Det fysiska skiktet

Det fysiska skiktet är det lägsta skiktet i OSI-modellen och det är ansvarigt för att hantera den fysiska överföringen av data över nätverket. Dess huvudsakliga uppgift är att omvandla användardata till signaler som kan överföras genom transmissionsmediet. Beroende på vilken typ av nätverksteknik som används kan signalerna vara elektriska, optiska eller radio- och mikrovågor.

När signaler bearbetas i det fysiska skiktet har användardata redan blivit segmenterad av transportskiktet, placerad i paket vid nätverksskiktet och ytterligare inkapslad som ramar i datalänkskiktet.

Bild 1: Inkapslingsprocessen

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.

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.

Genom att implementera dessa funktioner i de fysiska komponenterna möjliggör det fysiska skiktet att transmissionsmedierna kan bära signaler som representerar ettor och nollor och att data kan överföras mellan nätverksenheter.

Hantering av fysiska komponenter

Det fysiska skiktet ansvarar också för att hantera problem som kan uppstå under överföringen av signalerna, såsom brus, distorsion eller förlust av signalstyrka. Det kan inkludera tekniker som felkorrigering, störningsreducering och signalåterställning för att säkerställa att överföringen är tillförlitlig och att data kan rekonstrueras korrekt vid mottagaren.

Bild 2: Signaler i transmissionsmedia

Kodning

Kodning är en viktig process inom det fysiska skiktet som omvandlar databitar till fördefinierade koder. Syftet med kodning är att skapa förutsägbara mönster av bitar som både sändaren och mottagaren kan känna igen. Genom att använda dessa mönster kan man särskilja databitar från kontrollbitar och underlätta felidentifiering. Utöver att skapa datakoder kan kodningsmetoder också användas för att generera kontrollkoder som indikerar början och slutet av en ram.

Bild 3: Kodning av ramar (frames)

Vid kodning anpassas databitar till signaler som är lämpliga för det specifika transmissionsmediet. Signalerna överförs en i taget och tillförs en start- och slutmarkör för att möjliggöra identifiering av ramarna vid mottagning. Sändaren placerar speciella signaler som indikerar ramens början och slut, vilket underlättar korrekt identifiering och rekonstruktion av ramarna vid mottagande.

Signalering

Inom det fysiska skiktet genereras elektriska, optiska eller trådlösa signaler som representerar binära ”1” och ”0” på transmissionsmediet. Metoden att representera dessa bitar genom fysiska signaler kallas signalering. Standarder inom det fysiska skiktet definierar vilka typer av signaler som representerar en ”1” och en ”0”. Det kan innebära att ändra egenskaper som amplitud, frekvens, fas eller tid hos signalerna.

Dataöverföringsprocessen innebär att bitarna representeras som signaler och placeras på transmissionsmediet under en viss tid (bit-time) och skickas över till mottagare. Vid mottagning bearbetas och rekonstrueras de mottagna signalerna till bitformat, identifieras som ramar och skickas slutligen till datalänkskiktet.

För att uppnå framgångsrik dataöverföring krävs synkronisering mellan sändare och mottagare. Signalerna som representerar bitarna måste undersökas vid specifika tidpunkter och korrekt identifieras som antingen ”1” eller ”0” under en bit-tid. Synkroniseringen uppnås genom användning av tidslag. Varje nätverksenhet inom ett LAN använder sin egen klocka, vilket kräver tidssynkronisering. Många signaleringsmetoder använder förutsägbara övergångar i signalen för att uppnå synkronisering mellan sändaren och mottagaren.

Signaleringsmetoder

Signalering kan implementeras genom att ändra (modulera) egenskaperna hos signalerna, såsom amplitud, frekvens, fas eller tid, för att representera ettor och nollor. Förutom de fysiska egenskaperna hos signalerna kan övergångar mellan höga och låga nivåer också användas. Det finns olika signaleringsmetoder som använder modulerade signaler och bärare för att representera bitarna. Det är viktigt att både sändare och mottagare använder samma signaleringsmetod för att korrekt tolka signalerna.

Bild 4: Modulering

Några exempel på signalkodningsmetoder är:

NRZ- Non Return to Zero

NRZ (Non-Return to Zero): I NRZ representeras bitströmmen som en serie av spänningsnivåer, där en låg spänning representerar en logisk 0 och en hög spänning representerar en logisk 1, eller vice versa. Detta är en enkel signaleringsmetod som främst används för låghastighetsdatalänkar.

