Tầng vật lý trong mô hình OSI: Từ vật lý đến ứng dụng

Mô hình OSI có thể coi là mô hình tiêu chuẩn về thiết lập kiến trúc mạng ở mức Quốc tế. Trong đó, tầng vật lý trong mô hình OSI là tầng tạo ra các đường truyền gửi/nhận cho thông tin. Tầng này bao gồm tất cả các yếu tố như cáp, chân cắm, sự liên kết tần số vô tuyến,... Cùng làm rõ mức độ quan trọng và tầm ảnh hưởng của tầng vật lý đến chất lượng hệ thống của bạn. 

1. Tầng vật lý trong mô hình OSI là gì?

Lớp vật lý là lớp đầu tiên trong mô hình OSI, nó chuyển thông tin nhận được từ lớp liên kết dữ liệu thành các tín hiệu điện từ để gửi chúng qua đường truyền vật lý (không dây hoặc có dây).

Lớp vật lý liên quan đến quá trình truyền dẫn dữ liệu qua một kênh truyền thông. Nhiệm vụ chính của lớp vật lý là cung cấp một kênh vật lý để truyền các bit giữa hai điểm hoặc nhiều điểm.

Lớp này hoạt động ở hầu hết các kết nối vật lý của mạng bao gồm truyền dẫn không dây, hệ thống cáp, tiêu chuẩn và các loại cáp, đầu nối,…

2. Chức năng của tầng vật lý trong mô hình OSI

2.1. Đặc điểm vật lý của môi trường

Hub

Là thiết bị dùng để kết nối nhiều máy tính hay các thiết bị mạng khác lại với nhau. Hub được coi là một điểm kết nối chung cho các thiết bị trong mạng và thường được sử dụng để kết nối các phân đoạn của mạng LAN. Khi một gói dữ liệu đến một cổng, nó được sao chép và gửi tới tất cả các cổng khác.

Bộ lặp ( Repeater)

Là bộ khuếch đại giúp truyền tín hiệu đi xa và ổn định hơn.

Converter

Là một thiết bị chuyển đổi dạng tín hiệu này sang dạng tín hiệu khác để phù hợp với môi trường truyền. Converter được biết đến nhiều trong mô hình mạng đó là Converter quang.

Network Adapter

Được gọi là bộ điều hợp mạng hay card mạng (NIC). Chúng bao gồm card Ethernet, chip Wifi bên trong và bộ phát Wifi không dây bên ngoài. Nếu bạn làm việc với phần cứng máy chủ thì đây là thiết bị điển hình trong tầng vật lý trong mô hình OSI. 

Host Bus Adapter (HBA)

Là bảng mạch hay bộ điều hợp mạch tích hợp kết nối hệ thống máy chủ với thiết bị lưu trữ hoặc mạng. HBA cũng cung cấp xử lý đầu vào/ra để giảm tải cho bộ xử lý của máy chủ khi lưu trữ và truy xuất dữ liệu. Nhờ đó giúp cải thiện hiệu suất tổng thể của máy chủ.

2.2. Đặc điểm truyền dẫn có dây

2.2.1. Cáp đồng

• Cáp đồng trục: Là loại cáp điện với một lõi dẫn điện được bao bọc bởi một lớp điện môi không dẫn điện. Xung quanh quấn thêm một lớp bện kim loại, ngoài cùng lại có vỏ bọc cách điện. 
• Cáp xoắn đôi: Là một loại dây dẫn trong đó hai dây dẫn của một mạch đơn được xoắn lại với nhau. Việc xoắn đôi giúp triệt tiêu điện trường sinh ra từ hai đầu dây có tín hiệu ngược chiều nhau.

2.2.2. Cáp STP và cáp UTP

Cáp STP là loại cáp xoắn đôi nhưng được che chắn bởi vỏ có lõi nhôm cho mỗi cặp xoắn để chống nhiễu.

