Приветствую, коллеги! Меня зовут ProstoKirReal, и сегодня я хочу обсудить с вами физический уровень (L1) модели OSI. Понимание этого уровня является основополагающим для всех, кто только начинает свой путь в сетевых технологиях.
❯ Что такое физический уровень?
Физический уровень (Physical Layer) — это первый и самый низкий уровень модели OSI. Он отвечает за передачу необработанных битов данных по физическим средствам связи, таким как кабели и радиоволны. Этот уровень определяет электрические, механические, процедурные и функциональные характеристики для активации, поддержания и деактивации физических соединений между конечными системами.
Для начала необходимо понять, а что же такое бит данных. Я в первые месяцы работы очень часто путался в понятиях бит и байт.
Бит и байт — это две основные единицы измерения информации в компьютерных системах. Разница между ними заключается в следующем:
❯ Бит
- Определение: бит (bit) является наименьшей единицей информации в компьютерных системах.
- Значение: может принимать одно из двух значений: 0 или 1. Эти значения часто интерпретируются как «включено» или «выключено», «истина» или «ложь».
- Использование: используется для представления двоичной информации и операций на уровне аппаратного обеспечения.
❯ Байт
- Определение: байт (byte) состоит из 8 битов.
- Значение: может представлять 256 различных значений (от 0 до 255 в десятичной системе или от 00 до FF в шестнадцатеричной системе).
- Использование: широко используется для представления данных, таких как символы в текстовых файлах. Например, каждый символ в стандарте ASCII кодируется одним байтом.
Примерное сравнение:
- Бит: 0 или 1
- Байт: 8 битов (например, 01101010)
Для запоминания есть старая шутка:
Штирлиц поругался с посетителем бара и вышел с ним 1 на 1. На выходе он увидел 8 человек с битами. «Один байт равно 8 бит», — подумал Штирлиц
Выше я писал о двоичной и шестнадцатеричной системе. А для чего они?
На двоичной системе общаются между собой различные сетевые устройства, компьютеры и т.д.
А что же делать нам обычным людям? Даже простые данные в двоичной системе выглядят очень громоздко.
К примеру предложение «Hello, world!» выглядит как 01001000 01100101 01101100 01101100 01101111 00101100 00100000 01110111 01101111 01110010 01101100 01100100 00100001.
Для повышения читаемости таких массивов данных используют шестнадцатеричную систему. К примеру, предложение «Hello, world!» выглядит как 48 65 6C 6C 6F 2C 20 77 6F 72 6C 64 21.
Уже читабельнее?
То есть 1 бит – 0, 1 байт – 01001000, в 16-ричной 1 байт – 48.
Шестнадцатеричная система счисления — это удобный, компактный и общепринятый способ представления двоичных данных в компьютерных сетях и других областях информатики. Она позволяет инженерам и программистам эффективно работать с данными, обеспечивая при этом легкость преобразования и улучшенную читаемость.
❯ Преимущества шестнадцатеричной системы
- Удобство преобразования: простое преобразование между шестнадцатеричной и двоичной системами.
- Краткость записи: значительно более короткие записи по сравнению с двоичной системой.
- Повышенная читаемость: легче для восприятия и анализа при работе с низкоуровневыми данными.
- Принятость в стандартах: широко используется в сетевых и компьютерных стандартах.
Сложно? Еще немного и доберемся до L1.
Еще одно понятие, которое нам будет необходимо для понимания.
❯ Пакет данных
Пакет данных —это набор информации, который передается между устройствами в компьютерных сетях. Он содержит данные, такие как текст, изображения, аудио или видео, и информацию о том, куда и откуда эти данные должны быть отправлены. Пакеты данных играют ключевую роль в передаче информации через сети.
Пакет служит нам для передачи информации от компьютера к компьютеру. Вообще это отдельная тема для разговора, после модели OSI займусь написанием статьи про пакеты данных.
Если вкратце, то данные, которые нам необходимо передать по сети, делятся на несколько частей. Далее к этим данным добавляется специальный заголовок (необходимый для передачи пакетов по сети) и этот пакет с данными передается по сети в виде электрических или световых сигналов.
Итак, про L1 уровень.
За преобразование битов данных на первом уровне отвечают сетевые карточки в компьютерах и серверах, за передачу пакетов по сети используются SFP модули в таких сетевыех устройствах, как коммутаторы, маршрутизаторы и т.д.
