Phần cứng trong mô hình tham chiếu OSI: Lớp 1

Russell Hitchcock

Mô hình tham chiếu Open System Interconnect (OSI) là một mô hình được phát triển bởi Open System Interconnect (OSI), đây là mô hình mô tả cách dữ liệu từ một ứng dụng trên máy tính được truyền đến một ứng dụng trên máy tính khác như thế nào. Mô hình tham chiếu OSI gồm có 7 lớp, mỗi lớp giữ các chức năng mạng khác nhau. Mỗi một chức năng của một mạng có thể được gán với một hoặc có thể một cặp lớp liền kề, của 7 lớp này và có quan hệ độc lập với các lớp khác. Sự độc lập này có nghĩa rằng một lớp không này không cần biết sự bổ sung của lớp kế cận là gì, chỉ đơn thuần truyền thông với nó. Đây là một ưu điểm lớn của mô hình tham chiếu OSI và là một trong các lý do chính tại sao nó lại trở thành một trong những mô hình kiến trúc được sử dụng rộng rãi nhất cho truyền thông giữa các máy tính.

7 lớp của mô hình tham chiếu OSI được thể hiện như trong hình 1 bên dưới:

Application - ứng dụng
Presentation – trình diễn
Session - phiên
Transport – truyền tải
Network – mạng
Data link – liên kết dữ liệu
Physical – vật lý

Hình 1: Sơ đồ của các lớp trong mô hình tham chiếu

Trong một vài bài tiếp theo chúng tôi sẽ giới thiệu về mỗi lớp trong mô hình và phần cứng mạng liên quan đến lớp đó. Trong bài này, như những gì các bạn có thể đoán được sau khi đọc tiêu đề, chúng tôi sẽ giới thiệu đến lớp 1, đó là lớp vật lý.

Nhiều người có thể cho rằng tất cả phần cứng mạng đều thuộc về lớp vật lý, họ hoàn toàn sai. Nhiều thiết bị phần cứng mạng có thể thực hiện các chức năng thuộc về các lớp cao hơn. Cho ví dụ, router mạng thực hiện các chức năng định tuyến thuộc về lớp mạng (network).

Vậy lớp vật lý gồm có những gì? Lớp vật lý bao gồm việc truyền tải các tín hiệu trong môi trường từ máy tính này đến máy tính khác. Lớp này gồm có các chi tiết kỹ thuật về các đặc tính điện và cơ như: mức điện áp, định thời tín hiệu, tốc độ dữ liệu, độ dài truyền tải lớn nhất và các kết nối vật lý của thiết bị mạng. Để một thiết bị hoạt động chỉ trong lớp vật lý, nó sẽ không có bất kỳ kiến thức nào về dữ liệu mà nó truyền tải. Một thiết bị lớp vật lý chỉ truyền tải hoặc nhận dữ liệu một cách đơn giản.

Có 4 chức năng chính của lớp vật lý. Các chức năng đó là:

Định nghĩa của các chi tiết kỹ thuật phần cứng
Mã hóa và tín hiệu hóa
Phát và thu dữ liệu
Thiết kế mạng vật lý và topo mạng

Các định nghĩa của chi tiết kỹ thuật phần cứng

Mỗi mẩu phần cứng trong một mạng sẽ có rất nhiều các chi tiết kỹ thuật. Các chi tiết kỹ thuật này gồm có các thành phần như độ dài lớn nhất của cáp, độ rộng của cáp và sự bảo vệ xuyên nhiễu điện từ thậm chí cả sự linh động.

Một lĩnh vực khác nữa của các chi tiết kỹ thuật phần cứng là các kết nối vật lý. Nó gồm có cả hình thù và kích cỡ của các kết nối cũng như số chân và layout nếu thích hợp.

Mã hóa và tín hiệu hóa

Mã hóa và tín hiệu hóa là phần rất quan trọng của lớp vật lý. Quá trình này có thể khá phức tạp. Ví dụ, chúng ta hãy xem Ethernet. Hầu hết mọi người đều biết rằng tín hiệu được gửi là “1” và “0” bằng cách sử dụng mức điện áp thấp và cao tương ứng với hai trạng thái trên. Điều này quả thực có lợi cho một số mục đích dạy học, tuy nhiên nó hoàn toàn không đúng. Tín hiệu trên Ethernet được gửi bằng sử dụng mã hóa Manchester. Điều này có nghĩa là “1” và “0” được phát là rise (gò lên) và fall (gò xuống) trong tín hiệu. Hãy cho phép chúng tôi giải thích thêm.

