الطبقة المادية

في نموذج OSI ذي الطبقات السبع لشبكات الحاسوب ، تُعدّ الطبقة الفيزيائية (أو الطبقة 1) الطبقة الأولى والأدنى، وهي الطبقة الأكثر ارتباطًا بالوصلة المادية بين الأجهزة. توفر الطبقة الفيزيائية واجهة كهربائية وميكانيكية وإجرائية لوسيط الإرسال. وتُحدد هذه الطبقة أشكال وخصائص الموصلات الكهربائية ، والترددات المستخدمة في الإرسال، ورمز الخط المستخدم، وغيرها من المعايير منخفضة المستوى.

على مستوى الطبقة الكهربائية، تُنفذ الطبقة الفيزيائية عادةً في شريحة PHY مخصصة ، أو في أتمتة تصميم الإلكترونيات (EDA)، بواسطة وحدة تصميم . وفي الحوسبة المتنقلة ، تُستخدم عائلة بروتوكولات الربط البيني *-PHY التابعة لتحالف MIPI على نطاق واسع.

تحدد الطبقة الفيزيائية وسائل نقل سلسلة من البتات الخام ^{[ 2 ]} عبر وصلة بيانات فيزيائية تربط عقد الشبكة . يمكن تجميع سلسلة البتات في كلمات أو رموز مشفرة وتحويلها إلى إشارة فيزيائية تُنقل عبر وسيط نقل .

تتألف الطبقة الفيزيائية من تقنيات نقل الدوائر الإلكترونية في الشبكة. ^{[ 3 ]} وهي طبقة أساسية تدعم وظائف المستوى الأعلى في الشبكة، ويمكن تنفيذها من خلال عدد كبير من تقنيات الأجهزة المختلفة ذات الخصائص المتباينة على نطاق واسع. ^{[ 4 ]}

في إطار دلالات نموذج OSI، تقوم الطبقة الفيزيائية بترجمة طلبات الاتصال المنطقية من طبقة ربط البيانات إلى عمليات خاصة بالأجهزة لإرسال أو استقبال الإشارات الإلكترونية (أو غيرها). ^{[ 5 ] [ 6 ]} وتدعم الطبقة الفيزيائية الطبقات العليا المسؤولة عن توليد حزم البيانات المنطقية .

في الشبكة التي تستخدم بنية الربط البيني للأنظمة المفتوحة (OSI)، فإن الطبقة الفرعية للإشارات المادية هي جزء من الطبقة المادية التي ^{[ 7 ] [ 8 ]}

• يتفاعل مع الطبقة الفرعية للتحكم في الوصول إلى الوسائط (MAC) لطبقة ربط البيانات ،
• يقوم بتشفير الرموز وإرسالها واستقبالها وفك تشفيرها، و
• يقوم بالعزل الجلفاني .

تُعدّ مجموعة بروتوكولات الإنترنت ، كما هو مُعرّف في RFC 1122 و RFC 1123 ، وصفًا عالي المستوى للشبكات يُستخدم للإنترنت والشبكات المشابهة. وهي لا تُعرّف طبقةً تُعنى حصريًا بمواصفات وواجهات مستوى الأجهزة، لأن هذا النموذج لا يهتم مباشرةً بالواجهات المادية. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

تتمثل الوظائف والخدمات الرئيسية التي تؤديها الطبقة الفيزيائية فيما يلي: تقوم الطبقة الفيزيائية بنقل البيانات بتًا بتًا أو رمزًا رمزًا عبر وسيط نقل مادي . ^{[ 11 ]} كما توفر واجهة موحدة لوسيط النقل، بما في ذلك ^{[ 12 ] [ 13 ]} المواصفات الميكانيكية للموصلات والكابلات الكهربائية ، مثل الحد الأقصى لطول الكابل، والمواصفات الكهربائية لمستوى إشارة خط النقل ومعاوقته . وتتولى الطبقة الفيزيائية مسؤولية التوافق الكهرومغناطيسي، بما في ذلك تخصيص ترددات الطيف الكهرومغناطيسي وتحديد قوة الإشارة وعرض النطاق التناظري ، وما إلى ذلك. وقد يكون وسيط النقل كهربائيًا أو بصريًا عبر الألياف الضوئية أو وصلة اتصال لاسلكية مثل الاتصالات الضوئية في الفضاء الحر أو الراديو .

تُستخدم تقنية ترميز الخط لتحويل البيانات إلى نمط من التذبذبات الكهربائية التي يمكن تعديلها على موجة حاملة أو ضوء الأشعة تحت الحمراء . تتم إدارة تدفق البيانات من خلال مزامنة البتات في الاتصالات التسلسلية المتزامنة ، أو من خلال إشارات البدء والإيقاف والتحكم في التدفق في الاتصالات التسلسلية غير المتزامنة . يمكن إدارة مشاركة وسيط الإرسال بين عدة مشاركين في الشبكة عن طريق تبديل الدوائر البسيط أو تعدد الإرسال . قد تستخدم بروتوكولات التحكم في الوصول إلى الوسائط الأكثر تعقيدًا لمشاركة وسيط الإرسال استشعار الموجة الحاملة واكتشاف التصادم ، كما هو الحال في بروتوكول الوصول المتعدد باستشعار الموجة الحاملة مع اكتشاف التصادم (CSMA/CD) في شبكة الإيثرنت.

