Цели урока:
1. Понимать роль и функции Физического уровня (L1) модели OSI.
2. Знать основные типы проводных и беспроводных сред передачи данных,
их характеристики, преимущества и недостатки.
3. Различать типы медных кабелей (UTP, STP, коаксиальный) и оптоволокна (SMF, MMF).
4. Понимать базовые принципы передачи сигналов (цифровые/аналоговые, полоса пропускания, затухание, помехи).
1. Теоретическая часть:
1.1. Роль Физического уровня (L1):
Основная задача:
Передача необработанного потока битов (bits) между устройствами через физическую среду.
Функции:
Физические характеристики среды:
Определение механических (разъемы, форма), электрических (уровни напряжения, ток), оптических (мощность света, длина волны) и процедурных (последовательность подключения) характеристик интерфейса и среды передачи.
Представление битов:
Преобразование цифровых битов (0 и 1) в сигналы, подходящие для передачи по среде (электрические импульсы по меди, световые импульсы по оптоволокну, радиоволны). И обратное преобразование на приеме.
Скорость передачи данных:
Определение пропускной способности канала (бит/с, Кбит/с, Мбит/с, Гбит/с).
Синхронизация битов:
Обеспечение синхронизации передатчика и приемника, чтобы приемник знал, когда измерять сигнал для определения каждого бита (тактовый сигнал).
Топология физических соединений:
Определение способа физического соединения устройств (точка-точка, шина, звезда, кольцо, ячеистая). В современных LAN доминирует "звезда" (устройства -> коммутатор/точка доступа).
Режим передачи:
Симплекс (однонаправленный, как радио), полудуплекс (по очереди, как рация), полный дуплекс (одновременно в обе стороны, как телефон). Современные Ethernet и Wi-Fi поддерживают полный дуплекс.
1.2. Проводные среды передачи (Guided Media):
Витая пара (Twisted Pair - TP):
Конструкция: Пары изолированных медных проводов, скрученных вместе. Скручивание уменьшает влияние электромагнитных помех (EMI) и перекрестных наводок (Crosstalk) между парами.
Типы:
UTP (Unshielded Twisted Pair - Неэкранированная):
Самый распространенный, дешевый и гибкий. Нет дополнительного экрана. Категории (Cat) определяют частотный диапазон и скорость:
- Cat 5e: 100 МГц, до 1 Гбит/с (1GBase-T)
- Cat 6: 250 МГц, до 1 Гбит/с (лучше на расстоянии), до 10 Гбит/с (10GBase-T) на коротких дистанциях (до 55м)
- Cat 6A: 500 МГц, до 10 Гбит/с на 100м
- Cat 7/7A: 600/1000 МГц, до 10/40 Гбит/с, "экранированная" конструкция (S/FTP)
- Cat 8: 2000 МГц, до 40 Гбит/с на 30м (для ЦОД)
STP/FTP (Shielded/Foiled Twisted Pair - Экранированная):
Имеет общий экран (фольга или оплетка) вокруг всех пар или экран вокруг каждой пары. Лучшая защита от EMI, но дороже, толще, сложнее в монтаже (требует заземления экрана). Используется в промышленных средах с высоким уровнем помех.
Разъемы:
RJ-45 (8P8C) для Ethernet.
Стандарты подключения: TIA/EIA-568A и TIA/EIA-568B (разница в порядке оранжевой и зеленой пар). Прямой кабель (Straight-Through) - оба конца
по одной схеме (568B-568B) - для соединения разнотипных устройств (ПК-коммутатор, маршрутизатор-коммутатор). Кроссоверный кабель (Crossover) - разные схемы на концах (568A-568B) - для соединения однотипных устройств (ПК-ПК, коммутатор-коммутатор). Современное оборудование с Auto-MDI/MDIX автоматически определяет тип кабеля.
Преимущества: Низкая стоимость, простота установки, гибкость.
Недостатки: Ограниченная дистанция (до 100м для Ethernet), восприимчивость к EMI/перекрестным наводкам (особенно UTP), уязвимость к "прослушке" (экранирование частично решает).
Коаксиальный кабель (Coaxial Cable):
Конструкция: Центральный медный проводник -> Изоляция -> Медная оплетка (экран) -> Внешняя оболочка. Хорошая защита от EMI.
Типы:
Толстый (Thicknet, 10Base5) и тонкий (Thinnet, 10Base2) Ethernet (исторически), современный - для ТВ (RG-6, RG-59), видеонаблюдения.
Разъемы:
BNC, F-коннектор.
