Физический уровень

Физический  уровень 

Функции физического уровня:

Физический уровень  определяет способ физического соединения компьютеров в сети. Основными  функциями средств, относящихся  к данному уровню, является побитовое  преобразование цифровых данных в сигналы  среды передачи, а также собственно передача сигналов по физической среде. 

Среда передачи

Центральным понятием данного уровня является понятие  среды передачи. Среда передачи –  это физическая среда, по которой  возможно распространение информационных сигналов в виде электрических, световых и т.п. импульсов. В настоящее время  выделяют два основных типа физических соединений: соединения с помощью  кабеля и беспроводные соединения.

Технические характеристики среды передачи влияют на такие потребительские  параметры сетей как максимальное расстояние передачи данных и максимальная скорость передачи данных.

Кабельные системы

Кабель (cable), используемый для построения компьютерных сетей, представляет собой сложную конструкцию, состоящую, в общем случае, из проводников, изолирующих и экранирующих слоев. В современных сетях используются три типа кабеля:

• коаксиальный кабель (coaxial cable);
• "витая пара" (twisted pair);
• оптоволоконный кабель (fiber optic).

Каждый тип кабеля отличается от других внутренним устройством  и обладает целым набором технических  характеристик, влияющих на основные потребительские  параметры сетей: 
 

 
 
 
 
 

Коаксиальный  кабель

Коаксиальный кабель был первым типом кабеля, использованным для соединения компьютеров в  сеть. Кабель данного типа состоит  из центрального медного проводника, покрытого пластиковым изолирующим  материалом, который, в свою очередь, окружен медной сеткой и/или алюминиевой  фольгой. Этот внешний проводник  обеспечивает заземление и защиту центрального проводника от внешней электромагнитной интерференции. При прокладке сетей  используются два типа кабеля — "Толстый  коаксиальный кабель" (Thicknet) и "Тонкий коаксиальный кабель" (Thinnet). Сети на основе коаксиального кабеля обеспечивают передачу со скоростью до 10 Мбит/с. Максимальная длина сегмента лежит в диапазоне от 185 до 500 м в зависимости от типа кабеля.

"Витая пара"

Кабель типа "витая  пара" (twisted pair), является одним из наиболее распространенных типов кабеля в настоящее время. Он состоит из нескольких пар медных проводов, покрытых пластиковой оболочкой. Провода, составляющие каждую пару, закручены вокруг друг друга, что обеспечивает защиту от взаимных наводок. Кабели данного типа делятся на два класса — "экранированная витая пара" ("Shielded twisted pair") и "неэкранированная витая пара" ("Unshielded twisted pair"). Отличие этих классов состоит в том, что экранированная витая пара является более защищенной от внешней электромагнитной интерференции, благодаря наличию дополнительного экрана из медной сетки и/или алюминиевой фольги, окружающего провода кабеля. Сети на основе "витой пары" в зависимости от категории кабеля обеспечивают передачу со скоростью от 10 Мбит/с – 1 Гбит/с. Длина сегмента кабеля не может превышать 100 м (до 100 Мбит/с) или 30 м (1 Гбит/с).

Оптоволоконный  кабель

Оптоволоконные кабели представляют собой наиболее современную  кабельную технологию, обеспечивающую высокую скорость передачи данных на большие расстояния, устойчивую к  интерференции и прослушиванию. Оптоволоконный кабель состоит из центрального стеклянного или пластикового проводника, окруженного слоем стеклянного  или пластикового покрытия и внешней  защитной оболочкой. Передача данных осуществляется с помощью лазерного или светодиодного  передатчика, посылающего однонаправленные световые импульсы через центральный  проводник. Сигнал на другом конце принимается  фотодиодным приемником, осуществляющим преобразование световых импульсов  в электрические сигналы, которые  могут обрабатываться компьютером. Скорость передачи для оптоволоконных сетей находится в диапазоне  от 100 Мбит/c до 2 Гбит/с. Ограничение по длине сегмента составляет 2 км.   

Топология сети

Еще одним важным понятием физического уровня является способ соединения компьютеров с  помощью физической среды или  топология сети. Если сеть состоит  всего из двух компьютеров, то они  соединяются "напрямую". Такой  способ соединения получил название "точка-точка" ("point-to-point").

Соединение  типа "точка-точка"

Для обеспечения  связи более чем двух компьютеров  может использоваться последовательность соединений типа "точка-точка".

Последовательность  соединений типа "точка-точка"

Однако такой подход требует установки на большую  часть компьютеров нескольких устройств  передачи данных.

В качестве альтернативного  подхода возможно использование  более сложных топологий, позволяющих  подключить к общей среде сразу несколько компьютеров, имеющих по одному устройству передачи данных. Выделяют три базовые топологии: "Шина" ("bus"), "Кольцо" ("ring"), "Звезда"("star").

Топология «Шина» 

 

Топология "Шина"

Эта топология использует один передающий канал на базе коаксиального  кабеля, называемый "шиной". Все  сетевые компьютеры присоединяются напрямую к шине. На концах кабеля-шины устанавливаются специальные заглушки - "терминаторы" (terminator). Они необходимы для того, чтобы погасить сигнал после прохождения по шине. К недостаткам топологии "Шина" следует отнести следующее:

• данные, предаваемые по кабелю, доступны всем подключенным компьютерам;
• в случае повреждения "шины" вся сеть перестает функционировать.

