Физический уровень модели OSI

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.

 

 

Физический уровень модели OSI

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

 

 

Среда передачи данных на физическом уровне

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. информция передается с большей скоростью и в большем диапазоне, на болбшии 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

физический уровень модели osi

 

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» поломы ослабевают очень сильно
4) возникает шум, который добавляясь к полезному сигналу может вызывать ошибки

передача сигнала по сети

 

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.

 

передача сигнала с изменением несущей

(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.