Fyzická vrstva

OSI model - fyzická vrstva 1.vrstva, najnižšia vrstva OSI modelu fyzická vrstva je časťou Network Acces vrstvy TCP/IP modelu Aplikačná HTTP, FTP TFTP, SMTP Aplikačná Prezentačná Tok dát Relačná Transportná Segment TCP, UDP Transportná Sieťová Paket Internetová IP Datalinková Rámec Sieťový prístup Ethernet, WAN technológie Fyzická Bity

Úlohy fyzickej vrstvy Odoberá rámce z datalinkovej vrstvy Vidí rámec ako jednotlivé bity, bez štruktúry Kóduje bity ako signály a posúva na prenosové médium

Transformácia komunikácie v ľudskej spoločnosti na jednotlivé bity Postupná premena aplikačných dát na jednotlivé bity prenášané fyzickou vrstvou Transformácia komunikácie v ľudskej spoločnosti na jednotlivé bity Zdroj správy Cieľ správy

Štandardy fyzickej vrstvy definujú : Fyzikálne a elektrické vlastnosti média Mechanické vlastnosti ( materiály, rozmery, výstupné piny ) konektorov a NIC ( Network Interface Card – sieťová karta ) Reprezentáciu bitu pomocou signálu (enkódovanie) Definíciu riadiacich informačných signálov

Implementácia fyzickej vrstvy Služby a protokoly sú uskutočňované pomocou softvéru Fyzická vrstva – elektronické obvody, médiá, konektory Zahrnuté v softvéri TCP/IP štandardy definované s IETF Zahrnuté v hardvéri Štandardy definované : ISO IEEE ANSI ITU EIA/TIA FCC

Štandardy fyzickej vrstvy : Vydané standardizačnými inštitúciami : 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) Federal Communication Commission (FCC)

Reprezentácia signálov na fyzickom médiu Elektrické signály prenášané po medenom vodiči Svetelné impulzy v optickom vlákne Mikrovlnné rádiové (bezdrôtové) signály

Kódovanie a signalizácia pri malých prenosových rýchlostiach je to relatívne jednoduché a bity sú priamo konvertované na odpovedajúce signály konkrétneho prenosového média Pri vyšších rýchlostiach tu nutne pristupuje kódovanie a signalizácia, pričom sú elektrické impulzy nakladané na medený kábel alebo svetelné impulzy sú nakladané na optický kábel

NRZ metóda ( non return to zero ) Veľmi jednoduchý signalizačný systém LOG1-vyššie napätie, LOG0-nižšie napätie Napäťový signál sa nemusí vracať na nulu počas periódy každého bitu Nevýhody : Dlhá postupnosť 1 alebo 0 môže spôsobiť výpadok synchronizácie medzi vysielačom a prijímačom, pretože prijímač nemôže využiť prechody na synchro

Manchester kódovanie Napätie sa mení v strede periódy každého bitu Zostupná hrana predstavuje 0, nástupná hrana znamená 1 Zmena medzi periódami bitov je ignorovaná

Vlastnosti Manchester kódovania Rozhodujúci je prechod ( nahor, nadol ) a nie napäťová úroveň, ktorá môže kolísať Napäťový prechod sa uskutočňuje pravidelne v strede každého bitu, čo umožňuje klientom kontrolovať časovanie, synchronizáciu 10 Mbps Ethernet používa toto kódovanie (na UTP alebo koaxial. kábloch) Nie je efektívne pre vyššie prenosové rýchlosti

Kódovanie skupinou bitov Ešte pred vyslaním na médium sa informácia zakóduje Bity sú najprv zoskupené, potom kódované Každá možná skupina bitov má svoj vlastný kód To pridáva zaťaženie prenosového média, ale má svoje výhody

Výhody skupín a kódovania Riadiace kódy ako štart, stop majú kódy, ktoré nemôžu byť považované za dáta Kódy sú navrhnuté tak, aby obsahovali dostatok prechodov, potrebných pre synchronizáciu Počet 1 a 0 je v kóde zhruba vyvážený, takže vyžaduje minimálne množstvo energie Lepšia detekcia chýb – invalidné kódy sú ľahko rozoznateľné od dát

