OSI L1: Фізичний рівень (Physical Layer)¶

Що таке фізичний рівень?¶

Фізичний рівень — це найнижчий рівень моделі OSI. Він відповідає за передачу бітів (0 і 1) через фізичне середовище — кабелі, оптоволокно або радіохвилі.

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│  Комп'ютер A                              Комп'ютер B           │
│  ┌─────────┐                              ┌─────────┐           │
│  │  Дані   │                              │  Дані   │           │
│  │  0101   │ ───── Фізичне середовище ─── │  0101   │           │
│  └─────────┘      (кабель, світло,        └─────────┘           │
│                    радіохвилі)                                  │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘

Що передається на L1?¶

Біти — найменша одиниця інформації (0 або 1)
Передаються як сигнали:
Електричні імпульси (мідний кабель)
Світлові імпульси (оптоволокно)
Радіохвилі (Wi-Fi, LTE)

Типи середовища передачі¶

1. Мідний кабель (Copper)¶

UTP (Unshielded Twisted Pair)¶

Найпоширеніший тип для локальних мереж.

     Кабель UTP Cat6
┌─────────────────────────────┐
│  ┌──────────────────────┐   │
│  │ ╱╲╱╲╱╲ Пара 1 (біло-оранж + оранж)
│  │ ╱╲╱╲╱╲ Пара 2 (біло-зелений + зелений)
│  │ ╱╲╱╲╱╲ Пара 3 (біло-синій + синій)
│  │ ╱╲╱╲╱╲ Пара 4 (біло-коричн + коричн)
│  └──────────────────────┘   │
│         Оболонка            │
└─────────────────────────────┘

Кручення пар зменшує електромагнітні перешкоди (EMI).

Категорії кабелів¶

Категорія	Частота	Швидкість	Довжина	Використання
Cat5	100 MHz	100 Mbps	100м	Застаріла
Cat5e	100 MHz	1 Gbps	100м	Офіси
Cat6	250 MHz	1-10 Gbps	100м/55м	Рекомендовано
Cat6a	500 MHz	10 Gbps	100м	Дата-центри
Cat7	600 MHz	10 Gbps	100м	Екранований
Cat8	2000 MHz	25-40 Gbps	30м	Серверні

STP (Shielded Twisted Pair)¶

┌─────────────────────────────────────┐
│  ┌───────────────────────────────┐  │
│  │  ┌─────────────────────────┐  │  │
│  │  │  Twisted Pairs (4 пари) │  │  │
│  │  └─────────────────────────┘  │  │
│  │       Фольга (кожна пара)     │  │
│  └───────────────────────────────┘  │
│         Загальний екран (braid)     │
│              Оболонка               │
└─────────────────────────────────────┘

Використовується там, де багато електромагнітних перешкод.

Коаксіальний кабель (Coaxial)¶

    Коаксіальний кабель
┌─────────────────────────────┐
│         Оболонка            │
│  ┌───────────────────────┐  │
│  │      Мідна оплітка    │  │
│  │  ┌─────────────────┐  │  │
│  │  │   Діелектрик    │  │  │
│  │  │  ┌───────────┐  │  │  │
│  │  │  │Центральний│  │  │  │
│  │  │  │ провідник │  │  │  │
│  │  │  └───────────┘  │  │  │
│  │  └─────────────────┘  │  │
│  └───────────────────────┘  │
└─────────────────────────────┘

Застосування:
- Кабельне ТБ
- Старі мережі (10BASE2)
- Антенні кабелі

2. Оптоволокно (Fiber Optic)¶

Передача даних світловими імпульсами через скляне волокно.

