2. Fyzická vrstva Studijní cíl Představíme si funkci fyzické vrstvy. Standardy fyzické vrstvy, způsoby přenosu, způsoby kódování a veličiny popisující přenos dat.
Doba nutná k nastudování
3 hodiny
Fyzická vrstva (physical layer) Úkolem fyzické vrstvy, která jako jediná nemá žádnou bezprostředně nižší vrstvu, je přenos jednotlivých bitů k přímým sousedům (sousedním uzlům, ke kterým vede přímé spojení). Fyzická vrstva se stará o to, aby každý bit byl přenesen korektním způsobem (aby jej příjemce správně rozpoznal a interpretoval), což mj. zahrnuje například otázky kódování, časování, modulace apod. Důležité přitom je, že fyzická vrstva nijak neinterpretuje přenášené bity, tj. nesnaží se jim přiřazovat nějaký význam (takže například nepozná, že nějaký bit je řídící a je třeba součástí něčí adresy, že je určitý bit součástí "čistých" dat apod.). Hlavním smyslem fyzické vrstvy je reprezentace bitů na různých médiích (metalika, optika, vzduch). Fyzická vrstva se z velké části skládá z hardwarových součástek, které jsou definovány pomocí standardů (kvůli vzájemné kompatibilitě zařízení různých výrobců) od různých organizací. Standardy úřady: • • • • •
fyzické vrstvy - Technologie fyzické vrstvy jsou standardizovány The International Organization for Standardization(ISO), The Institute of Electrical and Electronics Engineers(IEEE), The American National Standards Institute (ANSI), The International Telecommunication Union (ITU). The Electronics Industry Alliance/Telecommunications Industry Association (EIA/TIA).
Počítačové sítě I.
1 (6)
KST/IPS1
Reprezentace dat na médiu Data na médiu jsou reprezentována bity. Přenosová média nejsou schopna nést celý rámec najednou, jsou schopna přenášet v jeden čas jeden bit. Reprezentace bitů závisí na typu použitého média. Jsou tři základní formy přenosu dle použitého média: • metalické vedení - elektrické impulzy, • optické vedení - světelné impulzy, • bezdrátový přenos - elektromagnetické vlnění. Základní funkce fyzické vrstvy • poskytuje fyzické komponenty – média, konektory, • provádí kódování signálu, • vyjadřuje jednotlivé bity jako signál. Asynchronní přenos - jde o přenos, kdy okamžiky přechodu mezi jednotlivými přenášenými bity nejsou stejné (nemá konstantní délku bitového intervalu) – chybí mi jakákoliv synchronizace, - začátek a konec intervalu musí být jednoznačně určen – 3 stavová logika – synchronizační značky nebo jejich posloupnosti, - speciálním případem asynchronního přenosu je přenos arytmický.
Arytmický přenos -
-
jednotlivé znaky přenášejí asynchronně, avšak jednotlivé bity uvnitř znaku jsou přenášeny synchronně /dálnopisná značka/. Tato metoda se používá pro asynchronní přenos dat nejčastěji, znakové orientovaný přenos, přenosu chybí rytmus – časové prodlevy mezi jednotlivými znaky mohou být libovolné, obsahuje tzv. Start bity – začátek znaku.
Synchronní přenos -
-
-
zabezpečuje přenos dat konstantní přenosovou rychlostí, neboť po vyslání synchronizačních znaků jsou data vysílána nepřetržitě, a proto se používá tehdy, kdy je možno zabezpečit přípravu dat zdrojem dat s odpovídající přenosovou rychlostí, přenosová rychlost při synchronním přenosu dat musí být volena s ohledem na nejpomalejší zařízení na straně přijímače dat, přenáší se celé bloky dat,
synchronizace se udržuje po celou dobu přenosu souvislého bloku dat.
Počítačové sítě I.
2 (6)
KST/IPS1
Udržování synchronizace -
samostatným časovacím signálem, odvozením časováním od dat – hodiny příjemce seřízeny dle přicházejících dat, sloučením časování a dat – pomocí kódování (nejčastěji).
