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物理層の概要
物理層は、OSI (Open Systems Interconnection) モデルの最下位に位置するコンピュータ ネットワーク内の層で、ケーブル、光ファイバー、無線チャネルなどの物理媒体上で生のビットストリーム (ビットストリーム) を送信する役割を果たします。 。
物理層の主なタスクは、あるノードから別のノードにデータを送信し、伝送媒体上でデータの信頼性の高い伝送を保証することです。
以下に、物理層の重要な概念をいくつか示します。
1. 伝送媒体
物理層は、ワイヤー (ツイストペア、同軸ケーブルなど)、光ファイバー、無線チャネル (電波、赤外線など) を含む伝送メディアを扱います。
1.1 ツイストペア
ツイスト ペアは広く使用されている伝送媒体で、シールドなしツイスト ペア (UTP) とシールド付きツイスト ペア (STP) に分けられます。2 本の絶縁銅線を撚り合わせることで電磁干渉を軽減します。ツイストペアケーブルは、イーサネットなどのローカルおよびワイドエリアネットワーク接続に使用されます。
1.2 同軸ケーブル
同軸ケーブルは、内部導体、絶縁体、金属シールド、外部ジャケットで構成されています。テレビのケーブル伝送、ローカル エリア ネットワーク、ブロードバンド アクセスで広く使用されています。
1.3 光ファイバー
光ファイバーは、非常に高い伝送速度と強力な耐干渉性を備えた伝送媒体です。光信号を介してデータを送信します。光信号はシングルモード ファイバーとマルチモード ファイバーに分けられます。光ファイバーは、高速ブロードバンド ネットワーク、長距離通信、データセンターの相互接続に使用されます。
1.4 無線チャネル
無線チャネルは、電波、マイクロ波、赤外線などを介して伝送する媒体です。一般的なワイヤレス伝送テクノロジーには、Wi-Fi、Bluetooth、セルラー ネットワーク (4G や 5G など) などが含まれます。ワイヤレス伝送は、モバイル デバイス、モバイル通信、モノのインターネットなどのアプリケーションに適しています。
1.5 電力線通信(PLC)
PLC は電力線を使用してデータ信号を送信し、追加のネットワーク配線なしで家庭やオフィスなどのネットワーク接続を実現できます。
1.6 赤外線
赤外線は、赤外線リモコンや赤外線データ送信などの近距離無線通信に使用できる電磁波です。
1.7 激光通信
レーザー通信は、レーザー光線を使用してデータを送信し、通常、衛星通信や光ファイバー通信などの長距離高速通信接続で使用されます。
2. 信号伝送
シグナリングとは、通信システムにおいて送信者から受信者にデータを転送するプロセスを指します。信号伝送中、デジタル データはアナログ信号に変換され (変調)、その後伝送媒体上に送信され、最後に受信側でアナログ信号がデジタル データに変換されます (復調)。
2.1 伝送媒体
伝送媒体は、ケーブル、光ファイバー、無線チャネルなどのアナログ信号伝送用の物理媒体です。伝送メディアが異なれば、伝送距離、帯域幅、信号の減衰、ノイズなどの特性も異なります。
2.2 送信と普及
伝送中、アナログ信号は伝送媒体中を伝播します。送信中に、信号の減衰、歪み、干渉などの問題が発生し、信号品質に影響を与える可能性があります。
信号伝送は通信システムにおける重要なリンクであり、通信の品質と信頼性に影響を与えます。適切な変調技術と伝送媒体の選択により、伝送中にデータが失われることがなく、受信側で元のデータを正確に復元できます。通信システムやアプリケーションのタイプが異なれば、特定の通信ニーズを満たすために異なる変調方式や伝送メディアが使用される場合があります。
3. 通信速度
伝送速度は、ビット レート (ビット レート) またはデータ レートとも呼ばれ、デジタル通信において単位時間あたりに送信されるビット (2 進数) の数を指します。データ通信の速度を測る指標で、通常1秒あたりに送信されるビット数で表され、単位はbps（ビット/秒）です。伝送速度は、通信システムにおけるデータの伝送速度と帯域幅の利用状況を表すために使用されます。
伝送速度は、信号変調方式、伝送媒体の特性、符号化技術、通信システムの設計など、多くの要因の影響を受けます。ここでは、転送速度に関連する一般的な概念をいくつか示します。
3.1 物理レート
物理レートは、チャネル内の未処理の伝送レートを指し、通常はビット/秒 (bps) で表されます。変調方式やチャネル特性により異なります。
3.2 実効レート
