لایه فیزیکی اولین و پایین‌ترین لایه از مدل ارتباطی Open Systems Interconnection (OSI) است. وظیفه لایه فیزیکی حمل و نقل داده‌ها با استفاده از رابط‌های الکتریکی، مکانیکی یا رویه‌ای است.
OSI یک مدل مرجع است که برای نمایش چگونگی ارتباط برنامه‌ها بر روی یک شبکه استفاده می‌شود. این مدل بر ترسیم ویژوالی از اینکه چگونه هر لایه ارتباطی بر روی لایه دیگر ساخته شده است، تمرکز دارد، از کابل‌کشی فیزیکی شروع می‌شود و به برنامه‌ای که سعی دارد با دیگر دستگاه‌ها در یک شبکه ارتباط برقرار کند، ختم می‌شود. متخصصان شبکه در حوزه فناوری اطلاعات از مدل OSI برای تصور چگونگی ارسال یا دریافت داده بر روی یک شبکه استفاده می‌کنند.
لایه فیزیکی لایه‌ای است که نزدیک‌ترین به اتصال فیزیکی بین دستگاه‌ها می‌باشد. این لایه شامل مجموعه‌ای از دستگاه‌ها و رسانه‌ها است، از جمله کابل‌ها، اتصال‌دهنده‌ها، گیرنده‌ها، فرستنده‌ها و تکرارکننده‌ها. لایه فیزیکی با محیط فیزیکی سر و کار ندارد، اما ویژگی‌ها و اتصال فیزیکی پارامترهای سطح پایین مانند اتصال‌دهنده‌های الکتریکی را مشخص می‌کند. لایه فیزیکی به عنوان پایه برای لایه‌های دیگر عمل می‌کند. همچنین برای درک ارتباطات بین دستگاه‌ها مفید است، در حالی که افزودن دیدنی‌تر شدن می‌تواند در برخی از فرآیندهای کاهش ریسک کمک کند.
لایه فیزیکی تعیین می‌کند چگونه از برق برای قرار دادن یک جریان از بیت‌های خام از لایه 2، یعنی لایه پیوند داده، روی سنجاق‌ها و درون سیم‌های یک کابل موازی استفاده شود. از نظر نوری، لایه فیزیکی یک جریان از اعداد صفر و یک را با استفاده از نور به عنوان محیط فیزیکی خود به فیبر تبدیل می‌کند. در نهایت، لایه فیزیکی با استفاده از یک فرستنده بی‌سیم این بیت‌ها را به امواج رادیویی برای حمل و نقل تبدیل می‌کند.
وظایف لایه فیزیکی
لایه فیزیکی مسئول ارسال بیت‌های کامپیوتر از یک دستگاه به دستگاه دیگر در شبکه است. نقش آن تعیین نحوه اتصالات فیزیکی به شبکه و همچنین چگونگی نمایش بیت‌ها به عنوان سیگنال‌های قابل پیش‌بینی است - هنگامی که به صورت الکتریکی، نوری یا توسط امواج رادیویی منتقل می‌شوند.
برای انجام این کار، لایه فیزیکی مجموعه‌ای از وظایف را انجام می‌دهد، از جمله:
- تعریف بیت‌ها: تعیین می‌کند چگونه بیت‌ها از صفرها و یک‌ها به یک سیگنال تبدیل می‌شوند.
- نرخ داده: تعیین می‌کند چقدر داده با سرعت در بیت در ثانیه جریان دارد.
- همگام‌سازی: اطمینان حاصل می‌کند که دستگاه‌های ارسال و دریافت همگام شده‌اند.
- حالت انتقال: جهت انتقال داده‌ها و اینکه آیا آنها ساده (یک سیگنال در یک جهت منتقل می‌شود)، نیمه دوجهته (داده در هر دو جهت می‌رود اما نه همزمان) یا دوجهته کامل (داده در هر دو جهت به طور همزمان منتقل می‌شود) هستند.