لتحسين الموثوقية والكفاءة، يمكن استخدام تقنيات معالجة الإشارات مثل معادلة الإشارة ، وتسلسلات التدريب ، وتشكيل النبضات . كما يمكن تطبيق رموز وتقنيات تصحيح الأخطاء، بما في ذلك تصحيح الأخطاء الأمامي ^{[ 14 ]} ، لزيادة تحسين الموثوقية.

تشمل المواضيع الأخرى المرتبطة بالطبقة المادية ما يلي: معدل البت ؛ تكوين الخط من نقطة إلى نقطة ، أو متعدد النقاط، أو من نقطة إلى متعدد النقاط ؛ طوبولوجيا الشبكة المادية ، على سبيل المثال شبكة الحافلة ، أو الحلقة ، أو الشبكة المتداخلة ، أو الشبكة النجمية ؛ الاتصال التسلسلي أو المتوازي ؛ وضع الإرسال أحادي الاتجاه ، أو نصف مزدوج ، أو مزدوج كامل ؛ والتفاوض التلقائي ^{[ 15 ]}

الطبقة الفيزيائية ( PHY ) ، وهي اختصار للطبقة الفيزيائية ، عبارة عن دائرة إلكترونية ، يتم تنفيذها عادةً كدائرة متكاملة ، وهي مطلوبة لتنفيذ وظائف الطبقة الفيزيائية لنموذج OSI في وحدة تحكم واجهة الشبكة .

تربط الطبقة الفيزيائية (PHY) جهاز طبقة الربط (الذي يُطلق عليه غالبًا اختصارًا MAC للتحكم في الوصول إلى الوسائط ) بوسيط مادي مثل الألياف الضوئية أو كابل النحاس . يتضمن جهاز الطبقة الفيزيائية عادةً وظائف كل من طبقة الترميز الفيزيائي الفرعية (PCS) وطبقة الوسائط المادية المعتمدة (PMD). ^{[ 16 ]}

يمكن أيضًا استخدام اللاحقة -PHY لتكوين اسم قصير يشير إلى بروتوكول طبقة فيزيائية محدد، على سبيل المثال M-PHY .

تُكمل أجهزة الإرسال والاستقبال المعيارية للاتصالات عبر الألياف الضوئية (مثل عائلة SFP ) شريحة PHY وتشكل الطبقة الفرعية PMD .

جهاز الإرسال والاستقبال المادي لشبكة الإيثرنت

تُعدّ وحدة PHY الخاصة بشبكة الإيثرنت مكونًا يعمل على مستوى الطبقة الفيزيائية في نموذج OSI للشبكات . وهي تُنفّذ الجزء الفيزيائي من الإيثرنت، وتتمثل وظيفتها في توفير وصول مادي للإشارات التناظرية إلى الرابط. وعادةً ما يتم ربطها بواجهة مستقلة عن الوسائط (MII) بشريحة MAC في وحدة تحكم دقيقة أو نظام آخر يتولى وظائف الطبقات العليا.

وبشكلٍ أدق، فإنّ وحدة PHY الخاصة بالإيثرنت هي شريحة تُنفّذ وظيفة إرسال واستقبال إطارات الإيثرنت على مستوى الأجهزة ؛ فهي تُشكّل حلقة وصل بين المجال التناظري لتعديل خط الإيثرنت والمجال الرقمي لإشارات حزم طبقة الربط . ^{[ 17 ]} لا تتولى وحدة PHY عادةً معالجة عناوين MAC، لأنّ هذه مهمة طبقة الربط . وبالمثل، تُنفّذ وظائف التنبيه عبر الشبكة المحلية (Wake-on-LAN) وذاكرة القراءة فقط للتمهيد (boot ROM) في بطاقة واجهة الشبكة (NIC)، والتي قد تحتوي على وحدة PHY وMAC ووظائف أخرى مُدمجة في شريحة واحدة أو كشرائح منفصلة.

تتضمن واجهات الإيثرنت الشائعة الألياف الضوئية أو من زوجين إلى أربعة أزواج من الأسلاك النحاسية لنقل البيانات. ومع ذلك، توجد الآن واجهة جديدة تُسمى إيثرنت الزوج الأحادي (SPE)، والتي تستخدم زوجًا واحدًا من الأسلاك النحاسية مع الحفاظ على سرعات الاتصال المطلوبة. يُعدّ جهاز Texas Instruments DP83TD510E ^{[ 18 ]} مثالًا على طبقة PHY تستخدم SPE.

تشمل الأمثلة عائلة Microsemi SimpliPHY و SynchroPHY VSC82xx/84xx/85xx/86xx، وأجهزة الإرسال والاستقبال Marvell Alaska 88E1310/88E1310S/88E1318/88E1318S Gigabit Ethernet، وعائلة Texas Instruments DP838xx ^{[ 19 ]} ، ومنتجات من Intel ^{[ 20 ]} و ICS. ^{[ 21 ]}

توفر التقنيات التالية خدمات الطبقة المادية: ^{[ 22 ]}

• نموذج القناة
• استعادة الساعة
• نقل البيانات
• السلامة الجوهرية
• سيرديس

• الطبقة الفيزيائية (الطبقة 1)
• شرح تفصيلي للطبقة الأولى من شبكة 10G