Физический уровень OSI

1. Физический уровень OSI KommunikationssystemePTI 815

2. Физический уровень OSI • Физический уровень - самый нижний уровень сетевой модели OSI, предназначен непосредственно для передачи потока данных. Осуществляет передачу электрических или оптических сигналов в кабель или в радиоэфир, их приём и преобразование в биты данных в соответствии с методами кодирования цифровых сигналов. Физический уровень осуществляет интерфейс между сетевым носителем и сетевым устройством. • На этом уровне работают сетевые платы, сетевые концентраторы, сетевые коммутаторы, модемы, повторители (ретрансляторы) сигнала, медиаконверторы.

3. Физический уровень OSI • Примеры: • IRDA • USB • RS-232, EIA-422, EIA-423, RS-449,RS-485 • Ethernet (включая 10BASE-T, 10BASE2, 10BASE5, 100BASE-TX, 100BASE-FX, 100BASE-T, 1000BASE-T, 1000BASE-SX и другие) • 802.11Wi-Fi • Bluetooth • DSL • GSM • Firewire

4. Физический уровень OSI • Физический уровень OSI определяет стандарты в четырех областях: • Физические и электрические свойства среды • Механические свойства (материалы, размеры, вывода) разъемов • Битовое представление сигналов (кодирование) • Формирование управляющих информационных сигналов

5. Физический уровень OSI • Физически уровень реализуется аппаратно, параметры оборудования разрабатываются инженерами в виде электрических схем, описания параметров среды передачи, и параметров физических разъемов • Технологии определяются такими организациями как: • The International Organization for Standardization (ISO) • The Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) • The American National Standards Institute (ANSI) • The International Telecommunication Union (ITU) • The Electronics Industry Alliance/Telecommunications Industry Association (EIA/TIA) • National telecommunications authorities such as the Federal Communication Commission (FCC) in the USA.

6. Физический уровень OSI • Три основные функции физического уровня: • Физические компоненты • Кодирование данных • Signaling • Физические элементы – это электронное оборудование, среда передачи, и коннекторы, используемые для передачи сигнала • Кодирование – метод конвертации потока бит данных в определенный код. Коды – группы бит, одинаково трактуемые приемником и передатчиком. • Использование определенных паттернов позволяет выполнять контроль ошибок при передаче • Методы кодирования содержат коды для передачи управляющей информации (напр. обозначение начала и конца фрейма). • Signaling - физический уровень генерирует электрические, оптические, электромагнитные сигналы, представляющие логические «0» и «1». Метод представления бит называется «signaling method». Стандарт физического уровня устанавливает, какой тип сигнала представляет «0», и какой «1»

7. Физический уровень OSI Источник: «Программа сетевой академии Cisco CCNA ½», М.: Санкт-Петербург, 2008

8. Физический уровень OSI Коннекторы Сигналы Кабели Источник: «Программа сетевой академии Cisco CCNA ½», М.: Санкт-Петербург, 2008

9. Signaling • Передача фрейма на физическом уровне происходит побитово (передается в виде потока следующих друг за другом бит информации) • Каждый бит на физическом уровне представляется в виде сигнала • Каждый сигнал имеет определенную продолжительность во времени, называемую битовое время (eng. bit time) • При отправке фрейма в начале и конце посылаются предопределенные паттерны, определяющие начало и конец фрейма • Для синхронизации передатчика и приемника используется тактовый сигнал (eng. clock)

10. Signaling • При кодировании бит могут быть использованы следующие характеристики сигнала: • Амплитуда • Частота • Фаза Источник: «Программа сетевой академии Cisco CCNA ½», М.: Санкт-Петербург, 2008

11. Signaling • Примеры signaling methods: • NRZ – (Non-Return to Zero) – 0/1 представляются в виде напряжений различного уровня • используется только на низкоскоростных линиях Источник: «Программа сетевой академии Cisco CCNA ½», М.: Санкт-Петербург, 2008

