Osi физический уровень: Физический уровень модели OSI

Физический уровень модели OSI

Физический уровень (Physical layer) имеет дело с передачей битов по физическим каналам связи, таким, например, как коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель или радио-канал. К этому уровню имеют отношение характеристики физических сред передачи данных, такие как полоса пропускания, помехозащищенность, волновое сопротивление и другие.

На этом же уровне определяются характеристики электрических сигналов, передающих дискретную информацию, например, крутизна фронтов импульсов, уровни напряжения или тока передаваемого сигнала, тип кодирования, скорость передачи сигналов. Кроме этого, здесь стандартизуются типы разъемов и назначение каждого контакта.

Функции физического уровня реализуются во всех устройствах, подключенных к сети. Со стороны компьютера функции физического уровня выполняются сетевым адаптером или последовательным портом. Сетевой адаптер работает на физическом и канальном уровнях. К физическому уровню относится та часть функций сетевого адаптера, которая связана с приемом и передачей сигналов по линии связи, а получение доступа к разделяемой среде передачи, распознавание МАС-адреса компьютера — это уже функция канального уровня.

Осуществляют передачу электрических или оптических сигналов в кабель или в радиоэфир и, соответственно, их приём и преобразование в биты данных в соответствии с методами кодирования цифровых сигналов.

На этом уровне также работают концентраторы, повторители сигнала и медиаконвертеры.

физическому уровню относятся физические, электрические и механические интерфейсы между двумя системами. Физический уровень определяет такие виды сред передачи данных как оптоволокно, витая пара, коаксиальный кабель, спутниковый канал передач данных и т. п. Стандартными типами сетевых интерфейсов, относящимися к физическому уровню, являются: V.35, RS-232, RS-485, RJ-11, RJ-45, разъемы AUI и BNC.

Протоколы физического уровня: IEEE 802.15 (Bluetooth), IRDA, EIA RS-232, EIA-422, EIA-423, RS-449, RS-485, DSL, ISDN, SONET/SDH, 802.11 Wi-Fi, Etherloop, GSM Um radio interface, ITU и ITU-T, TransferJet, ARINC 818, G.hn/G.9960, модификации стандарта Ethernet: 10BASE-T, 10BASE2, 10BASE5, 100BASE-T (включает 100BASE-TX, 100BASE-T4, 100BASE-FX), 1000BASE-T, 1000BASE-TX, 1000BASE-SX

Для построения простейшей односегментной сети достаточно иметь сетевые адаптеры и кабель подходящего типа. Но даже в этом простом случае часто используются дополнительные устройства — повторители сигналов, позволяющие преодолеть ограничения на максимальную длину кабельного сегмента.

При организации сети по каналу 100 Мбит/сек используются 2 пары витой пары и используются жилы 1, 2 , 3 и 6. При организации гигабитной сети используются 4 пары, т.е. все 8 жил витой пары.

Для прокладки новых сетей лучше всего использовать кабель CAT 5e. И хотя CAT 5 и CAT 5e оба пропускают частоту 100 МГц, кабель CAT5e производится с учетом дополнительных параметров, важных для лучшей передачи высокочастотных сигналов.

Гигабитный Ethernet может работать на существующей кабельной структуре 5 категории. Согласитесь, подобная возможность очень удобна. Как правило, все современные сети используют кабель пятой категории, если только ваша сеть не была установлена в 1996 году или раньше (стандарт был утвержден в 1995 году). Однако здесь существует несколько подводных камней:

• Требуется четыре пары
  1000BaseT использует все четыре пары кабеля категории 5.
  Поскольку 10/100BaseT использует только две пары CAT 5 из четырех, некоторые люди не подключали лишние пары при прокладке своих сетей. Пары использовались, к примеру, для телефона или для питания по Ethernet (POE). К счастью гигабитные сетевые карты и коммутаторы обладают достаточным интеллектом, чтобы откатиться на стандарт 100BaseT если все четыре пары будут недоступны. Поэтому ваша сеть в любом случае будет работать с гигабитными коммутаторами и сетевыми картами, но высокой скорости за уплаченные деньги вы не получите.
• Не используйте дешевые разъемы
  Еще одна проблема самодеятельных сетевиков — плохая обжимка и дешевые настенные розетки. Они приводят к несоответствиям импеданса, в результате чего возникают обратные потери, а вследствие них и уменьшение пропускной способности. Конечно, вы можете попробовать поискать причину «в лоб», но все же вам лучше обзавестись сетевым тестером, который сможет обнаружить обратные потери и перекрестные помехи. Или просто смириться с низкой скоростью.
• Ограничения по длине и топологии
  1000BaseT ограничен той же максимальной длиной сегмента, что и 10/100BaseT. Таким образом, максимальный диаметр сети составляет 100 метров (от одного компьютера до другого через один коммутатор). Что касается топологии 1000BaseT, то здесь работают те же правила, что и для 100BaseT, за исключением допустимости лишь одного повторителя на сегмент сети (или, если быть более точным, на один «полудуплексный домен коллизий»). Но поскольку гигабитный Ethernet не поддерживает полудуплексную передачу, вы можете забыть о последнем требовании. В общем если ваша сеть прекрасно себя чувствовала под 100BaseT, у вас не должно возникнуть проблем при переходе к гигабиту.

В сети Ethernet существует два типа разводки кабелей. Первый тип используется для прямых соединений (коммутатор-коммутатор, компьютер-коммутатор) и кроссовер, который используется в локальных компьютерных сетях для прямого соединения двух компьютеров.

Распиновка кабеля в RJ-45:

Прямое соединение 10/100/1000

Кросовер 10/100

Кросовер 1000BASE-SX

Основная функция повторителя (repeater), как это следует из его названия — повторение сигналов, поступающих на один из его портов, на всех остальных портах (Ethernet). Повторитель улучшает электрические характеристики сигналов и их синхронность, и за счет этого появляется возможность увеличивать общую длину кабеля между самыми удаленными в сети станциями.

Концентратор работает на физическом уровне сетевой модели OSI, ретранслируя входящий сигнал с одного из портов в сигнал на все остальные (подключённые) порты, реализуя, таким образом, свойственную Ethernet топологию общая шина, c разделением пропускной способности сети между всеми устройствами и работой в режиме полудуплекса. Коллизии (то есть попытка двух и более устройств начать передачу одновременно) обрабатываются аналогично сети Ethernet на других носителях — устройства самостоятельно прекращают передачу и возобновляют попытку через случайный промежуток времени, говоря современным языком, концентратор объединяет устройства в одном домене коллизий.

Концентраторы образуют из отдельных физических отрезков кабеля общую среду передачи данных — логический сегмент. Логический сегмент также называют доменом коллизий, поскольку при попытке одновременной передачи данных любых двух компьютеров этого сегмента, хотя бы и принадлежащих разным физическим сегментам, возникает блокировка передающей среды. Следует особо подчеркнуть, что какую бы сложную структуру не образовывали концентраторы, например, путем иерархического соединения, все компьютеры, подключенные к ним, образуют единый логический сегмент, в котором любая пара взаимодействующих компьютеров полностью блокирует возможность обмена данными для других компьютеров.

Основными характеристиками сетевых концентраторов являются:

• Количество портов — разъёмов для подключения сетевых линий, обычно выпускаются концентраторы с 4, 5, 6, 8, 12, 16, 24 и 48 портами.
• Скорость передачи данных — измеряется в Мбит/с, выпускаются концентраторы со скоростью 10, 100 и/или 1000 Мбит/c. Скорость может переключаться как автоматически (на наименьшую из используемых), так и с помощью перемычек или переключателей.
• Наличие портов для подключения кабелей Ethernet других типов — коаксиальных или оптических.

Оборудования физического уровня модели OSI достаточно для построения простейшей локальной сети.

Физический Уровень OSI — Среды Передачи Данных

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.  

физический уровень | Уровень 1

TL:DR;

Физическая сеть

Физический уровень — это самый нижний уровень. Этот уровень предоставляет механические, электрические и другие функциональные средства, доступные для включения или отключения, они поддерживают и передают биты о физических соединениях. Это могут быть, например, электрические сигналы, оптические сигналы (оптическое волокно, лазер), электромагнитные волны (беспроводные сети) или звук. Используемые методы называются техническими процессами передачи. Устройства и сетевые компоненты, связанные с физическим уровнем, например, антенна и усилитель, вилка и розетка для сетевого кабеля, повторитель, штрих, приемопередатчик, Т-образная планка и терминатор (терминатор).

