L1 Физический уровень
Любые «биты», «пакеты», «протоколы» — это в итоге электрический импульс по меди или лазерный импульс по стеклу. Тут начинается сеть. Если на L1 проблема — выше можно настраивать что угодно, оно не поедет.
«Заявка #40112. После ремонта на 4-м этаже не поднимается линк 10G между этажными коммутаторами. Электрики говорят „мы кабель не трогали“. Вставили новый трансивер — не помогло. Порт горит, но линка нет». Знакомься: типичный день сетевика. Примерно 40% всех сетевых инцидентов — это физика: кабель, разъём, трансивер, затухание. И их же быстрее всего чинить — если умеешь читать признаки L1. К концу урока ты будешь знать, что в заявке #40112 проверить первым, вторым и третьим — и почему «порт горит» ещё ничего не значит.
- Разложить путь данных по семи уровням OSI: назвать PDU и адресацию каждого — и показать, в каком уроке трека какой уровень разбирается
- Выбрать между медью и оптикой под конкретную задачу — и обосновать выбор деньгами и метрами
- Прочитать маркировку на оболочке кабеля и сказать, потянет ли он 10G на эту длину
- Отличить single-mode от multi-mode по цвету, разъёму и цене — и не воткнуть несовместимое
- Опознать RJ45, LC, SC, MPO в кабельной полке и SFP/SFP+/QSFP в коммутаторе
- Посчитать бюджет оптического линка (TX − потери против чувствительности RX) до прокладки, а не после
- Снять здоровье L1 командами: ethtool, show interfaces, show int transceiver detail
- Диагностировать четыре классических «физических» сценария: флапы, CRC, duplex mismatch, тёмная оптика
Достаточно понимать, зачем нужны коммутатор и маршрутизатор, и что данные передаются «кадрами» и «пакетами» — это уровень трека «Сети с нуля». Модель OSI пригодится постоянно: мы сейчас на самом нижнем её этаже, L1 — и весь трек будем подниматься вверх. Если OSI пока туман — перечитай урок «Что такое сеть»: там уровни объяснены с нуля, за 10 минут чтения.
1. Карта пути: семь этажей модели OSI
Весь трек устроен как подъём по этажам: этот урок — фундамент (L1), дальше кадры и коммутаторы (L2), потом IP и маршрутизация (L3) и так до самого верха. Чтобы подъём не превратился в блуждание, держи перед глазами карту здания — модель OSI. Это не «как реально работает интернет» (реальный стек — TCP/IP), а общий язык профессии: уровнями из неё называют проблемы («лежит L2»), устройства («L3-коммутатор», «L7-балансировщик») и целые классы атак.
| № | Уровень (RU · EN) | За что отвечает | PDU (имя данных) | Адресация | Примеры | Где в маршруте |
|---|---|---|---|---|---|---|
| L7 | Прикладной · Application | Смысл общения: запрос страницы, письмо, DNS-вопрос | данные | URL, имена | HTTP, DNS, SSH, SMTP | DNS, HTTP, урок 15 |
| L6 | Представления · Presentation | Формат: кодировки, сжатие, шифрование | данные | — | TLS, UTF-8, JPEG | в стеке TCP/IP живут внутри приложения; TLS — урок HTTPS/TLS |
| L5 | Сеансовый · Session | Открыть, вести и закрыть диалог | данные | — | RPC, NetBIOS | |
| L4 | Транспортный · Transport | Доставка «процесс → процесс», надёжность | сегмент (TCP), датаграмма (UDP) | порты | TCP, UDP | TCP/UDP, урок 12, 9 |
| L3 | Сетевой · Network | Путь между сетями: адресация и маршрутизация | пакет | IP-адреса | IPv4, IPv6, ICMP | уроки 4–8, 10, 13–15 |
| L2 | Канальный · Data Link | Доставка внутри одной локальной сети | кадр | MAC-адреса | Ethernet, Wi-Fi, ARP | уроки 2, 3, 16, 18 |
| L1 | Физический · Physical | Сигналы: ток в меди, свет в стекле, радиоволны | биты | — | 1000BASE-T, оптика, SFP | этот урок |
Какой командой проверять каждый этаж при аварии — отдельная большая тема, ей посвящён урок 12: у методики диагностики OSI-чеклист L1→L7 — главный инструмент.
