Физический уровень это один из самых недооценённых, но фундаментальных уровней. Если здесь что-то "ломается" — выше уже ничего не работает.

Что такое физический уровень

Физический уровень — это уровень, который отвечает за:

передачу сырых битов (0 и 1) по физической среде

Он не знает ничего про:

• HTTP
• TCP
• IP
• пакеты

Он знает только:

"как передать сигнал из точки A в точку B"

Главная идея

Компьютер не отправляет "1" и "0" напрямую. Он превращает их в физический сигнал:

• электрический (по проводу)
• световой (оптоволокно)
• радиоволны (Wi-Fi, LTE)

Аналогия

Представьте:

• Канальный уровень → "письмо"
• Физический уровень → "провода/воздух/свет, по которым оно идет"

Что именно решает физический уровень

Решает такие задачи:

Как кодировать биты в сигнал

• 0 и 1 → напряжение / свет / радиосигнал

Как передавать сигнал

• непрерывно или пакетами
• аналоговый или цифровой

Скорость передачи

• сколько бит в секунду (bps)

Физическая среда

• по чему идет сигнал

Проводные среды передачи

Витая пара (Twisted Pair)

Самое распространённое (Ethernet):

• 2 провода скручены → меньше помех
• дешево
• до ~100 м

Используется:

• LAN
• Ethernet (Cat5e, Cat6)

Коаксиальный кабель

• центральный провод + экран
• лучше защита от помех

Используется:

• кабельное ТВ
• DOCSIS (интернет через ТВ)

Оптоволокно

• передача светом
• очень высокая скорость
• огромные расстояния

Ключевые свойства:

• не боится электромагнитных помех
• скорость до Тбит/с

Это backbone интернета.
В 2026 году исследователи из University College London установили новый рекорд скорости передачи данных по уже существующим коммерческим оптоволоконным кабелям — 450 терабит в секунду, что примерно в десять раз превышает показатели действующих коммерческих сетей. Рекорд стал возможен благодаря оборудованию, задействовавшему широкий спектр длин волн — от 1264 до 1617,8 нанометра. Ещё более впечатляющий результат был достигнут китайскими исследователями из China Information and Communication Technologies Group, которые реализовали 2,5 Пбит/с (2500 Тбит/с) по 24-жильному одномодовому волокну, используя более 6000 параллельных каналов и S-, C- и L-диапазоны. Это эквивалентно передаче более 10 000 фильмов в формате 4K за одну секунду.

Линии электропередач

• интернет по электрической сети
• используется редко

Беспроводная передача

Основная идея

передача через электромагнитные волны

Спектр

Чем выше частота:

• выше скорость
• хуже проникает через стены

Тип	Пример
Радио	Wi-Fi
Микроволны	4G / 5G
Инфракрасный	пульты
Видимый свет	Li-Fi

Основные технологии

Радиосвязь

• Wi-Fi
• Bluetooth

Микроволны

• сотовая связь
• спутники

Инфракрасный

• короткие дистанции

Ключевая проблема: помехи (noise)

Любой сигнал:

• искажается
• теряется
• смешивается с шумом

Поэтому есть предел скорости.

Максимальная скорость канала

Идея

нельзя передавать бесконечно быстро — есть физические ограничения

Теорема Найквиста (без шума)

C = 2B \ M

Где:

• C — скорость
• B — ширина канала
• M — уровни сигнала

Теорема Шеннона (с шумом)

C = B \ (1 + S/N)

Где:

• S/N — отношение сигнал/шум

Суть

даже идеальный код не сможет превысить этот предел

Современные технологии вплотную приближаются к пределу Шеннона. Например, программируемый чипсет Nokia PSE-3 с технологией вероятностного формирования созвездия (Probabilistic Constellation Shaping, PCS) позволяет приблизить пропускную способность оптоволокна к теоретическому пределу, увеличивая ёмкость до 65% и снижая энергопотребление на 60% по сравнению с существующими сетями. PCS обеспечивает практически бесконечную гранулярность управления модуляцией, позволяя настраивать пропускную способность длины волны от 100G до 600G.