Cáp UTP là loại cáp xoắn đôi không có vỏ chống nhiễu. Tầng vật lý trong mô hình OSI thì đây là loại mà mọi người đều biết và có thể đang sử dụng. 

2.2.3. Cáp Ethernet - Cáp xoắn đôi thông dụng

a. Category 3 (cat3)

Là loại cáp xoắn đôi có từ 1 đến hai cặp dây, không có vỏ chống nhiễu. Category 3 được thiết kế để truyền dữ liệu đáng tin cậy đến 10Mbit/s với bằng thông có thể lên tới 16MHz. Hiện nay loại cáp này không còn được phổ biến trong tầng vật lý trong mô hình OSI.

b. Category 5 (cat5)

Đây là loại cáp sử dụng 4 cặp dây xoắn không vỏ chống nhiễu được thiết kế để truyền dữ liệu đáng tin cậy lên tới 100Mbit/s (100BASE-TX) khoảng cách tối đa 100m. 

Cat5 thường được sử dụng trong cáp cấu trúc cho mạng máy tính như FastEthernet. Tuy nhiên, loại cáp này hiện nay không được sử dụng mà được thay thế hoàn toàn bằng phiên bản tiên tiến hơn đó là Cat5e.

Cat5e là loại cáp có cấu trúc vật lý tương tự Cat5 nhưng đáp ứng các tiêu chuẩn cao hơn trong việc truyền dữ liệu như ít bị nhiễu chéo và hỗ trợ truyền dẫn 1000Mbit/s (1000BASE-T) với khoảng cách 100m.

c. Category 6 (cat6)

Cat6 là phiên bản cáp nâng cấp hơn của Cat5e với nhiều cải tiến về tốc độ truyền dẫn 10Gbit/s, băng thông 250Mhz, khoảng cách từ 70m - 100m. Tuy nhiên nếu Cat6 hoạt động ở tốc độ tối đa thì chiều dài truyền dẫn chỉ bằng 1 nửa Cat5e.

2.2.4. Cáp quang trong tầng vật lý trong mô hình OSI

Cáp quang là loại cáp viễn thông, có cấu tạo là lõi thủy tinh hoặc nhựa trong suốt với kích thước rất nhỏ. Tín hiệu truyền dẫn trong cáp quang là các tín hiệu ánh sáng được điều chế.

a. Cáp quang FTTH (Fiber To The Home)

Là loại cáp quen thuộc dùng để truyền tải Internet trong hộ gia đình hoặc người dùng LAN nhỏ. Trong loại cáp quang này gồm có: 

• 1Fo FTTH (1 core): Là loại cáp quang có 1 sợi đơn mode, đường kính nhỏ, phù hợp cho thi công trong nhà hay ngoài trời điều kiện ổn định không khắc nghiệt.

• 2Fo FTTH (2 core): Là loại cáp quang có 2 sợi đơn mode, đường kính nhỏ, khối lượng nhẹ phù hợp cho đi dây trong nhà hay ngoài trời tương tự như loại 1Fo.

• 4Fo FTTH (4 core): Là loại cáp quang 4 sợi đơn mode, dạng ống lỏng cung cấp khả năng truyền tải dữ liệu tốt với 4 sợi quang.

b. Cáp quang luồn cống

Trong tầng vật lý trong mô hình OSI đây là loại cáp dạng hình tròn, vỏ cứng, có số sợi quang lớn (từ 4 đến 144Fo) thường được đưa dưới cống bể, các khu vực trong đường ống ngầm chật chội, nhiệt độ cao, môi trường nước, cặn bẩn, hóa chất mà không sợ bị ảnh hưởng bởi tác tổng của môi trường.

c. Cáp quang treo

Là loại cáp gần giống cáp luồn cống nhưng được gia cố dây cường lực để đảm bảo khả năng đi dây trên các cột điện, hay những vị trí cao. 

d. Cáp chôn trực tiếp

Hay còn được gọi là cáp quang cống kim loại. Loại cáp này cao cấp hơn cáp quang luồn cống nhờ cấu tạo có thêm lớp vỏ bọc kim loại, thường được chôn trực tiếp dưới đất hoặc kéo dưới cống và không bị tổn hại từ các tác động bên ngoài.