Преимущества: Лучшая защита от EMI и перекрестных наводок, чем UTP, большая дистанция (до 500м для некоторых типов).
Недостатки: Дороже и сложнее в монтаже, чем UTP; менее гибкий;
в современных LAN практически вытеснен витой парой и оптоволокном.
Оптоволокно (Optical Fiber):
Принцип: Передача данных с помощью импульсов света (лазер или светодиод) через стеклянное или пластиковое волокно. Основан на полном внутреннем отражении.
Типы:
Многомодовое (Multi-Mode Fiber - MMF):
Большое ядро (50 или 62.5 мкм). Свет распространяется несколькими путями (модами).
Преимущества: Дешевле источники света (светодиоды), проще монтаж разъемов.
Недостатки: Модальная дисперсия (разные пути -> разное время прихода импульса) ограничивает дистанцию и скорость. Применение: Короткие дистанции (до 550м для 10G, до 100м для 40G/100G) - LAN, ЦОД.
Одномодовое (Single-Mode Fiber - SMF):
Очень малое ядро (8-10 мкм). Свет распространяется одной модой (прямой путь).
Преимущества: Очень низкое затухание, отсутствие модальной дисперсии -> огромная дистанция (десятки-сотни км) и скорость.
Недостатки: Дороже источники света (лазеры), сложнее монтаж разъемов, юстировка. Применение: Магистрали WAN, MAN, длинные участки LAN.
Разъемы:
- LC (маленький, популярен),
- SC (квадратный, популярен),
- ST (байонет),
- FC (резьбовой, для точных измерений).
Преимущества: Очень высокая пропускная способность (терабиты теоретически), очень большая дистанция, полный иммунитет к EMI, очень низкое затухание, безопасность (сложно "прослушать").
Недостатки: Высокая стоимость кабеля и оборудования (трансиверы), сложность монтажа и сращивания (требует специального инструмента
и навыков), хрупкость волокна.
1.3. Беспроводные среды передачи (Unguided Media):
Принцип: Использование электромагнитных волн (радиоволны, микроволны, ИК) для передачи данных через атмосферу или вакуум.
Технологии (фокус на LAN):
Wi-Fi (IEEE 802.11):
Работает в нелицензируемых диапазонах 2.4 ГГц (больше помех от микроволновок, Bluetooth), 5 ГГц (больше каналов, меньше помех), 6 ГГц (новый, много места). Стандарты: 802.11a/b/g/n/ac (Wi-Fi 5)/ax (Wi-Fi 6)/be (Wi-Fi 7). Использует точку доступа (AP) как центральное устройство.
Bluetooth (IEEE 802.15.1):
Короткая дистанция (PAN), низкое энергопотребление. Для периферии (мыши, наушники).
Сотовая связь (3G, 4G/LTE, 5G):
Дальняя дистанция, мобильность. Лицензируемые диапазоны.
Характеристики:
Частота:
Определяет пропускную способность (выше частота -> выше потенциальная скорость) и проникающую способность (ниже частота -> лучше проникает через стены).
Мощность сигнала:
Измеряется в dBm. Влияет на дистанцию.
Помехи:
Другие устройства в том же диапазоне, физические препятствия (стены, металл), атмосферные явления (для дальних линий).
Преимущества: Мобильность, простота развертывания (нет кабелей), охват больших площадей.
Недостатки: Ограниченная скорость (по сравнению с проводными гигабитными/оптическими решениями), проблемы безопасности (легче перехватить сигнал), помехи, ограниченная дистанция, непредсказуемость среды.
1.4. Ключевые понятия передачи сигналов:
Цифровой сигнал vs Аналоговый сигнал:
Данные передаются в виде дискретных уровней (0 и 1 - цифровой) или непрерывно меняющейся волны (аналоговый). Сети используют цифровые сигналы.
Полоса пропускания (Bandwidth): Максимальная скорость передачи данных по каналу (в бит/с). Не путать с шириной полосы (Bandwidth) в Гц - диапазон частот, который может передать среда. Чем больше полоса пропускания,
тем выше скорость.
Затухание (Attenuation): Ослабление сигнала с увеличением дистанции. Измеряется в децибелах (dB). Чем выше частота или хуже среда, тем сильнее затухание. Ограничивает максимальную дистанцию.
Помехи (Interference): Шум, искажающий полезный сигнал.
Типы:
- EMI (Electromagnetic Interference): Электромагнитные помехи от двигателей, линий электропередач.
- RFI (Radio Frequency Interference): Радиопомехи.
- Перекрестные наводки: Наводки от соседних пар проводов в кабеле (NEXT - Near-End, FEXT - Far-End).