実効レートには、エラー訂正コードやフレーム同期など、通信プロセスにおける一部のオーバーヘッドが考慮されており、実際に送信されるデータ ビット数は物理レートよりわずかに少ない場合があります。
3.3 シンボルレート
シンボル レートは、単位時間あたりに送信されるシンボルの数を指し、シンボルは複数のビットの組み合わせである場合があります。一部の変調方式では、シンボルが複数のビットを表す場合があるため、シンボル レートが送信レートと異なる場合があります。
3.4 ボーレート
ボーレートは単位時間当たりの信号変化の数を指し、通常はアナログ変調で使用されます。デジタル通信では、ボー レートとシンボル レートは等しいか、関連している場合があります。
伝送速度は、通信システム設計における重要なパラメータの 1 つです。転送速度が高いと、より大きなデータ転送量をサポートできますが、より広い帯域幅とより強力な信号品質も必要になります。アプリケーションやシナリオが異なれば、必要な伝送速度も異なる場合があるため、信頼性が高く効率的なデータ伝送を実現するには、通信システムを設計する際に、帯域幅、信号対雑音比、信号対干渉などの要素を包括的に考慮する必要があります。
4. 変調と復調
変調はデジタル データをアナログ信号に変換するプロセスであり、復調はアナログ信号をデジタル データに変換するプロセスです。この 2 つのプロセスはアナログ伝送において特に重要です。
4.1 変調
変調は、デジタル データをアナログ信号に変換するプロセスです。通常、デジタル信号は離散的ですが、アナログ信号は連続的です。変調の目的は、伝送媒体上で伝送するためにデジタル信号をアナログ信号にマッピングすることです。
4.2 復調
復調は、アナログ信号をデジタル データに変換するプロセスです。受信機は復調器を使用してアナログ信号の変化を検出し、それをデジタル信号に変換します。
5.コーディング
物理層はデータをエンコードして、データ送信の信頼性と耐性を向上させることができます。一般的なエンコード方法には、パリティ チェック、CRC (巡回冗長検査) などが含まれます。
次に、いくつかの一般的なエンコード方法を示します。
5.1 パリティ（パリティエンコーディング）
パリティはエラー検出の基本的な方法で、データに追加ビット (奇数または偶数) を追加して、データの総ビット数が奇数か偶数になるようにします。受信機はパリティ ビットに基づいてシングル ビット エラーを検出できます。
5.2 巡回冗長検査 (CRC、巡回冗長検査)
CRC は、データに多項式を追加することで冗長データを生成する、より堅牢なエラー検出方法です。受信機は、受信データと添付された CRC 値に基づいてエラーを検出できます。
5.3 ハミング符号（ハミング符号）
ハミング コードは、複数のビット エラーを検出して訂正できるエラー訂正コードです。データに冗長ビットを追加して、単一ビット エラーを検出して修復できるようにします。
5.4 変調コーディング
デジタル通信では、変調技術には通常、デジタル データをアナログ信号にマッピングすることが含まれます。変調方式 (ASK、FSK、PSK など) が異なれば、データのエンコードと送信に異なる信号変調方式が使用されます。
5.5 データ圧縮コーディング
データ圧縮コーディングは、データの保存と送信のオーバーヘッドを削減するために使用されます。データをより短いコードまたはシンボルに変換して、送信されるデータ量を削減します。
5.6 差動コーディング
差分エンコードでは、データ自体を直接エンコードするのではなく、データ内の変更を記録することによってデータをエンコードします。これは、連続するフレーム間の冗長性を減らすために、オーディオおよびビデオのコーディングで一般的に使用されます。
6. チャネル多重化
物理層では、複数の通信デバイス間での同時伝送を可能にするために、伝送媒体を適切に分割および共有します。一般的なチャネル多重化技術には、周波数分割多重化 (FDM) と時分割多重化 (TDM) があります。
6.1 周波数分割多重 (FDM)
周波数分割多重では、異なるユーザーまたは通信デバイスに、通信用に異なる周波数帯域幅が割り当てられます。各ユーザーは、周波数スペクトルが重複しない異なる周波数サブバンドを使用してデータを送信します。FDM は、ラジオ局、テレビ信号、イーサネットなどの無線通信および有線通信でよく使用されます。
6.2 時分割多重化 (TDM)
時分割多重では、異なるユーザーまたは通信デバイスがタイム スライスに従ってチャネルを共有します。各ユーザーは異なる時間帯でデータを送信し、タイム スライスが順番に切り替わります。TDM はデジタル電話システム、センサー ネットワークなどで一般的に使用されます。