Модуляция

Компьютер не просто "включает/выключает сигнал".
Он модулирует его:

• меняет амплитуду (ASK)
• частоту (FSK)
• фазу (PSK)

Это позволяет:

• передавать больше бит за раз
• эффективнее использовать канал

Мультиплексирование

несколько потоков данных → один канал

Виды

• FDM — по частоте
• TDM — по времени
• WDM — по длине волны (оптика)

Реальные системы

Телефонная сеть

• старая, но важная
• основа для ADSL

Сотовые сети

• 1G → аналог
• 2G → цифровой голос
• 3G → интернет
• 4G → IP
• 5G → высокая скорость + низкая задержка

Спутники

• GEO (высоко, большая задержка)
• LEO (низко, быстрее)

Как это связано с разработкой

Разработчик не работает напрямую с физическим уровнем, но:

Он влияет на всё

• latency (задержка)
• packet loss
• bandwidth

Примеры

Медленный интернет

→ проблема в канале (шум, перегрузка)

Падает WebSocket

→ нестабильный физический канал

Высокий ping

→ расстояние + среда передачи

Итог

Физический уровень — это:

преобразование битов в сигналы и их передача через реальный мир

Он отвечает за:

• среду (кабель / воздух)
• сигнал
• скорость
• помехи

Как именно биты превращаются в сигнал

Уже знаем:

0 и 1 → сигнал

Теперь вопрос: КАК именно?

Линейное кодирование (baseband)

Это когда напрямую кодируем биты в уровни сигнала.

Простейший вариант

• 0 → 0 В
• 1 → 5 В

Но это плохо, потому что:

• нет синхронизации
• много ошибок

Реальные схемы кодирования

NRZ (Non-Return to Zero)

• 1 = высокий уровень
• 0 = низкий уровень

Проблема: если долго идут 0 или 1 → приемник "теряет такт"

Manchester encoding

Каждый бит содержит переход сигнала

• 0 → низкий → высокий
• 1 → высокий → низкий

Плюс:

• есть встроенная синхронизация

Минус:

• требует в 2 раза больше частоты

PAM4 (современное развитие)

Для высокоскоростных Ethernet-каналов (400G и выше) используется PAM4 (Pulse Amplitude Modulation 4 уровня) — вместо двух уровней сигнала (0 и 1) используются четыре, что позволяет передавать 2 бита за один символ. Это стало ключевой технологией для достижения скоростей 400G и 800G по медным и оптическим каналам, хотя и требует более сложной обработки сигнала на приёмной стороне для компенсации искажений.

Вывод

Физический уровень — это не просто "сигнал", а кодирование сигнала так, чтобы его можно было надежно восстановить

Синхронизация

Представьте:

• отправитель шлет биты
• приемник должен понять где начинается и заканчивается бит

Это неочевидно.

Решения:

• Встроенная синхронизация (Manchester)
• Отдельный тактовый сигнал
• Clock recovery (восстановление из сигнала)

Важно понимать

Без синхронизации даже идеальный сигнал бесполезен

Аналог vs цифровой сигнал

Цифровой:

• дискретные уровни
• устойчив к шуму

Аналоговый:

• непрерывный
• чувствителен к искажениям

Ключевой момент
Даже если у тебя "цифровая сеть":

физически сигнал ВСЕГДА аналоговый

Модуляция

Разберем зачем она реально нужна

Задача модуляции:

передать цифровые данные через аналоговый канал

Основные типы

ASK (амплитуда)

• меняем силу сигнала

FSK (частота)

• меняем частоту

PSK (фаза)

• меняем фазу

Современный подход: QAM

Quadrature Amplitude Modulation

комбинирует:

• амплитуду
• фазу

Почему это важно

Один сигнал может кодировать НЕ 1 бит, а несколько:

Тип	Бит за символ
BPSK	1
QPSK	2
16-QAM	4
64-QAM	6
256-QAM	8

Вывод

скорость растет не только за счет частоты, но и за счет "умности" кодирования

Шум и искажения

Типы проблем

Thermal noise (тепловой шум)

• физика, неизбежен

Crosstalk (наводки)

• соседние провода мешают

Attenuation (затухание)

• сигнал ослабевает с расстоянием

Interference

• другие устройства

Последствия

• ошибки
• потеря данных
• снижение скорости

Отношение сигнал/шум (SNR)

Ключевая метрика:

SNR = Signal / Noise

• высокий SNR → хорошая связь
• низкий SNR → ошибки

Пример:

• Wi-Fi далеко от роутера → низкий SNR
• LTE в метро → низкий SNR

Полоса пропускания (bandwidth)

Важно не путать:

Ширина канала (Hz)

• физическая характеристика

Скорость (bps)

• сколько данных передаем

Связь

больше bandwidth → выше возможная скорость

Мультиплексирование

Проблема

один канал → много пользователей

Решения:

FDM (Frequency Division)

• каждому своя частота

TDM (Time Division)

• каждому свое время

CDM (Code Division)

• каждому свой код

Пример

4G / 5G используют:

• OFDM (много частот + время)

Распространение сигнала

Скорость сигнала

• медь: ~2/3 скорости света
• оптика: ~2/3 скорости света
• вакуум: скорость света

Формула задержки

delay = distance / speed

Вывод

latency — это не только серверы, это физика

Ошибки на физическом уровне

Физический уровень:

• НЕ исправляет ошибки
• НЕ проверяет пакеты

Он просто передает

Но:

Он влияет на вероятность ошибок

Связь с канальным уровнем

Вот ключевая идея:

физический уровень → "грязный канал"
канальный уровень → "делает его надежным"

Общий итог

Физический уровень — это:

Кодирование

→ как представить биты

Передача

→ через какую среду

Ограничения

→ шум, расстояние, частота

Оптимизация

→ модуляция, мультиплексирование

Почему сигнал искажается

Что именно происходит с сигналом.

Затухание (attenuation)

Сигнал теряет энергию при распространении.

Причины

• сопротивление проводника
• рассеяние в среде
• поглощение

Итог:

чем дальше → тем слабее сигнал

Дисперсия (искажение формы)

Разные частоты сигнала идут с разной скоростью.
В итоге:

• сигнал "растягивается"
• соседние биты начинают перекрываться

Это называется

межсимвольная интерференция (ISI)

Пример

Ты отправил:

101010

А пришло:

1??0?0

Почему нельзя просто "ускорить сигнал"

Интуитивно кажется:

"давайте просто увеличим скорость передачи"

Но есть ограничения:

Ограничение №1 — полоса пропускания

Канал пропускает не все частоты.

• Резкие изменения (бит 0 → 1) требуют высоких частот
• Канал их "режет"

Ограничение №2 — шум

Чем выше скорость:

• тем меньше "зазор" между уровнями
• тем легче перепутать сигнал

Ограничение №3 — интерференция

Сигналы начинают мешать друг другу

Итог

скорость — это баланс между:

• частотой
• шумом
• качеством среды

Почему оптоволокно лучше меди

Медь

Проблемы:

• сопротивление → потери
• наводки (EMI)
• ограниченная частота

Оптоволокно

Передает свет внутри стекла
Почему это эффективно:

1. Нет электромагнитных помех
2. Очень высокая частота (свет)
3. Малое затухание

Как работает

• свет отражается внутри волокна
• почти не теряется

это называется:

полное внутреннее отражение

Итог

Параметр	Медь	Оптика
Скорость	средняя	очень высокая
Помехи	есть	нет
Дальность	~100м	км