    Оптоволоконний кабель
┌─────────────────────────────┐
│         Оболонка            │
│  ┌───────────────────────┐  │
│  │    Буферне покриття   │  │
│  │  ┌─────────────────┐  │  │
│  │  │    Оболонка     │  │  │
│  │  │   (cladding)    │  │  │
│  │  │  ┌───────────┐  │  │  │
│  │  │  │   Core    │◀──────── Світловий сигнал
│  │  │  │ (9-62 µm) │  │  │  │
│  │  │  └───────────┘  │  │  │
│  │  └─────────────────┘  │  │
│  └───────────────────────┘  │
└─────────────────────────────┘

Single-mode vs Multi-mode¶

Характеристика	Single-mode (SM)	Multi-mode (MM)
Core діаметр	9 µm	50/62.5 µm
Довжина	До 100 км	До 2 км
Вартість	Дорожче	Дешевше
Джерело світла	Лазер	LED
Колір	Жовтий	Помаранчевий/Бірюзовий
Використання	WAN, магістралі	LAN, дата-центри

Single-mode:              Multi-mode:
┌─────────────────┐       ┌─────────────────┐
│                 │       │  ╱    ╲         │
│ ─────────────── │       │ ╱──────╲────── │
│   (один промінь)│       │╱  ╲  ╱  ╲  ╱  ╲│
│                 │       │ (багато променів)
└─────────────────┘       └─────────────────┘

3. Бездротове середовище (Wireless)¶

┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                        Радіохвилі                               │
│                                                                 │
│  ┌────┐     ))))))))))))))))))))     ┌────┐                    │
│  │ AP │ ─── Wi-Fi 2.4/5/6 GHz ────── │ PC │                    │
│  └────┘                              └────┘                    │
│                                                                 │
│  ┌────┐     ))))))))))))))))))))     ┌────┐                    │
│  │ BTS│ ─── LTE 700-2600 MHz ─────── │ UE │                    │
│  └────┘                              └────┘                    │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘

Технологія	Частоти	Швидкість	Дальність
Wi-Fi 4 (802.11n)	2.4/5 GHz	600 Mbps	70м
Wi-Fi 5 (802.11ac)	5 GHz	3.5 Gbps	35м
Wi-Fi 6 (802.11ax)	2.4/5/6 GHz	9.6 Gbps	35м
Bluetooth	2.4 GHz	3 Mbps	10м
LTE	700-2600 MHz	300 Mbps	км
5G	600 MHz - 39 GHz	10 Gbps	300м-км

Роз'єми та інтерфейси¶

RJ-45 (Ethernet)¶

      RJ-45 роз'єм (вид спереду)
    ┌───────────────────────────┐
    │  1 2 3 4 5 6 7 8          │
    │  │ │ │ │ │ │ │ │          │
    │  ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼ ▼          │
    │ ┌─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┬─┐         │
    │ │█│█│█│█│█│█│█│█│ ◀── Контакти
    │ └─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┴─┘         │
    │ │               │         │
    │ │     ┌───┐     │         │
    │ │     │   │     │ ◀── Замок
    │ └─────┴───┴─────┘         │
    │       │   │               │
    └───────┴───┴───────────────┘

Розпіновка T-568B (стандартна)¶

Пін	Колір	Функція (1 Gbps)
1	Біло-оранжевий	TX+
2	Оранжевий	TX-
3	Біло-зелений	RX+
4	Синій	Bidirectional
5	Біло-синій	Bidirectional
6	Зелений	RX-
7	Біло-коричневий	Bidirectional
8	Коричневий	Bidirectional

Оптичні роз'єми¶

    LC роз'єм        SC роз'єм        FC роз'єм
   (найменший)      (квадратний)     (з різьбою)
    ┌─────┐          ┌───────┐        ╭───────╮
    │  ●  │          │   ●   │        │   ●   │
    │  ●  │          │   ●   │        │   ●   │
    └──┬──┘          └───┬───┘        ╰───┬───╯
       │                 │                │
   (duplex)          (duplex)        (single)

Роз'єм	Розмір	Використання
LC	Малий	SFP модулі, дата-центри
SC	Середній	Патч-панелі, FTTH
FC	Великий	Телеком, вимірювання
ST	Круглий	Застарілий
MPO/MTP	Multi-fiber	40/100G, дата-центри