チャネル多重化テクノロジの利点は、複数の通信接続を同時にサポートできるため、スペクトル利用率が向上し、通信コストが削減され、通信効率が向上することです。
実際のアプリケーションでは、周波数分割多重と時分割多重を組み合わせて、周波数時分割多重 (周波数時分割多重、FTDM) や符号分割多重 (符号分割多重、CDM) などの、より柔軟なチャネル多重技術を形成することもできます。 。
7. 伝送距離と損失
物理層では、伝送中のデータの信頼性を確保するために、伝送距離、信号の減衰、ノイズなどの伝送媒体の特性を考慮する必要があります。
7.1 伝送距離
伝送距離とは、信号が伝送媒体内を伝播する距離を指し、通常はメートル (m) またはキロメートル (km) の単位で表されます。伝送距離の距離は信号の強度と品質に直接影響し、長距離伝送では信号の減衰やその他の課題に直面する可能性があります。
7.2 信号の減衰
信号の減衰とは、送信中に信号が徐々に弱くなる現象を指します。伝送媒体では信号が減衰し、信号強度が徐々に低下します。信号の減衰は通常、伝送媒体の特性と伝送距離によって決まります。
7.3 伝送損失と信号対雑音比 (SNR)
伝送損失とは、減衰やその他の要因を含む、伝送中の信号の総損失を指します。信号対雑音比は、信号強度と背景雑音強度の比を指します。S/N 比が低いと、信号の歪みやデコードエラーが発生する可能性があります。
7.4 損失補償技術
場合によっては、プリコーディング、等化、前方誤り訂正符号などの補償技術を使用して、伝送損失に対処することができます。
通信システムを設計・実装する際には、伝送距離や損失の影響を十分に考慮する必要があります。伝送メディアの合理的な選択、適切な信号増幅技術の使用、信号対雑音比の低減は、信号伝送プロセスの課題を克服し、さまざまな距離や環境での信号の安定した伝送を保証するのに役立ちます。
8. 物理トポロジー
物理層には、スター トポロジ、バス トポロジ、リング トポロジなどのネットワークの物理レイアウトと接続モードが含まれます。
以下に、一般的な物理トポロジのタイプをいくつか示します。
8.1 スター型トポロジー
スター トポロジでは、すべてのデバイスが中央デバイス (通常はスイッチまたはハブ) に接続されます。このトポロジは接続とメンテナンスを簡素化するのに役立ちますが、中央のデバイスに障害が発生すると、ネットワーク全体が影響を受ける可能性があります。
8.2 バストポロジ
バス トポロジでは、すべてのデバイスが共有の幹線 (バス) に接続されます。このトポロジは比較的単純ですが、幹線に障害が発生すると、ネットワーク全体が中断される可能性があります。
8.3 リングトポロジ
リングトポロジでは、機器がリング状に接続され、各機器が前後２台の機器と接続されます。このトポロジは一般的ではありませんが、冗長パスを提供して信頼性を高めることができます。
8.4 ツリートポロジ
ツリー トポロジはスター トポロジとバス トポロジを組み合わせたもので、通常は互いに接続された複数のスターで構成されます。このトポロジは、ある程度の冗長性とスケーラビリティを提供します。
8.5 メッシュトポロジ
メッシュ トポロジでは、各デバイスが他のデバイスに直接接続され、複雑な相互接続ネットワークを形成します。このトポロジは冗長性と信頼性が高くなりますが、維持および管理が複雑になる可能性があります。
8.6 ハイブリッドトポロジ
ハイブリッド トポロジは、複数のトポロジを組み合わせます。たとえば、大規模なネットワークでは、データ センターではスター トポロジが使用され、ブランチ オフィスではバス トポロジが使用される場合があります。
適切な物理トポロジの選択は、ネットワークのサイズ、パフォーマンスのニーズ、信頼性の要件、予算の制約によって異なります。さらに、ワイヤレス ネットワーク、クラウド コンピューティングなどのテクノロジーの継続的な発展に伴い、物理トポロジの概念も常に進化しています。ネットワークを設計するときは、特定のニーズを満たすために物理トポロジを慎重に考慮する必要があります。
9. コネクタとプラグ
コネクタとプラグは、さまざまなデバイス、ケーブル、またはコンポーネントを接続するために使用される物理部品です。これらは、電子、電気、通信、およびコンピューター システムで重要な役割を果たし、さまざまなデバイスが相互に通信し、データとエネルギーを転送できるようにします。一般的なコネクタとプラグのタイプをいくつか示します。
