Современные компьютерные сети

Лекция 2

Физический и канальный уровень

Пономаренко Роман
@rerand0m
rerandom@ispras.ru

2026

Физический уровень

Прикладной

Представления

Сеансовый

Транспортный

Сетевой

Канальный

Физический

Представление информации в виде сигналов, передаваемых по среде передачи, и наоборот (Кодирование и декодирование)
- Отличить сигнал от шума
- Обнаружить ошибки
- Синхронизация приёмника и передатчика
Никак не анализирует передаваемую информацию

Основные характеристики канала связи

Пропускная способность
Задержка
Устойчивость к ошибкам

Витая пара

Каналы: duplex

Полнодуплексные (full-duplex)
- Позволяют передавать в обе стороны одновременно
Полудуплексные (half-duplex)
- В конкретный момент времени только в одном направлении
Симплексные (simplex)
- Всегда позволяют передавать только в одном направлении

Коаксиальный кабель

Оптоволокно

Свойства преломления/отражения света

Полное внутреннее отражение

Многомод / одномод

Многомод ~50мкм, одномод <10мкм

Окна прозрачности

График затухания сигнала для разных длин волн

Источник с более подробным разбором причин и характеристик затухания

Окна прозрачности

Название (рус)	Название (англ)	Окно прозрачности	Длинна волны nm
		1	770-910
Основной	Original (O)	2	1260-1360
Расширенный	Extended (E)	5	1360-1460
Коротковолновый	Short wavelength (S)		1460-1530
Стандартный	Conventional (C)	3	1530-1565
Длинноволновый	Long wavelength (L)	4	1565-1625
Сверхдлинноволновый	Ultra-long wavelengh (U)		1625-1675

Цифровая модуляция (Кодирование)

Процесс преобразования битов в сигналы и наоборот

Зачем:

Определить сигнал (отличить отсутствие сигнала)
Восстановить тактовый сигнал, т.е. различить последовательность символов
Стремиться к симметричности сигнала (минимизировать постоянную составляющую, не передавать энергию)

Не передавайте слишком много нулей (или единиц) подряд

Кодирование: примеры

Кодирование: примеры

4b/5b

0000	11110	1000	10010
0001	01001	1001	10011
0010	10100	1010	10110
0011	10101	1011	10111
0100	01010	1100	11010
0101	01011	1101	11011
0110	01110	1110	11100
0111	01111	1111	11101

Дальнейшее развитие в 8b/10b

Кодовое расстояние

(Расстояние Хэмминга)

Количество битов, различающихся в двух кодовых словах

В общем случае - метрика различия объектов одинаковой размерности

Ширина полосы пропускания - мера пропускной способности

Сигналы, использующие полосу пропускания от нуля - немодулированные (baseband)

Смещённые по полосе сигналы - полосовые (passband)

\[\begin{aligned} 10 \log_{10} 2 \approx 3 dB \end{aligned} \]

Манчестерское кодирование требует вдвое большей полосы пропускания

Модуляция несущей

ASK | FSK | PSK (shift keying)

Квадратурное кодирование

QPSK | QAM16 | QAM64

Ничто не запрещает использовать алфавит из более чем двух символов, как и кодировать более чем одним способом

Скорость, с которой меняется сигнал - скорость передачи символов (бод и бодрейт baud rate)

Скорость передачи бит (единицы полезной информации) - битрейт (bit rate)

1 бод ≠ 1 бит

Скорость в битах может быть как выше, так и ниже скорости в бодах.

Мультиплексирование: TDM

(Time division multiplexing)

В разные моменты времени передаются сигналы разных исходных каналов

MUX - мультиплексор, DEMUX - демультиплексор

Мультиплексирование: FDM

На разных частотах передаются сигналы разных исходных каналов

WDM?

Канальный уровень

Прикладной

Представления

Сеансовый

Транспортный

Сетевой

Канальный

Физический

Коммутация каналов
- Объединение сред передачи
- Одновременное использования каналов
Идентификация и адресация участников
Пример протоколов: Ethernet

Mac

Групповой адрес

Ethernet vs Ethernet

Так сколько байт хватит всем?