Почему Wi-Fi нестабилен

Причины

Интерференция

• другие Wi-Fi сети
• Bluetooth
• микроволновки

Многолучевое распространение (multipath)

Сигнал:

• отражается от стен
• приходит разными путями

сигналы накладываются

Итог

• искажение
• потеря пакетов
• скачки скорости

Решение

Современные системы используют:

• OFDM
• MIMO (несколько антенн)

MIMO (Multiple Input Multiple Output)

Идея

использовать отражения, а не бороться с ними

Как работает

• несколько антенн передают
• несколько принимают
• сигнал "разделяется" математически

Итог

• выше скорость
• лучше стабильность

OFDM — ключ к современным сетям (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)

Проблема

одна высокая частота → чувствительна к шуму

Решение

разбить канал на много маленьких частот

Как это выглядит

вместо:

1 канал → 100 МГц

делаем:

100 каналов по 1 МГц

Плюсы

• устойчивость к шуму
• борьба с multipath
• высокая эффективность

Используется в

• Wi-Fi
• 4G
• 5G

Типы задержек

Propagation delay

→ время распространения сигнала

t = distance / speed

Transmission delay

→ время "впихнуть" данные в канал

t = data size / bandwidth

Processing delay

→ обработка устройствами

Queuing delay

→ ожидание в очереди

Вывод

"медленный интернет" — это не всегда канал, это может быть очередь

Джиттер (jitter)

Что это

изменение задержки

Почему плохо

• VoIP лагает
• видео дергается

Причины

• перегрузка
• нестабильный канал

Реальный пример: HTTP запрос

Делаем:

GET /api

На физическом уровне

1. Биты кодируются
2. Превращаются в сигнал
3. Идут по среде
4. Искажаются
5. Принимаются
6. Декодируются

И всё это происходит

миллиарды раз в секунду

Ключевая мысль

канал передачи — это не идеальная труба, а физическая система с ограничениями

Поэтому вся сеть строится так:

1. Физический уровень → шумный канал
2. Канальный уровень → исправляет ошибки
3. Транспорт → гарантирует доставку

Единицы измерения

Важно различать

Бит/с (bps)

• скорость передачи данных

Бод (baud)

• количество символов в секунду

Разница

Если один символ кодирует 3 бита:

• 1 baud = 3 bps

Почему это важно

В реальности:

скорость ≠ частота передачи

Это напрямую связано с QAM и модуляцией

Канал — это фильтр

Физический канал:

не передает сигнал как есть, а искажает его

Что он делает

• убирает высокие частоты
• сглаживает сигнал
• добавляет шум

Следствие

прямоугольные сигналы (идеальные биты) в реальности не существуют

Это приводит

• ISI (перекрытие битов)
• ошибкам
• ограничению скорости

Аналогия

Канал = размазанная труба

Отправляется:

|_| |_| |_|

Получаешь:

~~~~~~~ ~~~

задача системы — восстановить биты

Почему важна теория информации

Смысл:

канал имеет максимальную информационную емкость

Это значит

• нельзя "обмануть физику"
• любые протоколы ограничены этим пределом

Практическое следствие

• Wi-Fi не станет быстрее бесконечно
• 5G имеет предел
• кабели тоже

Эквализация (equalization)

Это реальная инженерная магия, про которую часто забывают все.

Проблема

канал искажает сигнал

Решение

приемник "восстанавливает" сигнал

Как

• анализирует искажения
• компенсирует их

Где используется

• Ethernet
• Wi-Fi
• LTE

Итог

мы не только передаем сигнал — мы его "лечим"

Спектр — это ограниченный ресурс

Частоты

• лицензируемые (сотовые сети)
• нелицензируемые (Wi-Fi)

Следствие

• Wi-Fi перегружен
• LTE стабильнее

Практика

Почему Wi-Fi тормозит:

• много устройств
• один диапазон

Спутники

Типы

GEO (геостационарные)

• высоко (~36 000 км)
• большая задержка

LEO (низкая орбита)

• быстрее
• сложнее система

Ключевой момент

задержка — это физика, а не "плохой интернет"

Последняя миля (last mile)

Проблема

как довести интернет до пользователя

Варианты

• ADSL (по телефону)
• кабель (DOCSIS)
• оптика
• 4G / 5G

Разделение канала в реальных сетях

В жизни

• Wi-Fi → делится между всеми
• LTE → динамически распределяет ресурсы

Следствие

скорость зависит не только от канала, но и от соседей

Ошибки — неизбежны

Физический уровень:

не гарантирует доставку
не исправляет ошибки

Но:

он определяет вероятность ошибки

Это называется:

BER (Bit Error Rate)

Почему важно:

• влияет на TCP
• влияет на retransmissions
• влияет на latency

Теоретические основы передачи

Мы уже познакомились с теорией Шеннона и Найквиста, но есть также еще пару важных вещей.

Представление сигнала как суммы гармоник

Любой сигнал можно разложить на синусы (Фурье).
Следствие:

• канал "режет" часть этих гармоник
• сигнал искажается

Ключевая мысль

форма сигнала зависит от доступного спектра

Это напрямую объясняет:

• ISI
• ограничение скорости

Спектр сигнала и ширина полосы

Прямоугольный сигнал (идеальные биты)

→ требует бесконечной полосы частот

Следствие:

идеальной цифровой передачи не существует

Цифровая передача через аналоговый канал (модемы)

Проблема

телефонная сеть — аналоговая

Решение

модем (modulator-demodulator)

Как работает

• компьютер → цифровой сигнал
• модем → превращает в аналоговый
• канал → передает
• модем → обратно в цифру

Пример

• dial-up интернет (старый, но концептуально важный)

Мультиплексирование - дополнение

WDM (оптоволокно)

• разные длины волн (цвета света)
• один кабель → десятки каналов

это основа магистрального интернета

Статическое vs динамическое

• TDM → фиксированные слоты
• современные сети → динамическое распределение

Телефонная сеть (PSTN)

Архитектура

• абонентская линия (local loop)
• коммутаторы
• магистрали

PCM (Pulse Code Modulation)

• аналог → цифровой сигнал
• 8 бит × 8000 раз/с = 64 Кбит/с

стандарт телефонного канала

Почему это важно знать

• историческая база сетей
• влияет на ADSL

ADSL и DSL технологии

Идея

использовать существующую телефонную линию

Как

• голос → низкие частоты
• интернет → высокие

разделение спектра

Следствие

• интернет и телефон работают одновременно

Сотовые сети

Мы познакомились ранее с поколениями, рассмотрим механизмы.

Соты (cells)

• территория делится на зоны
• каждая обслуживается базовой станцией

Handover (передача обслуживания)

• пользователь движется
• соединение "передается" между вышками

Paging

• сеть ищет устройство

Ключевая идея

сеть "следит" за тобой, чтобы доставить сигнал

Кабельные сети (DOCSIS)

Идея: интернет через ТВ-кабель.

Особенность:

• общий канал для всех пользователей

Следствие:

вечером скорость падает (нагрузка)

Спутники — различия орбит

Сравнение

Тип	Высота	Задержка
GEO	высокая	большая
MEO	средняя	средняя
LEO	низкая	низкая

Практика

• Starlink → LEO
• ТВ → GEO

Регулирование

Частоты распределяются государствами

нельзя просто "взять частоту".

Примеры

• Wi-Fi → свободные диапазоны
• LTE → лицензируемые

Следствие

перегрузка Wi-Fi — это не баг, а следствие политики спектра

Главный вывод

Физический уровень — это:

не про сети, а про ограничения реальности

И вся остальная сеть — это попытка обойти эти ограничения.