Warstwy fizyczna i łącza danych

Model OSI zaczyna się od dołu, od elementów znajdujących się najbliżej sprzętu. Warstwa 1 to warstwa fizyczna, a warstwa 2 to warstwa łącza danych. Razem umieszczają surowe bity w medium transmisyjnym i niezawodnie dostarczają je do następnego urządzenia w tej samej sieci lokalnej. Te dwie warstwy stanowią podstawę dla wszystkich pozostałych, przekształcając sygnały elektryczne lub świetlne w użyteczne ramki.

Warstwa fizyczna zajmuje się faktycznym przesyłaniem bitów w postaci sygnałów. Obejmuje kable, złącza, poziomy napięcia, impulsy świetlne i fale radiowe. Jej jedynym zadaniem jest przesyłanie surowych jedynek i zer przez medium; nie rozumie adresów ani znaczenia danych. Wszystko, czego można fizycznie dotknąć, na przykład kabel lub port, należy do warstwy fizycznej.

W warstwie 1 dane są jedynie strumieniem bitów zakodowanych jako sygnały fizyczne. W kablu miedzianym bity są zmianami napięcia, w światłowodzie — impulsami światła, a w sieci Wi-Fi — falami radiowymi. Warstwa fizyczna definiuje sposób reprezentowania jedynki i zera, aby oba końce połączenia stosowały te same zasady. Jeśli zostanie to zrobione niepoprawnie, żadna wyższa warstwa nie będzie działać, ponieważ bity nie dotrą prawidłowo.

Warstwa łącza danych przekształca surowe bity w uporządkowane jednostki zwane ramkami, dodając adresowanie lokalne i kontrolę błędów. Jej zadaniem jest niezawodne dostarczanie danych między dwoma urządzeniami w tym samym segmencie sieci lokalnej. Warstwa 1 jedynie przesyła sygnały, natomiast warstwa 2 nadaje im strukturę i wskazuje odbiorcę, zapewniając niezawodną komunikację lokalną.

Ramka to jednostka warstwy łącza danych. Zawiera dane opakowane w nagłówek i przyczepkę, które obejmują sprzętowe adresy źródłowy i docelowy oraz wartość kontrolną błędów. Nagłówek informuje następne urządzenie, kto powinien odebrać ramkę, a przyczepka pozwala odbiorcy sprawdzić, czy ramka dotarła nieuszkodzona. Ramkowanie to sposób, w jaki warstwa 2 pakuje bity na potrzeby dostarczania lokalnego.

Warstwa 2 używa adresów MAC (Media Access Control) do identyfikowania urządzeń w sieci lokalnej. Adres MAC to unikatowy adres sprzętowy zapisany w karcie sieciowej, przedstawiany jako sześć par cyfr szesnastkowych. W przeciwieństwie do adresów IP adresy MAC mają zasięg lokalny i są powiązane z fizycznym urządzeniem. Przełączniki używają ich do dostarczania ramek do właściwego portu w sieci LAN.

Warstwa łącza danych sprawdza każdą ramkę pod kątem błędów, używając wartości w przyczepce zwanej sekwencją kontrolną ramki. Odbiorca oblicza ją ponownie i porównuje wyniki; jeśli się różnią, ramka jest uszkodzona i zostaje odrzucona. Pozwala to wykrywać uszkodzenia spowodowane szumem elektrycznym lub zakłóceniami. Wykrywanie błędów w warstwie 2 zapobiega przedostawaniu się uszkodzonych danych do wyższych warstw.

Warstwa łącza danych dzieli się na dwie części: podwarstwę MAC, która kontroluje dostęp do medium i obsługuje adresowanie sprzętowe, oraz podwarstwę LLC (Logical Link Control), która zarządza komunikacją z wyższą warstwą. Dzięki temu podwarstwa wyższa może korzystać z jednego interfejsu działającego nad wieloma różnymi technologiami fizycznymi. To właśnie w podwarstwie MAC realizowane są adresowanie sprzętowe i dostęp do medium.

Niektóre urządzenia działają głównie w tych warstwach. Koncentratory i podstawowe kable działają w warstwie 1, po prostu przesyłając sygnały. Przełączniki działają w warstwie 2, odczytując adresy MAC i przekazując ramki do właściwego portu. Wiedza o tym, w której warstwie działa urządzenie, informuje, co może ono robić, a czego nie, co ma kluczowe znaczenie podczas projektowania i naprawiania sieci.

Warstwy 1 i 2 obsługują komunikację wyłącznie w obrębie jednej sieci lokalnej. Nie mogą przesyłać danych między oddzielnymi sieciami, ponieważ adresy MAC nie są przeznaczone do routingu globalnego. Aby przejść z jednej sieci do innej, potrzebna jest warstwa 3 i adresy IP. Ta granica dokładnie wyjaśnia, dlaczego istnieją wyższe warstwy oraz dlaczego różne sieci łączy router, a nie przełącznik.

Warstwa fizyczna przesyła surowe bity jako sygnały przez medium, a warstwa łącza danych pakuje te bity w ramki zawierające adresy MAC i informacje o kontroli błędów, aby zapewnić niezawodne dostarczanie lokalne. Koncentratory działają w warstwie 1, a przełączniki w warstwie 2. Razem te najniższe warstwy przekształcają sygnały elektryczne lub świetlne w niezawodną komunikację między sąsiednimi urządzeniami w tej samej sieci.

Co warstwa łącza danych dodaje do surowych bitów otrzymanych z warstwy fizycznej?

Warstwa fizyczna (warstwa 1) przesyła surowe bity jako sygnały przez kable, światłowody lub radio. Warstwa łącza danych (warstwa 2) pakuje bity w ramki zawierające adresy MAC i sekwencję kontrolną ramki do wykrywania błędów, zapewniając niezawodne dostarczanie lokalne. Warstwa 2 ma podwarstwy MAC i LLC. Koncentratory działają w warstwie 1, a przełączniki w warstwie 2. Warstwy te obsługują tylko komunikację lokalną; przechodzenie między sieciami wymaga warstwy 3.