Физический уровень модели OSI является первым и основным уровнем модели, описывающей принципы функционирования сети. Фактически она не используется поскольку пока происходило оформление модели практически был реализован аналог — TCP/IP. Но для теоретического понимания всех происходящих в сети процессов используется именно OSI.
Модель предполагает наличие 7 уровней: от физического до уровня приложений. Самый нижний рассматривает каким образом данные передаются в физической среде: по проводу или с использованием беспроводных технологий.
В рамках материала будут рассмотрены основные понятия, необходимые для базового понимания физического уровня. Также будет представлена характеристика каждой из сред передачи: медного кабеля, оптоволокна, беспроводной среды.
Основные понятия:
Задержка в доставке пакета:
1) Transmission delay — время затрачиваемое на то, чтобы поместить пакет «в канал»
T (delay) = M/R
M — количество бит
R — полоса пропускания бит/сек
2) Propagation delay — время распространения сигнала и передачи его по сети
P-delay = Length/(2/3c) = D
c — скорость света
Формула актуальная для большинства сред передачи, для оптоволокна в знаменателе скорость света
Задержка в доставке пакета таким образом:
L = M/R + D
D — задержка в доставке пакета в секундах
Пример расчета задержки №1
Имеем магистральную линию D=50 мс, R=10 Мб/с, M=1250 байт
L = M/R + D
L = 50 + 1250*8/(10*(10^6)) = 51 мс
Почти вся задержка приходится на T (delay)
Пример расчета задержки №2
Диалап соединение
D=5 мс, R=56 Кб/с, M=1250 байт
L = M/R + D = 5 мс + (1250*8/(56 * (10^3))) = 184 мс
Большая часть задержки приходится на P-delay
Также существует понятие BD (bandwidth-delay) — количество данных передаваемых по каналу.
BD = R * D
Измеряется в битах, значение будет небольшим для LAN-ов, и большим для магистральных линий
Физический уровень модели osi — среда передачи данных
Существует три возможные опции:
— кабель
— оптоволокно
— wireless
1) кабель
STP — shielded twisted pair
UTP — unshielded twisted pair
Коаксиальный кабель: медный сердечник, изоляционный материал, внешний слой проводника, защитная пластиковая оболочка. Дает выигрыш в производительности — т.е. информация передается с большей скоростью и в большем диапазоне, на большие дистанции
2) оптическое волокно — среда представляет собой канал из отражающего материала, по которому передается свет. у источника находится светодиод или лазер, приемник представляет собой светодетектор. Оптоволокно обеспечивает максимальную скорость передачи данных и минимальное их искажение
single mode — в кабеле один сердечник из светоотражающего материала, для передачи данных на расстояние до 100 км
multi mode — в кабеле несколько сердечников, каждый имеет свою изоляцию
3) wireless — отправитель распространяет сигнал во всех направлениях в пределах радиуса действия используемого оборудования. потенциально может быть множество получателей сигнала, сигналы передаются на разных частотах и могут конфликтовать
WiFi может использовать следующие диапазоны частотного спектра (наряду с 3G — диапазоны относятся к нелицензируемым и могут использоваться свободно, они называются ISM):
902-928 MHz
2.4 — 2.4835 GHz — частоты используются для 802.11 b/g/n
5.25 — 5.35 GHz
5.47 — 5.725 GHz — частоты используются для 802.11 a/g/n
5.725 — 5.825 GHz
Как сигналы распространяются по кабелю и другим средам передачи
Физический уровень модели OSI описывает принципы передачи информации в виде электрических сигналов. Любой же цифровой сигнал, с которым работает большая часть современной техники — последовательность нулей и единиц.
Сигнал, распространяющийся во времени может быть представлен в частотном диапазоне в виде ряда Фурье
Колебания могут быть представлены как в виде временной последовательности, так и в виде веса частотных гармоник с меняющейся амплитудой и фазой
Уменьшение полосы пропускания влечет деградацию сигнала поскольку сигнал меньшей частоты может быть передан с гораздо меньшей точностью
Для цифровой передачи данных достаточно средних частот на которых явно можно отличить 0 от 1, для аналоговой передачи необходима наибольшая возможная полоса пропускания
Что случается с сигналом при прохождении через среду
1) происходит задержка в передаче — распространяется сигнал со скоростью 2/3 скорости света
2) сигнал ослабевает поскольку передается на очень большие расстояния
3) частоты за пределами «обрезаемой» полуволны ослабевают очень сильно
4) возникает шум, который добавляясь к полезному сигналу может вызывать ошибки
В электронике 'полоса пропускания' — ширина частотного диапазона в Гц
В компьютерным технологиях «полоса пропускания» — способность передавать информацию в бит/сек
Для оптических линий условия сохраняются
Для WiFi сигналы передаются на несущей частоте — эта частота изменяется тем или иным способом для того чтобы на ней стала возможна передача представляющей ценность информации.
(много раз изменяется частота для того чтобы форма приблизилась к приведенной выше)
Ослабление WiFi сигнала происходит по формуле 1/(дистанция от передатчика)^2. Показатели могут ухудшаться из-за множества внешних факторов, таких как погодные условия и перегородки в помещении.
Если зона охвата WiFi передатчиков, работающих на одной частоте перекрывается — будет происходить наложение и приемник будет видеть несколько сигналов разной мощности. На стороне приемника при этом возможны сложности в работе, сигналы перекрываются и в некоторых случаях приемник не сможет принимать ни один из них корректно.
Беспроводная технология передачи данных гораздо сложнее из-за того, что распространение информации определяется средой и из-за того, что существует очень большая зависимость от частоты (для WiFi используются микрочастоты и многонаправленность).
Физический уровень модели OSI является основным, неполадки в работе сети часто связаны с обрывами проводов или отсутствием контакта на каком-то участке. Следующим уровнем модели является канальный.
Поверх физической среды передачи и среды L2 с коммутаторами и MAC адресами строится сеть TCP с ip адресами.