отправили, а примерно как тот, что изображен на картинке ниже. И получатель по этому сигналу должен определить, что же ему передал отправитель.
Модель канала связи
Мы воспользуемся преимуществом организации сетей в виде уровней, каждый из которых предоставляет сервис вышестоящему уровню и обеспечивает изоляцию решений. Мы будем считать, что физический уровень, каким-то образом передает биты, как он это делает нам не важно, нам важно, что у нас есть просто канал связи по которому мы можем передавать некоторые сообщения, от отправителя к получателю.
У канала связи есть важные для нас характеристики:
- Пропускная способность, которая измеряется в бит/с, т.е. сколько данных мы можем передать за единицу времени. Как правило пропускная способность современных каналов связи измеряется в Гб/с.
- Следующая важная характеристика канала это задержка. Она говорит о том, сколько времени пройдет, прежде чем сообщение от отправителя дойдет до получателя. В современных КС задержка очень маленькая, но не нулевая. Совместно, пропускная способность и задержка характеризуют скорость работы канала.
- Еще одна важная характеристика это то, насколько часто там возникают ошибки. Если ошибки в канале возникают часто, то протоколы или сетевые технологии должны обеспечивать исправление ошибок. А если ошибки в КС возникают редко, то их можно исправлять на вышестоящих уровня модели взаимодействия открытых систем OSI, например на транспортном. А само сетевое оборудование может не обеспечивать гарантию доставки данных и отсутствие ошибок.
В зависимости от направления по которому можно передавать данные, КС бывают 3 типов:
- Симплексный КС по которому можно передавать данные только в одну сторону;
- Дуплексный, можно передавать данные в обе стороны одновременно;
- Полудуплексный, можно передавать данные в обе стороны, но по очереди.
Среды передачи данных
В сетях раньше использовалось и используется сейчас большое количество разных сред передачи данных. Используются кабели разных типов. Исторически первыми появились телефонные кабели и они же использовались для передачи данных на раннем этапе развития компьютерных сетей.
В технологии классический Ethernet использовался коаксиальный, медный кабель, такие кабели еще недавно широко использовались для подключения антенн к телевизорам.
Сейчас для построения компьютерных сетей, используются скрученные между собой медные кабели, которые называются витая пара.
А также оптические кабели для передачи данных по которым используется свет. Есть технологии, которые позволяют передавать данные прямо по проводам электропитания, которые подходят к розеткам ваших домов. Для этого можно использовать специальные методы модуляции, но они применяются очень редко.
Сейчас все большей и большей популярностью пользуются беспроводные технологии. В сетях сотовой связи и вай фай сетях для передачи данных используют радиоволны, а также используется инфракрасное излучение.
Возможны использование для передачи данных спутниковые каналы связи (КС), однако такие КС дорогие и скорость таких каналов значительно уступают скорости передачи данных по оптическим кабелям.
Также существуют технологии, которые позволяют использовать лазеры, для передачи данных без кабелей. Но сейчас они применяются редко из-за низкой скорости и большого количества помех. Таким образом, сейчас для построения сетей чаще всего используют витую пару, оптические кабели и радиоволны.
Витая пара
Витая пара представляет из себя набор медных кабелей в одной оболочке. Кабели попарно скручены между собой, для того, чтобы меньше создавалось помех. В одном кабеле, как правило, находится 4 витые пары. Раньше разные витые пары использовались для передачи данных в разные стороны, но теперь передача данных по все четырем парам проводов выполняется в двух направлениях одновременно.
Оптический кабель
В оптических кабелях для передачи данных используются тонкие световоды. Каждый световод покрывается защитной оболочкой и несколько световодов объединяются в один кабель.
Радиоволны
Сейчас всё больше и больше для передачи данных используются беспроводные технологии на основе радиоволн. В отличии от кабелей, сигнал в беспроводной среде распространяется по разным направлениям. Один и тот же сигнал могут принимать несколько приемников.
Если несколько источников радиоволн рядом друг с другом, то эти сигналы искажаются, поэтому использование радиоволн, регулируется законодательством. И разные раздел спектра выделены для использования различными технологиями.
Например, для сотовой связи стандарта GSM, который популярен сейчас в России используется диапазон 900 МГц. Однако этот диапазон не может использовать кто угодно, для этого необходимо сначала купить лицензию у государства.
Для работы сетей вайфай используется два диапазона 2.4 ГГц и 5 ГГц. Это специальные диапазоны, частоты в которых можно использовать без получения лицензии, поэтому вы можете спокойно устанавливать у себя wi-fi роутер не спрашивая ни у кого разрешение.
Ошибки в каналах связи
Количество ошибок в трех популярных средах передачи данных отличаются друг от друга значительно. Меньше всего ошибок возникает в оптическом кабеле. Как то повлиять на свет, который идет внутри темной оболочки очень сложно. В медных кабелях ошибки тоже возникают, но достаточно редко. А в беспроводной среде, ошибки напротив возникают очень часто. Частота возникновения ошибок в среде передачи данных, учитывалась при создании сетевых технологий, которые используют эту среду.
Представление информации
Для представления информации в виде сигналов которые будут передаваться по каналам связи, есть два подхода. Первый подход это прямоугольные импульсы или цифровые, а второй синусоидальные волны или аналоговый.
Цифровые сигналы используются при передаче данных по медным проводам. Самый простой способ цифрового представления использовать 0 отсутствием напряжения, а 1 повышенным уровнем напряжения, однако, на практике применяются более сложные схемы. Для представления информации в аналоговом виде используется модуляция. Можно менять частоту сигнала, фазу и амплитуду.
Заключение
Задача физического уровня передавать поток бит по среде передачи данных. Сейчас для построения компьютерных сетей используют медные, оптические кабели и радиоволны.