❯ Основные функции физического уровня
Передача битов: Физический уровень определяет способ передачи битов данных по физическому носителю, будь то медные кабели, оптоволоконные кабели или беспроводные каналы.
Медные кабели передают информацию с помощью электрических сигналов, бывают 1G и 10G медные кабели, типа витая пара. Я был удивлен о наличии 10G меди.
Оптоволоконные кабели передают информацию с помощью световых сигналов.
Беспроводные соответственно передают информацию без проводов, по средством радиоволн.
Модуляция и демодуляция: Преобразование цифровых данных в аналоговые сигналы и обратно.
Модуляция и демодуляция — это процессы, используемые для передачи цифровых данных через аналоговые среды, такие как радиоволны, телефонные линии или оптоволоконные кабели. Эти процессы играют ключевую роль в современных коммуникационных системах, включая интернет, мобильные сети и телевидение.
❯ Модуляция (Modulation)
Модуляция — это процесс преобразования цифровых данных (битов) в аналоговые сигналы, которые могут быть переданы через аналоговую среду.
❯ Демодуляция (Demodulation)
Демодуляция — это процесс обратного преобразования аналоговых сигналов в цифровые данные. Демодулятор принимает модулированный аналоговый сигнал и извлекает из него оригинальные цифровые данные.
❯ Важность модуляции и демодуляции
- Эффективная передача данных: модуляция позволяет передавать цифровые данные через аналоговые среды, такие как телефонные линии и радиоволны, которые имеют ограниченную пропускную способность и подвержены шуму.
- Совместимость: благодаря модуляции цифровые системы могут быть совместимы с существующей аналоговой инфраструктурой.
- Устойчивость к помехам: различные методы модуляции могут быть более устойчивы к различным типам помех и шумов, что улучшает качество передачи данных.
- Повышение пропускной способности: использование сложных методов модуляции, таких как QAM, позволяет передавать больше данных за один цикл, что увеличивает общую пропускную способность канала связи.
Модуляция и демодуляция — это ключевые процессы, которые позволяют передавать цифровые данные через аналоговые среды, обеспечивая эффективную, надежную и высокоскоростную связь.
Электрические характеристики: определение напряжений, токов и частот, используемых для передачи данных.
Напряжение определяет разницу потенциалов между двумя точками сети. В сетях передачи данных, например, в Ethernet, используются различные уровни напряжения для кодирования цифровых данных. Низкое напряжение может быть интерпретировано как бит «0», а высокое — как бит «1».
- Ток — это поток заряженных частиц через проводник. В сетях передачи данных, таких как Ethernet, ток используется для переноса информации. Изменения в токе могут интерпретироваться как изменения битовых значений данных. Потребляемый ток также определяется сопротивлением проводников и устройств, через которые проходят данные.
- Частота определяет скорость, с которой данные передаются через сеть. В сетях Ethernet и других сетях передачи данных частота определяет скорость передачи данных, измеряемую в битах в секунду (бит/с). Например, Ethernet может иметь частоту 100 МГц или 1 ГГц, что определяет максимальную скорость передачи данных по сети.
Механические характеристики: определение физического соединения, разъемов и кабелей.
Физическое соединение (Physical Connection): — это способ, которым устройства в сети физически соединяются друг с другом. Физическое соединение может включать в себя различные типы кабелей, разъемов и портов. Например, в локальных сетях (LAN) устройства часто соединяются с помощью кабелей Ethernet.
Разъемы (Connectors): — это физические интерфейсы, которые позволяют подключать кабели к сетевым устройствам. Существует множество типов разъемов, каждый из которых предназначен для определенных типов кабелей и протоколов. Например:
- RJ45: используется для подключения витой пары Ethernet.
- LC/SC: используются в оптоволоконных сетях.
Разъемы обеспечивают надежное и стандартизированное подключение, которое гарантирует совместимость устройств.
Кабели (Cables): — это физические носители, по которым передаются данные. Тип кабеля определяет скорость передачи данных, расстояние, на которое данные могут быть переданы, и среду, в которой кабель может использоваться. Основные типы кабелей включают:
- Витая пара (Twisted Pair): наиболее распространенный тип кабеля для локальных сетей. Включает неэкранированную витую пару (UTP) и экранированную витую пару (STP).
- Оптоволоконный кабель (Fiber Optic Cable): используется для высокоскоростных соединений на большие расстояния. Передает данные с помощью световых импульсов.
- Каждый тип кабеля имеет свои характеристики, такие как пропускная способность, устойчивость к помехам и максимальное расстояние передачи.