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

Bild 5: Non Return to Zero – NRZ

NRZ-signalering har vissa begränsningar som kan påverka dess prestanda. Dessa inkluderar ineffektiv användning av bandbredd, känslighet för elektromagnetiska störningar och potentiell förlust av övergångar mellan enskilda bitar.

En av de utmaningar med NRZ-signalering är att den inte utnyttjar bandbredden effektivt. Eftersom NRZ representerar binära bitar genom konstanta spänningsnivåer, kan det resultera i en hög frekvenskomponent i signalen. Detta innebär att mer bandbredd krävs för att överföra NRZ-signalen jämfört med andra kodningsscheman som kan komprimera data för att använda mindre bandbredd.

En annan nackdel med NRZ är dess känslighet för elektromagnetiska störningar. Eftersom NRZ inte innehåller övergångar i signalen för att representera nollor, kan det vara svårt att skilja mellan en äkta nolla och brus eller störningar i signalen. Detta kan leda till felaktig tolkning av bitvärden och potentiell förlust av dataintegritet.

En ytterligare nackdel med NRZ-signalering är risken för förlorade övergångar mellan enskilda bitar i fall där det finns många efter varandra följande ettor eller nollor. Utan övergångar mellan bitar kan mottagaren ha svårt att korrekt rekonstruera bitsekvensen. Detta kan resultera i felaktig tolkning av data och förlust av informationsinnehåll.

För att bemöta dessa begränsningar har olika kodningsmetoder utvecklats, såsom manchesterkodning och differentiell manchesterkodning. Dessa metoder använder övergångar i signalen för att lösa problemen med NRZ och förbättra prestanda och pålitlighet vid dataöverföring.

Manchester -kodning

Istället för att representera bitarna som spänningsnivåer använder Manchester-kodning övergångar i spänningen. Till exempel kan en övergång från låg spänning till hög spänning representera en 1 och en övergång från hög spänning till låg spänning representera en 0. Övergångarna används också för att säkerställa synkronisering mellan sändaren och mottagaren. Manchester-kodning används bland annat inom 10BaseT Ethernet.

Bild 6: Manchester kodning

Dataöverföringshastigheter

Bandbredd, throughput, och goodput är alla begrepp som används för att mäta och beskriva kapaciteten och prestandan hos ett nätverk, men de har olika betydelser och används i olika sammanhang. Här är en förklaring av varje begrepp:

Bandbredd

Bandbredd hänvisar till den maximala datahastighet som kan överföras över en nätverksförbindelse. Det mäts vanligtvis i bitar per sekund (bps) eller dess multiplar, till exempel kilobit per sekund (Kbps), megabit per sekund (Mbps) eller gigabit per sekund (Gbps). Bandbredd representerar kapaciteten hos nätverket och indikerar hur mycket data som teoretiskt kan överföras under en given tidsperiod. Det är viktigt att notera att bandbredd inte nödvändigtvis motsvarar den faktiska överföringshastigheten eller prestandan hos nätverket.

Bild 7: Överföringshastigheter

Throughput

Throughput avser den faktiska överföringshastigheten eller datamängden som framgångsrikt överförs över nätverket under en given tidsperiod. Det är den mätbara mängden data som når sin destination och är användbar för slutanvändaren. Throughput kan vara lägre än bandbredden på grund av olika faktorer som nätverksstörningar, förluster eller överföringsfel. Det mäts vanligtvis i bitar per sekund (bps) eller dess multiplar.

I ett nätverk med flera segment kan throughput inte vara snabbare än den långsammaste länken från avsändare till destination

Goodput

Goodput är ett begrepp som används för att beskriva den faktiska användbara datamängden som överförs över nätverket och når mottagaren. Det tar hänsyn till eventuell nätverksoverhead och protokollrelaterad information som inte är användbar för slutanvändaren. Goodput mäts vanligtvis i bitar per sekund (bps) eller dess multiplar och är ofta lägre än både bandbredden och throughput på grund av protokoll- och nätverksrelaterad overhead.

Sammanfattningsvis kan man säga att bandbredd är kapaciteten hos nätverket, throughput är den faktiska överföringshastigheten och goodput är den användbara datamängden som når mottagaren. Bandbredden representerar den maximala teoretiska hastigheten, medan throughput och goodput tar hänsyn till faktorer som påverkar den faktiska överföringen.