2.3. Đặc điểm truyền dẫn không dây

Là truyền dẫn tín hiệu sử dụng sóng điện từ (sóng vô tuyến) để truyền thông tin từ điểm này tới điểm khác mà không dựa vào bất kỳ kết nối vật lý nào. Các thiết bị truyền dẫn không dây bao gồm:

• Access Point: Là thiết bị cầu nối giữa hệ thống mạng có dây và không dây.
• Wireless Repeater: Là thiết bị có nhiệm vụ bắt sóng tín hiệu và khuếch đại tín hiệu truyền đi để mở rộng vùng phủ sóng.

3. Phân loại cáp Ethernet thuộc tầng vật lý trong mô hình OSI

Hiện nay trên thị trường có rất nhiều loại cáp khác nhau.Trong triển khai hạ tầng dịch vụ, việc hiểu được các đặc điểm của các loại mạng khác nhau là một điều cần thiết để phát triển một mạng thành công.

Việc chọn lựa loại cáp nào để sử dụng liên quan đến các yếu tố như cấu trúc liên kết, giá thành, môi trường triển khai (ngoài trời, trong nhà, dưới đất,..), nhu cầu người dùng và kích thước của mạng.

3.1. Hiệu suất truyền dẫn

Sự khác nhau cơ bản giữa các loại cáp nằm ở hiệu suất truyền dẫn. Dưới đây là bảng so sánh về hiệu suất của loại cáp mạng phổ biến hiện nay đó là Cat5e và Cat6.

3.2. Môi trường triển khai

Trong nhà: Đặc điểm của môi trường này là dây mạng thường được đi dưới gầm bàn, dưới sàn nhà hoặc đi âm tường, âm trần. Đối với môi trường này, ta sử dụng các loại cáp như Cat5e, Cat6 có vỏ bọc PVC có độ bền cao. Nếu đi âm tường, để đảm bảo độ bền vững lâu dài của dây mạng thì cần luồn qua lõi ruột gà để tránh các trường hợp môi trường ẩm, chuột cắn phá. 

Ngoài trời: Đặc điểm của môi trường này là dây mạng đi ở ngoài trời, kéo từ nhà này sang nhà kia mà không được che chắn nắng mưa. Hiện nay trên thị trường có những loại cáp ngoài trời như sau: 

Cáp Cat5e FTP ngoài trời

Cáp Cat5e FPT là loại cáp Cat5e nhưng thêm vào đó có lớp vỏ nhựa chống cháy, độ bền cao cứng cáp. Đồng thời đi kèm sợi bọc cáp mạng là sợi dây gia cường chất liệu thép đặc kèm theo một lớp vỏ bọc plastic chống ẩm, vỏ bạc chống nhiễu. Nhờ đó loại cáp này có thể thoải mái đi bên cạnh các đường dây điện mà không lo nhiễu làm ảnh hưởng đến tín hiệu.

Cáp mạng liền nguồn Cat5e FTP ngoài trời

Là loại cáp có cấu tạo tương tự Cat5e FTP ngoài trời nhưng có thêm 2 dây nguồn có tác dụng truyền điện khi kéo mạng camera, mạng PPPOE.

Cáp mạng Cat6 lõi múi khế chịu lực

Đây là loại cáp Cat6 có lõi nhựa múi khế ở giữa ngăn 4 cặp dây đi song song, múi khế này có tác dụng chịu lực cho dây. Đặc điểm của loại dây là giá thành rẻ, độ bền tương đối phù hợp với các phòng trọ sinh viên hay gia đình kéo ngoài trời. Tuy nhiên nếu muốn đi cùng song song với các đường dây điện thì cần sử dụng loại SFTP có vỏ bạc chống nhiễu.