12. Signaling • Манчестерское кодирование – 0 представляется в виде перепада напряжения с высокого на низкое в середине тактового интервала, 1 – перепад напряжения с низкого на высокий уровень. • Применяется в сетях со скоростью до 10 Мбит/с (10BaseT Ethernet) Источник: «Программа сетевой академии Cisco CCNA ½», М.: Санкт-Петербург, 2008

13. Кодирование • При использовании кодирования достигается более высокая скорость передачи данных • Позволяет выявлять и корректировать ошибки при передаче • Позволяет определить начало-конец фрейма, игнорируя шумы • Кодирование может осуществляться как на физическом, так и на Data Link-уровне

14. Кодирование Распознавание фрейма в сигнале Источник: «Программа сетевой академии Cisco CCNA ½», М.: Санкт-Петербург, 2008

15. Кодирование • Физический уровень может использовать набор закодированных символов – группу кодирования (eng. group codes) • Группа кодирования – последовательность кодовых бит, декодируемая в определенный битовый паттерн. • Пример: последовательность кодовых бит 10101 может представлять биты данных 0011 • Использование кодовых групп позволяет: • Уменьшить количество ошибок передачи • Ограничить затраты энергии при передачи данных • Отличить управляющие биты от бит данных • Лучшее определение (детектирование) ошибок

16. Кодирование • Пример метода кодирования 4B/5B: • 4 бита данных преобразуются в 5-битовый код (т.н. символ) для передачи по сети. • 4B/5B содержит дополнительные управляющие последовательности • Избыточность кода позволяет повысить скорость передачи • 4B/5B гарантирует как минимум одно изменение уровня на символ, для обеспечения лучшей синхронизации • 16 из возможных 32 символов отведены под биты данных, 6 символов используются как управляющие, и 10 не используются

17. Кодирование

18. Физический уровень OSI • Физический уровень передает данные в разной среде с различной скоростью • => Три способа измерения скорости: • Bandwidth • Throughput • Goodput

19. Физический уровень OSI • Bandwidth – измеряет количество информации, которая может быть передана с одного места в другое за единицу времени. • Измеряется в килобитах/мегабитах в секунду (kpbs/Mbps) • Ширина канала в сети зависит от комбинации факторов: • свойства физической среды • технология signaling и детектирования сигнала

20. Физический уровень OSI • Throughput – измерение количества передаваемых бит в единицу времени. • Вследствие некоторых факторов, throughput и bandwidth часто имеют различные значения. • Не может быть выше, чем скорость самого медленного сегмента сети • Goodput– объем пользовательских данных, передаваемых в единицу времени. • Goodput измеряет эффективную скорость передачи данных между уровнями приложения (напр. между веб-сервером и браузером) • Goodput= throughput - overhead (установка сессии, синхронизация, и т.д.). • Пример: В сети с bandwidth 100 Mbpsвследствии избыточности throughput между компьютерами составляет в среднем 60 Mbps. Актуальная скорость передачи с учетом инкапсуляции между компьютерами goodput составляет только 40Mbps.

21. Физический уровень OSI Источник: «Программа сетевой академии Cisco CCNA ½», М.: Санкт-Петербург, 2008

22. Физическая среда передачи • Стандарты физического уровня для среды передачи определяют следующие параметры: • Тип используемого кабеля • Ширина канала • Типы используемых разъемов • Цветовые коды проводов • Максимальную дистанцию передачи

23. Физическая среда передачи Стандарты Ethernet

24. Физическая среда передачи Стандарты Wireless

25. Физическая среда передачи • Основные виды проводов: • Коаксиальный кабель • Витая пара • Защищенная витая пара

26. Физическая среда передачи • Данные в кабелях передаются в виде электрических импульсов. • => Провода подвержены воздействию внешних наводок, вследствие чего могут возникать ошибки при передачи данных • Потенциальными источниками шума являются радиоволны, флуоресцентный свет, электромагнитные устройства, такие как электрические моторы и др. • Для минимизации шума применяются кабели с экранирующей обмоткой, либо с закрученными проводами • Восприимчивость кабеля к шуму может быть ограничена с помщью: • выбором типа кабеля, расчитанного под определенную окружающую среду • разработка инфраструктуры прокладки кабеля с учетом потенциальных источников шума в здании • надлежащее использование кабелей, преминение терминаторов

