U članku “Pregled referentnih modela komunikacijskih protokola” opisali smo sedam slojeva OSI mrežne arhitekture. Seriju nastavljamo obradom prvog, fizičkog sloja, te detaljnije opisujemo načine prijenosa podataka i mrežne uređaje koji rade na njemu, a zatim nastavljamo sa sljedećim slojevima.

Fizički je sloj zadužen za prijenos podataka, bit po bit, preko fizičkog medija. To znači da na ovom sloju ne postoje jedinice podataka, niti zaglavlja. Za svaki fizički medij koristi se različita modulacija koja osigurava što točniji prijenos podataka. Kod bakrenih medija bitove se prenosi kao nizove različitih naponskih razina signala ili kao promjene naponskih razina, a kod optičkih medija prenose se nizovi impulsa ima svjetla/nema svjetla. Protokoli na ovome sloju ne detektiraju niti korigiraju pogreške, nego je to ostavljeno protokolima viših slojeva.

Standardi definirani na fizičkom sloju određuju električne i funkcionalne karakteristike signala, te mehanička svojstva sučelja. Standardi koji definiraju karakteristike signala dijele se na one koji se odnose na prijenos signala analognim linijama (modulacije: FSK, DPSK, QAM), digitalnim linijama (dio ISDN specifikacije, ADSL) te lokalnim mrežama (serija IEEE standarda 802). Mehanička svojstva sučelja definiraju vrste i oblik konektora, te raspored signala po kontaktima.

Na prvoj OSI razini bavimo se i fizičkom topologijom, tj. načinom na koji su računala fizički spojena u mrežu. Lokalne mreže po fizičkoj topologiji dijele se na mreže tipa sabirnice, prstena i zvijezde. Logičkim topologijama bave se protokoli drugog sloja. Prve lokalne mreže razvijale su se na sabirničkoj (Ethernet) i prstenastoj (Token Ring) topologiji. Fizička topologija današnjih lokalnih mreža najčešće je zvjezdasta.

Standardi IEEE 802

Standardi IEEE 802 definiraju sučelja i protokole lokalnih (LAN) i gradskih (MAN) mreža, integrirajući u sebi i drugi sloj OSI modela:

802.1 Arhitektura

802.2 Protokoli podatkovnog sloja

802.3 Fizička razina i način pristupa za asinkrone sabirničke (Ethernet) mreže

802.4 Fizička razina i način pristupa za sinkrone sabirničke (Token Bus) mreže

802.5 Fizička razina i način pristupa za sinkrone prstenaste (Token Ring) mreže

802.6 Fizička razina i način pristupa za gradske mreže s DQDB (Distributed Queue Dual Bus) tehnologijom

802.7 Fizička razina i način pristupa za širokopojasne mreže koje korištenjem radio modema omogućuju prijenos 802.3, 802.4 i video signala istovremeno

802.8 Fizička razina i način pristupa za optičke gradske mreže

802.10 Raspored ključeva za LAN/MAN sigurne mreže

802.11 Fizička razina i način pristupa za bežične mreže

802.12 Fizička razina i način pristupa za lokalne mreže s prioritetom

802.14 Fizička razina i način pristupa za širokopojasne mreže koje koriste tehnologiju kabelske televizije

802.15 Fizička razina i način pristupa za bežične mreže vrlo malog dometa

802.16 Fizička razina i način pristupa za bežične mreže u području 10-60 GHz

Lokalna mreža tipa Ethernet

Ethernet mreža sabirničkog je tipa sa sinkronim prijenosom i decentraliziranom kontrolom pristupa mediju. Standard je počela razvijati tvrtka Xerox, a pridružile su joj se tvrtke DEC i Intel, te su 1980. godine specificirali DIX Ethernet. Uz male izmjene ova specifikacija koristi se kao Ethernet II standard. IEEE je preuzeo standardizaciju lokalnih mreža, te je 1985. donesen 802.3 standard. Ovaj standard koristi se i danas. Iako je originalno napravljen za brzine od 10Mb/s, proširivao se specifikacijama za prijenos brzinama od 100Mb/s, 1000Mb/s i 10Gb/s.

