Эталонная модель OSI: оборудование уровня 1

Если вы хотите прочитать следующую часть этой серии статей, перейдите к эталонной модели OSI: аппаратное обеспечение уровня 2.

Эталонная модель Open System Interconnect (OSI) — это модель, разработанная Международной организацией по стандартизации (ISO), которая описывает, как данные из приложения на одном компьютере могут быть переданы в приложение на другом компьютере. Эталонная модель OSI состоит из семи концептуальных уровней, каждый из которых определяет различные сетевые функции. Каждая функция сети может быть назначена одному или, возможно, паре смежных уровней из этих семи уровней и относительно независима от других уровней. Эта независимость означает, что одному уровню не нужно знать, какова реализация соседнего уровня, достаточно знать, как с ним взаимодействовать. Это главное преимущество эталонной модели OSI и одна из основных причин, по которой она стала одной из наиболее широко используемых архитектурных моделей для межкомпьютерных коммуникаций.
Семь уровней эталонной модели OSI, как показано на рисунке 1, таковы:

• Заявление
• Презентация
• Сессия
• Транспорт
• Сеть
• Канал передачи данных
• Физический
  

Рисунок 1: Схема уровней эталонной модели OSI, предоставлена сайтом Catal.Washington.edu.

В следующих нескольких статьях я буду обсуждать каждый уровень модели и сетевое оборудование, относящееся к этому уровню. В этой статье, как вы, наверное, догадались из названия, речь пойдет о слое 1; физический уровень.
Хотя многие люди могут просто заявить, что все сетевое оборудование относится исключительно к физическому уровню, они ошибаются. Многие сетевые аппаратные устройства также могут выполнять функции, принадлежащие более высоким уровням. Например, сетевой маршрутизатор выполняет функции маршрутизации, принадлежащие сетевому уровню.
Что включает в себя физический уровень? Ну, физический уровень включает в себя фактическую передачу сигналов по среде от одного компьютера к другому. Этот уровень включает спецификации для электрических и механических характеристик, таких как: уровни напряжения, синхронизация сигналов, скорость передачи данных, максимальная длина передачи и физические разъемы сетевого оборудования. Чтобы устройство работало исключительно на физическом уровне, оно не должно знать о данных, которые оно передает. Устройство физического уровня просто передает или принимает данные.
Есть четыре основные функции, за которые отвечает физический уровень. Эти функции:

• Определения спецификаций оборудования
• Кодирование и сигнализация
• Передача и прием данных
• Топология и проектирование физической сети

Определения спецификаций оборудования

Каждая часть оборудования в сети будет иметь множество спецификаций. Если вы читали мою предыдущую статью под названием «Медь и стекло: руководство по сетевым кабелям» [связать этот заголовок с моей предыдущей статьей с таким же названием], вы узнаете о некоторых наиболее распространенных спецификациях, применимых к сетевым кабелям. Эти характеристики включают такие вещи, как максимальная длина кабеля, ширина кабеля, защита от электромагнитных помех и даже гибкость.
Другой областью технических характеристик оборудования являются физические разъемы. Это включает в себя форму и размер разъемов, а также количество контактов и расположение, если это необходимо.