OSI — теория, TCP/IP — реальность
Реальный интернет работает на четырёхуровневом стеке TCP/IP. Верхние три этажа OSI (L5–L7) в нём склеены в один прикладной уровень: браузер сам ведёт сессию, сам шифрует (TLS) и сам формирует HTTP — операционной системе он отдаёт уже готовые байты. А L1 и L2 склеены в уровень сетевого доступа: сетевая карта и её драйвер разом собирают кадр и превращают его в сигнал. Поэтому в живой речи чаще всего звучат четыре числа: L2, L3, L4, L7. Кстати, куда «правильно» отнести TLS — вечный спор (L5? L6? между L4 и L7?). Он неразрешим, потому что модель — карта, а не территория: протоколы обязаны работать, а не вписываться в клетки.
Инкапсуляция: как данные одеваются перед выходом
Спуск по этажам — это последовательное «одевание» данных, каждый уровень добавляет свой заголовок.
Проследим отправку HTTP-запроса с рабочей станции 192.168.1.10 на сервер
203.0.113.10:
GET /index.html. Пока это просто байты приложения — «данные».2. Сеть начинается с физики
Любая передача данных — это превращение 0 и 1 в физический сигнал,
который проходит через среду и снова превращается в 0 и 1 на другой стороне.
Среды бывают три:
3. Витая пара (медь)
«Витая пара» (twisted pair) — название говорит само за себя: пары проводов, скрученных вокруг друг друга. Зачем скручивать? Чтобы соседние пары не наводили помехи. Чем плотнее скрутка — тем выше категория и скорость.
Категории витой пары
Категория кабеля определяет, насколько он «толстый» по полосе пропускания. Чем выше категория — тем больше скрутка, лучше экранирование, тем больше денег. Использовать CAT6A там, где хватит CAT5e — пустая трата бюджета. А вот ставить CAT5e на 10 Гбит/с — это просто не поедет.
| Категория | Макс. скорость | Полоса | Макс. длина @ полной скорости | Где применяют |
|---|---|---|---|---|
CAT5e |
1 Гбит/с | 100 МГц | 100 м | Базовый офис, домашние сети. Дешёвый. |
CAT6 |
1 Гбит/с (10G до 55 м) | 250 МГц | 100 м (1G) / 55 м (10G) | Стандарт для нового офиса. Уже не сильно дороже 5e. |
CAT6A |
10 Гбит/с | 500 МГц | 100 м | Для 10G по меди. Толстый, жёсткий. |
CAT7 |
10 Гбит/с | 600 МГц | 100 м | Полностью экранированный. Используют редко. |
CAT8 |
25/40 Гбит/с | 2000 МГц | 30 м | Короткие линки внутри стойки в ДЦ. Альтернатива DAC. |
UTP vs STP — экранирование
Буквы перед TP обозначают, как экранирован кабель — то есть как он защищён от внешних электромагнитных помех (EMI):
Раскладка T568A vs T568B
Каждый из 8 проводов в RJ45 имеет свой номер пина и свой цвет. Существуют две схемы — T568A и T568B. Технически работают одинаково, в одной сети нужно придерживаться одной. В России и Европе чаще T568B.
4. Оптика — основа современных сетей
Когда нужны километры, гигабиты или электромагнитная неуязвимость — переходим на оптику. Оптоволокно — это тонкое стекло (кварц), по которому передаётся свет. Свет идёт через сердцевину (core), а вокруг — оболочка (cladding) с другим показателем преломления, которая работает как зеркало и не выпускает свет наружу.
