Witam na drugim wykładzie!

Po zapoznaniu się z historią i podstawami Ethernetu nadszedł czas, aby usystematyzować naszą wiedzę w oparciu o teoretyczny model stanowiący fundament współczesnej inżynierii sieciowej – model ISO/OSI. Dziś skupimy się na samym dole tej hierarchii – warstwie 1, czyli warstwie fizycznej. Dowiemy się, jakie urządzenia w niej pracują i dlaczego mimo swej prostoty są one absolutnie kluczowe dla każdej formy cyfrowej komunikacji. Zrozumiemy, jak sieć radzi sobie z podstawowymi problemami fizyki, takimi jak odległość i natura medium transmisyjnego.

Model OSI (Open Systems Interconnection) to teoretyczny, 7-warstwowy standard opisujący, jak dane podróżują z aplikacji na jednym komputerze do aplikacji na innym urządzeniu. Stworzony przez Międzynarodową Organizację Normalizacyjną (ISO), stanowi uniwersalny język dla inżynierów. Każda warstwa ma specyficzne zadania i komunikuje się tylko z warstwami sąsiadującymi. Można go przyrównać do wysyłania listu: treść (Aplikacja), formatowanie (Prezentacja), ustanowienie połączenia (Sesja), wybór rodzaju transportu (Transport), wyznaczenie trasy (Sieć), pakowanie w ramki (Łącze danych) i fizyczny transport (Fizyczna).

Warstwa fizyczna to fundament sieci. Nie analizuje ona treści danych, adresów MAC czy IP. Jej jedynym zadaniem jest transmisja i odbiór surowego strumienia bitów (zer i jedynek) przez fizyczne medium. To tutaj definiowane są wszystkie namacalne aspekty sieci:

• Napięcia elektryczne lub impulsy światła reprezentujące 0 i 1.
• Typy wtyków, gniazd i kabli (np. RJ-45, skrętka kategorii 6).
• Sygnały radiowe i metody ich modulacji w sieciach bezprzewodowych.
• Fizyczne parametry medium, takie jak maksymalna długość przewodu.

Urządzenia tej warstwy to proste, ale niezbędne „wykonawcy", pracujący bez analizy logicznej przesyłanych informacji.

Warstwa 1 musi stawiać czoła ograniczeniom fizycznym. Najważniejsze to:

• Tłumienie (attenuation): naturalne osłabienie sygnału wraz ze zwiększaniem odległości.
• Zniekształcenia (distortion): zmiana kształtu sygnału utrudniająca odróżnienie 0 od 1.
• Szum (noise): przypadkowe zakłócenia (np. od innych przewodów czy silników) nakładające się na właściwą transmisję.

Zrozumienie tych zjawisk pozwala zrozumieć, dlaczego potrzebujemy urządzeń regenerujących sygnał, takich jak repeatery.

Repeater bezpośrednio adresuje problem tłumienia. To proste, dwuportowe urządzenie aktywne, którego celem jest regeneracja sygnału. Działa jak „punkt odświeżania" zasięgu: przyjmuje osłabiony sygnał z jednego portu, w pełni go odtwarza do idealnej formy cyfrowej i wysyła z nową, pełną mocą na drugi port. Dzięki temu możliwe jest łączenie segmentów sieci i przekraczanie limitów odległości (np. bariery 100 metrów dla skrętki miedzianej).

Należy odróżnić regenerację od zwykłego wzmocnienia. Wzmacniacz analogowy (amplifier) zwiększyłby moc całego sygnału wraz z szumem, co mogłoby pogorszyć czytelność danych. Repeater działa cyfrowo: interpretuje przychodzący sygnał i dla każdego bitu decyduje, czy to 0 czy 1, a następnie generuje od nowa idealny, czysty sygnał. To proces „3R": Reshaping (przywrócenie kształtu), Retiming (synchronizacja czasu) i Regeneration (odtworzenie poziomu mocy).

Prostota repeatera wiąże się z istotnymi ograniczeniami:

• Przesyła wszystko bez analizy – regeneruje nie tylko dane, ale też uszkodzone ramki i skutki kolizji.
• Powiększa domenę kolizyjną – kolizja w jednym segmencie jest natychmiast przenoszona do drugiego.
• Brak filtracji – repeater nie umie podjąć decyzji o kierowaniu ruchem; każdy bit wchodzący jednym portem musi wyjść drugim.

