Лекция 3. Функции физического уровня

Лекция 3. Функции физического уровня

Среда передачи – это физическая среда, по которой возможно распространение информационных сигналов в виде электрических, световых и т. п. импульсов. Выделяют два основных типа физических соединений: с помощью кабеля и беспроводные соединения.

Кабельные сети

В современных сетях используются три типа кабеля:

Коаксиальный кабель (coaxial cable); «витая пара» (twisted pair); Оптоволоконный кабель (fiber optic)

Каждый тип обладает следующими техническими характеристиками:

Тип кабеля	Характеристика
Максимальное расстояние передачи	Максимальная скорость передачи
Коаксиальный кабель	185-500 м	10 Мбит/сек
«Витая пара»	30-100 м	10 Мбит/сек - 1 Гбит/сек
Оптоволоконный кабель	2 км	10 Мбит/сек - 2 Гбит/сек

Коаксиальный кабель был первым типом кабеля, использованным для соединения компьютеров в сеть. Кабель состоит из центрального медного проводника, покрытого пластиковым изолирующим материалом, который, в свою очередь, окружен медной сеткой или алюминиевой фольгой. Этот внешний проводник обеспечивает заземление и защиту центрального проводника от внешней электромагнитной интерференции.

«Витая пара» является одним из самых распространенных типов кабелей в настоящее время. Он состоит из нескольких пар медных проводов, покрытых пластиковой оболочкой. Провода, составляющие каждую пару, закручены вокруг друг друга, что обеспечивает защиту от взаимных наводок.

Оптоволоконные кабели представляют собой наиболее современную кабельную технологию, обеспечивающую высокую скорость передачи данных на большие расстояния, устойчивую к интерференции и прослушиванию. Оптоволоконный кабель состоит из стеклянного или пластикового проводника, окруженного слоем  стеклянного или пластикового покрытия и внешней защитной оболочкой.

Беспроводные сети

Беспроводные  технологии используют в качестве среды электромагнитные волны. В соответствии с тем, к какому диапазону частот относятся электромагнитные волны, используемые для передачи данных, сети разделяют на два типа:

радиосети (как наземные так и спутниковые);

инфракрасные сети.

Сравнение кабельных и беспроводных сетей

Преимущества беспроводных систем по сравнению с кабельными сетями:

мобильность: абоненты имеют возможность перемещаться во время работы; универсальность: возможность развертывания сети там, где прокладка кабеля может оказаться слишком дорогой или вообще невозможной; срочность: скорость развертывания сети достаточно высока, поскольку не тратиться время на прокладку кабеля

К недостаткам беспроводных сетей по сравнению с кабельными следует отнести:

Зависимость качества связи от природных явлений (гроза) и погодных условий (туман); Для высокочастотных  технологий необходимость расположения приемника и передатчика в прямой видимости; Возможность возникновения конфликтов с другими беспроводными средствами (сотовой телефонией)

Топология сети

Еще одним важным понятием физического уровня является способ соединения компьютеров с помощью физической среды или топология сети. Топология определяет требования к оборудованию, тип используемого кабеля, методы управления обменом, надежность работы, возможность расширения сети.

Если сеть состоит из двух компьютеров, то они соединяются напрямую. Такой способ получил название «точка-точка». Если нужно подключить к общей среде сразу несколько компьютеров, используют более сложные топологии. Существуют три базовые топологии: «шина», «кольцо», «звезда».

Шина (bus), при которой все компьютеры параллельно подключаются к одной линии связи, и информация от каждого компьютера одновременно передается ко всем остальным компьютерам.

Согласно этой топологии создается одноранговая сеть.

Достоинства:

простота добавления новых узлов в сеть (это возможно даже во время работы сети); сеть продолжает функционировать, даже если отдельные компьютеры вышли из строя; недорогое сетевое оборудование за счет широкого распространения такой топологии.

Недостатки:

компьютеры могут передавать информацию только по очереди, так как линия связи общая; обрыв кабеля влечет за собой выход из строя всей сети (однажды переданный компьютером в сеть сигнал мог бы отражаться от концов кабеля и мешать другим сигналам, если бы на концах кабеля не было специальных поглощающих устройств – терминаторов. В месте случайного рассоединения кабеля никаких терминаторов, естественно, нет, и поэтому перестают работать оба сегмента сети); ограничение на максимальную длину линий связи из-за того, что сигналы при передаче ослабляются и никак не восстанавливаются.

Звезда (star), при которой все компьютеры подключаются к центральному узлу сети, причем каждый из них использует свою отдельную линию связи. Обычно этим узлом является специальное устройство – сетевой концентратор, он же хаб (hub).

Сетевой концентратор обеспечивает передачу сигналов между компьютерами сети. Центральным узлом может быть также компьютер, снабженный достаточным количеством сетевых адаптеров для подключения к нему остальных компьютеров сети.

