Det fysiska skiktet

När signaler bearbetas i det fysiska skiktet har användardata blivit segmenterad av transportskiktet, placerad i paket vid nätverksskiktet, och ytterligare inkapslad som ramar i datalänkskiktet. Syftet med det fysiska skiktet är att skapa de elektriska, optiska, eller mikrovågssignaler som representerar bitarna i varje ram. Dessa signaler sänds därefter genom transmissionsmediet.

Bild 1: Inkapslingsprocessen

Det är också en uppgift för det fysiska skiktet att hämta individuella signaler från mediet, återställa dem till deras bitformat, och passera bitarna upp till datalänk-skiktet som kompletta ramar.

Standarder

Bild 2: Det fysiska skiktets standarder

Det fysiska skiktet består av hårdvara i form av elektroniska kretsar, transmissionsmedia (kablar) och kontakter. dessa hårdvara finns i varierande form och därför är det lämpligt att reglera deras användning. De standarder som reglerar denna hårdvara definieras av relevanta el- och kommunikationstekniska organisationer.

Det fysiska lagret teknik definieras av organisationer som:

  • 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)
  • National telecommunications authorities such as the Federal Communication Commission (FCC) in the USA.

Fysiska skiktets fundamentala funktioner

De tre fundamentala funktioner hos det fysiska lagret är:

  • Hantering av fysiska komponenter
  • Kodning
  • Signalering

Dessa funktioner implementeras i de fysiska komponenter med vilka överförs signaler så att transmissionsmedierna kan bära signaler som representerar ettor och nollor.

Hantering av fysiska komponenter

Bild 3: Signaler i transmissionsmedia

Det fysiska skiktets funktion omfattar representation av ettor och nollor med signaler som skickas ut till mottagaren via transmissionsmedia. Dessa transmissionsmedier bär inte ramar som enheter, inte heller ettor och nollor. Nätverksmedierna bär signaler som representerar bitar. Det finns tre grundläggande former av nätverksmedia:

  • Kopparkabel
  • Fiber
  • Trådlös

Representationen av bitar beror på typen av transmissionsmedia. För kopparkablar är signalerna elektriska pulser. För fiberkablar är signalerna ljus. För trådlösa medier är signalerna radiovågor.

Kodning

Kodning är metoden som omvandlar databitar till en fördefinierad kod. Koder representerar grupperingar av bitar med syfte att utforma förutsägbara mönster som kan kännas igen av både sändare och mottagare. Användning av förutsägbara mönster bidrar till att särskilja databitar från kontrollbitar och att underlätta felidentifiering. Förutom att skapa datakoder, kan kodningsmetoder på det fysiska lagret också tillhandahålla koder för styrsignaler, såsom identifiering av början och slutet av en ram.

Bild 4: Kodning av ramar (frames)

När det fysiska skiktet kodar bitar till signaler anpassas signalerna till ett visst transmissionsmedium och eftersom de överförs en i taget tillförs de med en start och ett slut. I annat fall skulle ramarna inte kunna identifieras vid mottagande vilket skulle medföra att ramarna inte kan sättas ihop och rekonstrueras. För att möjliggöra ramidentifiering vid mottagningsenheten lägger avsändaren speciella signaler som indikerar början och slutet av en ram.

Signalering

Det fysiska lagret genererar elektriska, optiska eller trådlösa signaler som representerar “1” och “0” på transmissionsmedia. Metoden att representera bitarna kallassignalering“. Det fysiska skiktets standarder måste definiera typer av signal som representerar en “1” och “0”. Detta kan vara så enkelt som en förändring i en elektrisk signals styrka, frånvaro och närvaro av optiska pulser eller en mer komplex metod för signalering.

Så småningom blir ettor och nollor grupperade i ramar. Ramarna (frames) transporteras över de olika fysiska transmissionsmedierna som signaler. Även om ramarna presenteras som en enhet i datalänk skiktet sänds dem från det fysiska skiktet som en ström av bitar, därmed namnet dataström.

Överföring av ramar/dataströmmar kallas dataöverföringsprocess. Processen i sig kan sammanfattas så här:

  • Bitar representeras som signaler och dessa signaler placeras på transmissionsmedier.
  • Bitar får “ockupera” medierna en vis tid (bit-time).
  • Mottagna signaler bearbetas och rekonstrueras till bitformat.
  • Bitar i grupper identifieras som ramar.
  • Slutligen skickas ramarna till datalänk-skiktet.

Framgångsrik dataöverföring kräver synkronisering mellan sändare och mottagare. De signaler som representerar bitarna ska undersökas vid specifika tidpunkter och korrekt identifieras som en “1” eller en “0”, allt detta under en bit-tid. Synkroniseringen åstadkommes genom användning av en tidslag. I ett LAN använder varje nätverksenhet sin egen klocka och därför behövs en tidssynkronisering. Många signaleringsmetoder använder förutsägbara övergångar i signalen för att åstadkomma synkronisering mellan kommunicerande parterna.