64 - Минимум для <1Гбит/с
512 - Минимум для 1Гбит/с (неявный)
1500 - Максимум для классического Ethernet
16000 - Максимум для Jumbo frame

CSMA: настойчивый и не очень

Carrier-sense Multiple Access - Множественный доступ с контролем несущей

CSMA/CD - collision detection

CSMA/CD с настойчивостью 1:

Когда появляются данные для передачи, сначала прослушивается канал, если канал занят, передача начнётся после освобождения, иначе сразу. В случае коллизии, сторона выжидает случайное время и алгоритм повторяется.

Ненастойчивый CSMA не ожидает освобождения линии, вместо этого опрашивает линию через случайные промежутки времени.

CSMA/CD

Общая шина

Что такое коллизия?

Сообщение 1:	11001010
Сообщение 2:	11011100
На линии:	11011110

Причём тут размер кадра?

τ₀: на одном конце провода начинается передача

τ₁-ε: на другом конце провода начинается передача

τ₁: возникает коллизия

τ₂: исходная сторона имеет возможность обнаружить коллизию

Размер кадра должен быть таким, чтобы в момент τ₂ передача не успела закончиться

CSMA проблемы

При использовании CSMA возникают проблемы

Проблема скрытой станции
Проблема засвеченной станции

MACA - multiple access with collision avoidance

RTS - Request To Send

CTS - Clear To Send

Поэтому используется схема с исключением коллизий:

Желающий передать данные передаёт фрейм RTS с указанием длинны передачи
Получающий подтверждает возможность приёма, передавая CTS с указанием длинны передачи
Каждый получивший CTS не являющийся передающим не будет отправлять данные в это время

Устройства работают на разных уровнях

Компьютер:

Прикладной

Представления

Сеансовый

Транспортный

Сетевой

Канальный

Физический

Концентратор:

Физический

Коммутатор:

Канальный

Физический

Коммутация каналов

Коммутатор

(мост, switch)
Самообучаемый
Может не ждать всего пакета, только mac адресов

Обучение

Port	MAC	TTL

Обучение

Port	MAC	TTL
1	A	100

Обучение

Port	MAC	TTL
1	A	100

Обучение

Port	MAC	TTL
1	A	100

Обучение

Port	MAC	TTL
1	A	99
2	B	100

Обучение

Port	MAC	TTL
1	A	99
2	B	100

Сколько уровней хватит всем?

Прикладной (Application)

Представления (Presentation)

Сеансовый (Session)

Транспортный (Transport)

Сетевой (Network)

Канальный (Data link)

Физический (Physical)

Прикладной (Application)

Транспортный (Transport)

Сетевой (Internet)

Канальный (Link)

Сколько уровней хватит всем?

Картинка из IEEE с расширенными слоями в канальном и физическом уровне

Подуровни физического уровня из IEEE 802.3

Reconciliation Sublayer (RS) — согласования
- Преобразует команды от MAC в xMII
Physical Coding Sublayer (PCS) - физического кодирования
- Кодирование/Декодирование - избыточный код 8b/10b, 64b/66b, 256b/257b
- Маркировка - добавление символов начала, конца, выравнивание
- FEC - Forward Error Correction - исправление ошибок
Physical Medium Attachment (PMA) - подключения к физической среде
- Сериализация/Десериализация (SerDes) - параллельный поток в последовательный
- Восстановление тактовой частоты
Physical Medium Dependent (PMD) - зависящий от физической среды
- Модуляция и усиление
- Прием/Передача

Источник: linkmeup как сделать коммутатор

Литература

Таненбаум Э., Фимстер Н., Уэзеролл Д. - Компьютерные сети. 6-е изд.
- 2.1, 2.4, 4.1, 4.2, 4.3, 4.7
В. Олифер, Н. Олифер - Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. 6-е (юбилейное) изд.
- Главы 6, 7, 10
J. Laferriere, G. Lietaert, R. Taws, S. Wolszczak - Reference Guide to Fiber Optic Testing. Second edition
- 1.1 - 1.5
- Перевод