Кодирование и сигнализация

Кодирование и сигнализация являются очень важной частью физического уровня. Этот процесс может стать довольно сложным. Например, давайте посмотрим на Ethernet. Большинство людей узнают, что сигналы отправляются в виде «1» и «0», используя высокий уровень напряжения и низкий уровень напряжения для представления двух состояний. Хотя это полезно для некоторых учебных целей, это неправильно. Сигналы по Ethernet передаются с использованием манчестерского кодирования. Это означает, что «1» и «0» передаются по мере нарастания и спада сигнала. Позволь мне объяснить.
Если бы вы отправляли сигналы по кабелю, где уровень высокого напряжения представляет собой «1», а сигнал низкого напряжения представляет «0», приемнику также необходимо было бы знать, когда производить выборку этого сигнала. Обычно это делается с помощью передачи отдельного тактового сигнала. Этот метод называется кодированием без возврата к нулю (NRZ) и имеет ряд серьезных недостатков. Во-первых, если вы включаете отдельный тактовый сигнал, вы фактически передаете два сигнала и удваиваете работу. Если вы не хотите передавать тактовый сигнал, вы можете включить в приемник внутренние часы, но они должны быть почти идеально синхронизированы с часами передатчика. Давайте предположим, что вы можете синхронизировать часы, что становится намного сложнее по мере увеличения скорости передачи, по-прежнему существует проблема сохранения этой синхронизации, когда передается длинный участок одного и того же бита; именно переходы помогают синхронизировать часы.
Ограничения кодирования NRZ можно преодолеть с помощью технологии, разработанной в 1940-х годах в Манчестерском университете [ссылка на http://www.manchester.ac.uk/] Манчестерского университета в Манчестере, Великобритания. Манчестерское кодирование объединяет тактовый сигнал с сигналом данных. Хотя это увеличивает пропускную способность сигнала, это также делает успешную передачу данных намного проще и надежнее.
Сигнал, закодированный в манчестерском коде, передает данные в виде нарастающего или спадающего фронта. Какое ребро представляет «1», а какое представляет «0», должно быть решено в первую очередь, но оба считаются сигналами, закодированными в Манчестере. В стандартах Ethernet и IEEE передний фронт используется как логическая «1». В исходной манчестерской кодировке задний фронт использовался как «1».
Одна ситуация, о которой вы можете подумать, заключается в том, что если вам нужно передать две «1» подряд, сигнал уже будет высоким, когда вам нужно передать вторую «1». Это не так, потому что нарастающий или спадающий фронт, который представляет данные, передается в середине битовых границ; край битовых границ либо содержит переход, либо нет, что помещает сигнал в правильное положение для передачи следующего бита. Конечным результатом является то, что в центре каждого бита находится переход, направление перехода представляет либо «1», либо «0», а синхронизация перехода — это часы.
Хотя существует множество других схем кодирования, многие из которых намного более продвинуты, чем NRZ или манчестерское кодирование, простота и надежность манчестерского кодирования сделали его ценным стандартом, который все еще широко используется.

Передача и прием данных

Независимо от того, является ли сетевая среда электрическим кабелем, оптическим кабелем или радиочастотой, должно быть оборудование, которое физически передает сигнал. Кроме того, также должно быть оборудование, которое принимает сигнал. В случае беспроводной сети эта передача и прием осуществляются с помощью тщательно спроектированных антенн, которые передают или принимают сигналы на заранее определенных частотах с заранее определенной полосой пропускания.
В оптических линиях передачи используется оборудование, которое может производить и принимать световые импульсы, частота которых используется для определения логического значения бита. Такое оборудование, как усилители и повторители, которые обычно используются для оптических передач на большие расстояния, также включено в физический уровень эталонной модели OSI.

Топология и проектирование физической сети

Топология и структура вашей сети также включены в физический уровень. Является ли ваша сеть сетью Token Ring [ссылка token ring на http://en.wikipedia.org/wiki/Network_topology#Ring], звездочка [ссылка звездочкой на http://en.wikipedia.org/wiki/Network_topology#Star], mesh [связать сетку с http://en.wikipedia.org/wiki/Network_topology#Mesh] или гибридную топологию [связать гибридную топологию с http://en.wikipedia.org/wiki/Network_topology#Hybrid_network_topologies], решение о том, какую топологию использовать, было выбрано с учетом физического уровня.
В физический уровень также включена структура кластера высокой доступности, как описано в моей предыдущей статье под названием «Стратегии высокого уровня надежности» [ссылка на стратегии высокого уровня надежности на мою предыдущую статью].
В общем, все, что вам нужно помнить, это то, что если часть оборудования не знает о передаваемых данных, то оно работает на физическом уровне. В моей следующей статье я расскажу о канальном уровне, чем он отличается от соседних уровней и какое оборудование включено в него. Как всегда, если у вас есть какие-либо вопросы или комментарии к тому, что я написал в этой статье, не стесняйтесь присылать мне электронное письмо.