Весь обмен информацией идет исключительно через центральный компьютер, на который ложится очень большая нагрузка, поэтому он предназначен только для обслуживания сети.

Сети с топологией “звезда” более надежны и производительны, чем сети с шинной топологией. При разрыве любого сегмента кабеля лишается доступа к сети только компьютер, подключенный к этому сегменту. Работа всей сети нарушается лишь при выходе из строя центрального узла. Создание сети с топологией “звезда” требует больших затрат на оборудование, чем сети с топологией ”шина” из-за затрат на центральный узел и большего расхода сетевого кабеля.

Кольцо (ring), при котором каждый компьютер передает информацию всегда только одному компьютеру, следующему в цепочке, а получает информацию только от предыдущего в цепочке компьютера, и эта цепочка замкнута.

Особенностью кольца является то, что каждый компьютер восстанавливает приходящий к нему сигнал, поэтому затухание сигнала во всем кольце не имеет никакого значения, важно только затухание между соседними компьютерами.

Достоинства:

легко подключить новые узлы, хотя для этого нужно приостановить работу сети; большое количество узлов, которое можно подключить к сети (более 1000); высокая устойчивость к перегрузкам.

Недостатки:

В сети с топологией “кольцо” сигналы передаются по кабелю в одном направлении и воспроизводятся каждым компьютером. В отличие от топологии “шина”, каждый компьютер выступает в роли усилителя – активного участника передачи сигнала. Поэтому не только разрыв любого сегмента кабеля, но и выключение одного из компьютеров приводит к прекращению работы сети.

В отдельных случаях при конструировании сети используют комбинированную топологию. Например, дерево (tree) - комбинация нескольких звезд.

Как происходит передача данных

Передача данных по физическим каналам подразумевает решение следующих задач:

Кодирование/декодирование данных.

Как известно, данные, обрабатываемые компьютером, представляются в двоичном виде – как последовательность нулей и единиц. Однако понятия «нуль» и «единица» являются логическими понятиями, обозначающими электрические сигналы, отличающиеся друг от друга физическими параметрами. В силу различных технических причин эти сигналы не всегда могут передаваться по физическим каналам связи. Поэтому они должны быть преобразованы. Процесс преобразования сигналов, «удобных для компьютера», в сигналы, которые могут быть переданы по сети, называется физическим кодированием, а обратное преобразование – декодированием.

Способ физического кодирования определяется техническими характеристиками среды передачи. Наиболее известным и часто используемым способом является модуляция.

Наряду с модуляцией для передачи данных могут использоваться различные виды цифрового кодирования, основанные на изменении уровня напряжения или полярности электрического сигнала.

Передача сигналов.

Информационные сигналы передаются по физическим линиям связи последовательно. В случае если между передающей и принимающей сторонами параллельно существует более одной линии, например, проложено несколько кабелей, то оказывается возможным одновременно (параллельно) передавать несколько сигналов.

Если эти сигналы представляют различные биты передаваемых данных, то повышается скорость  информационного обмена. Если же сигналы представляют один и тот же бит данных – то повышается надежность взаимодействия.

В сетях с большой протяженностью использование параллельных каналов неоправданно дорого. В подавляющем большинстве случаев используются последовательные порты.

Важной проблемой передачи данных является проблема затухания сигналов. Проходя определенное конечное расстояние, сигналы ослабевают до такой степени, что не могут быть правильно восприняты устройствами. В связи с этим для любой физической среды передачи существует ограничение на максимальное расстояние передачи данных.

Если необходимо организовать передачу данных на расстояние, превышающее ограничение среды передачи, применяются устройства, позволяющие усиливать и восстанавливать сигналы – повторители.

Синхронизация.

Для успешного декодирования непрерывный поток данных, направляемый передатчиком по физическому каналу, должен быть разделен принимающей стороной на фрагменты, соответствующие битам данных. Естественно, что такое деление не может быть произвольным, а должно быть синхронизировано с отправителем.

Устройства передачи данных

Для подключения компьютеров к среде передачи используются устройства, основными функциями которых являются физическое кодирование и декодирование данных, а также синхронизация приема и передачи.

Модем – устройство, осуществляющее физическое кодирование данных методом модуляции. Существуют различные типы модемов для подключения к сетям по разным физическим каналам, как правило, не предназначенным для построения компьютерных сетей. Так, для подключения к телефонным линиям используются телефонные модемы (или просто модемы), для подключения к кабельным каналам – кабельные модемы, для подключения по радиоканалам – радиомодемы.

К числу дополнительных функций можно отнести сжатие передаваемых данных и обнаружение и исправление ошибок с целью повышения эффективности и надежности передачи по низкокачественным каналам, например, телефонным.

Сетевой адаптер (сетевая плата) – устройство, предназначенное для подключения компьютера к высококачественным физическим каналам компьютерных сетей. Поэтому для физического кодирования передаваемых данных используются различные типы цифрового кодирования.