Z tych powodów we współczesnych sieciach rolę tę przejęły bardziej inteligentne urządzenia warstwy 2.

Dawniej limity repeaterów w sieciach 10BASE5/10BASE2 określała reguła 5-4-3. Mówiła ona, że w jednej domenie kolizyjnej może być:

• 5 segmentów sieci.
• Połączonych maksymalnie 4 repeaterami.
• Przy czym tylko w 3 segmentach mogą znajdować się komputery (pozostałe 2 służą tylko jako przedłużacze).

Reguła ta gwarantowała, że sygnał kolizji zdąży wrócić do nadawcy w określonym czasie (tzw. slot time), umożliwiając poprawne działanie mechanizmu CSMA/CD.

Wraz z upowszechnieniem topologii gwiazdy pojawił się koncentrator (hub). Z punktu widzenia warstwy 1 hub to wieloportowy repeater. Posiada on zazwyczaj od 4 do 24 portów. Zasada działania pozostaje ta sama: każdy sygnał odebrany na jednym porcie jest regenerowany i rozsyłany (kopiowany) na wszystkie pozostałe porty. Hub nie wie, do kogo skierowana jest przesyłka, więc wysyła ją do każdego podłączonego urządzenia.

To kluczowa koncepcja: mimo że fizycznie kable tworzą gwiazdę, sieć z hubem logicznie wciąż działa jak magistrala. Ponieważ sygnał dociera do każdego portu, wszystkie urządzenia współdzielą tę samą przepustowość i znajdują się w jednej domenie kolizyjnej. Hub zapewnia wygodę montażu i odporność na awarię pojedynczego kabla, ale nie rozwiązuje fundamentalnych problemów z wydajnością i kolizjami typowych dla magistrali.

Każde urządzenie wpięte w hub należy do tej samej domeny kolizyjnej. Jeśli komputer A nadaje dane, a w tej samej milisekundzie komputer B spróbuje wysłać plik, dojdzie do kolizji wewnątrz huba. Hub wykryje zniekształcenie sygnału i roześle tzw. sygnał zagłuszający (JAM signal) na wszystkie porty. Spowoduje to, że wszystkie stacje przerwą nadawanie i przejdą w tryb oczekiwania. Przy dużej liczbie aktywnych użytkowników sieć oparta na hubie staje się skrajnie niewydolna.

W sieciach z hubem przepustowość jest dzielona między wszystkich. Jeśli mamy hub o prędkości 10 Mb/s i podłączymy do niego 10 komputerów, to te 10 megabitów jest wspólną pulą dostępną w danej chwili tylko dla jednego transmitującego urządzenia. Efektywne pasmo na użytkownika drastycznie spada przy jednoczesnej aktywności wielu stacji. Przypomina to sytuację, w której 10 osób próbuje rozmawiać naraz w jednym pokoju – tylko jeden komunikat może być w danej chwili w pełni zrozumiały.

Ze względu na współdzielenie medium huby pracują wyłącznie w trybie półdupleksu (half-duplex). Oznacza to, że urządzenie w danej chwili może albo nadawać, albo odbierać, ale nigdy jedno i drugie jednocześnie. Jest to wymuszone przez protokół CSMA/CD. Gdyby karta sieciowa próbowała wysyłać i odbierać pakiety naraz, mogłaby odbierać własny sygnał jako kolizję z powodu jednoczesnego nadawania i nasłuchu. Huby nie potrafiły wykorzystać potencjału skrętki do jednoczesnej transmisji dwukierunkowej.

Huby stwarzają poważne ryzyko podsłuchu. Każda ramka jest wysyłana na wszystkie porty, więc dowolny użytkownik w sieci może za pomocą sniffera (np. Wireshark) przechwycić i skopiować dane przesyłane do innych osób. Choć karty sieciowe standardowo ignorują ramki nieadresowane do nich, tryb promiscuous pozwala na ich odczyt. Praca w sieci z hubem przypomina wygłaszanie poufnych informacji na ogólnodostępnym korytarzu.

Dla administratora kluczowe są diody informacyjne:

• Power: oznacza poprawne zasilanie.
• Link (LNK): informuje o fizycznym połączeniu kablem z innym urządzeniem.
• Activity (ACT) / Data: miga, gdy przez dany port przepływają dane.
• Collision (COL): sygnalizuje wykrycie kolizji ramek. Jeśli świeci się często, sieć jest przeciążona.

Dawniej wyróżniano huby pasywne i aktywne. Hub pasywny nie wymagał zasilania – był rodzajem rozdzielacza elektrycznego, który po prostu łączył styki wszystkich kabli (co drastycznie skracało zasięg). Huby aktywne, zasilane prądem, działały jak repeatery – regenerowały sygnał przed rozesłaniem go dalej. Zdecydowana większość spotykanych dawniej urządzeń to huby aktywne, pozwalające na budowę sieci o typowym zasięgu 100 m na segment.

Braki portów rozwiązywano kaskadowym łączeniem hubów (daisy chaining). Wykorzystywano do tego port „Uplink" lub kabel krosowany (crossover). Niestety, każde takie połączenie jeszcze bardziej powiększało domenę kolizyjną i dodawało opóźnienia, zbliżając sieć do limitów wyznaczonych przez parametry czasowe protokołu CSMA/CD. To rozwiązanie było jedynie tymczasowym środkiem zaradczym przed wprowadzeniem switchy.

W sieciach często zachodzi potrzeba połączenia różnych standardów fizycznych – najczęściej miedzianej skrętki (RJ-45) ze światłowodem. Światłowód jest niezbędny tam, gdzie dystans przekracza 100 m lub występują silne zakłócenia przemysłowe. Ponieważ miedź przesyła impulsy elektryczne, a światłowód świetlne, potrzebujemy „tłumacza" – konwertera mediów.

Konwerter mediów to proste urządzenie warstwy 1. Nie analizuje adresów ani danych; jedynie przekłada sygnał z jednej formy fizycznej na drugą. Słucha impulsu elektrycznego i niemal natychmiast generuje odpowiadający mu impuls świetlny (i odwrotnie). Pozwala to na płynne i tanie zintegrowanie nowych, światłowodowych magistral z istniejącą infrastrukturą miedzianą.

Główne zastosowania to:

• Łączenie budynków w kampusach (światłowód jest odporny na wyładowania atmosferyczne).
• Praca w halach przemysłowych z silnym polem elektromagnetycznym.
• Stopniowa modernizacja sieci bez wymiany starszych przełączników.
• Dostarczanie Internetu światłowodowego bezpośrednio do miedzianego routera użytkownika.

Przy doborze konwertera musimy znać typ światłowodu:

• Wielomodowy (Multimode, MMF): gruby rdzeń, tańszy, zasięg do ok. 2 km, zwykle turkusowy lub pomarańczowy.
• Jednomodowy (Singlemode, SMF): bardzo cienki rdzeń, droższy, zasięg na dziesiątki kilometrów, zwykle żółty.

Ważny jest też typ wtyku: SC (prostokątny), LC (mały zatrzaskowy) czy starszy ST (okrągły).

Współczesne switche zamiast stałych gniazd światłowodowych mają wnęki na moduły SFP (Small Form-factor Pluggable). SFP to wymienny transceiver, który dopasowuje gniazdo w urządzeniu do konkretnego rodzaju kabla optycznego. Dzięki temu to samo urządzenie może obsługiwać światłowód na 500 m lub na 40 km – wystarczy zmienić niewielką wkładkę SFP. To najbardziej elastyczne rozwiązanie warstwy 1.

Dlaczego skrętka ma limit 100 metrów? Każdy bit wysłany jako napięcie elektryczne jest pochłaniany przez oporność metalu i deformowany przez interferencje. Po 100 metrach sygnał staje się tak słaby, że odbiornik może nie odróżnić logicznej jedynki od tła. To fundamentalne ograniczenie warstwy fizycznej wymusza stosowanie repeaterów, switchy lub przejście na światłowody.

Profesjonalna warstwa fizyczna to okablowanie strukturalne. Kable w ścianach zbiegają się w szafach krosowniczych (rack), gdzie kończą się na panelach (patch panel). Dopiero stamtąd za pomocą krótkich kabli krosowych (patch cords) łączy się je z przełącznikami. Taki system pozwala na szybką zmianę przeznaczenia gniazdka bez kucia ścian – wystarczy przepiąć kabelek w szafie.

Kategoria kabla definiuje jego możliwości transmisyjne:

• Cat 5e: standard dla sieci 1 Gb/s (Gigabit Ethernet).
• Cat 6/6a: lepsze parametry, umożliwia 10 Gb/s (dla 6a na pełnym zasięgu 100 m).
• Cat 7: zaawansowane ekranowanie, 10 Gb/s na 100 m.
• Cat 8: najwyższa wydajność, 25/40 Gb/s na krótkich dystansach (do 30 m).

Kable wyższych kategorii są grubiej splecione i lepiej chronione folią przed zakłóceniami zewnętrznymi.

Skrętka UTP nie posiada metalowego ekranu i wystarcza w biurach. W fabrykach używa się STP lub FTP (z folią lub oplotem). Ekranowanie zapobiega indukowaniu się prądów błądzących od silników czy kabli wysokiego napięcia, co chroni integralność bitów w warstwie 1. Wymaga jednak prawidłowego uziemienia gniazd i paneli krosowniczych.

PoE pozwala na przesyłanie zasilania prądem stałym tym samym kablem co danych. Jest to idealne dla kamer IP, telefonów VoIP i punktów Wi-Fi montowanych na sufitach. Standardy definiują moc:

• 802.3af (PoE): do 15.4 W.
• 802.3at (PoE+): do 30 W.
• 802.3bt (PoE++ / UPoE): do 60 W lub nawet 100 W.

Wszystko to dzieje się w warstwie fizycznej poprzez nakładanie napięcia na pary żył kabla.

W sieciach bezprzewodowych medium jest przestrzeń („eter"), a transmisja odbywa się za pomocą fal radiowych. Warstwa fizyczna definiuje tu:

• Pasmo (2.4 GHz lub 5 GHz).
• Moc nadawania (zasięg).
• Modulację: sposób kodowania zer i jedynek w zmianach kształtu fali radiowej.
• Standardy (np. Wi-Fi 6 / 802.11ax).

Jak bity stają się falami? Przez modulację:

• AM: zmiana amplitudy (wysokości fali).
• FM: zmiana częstotliwości.
• PM: zmiana fazy (przesunięcia w czasie).

Nowoczesne systemy (jak QAM) łączą te metody, by upakować więcej informacji w jednym cyklu fali, co pozwala na osiąganie setek Mb/s „w powietrzu".

Antena to przetwornik zamieniający prąd na falami radiowymi i odwrotnie. W warstwie 1 ważne są ich rodzaje: dookólne (świecą we wszystkich kierunkach – dobre dla biur) i kierunkowe (skupiają wiązkę jak laser – idealne do łączenia budynków na kilometrowe odległości). Od charakterystyki anteny zależy stabilność fizycznego połączenia.

Bluetooth to technologia warstwy 1 dla sieci PAN (krótki zasięg). Aby przetrwać w zatłoczonym paśmie 2.4 GHz, używa techniki FHSS – urządzenia zmieniają kanał radiowy 1600 razy na sekundę. Dzięki tym „skokom" kolizje są krótkie i nie paraliżują połączenia myszki z komputerem czy słuchawek z telefonem.

Podczerwień (IR) to przykład warstwy 1 opartej na świetle niewidzialnym. Wymaga bezpośredniej widoczności (Line of Sight) i „celowania" w odbiornik. Mimo że kojarzy się z pilotami TV, kiedyś służyła do przesyłania wizytówek między telefonami i laptopami (port IrDA). Jest całkowicie odporna na zakłócenia radiowe.

RFID i NFC działają na poziomie fizycznym poprzez indukcję. Czytnik wytwarza pole magnetyczne, które zasila mikrochip w karcie „za darmo", a ten odpowiada modulując to samo pole. To unikalny sposób zasilania urządzenia warstwy 1 bez baterii, stosowany w płatnościach i kontroli dostępu.

Karta sieciowa to most między warstwą 1 a 2. To ona fizycznie „wytwarza" prąd w kablu lub sygnał radiowy. Układy scalone na karcie odpowiadają za kodowanie – przekładanie danych z procesora na sygnały elektryczne (np. kodowanie Manchester stosowane w starszym Ethernecie). Port fizyczny (gniazdo RJ-45) to ostatni punkt warstwy 1 wewnątrz komputera.

W warstwie 1 bity muszą być trwałe. Proste napięcie (brak prądu = 0, prąd = 1) zawodzi przy długich seriach tych samych cyfr. Ethernet używa kodowania Manchester: zamiast statycznego poziomu liczy się zmiana. W konwencji IEEE 802.3 (stosowanej w Ethernecie) przejście z niskiego poziomu na wysoki w połowie okresu bitowego oznacza „1", a przejście z wysokiego na niski – „0". Dzięki temu karta sieciowa zawsze „widzi" rytm zegara i nie gubi się przy przesyłaniu dużej ilości zer.

Szum (EMI) to niechciany prąd w kablu. Może pochodzić od wyładowań, wind czy sieci WiFi. Warstwa 1 walczy z tym przez splot żył w skrętce (para żył znosi nawzajem swoje zakłócenia) lub ekranowanie. Jeśli szum będzie zbyt silny, bity zostaną przekłamane, co odrzuci dopiero suma kontrolna w warstwie 2.

Z tyłu switcha znajdziemy porty RJ-45, moduły SFP i port konsolowy. Ważne: port konsolowy nie służy do przesyłania danych w sieci, a do fizycznego połączenia kablem szeregowym w celu konfiguracji urządzenia. Diody nad portami to „język migowy" warstwy 1 – informują o prędkości połączenia (np. pomarańczowa dla 100 Mb/s, zielona dla 1 Gb/s).

Zestawienie najpopularniejszych mediów warstwy fizycznej:

Medium	Zasięg	Przepustowość	Odporność EMI	Koszt
Skrętka miedziana	100 m	Bardzo wysoka	Niska	Niski
Światłowód MMF	do 2 km	Ekstremalna	Pełna	Średni
Światłowód SMF	do 100 km+	Ekstremalna	Pełna	Wysoki
Sieci radiowe	Zmienny	Średnia/Duża	Brak	Niski/Średni

Podsumowując, zadanie warstwy 1 kończy się, gdy bity dotrą pomyślnie do celu. Nie sprawdza ona adresów, nie gwarantuje poprawności danych – dostarcza jedynie „rurę" i dba o to, by bity nie zniknęły po drodze. To jak kable energetyczne w domu: dają prąd, ale nie interesuje ich, czy pralka działa prawidłowo.

Urządzenie	Rola	Porty	Wpływ na kolizje
Repeater	Regeneracja	2	Powiększa domenę
Hub	Centralizacja	Wiele	Wspólna domena
Konwerter mediów	Zmiana medium	2	Brak separacji

Urządzenia te są pasywne logicznie – nie rozumieją przesyłanej treści.

Choć huby są już przeszłością, ich działanie uczy nas o ograniczeniach natury. Zrozumienie zjawiska kolizji i tłumienia sygnału jest niezbędne, by docenić sprawność switchy i routerów. Bez solidnej warstwy fizycznej nawet najwyższej klasy oprogramowanie sieciowe będzie bezużyteczne. Fundament (L1) musi być stabilny.

Planując sieć z PoE, musimy pamiętać o budżecie mocy switcha. Jeśli switch ma 100 W budżetu, nie zasili 10 kamer wymagających po 15 W każda. To ważne planowanie na poziomie warstwy fizycznej, by uniknąć restartów urządzeń przy pełnym obciążeniu.

W szafie 19-calowej (RACK) montuje się urządzenia aktywne i panele pasywne. Uporządkowanie kabli nie jest tylko estetyką – ułatwia chłodzenie i pozwala na szybką diagnozę uszkodzeń fizycznych kabli krosowych, które są najczęstszą przyczyną awarii w warstwie 1.

Standardy warstwy fizycznej ewoluują, ale zasady modulacji i dopuszczalnych tłumień pozostają. Każdy skok prędkości to ogromny wysiłek inżynieryjny w dziedzinie fizyki i materiałów, by bity przesyłane z zawrotną prędkością nie zgubiły się w miedzianym przewodzie czy cienkim szkle światłowodu.

Najważniejsze pojęcia:

• Warstwa 1 Modelu OSI to transmisja surowych bitów.
• Urządzenia aktywne (hub, repeater) regenerują sygnał, pasywne (kable) go przewodzą.
• Huby to logiczne magistrale – wprowadzają wspólną domenę kolizyjną i współdzielenie pasma.
• Konwertery mediów łączą różne światy fizyczne (np. miedź i światłowód).
• PoE dostarcza prąd kablem sieciowym.

Dziękuję za uwagę. Na następnym wykładzie wejdziemy do warstwy 2, by poznać inteligentne przełączniki (switche).