3.3. Nhu cầu người dùng 

Hiện nay trên thị trường có khá nhiều thương hiệu cáp mạng nổi tiếng, nên người dùng có rất nhiều sự lựa chọn cho phù hợp với nhu cầu của từng người hay từng dự án. Các hãng dây cáp mạng lớn nổi tiếng thị trường hiện nay như: 

• Cáp mạng Dintek
• Cáp mạng AMP/CommScope
• Cáp mạng Golden Link
• Cáp mạng Tenda

Và một số hãng khác được liệt kê trong bảng sau:

4. Các chuẩn đầu nối trong tầng vật lý trong mô hình OSI

4.1. 10Base2

Còn được gọi là cheapernet, thin Ethernet, thinnet và thinwire là một chuẩn của Ethernet có tốc độ băng thông là 10Mbps. “10” có nghĩa là tốc độ truyền 10Mbps, “2” có nghĩa là khoảng cách tối đa giữa hai trạm không có repeater ở giữa không vượt quá 200m.

4.2. 10BaseT (Cat3 và Cat5)

Là một chuẩn cáp xoắn đôi có tốc độ truyền dẫn 10Mbit/s. Trong đó 10 tương ứng với tốc độ truyền tối đa 10 [Megabit] trên giây (Mb/s), Base là viết gọn của [baseband], T là loại cáp xoắn đôi (Twisted Pairs). 

4.3. 100BaseTX

Là một chuẩn thông dụng của Fast Ethernet, hoạt động trên 2 đôi dây của cáp xoắn đôi Cat5.

4.4. 1000BaseT

Là chuẩn Ethernet cho tốc độ truyền dẫn lên đến 1Gbps, để đạt được tốc độ truyền dẫn lên 1Gbps cần phải hoạt động trên 4 đôi dây, xoắn. Yêu cầu của loại này phải sử dụng module SFP.

4.5. 1000BaseLX

Là chuẩn Ethernet sử dụng cáp quang cho phép khoảng cách truyền dẫn lên tới 10km. “LX” trong 1000BASE-LX là viết tắt của long wavelength, chỉ ra rằng phiên bản Gigabit Ethernet này được thiết kế để sử dụng với các đường truyền có bước sóng dài (1270–1355 nm) qua các đường cáp dài của hệ thống cáp quang.

4.6. 1000BASE SX

Là một tiêu chuẩn Gigabit Ethernet cáp sợi quang sử dụng bước sóng 770 đến 860 nm, khoảng cách hoạt động từ 220m đến 550m phù hợp cho thiết kế mạng LAN trong các tòa nhà, văn phòng, trường học,...

5. Biểu diễn dữ liệu

Dữ liệu được biểu diễn dưới dạng các bit 0 và 1 liên tục và được mã hóa thành mã đường truyền. Sau đó được biến đổi thành tín hiệu điện, quang, hay sóng điện từ để truyền đi trên đường truyền. 

6. Xác định tốc độ truyền dẫn

Băng thông là thuật ngữ để chỉ tốc độ truyền tải dữ liệu của đường truyền. Băng thông được đo bằng đơn vị bit/s.

7. Đồng bộ hóa các bit

Ở phía phát tín hiệu, lớp vật lý nhận lớp khung từ lớp trên và phát tín hiệu lên môi trường truyền dẫn để truyền dữ liệu. Ở phía nhận tín hiệu, lớp vật lý kiểm tra quá trình đồng bộ bit và đặt chuỗi bit nhận được vào vùng đệm. Sau đó thông báo cho lớp 2 đã được nhận.

8. Topology vật lý trong tầng vật lý trong mô hình OSI

8.1. Mạng hình sao

Là một mô hình mạng gồm thiết bị làm trung tâm và các nút thông tin chịu sự điều khiển của trung tâm đó. Các nút ở đây có thể là máy trạm, các thiết bị đầu cuối hay các thiết bị khác trong mạng LAN. 