Цветовая маркировка оптики и трансиверов
| Тип | Цвет оболочки | Core/cladding | Длины волн | Типовое применение |
|---|---|---|---|---|
OS1 / OS2 (SMF) |
жёлтый | 9 / 125 мкм | 1310, 1490, 1550 nm | WAN, междц, провайдер |
OM1 |
оранжевый | 62.5 / 125 мкм | 850 nm | Legacy (FastEthernet, до 100 м) |
OM2 |
оранжевый | 50 / 125 мкм | 850 nm | Legacy 1G (до 550 м) |
OM3 |
бирюзовый (aqua) | 50 / 125 мкм | 850 nm | 10G до 300 м, 40G до 100 м |
OM4 |
бирюзовый (aqua) | 50 / 125 мкм | 850 nm | 10G до 550 м, 40/100G до 150 м |
OM5 |
лаймовый | 50 / 125 мкм | 850-953 nm (SWDM) | 40/100G+, WDM-готовый |
Разъёмы оптики
5. SFP и трансиверы — что куда втыкается
Трансивер (transceiver = transmitter + receiver) — это маленький модуль, который вставляется в порт свитча/маршрутизатора. Он содержит лазер (или электроприёмник для меди) и принимает с одной стороны Ethernet-сигнал, с другой — выдаёт оптику нужной длины волны.
| Суффикс | Расшифровка | Среда | Дальность |
|---|---|---|---|
SR | Short Range | MMF (OM3/OM4) | 300-400 м |
LR | Long Range | SMF | 10 км |
ER | Extended Range | SMF | 40 км |
ZR | (Coherent) ZR | SMF | 80-120 км |
T | Twisted pair (медь) | UTP/STP RJ45 | 100 м |
BX / BiDi | Bi-Directional | SMF (1 волокно) | 10-40 км |
DWDM / CWDM | уплотнение по длине волны | SMF | 80-120 км |
service unsupported-transceiver (Cisco) —
или покупкой compatible-модулей у FS.com / FluxLight.
DAC и AOC — кабели «всё в одном»
Для коротких линков внутри стойки (top-of-rack ↔ сервер) часто берут не «трансивер + патч-корд», а цельный кабель:
- DAC (Direct Attach Copper) — толстый медный twinax-кабель с впаянными QSFP-разъёмами на концах. До ~7 м. Дешёвый, маленькая задержка, не нужен лазер.
- AOC (Active Optical Cable) — оптоволокно с впаянными трансиверами. До ~100 м. Гибче и легче, чем DAC, но дороже.
6. Бюджет оптического линка (Power Budget)
Это один из главных навыков сетевика — посчитать, поедет ли линк по конкретному кабелю с конкретными трансиверами. Если не поедет — лучше узнать до прокладки 5 километров оптики, а не после.
Типовые потери (для расчёта)
| Элемент | SMF @ 1310 nm | SMF @ 1550 nm | MMF @ 850 nm |
|---|---|---|---|
| 1 км волокна | 0.35 dB | 0.25 dB | 3.0 dB |
| Разъём (LC/SC) | 0.3–0.75 dB на стык | ||
| Сварка (fusion splice) | 0.05–0.15 dB | ||
| Механическое соединение | 0.5–1.0 dB | ||
| Делитель 1:2 | ~3.5 dB | ||
| Делитель 1:32 (PON) | ~17.5 dB | ||
Шкала здоровья линка по margin
7. Полезные команды для проверки L1
Это команды, которые ты будешь набирать каждый день. Они показывают здоровье физического уровня:
Linux / *nix хост
Cisco IOS
Juniper Junos
8. Типичные «физические» проблемы
show interfaces на flapping, input errors, CRC errors.
Часто причина: гнутый патч-корд, плохая обжимка RJ45, грязный разъём LC. Проверь EEPROM трансивера на температуру и dBm.
show int trans detail
— посмотри мощность TX и RX. Если RX = −40 dBm → почти ничего не приходит, скорее всего обрыв.
