Лекция 8. Физический уровень.

8.1 Коммуникационные сигналы

Физический уровень предоставляет средство транспортировки битов кадра по сетевой среде. Физический уровень получает кадр от канального уровня и кодирует его в среду при помощи импульсов (электрических, световых, микроволновых).

Среда не передает кадры целиком. Среда передает сигналы представляющие биты кадра по одному за раз.

Физический уровень может так же добавлять собственные наборы сигналов для указания начала и конца кадра.

Стандарты для физического уровня пишут те же организации, что и для канального - ITU, IEEE, ISO, ANSI, EIA/TIA, FCC. Они реализуются в сетевых адаптерах устройств. Технологии определенные этими организациями включают 4 области стандартов физического уровня:

- физические и электрические свойства среды

- механические свойства коннекторов

- представление битов в виде сигналов

- определение служебных сигналов

Три основных функции физического уровня:

- физические компоненты

- кодирование (encding) данных - приведение битов кадра к предопределенному виду

- сигнализация (signaling) битов в среду при помощи сигналов

8.2 Сигнализация и кодирование

Время бита (bit time) - время помещения бита в среду передачи.

Биты могут представляться при помощи изменения амплитуды, частоты, фазы сигнала.

NRZ - для представления 0 и 1 использует разные уровни напряжения. Уязвим к электромагнитной интерференции и длинным последовательностям 1 и 0. Обеспечивает очень низкую скорость передачи.

Манчестерское кодирование - для представления 0 и 1 использует переход от высокого напряжения к низкому и наоборот. Переход происходит в середине времени бита (такта). Применяется в 10BaseT.

Перед тем как сигнализировать биты кадра в среду, их предварительно кодируют при помощи кодовых групп. Это позволяет защититься от ошибок в процессе передачи битов, увеличить эффективность методов сигнализации, отличить биты данных от служебных.

Избыточный код 4B/5B - кодирует четыре бита кадра, пятью битами кода. Это дает 32 комбинации, причем для кодирования данных используется только 16 из них. Остальные используются в служебных целях.

Передача данных может быть измерена как:

- полоса пропускания (bandwidth) - количество информации, которое может быть передано по среде за определенный промежуток времени.

- пропускная способность (throughput) - количество бит, переданное по среде за определенный промежуток времени.

- полезная нагрузка (goodput) - количество данных пользователя, переданное по среде за определенный промежуток времени.

8.3 Физическая среда

Для построения сетей применяют различные виды сред передачи данных.

Медный кабель.

Медный кабель чувствителен к электромагнитной интерференции. Для защиты от нее используют экранированные типы медного кабеля.

Неэкранированная витая пара (Unshielded twisted-pair) представляет из себя 4х или 2х парный кабель. Пары перекручиваются между собой для уменьшения помех (crosstalk), наводимых проводниками друг на друга. Все пары маркируются по цветами, чтобы точно определить выбранную пару на разных концах кабеля. В качестве коннектора применяется RJ-45. Стандарты распределения пинов по цветам в коннекторе 586A (устарел) и 586B.

Прямой кабель (Straight-through) - оба конца кабеля обжимаются одним стандартом. Применяется для соединения разных устройств (ПК - коммутатор, роутер - коммутатор).

Скретный кабель (Crossover) -  концы кабеля обжимаются по разным стандартам. Применяется для соединения одинаковых устройств (коммутатор - коммутатор, роутер - роутер, ПК - ПК).

Перевернутый кабель (Rollover) - RJ45 на COM/USB, используется для подключения к консольным портам сетевого оборудования Cisco.

Коаксиальный кабель - состоит из двух проводников, центральная жила и оплетка. Ранее применялся для построения локальных сетей, сегодня применяется в сетях кабельного телефидения.

Экранированная витая пара (Shielded Twisted-Pair Cable) - пары экранируются по отдельности и все вместе. Раньше применялся для сетей Token Ring, сейчас применяется для сетей 10G Ethernet.

Медный кабель может представлять угрозу поражения электрическим током, если он подключен к неисправному оборудованию, или во время грозы.

Оболочка кабеля горит и выделяет токсичные вещества.

Оптический кабель (Fiber-optic) - состоит из центральной стеклянной жилы по которой распространяется свет. Используются на больших дистанциях, не подвержены электромагнитной интерференции и обеспечивают высокую скорость передачи данных. Для дуплексной передачи может использоваться как кабель с двумя жилами так и с одной.

Одномодовое волокно - тонкая центральная жила (8-10 микрон), большие расстояния до 100 км, для создания импульсов используются лазеры.

Многомодовое волокно - толстая центральная жила (50 микрон), не большие расстояния до 2 км, для создания импульсов используются светодиоды (LED).

Беспроводные среды передачи данных - для передачи сигнала используется инфракрасный, радио и микроволновый диапазоны.

Стандарты:

802.11 WiFi

802.15 - Bluetooth

802.16 - WiMax

Для построения беспроводных сетей необходимы беспроводные сетевые адаптеры и точки доступа.

Витая пара может терминироваться как в коннекторы RJ-45 так и в настенные розетки и патч-панели.

Плохо обжаты коннектор может привести к невозможности работы сетью.

Коннекторы для оптического кабеля: ST, SC, LC.