- رابط: تعیین می‌کند چگونه دستگاه‌ها به یک محیط انتقال، مانند اترنت یا امواج رادیویی، متصل می‌شوند.
- پیکربندی: پیکربندی‌های نقطه به نقطه و پیکربندی‌های چند نقطه‌ای را فراهم می‌کند.
- تغییر مد: داده‌ها را به امواج رادیویی تبدیل می‌کند.
- مکانیزم سوئیچینگ: بسته‌های داده را از یک درگاه به درگاه دیگر می‌فرستد.
- تساوی سیگنال: به ایجاد اتصالات قابل اعتمادتر کمک می‌کند و چندگانه‌سازی را آسان‌تر می‌کند.
توپولوژی فیزیکی
توپولوژی فیزیکی به نحوه اتصال دستگاه‌ها اشاره دارد. توپولوژی‌های فیزیکی شامل موارد زیر است:
- توپولوژی شبکه: توپولوژی‌های شبکه شامل دستگاه‌ها است، که همچنین به آنها گره‌ها نیز گفته می‌شود، که به هر گره دیگر در شبکه متصل هستند. این شبکه‌ها برای مسیریابی بهینه داده‌ها بین دستگاه‌ها و مشتریان ایجاد شده‌اند.
- توپولوژی ستاره: توپولوژی‌های ستاره یک توپولوژی شبکه محلی هستند که در آن همه گره‌ها مستقیماً به یک کامپیوتر مرکزی مشترک متصل هستند.
- توپولوژی باس: توپولوژی‌های باس شامل چندین دستگاه هستند که از طریق یک کابل به نام کابل میانه به هم متصل شده‌اند. دستگاه‌های متصل به توپولوژی باس مستقیماً به هم متصل شده و داده‌ها را به یکدیگر انتقال می‌دهند.
- توپولوژی حلقه: توپولوژی‌های حلقه یک پیکربندی هستند که در آن هر گره مستقیماً به دو گره دیگر در شبکه متصل می‌شود و یک دایره ایجاد می‌کند. داده‌های ارسالی به یک گره از یک گره به گره دیگر در اطراف حلقه منتقل می‌شود تا به مقصد خود برسد.
- توپولوژی درخت: توپولوژی‌های درخت با یک ساختار سلسله‌مراتبی سازماندهی شده‌اند که در آن گره‌ها مانند یک درخت وقتی در فرم نمودار شبکه کشیده می‌شوند، به هم متصل می‌شوند.
- توپولوژی ترکیبی: توپولوژی‌های ترکیبی ترکیبی از دو یا چند توپولوژی دیگر هستند و بسته به عوامل مرتبط با عملکرد، قابلیت اطمینان یا هزینه استفاده می‌شوند.
لایه فیزیکی همچنین حالت‌های انتقال ذکر شده قبلاً را فراهم می‌کند:
- حالت ساده (Simplex): در این حالت فقط یک گره می‌تواند داده ارسال کند و گره دیگر داده را دریافت می‌کند.
- حالت نیمه دوجهته (Half-duplex): در این حالت دو گره می‌توانند داده ارسال و دریافت کنند اما نه در یک زمان.
- حالت دوجهته کامل (Full-duplex): در این حالت داده می‌تواند همزمان از هر دو گره ارسال و دریافت شود.
نمونه‌هایی از پروتکل‌های لایه فیزیکی
لایه فیزیکی معمولاً ترکیبی از برنامه‌نویسی نرم‌افزاری و سخت‌افزاری است. این شامل تعدادی از پروتکل‌ها است که ارتباطات داده در یک شبکه را کنترل می‌کند. برخی از نمونه‌های پروتکل‌های لایه 1 عبارتند از:
- اترنت 1000BASE-T.
- اترنت 1000BASE-SX.
- اترنت 100BaseTX.
- شبکه نوری همزمان / سلسله‌مراتب دیجیتال همزمان.
- انواع لایه فیزیکی 802.11.
- بلوتوث.
- شبکه کنترلر منطقه‌ای.
- یونیورسال سریال باس.