Warstwa łącza w modelu TCP/IP odpowiada warstwie fizycznej oraz łącza danych w modelu
OSI.
Warstwa fizyczna
Warstwa fizyczna opisuje sygnały, napięcia, ich poziomy, sposoby kodowania, media transmisyjne, a także sprzęt sieciowy. Dane przesyłane są w postaci bitów. Sygnałem może być każda funkcja, której zmienną niezależną jest czas. Poziom napięcia elektrycznego na wyjściu pewnego urządzenia jest funkcją czasu.
Rozróżniamy sygnały:
- analogowy- ciągła funkcja czasu,
- dyskretny- przyjmuje co najwyżej przeliczalny zbiór wartości,
- cyfrowy (binarny)- szczególny przypadek sygnału dyskretnego. Przyjmować może tylko 2 wartości.
Nadajnik to urządzenie wytwarzające sygnał, a odbiornik to urządzenie wykorzystujące sygnał. Tor transmisji to droga, którą przebywa sygnał od nadajnika do odbiornika. Transmisja przebiega w pewnym medium transmisyjnym, którym może być kabel miedziany, światłowód, powietrze lub próżnia. Podczas transmisji mają miejsce straty energii sygnału i zakłócenia. Wówczas sygnał podlega opóźnieniu i zniekształceniu. Powstaje tzw. widmo sygnału. Widmo pasma o skończonej mocy, powyżej pewnej częstotliwości staje się bardzo małe. Zakres częstotliwości, w jakim widmo uważamy za niezerowe, nazywamy
pasmem sygnału, a jego długość nazywamy
szerokością pasma. Każdy tor transmisji posiada swoją charakterystykę częstotliwościową, czyli zależność przewodzenia składowej sygnału od częstotliwości tej składowej. Dla rzeczywistych mediów ich charakterystyki częstotliwościowe powyżej pewnej częstotliwości stają się bliskie zeru, tzn. że składowe sygnałów o wyższych częstotliwościach są prawie całkowicie tłumione. Mówimy wówczas o paśmie przenoszenia danego toru transmisji. Gdy pasmo sygnału zawiera się w paśmie przenoszenia toru transmisji, a ponadto pasmo przenoszenia jest funkcją stałą w zakresie pasma sygnału, sygnał po przebiegu przez
tor transmisji jest stłumiony i opóźniony, ale jego kształt nie ulega zmianie. Jeżeli pasmo przenoszenia pewnego toru transmisji jest dużo szersze niż pasmo wykorzystywane przez pojedynczy sygnał, można przez ten tor transmisji przesyłać wiele sygnałów jednocześnie.
W takim przypadku mamy do czynienia z pojęciem
modulacji.
Rozróżniamy modulację:
- amplitudy,
- częstotliwości,
- fazy.
Wzór ogólny równania fali nośnej:
A * cos(2 * Π * f * t + Φ), gdzie A- amplituda, f- częstotliwość, Φ- faza.
Zmieniając jeden z tych parametrów, uzyskujemy odpowiedni rodzaj modulacji (amplitudy, częstotliwości lub fazy). Dla przykładu modulacja amplitudy będzie wyglądała następująco: sygnał s(t) * nośna = sygnał zmodulowany, czyli odpowiednio:
s(t) * cos(2 * Π * f * t + Φ).
Generowanie wielu nośnych, odległych od siebie na osi częstotliwości o więcej niż podwojona szerokość pasma sygnału użytecznego i modulowaniu każdej z nośnych innym sygnałem użytecznym nazywamy zwielokrotnieniem. Suma zmodulowanych sygnałów jest przepuszczana przez łącze, a następnie poszczególne sygnały użyteczne są odfiltrowane i rozdzielone.
Kodowanie sygnałów
W warstwie fizycznej dane są przekazywane w postaci bitów. Sygnał cyfrowy przesyłany przez łącze może napotkać znaczące problemy (zniekształcenia, ważność bitów, synchronizacja przesyłania danych itp.). Wobec tego stosuje się kodowanie bitów. Sposobów jest kilka, a najczęściej stosowane to:
- NRZ (ang. Non Return to Zero),
- NRZI (ang. Non Return to Zero Inverted),
- Menchester,
- Menchester różnicowy.