9. Плейбук: «линк не поднимается» — закрываем заявку #40112
Возвращаемся к заявке из начала урока: после ремонта не поднимается 10G-линк между этажами, «порт горит, но линка нет». Вот как ходит по такой заявке опытный инженер — шаг за шагом, от дешёвых проверок к дорогим:
show interfaces te1/1/1 — состояние down/down? up/down?
Затем show interfaces te1/1/1 transceiver detail: TX power есть
(лазер светит), а RX power = −40 dBm (ничего не приходит)? Значит свет
уходит, но не возвращается — проблема в волокне или на той стороне. Это главная развилка
диагностики: TX есть/RX нет → среда; TX нет → трансивер/порт.RX −40 dBm с обеих сторон при живом TX → среда. Патч-корды и типы SFP совпадали. Переворот TX/RX не помог. OTDR показал скачок затухания на 12-м метре от кросса 4-го этажа — ровно там, где ремонтники крепили кабель-канал: оптику передавили хомутом. Перепротяжка двух метров волокна — линк поднялся. Время на диагностику по плейбуку — 25 минут; без него меняли бы трансиверы и коммутаторы неделю.
10. EMI и заземление — то, о чём забывают
Сетевая инфраструктура — это электрика. Если рядом проходит силовая линия 380V с током 100А — она наводит ЭДС в любой соседний проводник, в том числе в твою медь. Поэтому:
- Медь не кладут параллельно силе. Если приходится — расстояние ≥ 30 см и желательно перпендикулярные пересечения.
- В пром-зонах с моторами и преобразователями — берут STP или сразу оптику. Оптика на EMI не реагирует вообще.
- Заземление коммутатора и стойки — обязательно через специальный провод к заземлителю здания.
- «Земляные петли» (когда стойки заземлены в разных точках с разным потенциалом) — главная причина странных багов в больших ДЦ. Решается единой точкой заземления (SPG — Single Point Ground).
11. Мини-лаба: физика сети у тебя дома
Для L1 не нужен арендованный стенд — физика лежит у тебя под столом. 15–20 минут, ничего не сломаешь:
CAT.5E / CAT.6, тип (U/UTP, F/UTP), иногда AWG
(толщина жилы). Теперь ты знаешь его потолок: CAT5e — 1G, CAT6 — 10G до 55 м. Заодно посмотри
на прозрачный RJ45 сбоку: видно 4 скрученные пары разного шага скрутки — та самая защита
от наводок из раздела 2.Get-NetAdapter | Format-Table Name, Status, LinkSpeed
в PowerShell (или Панель управления → Сетевые подключения → двойной клик по адаптеру).
Linux/WSL c реальным NIC: ethtool eth0 — строка Speed: 1000Mb/s,
Duplex: Full, Link detected: yes. Если видишь 100 Мбит/с на гигабитной
карте — у тебя дома живой кейс для диагностики: обычно виновата пара в кабеле (гигабиту нужны
все 4 пары, сотке — две) или старый патч-корд.ping -t 192.168.1.1 (адрес твоего роутера) по Wi-Fi
и посмотри минуту на разброс времён: 2 мс, 7 мс, 40 мс, 3 мс — это джиттер радиосреды,
интерференция и переповторы. Переткнись кабелем и повтори: ровные 1–2 мс без выбросов.