Kódování (encoding) - rámec bitů je zpracován do předdefinovaného binárního kódování (Manchester, …) Zpracování signálů (signaling) - reprezentace bitů 0 a 1 na fyzickém médiu dle standardů fyzické vrstvy Obvykle se bitový signál reprezentuje změnou následujících veličin: • amplituda, • frekvence, • fáze. Příklad signalizace
Změna amplitudy
Změna frekvence
Změna fáze
Hodinový signál
bir time čas, jak dlouho může jeden bit obsazovat médium
Počítačové sítě I.
3 (6)
KST/IPS1
Manchester kódování • nepoužívá se u rychlejších přenosů, • běžně používán u 10BASE-T Ethernetu. • 0 je „low-to-high“, 1 je „high-to-low“, • snížení efektivní přenosové kapacity.
Hodinový signál
Data
Manchester
Manchester IEEE 802.3
Kódování – skupiny bitů V případě vyšších přenosových rychlostí je větší pravděpodobnost poškození zprávy při přenosu. Abychom mohli lépe detekovat chyby při přenosu, jsou přenášená data před odesláním kódována po skupinách na jiné hodnoty.
Příklad kódování 4B/5B • jednoduché skupinové kódování, díky tomuto kódování můžeme detekovat chyby již na fyzické úrovni, • použití například v 100BASE-TX, • 4 bity dat kódovány 5 bity přenesenými, • nejvýše tři 0 mohou následovat po sobě a nejvýše jedna 0 na začátku a dvě 0 na konci.
Počítačové sítě I.
4 (6)
KST/IPS1
Tabulka 1Tabulka kódování 4B/5B 4B 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111
5B 11110 01001 10100 10101 01010 01011 01110 01111
4B 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111
5B 10010 10011 10110 10111 11010 11011 11100 11101
Veličiny popisující přenos dat Jako jednotky rychlosti přenosu dat se používají bps (bity za sekundu), kbps, Mbps, Gbps, Tbps Přenos dat lze měřit třemi způsoby: Bandwidth - množství informace, které je schopné médium přenést za 1 sekundu. Jednotkou je bps (b/s, bit za sekundu) Throughput -aktuální propustnost dat za jednotku času. Platí, že Throughput < Bandwidth Faktory, které ovlivňují throughput jsou: • aktuální provoz na síti, • typ provozu, • počet připojených koncových stanic. Goodput – množství aplikačních dat, přenesených za 1 sekundu.
Vlastní specifické řešení na úrovni fyzické vrstvy vyžadují také některé novější přenosové technologie a prostředky. Fyzickou vrstvu proto pokrývají i standardy resp. doporučení, které použití těchto prostředků resp. technologií definují, například: • pro optické přenosy doporučení ISO 9314, které definuje standard FDDI (Fiber Distributed Data Interface), • pro sítě ISDN doporučení CCITT I.430, (které se týká výhradně fyzické vrstvy).
Počítačové sítě I.
5 (6)
KST/IPS1
Shrnutí kapitoly Fyzická vrstva podporuje fyzickou komunikaci mezi (sousedními) systémyPopisuje fyzické, elektrické a logické parametry rozhraní k přenosovému kanálu. Poskytované služby: • přenos sériového proudu bitů, • oznamování chybových stavů spojové vrstvě, • otevření a uzavření fyzického spojení.
Otázky na procvičení: 1. Vysvětlete funkci fyzické vrstvy. 2. Proč jsou používány standardy na fyzické vrstvě? 3. Jaké jsou tři základní média pro datové přenosy? 4. Které veličiny popisují přenos dat? 5. Proč používáme kódování pomocí skupiny bitů?
Literatura [1]
Cisco Systems, Inc [online]. 2012 [cit. 2012-04-26]. Dostupné z: http://www.cisco.com/
[2]
LAMMLE, Todd. CCNA: výukový průvodce přípravou na zkoušku 640802. Vyd. 1. Brno: Computer Press, 2010, 928 s. ISBN 978-802-5123591.
Počítačové sítě I.
6 (6)
KST/IPS1