- Дисперсия (Dispersion): "Расплывание" сигнала во времени при прохождении по среде. Ограничивает скорость/дистанцию.
Типы: Модальная (в MMF), Хроматическая (разные длины волн света распространяются с разной скоростью).
Режим передачи:
- Дуплекс (Duplex):
- Полудуплекс (Half-Duplex): Передача только в одну сторону в каждый момент времени (старые хабы, Wi-Fi).
- Полный дуплекс (Full-Duplex): Одновременная передача и прием (современные коммутаторы, точки доступа).
2. Диагностика с помощью индикаторов портов:
В реальном оборудовании и PT порты имеют светодиодные индикаторы (Link, Activity).
Норма: Зеленый (Link Up), мигает (Activity - трафик).
Проблемы L1:
Нет света: Кабель не подключен, порт выключен ("shutdown"), обрыв кабеля, неисправный порт/сетевая карта.
Оранжевый/Желтый (в PT): Низкая скорость (например, порт 100Мбит/с вместо 1Гбит/с), проблема с автосогласованием (Auto-negotiation).
Мигает оранжевым/красным: Ошибки связи (коллизии, CRC ошибки - часто из-за плохого кабеля, помех, превышения дистанции, дуплексного несоответствия).
3. Типичные проблемы Физического уровня (L1):
Обрыв кабеля:
Полное отсутствие связи. Диагностика: визуальный осмотр, тестер кабелей, индикаторы портов.
Пережатие/Перегиб кабеля:
Повреждение жил или экрана -> ошибки связи, снижение скорости.
Диагностика: TDR (Time Domain Reflectometer) в продвинутых тестерах.
Плохая обжимка/разъем:
Неправильная распиновка, плохой контакт -> нестабильная связь, ошибки.
Диагностика: тестер кабелей, проверка схемы обжима.
Превышение максимальной длины:
Сильное затухание/дисперсия -> потеря пакетов, низкая скорость.
Диагностика: измерение длины, тестеры с функцией длины/затухания (для меди/оптики).
Сильные электромагнитные помехи (EMI):
Искажение сигнала -> ошибки CRC.
Диагностика: устранение источников помех, замена UTP на FTP/STP или оптоволокно.
Дуплексное несоответствие:
Один конец Full-Duplex, другой Half-Duplex -> коллизии и падение скорости.
Диагностика: проверка настроек дуплекса на портах ("duplex full" /"duplex half"), включение Auto-negotiation.
Неисправность сетевой карты (NIC) или порта устройства:
"Мертвый" порт.
Диагностика: подключение к другому порту, замена карты/модуля.
Проблемы с оптикой:
Грязь на коннекторе (самая частая!), микротрещины, перегиб волокна -> высокое затухание.
Диагностика: очистка коннекторов, измеритель оптической мощности (Power Meter), рефлектометр (OTDR).
4. Вопросы для самопроверки:
1. Назовите 3 основные функции Физического уровня (L1).
2. В чем главное отличие UTP от STP? Где чаще применяется каждый тип?
3. Каковы основные преимущества и недостатки оптоволокна по сравнению с витой парой?
4. Почему максимальная длина сегмента UTP для Ethernet ограничена 100 метрами?
5. Что означают цвета индикаторов порта: зеленый постоянный, зеленый мигающий, оранжевый постоянный, оранжевый мигающий?
6. Какие два основных типа оптоволокна? В чем ключевое различие между ними по конструкции и применению?
7. Что такое дуплексное несоответствие и как его избежать?
8. Почему консольное подключение критически важно для сетевого инженера?
9. Как бы вы диагностировали проблему "ПК не подключается к сети", если индикатор сетевой карты не горит?
10. Какая самая частая причина проблем с оптоволоконными линиями?
5. Вывод.
Физический уровень (L1) отвечает за передачу битов по физической среде.
Проводные среды: Витая пара (UTP/STP - RJ-45), Коаксиальный кабель (исторически), Оптоволокно (SMF/MMF - LC/SC/ST). Выбор зависит от скорости, дистанции, стоимости, помех.
Беспроводные среды: Используют радиоволны (Wi-Fi - доминирует в LAN, сотовая связь). Зависит от частоты, мощности, помех.
Ключевые понятия: Полоса пропускания, Затухание, Помехи (EMI, RFI, Crosstalk), Дисперсия, Дуплекс (Half/Full).
Диагностика L1: Индикаторы портов, тестеры кабелей (меди/оптики), TDR, OTDR. Самые частые проблемы - обрывы, плохие коннекторы, превышение длины, дуплексное несоответствие, грязь на оптике.