Fyzická vrstva

Jak jsme si uvedli již dříve, úkol fyzické vrstvy v rámci referenčního modelu ISO/OSI je zdánlivě velmi jednoduchý - zajistit přenos jednotlivých bitů mezi příjemcem a odesilatelem.

V předchozích dílech našeho seriálu jsme si také naznačili, že možných prostředků pro vlastní přenos dat je celá řada - od nejrůznějších kabelů, telefonních okruhů, přes veřejné datové sítě až např. po satelitní spoje - a že tyto se více či méně liší ve způsobu přenosu, dosažitelných přenosových rychlostech, způsobu ovládání i v dalších aspektech. Je právě úkolem fyzické vrstvy, aby se přizpůsobila konkrétním přenosovým prostředkům, vytvořila potřebné rozhraní pro jejich připojení k uzlovému počítači sítě, a prostřednictvím tohoto rozhraní je také ovládala.

Fyzické vrstvy se proto týkají standardy, které definují elektrické, mechanické, funkční a procedurální vlastnosti rozhraní pro připojení různých přenosových prostředků a zařízení (tj. kabelů, modemů apod.) - tedy elektrické parametry přenášených signálů, jejich význam a časový průběh, vzájemné návaznosti řídících a stavových signálů, zapojení konektorů, a mnoho dalších parametrů technického i procedurálního charakteru. Úkolem entit fyzické vrstvy je pak na základě těchto standardů obsluhovat přenosové prostředky, připojené k příslušným rozhraním, a jejich prostřednictvím zajišťovat přenosy jednotlivých bitů.

Způsob připojování modemů k počítačům a terminálům definuje standard RS-232-C (Recommended Standard no. 232, revision C), pocházející od americké standardizační organizace EIA (viz 22. díl našeho seriálu). Ten vymezuje přesné rozhraní mezi dvěma druhy zařízení, které se v terminologii tohoto standardu označují jako DTE (Data Terminal Equipment, v překladu: KZD neboli Koncové Zařízení přenosu Dat), a DCE (Data Circuit-Terminating Equipment, v překladu: UZD neboli Ukončující Zařízení Datového okruhu - viz 8. díl našeho seriálu). Zařízením DTE je např. počítač nebo terminál, zatímco zařízením DCE je modem. Standard RS-232-C definuje nejen počet a význam jednotlivých signálů rozhraní mezi zařízeními DTE-DCE, zapojení konektorů, ale také elektrické parametry přenášených signálů (mj. napěťové úrovně, které vyjadřují jednotlivé stavy těchto signálů). Prakticky shodný standard resp. doporučení s označení V.24 pochází od organizace CCITT (liší se jen v několika málo zřídka používaných signálech). Doporučení V.24 však na rozdíl od standardu RS-232-C nedefinuje přesné elektrické parametry přenášených signálů (v terminologii doporučení V.24: obvodů) - ty specifikuje až doplňkové doporučení V.28.

Ačkoli byly oba tyto prakticky ekvivalentní standardy vyvinuty právě pro připojování modemů k počítačům a terminálů, používají se dnes i k jiným účelům, např. pro připojování tiskáren či jiných periferií (se sériovým rozhraním) k počítačům, a také ke vzájemnému propojování počítačů (tj. k propojování dvou zařízení DTE). V našem seriálu se budeme oběma těmito standardy ještě zabývat podrobněji.

Nevýhodou standardů RS-232-C a V.24 (+ V.28) je maximální dosah přibližně 15 metrů, a maximální přenosová rychlost do 20 kbit/sekundu. Většího dosahu a vyšších přenosových rychlostí lze obecně dosáhnout jen s elektrickými signály jiných parametrů. Proto byly vytvořeny další standardy (doporučení CCITT) V.10 a V.11, které jsou alternativou k doporučení V.28 (tj. definují právě a pouze elektrické parametry přenášených signálů). Předpokládají použití výkonnějších budičů a přijímačů (po řadě nesymetrických resp. symetrických, tj. takových, které přenášený logický signál vyjadřují napětím mezi jedním signálovým vodičem a zemí, resp. rozdílem napětí mezi dvěma signálovými vodiči), a umožňují dosahovat přenosové rychlosti až 10 Mbit/sekundu (viz tabulka 28.1). Doporučení V.10 a V.11 mají své ekvivalenty v doporučeních CCITT X.26 resp. X.27, a také v doporučeních EIA (konkrétně RS-423-A resp. RS-422-A).