SFP модулі¶

       SFP модуль
┌─────────────────────┐
│ ┌─────────────────┐ │
│ │                 │ │◀── Оптичний порт
│ │   Transceiver   │ │
│ │                 │ │
│ └─────────────────┘ │
│ ││││││││││││││││││ │◀── Електричний роз'єм
└─────────────────────┘

Тип	Швидкість	Інтерфейс
SFP	1 Gbps	LC
SFP+	10 Gbps	LC
SFP28	25 Gbps	LC
QSFP+	40 Gbps	MPO
QSFP28	100 Gbps	MPO

Мережеві топології¶

Зірка (Star)¶

                    ┌───────┐
                    │  PC1  │
                    └───┬───┘
                        │
    ┌───────┐       ┌───┴───┐       ┌───────┐
    │  PC2  │───────│ Switch│───────│  PC3  │
    └───────┘       └───┬───┘       └───────┘
                        │
                    ┌───┴───┐
                    │  PC4  │
                    └───────┘

Переваги: Відмова одного кабелю не впливає на інших
Недоліки: Центральна точка відмови (свіч)

Шина (Bus) — застаріла¶

    ┌───────┐  ┌───────┐  ┌───────┐  ┌───────┐
    │  PC1  │  │  PC2  │  │  PC3  │  │  PC4  │
    └───┬───┘  └───┬───┘  └───┬───┘  └───┬───┘
        │          │          │          │
    ════╪══════════╪══════════╪══════════╪════
    Термінатор                      Термінатор

Кільце (Ring)¶

        ┌───────┐
        │  PC1  │
        └───┬───┘
            │
    ┌───────┴───────┐
    │               │
┌───┴───┐       ┌───┴───┐
│  PC4  │       │  PC2  │
└───┬───┘       └───┬───┘
    │               │
    └───────┬───────┘
            │
        ┌───┴───┐
        │  PC3  │
        └───────┘

Mesh (сітка)¶

    ┌───────┐─────────────────┌───────┐
    │  R1   │─────────────────│  R2   │
    └───┬───┘╲               ╱└───┬───┘
        │     ╲             ╱     │
        │      ╲           ╱      │
        │       ╲         ╱       │
        │        ╲       ╱        │
        │         ╲     ╱         │
    ┌───┴───┐      ╲   ╱      ┌───┴───┐
    │  R3   │───────╲─╱───────│  R4   │
    └───────┘        ╳        └───────┘
                    ╱ ╲

Full mesh: кожен з'єднаний з кожним
Partial mesh: вибіркові з'єднання

Обладнання L1¶

Hub (концентратор) — застарілий¶

     Фрейм від PC1
    ╔═══════════════╗
    ║   ┌───────┐   ║      Фрейм копіюється
    ║   │  HUB  │   ║      на ВСІ порти
    ║   └─┬─┬─┬─┘   ║
    ║     │ │ │     ║
    ╚═════╪═╪═╪═════╝
          │ │ │
       ┌──┘ │ └──┐
       ▼    ▼    ▼
      PC2  PC3  PC4

Проблема: колізії, один collision domain

Repeater (повторювач)¶

Підсилює сигнал для збільшення відстані.

    PC1 ────[100м]──── Repeater ────[100м]──── PC2
                      (підсилює
                       сигнал)

Media Converter (медіаконвертер)¶

Перетворює між типами середовища.