Kódovanie 4B/5B Každý prenášaný bajt je rozdelený na dvojice 4 bitov – nibble, a tie sú zakódované do 5-bitových symbolov

100 Mbps Ethernet na UTP Najprv sa použije kódovanie 4B/5B pomocou metódy MLT-3 sa informačné bity naložia na kábelové médium ako napäťové úrovne Zmena úrovne znamená LOG1, bez zmeny je to LOG0

100 Mbps Ethernet na optike Najprv sa použije kódovanie 4B/5B Potom pomocou metódy kódovania NRZI sa vysielajú pulzy infračerveného svetla do optického multimódového vlákna LOG1 znamená zmenu, LOG0 je je bezo zmeny

Gigabit Ethernet na UTP Používa komplikovanejší spôsob kódovania, ako aj naloženie signálu na vodič, využívajúc 4 páry vodičov

Šírka pásma Je to množstvo dát, ktoré pretečie na určitom mieste siete za jednotku času Je dané vlastnosťami média a technológiou použitou na prenos a detekciu signálov Základnou jednotkou sú bity/sec (bits per second - bps) 1 Kbps = 1 000 bps = 103 bps 1 Mbps = 1 000 000 bps = 106 bps 1 Gbps = 1 000 000 000 bps = 109 bps

Throughput a Goodput Throughput je skutočná rýchlosť prenosu v bps. Okrem samotných dát obsahuje riadiace a kontrolné dáta Mení sa v závislosti na type prevádzky, druhu a počtu zariadení pozdĺž cesty Vždy je menšia než definovaná šírka pásma Goodput je množstvo užitočných dát prenesených za jednotku času, bez zaťaženia protokolov ( hlavičky rámcov, packetov, ... )

Porovnanie Throughput a Goodput Throughput je aktuálny výkon siete ( je tam všetko ) Goodput sú namerané čisté užívateľské dáta ( bez záťaže od protokolov )

Médiá používané technológiou Ethernetu Metalické Cu – vodiče ( koaxiálny kábel, UTP, STP káble ) Optické káble ( jednomodové, multimodové ) Wireless ( rádiové, bezdrôtové )

Koaxiálny kábel Vhodné : Zloženie : pre vf rádio a video signály pre anténnu kabeláž pre káblovú TV a Internet, kombinované s optikou spočiatku používaný Ethernetom Zloženie : Centrálny vodič Izolácia Medené opletenie ako spätný vodič pre prúd a zároveň pôsobí ako tienenie proti interferencii Vonkajšia izolácia ako obal

UTP- Unshielded twisted pair (netienená skrúcaná dvojlinka ) 8 Cu-vodičov skrútených do 4 párov v jednom vonkajšom obale Vodiče farebne označené kvôli rozlíšeniu Všeobecne a najčastejšie používané v rámci Ethernet LAN

UTP kábel Pre 100 Mbps Ethernet môže byť použitá kategória 5 (Cat5) alebo vyššia Pre Gigabit Ethernet kategória (Cat 5e) Nové inštalácie by mali používať Cat 6 Kategória kábla udáva počet skrútení na meter dĺžky, je starostlivo sledovaná

STP- Shielded twisted pair (tienená skrúcaná dvojlinka ) Vodiče tienené proti rušeniu Sú oveľa drahšie než UTP káble Možu byť použité pre 10 Gigabit Ethernet Obal Cu-opletenie Tieniaca fólia Skrútený pár

Konektory RJ45 pre UTP, STP Káblové koncovky Zásuvky pre RJ45 Patch panel

Druhy Ethernet UTP káblov priamy kábel – straight-through variant A variant B krížový kábel - crossover konzolový kábel - rollover Patentovaný fy CISCO

