4.2.1 Стандарты физического уровня
Главная идея
Верхние уровни OSI (программные) и физический уровень (аппаратный) регулируются разными организациями:
| Что регулируется | Кто отвечает |
|---|---|
| Верхние уровни (L3-L7) — протоколы TCP/IP | IETF (программные стандарты) |
| Нижние уровни (L1-L2) — железо, кабели, сигналы | Инженерные организации (аппаратные стандарты) |
Организации, регулирующие физический уровень:
| Организация | Расшифровка |
|---|---|
| ISO | International Organization for Standardization |
| TIA/EIA | Telecommunications/Electronic Industries Association |
| ITU | International Telecommunication Union |
| ANSI | American National Standards Institute |
| IEEE | Institute of Electrical and Electronics Engineers |
| FCC | Federal Communication Commission (США) |
| ETSI | European Telecommunications Standards Institute |
| abbreviation |
Также есть региональные организации: CSA (Канада), CENELEC (Европа), JSA/JIS (Япония).
Почему так много организаций?
Физический уровень — это реальное железо: кабели, разъёмы, электрические схемы, радиочастоты. Каждая страна и отрасль имеет свои требования к безопасности, совместимости и качеству оборудования.
IEEE — самая важная для CCNA. Именно IEEE определяет стандарты Ethernet (например, IEEE 802.3 для проводного Ethernet и IEEE 802.11 для Wi-Fi).
4.2.2 Физические компоненты
Три функциональные области физического уровня
Стандарты физического уровня охватывают три области:
| Область | Что это |
|---|---|
| Physical Components | Реальное железо — кабели, разъёмы, NIC |
| Encoding | Как биты преобразуются в сигналы |
| Signaling | Как сигналы представляют 0 и 1 на среде |
Physical Components (Физические компоненты)
Это всё аппаратное обеспечение, которое физически передаёт сигналы:
- NIC (сетевые карты) — подключают устройство к сети
- Интерфейсы и разъёмы — порты на оборудовании (RJ-45, SFP и др.)
- Кабели — материал и конструкция (медь, оптоволокно)
- Порты на роутерах/свитчах — например, порты Cisco 1941 имеют строго определённые распиновки (pinouts) по стандартам
Простая аналогия
Если сеть — это дорога, то:
- Physical Components = сам асфальт, знаки, светофоры (железо)
- Encoding = правила разметки дороги
- Signaling = цвета светофора (как передаётся 0 или 1)
4.2.3 Кодирование (Encoding)
Что такое encoding?
Кодирование (line encoding) — это способ преобразования потока битов в предсказуемый паттерн сигналов, который и отправитель, и получатель могут распознать.
Аналогия: как азбука Морзе превращает буквы в точки и тире — encoding превращает биты в электрические сигналы.
Манчестерское кодирование (Manchester Encoding)
Пример из схемы — Manchester encoding:
| Бит | Сигнал |
|---|---|
| 0 | Переход напряжения сверху вниз (High → Low) |
| 1 | Переход напряжения снизу вверх (Low → High) |
Переход происходит в середине каждого битового периода — это и есть суть Manchester encoding.
По схеме: 0 1 0 0 1 1 0 — видно как каждый бит имеет переход в середине периода.
Какие стандарты используют какое кодирование:
| Стандарт Ethernet | Скорость | Кодирование |
|---|---|---|
| 10BASE-T | 10 Мбит/с | Manchester |
| 100BASE-TX | 100 Мбит/с | 4B/5B |
| 1000BASE-T | 1 Гбит/с | 8B/10B |
Чем выше скорость — тем сложнее кодирование. Manchester подходит только для медленного 10BASE-T.
Зачем нужно кодирование?
Просто передавать “высокое напряжение = 1, низкое = 0” недостаточно — при длинной последовательности одинаковых битов получатель теряет синхронизацию. Кодирование решает эту проблему, добавляя предсказуемые переходы.
4.2.4 Сигнализация (Signaling)
Что такое signaling?
Signaling — это способ, которым физический уровень представляет биты 0 и 1 в виде реальных сигналов на среде передачи.