27. Физическая среда передачи • Витая пара (UTP - Unshielded twisted-pair) – кабель, состоящий из четырех пар цветных скрученных проводов, находящихся в гибкой пластиковой оболочке. • Используется в сетях Ethernet • Скручивание проводов помогает избежать наводок Источник: «Программа сетевой академии Cisco CCNA ½», М.: Санкт-Петербург, 2008

28. Физическая среда передачи • Электрические характеристика кабеля определяются в Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE). • IEEE разделяет UTP-кабели по категориям, в зависимости от качества и способности использовать более высокие скорости передачи • Пример: Кабель 5 категории (Cat5) используется в сетях 100BASE-TX FastEthernet. Для гигабитных сетей минимальная категория – 5 улучшенная (Cat5e), рекомендуется установка кабеля 6 категории. • UTP-кабель использует разъем RJ-45. Существует два стандарта подключения проводов в разъеме: • T568A • T568B

29. Физическая среда передачи • В зависимости от типа подключения, различают три вида кабеля: Источник: «Программа сетевой академии Cisco CCNA ½», М.: Санкт-Петербург, 2008

30. Физическая среда передачи Разъем RJ-45

31. Физическая среда передачи • Коаксиальный кабель – состоит из медного проводника, окруженного металлическим экраном и гибкой изоляцией. Источник: «Программа сетевой академии Cisco CCNA ½», М.: Санкт-Петербург, 2008

32. Физическая среда передачи • Коаксиальный кабель может использоваться для различных целей: • подключение антенн к радио-устройствам • передача высокочастотных сигналов (напр. телевидение) • использование в локальных сетях • HFC (Hybrid fiber coax) – метод подключения, при котором используется комбинирование оптоволоконного и коаксиального кабелей. • Коаксиальный кабель является более дорогим решением по сравнению с UTP

33. Физическая среда передачи • Защищенная витая пара(STP - Shielded Twisted-Pair) – кабель, использующий четыре пары проводов, пары помещаются в изоляцию, и все пары защищены экраном • имеет высокую помехоустойчивость • Используется в 10Gb-сетях. Источник: «Программа сетевой академии Cisco CCNA ½», М.: Санкт-Петербург, 2008

34. Физическая среда передачи • Оптоволокно – кабели, использующие в качестве провода стекло либо пластик, и передающие сигналы в виде импульсов света • Оптоволокно позволяет достигать большой скорости передачи данных • Возможно передавать сигнал на большие расстояния без регенерации сигнала • Недостатки: • Стоимость выше чем у медных кабелей • Необходимы специальные навыки для прокладки сети, сращивание кабелей • Требуют более бережного обращения

35. Физическая среда передачи • Оптический кабель состоит из PVC-оболочки и укрепляющих материалов, окружающих оптоволокно. • Внешнее покрытие предназначено для предотвращения потери света из волокна. • Для полнодуплексной передачи необходимы два световолокна Источник: «Программа сетевой академии Cisco CCNA ½», М.: Санкт-Петербург, 2008

36. Физическая среда передачи • Для приема-передачи сигналов используются эммитирующие светодиоды (LED) и фотодиоды, конвертирующие световые импульсы в электрические сигналы • Два типа кабелей: • single-mode • multimode

37. Физическая среда передачи • Кабель Single-modeпередает единичный импульс света, излучаемый лазером. • данный тип кабеля может передавать импульсы на очень большие дистанции • В Multimode-кабелепередается несколько световых импульсов со светодиодов, поляризованных под различными углами. • данный вид кабеля ограничен длиной из-за эффекта модальной дисперсии • Multimode-кабели с использованием LED-диодов являются более дешевыми, по сравнению с single-mode-кабелями, основанными на лазерах.

38. Физическая среда передачи Источник: «Программа сетевой академии Cisco CCNA ½», М.: Санкт-Петербург, 2008

39. Физическая среда передачи • Wireless – технология, использующая электромагнитные сигналы для представления двоичных передаваемых данных • Wireless-технологии работают на открытом пространстве, различные конструкции, постройки на территории могут ограничивать область покрытия • В отличие от других технологий, wireless-коммуникации нуждаются в механизмах, определяющих возможность доступа к среде передачи.

40. Физическая среда передачи • Стандарты IEEE для wireless описывают физический и DataLink-уровни модели OSI. К таким стандартая относятся: • IEEE 802.11 – так же называемый Wi-Fi – WLAN-технология, использующая метод Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance (CSMA/CA) для доступа к среде. • IEEE 802.15 - Wireless Personal Area Network (WPAN), известный как«Bluetooth» - используется для взаимодействия устройств на дистанциях от 1 до 100 метров. • IEEE 802.16 - Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX) – использует топологию point-to-multipoint для доступа к среде. • Global System for Mobile Communications (GSM) – содержит спецификацию GPRS для передачи данных между мобильными и сотовыми телефонами.

41. Wireless LAN • Wireless-технологии позволяют объединять устройства в локальную сеть LAN без проводов с использованием радиоволн. • Как правило, беспроводные сети включают в себя следующие устройства: • Wireless Access Point (AP)– получает пользовательские радио-сигналы, использует физическое подключение к существующей сети (через коаксиальный кабель либо витую пару), для предоставления хостам доступа к данной сети. • Wireless NIC-адаптер – Предоставляет возможность беспроводной коммуникации для хостов.

42. Wireless LAN • Стандарт Wireless LAN включает: • IEEE 802.11a– Работает на частоте 5 GHz и обеспечивает скорость до 54 Mbps. Т.к. стандарт работает на высоких частотах, может покрывать небольшие области и малоэффективен в областях с высокой застройкой • IEEE 802.11b– Работает на частоте 2.4 GHz и обеспечивает скорость до 11 Mbps. Устройства, реализующие этот стандарт, покрывают большие площади и лучше работают в застроенных местах по сравнению с устройствами на базе 802.11a. • IEEE 802.11g– Работает на частоте 2.4 GHz и обеспечивает скорость до 54 Mbps. Устройства, реализующие данный стандарт покрывают площадь, сравнимую со стандартом 802.11b и обеспечивают скорость стандарта 802.11a. • IEEE 802.11n– Стандарт работает с частотами 2.4 Ghzили5 GHz. Скорость передачи данных от 100 Mbps до210 Mbps, с дистанцией передачи до 70 метров.

43. Разъемы • Различные стандарты определяют различные виды разъемов для устройств. Эти стандарты определяют механические размеры разъемов, электрические свойства и т.д. • Один тип разъема может описывается в нескольких документах. Например: • СтандартISO 8877 описывает разъем RJ-45, используемый для витой пары в сетях, таких как Ethernet. • Стандарт EIA-TIA 568 описывает цветную маркировку (pinout)straight-through и crossover-кабелей.

44. Разъемы • Существует несколько типов разъемов для оптоволоконных кабелей: • Straight-Tip (ST)(торговая маркаAT&T) – разъем, широко используемый для multimode-кабеля. • Subscriber Connector (SC)– разъем, использующий механизм push-pull для обеспечения надежности соединения. Данный разъем широко используется для single-mode-кабелей. • Lucent Connector (LC) - небольшой разъем, получивший популярность для использования с single-mode-кабелями, так же поддерживающий multi-mode-кабели. • Подключение кабеля к разъему и сращивание оптоволоконного кабеля требуют определенных навыков. Некорректное присоединение кабеля к разъему может стать причиной ошибок в работе сети. Типичные ошибки при подключении разъема: • Misalignment – оптоволокно не точно выровнено при подключении • End gap – оптоволокно не полностью соприкасается с коннектором • End finish – поверхность плохо отполирована либо имеются царапины

45. Разъемы Источник: «Программа сетевой академии Cisco CCNA ½», М.: Санкт-Петербург, 2008