Prepojenie zariadení PC Switch Hub Router X II II - priamy kábel ( rôzne zariadenia ) X - krížový kábel ( rovnaké zariadenia ) konzolový kábel - na manažovanie routra, switcha pomocou pripojeného PC

Rušenie ( šum, interferencia ) Elektrické signály na Cu-vodičoch sú rušené interferenciou z okolia Elektromagnetické rušenie (EMI) zo zariadení ako sú napr. elektromotory, fluorescenčné žiarivky, silové spínače, stykače, .... Rušenie od rádiových signálov (RFI) Krížové presluchy od iných vodičov v rámci toho istého kábla alebo blízkych káblov

Zdroje interferencií Fluorescenčné žiarivky Elektromotory Rádiové vlny Zdroje rušenia pôsobia na elektrické signály na Cu - vodičoch

Obmedzenie rušenia Použitím kovového tienenia ( Cu ) Skrútením vodičov do párov Vyhýbaním sa ťahania káblov cez rušivé prostredia Starostlivé ukončovanie káblov správnym nasadením konektorov

Optický kábel Prenáša svetelné impulzy Nevplýva žiadne rušenie (EMI/RFI) Jeden alebo viacero vlákien v kábli Párované pre full-duplex prevádzku obal jadro pružná priadza výplň pružná priadza výplň obal jadro Obal (PVC)

Jednomodové optické vlákno Sklenené jadro priemer 8 – 10 mikrometrov Laserový zdroj svetla produkuje jeden lúč svetla Vzdialenosť až do 100 km Fotodiódy konvertujú optický signál späť na elektrický signál Polymérový obal Ponúka priamu cestu pre svetelný lúč Sklenené jadro Ø 8 – 10 μm Sklenený obal Ø 125 µm

Multimodové optické vlákno Sklenené jadro priemer 50 – 60 mikrometrov LED zdroj svetla produkuje viacero lúčov svetla pod rozličnými uhlami, prenos rôznymi dráhami Dosah až do 2 km, obmedzenie rozptylom Fotodiódové prijímače Lacnejšie než jednomodové vlákno Polymérový obal Sklenené jadro Ø 50/62,5 μm Sklenený obal Ø 125 µm Poskytuje viaceré cesty pre svetelný lúč

Optické konektory multimodové jednomodové Subscriber connector (SC) Straight tip (ST) konektor Lucent connector (LC) Lucent connector (LC) Duplex multimode lucent connector (LC)

Voľba druhu kábla pre LAN Cu - kábel UTP Optický kábel Max 100 m dĺžka Problémy s rušením Iba vnútri budov Lacnejší Ľahšia inštalácia 100km alebo 2km Bez rušenia Vnútri i medzi budovami Oveľa drahší Obtiažnejšia inštalácia

Prístroje na testovanie káblov Gembird Tester LAN/USB RJ11/RJ45 Optical Time Domain Reflectometer (OTDR) pre optické káble Fluke NetTool pre skrúcané dvojlinky

Wireless ( bezdrôtové ) Elektromagnetické signály na rádiových a mikrovlnných frekvenciach Odpadá inštalácia káblov Klienti voľne sa pohybujúci po okolí Bezdrôtový prístupový bod (AP - access point ) Bezdrôtové adaptéry

Problémy bezdrôtovej prevádzky Rušenie od iných rádiových a mikrovlnných zdrojov, bezdrôtové telefóny, mikrovlnné trúby, fluorescenčné svietidlá Steny stavieb môžu blokovať signály, spôsobovať nežiadúci útlm Bezpečnosť je hlavnou úlohou

Druhy bezdrôtových ( wireless) sietí IEEE 802.11 - Wi-Fi for wireless LANs. Používa CSMA/CA metódu prístupu na médium IEEE 802.15 - Bluetooth spája dvojice zariadení v rozmedzí 1 -100m. IEEE 802.16 - WiMAX pre bezdrôtový širokopásmový prístup Global System for Mobile Communications (GSM) – pre mobilné telefónne siete.