Физический уровень

Проводниковые среды передачи информации

Витая пара

Витая пара представляет из себя два изолированных медных проводов, обычный диаметр которых составляет 1 мм. Провода свиваются один вокруг другого в виде спирали. Это позволяет уменьшить электромагнитное взаимодействие нескольких расположенных рядом витых пар. (Два параллельных провода образуют простейшую антенну, витая пара — нет.) Сигнал обычно передается в виде разницы потенциалов в двух проводах, составляющих пару. Это обеспечивает лучшую устойчивость к внешнему шуму, так как шум одинаково влияет на оба провода, и, таким образом, разница потенциалов остается неизменной.

Самым распространенным применением витой пары является телефонная линия.

Витая пара может передавать сигнал без ослабления мощности на расстояние, составляющее несколько километров. На более дальних расстояниях из-за ослабевания сигнала требуются повторители.

Коаксиальный кабель

Коаксиальный кабель состоит из твердого медного провода, расположенного в центре кабеля, покрытого изоляцией. Поверх изоляции натянут цилиндрический проводник, обычно выполненный в виде мелкой медной сетки. Он покрыт наружным защитным слоем изоляции (пластиковой оболочкой).

Коаксиальный кабель лучше экранирован, чем витая пара, поэтому может обеспечить передачу данных на более дальние расстояния с более высокими скоростями. Данный вида кабелей используется для передачи радиочастотных электрических сигналов. Благодаря совпадению осей обоих проводников у идеального коаксиального кабеля оба компонента электромагнитного поля полностью сосредоточены в пространстве между проводниками и энергия не теряется.

Коллизии

Коаксиальный кабель — разделяемая среда передачи. Важная особенность разделяемой среды: ее могут использовать одновременно несколько интерфейсов, но передавать в каждый момент времени должен только один. С помощью коаксиального кабеля можно соединит не только 2 компьютера между собой, но и более двух, без применения активного оборудования. Такая топология называется шина. Однако если хотябы два узла на одной шине начнут одновременно передавать информацию, то их сигналы наложатся друг на друга и приемники других узлов ничего не разберут. Такая ситуация называется коллизией, а часть сети, узлы в которой конкурируют за общую среду передачи — доменом коллизий. Для того чтоб распознать коллизию, передающий узел постоянно наблюдает за сигналов в среде и если собственный передаваемый сигнал отличается от наблюдаемого — фиксируется коллизия. В этом случае все узлы перестают передавать и возобновляют передачу через случайный промежуток времени.

Пускай в сети, изображенной на рисунке, узлы A и С одновременно начнут передачу, но успеют ее закончить раньше, чем примут сигнал друг друга. Так как каждый из передающих узлов примет встречный сигнал только после того, как уже закончит передавать свое сообщение — факт того, что произошла коллизия не будет установлен ни одним из них, а значит повторной передачи кадров не будет. Зато узел B на входе получит сумму сигналов и не сможет корректно принять ни один из них. Для того, чтоб такой ситуации не произошло необходимо ограничить размер домена коллизий и минимальный размер кадра.

Таким образом чем больше потенциальный размер сегмента сети, тем больше накладных расходов уходит на передачу порций данных маленького размера. Разработчикам технологии Ethernet пришлось искать золотую середину между двумя этими параметрами, и минимальным размером кадра была установлена величина 64 байта.

Распространение сигнала по проводам

Сигнал – это средство передачи информации из одного пункта в другой. Потребность в передаче информации существовала уже довольно давно. Одним из первых способов передачи информации без участия человека или животных в качестве переносчика – это сигнальные костры. Информация о какой-либо опасности передавалась посредствам последовательного разведения костров от одного сторожевого поста к другому.

Для передачи сигналов по проводам используются электромагнитные сигналы. Этот способ связи предусматривает передачу информации за счет изменения какого-либо параметра несущего электрического сигнала. Если вернуться к примеру про костры, несущим сигналом будет отсутствие огня(то есть костер не горит). Когда передающая сторона решит отправить сигнал, она зажжет костер, тем самым изменив наблюдаемую принимающей стороной картину.

Основным носителем информации электромагнитного сигнала являются электроны.

О скорости движения электронов

Скорость дрейфа электронов в проводниках крайне мала (~0,1—1 мм/с). Однако взаимодействуют друг с другом электроны со скоростью света.

Один из способов представить движение электронов в проводнике – это вагоны поезда. Сами вагоны движутся медленно, только начинают движение, и волна сцеплений передаётся гораздо быстрее.

Электромагнитный сигнал

Сигнал несущей частоты представляет собой гармоническое колебание, описываемое уравнением: [math]X=X_{max} \cdot sin(\omega t+\phi_0)[/math], где [math]Х_{max}[/math] – амплитуда колебаний, [math]\omega[/math] – частота колебаний, [math]t[/math] – время, [math]\phi_0[/math] – начальная фаза колебаний.

Передать цифровые данные по проводу можно, управляя одним из параметров сигнала несущей частоты: амплитудой, частотой или фазой. Так как необходимо передавать данные в двоичном виде (последовательность единиц и нулей), то можно предложить следующие способы управления (модуляции): амплитудный, частотный, фазовый. Подробнее про модуляции см. соответствующий раздел.

Упрощенно передача сигнала будет выглядеть следующим образом: каждый такт отправляющая сторона(генератор) будет генерировать волну разных частот - [math]f_0[/math], если мы хотим отправить 0 и [math]f_1[/math], если 1.

Пример: Типичным аналоговым каналом является телефонный канал. Когда абонент снимает трубку, то слышит равномерный звуковой сигнал – это и есть сигнал несущей частоты. Так как он лежит в диапазоне звуковых частот, то его называют тональным сигналом. Для передачи по телефонному каналу речи необходимо управлять сигналом несущей частоты – модулировать его. Воспринимаемые микрофоном звуки преобразуются в электрические сигналы, а те, в свою очередь, и модулируют сигнал несущей частоты. При передаче цифровой информации управление производят информационные байты – последовательность единиц и нулей.