Ты только что руками пощупал, почему серверные линки — всегда провод, и почему киберспортсмены
играют по кабелю.netstat -e — секция Errors/Discards (в норме нули или
около). Linux: ip -s link show eth0 — колонки errors/dropped у RX и TX. Ненулевые
и растущие RX errors на проводе — повод переобжать/заменить патч-корд. Запомни этот рефлекс:
«странности в сети → сначала счётчики ошибок интерфейса», он спасает на любой работе.12. Словарик урока
| Термин | По-английски | Смысл в одну строку |
|---|---|---|
| Витая пара | twisted pair, UTP/STP | медные пары, скрученные против наводок; категории CAT5e–CAT8 задают полосу и скорость |
| Одномод / многомод | single-mode (SMF) / multi-mode (MMF) | жёлтый, лазер, километры / бирюзовый, дешевле, сотни метров |
| Трансивер | transceiver, SFP/SFP+/QSFP | сменный модуль приёмопередатчика; суффикс SR/LR/ER/ZR — дальность |
| Скорость передачи | bit rate | бит в секунду (1 Gbps); не путать с baud rate — числом изменений сигнала |
| Затухание | attenuation | ослабление сигнала в среде, dB/км; у SMF ~0.25 dB/км @1550 нм |
| Бюджет линка | power budget / margin | TX-мощность минус все потери против чувствительности RX; запас ≥ 3 dB |
| Вносимые потери | insertion loss | цена каждого стыка: разъём 0.3–0.75 dB, сварка 0.05–0.15 dB |
| Доля битовых ошибок | BER, bit error rate | норма Ethernet 10⁻¹²; растущий BER = деградация физики |
| Дисперсия | dispersion | «размывание» импульса по времени; ограничивает дальность многомода |
| Перекрёстная наводка | crosstalk, NEXT/FEXT | наводка пары на пару; против неё и придумана скрутка |
| Электромагнитные помехи | EMI | наводки от силовых линий и моторов; лечатся экраном, расстоянием или оптикой |
| Согласование скорости | auto-negotiation | стороны договариваются о скорости/дуплексе; «одна auto, другая жёстко» = беда |
| Рефлектометр | OTDR | прибор, показывающий затухание вдоль волокна — находит обрыв с точностью до метра |
| Флапающий линк | link flapping | интерфейс скачет up/down; почти всегда физика — кабель, разъём, трансивер |
13. Задачи: посчитай и поставь диагноз
Задача 1. Надо соединить два здания кампуса, 350 метров. Коллега предлагает «протянуть CAT6A, медь дешевле». Что ответишь?
Медь Ethernet живёт до 100 метров — на 350 м линк просто не поднимется (а если чудом поднимется на пониженной скорости — будет сыпать ошибками). Между зданиями — только оптика (и по грозозащите тоже: медь между зданиями притягивает разность потенциалов земли и грозовые наводки). Одномод + пара LR-трансиверов — стандартное решение.
Задача 2. Посчитай: TX-мощность −2 dBm, чувствительность RX −16 dBm, трасса 8 км SMF @1310 нм (0.35 dB/км), 2 разъёма по 0.5 dB, 3 сварки по 0.1 dB. Поедет?
Бюджет = −2 − (−16) = 14 dB. Потери = 8×0.35 + 2×0.5 + 3×0.1 = 2.8 + 1.0 + 0.3 = 4.1 dB. Margin = 14 − 4.1 = 9.9 dB — поедет с большим запасом (норма ≥ 3 dB на старение лазера и грязь).
Задача 3. В стойке нашёл два патч-корда: жёлтый с LC и бирюзовый с LC. Трансивер в коммутаторе — SFP-10G-SR. Какой втыкать и почему?
Бирюзовый (или оранжевый) — это многомод, а SR (short range, 850 нм) — многомодовый трансивер. Жёлтый одномод с SR нормально работать не будет: диаметр сердцевины 9 мкм против рассчитанных 50 мкм — свет войдёт плохо, RX окажется на грани чувствительности или ниже. Правило: цвет патч-корда ↔ тип трансивера (SR = MM = бирюзовый; LR/ER/ZR = SM = жёлтый).
Задача 4. Сервер подключён гигабитом, но передача больших файлов еле ползёт, а в ip -s link растут RX errors. Пинг при этом ходит. Твои три гипотезы по L1?