Kodowania NRZ i Menchester to tzw. kody proste. NRZI i Menchester różnicowy to kody różnicowe. Sygnały w kodach NRZ i NRZI zachowują stały poziom napięcia w ciągu jednego okresu sygnalizacji. Mogą go zachowywać przez dowolnie długi czas. Grozi to desynchronizacją nadajnika i odbiornika. Sygnały w kodach Manchester i Manchester różnicowy zawsze zmieniają poziom napięcia w połowie okresu. Są to kody
samosynchronizujące. Sygnały w kodzie NRZ i NRZI w przypadku przewagi zer nad jedynkami (lub na odwrót) wprowadzają składową stałą sygnału. Średni poziom napięcia w łączu może odbiegać od średniej arytmetycznej wysokiego (H) i niskiego (L) poziomu napięcia. Może to być niekorzystne w przypadku niektórych rozwiązań technicznych. Dla sygnałów w kodzie Manchester i Manchester różnicowy, średnia wartość
napięcia zawsze wynosi
(H+L)/2.
Kody różnicowe są bardziej odporne na przypadkowe zakłócenia i przypadkową zmianę polaryzacji sygnału (zamianę końcówek kabli).
| Kodowanie |
Informacja źródłowa |
Poziom sygnału zakodowanego w czasie |
| -0,5T - 0 |
0 - 0,5T |
0,5T - T |
| NRZ |
1 |
nieistotny |
H |
H |
| 0 |
nieistotny |
L |
L |
| NRZI |
1 |
H |
H |
H |
| L |
L |
L |
| 0 |
H |
L |
L |
| L |
H |
H |
| Menchester |
1 |
nieistotny |
L |
H |
| 0 |
nieistotny |
H |
L |
| Menchester różnicowy |
1 |
H |
H |
L |
| L |
L |
H |
| 0 |
H |
L |
H |
| L |
H |
L |
Przykłady kodowania:
Warstwa łącza
Zadaniem warstwy łącza jest zapewnienie transmisji informacji między stacjami końcowymi oraz węzłami podłączonymi do wspólnego medium transmisyjnego. Informacja przekazywana jest w porcjach zwanych ramkami (
ang. frame). Rozmiar ramki zależy od implementacji konkretnego protokołu i zazwyczaj jest zmienny. Praktycznie zawsze liczba bitów w ramce jest wielokrotnością 8. Ósemka bitów nazywana jest
oktetem, a 1 Oktet jest równy 1
Bajtowi.
Protokoły warstwy łącza operują na adresach fizycznych, które w obrębie fragmentu sieci obsługiwanego przez dany protokół, muszą być unikalne i mieć stałą długość. Adresowanie fizyczne jest unikalne w skali całego świata i jest administrowane przez IEEE, która przydziela numery kodowe poszczególnym producentom sprzętu sieciowego. Producenci przydzielają unikalne numery seryjne własnym produktom. Każdy produkt ma zapisane w swojej pamięci stałej: kod producenta i numer seryjny.
Struktura adresu fizycznego:
Adres mający wszystkie bity wyjedynkowane nazywamy
adresem rozgłoszeniowym (ang. broadcast address). Adres mający wszystkie bity wyzerowane nazywamy
ramką organizacyjną protokołu warstwy łącza. Adresy fizyczne nazywane są również adresami
MAC (
ang. Medium Access Control).
Warstwa łącza podzielona jest na dwie podwarstwy:
- podwarstwę dostępu do nośnika - MAC (ang. Medium Access Control SubLayer),
- podwarstwę dostępu do łącza logicznego - LLC (ang. Logical Link Control Sublayer).
Typy usług świadczony przez podwarstwę LLC na rzecz protokołów warstw wyższych:
- bezpołączeniowe bez potwierdzeń,
- połączeniowe bez potwierdzeń,
- połączeniowe z potwierdzeniami.
Poszczególnym usługom LLC odpowiadają obiekty logiczne, czyli punkty udostępniania usług (
ang. Service Access Point).
Determinują one adresy udostępniania usług po stronie nadawcy (
ang. Source SAP) i po stronie odbiorcy (
ang. Destination SAP).
Adresy te są zazwyczaj 1 lub 2 bajtowe, a dwa pierwsze bity są wyzerowane. Podwarstwa LLC otrzymuje więc blok danych do przesłania, pełny adres źródłowy (fizyczny adres nadawcy + S-SAP), pełny adres docelowy (fizyczny adres odbiorcy + D-SAP) oraz rodzaj żądanej usługi.
Podwarstwa LLC tworzy ramkę logiczną LLC:
