Lớp vật lý (Physical Layer) trong mạng máy tính là lớp đầu tiên trong mô hình OSI. Lớp này chịu trách nhiệm chuyển đổi dữ liệu từ dạng số thành tín hiệu vật lý để truyền qua các phương tiện truyền dẫn như cáp đồng, cáp quang, hoặc sóng vô tuyến, và ngược lại. Nó đảm bảo rằng dữ liệu được truyền dẫn từ một điểm đến một điểm khác một cách tin cậy và hiệu quả.
Các chức năng chính của lớp vật lý bao gồm:
- Xác định cách biểu diễn dữ liệu thành tín hiệu vật lý để truyền qua các phương tiện truyền dẫn.
- Quản lý tốc độ truyền dẫn dữ liệu qua các phương tiện truyền dẫn.
- Đảm bảo các thiết bị trên mạng đồng bộ hóa với nhau để chính xác truyền dẫn dữ liệu.
- Phát hiện và xử lý các lỗi trong quá trình truyền dẫn dữ liệu.
Ngoài ra, lớp vật lý cũng liên quan đến việc xác định các tiêu chuẩn và giao thức được sử dụng để truyền dẫn dữ liệu, bao gồm Ethernet, Wi-Fi, và các tiêu chuẩn quang học như SONET/SDH.
Sự tương tác của lớp vật lý với các lớp khác trong mô hình OSI
Lớp vật lý trong mô hình OSI tương tác chặt chẽ với các lớp khác trong hệ thống mạng, đặc biệt là Data Link Layer và Network Layer. Với Data Link Layer, lớp vật lý cung cấp các dịch vụ cần thiết để chuyển đổi dữ liệu từ dạng bit thành tín hiệu vật lý có thể truyền qua các phương tiện truyền dẫn như cáp đồng, cáp quang hoặc sóng vô tuyến. Điều này giúp cho việc truyền dẫn dữ liệu trở nên khả thi và đáng tin cậy.
Tương tác với Network Layer là ở mức độ chuyển tiếp dữ liệu qua các đường truyền vật lý để mạng có thể hoạt động và truyền dẫn dữ liệu từ nguồn đến đích. Lớp vật lý không tham gia vào việc định tuyến hay xác định đường đi của dữ liệu, nhưng cung cấp nền tảng vật lý cho việc truyền dẫn dữ liệu qua mạng. Do đó, tương tác của lớp vật lý với các lớp có làm việc chủ yếu xoay quanh việc đảm bảo tính tin cậy và hiệu suất của việc truyền dẫn dữ liệu trong hệ thống mạng.
Chức năng lớp Vật lý
1. Định dạng tín hiệu
Lớp vật lý chịu trách nhiệm định dạng dữ liệu thành tín hiệu vật lý để truyền qua các phương tiện truyền dẫn như cáp đồng, cáp quang, hoặc sóng vô tuyến. Quá trình định dạng này đảm bảo rằng dữ liệu có thể được chuyển đổi từ dạng số sang dạng tín hiệu vật lý phù hợp với loại phương tiện truyền dẫn và điều kiện môi trường.
Để biểu diễn dữ liệu thành tín hiệu vật lý, các phương pháp phổ biến được sử dụng bao gồm modulation (điều chế), encoding (mã hóa), điều chỉnh độ lớn và tần số, và multiplexing.
Modulation là quá trình biến đổi thông tin dữ liệu thành dạng tín hiệu analog phù hợp với loại phương tiện truyền dẫn.
Trong khi đó, encoding là quá trình chuyển đổi dữ liệu số thành các tín hiệu điện hoặc quang học. Điều chỉnh độ lớn và tần số được sử dụng để điều chỉnh các thuộc tính của tín hiệu để phù hợp với điều kiện truyền dẫn và loại phương tiện.
Cuối cùng, multiplexing cho phép kết hợp nhiều tín hiệu vào một tín hiệu duy nhất để tăng khả năng truyền dẫn của phương tiện.
2. Tốc độ truyền dẫn
Lớp Physical Layer đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý tốc độ truyền dẫn dữ liệu, một yếu tố trực tiếp ảnh hưởng đến hiệu suất của mạng. Tốc độ truyền dẫn dữ liệu được đo lường bằng các đơn vị như bps , Mbps , Gbps, để biểu thị số lượng bit dữ liệu được truyền dẫn trong một đơn vị thời gian.
Độ lớn của tốc độ truyền dẫn dữ liệu không chỉ phụ thuộc vào công nghệ truyền dẫn mà còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau. Độ dài của cáp truyền dẫn là một yếu tố quan trọng, vì tốc độ truyền dẫn thường giảm đi khi độ dài cáp tăng lên. Các loại cáp truyền dẫn khác nhau cũng ảnh hưởng đến tốc độ, với cáp quang thường có khả năng truyền dẫn dữ liệu ở tốc độ cao hơn so với cáp đồng.
Ngoài ra, nhiễu và suy hao trong môi trường truyền dẫn cũng có thể làm giảm tốc độ truyền dẫn dữ liệu. Các kỹ thuật và tiêu chuẩn truyền dẫn như Ethernet, Wi-Fi, và các tiêu chuẩn quang học cũng ảnh hưởng đến tốc độ truyền dẫn dữ liệu, với các tiêu chuẩn mới thường cung cấp tốc độ truyền dẫn cao hơn so với các tiêu chuẩn cũ.
3. Điều khiển đồng bộ
Lớp vật lý trong mạng máy tính không chỉ đảm bảo việc truyền dẫn dữ liệu một cách hiệu quả và tin cậy mà còn đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển đồng bộ giữa các thiết bị trên mạng. Điều này đảm bảo rằng các thiết bị trên mạng hoạt động cùng một thời điểm và đồng bộ với nhau để tránh xung đột và mất mát dữ liệu.
Một khái niệm quan trọng trong việc điều khiển đồng bộ là CSMA/CD, một giao thức được sử dụng để quản lý truy cập vào một phương tiện truyền dẫn chung. CSMA/CD cho phép các thiết bị trên mạng “nghe” xem liệu có ai đang truyền dữ liệu hay không trước khi bắt đầu truy cập. Nếu không có ai truyền, thiết bị mới bắt đầu gửi dữ liệu. Tuy nhiên, nếu hai hoặc nhiều thiết bị bắt đầu truyền dữ liệu cùng một lúc và xảy ra va chạm (collision), các thiết bị sẽ phát hiện va chạm và thực hiện quy trình tái truy cập lại mạng một cách ngẫu nhiên để tránh xảy ra va chạm tiếp theo.
Ngoài CSMA/CD, còn có các kỹ thuật đồng bộ khác như Token Ring, trong đó một “token” được truyền quanh mạng và chỉ thiết bị nắm giữ token mới được phép truyền dữ liệu. Kỹ thuật này giúp đồng bộ hóa việc truy cập vào mạng và tránh xảy ra xung đột.
4. Phương tiện truyền dẫn
Lớp Physical Layer của mạng máy tính chịu trách nhiệm quản lý các phương tiện truyền dẫn, bao gồm cáp đồng, cáp quang và sóng vô tuyến. Trong đó:
1. Cáp đồng (hay cáp mạng):
- Gồm các loại như: Cat5e, Cat6, Cat7,…
- Đặc điểm: dễ dàng lắp đặt, chi phí ban đầu thấp, tốc độ cao nhưng bị giới hạn về khoảng cách truyền (100m), dễ bị nhiễu,…
2. Cáp quang:
- Gồm các loại: cáp quang Singlemode hay Mulitmode.
- Đặc điểm: tốc độ truyền dẫn cao, khoảng cách truyền dẫn dài, ít bị nhiễu nhưng chi phí ban đầu lớn và khó lắp đặt.
3. Sóng vô tuyến (wifi)
- Gồm các chuẩn wifi như: Wi-Fi 5, Wi-Fi 6, Wi-Fi 6E,…
- Đặc điểm: Dễ triển khai và mở rộng, cung cấp kết nối không dây nhưng dễ dàng bị can thiệp và nhiễu từ tín hiệu khác.
5. Phát hiện và xử lý lỗi
Lớp Physical Layer trong mạng máy tính đảm bảo việc phát hiện và xử lý các lỗi trong quá trình truyền dẫn dữ liệu. Để thực hiện điều này, lớp Physical Layer sử dụng các kỹ thuật như kiểm tra paritt, kiểm tra sum, và CRC để phát hiện các lỗi bit hoặc khối dữ liệu bị lỗi.
Khi phát hiện lỗi, lớp Physical Layer có thể yêu cầu tái truyền dẫn dữ liệu hoặc sử dụng mã sửa lỗi để tự động sửa chữa một số lỗi nhất định. Ngoài ra, việc thông báo lỗi cho các lớp cao hơn trong mô hình OSI cũng là một phần quan trọng của quá trình điều khiển lỗi.
6. Cấu trúc Frame dữ liệu
Lớp vật lý trong mạng máy tính chịu trách nhiệm về cấu trúc khung (Frame structure) – tức là cách dữ liệu được tổ chức và truyền dẫn qua mạng. Một khung dữ liệu thông thường bao gồm ba phần chính: Header (Phần tiêu đề), Dữ liệu (Data), và Trailer (Phần trailer).
Trong phần Header, thông tin về địa chỉ MAC của thiết bị gửi và thiết bị nhận được xác định, cùng với kiểu dữ liệu để xác định loại giao thức được sử dụng trong khung. Các trường điều khiển thường chứa các thông tin điều khiển như trạng thái kết nối và loại truyền thông.
Phần Data chứa dữ liệu thực sự được truyền dẫn qua mạng. Độ dài của phần dữ liệu có thể biến đổi tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của ứng dụng và các yếu tố khác nhau.
Trong phần Trailer, giá trị CRC thường được tính toán từ phần dữ liệu để kiểm tra tính toàn vẹn của dữ liệu trong khung. Khi khung được nhận, thiết bị nhận tính toán lại giá trị CRC từ dữ liệu và so sánh với giá trị CRC được gửi kèm theo để kiểm tra xem dữ liệu có bị hỏng trong quá trình truyền dẫn hay không.
Nhờ vào cấu trúc này, việc truyền dẫn dữ liệu qua mạng được tổ chức một cách rõ ràng và đảm bảo tính toàn vẹn cũng như kiểm soát của dữ liệu.
Các giao thức tiêu chuẩn trong lớp vật lý
| Giao Thức | Mô Tả |
|---|---|
| Ethernet | – 10BASE-T và 100BASE-TX: Sử dụng cáp đồng để truyền dẫn dữ liệu với tốc độ 10 Mbps và 100 Mbps. – Gigabit Ethernet (1000BASE-T): Truyền dẫn dữ liệu ở tốc độ 1 Gbps. – 10 Gigabit Ethernet (10GBASE-T): Tốc độ lên đến 10 Gbps. |
| Wi-Fi (IEEE 802.11) | – 802.11b/g/n/ac/ax: Định nghĩa các loại kết nối không dây với tốc độ từ 11 Mbps đến hàng trăm Mbps và thậm chí lên đến hàng Gbps với Wi-Fi 6 và Wi-Fi 6E. – 802.11ah và 802.11ax: Wi-Fi cho IoT và Wi-Fi 6E sử dụng băng tần 6 GHz. |
| SONET/SDH | – OC-3, OC-12, OC-48, OC-192: Tốc độ từ 155 Mbps đến 10 Gbps qua cáp quang. – STM-1, STM-4, STM-16, STM-64: Tương tự SONET, với các tốc độ tương đương. |
Các cấu trúc liên kết vật lý
Tính đến lớp vật lý, cấu trúc mạng (Topology) mô tả cách các thiết bị mạng được kết nối với nhau và cách dữ liệu được truyền dẫn giữa chúng. Dưới đây là một số cấu trúc mạng phổ biến:
- Bus Topology (Cấu trúc dạng bus): Trong cấu trúc này, tất cả các thiết bị mạng được kết nối trực tiếp với một dây cáp chung. Dữ liệu được truyền từ thiết bị gửi tới tất cả các thiết bị khác trên mạng. Một tín hiệu trên dây sẽ lan tỏa đến tất cả các thiết bị và chỉ thiết bị đích mới nhận và xử lý tín hiệu đó.
- Star Topology (Cấu trúc dạng sao): Tất cả các thiết bị mạng được kết nối tới một trung tâm chung, thường là một switch hoặc hub. Mỗi thiết bị kết nối trực tiếp với trung tâm này. Dữ liệu được gửi từ một thiết bị sẽ đi qua trung tâm và được chuyển tiếp tới thiết bị đích.
- Ring Topology (Cấu trúc dạng vòng): các thiết bị mạng được kết nối thành một vòng tròn, với mỗi thiết bị kết nối với hai thiết bị khác. Dữ liệu được truyền theo hướng vòng tròn, từ thiết bị gửi cho đến thiết bị nhận tiếp theo trên vòng. Mỗi thiết bị truyền tiếp tín hiệu đến thiết bị kế tiếp cho đến khi nó đạt được thiết bị đích.
- Mesh Topology (Cấu trúc dạng lưới): mỗi thiết bị mạng được kết nối trực tiếp với mỗi thiết bị khác trong mạng. Mạng lưới cung cấp độ tin cậy cao và đường truyền dữ liệu dự phòng, nhưng đòi hỏi số lượng kết nối lớn và có thể gây khó khăn trong việc quản lý và cấu hình.
Mong rằng qua bài viết này, bạn đã hiểu rõ hơn về lớp vật lý và mô hình OSI!
Thông Tin Về Tác Giả
Nguyễn Thành Hợp là một chuyên gia về lĩnh vực thiết bị mạng, viễn thông gần 10 năm kinh nghiệm với nhiều chứng chỉ chất lượng như CCNA 200-301, CCNP, CCDA, CCDP,... do Cisco cung cấp. Sở thích cá nhân là khám phá những kiến thức mới mẻ về công nghệ nói chung và đặc biệt là liên quan đến lĩnh vực mạng!