Три типа среды — три типа сигналов
1️⃣ Медный кабель (Copper Cable)
- Сигнал: электрические импульсы (изменение напряжения)
- На графике видны резкие скачки напряжения вверх-вниз
- Простой принцип: высокое напряжение = 1, низкое = 0
2️⃣ Оптоволокно (Fiber Optic Cable)
- Сигнал: световые импульсы (вспышки света)
- Есть свет = 1, нет света = 0
- Очень быстро и на большие расстояния
3️⃣ Беспроводная среда (Wireless)
- Сигнал: микроволновые радиосигналы
- Цифровой сигнал (0/1) модулируется тремя способами:
| Метод | Что меняется | Название |
|---|---|---|
| AM | Амплитуда (высота волны) | Amplitude Modulation |
| FM | Частота (густота волн) | Frequency Modulation |
| PM | Фаза (сдвиг волны) | Phase Modulation |
Итоговая таблица:
| Среда | Сигнал | Пример |
|---|---|---|
| Медь | Электрический импульс | Ethernet кабель |
| Оптоволокно | Световой импульс | Datacenter, магистрали |
| Беспроводная | Радиоволна (AM/FM/PM) | Wi-Fi, 4G/5G |
Аналогия с азбукой Морзе: точки и тире — это тот же принцип signaling, только вместо битов — звуковые сигналы.
4.2.5 Пропускная способность (Bandwidth)
Что такое bandwidth?
Bandwidth (пропускная способность) — это ёмкость среды передачи, то есть сколько данных может пройти через неё за единицу времени.
⚠️ Важно: bandwidth — это не скорость движения битов (биты всегда летят со скоростью электричества/света), а количество битов в секунду. Разница между 10 Мбит/с и 100 Мбит/с — не в скорости, а в том, сколько бит передаётся за одну секунду.
Единицы измерения bandwidth:
| Единица | Аббревиатура | Значение |
|---|---|---|
| Bits per second | bps | 1 bps — базовая единица |
| Kilobits per second | Kbps | 1 000 bps = 10³ bps |
| Megabits per second | Mbps | 1 000 000 bps = 10⁶ bps |
| Gigabits per second | Gbps | 1 000 000 000 bps = 10⁹ bps |
| Terabits per second | Tbps | 10¹² bps |
Что влияет на реальный bandwidth?
Два фактора:
- Свойства физической среды — медь, оптоволокно, воздух
- Технологии сигнализации и обнаружения — кодирование, стандарты
Также влияют законы физики — расстояние, помехи, затухание сигнала.
Аналогия
Представь трубу с водой:
- Bandwidth = диаметр трубы (сколько воды проходит)
- Скорость = давление воды (одинаково в любой трубе) Широкая труба = больше данных за то же время.
4.2.6 Терминология пропускной способности
Три ключевых понятия:
1. Latency (Задержка)
Latency — время, за которое данные проходят путь от источника до получателя, включая все задержки.
Важный принцип:
Скорость всей сети = скорость самого медленного участка (bottleneck — узкое место). Даже если 99% пути — гигабитные каналы, один медленный участок тормозит всё.
2. Throughput (Реальная пропускная способность)
Throughput — реально измеренное количество битов, переданных за единицу времени.
Throughput всегда меньше заявленного bandwidth из-за:
- Количества трафика в сети
- Типа трафика
- Количества промежуточных устройств (каждый роутер добавляет задержку)
На картинке — результат speed test: Download 80.78 Mbps, Upload 8.78 Mbps — это и есть throughput.
3. Goodput (Полезная пропускная способность)
Goodput — количество полезных данных, переданных за единицу времени.
Goodput = Throughput − накладные расходы
Накладные расходы включают:
- Установление сессий
- Подтверждения (ACK)
- Заголовки инкапсуляции
- Повторно переданные пакеты
Соотношение трёх понятий:
Bandwidth ≥ Throughput ≥ Goodput
(макс.) (реальное) (полезное)
| Понятие | Аналогия с дорогой |
|---|---|
| Bandwidth | Ширина дороги (сколько машин может ехать теоретически) |
| Throughput | Реальный поток машин (с учётом пробок) |
| Goodput | Только машины с грузом (без пустых служебных) |