Цифровая передача битов на физическом уровне осуществляется по проводной или бескабельной линии передачи. Совместное использование среды передачи может осуществляться на этом уровне посредством статического мультиплексирования и динамического мультиплексирования. Для этого требуется не только спецификация определенных сред передачи (например, медный кабель, оптоволоконный кабель, электросеть) и определение разъемов дополнительных элементов. Кроме того, на этом уровне должно быть решено, каким образом будет передаваться один бит.

Это означает следующее: Сегодня в компьютерных сетях информация обычно передается в виде последовательностей битов или символов. В медных кабелях и радиопередачах, однако, модулируются высокочастотные электромагнитные волны, носители информации, в оптических волноводах световые волны определенной длины волны или разные. Носитель информации не знает битовых строк, но может принимать гораздо больше различных состояний, чем просто 0 или 1. Следовательно, для каждого типа передачи должны быть определены кодировки. Это связано со спецификацией физического уровня сети.

Типичное оборудование на этом уровне: повторители, концентраторы, кабели, разъемы,

Уровень 1 OSI — физический уровень

В семиуровневой модели компьютерных сетей OSI физический уровень или уровень 1 является первым и самым нижним уровнем. Реализация этого уровня часто называется PHY.

Физический уровень состоит из базовых технологий передачи сетевого оборудования по сети. Это фундаментальный слой, лежащий в основе логических структур данных функций более высокого уровня в сети. Из-за множества доступных аппаратных технологий с самыми разными характеристиками это, пожалуй, самый сложный уровень в архитектуре OSI.

Физический уровень определяет средства передачи необработанных битов, а не пакетов логических данных по физическому каналу, соединяющему сетевые узлы. Битовый поток может быть сгруппирован в кодовые слова или символы и преобразован в физический сигнал, который передается через аппаратную среду передачи. Физический уровень обеспечивает электрический, механический и процедурный интерфейс со средой передачи. Здесь указываются формы и свойства электрических разъемов, частоты для вещания, используемая схема модуляции и аналогичные низкоуровневые параметры.

В рамках семантики сетевой архитектуры OSI физический уровень преобразует логические коммуникационные запросы от канального уровня в аппаратно-зависимые операции, влияющие на передачу или прием электронных сигналов.

Википедия

Услуги

• Побитовая или посимвольная доставка
• Модуляция
• Код строки
• Битовая синхронизация
• Старт-стоп сигнализация
• Переключение цепи
• Мультиплексирование
• Определение несущей и обнаружение столкновений
• Топология физической сети, такая как шина, кольцо, ячеистая или звездообразная сеть
• …

Популярные технологии физического уровня

900 56

90 059

1-Wire
ARINC 818	Цифровая видеошина авионики
Физический уровень Bluetooth
Шина CAN	(локальная сеть контроллера) физический уровень
DSL
EIA RS-232	также: EIA-422, EIA-423, RS-449, RS-485
Etherloop
Физический уровень Ethernet	10BASE-T, 10BASE2, 10BASE5, 100BASE-TX, 100BASE-FX, 100BASE-T, 1000B ASE-T, 1000BASE-SX и другие
GSM	Um физический уровень радиоинтерфейса
G. hn/G.9960	физический уровень
I²C, I²S
Интерфейс IEEE 1394 9005 8
ISDN
IRDA	физический уровень
ITU
	Физический уровень интерфейса процессора мобильной индустрии
OTN	Оптическая транспортная сеть
SPI
SMB
Модемы телефонной сети
USB	физический уровень

Физический уровень в модели OSI: работа и реализация

При экспоненциальном росте транзакций данных по сетевому каналу, Задумывался ли кто-нибудь из нас, какие шаги должны пройти данные при передаче по сетевому каналу? Эту задачу выполняет «Физический уровень в модели OSI».

В этой статье «Физический уровень в модели OSI» мы рассмотрим важные определения и схему работы физического уровня в сетевом канале.

Что такое модель OSI?