Ethernet standardi

Definirani Ethernet standardi ovisno o brzini prijenosa, vrsti medija i dometu su:

Kodiranja na Ethernet mrežama

Kod svih 10Mb/s verzija Etherneta podaci se prenose Manchester II kodom kod kojeg se promjena napona događa u sredini vremena trajanja bita i to za jedinicu (1) uzlazno, a za nulu (0) silazno:

Podaci kod 100Base-TX prenose se kodom MLT-3 koji koristi tri naponske razine. Jedinica se ostvaruje promjenom, a nula zadržavanjem naponske razine. Uz ovaj kod koristi se prekodiranje 4B/5B kodom. Svaka četiri bita prekodiraju se u pet bitova, prema zadanoj tablici. Na ovaj način osigurava se da se u prijenosu pojave najviše tri uzastopne nule, jer dulji niz nula može uzrokovati gubitak sinkronizacije.

Za prijenos signala optičkim kabelom ne koriste se višerazinski signalni kodovi. 100Base-FX standard pri prijenosu koristi NRZI (eng. Non Return to Zero Invert on one) signalni kod, uz prethodno prekodiranje 4B/5B kodom. Svaka jedinica izaziva promjenu (ima svjetla/nema svjetla) na početku vremena trajanja bita, dok nula zadržava prethodno stanje.

1000Base-SX koristi NRZ (eng. Non Return to Zero) signalni kod, uz prethodno 8B/10B prekodiranje, a 1000Base-T PAM-5 modulaciju (pulsno amplitudna modulacija s 5 razina).

Način pristupa mediju

Budući da Ethernet mreže decentralizirano pristupaju mediju, tj. glavna stanica upravlja prijenosom podataka, bilo je potrebno definirati tko u kojem trenutku može slati podatke. Kod Ethernet mreža definiran je CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) način pristupa mediju. Stanica koja želi početi slati najprije mora provjeriti je li medij slobodan. Ako u tom trenutku na mediju nema nosećega vala, stanica može početi slati. U istome trenutku i druga stanica mogla je provjeriti medij, također ustanoviti da je medij slobodan, te i ona početi prijenos. Čim neka od stanica detektira sukob signala, koliziju, kada je naponska viši od definiranog standardom, šalje signal kolizije (eng. jam) čime obavještava sve ostale stanice da su podaci na mediju neispravni. Sve stanice prekidaju slanje, odbacuju do tada primljeni dio podataka i čekaju slučajno vrijeme nakon kojega ponovno mogu osluškivati je li medij za slanje podataka slobodan. Područje kroz koje se signal propagira naziva se zona kolizije.

Mrežni uređaji fizičke razine

Osnovna funkcija mrežnih uređaja fizičke razine je pojačavanje, te po potrebi, umnožavanje signala na više priključaka.

Kod mreža tipa sabirnica jedan segment mreže čine sva računala povezana na istu sabirnicu. Povezivanje više segmenata ostvaruje se pojačalima (eng. repeater) i zvjezdištima (eng. hub). Pojačalo se sastoji od dva priključka i funkcija mu je da signal koji primi na jednom priključku pojača, odnosno obnovi i proslijedi na drugi. Zvjezdište se može još nazvati i pojačalo s više priključaka. Signal koji primi na jednom priključku proslijedi na sve ostale. Zvjezdište je interno izvedeno kao sabirnica.

Ukoliko se stanice na mreži nalaze međusobno udaljene više nego je to dozvoljeno standardom, potrebno je koristiti aktivne mrežne uređaje. Pojačala i zvjezdišta spajanjem više segmenata mreže povećavaju zonu kolizije. Dodavanjem više računala u mrežu i povećavanjem udaljenosti, vjerojatnost kolizije se znatno povećava, tako da postoji pravilo koje ograničava dodavanje proizvoljnog broja segmenata u mreži. Pravilo se naziva “5-4-3” i definira da signal između bilo koja dva računala na mreži ne smije proći kroz više od 5 segmenata, 4 pojačala i 3 višespojna segmenta. Višespojni segmenti su oni na kojima se spajaju računala. To znači da u mreži s maksimalnim dozvoljenim brojem segmenata moraju postojati bar dva segmenta bez spojenih računala, tj. segmenti koji međusobno povezuju dva mrežna uređaja.

Na fizičkom sloju nije moguće promet filtrirati, nego se to mora obavljati na podatkovnom sloju.