Кадры доходят, но часть — битая (поэтому пинг «ходит», а TCP тормозит на переповторах). Гипотезы: 1) повреждённый/некачественный патч-корд или плохая обжимка — заменить; 2) EMI — кабель лежит вдоль силовой линии/ИБП — перепроложить; 3) duplex mismatch — одна сторона full, другая half (смотри ethtool/show int) — выровнять auto-negotiation. Проверка всех трёх занимает 10 минут.
Задача 5. «Порт горит зелёным — значит, физика в порядке, ищи проблему выше» — прав ли коллега?
Нет. Зелёный линк означает лишь «уровень сигнала достаточен, чтобы договориться о линке».
При этом может быть: RX на грани чувствительности (линк есть, но BER огромный), растущие CRC
из-за наводок, деградирующий лазер, перегретый трансивер. Смотри счётчики ошибок
(show interfaces → input errors/CRC) и оптические уровни
(show int transceiver detail) — только они говорят о здоровье физики.
Задача 6. Тебе нужно 10G на 90 метров внутри здания по существующим лоткам. Варианты: CAT6 UTP, CAT6A, многомод OM4 + SR. Что выберешь и какие соображения?
CAT6 отпадает: 10GBASE-T по CAT6 гарантируется только до ~55 м. Остаются CAT6A (10G до 100 м) и OM4 + SR (до 400 м). На 90 м оба работают; CAT6A дешевле в порту (RJ45 встроен, трансиверы не нужны) и даёт PoE, но толще, тяжелее и жрёт больше энергии на порт; оптика — тоньше в лотке, невосприимчива к EMI, но дороже за счёт пары SR-модулей. В офисе по умолчанию берут CAT6A; в промзоне с моторами и наводками — оптику.
14. Ключевые понятия одной строкой
| Термин | Что это |
|---|---|
| Bit rate | скорость передачи бит в секунду (1 Gbps) |
| Baud rate | число изменений сигнала в секунду (не путать с bit rate — на baud может приходиться >1 бит) |
| BER (Bit Error Rate) | доля ошибочно переданных бит. Норма для Ethernet: 10⁻¹². Для оптики: 10⁻¹⁵ |
| Attenuation | затухание сигнала в среде (dB/км) |
| Dispersion | «размывание» импульса по времени (хроматическая, модовая) |
| Crosstalk (NEXT/FEXT) | наводка с одной пары на другую (NEXT — ближний конец, FEXT — дальний) |
| SNR (Signal-to-Noise Ratio) | отношение сигнал/шум. Чем выше — тем чище передача |
| Insertion loss | потеря сигнала из-за вставки коннектора/сварки |
| Return loss / ORL | обратное отражение от стыка. Чем выше число — тем лучше (меньше отражений) |
| EMI | electromagnetic interference, помехи от соседних источников |
- L1 — это то, где сеть «реально живёт»: импульсы по меди или свет по стеклу.
- Медь до 100 м, оптика до десятков и сотен км.
- Категории CAT5e-CAT8 определяют скорость и полосу. CAT6A — современный стандарт офиса.
- Single-mode = жёлтый, дальний, лазер. Multi-mode = бирюзовый, короткий, дешёвый.
- SFP/SFP+/QSFP — трансиверы. Маркировка SR/LR/ER/ZR — это дальность.
- Бюджет оптики: считай TX − RX − потери. Margin ≥ 3 dB.
- CRC errors и flapping — почти всегда L1. Сначала смотри туда.
Физика доставляет сигнал — но сигнал ещё не разговор. Кто из подключённых к кабелю имеет право говорить? Как получатель понимает, что кадр адресован именно ему? Что делать с коллизиями и как коммутатор запоминает, «кто за каким портом живёт»? Это уже второй этаж — Ethernet и канальный уровень (L2): кадры, MAC-адреса, таблица коммутации. Заявка #40112 закрыта — идём разбирать следующую.