Стандарты физического уровня направлены на три функциональные области:
Физические компоненты
Физические компоненты — это электронные аппаратные устройства, средства передачи данных, а также другие блоки соединения, которые передают и переносят сигналы для представления битов. Все аппаратные компоненты, такие как сетевые адаптеры (NIC), интерфейсы и блоки соединения, кабельные материалы и конструкции кабелей, указаны в стандартах, относящихся к физическому уровню. Различные порты и интерфейсы на маршрутизаторе Cisco 1941 также являются примерами физических компонентов с определёнными разъёмами и схемами подключения в зависимости от стандартов.
Кодирование
Кодирование или кодирование канала — это способ преобразования потока бит в предопределённый «код». Коды — это группы бит, использующихся для обеспечения заданного шаблона, который может распознать как получатель, так и отправитель. В сети кодирование определяется правилом изменения напряжения или тока, используемого для представления бит: нулей и единиц.
Кроме кодирования данных, кодирование на физическом уровне также может создавать коды в целях контроля, например, для определения начала и конца кадра.
Общие методы кодирования сети включают в себя:
- Манчестерское кодирование: нули представлены переходом от высокого к низкому напряжению; единицы представлены переходом от низкого к высокому напряжению. Этот тип кодирования используется в предыдущих версиях Ethernet, RFID-устройствах и в технологии Near Field Communication (NFC).
- Без возврата к нулю (NRZ): распространённый способ кодирования данных, у которого есть два состояния, обозначенные «нулем» и «единицей» без нейтрального или исходного положения. Нуль может быть представлен в среде передачи данных одним уровнем напряжения; единицы должны быть представлены другим уровнем напряжения.
Примечание. Увеличение скорости передачи данных требует более сложного кодирования, например, 4B/5B. Однако в данном курсе эти способы не описаны.
Передача сигнала
Физический уровень должен создавать электрические, оптические и беспроводные сигналы, которые представляют в среде «1» и «0». Метод представления битов называется методом передачи сигнала. Стандарты физического уровня должны определять, какой тип сигнала соответствует «1», а какой тип соответствует «0». Это может быть просто переменой уровня напряжения электрического сигнала или длительности оптического импульса. Например, длинный импульс может представлять 1, а короткий может представлять 0.
Это подобно тому, как азбука Морзе используется для связи. Азбука Морзе — один из способов передачи сигналов, который использует звуковые или световые импульсы, клики разной продолжительности для отправки текста по телефонным проводам или передачи сигналов между судами в море.
Сигналы передаются одним из двух способов.
- Асинхронный: сигналы передаются без соответствующего тактового сигнала. Временные промежутки между символами или группами данных могут быть произвольными, то есть они не имеют стандартов. Поэтому для обозначения начала и конца кадра необходимы флаги.
- Синхронный: сигналы данных посылаются в соответствии с тактовым сигналом, который отмеряет равные промежутки времени, которые называются временем передачи бита.
Существует множество способов передачи сигналов. Распространённый метод отправки данных — с применением технологии модуляции. Модуляция — это процесс, при котором характеристика одной волны (сигнал) изменяет другую волну (модулируемый сигнал). При передаче данных по среде распространены следующие методы модуляции.
- Частотная модуляция (ЧМ): способ передачи, при котором несущая частота зависит от сигнала.
- Амплитудная модуляция (AM): способ передачи, при котором несущая амплитуда зависит от сигнала.
- Импульсно-кодовая модуляция (ИКМ): способ передачи, при котором аналоговый сигнал, например голос, преобразуется в цифровой сигнал путём дискретизации амплитуды сигнала и выражением амплитуд в двоичной системе. Частота дискретизации должна быть как минимум вдвое выше максимальной частоты в спектре сигнала.
Свойства фактических сигналов, представляющих биты в среде передачи данных, будут зависеть от используемого способа передачи. Некоторые из способов могут использовать один атрибут отдельного сигнала для представления нуля, а для представления единицы использовать другой атрибут сигнала.
На рис. 2 показано, как способы частотной и амплитудной модуляции используются для передачи сигнала.