Физический уровень. Физический уровень определяет аппаратный интерфейс между компьютером и каналом связи, характеристики канала связи и способ обмена данными

Физический уровень определяет аппаратный интерфейс между компьютером и каналом связи, характеристики канала связи и способ обмена данными. Протокол физического уровня управляет процессом обмена данными по физическому каналу связи между удаленными компьютерами. Основными характеристиками канала связи являются пропускная способность и достоверность передачи данных.

Пропускная способность канала оценивается предельным числом бит данных, передаваемых по каналу за единицу времени, и измеряется в бит/с, Кбит/с (килобит/с), Мбит/с (мегабит/с), Гбит/с (гигабит/с).

Достоверность передачи данных характеризуется вероятностью искажения передаваемого бита. Основная причина искажений - воздействие внешних помех на линию связи и наличие шумов в аппаратуре передачи данных. В зависимости от типа канала связи, достоверность изменяется в пределах 10-Е4¸ 10-Е8.

Канал связи содержит две основные компоненты: линии связи и аппаратуру передачи данных.

Линии связи. Используются следующие типы линий связи: кабельные, радиорелейные, радиоканалы, волоконно-оптические линии связи (ВОЛС), спутниковые системы связи (ССС).

Кабельные линии связи состоят из телефонных пар, коаксиальных кабелей и скрученных проводов («витая пара»). Пропускная способность телефонных пар не превышает несколько десятков Кбит/с. Коаксиальный кабель и витая пара применяются при построении LAN. Скорость передачи данных в LAN на основе коаксиального кабеля составляет 10 Мбит/с, на основе «витой пары» - от 100 Мбит/с до 1 Гбит/с.

Радиорелейные линии связи и радиоканалы применяются в тех случаях, когда прокладка кабельных соединений экономически нецелесообразна либо практически невозможна. Скорость передачи данных в этом случае не превышает нескольких десятков Мбит/с.

ВОЛС по сравнению с другими линиями связи имеет ряд преимуществ, к которым относятся:

· устойчивость к электромагнитным излучениям; высокая пропускная способность (десятки Гбит/с);

· возможность передачи данных на большие расстояния (до 40 км) без повторителей;

· безопасность данных;

· малый вес и диаметр волокна.

Оптооволокно представляет собой тонкую нить из стекла (или пластика), которая служит средой передачи. В отличие от проводника, по оптоволокну передается свет вместо электрического сигнала. Схема преобразования электрического сигнала в световой и наоборот представлена на рис. 5.

Передатчик преобразует электрический сигнал в световой с помощью источника, в качестве которого используется светодиод или лазерный диод. Способ преобразования задается драйвером.

Оптоволокно служит средой для передачи светового сигнала.

Приемник состоит из двух частей: детектора-преобразователя светового сигнала в электрический и выходной цепи, предназначенной для усиления или преобразования электрического сигнала.

Коннекторы (разъемы) соединяют волокно оптического кабеля с источником, детектором или другим волоконно-оптическим кабелем.

Оптоволокно включает в себя следующие элементы:

· световод, который изготовляется из стекла или пластика;

· специальное отражающее покрытие световода (например, серебро);

· многослойная оболочка для защиты от механических повреждений.

Существует два типа оптоволокна: одномодовое и многомодовое. Они различаются способом прохождения света. В одномодовом волокне свет распространяется только прямо (рис. 6). Диаметр сечения световода такого волокна сравним с длиной волны. Сечение световода слишком мало (от 5 до 10 мкм), что исключает отклонение светового луча. Входной сигнал искажается минимально и несет минимальные потери. Одномодовое волокно удобно использовать при передачи сигнала на большие расстояния (до 40 км). Одномодовое волокно имеет большую пропускную способность, чем многомодовое, но оно и более дорогое.

Многомодовое волокно имеет меньшую пропускную способность и дальность передачи светового сигнала, но стоит дешевле, чем одномодовое волокно. Диаметр световода многомодового волокна значительно больше длины волны. Лучи света распространяются во все стороны и отражаются от стенок световода под разными углами, длина пути различных лучей за счет этого различна (рис. 7).

Таким образом, световой сигнал растягивается во времени и возникает явление модальной дисперсии, которая ограничивает пропускную способность многомодового волокна и расстояние передачи (до 2 км). Диаметр световода многомодового волокна составляет от 50 до 85 мкм.

ССС являются наиболее эффективным средством связи компьютерных сетей, расположенных на значительном удалении друг от друга (свыше 500 км). В состав ССС входят спутники и наземное оборудование. Существуют два метода спутниковой связи: метод множественного доступа с частотным разделением (FDMA) и метод множественного доступа с временным разделением (TDMA).

FDMA предполагает одновременное использование многими абонентами выделенного участка спектра радиочастот. Применение этого метода сопряжено с определенными трудностями, так как необходимо спутниковое оборудование для одновременной обработки нескольких частот радиоканала. Кроме того, взаимная модуляция между несколькими несущими может привести к появлению искажений.

Существующая при частотном разделении проблема взаимной модуляции исключена в TDMA. В этом случае каждая наземная станция использует спутниковый передатчик в течение короткого промежутка времени, который определяется ее трафиком (потоком данных). Синхронизация временных интервалов и передача данных в виде групп пакетов обеспечивают разделение единственного частотного канала между разными станциями.

Эти группы пакетов поступают на спутник в различные моменты времени, отделяемые друг от друга небольшими интервалами, называемыми временем переключения. В FDMA ‑ системах для разделения каналов используют частоты переключений, которые выполняют те же функции, что и время переключения в TDMA ‑ исключение влияния соседних каналов друг на друга. Схему работы ССС по методу TDMA поясняет рис. 8.

Выходящие от станций группы пакетов двоичных данных адресованы некоторым другим станциям. При этом каждый пакет связан с определенным временным тактом. Часы наземных станций синхронизированы таким образом, что все станции используют по одному такту из общего цикла системы. Из-за малой длительности полного цикла пользователи не ощущают прерываний передачи. На спутнике частота сигнала меняется на выходную, и далее, как и в случае FDMA, группы пакетов передаются наземным станциям. Станции получают все пакеты, проверяют их адреса и обрабатывают только те пакеты, которые адресованы непосредственно им.

Следует отметить, что в целом ТDMA функционирует во временной области, как FDMA - в частотной. Сравнение работы этих двух методов поясняет рис. 9. В FDMA каждой станции выделяется некоторый участок полосы пропускания в зависимости от объема трафика этой станции. В TDMA каждой станции в соответствии с объемом ее трафика назначается временной интервал.

Аппаратура передачи данных. Состав аппаратуры передачи данных и тип ее физического интерфейса (стыка) с линией связи определяются типом компьютерной сети. Поэтому эти вопросы достаточно подробно рассмотрены в соответствующих разделах пособия, содержащих описание принципов построения и функционирования LAN, WAN и GAN.