Signaleringsmetoder

Signaleringsmetoder går ut på att ändra signalernas egenskaper (amplitud, frekvens, fas, tid) för att representera ettor och nollor. Att ändra signalernas fysiska egenskaper (amplitud, frekvens, fas) kallas modulering och att dessa ändringar representerar ettor och nollor kallas signalering. Det finns flera olika moduleringsmetoder som i princip använder en modulerad signal och en bärare.

Bild 5: Modulering

Förutom signalernas fysikaliska egenskaper kan även övergångar mellan höga och låga nivåer användas. Vissa signaleringsmetoder använder frånvaro av ändringar i signaler för att representera nollor och ändringar i signaler för att representera ettor. Oavsett vilken metod ska avsändare och mottagare använda samma signaleringsmetod.

Här nedan några signalkodningsmetoder

NRZ- Non Return to Zero

I NRZ sänds bitströmmen som en serie av spänningsvärden där ett lågt spänningsvärde representerar en logisk 0 och ett högt spänningsvärde representerar en logisk 1, eller omvänt. Spänningsområdet beror på det standard som specificeras i det fysiska skiktet. Denna enkla signaleringsmetod är endast lämpad för låghastighet datalänkar.

Det finns flera varianter av NRZ signalkodning såsom NRZ-L och NRZI.

Bild 6: Non Return to Zero – NRZ

NRZ signalering använder bandbredden ineffektivt och är känslig för elektromagnetiska störningar. Dessutom kan gränserna mellan enskilda bitar förloras med bitströmmar av många ettor och nollor i följd. I så fall kan inga spänningsövergångar detekteras på media.

Manchester -kodning

I stället för att representera bitar som pulser med enkla spänningsvärden använder Manchester-kodning spänningsövergångar. Till exempel kan en övergång från en låg spänning till en hög spänning representera en 1 och en övergång från en hög spänning till en låg spänning kan representera en 0.

Bild 7: Manchester kodning

Såsom visas i figuren ovan måste en spänningsövergång förekomma i mitten av varje bit-tiden.

Övergångarna kan användas för att säkerställa att de bit-tider i de mottagande noderna är synkroniserad med den sändande noden. Övergången i mitten av bit-tiden kommer att vara antingen uppåt eller nedåt för varje tidsenhet där en bit överförs. För konsekutiva bitvärden sätts upp en lämplig övergång på bit gränsen. Även om Manchester Encoding inte är tillräckligt effektiv för höga hastigheter används denna som signaleringsmetoden i 10BaseT Ethernet (Ethernet körs då på 10 megabit per sekund).

Dataöverföringshastigheter

Olika fysiska media stödjer överföring av bitar i olika hastigheter. Dataöverföring kan mätas på tre sätt:

  • Bandbredd
  • Throughput (genomström)
  • Goodput

Bandbredd

Bandbredd är den teoretiska överföringskapaciteten som sker, eller kan ske, vid varje given tidpunkt över ett nätverk. Bandbredd är således inget som är konstant över tid och den inkluderar inte heller kvalitet i signalerna. Det finns dock alltid en maxgräns för bandbredden. Maxgränsen beror på de fysiska begränsningarna i de fysiska komponenter av ett nätverk. Ett nätverkskort kan till exempel bara ta emot och skicka iväg dataöverföringar upp till en viss gräns. Andra begränsande faktorer är själva kabeln som transporterar data, eller den frekvens som en radiomast använder.

Bandbredd uttrycks normalt som bits per sekund. En bit är den minsta digitala enheten, det vill säga en etta eller en nolla. Det är dock inte särskilt användbart att mäta överföring på bit-nivå, särskilt inte idag när överföringskapaciteten över nätet är så pass stor. Idag används megabit, det vill säga en miljon bits, eller gigabits, som innebär en miljard bits, som mått.

ccna1-08-bild11
Bild 8: Överföringshastigheter

Throughput

Den är den realistiska överföringshastigheten påverkas av flera faktorer exempelvis datatrafiktyp, antal nätverksenheter som delar samma transmissionsmedia. I en fleråtkomst topologi, såsom Ethernet, konkurrerar noder med varandra om åtkomst till transmissionsmedier. Dessutom kan avsändare och mottagare befinna sig i avlägsna nätverk, segmenterat från varandra.

I ett nätverk med flera segment kan genomström (throughput) inte vara snabbare än den långsammaste länken från avsändare till destination. Även om de flesta av segmenten har hög bandbredd räcker det ett segment med låg kapacitet för att skapa en flaskhals för hela nätverket.

Goodput

Ett tredje mått har skapats för att mäta överföringen av data separerat från styrinformation, nyttolasten eller användardata. Detta mått kallas goodput. Nätverksanvändare har störst intresse om mängden av användbara data som överförs under en given tidsperiod. Som framgår av figuren mäter goodput den effektiva överföringen av användardata mellan enheternas applikationslagret, till exempel mellan en webbserver och en klientwebbläsare.

Som ett exempel är bandbredden för ett LAN normalt 100 Mbps. Men på grund av användning av transmissionsmediet och overhead är throughput mellan datorerna bara 60 Mbps. Därav dras styrinformationen för inkapslingsprocessen av TCP/IP-stacken vilket resulterar ett nyttolast på 40 Mbps, goodput.