❯ Примеры механических характеристик в сети Ethernet
- Разъем RJ45: используется для подключения кабелей Ethernet к сетевым устройствам, таким как маршрутизаторы, коммутаторы и сетевые карты.
- Оптоволокно с разъемами LC/SC: используется как для высокоскоростных магистральных соединений и соединений на большие расстояния, так и на небольшие расстояния (как разъемы RJ).
❯ Почему это важно
Механические характеристики важны для обеспечения надежного и эффективного соединения между устройствами в сети. Они влияют на:
- Совместимость: использование стандартизированных разъемов и кабелей гарантирует, что устройства могут быть подключены и будут работать вместе.
- Производительность: тип и качество кабелей и разъемов могут влиять на скорость передачи данных и стабильность соединения.
- Устойчивость к помехам: экранированные кабели и правильные разъемы могут снижать воздействие электромагнитных помех и улучшать качество связи.
- Физическая защита и долговечность: надежные разъемы и кабели обеспечивают долговечность и надежность физического соединения, что особенно важно в промышленных и коммерческих сетях.
- Физическая топология: определение расположения и соединения сетевых устройств.
- Физическая топология сети определяет физическое расположение и соединение сетевых устройств, таких как компьютеры, маршрутизаторы, коммутаторы и кабели. Это важный аспект проектирования и управления сетью, поскольку он влияет на производительность, масштабируемость, надежность и управляемость сети.
Давайте рассмотрим основные типы физической топологии и их характеристики.
❯ Основные типы физической топологии
1. Шинная топология (Bus Topology)
В этой топологии все устройства подключены к одному общему кабелю (шине). Передача данных осуществляется по этому кабелю, и все устройства могут получать эти данные.
Преимущества:
- Простота установки и низкая стоимость.
- Легкость добавления новых устройств.
Недостатки:
- Ограниченная длина кабеля и количество подключаемых устройств.
- Поломка кабеля приводит к выходу всей сети из строя.
- Низкая производительность при большом количестве устройств.
2. Звездообразная топология (Star Topology)
Все устройства подключены к центральному узлу (коммутатору или концентратору). Центральный узел управляет передачей данных между устройствами.
Преимущества:
- Высокая производительность, так как данные передаются через центральный узел.
- Простота управления и обнаружения неисправностей.
- Поломка одного устройства или кабеля не влияет на работу всей сети.
Недостатки:
- Зависимость от центрального узла: если он выходит из строя, вся сеть перестает работать.
- Более высокая стоимость из-за необходимости в центральном узле и большем количестве кабелей.
3. Кольцевая топология (Ring Topology)
Устройства соединены в кольцо, и каждый узел связан с двумя соседними узлами. Данные передаются по кольцу от одного устройства к другому.
Преимущества:
- Равномерное распределение нагрузки между узлами.
- Отсутствие коллизий при передаче данных.
Недостатки:
- Поломка одного устройства или кабеля нарушает работу всей сети.
- Сложность добавления новых устройств.
4. Ячеистая топология или сетчатая (Mesh Topology)
В этой топологии каждое устройство подключено ко всем другим устройствам. Существует полносвязная ячеистая топология, где все устройства напрямую соединены друг с другом, и частичная ячеистая топология, где некоторые устройства соединены не напрямую.
Преимущества:
- Высокая надежность: сбой одного устройства или кабеля не влияет на работу всей сети.
- Высокая производительность и минимальная задержка.
Недостатки:
- Высокая стоимость и сложность установки.
- Сложность управления и обслуживания.
5. Древовидная топология (Tree Topology)
Комбинация звездной и шинной топологий. Устройства соединены в группы, которые, в свою очередь, соединены центральными узлами.
Преимущества:
- Иерархическая структура упрощает управление.
- Легкость масштабирования сети.
Недостатки:
- Зависимость от центральных узлов.
- Более сложная установка по сравнению с простой звездной топологией.
❯ Почему физическая топология важна?
- Производительность: различные топологии предлагают разные уровни производительности и могут справляться с разными объемами трафика.
- Надежность: топология влияет на устойчивость сети к сбоям. Некоторые топологии более устойчивы к поломкам отдельных устройств или кабелей.
- Масштабируемость: разные топологии по-разному справляются с добавлением новых устройств и расширением сети.
- Управляемость: некоторые топологии проще в управлении и диагностике неисправностей.