Топология «Кольцо» 

 

Для топологии кольцо характерно отсутствие конечных точек  соединения; сеть замкнута, образуя  неразрывное кольцо, по которому передаются данные. Эта топология подразумевает  следующий механизм передачи: данные передаются последовательно от одного компьютера к другому, пока не достигнут  компьютера-получателя. Недостатки топологии "кольцо" те же, то и у топологии "шина":

• общедоступность данных;
• неустойчивость к повреждениям кабельной системы.

 

Топология «Звезда» 

 

В сети с топологией "звезда" все компьютеры соединены  со специальным устройством, называемым сетевым концентратором или "хабом" (hub), который выполняет функции распределения данных. Прямые соединения двух компьютеров в сети отсутствуют. Благодаря этому, имеется возможность решения проблемы общедоступности данных, а также повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы. Однако функциональность сети зависит от состояния сетевого концентратора. 

Физическая  и логическая топологии 

Следует отметить, что  термин топология может употребляться  для обозначения двух понятий  – физической топологии и логической топологии. Физическая топология –  способ физического соединения компьютеров  с помощью среды передачи, например, участками кабеля. Логическая топология  определяет маршруты передачи данных в сети. Во многих случаях, физическая топология однозначно определяет логическую топологию. Однако существуют такие  конфигурации, в которых логическая топология отличается от физической. Например, сеть с физической топологией «звезда» может иметь логическую топологию «шина» – все зависит от того, каким образом устроен сетевой концентратор. 

Устройства  передачи данных 

Для подключения  компьютеров к среде передачи используются специализированные устройства. Основными функциями этих устройств  является физическое кодирование и  декодирование данных, а также  синхронизация приема и передачи. Наряду с этим современные устройства могут решать задачи логической организации  передачи, относящиеся к канальному уровню модели OSI. Наиболее известными в настоящее время устройствами являются модемы и сетевые адаптеры. 

Модем (МОдулятор/ДЕМодулятор, Modem) представляет собой устройство, осуществляющее физическое кодирование данных методом модуляции. Существуют различные типы модемов для подключения к сетям по разным физическим каналам, как правило, не предназначенным для построения компьютерных сетей. Так, для подключения по телефонным линиям используются телефонные модемы (или - просто модемы, поскольку исторически под этим термином понималось устройство для подключения по телефонным линиям), для подключения по кабельным каналам - кабельные модемы, для подключения по радиоканалам - радиомодемы. Технические характеристики используемого канала накладывают ограничения на правила формирования сигналов (модуляции).

Обычно модемы используются для взаимодействия в сетях типа "точка-точка". В таких сетях  не требуется сложной логической организации передачи, поскольку  нет необходимости упорядочивать  взаимодействие нескольких пар абонентов. К числу дополнительных функций, связанных с организацией передачи, можно отнести сжатие передаваемых данных и обнаружение и исправление  ошибок с целью повышения эффективности  и надежности передачи по низкокачественным  каналам, например, телефонных (подробнее  см. раздел "Канальный уровень") 

Сетевой адаптер (сетевая  плата, плата сетевого интерфейса, Network Interface Card) - это устройство, которое предназначено для подключения компьютера к высококачественным физическим каналам компьютерных сетей. Поэтому для физического кодирования передаваемых данных используются различные типы цифрового кодирования.

Поскольку компьютерные сети могут иметь сложные топологии? и в них одновременно могут  осуществлять взаимодействие несколько  пар абонентов, то требуется решать достаточно сложные задачи по упорядочиванию этого взаимодействия. Поэтому сетевые  адаптеры реализуют также определенное число логических функций организации  взаимодействия, например, адресации  абонентов и упорядочивания одновременного доступа нескольких к общей физической линии и т.д. (подробнее см. раздел "Канальный уровень"). 

Основными понятиями  физического уровня являются: среда  передачи, топология сети, устройства передачи данных;

для передачи сигналов в качестве физической среды могут  выступать кабельные системы, а  также электромагнитные волны;

существуют различные  типы кабеля, отличающиеся друг от друга  структурой и техническими характеристиками, определяющими потребительские  свойства сети: максимальное расстояние передачи данных и скорость передачи;

способ соединения компьютеров определяется топологией сети;

простейший способ соединения всего двух компьютеров  называется "точка-точка";

для построения сетей  сложных конфигураций используются комбинации трех базовых топологий: "шина", "звезда", "кольцо";

для подключения  компьютеров к среде передачи используются специальные устройства передачи данных, наиболее распространенными  из которых являются сетевые адаптеры и модемы;

одними из главных  функций устройств передачи данных являются физическое кодирование и  декодирование данных, а также  синхронизация приема и передачи;

основными видами физического  кодирования являются модуляция  и цифровое кодирование;

модуляция обычно применяется  при передаче данных по физическим каналам, специально не предназначенным  для взаимодействия компьютеров;

цифровое кодирование  используется в высококачественных каналах компьютерных сетей.