Физический уровень

Физический уровень — это самый нижний уровень эталонной модели взаимодействия открытых систем (OSI), отвечающий за передачу неструктурированного битового потока (последовательности нулей и единиц) по физической среде между двумя узлами сети. Он определяет электрические, механические, процедурные и функциональные характеристики интерфейса между устройством и каналом связи, а также параметры самой среды передачи.

Функции и задачи

Основная функция физического уровня — обеспечение надёжной передачи битов от отправителя к получателю. В рамках этой функции решаются следующие задачи:

• Установление и разъединение соединения: инициализация и завершение физического канала связи между двумя непосредственно соединёнными узлами.
• Кодирование и декодирование сигналов: преобразование цифровых данных (битов) в электрические, оптические или радиосигналы, пригодные для передачи по конкретной среде, и обратное преобразование.
• Синхронизация на битовом уровне: обеспечение согласованной работы тактовых генераторов передатчика и приёмника для правильной интерпретации длительности и границ каждого бита.
• Управление скоростью передачи: задание и согласование скорости передачи данных (битрейта), определяемой характеристиками среды и интерфейса.
• Определение состояния канала: мониторинг доступности линии связи (например, определение «несущей» в Ethernet) и управление потоком на физическом уровне (например, сигналы RTS/CTS в RS-232).
• Обнаружение конфликтов (коллизий): в некоторых типах сетей (например, классический Ethernet на коаксиальном кабеле) физический уровень участвует в выявлении одновременной передачи данных несколькими устройствами.

Стандартизация

Физический уровень регламентируется множеством международных и национальных стандартов, разрабатываемых, в частности, такими организациями, как:

• ITU-T (Сектор стандартизации электросвязи Международного союза электросвязи): стандарты серий V (для передачи по телефонным линиям) и X (для передачи данных по сетям общего пользования), а также G (для цифровых систем передачи, например, SDH).
• ISO (Международная организация по стандартизации): стандарты на разъёмы, интерфейсы (например, ISO 2110 для разъёма DB-25).
• IEEE (Институт инженеров электротехники и электроники): семейство стандартов 802.3 (Ethernet), 802.11 (Wi-Fi), 802.15 (Bluetooth, Zigbee). Эти стандарты определяют не только физический, но и канальный уровень, однако детально описывают физическую среду и методы кодирования.
• ANSI (Американский национальный институт стандартов): стандарты на интерфейсы Fibre Channel, FDDI и другие.

Характеристики среды передачи

Физический уровень определяет три группы характеристик среды передачи.

1. Тип среды передачи

Среда передачи классифицируется на проводную и беспроводную.

• Проводные среды:
• Коаксиальный кабель: состоит из центрального проводника, изоляции, металлической оплётки и внешней оболочки. Использовался в ранних версиях Ethernet (10BASE2, 10BASE5) и сетях кабельного телевидения. Обеспечивает хорошую помехозащищённость.
• Витая пара (Twisted Pair): состоит из нескольких пар изолированных медных проводников, скрученных для уменьшения взаимных наводок. Наиболее распространена в современных локальных сетях (Ethernet). Делится на неэкранированную (UTP) и экранированную (STP, FTP). Категории кабеля (Cat5e, Cat6, Cat6a, Cat7) определяют максимальную частоту сигнала и скорость передачи (от 100 Мбит/с до нескольких десятков Гбит/с на расстояниях до 100 метров).
• Оптическое волокно: состоит из сердцевины из кварцевого стекла, через которую распространяется свет, и оболочки с меньшим показателем преломления. Передача осуществляется световыми импульсами (лазерными или светодиодными). Характеризуется высокой помехозащищённостью, огромной пропускной способностью (до сотен Гбит/с и более) и дальностью передачи (десятки километров). Делится на одномодовое (для передачи одного луча лазера) и многомодовое (для передачи нескольких лучей светодиода).

• Беспроводные среды:
• Радиоволны: используются в сетях Wi-Fi (частоты 2,4 ГГц, 5 ГГц, 6 ГГц), Bluetooth, сотовой связи (GSM, LTE, 5G). Скорость и дальность сильно зависят от частоты, мощности передатчика, помех и препятствий.
• Инфракрасное излучение: используется в пультах дистанционного управления и некоторых типах беспроводных соединений (IrDA). Требует прямой видимости.
• Микроволны: используются для спутниковой связи и радиорелейных линий связи.

2. Типы сигналов и кодирование

Физический уровень определяет способ представления битов в виде сигналов.

• Потенциальное кодирование: бит представляется уровнем напряжения (или тока). Пример: NRZ (Non Return to Zero) — высокое напряжение — «1», низкое — «0».
• Импульсное кодирование: бит представляется импульсом (перепадом напряжения) или его отсутствием. Пример: Manchester (Манчестер) — «1» — перепад от высокого к низкому, «0» — от низкого к высокому. Используется в Ethernet 10BASE-T.
• Блочное кодирование: группа из m исходных бит заменяется группой из n (n > m) бит для обеспечения самосинхронизации и баланса постоянной составляющей. Примеры: 4B/5B (FDDI), 8B/10B (Gigabit Ethernet) с последующим NRZI-кодированием.
• Модуляция: для беспроводных сред биты передаются путём изменения параметров несущей волны — амплитуды (ASK), частоты (FSK) или фазы (PSK). В современных сетях используются сложные комбинированные схемы (QAM — квадратурная амплитудная модуляция).

3. Описание среды: топология, разъёмы, длины

Стандарты физического уровня фиксируют типы используемых разъёмов (RJ-45, LC, SC, BNC), максимальные длины сегментов кабеля, допустимые затухания сигнала и параметры топологии (звезда, шина, кольцо). Например, стандарт 1000BASE-T (Gigabit Ethernet по витой паре Cat5e) определяет разъём RJ-45, максимальную длину сегмента 100 метров и использование всех четырёх пар кабеля с одновременной двунаправленной передачей (full-duplex).

Примеры реализации

Наиболее показательными примерами реализации физического уровня являются:

• Fast Ethernet (100BASE-TX): использует витую пару категории 5, разъёмы RJ-45, 4B/5B-кодирование с последующим MLT-3 (многоуровневой передачей), полный дуплекс, максимальная длина сегмента 100 метров.
• Wi-Fi (IEEE 802.11ax, или Wi-Fi 6): использует радиочастоты 2,4/5/6 ГГц, OFDMA-модуляцию (множественный доступ с ортогональным частотным разделением), схемы кодирования MCS (Modulation and Coding Scheme) с QAM-1024, поддержку MIMO (Multiple Input Multiple Output — технология использования нескольких антенн для передачи и приёма данных).
• Стандарт RS-232 (COM-порт): описывает физический интерфейс для последовательной передачи данных между двумя устройствами (DCE и DTE). Определяет разъёмы DB-9/DB-25, уровни напряжения (±3…±15 В, «1» — отрицательное напряжение, «0» — положительное), максимальную длину кабеля (около 15 метров при 20 кбит/с) и процедурные сигналы обмена (RTS, CTS, DSR, DCD, RI).

Критика и ограничения

Концепция физического уровня в модели OSI подвергалась критике за излишнюю детализацию, так как на практике часто невозможно отделить его от подуровня MAC (Media Access Control — управление доступом к среде) канального уровня. Например, в Ethernet коллизии обнаруживаются на физическом уровне, а управление потоком — на подуровне MAC. Кроме того, многие современные технологии (такие как Wi-Fi) интегрируют функции физического и канального уровней в едином устройстве (чипсете) и стандарте (IEEE 802.11). Тем не менее, модель OSI и выделение физического уровня остаются полезной абстракцией для понимания принципов построения и проектирования сетей передачи данных.

Источники

1. Таненбаум Э., Уэзеролл Д. Компьютерные сети. 5-е издание. — СПб.: Питер, 2012.
2. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. 5-е издание. — СПб.: Питер, 2016.
3. Стандарты IEEE 802.3-2018 и IEEE 802.11-2020. — IEEE, 2018/2020.
4. Рекомендации ITU-T серий G.703, X.21, V.24. — ITU, 1990-е – 2020-е гг.