Ưu điểm:

• Khi có lỗi xảy ra ở một trạm nào đó thì cả hệ thống vẫn hoạt động bình thường.
• Tốc độ mạng khá nhanh.
• Cấu trúc mạng khá đơn giản giúp dễ dàng kiểm tra, sửa chữa khi gặp sự cố.
• Có thể thu hẹp hay mở rộng theo ý muốn của người dùng.

Nhược điểm:

• Thiết bị trung tâm là thiết bị chính của cả hệ thống, nếu nó gặp sự cố thì tất cả các thiết bị khác không thể giao tiếp được với nhau.
• Khoảng cách kết nối hạn chế.
• Tốn kém chi phí dây mạng và thiết bị trung gian.

8.2. Bus Topology

Là kiểu kết nối mà tất cả các thiết bị như máy chủ máy trạm, các nút thông tin đều được liên kết với nhau trên một đường dây cáp chính để truyền dữ liệu. Các dữ liệu và tín hiệu truyền qua dây cáp đều đến được tất cả điểm đến.

Ưu điểm: 

• Dễ lắp đặt.
• Không bị giới hạn về độ dài dây cáp.

Hạn chế:

• Khi có một trạm xảy ra lỗi, cần phải tạm dừng toàn bộ hệ thống để kiểm tra và khắc phục.
• Rất dễ gặp tình trạng tắc nghẽn khi dữ liệu được truyền với lưu lượng lớn.

8.3. Mạng dạng vòng

Đây là kiểu Topology các thiết bị được kết nối thành vòng tròn khép kín thông qua dây cáp. Tín hiệu sẽ được truyền đi theo một chiều cố định. Tại một thời điểm, chỉ có một nút được truyền tin qua một nút khác.

Ưu điểm:

• Dễ dàng mở rộng hệ thống mạng LAN ra xa hơn.
• Tiếu kiệm được chiều dài dây cáp.
• Tốc độ mạng nhanh hơn mạng Bus.

Hạn chế:

• Thiết bị được kết nối khép kín nên khi một thiết bị nào đó gặp sự cố thì hệ thống cũng sẽ ngừng hoạt động.

8.4. Mạng dạng lưới

Đây là kiểu topology trong physical layer mà trong đó một máy tính sẽ được liên kết với tất cả các máy còn lại trong hệ thống mà không cần phải thông qua Hub hay Switch.

Ưu điểm: 

• Các máy tính sẽ hoạt động độc lập, sẽ không bị ảnh hưởng khi các máy khác gặp sự cố.
• Dễ dàng mở rộng với phạm vi lớn.

Hạn chế:

• Việc quản lý hệ thống sẽ khá phức tạp và gây tốn tài nguyên bộ nhớ về việc xử lý của các máy trạm.

8.5. Mạng phân cấp

Là dạng topology trong physical layer có cấu trúc hình sao mở rộng. Các máy trong hệ thống được sắp xếp theo từng lớp tuỳ thuộc vào chức năng của chúng. Ưu điểm của mạng phân cấp là khả năng quản lý thiết bị tập trung, tăng khả năng bảo mật hệ thống.

Nhược điểm là chi phí quản lý đắt vì phải cần nhiều bộ tập trung.

Bên trên là các tổng hợp hữu ích về các thông tin của tầng vật lý trong mô hình OSI. Qua bài viết trên đây, hi vọng bạn hiểu được tầm quan trọng và tác dụng của nó. Từ đó giúp có một cách nhìn sâu hơn về tầng vật lý. Tầng vật lý trong mô hình OSI được sử dụng và áp dụng với các dự án triển khai ban đầu như chuẩn bị thiết bị, dây dẫn, chuẩn kết nối để thống nhất và cũng như đặt được mục tiêu về tốc độ đường truyền dữ liệu cũng như phù hợp với môi trường triển khai. Mời các bạn cùng đón xem bài viết tiếp theo về tầng liên kết dữ liệu (Data-Link Layer) trong bài tiếp theo.