Физический уровень

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 - это физическая среда, по которой распространяются информационные сигналы 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 расстояние передачи данных, скорость передачи данных, устойчивость к электромагнитным и др. помехам.

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

Таблица 5.1. Типы кабелей компьютерных сетей

Тип кабеля	Характеристика
Максимальное расстояние передачи	Максимальная скорость передачи
Коаксиальный кабель	185 – 500 м	10 Мбит/с
Витая пара	30 – 100 м	10 Мбит/с – 1 Гбит/с
Оптоволоконный кабель	от 2 км	от 10 Гбит/с

Коаксиальный кабель был первым типом кабеля, использованным для соединения компьютеров в сеть. Он состоит из центрального медного проводника, покрытого пластиковым изолирующим материалом, который, 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.

Рис. 5.1. Тройник коаксиального кабеля.

Рис. 5.2. Ккоаксиальный кабель.

Кабель «витая пара» (twisted pair), один 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).


Рис. 5.3. Разъем «витой пары»	Рис. 5.4. Структура кабеля «витой пары»

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 10 Гбит/с. Ограничение по длине сегмента составляет 2 км.

Рис. 5.5. Оптоволоконный кабель.

Рис. 5.6. Передатчик.

Топология сети – способ соединения компьютеров в сеть.

Если сеть состоит всего из двух компьютеров, то они соединяются «напрямую». Такой способ соединения получил название «точка-точка» («point-to-point»).

Рис. 5.7. Соединение «точка-точка»

Топология шина 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. Недостатки топологии «Шина»:

· данные, предаваемые по кабелю, доступны всем подключенным компьютерам;

· в случае повреждения «шины» вся сеть перестает функционировать (возможны ситуации когда после разрыва возможен обмен данными между компьютерами по неразрывному участку шины.).

Рис. 5.8. Топология «Шина»

В топологии кольцо отсутствуют конечные точки 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.

Рис. 5.9. Топология «Шина»

В сети с топологией «звезда» все компьютеры соединены со специальным компьютером, 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.

Рис. 5.10.. Топология «Звезда»

Передача данныхпо физическим каналам подразумевает решение трех задач:

Кодирование/декодированиеданных. Данные представляются в двоичном виде - как последовательность нулей и единиц. Однако понятия «нуль» и «единица» являются логическими понятиями, обозначающими электрические сигналы, отличающиеся друг от друга физическими параметрами и использующиеся для представления информации в различных устройствах, например, оперативной памяти или центральном процессоре. В силу различных технических причин эти сигналы не всегда могут передаваться по физическим каналам связи. Поэтому они должны быть преобразованы. Процесс преобразования сигналов, «удобных для компьютера», в сигналы, которые могут быть переданы по сети, называется физическим кодированием, а обратное преобразование - декодированием.

Передача сигналов. Информационные сигналы передаются по физическим линиям связи последовательно. В случае, если между передающей и принимающей сторонами параллельно существуют более одной линии, например, проложено несколько кабелей, то оказывается возможным одновременно (параллельно) передавать несколько сигналов. Если эти сигналы представляют различные биты передаваемых данных, то повышается скорость информационного обмена. Если же сигналы представляют один и тот же бит данных - то повышается надежность взаимодействия

Синхронизация. Для успешного декодирования непрерывный поток сигналов, направляемый передатчиком по физическому каналу, должен быть разделен принимающей стороной на «фрагменты», соответствующие битам данных. Естественно, что такое деление не может быть произвольным, а должно быть синхронизировано с отправителем.