Физический уровень
Самый нижний из уровней модели OSI называется Физическим уровнем (physical layer). Этот уровень описывает:
• все физические среды передачи данных (кабель, оптоволокно, волны радио и других диапазонов);
• сетевые разъемы;
• топологию сети;
• методы передачи и кодирования сигнала;
• устройства передачи данных;
• сетевые интерфейсы;
• методы распознавания ошибок при передаче сигналов.
Устройства, используемые на Физическом уровне, отвечают за генерирование, передачу и распознавание электрических сигналов, предназначенных для передачи и приема данных. Сетевые сигналы могут быть представлены в аналоговом или цифровом виде.
Аналоговый сигнал может изменяться непрерывно и выглядеть как волна с положительными и отрицательными перепадами напряжения. Примером такого сигнала может являться обычный радио- или телефонный сигнал, поскольку он может иметь широкий диапазон для передачи звука. Аналоговый телевизор или компьютерный монитор может одновременно воспроизводить миллионы цветов в любом диапазоне. Аналоговые сигналы используются в глобальных сетях, где для передачи данных применяются аналоговые модемы. Например, с помощью такого модема пользователь может подключиться к Интернету через поставщика услуг Интернета (интернет-провайдера). Аналоговый сигнал изображен на рис. 2.2.
В цифровом сигнале для представления единиц и нулей используются фиксированные уровни напряжения. Такие сигналы чаще всего используются в локальных и скоростных глобальных сетях. Например, наличие напряжения +5 вольт может трактоваться как единица, а нулевое напряжение – как ноль (что проиллюстрировано на рис. 2.3). Другой путь для представления единиц и нулей – использование некоторого положительного напряжения (скажем, +5 вольт) для передачи единиц и отрицательного напряжения (например, -5 вольт) для передачи нулей. В оптоволоконных каналах двоичные единицы и нули обозначаются наличием или отсутствием света. Все названные варианты показаны на рис. 2.3.
Рисунок 2.2 Аналоговый сигнал
Кодируемый сигнал преобразуется в двоичный формат (система счисления с основанием 2), имеющий определенное значение для компьютера или сетевого устройства. Существуют два основных метода кодирования цифровых сигналов: с использованием текущих состояний (current-state encoding) и с использованием переходов из одного состояния в другое (state transition). В первом случае двоичное значение кодируется с помощью некоторого состояния сигнала: например, двоичная единица обозначается напряжением +5 вольт, а двоичный ноль – нулевым напряжением. Во втором случае просто проверяется изменение состояния сигнала – переход от низкого уровня к высокому и наоборот. В сетях чаще всего используется метод, называемый манчестерским кодированием (Manchester encoding), при котором двоичная единица представлена переходом от низкого уровня сигнала к высокому, а двоичный ноль соответствует переходу сигнала от высокого к низкому.
Физический уровень управляет скоростью передачи данных, анализом потока ошибок и уровнями напряжения, используемыми для передачи сигнала. На его работу влияют физические проблемы в сети, например, разрывы передающего кабеля или электромагнитные наводки. Наводки могут создаваться близко расположенными электромоторами, линиями высокого напряжения, осветительными и другими электрическими приборами.
Электромагнитное излучение и радиопомехи – вот два источника ошибок физического уровня. Электромагнитное излучение вызывают силовые магнитные поля, генерируемые электрическими устройствами, такими как вентиляторы, двигатели лифтов, переносные обогреватели и кондиционеры. Радиопомехи создаются электрическими приборами, генерирующими радиоволны той же частоты, что используются для передачи сетевого сигнала. Такими приборами могут быть компоненты кабельного телевидения, радио- и телевизионные станции, расположенные близко передатчики, балластные устройства ламп дневного света, недорогое компьютерное или телевизионное оборудование и устройства для радиосвязи.
Понимание концепций Физического уровня особенно важно при работе с сетями, поскольку ошибки именно на этом уровне зачастую мешают правильной работе сети. Например, сеть может быть подключена к двум различным источникам напряжения, находящимся даже в одной комнате, но имеющим разные шины заземления. Поскольку у обоих источников отсутствует истинная «земля», нулевые напряжения у обоих источников отличаются как от истинного нуля, так и между собой. Если случайно одновременно схватиться за кабели, связанные с оборудованием, подключенным к данным источникам питания, можно получить электрический удар, т. к. через тело пойдет ток, вызванный разностью потенциалов между этими кабелями.