Модель OSI расшифровывается как «Модель взаимодействия открытых систем» и представляет собой специально разработанный набор сетевых протоколов и стандартов, управляющих моделированием и преобразованием данных для правильной передачи по сетевому каналу.

Сетевая модель OSI разделена на «семь уровней», которые выполняют определенные функции и применяют протоколы для поддержания качества данных, преобразования, безопасности и других сетевых атрибутов для эффективной передачи данных по каналу связи.

Далее мы рассмотрим физический уровень модели OSI.

Что такое физический уровень?

Следующие пункты описывают информацию о физическом уровне модели OSI:

• Физический уровень в модели OSI управляет тем, как данные передаются по физическому носителю в сетевом канале.
• Он также отвечает за преобразование кадров данных, полученных от уровня канала передачи данных, в биты данных, состоящие из единиц и нулей, для передачи по сети.

• Он также отвечает за поддержание качества данных путем применения необходимых протоколов и поддержания скорости передачи данных.

Теперь давайте посмотрим на некоторые характеристики физического уровня.

Характеристики физического уровня

Несколько сетевых атрибутов связаны с функционированием физического уровня в модели OSI, некоторые из которых:

1. Сигналы:

Физический уровень преобразует кадры данных с верхних уровней в сетевые сигналы для эффективной передачи данных по сетевому каналу.

Тип сигналов на физическом уровне:

• Цифровые сигналы: Этот сетевой сигнал представляет собой сетевые импульсы и цифровые данные с верхних уровней.
• Аналоговые сигналы: биты физических данных, преобразованные для передачи по сетевому каналу.

2. Средство передачи:

Сетевая функция повреждена без надлежащего преобразования данных на физическом уровне.

Форма среды передачи на физическом уровне:

• Проводная среда: подключение осуществляется через кабели для передачи данных.

          Например, оптоволоконный кабель, коаксиальный кабель и т. д.

• Беспроводная среда: Установленное соединение выполняется с использованием моделей беспроводной сети связи.

          Например, Bluetooth, Wi-Fi и т. д.

3. Поток данных:

Этот атрибут отвечает за поддержание скорости потока информации и временных рамок передачи сетевой модели.

Факторы, влияющие на скорость передачи данных для физического уровня:

• Error-Rate: прием неверных данных из-за шума в канале передачи.
• Кодирование: отвечает за кодирование данных для передачи по каналу.
• Пропускная способность: проблема со скоростью передачи данных в канале.

4. Шум при передаче:

Во время передачи данных с физического уровня передаваемые данные могут быть повреждены или повреждены по нескольким причинам.

Типы шума при передаче на физическом уровне:

• Рассеивание: в этом случае данные распределяются и перекрываются во время передачи, что приводит к повреждению исходных данных.
• Затухание: постепенное ослабление сетевого сигнала в канале передачи.
• Задержка данных: переданные данные достигают системы назначения за пределами указанного периода времени.

Завершив обсуждение атрибутов физического уровня, мы можем рассмотреть роль физического уровня в модели OSI.

Роль физического уровня      

Следующие пункты ниже дают нам краткий обзор роли физического уровня в сетевом канале:

• Биты данных преобразуются в физические сигналы и передаются по каналу.
• Интеграция нескольких электронных схем для передачи данных и применение различных аппаратных технологий.
• Трансляция данных, полученных от канального уровня, для дальнейшей передачи.

Далее давайте посмотрим на важность физического уровня в сетевой модели.

Важность физического уровня

Физический уровень в модели OSI важен из-за следующих моментов, упомянутых ниже:

• Отвечает за поддержание связи между оборудованием и сетью.
• Физический уровень поддерживает функционирование сетевого преобразования битов в сетевой модели.
• Определите скорость потока информации и период времени передачи.

Получите помощь в том, чтобы стать профессионалом, готовым к работе в отрасли, записавшись в уникальную программу Advanced Executive Program в области кибербезопасности. Получите ценную информацию от лидеров отрасли и улучшите свои навыки прохождения собеседований. Запишитесь СЕГОДНЯ!

Заключение

В этой статье «Физический уровень в модели OSI» мы узнали о важности применения физического уровня для преобразования и передачи данных по сетевому каналу.