9.1 USB コネクタとプラグ
ユニバーサル シリアル バス (USB) コネクタとプラグは、コンピュータ、周辺機器、モバイル デバイスなどを接続するために使用されます。USB コネクタには、USB-A、USB-B、Micro USB、Mini USB、USB-C などのいくつかのサイズがあります。
9.2 RJ45 コネクタとプラグ
RJ45 コネクタとプラグは、ローカル エリア ネットワーク (LAN) 接続やネットワーク ケーブルなどのイーサネット ネットワーク接続で一般的に使用されます。通常、コンピュータ、ルーター、スイッチなどのデバイスを接続するために使用されます。
RJ45 クリスタル ヘッドは、通常、ローカル エリア ネットワーク (LAN) およびワイド エリア ネットワーク (WAN) で使用されるイーサネット (イーサネット) ケーブルの接続に使用されるコネクタです。ネットワークの設置および保守を行う場合、安定したネットワーク接続と高速データ伝送を確保するために、RJ45 クリスタル ヘッドを正しく作成することが非常に重要です。
9.2.1 T568A規格
: T568A規格は、RJ45クリスタルプラグの線列配列規格です。T568A 規格では、RJ45 プラグのライン シーケンスは次のとおりです。
Pin 1: 白绿
Pin 2: 绿
Pin 3: 白橙
Pin 4: 蓝
Pin 5: 白蓝
Pin 6: 橙
Pin 7: 白棕
Pin 8: 棕
9.2.2 T568B規格
T568B 規格も、一般的に使用されている RJ45 クリスタル コネクタのライン シーケンス規格です。T568B 規格では、RJ45 プラグのライン シーケンスは次のとおりです。
Pin 1: 白橙
Pin 2: 橙
Pin 3: 白绿
Pin 4: 蓝
Pin 5: 白蓝
Pin 6: 绿
Pin 7: 白棕
Pin 8: 棕
どちらの規格も実際のアプリケーションでは一般的です。ネットワークでは、接続の一貫性を確保するために、通常、RJ45 クリスタル ヘッドの製造に標準が選択されます。また、2台のコンピュータを接続するために使用される「クロスオーバー」または「クロスオーバー」と呼ばれるワイヤーマップの作成方法があります。
9.3 HDMI コネクタとプラグ
高解像度マルチメディア インターフェイス (HDMI) コネクタとプラグは、高解像度テレビ、モニター、プロジェクターなどの間でオーディオ信号とビデオ信号を送信するために使用されます。
9.4 オーディオコネクタとプラグ
オーディオ コネクタとプラグは、スピーカー、ヘッドフォン、マイク、サウンド システムなどのオーディオ機器を接続するために使用されます。一般的なオーディオ コネクタには 3.5 mm (1/8 インチ) ステレオ プラグが含まれます。
9.5 VGA コネクタとプラグ
ビデオ グラフィックス アレイ (VGA) コネクタとプラグは、コンピュータをモニタ、特に以前は一般的だった CRT モニタに接続するために使用されます。
9.6 DisplayPort コネクタとプラグ
DisplayPort コネクタとプラグは、コンピュータ、モニタ、その他のマルチメディア デバイスの接続に使用され、高解像度のビデオとオーディオの送信をサポートします。
9.7 電源コネクタとプラグ
電源コネクタとプラグは、電子機器を電源に接続するために使用されます。さまざまなサイズや形状があり、ラップトップ、デスクトップ コンピューター、モバイル デバイスなど、さまざまな種類のデバイスで使用されています。
9.8 SC、LC、ST、その他の光ファイバーコネクタ
これらのコネクタは、高速データおよび通信信号を送信するために光ファイバー ケーブルを接続するために使用されます。現在の主流はLCタイプの光ファイバーインターフェースです。
フラットケーブルとプラグ
フラット ケーブルとプラグは、コンピュータ内のハードドライブやマザーボードなどの内部電子デバイスを接続するためによく使用されます。
センサーコネクターとプラグ
オートメーション、測定、制御では、さまざまなセンサーが特定のタイプのコネクタとプラグを必要とすることがよくあります。
要約する
物理層はコンピュータ ネットワークの基本層であり、送信中のデータの「信頼性」と「完全性」を確保しながら、ある場所から別の場所にデータを転送する責任を負います。物理メディア上でのデータの効率的な送信を実現するために、さまざまなテクノロジーと概念が含まれます。
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