Nếu bạn gửi các tín hiệu trên một cáp, mức điện áp cao thể hiện “1” và mức điện áp thấp thể hiện “0” thì phía đầu thu cũng sẽ cần biết mẫu tín hiệu đó. Điều này được thực hiện bởi một xung tín hiệu clock được phát đi. Phương pháp này được gọi là mã Non-return to Zero (NRZ), mã này có một số nhược điểm khá nghiêm trọng. Đầu tiên nếu nhóm tín hiệu xung clock với tín hiệu phát đi thì sẽ có hai tín hiệu. Nếu bạn không muốn phát tín hiệu clock thì có thể nhóm một clock trong trong một máy nhận nhưng phải gần đồng bộ hoàn hảo với clock phía phát. Chúng ta hãy giả định bạn có thể đồng bộ hóa các clock (thường thực hiện rất khó vì tốc độ truyền tải rất lớn) thì vẫn có vấn đề trong việc giữ đồng bộ khi có một khoảng dài các bít giống nhau được phát; nó là các quá độ giúp đồng bộ hóa các clock.

Những hạn chế của mã NRZ có thể được khắc phục bằng công nghệ đưa ra vào những năm 40 tại Đại học Manchester, tại Manchester, Vương quốc Anh. Mã Manchester kết hợp tín hiệu clock với tín hiệu dữ liệu. Không những tăng băng tần tín hiệu, nó cũng làm cho việc truyền tải dữ liệu dễ dàng hơn và tin cậy hơn.

Tín hiệu được mã hóa Manchester sẽ phát dữ liệu như các góc lên và xuống. Góc hiện diện là “1” và “0” cần phải được quyết định trước nhưng cả hai cần phải xem xét các tín hiệu được mã hóa Manchester. Các chuẩn Ethernet và IEEE sử dụng góc lên là mức logic “1”. Mã Manchester ban đầu sử dụng góc xuống là mức logic “1”.

Một tình huống mà bạn có thể nghĩ về nó là nếu cần phát hai tín hiệu “1” trong một hàng thì tín hiệu sẽ đều ở mức điện áp cao và cách nhận diện ra hai tín hiệu này phía đầu thu là khó. Điều này hoàn toàn được giải quyết ổn thỏa vì góc lên và xuống sẽ tương ứng với dữ liệu được phát trong khoảng giữa của đường biên bít; góc của các đường biên bít gồm phát hoặc không, nó đặt tín hiệu vào đúng vị trí cho bit tiếp theo để được phát. Kết quả cuối cùng ở phần giữa của mỗi bít là một chuyển đổi, hướng của chuyển đổi sẽ thể hiện “1” hoặc “0” và thời gian của chuyển đổi bằng với chu kỳ của xung clock.

Mặc dù có nhiều cơ chế mã hóa khác có thể có nhiều ưu điểm hơn NRZ hoặc Manchester, tuy nhiên với sự đơn giản và tin cậy thì mã Manchester vãn có được giá trị và vẫn được sử dụng rộng rãi.

Phát và nhận dữ liệu

Dù môi trường mạng là một cáp điện, cáp quang hoặc sóng vô tuyến thì vẫn cần phải có thiết bị để truyền phát tín hiệu vật lý. Ngược lại, cũng cần có thiết bị để thu nhận các tín hiệu vật lý đó. Trong mạng không dây, việc phát và nhận này được thực hiện bởi các anten có tác dụng phát hoặc nhận các tín hiệu với các tần số được ấn định từ trước với băng tần được đặt trước.

Các đường truyền dẫn quang sử dụng thiết bị có thể tạo và nhận các xung ánh sáng, tần số của xung này được sử dụng để xác định giá trị logic của bit. Thiết bị như các amplifier và repeater hình chung đều được sử dụng trong truyền dẫn quang đường dài, các thiết bị này cũng được nhóm vào lớp vật lý trong mô hình tham chiếu OSI.

Topo mạng và thiết kế mạng vật lý

Topo mạng và thiết kế mạng cũng được nhóm vào lớp vật lý. Dù mạng của bạn là token ring, star, mesh, hoặc hybrid topology vẫn nằm trong lớp vật lý.

Cũng một thành phần được nhóm vào trong lớp vật lý nữa là layout cluster với khả năng có sẵn.

Nhìn chung tất cả những thứ bạn cần nhớ ở đây là nếu một mẩu phần cứng không biết dữ liệu đang được truyền tải trên nó thì nó sẽ được nhóm vào lớp vật lý trong mô hình tham chiếu 7 lớp OSI. Trong phần tiếp theo của loạt bài này chúng tôi sẽ giới thiệu cho các bạn về lớp Data link – lớp liên kết dữ liệu, và giới thiệu sự khác biệt của nó với các lớp khác và phần cứng của nó trong mô hình tham chiếu này.