    ┌────────────────────────────────────┐
    │                                    │
  ──┤ RJ-45 ◀══ Конвертер ══▶ Оптика ├──
    │ (мідь)                  (fiber)    │
    └────────────────────────────────────┘

Стандарти швидкості Ethernet¶

Стандарт	Швидкість	Середовище	Відстань
10BASE-T	10 Mbps	Cat3 UTP	100м
100BASE-TX	100 Mbps	Cat5 UTP	100м
1000BASE-T	1 Gbps	Cat5e UTP	100м
1000BASE-SX	1 Gbps	MM Fiber	550м
1000BASE-LX	1 Gbps	SM Fiber	10 км
10GBASE-T	10 Gbps	Cat6a UTP	100м
10GBASE-SR	10 Gbps	MM Fiber	400м
10GBASE-LR	10 Gbps	SM Fiber	10 км
25GBASE-SR	25 Gbps	MM Fiber	100м
40GBASE-SR4	40 Gbps	MM Fiber	150м
100GBASE-SR4	100 Gbps	MM Fiber	100м

Розшифровка: [швидкість]BASE-[тип середовища]
- BASE = baseband (одна частота)
- T = twisted pair
- S = short wavelength (850nm)
- L = long wavelength (1310nm)

Проблеми фізичного рівня¶

1. Затухання (Attenuation)¶

Сигнал слабшає з відстанню.

Сигнал:   ████████▓▓▓▓▓░░░░░░░░
          0м      50м      100м
          (сильний) → (слабкий)

Рішення: Repeater, коротші сегменти

2. Перехресні перешкоди (Crosstalk)¶

Сигнал "перетікає" між парами.

Пара 1: ════════════════════
                ╲  ╱  ◀── Наводки
Пара 2: ════════════════════

Рішення: Екранування (STP), Cat6a+

3. EMI (Electromagnetic Interference)¶

Зовнішні джерела перешкод.

    ┌─────────┐
    │ Двигун  │ ∿∿∿∿∿∿▶ Кабель ═══════ (помилки)
    └─────────┘

Рішення: Екрановані кабелі, оптоволокно

4. Пошкодження кабелю¶

Обрив:      ═══════╳═══════

Коротке:    ═══════╋═══════

Поганий     ═══════≋═══════
контакт:

Діагностика L1¶

Linux команди¶

# Перевірка стану інтерфейсу
ip link show eth0
# state UP/DOWN, link/ether (MAC)

# Детальна інформація
ethtool eth0
# Speed, Duplex, Link detected

# Статистика помилок
ethtool -S eth0 | grep -i error
# rx_errors, tx_errors, etc.

# Перевірка кабелю (якщо підтримується)
ethtool --test eth0

Приклад виводу ethtool¶

Settings for eth0:
        Supported link modes:   10baseT/Half 10baseT/Full
                                100baseT/Half 100baseT/Full
                                1000baseT/Full
        Speed: 1000Mb/s         ◀── Поточна швидкість
        Duplex: Full            ◀── Повний дуплекс
        Auto-negotiation: on
        Link detected: yes      ◀── Кабель підключено

MikroTik RouterOS¶

# Стан портів
/interface ethernet print

# Статистика
/interface ethernet print stats

# Monitor в реальному часі
/interface ethernet monitor ether1

Фізична перевірка¶

LED індикатори:
- Link LED (зелений) — є з'єднання
- Activity LED (блимає) — є трафік
Кабельний тестер:
- Перевірка обриву
- Перевірка розпіновки
- Вимірювання довжини (TDR)

Типові проблеми та рішення¶

Проблема	Симптоми	Рішення
Обрив кабелю	No link	Замінити кабель
Поганий обтиск	Низька швидкість, втрати	Переобтиснути RJ-45
Надто довгий кабель	Помилки, втрати	Скоротити або repeater
Duplex mismatch	Late collisions	Auto-negotiation або ручне
Забруднений роз'єм	Втрати оптики	Почистити спиртом
Згин оптики	Втрати, no link	Перевірити радіус згину

Підсумок¶

Фізичний рівень — основа всіх мережевих комунікацій:

Біти передаються як сигнали
Три типи середовища: мідь, оптика, бездротове
Правильні кабелі — Cat6+ для нових установок
Оптика — для великих відстаней і швидкостей
Діагностика — починається з перевірки link

Див. також¶

Модель OSI — огляд всіх рівнів
Канальний рівень — наступний рівень
MikroTik основи — практика