- Стоимость: стоимость установки и обслуживания сети зависит от выбранной топологии, так как разные топологии требуют разного количества кабелей и оборудования.
Физическая топология сети играет ключевую роль в проектировании, управлении и обслуживании сетевых систем, обеспечивая оптимальную производительность и надежность.
Основные технологии
- Кабели и разъемы: RJ45, оптоволоконные кабели, коаксиальные кабели.
- Электрические характеристики: RS-232, V.35, 100BASE-TX, 10BASE-T.
- Беспроводные стандарты: 802.11 (Wi-Fi), Bluetooth.
Основные стандарты
- RS-232: стандарт для последовательного обмена данными. (это не разъем как обычно считают, DE-9 это разъем, а RS-232 это стандарт)
- V.34: стандарт для модемов, который определяет методы модуляции для передачи данных по телефонным линиям со скоростью до 33.6 Кбит/с.
- 100BASE-TX: стандарт для передачи данных по витой паре на скорости 100 Мбит/с.
- 802.11: набор стандартов для беспроводных сетей.
Применение физического уровня на практике
На практике физический уровень используется для создания и поддержания физических соединений между сетевыми устройствами. Например, когда вы подключаете компьютер к маршрутизатору с помощью Ethernet-кабеля, вы взаимодействуете с физическим уровнем. Важно понимать, что любые проблемы с кабелями или разъемами на этом уровне могут приводить к сбоям в передаче данных.
❯ А что будет с данными если отключить кабель?
Отключение сетевого кабеля и его влияние на уровни сетевой модели
Когда сетевой кабель выдергивается, это затрагивает только физический уровень сетевой модели OSI, но как это влияет на работу протоколов TCP/IP?
Физический уровень (Physical Layer)
Физический уровень отвечает за передачу данных по физической среде, такой как медный кабель или оптоволокно. Когда сетевой кабель отключается, устройства на этом уровне теряют способность передавать сигналы. Этот уровень может распознать, что кабель выдернут, так как электрический или оптический сигнал больше не поступает.
Канальный уровень (Data Link Layer) (подробнее о данном уровне в следующей статье)
Канальный уровень взаимодействует непосредственно с физическим и управляет доступом к среде передачи данных, обнаружением ошибок и управлением потоком. При отключении кабеля сетевой интерфейс, например, Ethernet, сигнализирует об ошибке, такой как «link down». Это событие фиксируется на этом уровне, но не обязательно передается выше.
TCP/IP и вышележащие протоколы
Протоколы стека TCP/IP (такие как TCP, UDP, IP) работают на более высоких уровнях и не имеют прямого доступа к информации о физическом состоянии соединения. Они оперируют виртуальными представлениями сети, предоставляемыми нижележащими уровнями. Поэтому, когда кабель отключается, TCP/IP не узнает об этом напрямую, если информация о разрыве соединения не передается с более низких уровней.
Механизмы обнаружения обрыва соединения
Для того чтобы протоколы верхнего уровня, такие как TCP, могли узнать о разрыве соединения, используются специальные механизмы:
- KeepAlive: после установления соединения и при включенной опции KeepAlive, TCP начинает отправлять небольшие контрольные пакеты по истечении определенного времени бездействия. Если определенное количество пакетов KeepAlive не получает ответа, TCP считает соединение недействительным и инициирует его разрыв.
- Тайм-ауты: TCP пакеты имеет встроенные механизмы тайм-аутов, которые позволяют определить, что данные не были доставлены в течение определенного времени. В случае тайм-аута TCP предпринимает попытку повторной передачи данных или разрыва соединения.
Когда сетевой кабель отключается, это сначала обнаруживается на физическом и канальном уровнях сети. Однако, если информация об отключении не передается выше, протоколы TCP/IP не узнают об этом напрямую. Для решения этой проблемы в TCP предусмотрены механизмы, такие как KeepAlive и тайм-ауты, которые помогают обнаружить потерю соединения и принять соответствующие меры. Эти механизмы обеспечивают надежность и устойчивость работы сетевых приложений, даже при физических сбоях в сети.
❯ Заключение
Физический уровень модели OSI является основой для всех остальных уровней. Без надежного физического соединения остальные уровни не смогут выполнять свои функции. Понимание работы физического уровня поможет вам эффективно устранять неисправности и оптимизировать работу сетевых устройств.
В следующей статье мы рассмотрим канальный уровень (L2) и его роль в сетевом взаимодействии.
Спасибо за внимание, и до встречи в следующей статье!
