Livello 1: Fisico

Il livello fisico, quello più basso dello stack OSI, fondamentalmente gestisce i dati come bit grezzi. Ciò significa che la PDU per il livello fisico è un bit. Il principale compito del livello fisico è di fornire una trasmissione trasparente dei bit dal livello Data-Link del mittente al livello Data-Link del ricevitore. Ciò si ottiene definendo i mezzi meccanici, elettrici, funzionali e procedurali per attivare, mantenere e disattivare un collegamento fisico tra due entità di collegamento dati.

Oltre ai dati trasmessi da un’entità fisica a un’altra, è necessario trasferire anche le informazioni di controllo. Queste informazioni di controllo possono essere aggiunte ai dati, come visto prima, sotto forma di header o trailer, e trasmesse tramite lo stesso canale in cui i dati veri e propri vengono trasferiti: questo procedimento è chiamato segnalazione in linea (in-line signaling). In alternativa, le informazioni di controllo possono essere trasferite tramite un canale di controllo separato, ed in questo caso avremo una segnalazione fuori linea o offline signaling. La scelta del modo in cui trasferire le informazioni di controllo è lasciata al protocollo utilizzato.

I protocolli del livello fisico variano a seconda del tipo di supporto utilizzato e del tipo di segnale trasportato su di esso. Il segnale può essere una tensione elettrica trasportata su un cavo, un segnale luminoso trasportato attraverso un collegamento in fibra ottica o anche un segnale elettromagnetico trasportato nell’aria, nel caso delle reti wifi.

Le funzioni principali del livello fisico sono le seguenti:

• Attivazione e disattivazione della connessione fisica. L’attivazione e la disattivazione della connessione fisica viene effettuata su richiesta del livello Data-Link.
• Trasmissione PDU. Come abbiamo accennato prima, a livello fisico il PDU è un bit, quindi la trasmissione di bit dal mittente al destinatario è una funzione di livello fisico.
• Multiplexing e demultiplexing (se necessario). Ci sono molti casi in cui due o più connessioni devono condividere lo stesso canale fisico. In questo caso, il multiplex di queste connessioni nel canale è richiesto dal mittente, mentre il demultiplexing è richiesto dal destinatario. Questa funzione viene solitamente eseguita tramite un circuito dati specializzato, ed è opzionale nello standard OSI.
• Sequenziamento. Il livello fisico deve assicurarsi che i bit trasmessi arrivino nella stessa sequenza in cui sono stati inviati dal livello Data-Link, pena la compromissione del messaggio stesso.
• Gestione del livello fisico. Alcuni aspetti della gestione dei livelli sono lasciati al protocollo e al mezzo utilizzato, come ad esempio il rilevamento degli errori. Queste funzioni di gestione dipendono dal particolare protocollo e dallo specifico mezzo fisico. Ad esempio, il segnale elettrico trasmesso tramite il filo metallico necessita di una gestione diversa dal segnale ottico trasmesso tramite un cavo in fibra.

Trasmissione numerica
La trasmissione digitale (o trasmissione numerica) indica quel tipo di trasmissione nella quale i dati sono rappresentati in forma digitale, ovvero codificati in una sequenza di bit. Il segnale digitale, quindi, varia tra un insieme limitato di valori discreti. L’inverso è la trasmissione analogica, nella quale il segnale assume un qualsiasi valore continuo in un determinato intervallo.

La trasmissione digitale è possibile a partire da sorgenti analogiche, previa conversione, oppure direttamente a partire da un segnale digitale.

Modalità di codifica
La modalità di codifica dei bit può essere elettrica (variando la tensione del segnale), ottica (variando l’intensità luminosa) o elettromagnetica.

La trasmissione ha bisogno di un mezzo, ovvero di un supporto attraverso il quale il segnale digitale possa fisicamente propagarsi, come ad esempio un cavo in rame, una cavo in fibra ottica oppure, nel caso del Wi-Fi, anche l’aria.

La trasmissione può essere parallela, ovvero trasmettendo più bit alla volta, tramite l’uso di più mezzi di trasporto con relativi trasmettitori e ricevitori, oppure può essere seriale, ovvero si usa un unico mezzo trasmissivo e il segnale viene inviato un bit alla volta.

La trasmissione seriale a sua volta può anche essere sincrona oppure asincrona.

Nella trasmissione sincrona i bit da inviare sono raggruppati in messaggi (frame). Ogni frame viene fatto precedere da ulteriori caratteri che contengono informazioni sulla sincronizzazione, in modo che il ricevente si possa sincronizzare sulla velocità di invio del mittente.

Nella trasmissione asincrona ogni bit viene trasmesso singolarmente e viene preceduto e seguito da degli specifici segnali che indicano l’inizio e la fine del carattere. Tali segnali sono detti appunto Start e Stop. La trasmissione asincrona è quindi chiamata anche come trasmissione start-stop. Con tale metodo ogni carattere è indipendente dagli altri e l’intervallo di tempo tra l’invio di due caratteri è imprecisato.

La trasmissione sincrona è più veloce perché i tempi morti di trasmissione vengono ridotti, ma un errore anche in un singolo bit può danneggiare l’intero messaggio inviato.

Spettro del segnale
Si definisce spettro del segnale la sua rappresentazione nel dominio della frequenza.

Interazione con il canale

Bandwidth
La principale grandezza è la bandwidth, ovvero l’ampiezza di banda. Indica l’intervallo di frequenze che possono propagarsi attraverso il canale, ovvero la misura dell’ampiezza della banda dello spettro. Dipende dalle proprietà fisiche del canale e tende a ridursi al crescere della sua lunghezza. La sua importanza deriva dal fatto che la sua ampiezza è strettamente legata alla velocità di trasmissione: la quantità di informazioni trasmissibile sul canale è infatti strettamente collegata all’intervallo di frequenze utilizzato nella trasmissione in base al teorema del campionamento di Nyquist-Shannon. Si misura in Hertz (ovvero in numero di impulsi al secondo).

Bitrate
Il bitrate indica la velocità di trasmissione o velocità di trasferimento dati: indica quindi la quantità di dati digitali che è possibile trasmettere attraverso una connessione su un canale di comunicazione in un dato intervallo di tempo. Si misura in bit/s. Il bitrate dipende dal mezzo trasmissivo e dalle sue condizioni fisiche (ad esempio interferenza).

La bandwidth indica l’intervallo di frequenza in cui il canale trasmette, mentre il bitrate indica il numero di bit che possono essere trasferiti al secondo.

In particolare, la velocità massima di trasmissione è detta anche capacità di trasmissione della linea, ovvero capacità del canale, mentre la quantità di informazione trasportata in un certo momento su un canale, minore o uguale alla capacità, è detta portata del canale (throughput) e dipende esclusivamente da quanta informazione è immessa sul canale nella trasmissione. In altre parole, mentre il throughput è deciso dal mittente, cioè è una specifica di trasmissione, la velocità massima sul canale è invece una costante della linea.