Tabulka 28.1.: Elektrické parametry a dosah signálů

Standard EIA	Doporučení CCITT	Obvody	Maximální dosah	Logická 1 (u vysílače)	Logická 0 (u vysílače)
RS-232-C	V.28	nesymetrické	20 kbit/sekundu do 15 m	-5 až -15 V	+5 až +15V
RS-423-A	V.10(X.26)	nesymetrické	100 kbit/sekundu do 10 m 1 kbit/sekundu do 1000 m	-4 až -6 V	+4 až +6 V
RS-422-A	V.11(X.27)	symetrické	10 Mbit/sekundu do 10 m 100 kbit/sekundu do 1000 m	-2 až -6 V	+2 až +6 V

Standard RS-232-C je již poměrně starého data (byl poprvé publikován v roce 1969). Koncem 70. let se jej organizace EIA rozhodla nahradit novějším standardem RS-449. Ten zavádí některé nové signály (především pro potřeby testování) a předpokládá použití jiných konektorů, na rozdíl od svého předchůdce však již nedefinuje elektrické charakteristiky přenášených signálů - pro ně přejímá standardy RS-423-A a RS-422-A.

Nový standard RS-449 se však přes velkou snahu organizace EIA v praxi neujal (zřejmě pro přílišnou komplikovanost oproti svému předchůdci). Proto EIA počátkem roku 1987 přišla s novou verzí (revizí D) standardu RS-232, nyní tedy s označení RS-232-D, která oproti verzi RS-232-C přidává dva nové signály (pro testování modemů).

Způsob připojování počítačů k digitálním okruhům a k veřejným datovým sítím definuje doporučení X.21 CCITT z roku 1976. To sice zasahuje až do síťové vrstvy (neboť obsahuje popis řízení činnosti v síti s přepojováním okruhů), na úrovni fyzické vrstvy však definuje počet a význam přenášených signálů i zapojení konektorů. Nedefinuje však již elektrické vlastnosti přenášených signálů - k tomuto účelu přejímá doporučení V.10/X.26 a V.11/X.27. Kromě doporučení X.21 existuje i alternativní doporučení X.21(bis), které je podmnožinou standardů RS-232-C/V.24, definuje způsob připojování k analogovým přenosovým sítím, a je zamýšleno jako dočasný standard pro dobu, kdy digitální sítě ještě nejsou všeobecně rozšířené.

Fyzickou vrstvu pokrývají také standardy řady 802, pocházející od sdružení IEEE, které jsou určené pro lokální sítě (a my se jimi samozřejmě budeme zabývat podrobněji). Nejzajímavější je z tohoto pohledu zřejmě standard IEEE 802.3 pro sběrnicové lokální sítě s přístupovou metodou CSMA/CD (označované poněkud nepřesně jako sítě typu Ethernet). Tento standard totiž ve své původní verzi (z roku 1985) předpokládal pouze použití tzv. tlustého koaxiálního kabelu (Thick Ethernet, viz 19. díl našeho seriálu). Poměrně brzy však bylo přijato několik doplňků standardu IEEE 802.3, které umožnily využít i jiná přenosová média - od tzv. tenkého Ethernetu, přes koaxiální kabel s přenosem v přeloženém pásmu, až po běžnou kroucenou dvoulinku a optická vlákna. Jednotlivé doplňkové standardy (včetně původního) pak dostaly i výstižná označení, která shrnuje tabulka 28.2. Obdobný vývoj, jako u IEEE 802.3, lze pozorovat i u ostatním standardů řady 802.

Tabulka 28.2.: Přehled standardů IEEE 802.3

Typ	Max. přenosová rychlost	Přenosové médium	Topologie sítě	Druh přenosu	Max. délka jednoho segmentu
10BASE5	10 Mbit/sekundu	"tlustý" koaxiální kabel	sběrnice	v základním pásmu	do 500 m
10BASE2	10 Mbit/sekundu	"tenký" koaxiální kabel	sběrnice	v základním pásmu	do 200 m
10BROAD36	10 Mbit/sekundu	koaxiální kabel 75 Ohmů	sběrnice	v přeneseném pásmu	do 3600 m
1BASE5	1 Mbit/sekundu	kroucená dvoulinka	hvězda	v základním pásmu	do 500 m
10BASE-T	10 Mbit/sekundu	kroucená dvoulinka	hvězda	v základním pásmu	do 100 m
10BASE-F	10 Mbit/sekundu	optická vlákna	hvězda

Vlastní specifické řešení na úrovni fyzické vrstvy vyžadují také některé novější přenosové technologie a prostředky. Fyzickou vrstvu proto pokrývají i standardy resp. doporučení, které použití těchto prostředků resp. technologií definují, například:

• pro optické přenosy doporučení ISO 9314, které definujestandard FDDI (Fiber Distributed Data Interface),
• pro sítě ISDN doporučení CCITT I.430, (které se týká výhradně fyzické vrstvy)

---