Det fysiska skiktet är det lägsta lagret i OSI-modellen och ansvarar för själva överföringen av data över det fysiska mediet. Här handlar det inte längre om protokoll eller adresser, utan om att faktiskt förvandla digital information till signaler – elektriska, optiska eller radiobaserade – som kan transportera bitar från en enhet till en annan.
En fysisk anslutning kan ske på två sätt:
- Trådbundet – där kommunikationen sker via kablar, till exempel koppar- eller fiberkablar.
- Trådlöst – där kommunikationen sker med hjälp av radiovågor.
Detta skikt omfattar alltså inte bara kablar och kontakter, utan även de signaltyper och standarder som används för att bära informationen framåt.
Trådlös uppkoppling har blivit mycket vanlig tack vare sin flexibilitet – användare kan röra sig fritt inom nätverkets täckningsområde utan att vara bundna till en kabel. Samtidigt har trådbundna anslutningar fortfarande stora fördelar i form av stabilitet, prestanda och säkerhet. Vilken lösning som väljs beror därför på nätverkets syfte och krav.
Kopplingen till OSI-modellen
Här är det viktigt att komma ihåg att när vi når det fysiska skiktet har användardata redan bearbetats av de övre skikten:
- Transportskiktet har segmenterat datan.
- Nätverksskiktet har kapslat in den i paket.
- Datalänkskiktet har satt dessa paket i ramar.
Det fysiska skiktets uppgift blir sedan att översätta ramen till signaler som kan färdas över det valda mediet.
Fysiska skiktets syfte
Det primära syftet med det fysiska skiktet är att skapa och hantera de elektriska, optiska och radio- eller mikrovågssignaler som representerar bitarna i varje ram. Dessa signaler skickas sedan genom transmissionsmediet. Dessutom ansvarar det fysiska skiktet för att extrahera individuella signaler från mediet, återställa dem till deras ursprungliga bitformat och överföra bitarna till datalänkskiktet som kompletta ramar.
Det primära syftet med det fysiska skiktet är att omvandla digital information till signaler som kan färdas genom nätverket. Dessa signaler kan vara:
- Elektriska signaler i kopparkablar,
- Optiska ljuspulser i fiberkablar, eller
- Elektromagnetiska vågor som radio- eller mikrovågs signaler i trådlösa nätverk.
Det fysiska skiktet har även en lika viktig uppgift: att ta emot signalerna från mediet, tolka dem, och återskapa bitarna. Dessa bitar sätts sedan samman till kompletta ramar och skickas vidare uppåt till Datalänkskiktet för vidare bearbetning.
På så sätt kan man säga att det fysiska skiktet fungerar som en översättare mellan den digitala världen och den fysiska världen – det gör det möjligt för ettor och nollor att faktiskt färdas genom nätverket.
Fysiska skiktets standarder
De övre skikten i OSI-modellen styrs av protokoll och funktioner som implementeras i mjukvara, utvecklad av programmerare och datavetare. Till exempel definieras tjänsterna och protokollen i TCP/IP-sviten av Internet Engineering Task Force (IETF).
Det fysiska skiktet skiljer sig däremot. Här handlar det om hårdvara: elektroniska kretsar, kablar och kontakter – designade av ingenjörer. Därför är det naturligt att standarderna för detta skikt fastställs av organisationer inom elektroteknik och kommunikationsteknik.
Standardiseringsorganisationer
Det finns många olika internationella och nationella organ, statliga regleringsmyndigheter samt privata företag som arbetar med att ta fram och upprätthålla standarder för det fysiska skiktet. Dessa standarder styr bland annat hårdvara, media, kodning och signalering. Några centrala organisationer är:
- ISO – International Organization for Standardization
- TIA/EIA – Telecommunications Industry Association / Electronic Industries Association
- ITU – International Telecommunication Union
- ANSI – American National Standards Institute
- IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers
- Nationella tillsynsmyndigheter, exempelvis FCC (Federal Communications Commission) i USA och ETSI (European Telecommunications Standards Institute) i Europa
Utöver dessa finns även regionala grupper som utvecklar lokala standarder, till exempel:
- CSA – Canadian Standards Association
- CENELEC – European Committee for Electrotechnical Standardization
- JSA/JIS – Japanese Standards Association
Fysiska skiktets fundamentala funktioner
Några av huvuduppgifterna inom det fysiska skiktet inkluderar:
- Hantering av fysiska komponenter: Det fysiska skiktet involverar hårdvarukomponenter som kablar, kontakter, sändare, mottagare och andra enheter som används för att skapa och sända signaler över transmissionsmediet.
- Kodning: För att representera ettor och nollor i signalerna används olika kodningsmetoder. Dessa metoder omvandlar användardata till ett format som kan överföras på den fysiska länken.
- Signalering: Det fysiska skiktet ansvarar för att definiera signaleringsscheman som bestämmer hur bitarna ska representeras och överföras över transmissionsmediet. Det inkluderar parametrar som signalnivåer, tidsintervaller och modulationstekniker.
Fysiska komponenter
Det fysiska skiktet består av de hårdvarukomponenter och medier som faktiskt transporterar signalerna i nätverket. Hit hör elektroniska enheter, kablar och kontakter – alltså all den utrustning som behövs för att representera och överföra bitar i form av elektriska, optiska eller trådlösa signaler.
Exempel på sådana komponenter är:
- Nätverkskort (NICs) – som ansluter en dator eller annan enhet till nätverket.
- Interface och kontakter – där kablar kopplas in, till exempel RJ-45 för Ethernet.
- Kabelmaterial och kabelkonstruktioner – exempelvis kopparkablar, fiberkablar och olika kabelkategorier (Cat5e, Cat6 osv.).
Alla dessa komponenter är definierade i standarder kopplade till det fysiska skiktet. Detta säkerställer att utrustning från olika tillverkare fungerar tillsammans och att signaler kan överföras på ett tillförlitligt sätt.
Ett konkret exempel är de olika portarna och interfacen på en Cisco 1941-router. Deras utformning – vilka kontakter de använder, hur stiften är placerade (pinouts) och vilken typ av kabel som ska anslutas – är resultatet av dessa standarder.
Kodning i det fysiska skiktet
Kodning är en central process i det fysiska skiktet. Den innebär att databitar översätts till fördefinierade koder som kan representeras som signaler i transmissionsmediet. Syftet med kodningen är att skapa förutsägbara mönster som både sändare och mottagare kan känna igen. På så sätt kan man skilja databitar från kontrollbitar, samt underlätta identifiering av fel.
Förutom att representera själva data kan kodningsmetoder även generera kontrollkoder som markerar början och slutet på en ram. Detta gör att mottagaren vet exakt var en ram startar och slutar.
Manchester -kodning
Manchester-kodning är en kodningsmetod på det fysiska skiktet där bitar inte representeras av fasta spänningsnivåer, utan istället av övergångar i signalen. På så sätt kombinerar metoden både datakodning och klockinformation i samma signal, vilket gör att mottagaren kan hålla synkronisering med sändaren.
- En övergång från hög till låg spänning representerar en 0.
- En övergång från låg till hög spänning representerar en 1.
Övergången sker alltid i mitten av varje bitperiod, vilket gör signalen självsynkroniserande.
Bild 6: Manchester kodningManchester-kodning användes i äldre Ethernet-standarder, till exempel 10BASE-T (10 Mbps Ethernet). När hastigheterna ökade krävdes mer effektiva kodningsmetoder, såsom 4B/5B i 100BASE-TX och 8B/10B i 1000BASE-T.
Modernare kodningsmetoder
När Ethernet-hastigheterna ökade blev Manchester kodning för ineffektiv, eftersom den kräver dubbelt så hög signalhastighet som själva datatakten. Därför utvecklades modernare kodningsmetoder som kan bära mer data utan att förlora synkronisering. Två vanliga exempel är 4B/5B och 8B/10B.
4B/5B-kodning (100BASE-TX)
Varje grupp av 4 databitar kodas om till en 5-bitars kod. Den extra biten ger mer förutsägbara mönster, vilket gör att mottagaren kan hålla synkronisering. 4B/5B har en liten overhead på 20 %, men är betydligt mer effektiv än Manchester och används i Fast Ethernet (100 Mbps).
8B/10B-kodning (1000BASE-T och fiber)
Varje grupp av 8 databitar kodas om till en 10-bitars kod. De extra två bitar används för att ge god balans mellan ettor och nollor, vilket underlättar både felkontroll och synkronisering. 8B/10B har en overhead på 25 %, men möjliggör mycket högre överföringshastigheter och används i Gigabit Ethernet (1 Gbps) och många fiberbaserade standarder.
Signalering
I det fysiska skiktet omvandlas bitar till elektriska, optiska eller trådlösa signaler. Denna metod kallas signalering och standarder definierar hur en ”1” och en ”0” representeras, till exempel genom variationer i amplitud, frekvens, fas eller tid.
Bitar placeras på transmissionsmediet under en viss bit-tid och tas emot som signaler som sedan återskapas till bitar och ramar som skickas vidare till Datalänkskiktet.
För att överföringen ska lyckas krävs synkronisering mellan sändare och mottagare. Detta uppnås genom tidslag och ofta genom förutsägbara signalövergångar som hjälper mottagaren att tolka rätt bitar vid rätt tidpunkt.
Signalerings metoder
Signalering innebär att ettor och nollor representeras genom att modulera signalens egenskaper, exempelvis amplitud, frekvens, fas eller tid. Även övergångar mellan höga och låga nivåer kan användas. För att kommunikationen ska fungera måste sändare och mottagare använda samma signalerings metod.
Några exempel på signalkodningsmetoder är:
NRZ- Non Return to Zero
I NRZ-signalering representeras bitströmmen som konstanta spänningsnivåer: en nivå motsvarar 0 och en annan nivå motsvarar 1 (eller vice versa). Detta är en enkel metod som framför allt används i låghastighets länkar.
Det finns flera varianter av NRZ, bland annat NRZ-L (där nivåerna direkt motsvarar bitarna) och NRZI (där en övergång indikerar en 1 och oförändrad nivå en 0)
Begränsningar med NRZ
Trots enkelheten har NRZ flera nackdelar:
- Ineffektiv bandbredds användning – den konstanta signalnivån kan ge upphov till höga frekvens komponenter, vilket kräver mer bandbredd än effektivare kodningsmetoder.
- Känslighet för störningar – avsaknaden av övergångar gör det svårt att särskilja riktiga nollor från brus, vilket kan leda till feltolkningar.
- Problem med synkronisering – långa sekvenser av bara 0:or eller 1:or saknar övergångar, vilket kan göra det svårt för mottagaren att hålla rätt takt och återskapa bitströmmen korrekt.
För att hantera NRZ:s begränsningar utvecklades först metoder som Manchester kodning och Differentiell Manchester kodning. Dessa använder övergångar i signalen för att underlätta synkronisering, minska fel och ge mer tillförlitlig dataöverföring.
I modernare nätverk har dessa tekniker ersatts av mer effektiva kodningsmetoder, exempelvis 4B/5B (används i 100BASE-TX) och 8B/10B (används i 1000BASE-T). Dessa bygger på blockkodning och gör det möjligt att uppnå mycket högre överföringshastigheter än vad Manchester kan hantera.
Dataöverföringshastigheter
När vi pratar om nätverk används ofta tre olika begrepp: bandbredd, throughput och goodput. De hänger ihop men betyder inte samma sak.
- Bandwidth (Bandbredd) – den maximala kapaciteten i en länk, alltså hur mycket data som teoretiskt kan överföras per sekund (bps, Mbps, Gbps).
- Throughput – den faktiska mängden data som lyckas skickas genom nätverket per sekund. Påverkas av störningar, förluster och den långsammaste länken i vägen.
- Goodput – den användbara datan som når mottagaren. Här räknas nätverksoverhead (protokoll, headers, kvittenser osv.) bort, så värdet blir alltid lägre än både bandbredd och throughput.
