Физический уровень

2012 год. Компания Knight Capital Group запустила новый алгоритм и через 45 минут потеряла 440 млн долларов. Причина - задержка в 8 миллисекунд между серверами. Физический уровень сети убил компанию быстрее, чем успел сработать kill-switch.

• **HFT-трейдинг**: Virtu Financial прокладывает прямые оптические линии между биржами - каждый микросекунд задержки стоит миллионы
• **Дата-центры**: Cat8 между серверными стойками на 30 м против одномодовой оптики между зданиями - критическое архитектурное решение
• **5G и промышленность**: latency 1-5 мс открывает управление роботами и хирургию по сети - это невозможно на 4G с 50 мс

Клод Шеннон и предел канала

В 1948 году Шеннон опубликовал в Bell System Technical Journal математическое доказательство существования предела скорости передачи информации по любому физическому каналу. Формула C = B log2(1 + S/N) - не эмпирика, а теорема. Инженеры Bell Labs пытались обойти этот предел 20 лет и провалились. Сегодня 5G-стандарты проектируются так, чтобы подобраться к шенноновскому пределу как можно ближе - 256-QAM при 27 дБ SNR даёт 8 бит/символ, что составляет 99% от теоретического максимума.

Предварительные знания

• OSI Model: 7 Layers

Медные кабели: витая пара

**Витая пара** (twisted pair) - основа локальных сетей планеты. 8 медных проводников, скрученных попарно, в одной оболочке. Именно этот кабель соединяет 90% корпоративных сетей мира.

Почему скручены? Скрутка защищает от электромагнитных помех: наводки действуют на оба провода пары одинаково и взаимно компенсируются на приёмнике. Чем больше витков на метр - тем лучше защита от шума.

**UTP vs STP**: UTP (Unshielded) - без экрана, дешевле, 90% сетей. STP (Shielded) - с экраном из фольги, для промышленных помещений с сильными помехами.

Ограничение в 100 метров - физическое: сигнал затухает. Для больших расстояний нужны повторители (репитеры) или переход на оптику. Google и Facebook строят дата-центры так, чтобы серверная стойка никогда не была дальше 30 метров от ToR-коммутатора.

Оптоволокно: свет вместо электричества

**Оптоволокно** передаёт данные световыми импульсами по стеклянному или пластиковому волокну. Свет не подвержен электромагнитным помехам, не создаёт наводок и может идти на десятки километров без усилителей. Один волоконный кабель - 100 Тбит/с в реальных трансатлантических системах 2023 года.

Трансатлантические кабели - оптоволокно на дне океана. Сигнал усиливается каждые 50-100 км специальными усилителями (EDFA). Один кабель может нести петабиты в секунду.

Разъёмы оптики: **LC** (маленький, в серверах), **SC** (квадратный, в телекоме), **ST** (с байонетом, устаревший). При подключении важна чистота - пылинка на торце блокирует сигнал. Это не метафора: инженеры носят специальные чистящие ручки.

Беспроводная передача: Wi-Fi и не только

**Беспроводная связь** использует электромагнитные волны для передачи данных через воздух. Wi-Fi, Bluetooth, 4G/5G, спутниковый интернет - всё это разные диапазоны частот и протоколы. Каждый диапазон - компромисс между скоростью, дальностью и проникающей способностью.

**Каналы Wi-Fi**: 2.4 ГГц имеет 14 каналов (3 не пересекаются: 1, 6, 11). 5 ГГц - больше каналов, меньше помех от соседей. 6 ГГц (Wi-Fi 6E) - чистый диапазон, пока мало устройств.

Беспроводная среда - **разделяемая**: все устройства в зоне действия «слышат» друг друга. Это создаёт проблемы с коллизиями и безопасностью - поэтому нужно шифрование (WPA3).

**Полудуплекс**: Wi-Fi не может одновременно передавать и принимать на одной частоте. В отличие от проводного Ethernet, работающего в полном дуплексе. Это фундаментальное физическое ограничение - собственный сигнал заглушает входящий.

Кодирование сигнала: как передать биты

Биты (0 и 1) нужно как-то представить в физической среде. **Кодирование** определяет, как именно: уровнем напряжения, переходом сигнала, фазой волны или комбинацией этих методов. Выбор схемы кодирования определяет скорость и надёжность канала.

Поэтому используют более сложные схемы. **Manchester** кодирует переходом в середине бита: вверх = 0, вниз = 1. **4B/5B** заменяет 4 бита на 5, исключая «плохие» комбинации без переходов.

**PAM-4** (Pulse Amplitude Modulation 4-level) - 4 уровня сигнала, передаёт 2 бита за такт. Используется в 400G Ethernet. Требует качественный кабель и приёмники с хорошим SNR.

Пропускная способность и задержка

Два ключевых параметра сети: **пропускная способность** (bandwidth) - сколько бит в секунду можно передать, и **задержка** (latency) - сколько времени занимает путь пакета. Их часто путают - это фундаментальная ошибка при проектировании систем.

**Закон Шеннона**: максимальная скорость канала = B x log2(1 + S/N), где B - полоса частот, S/N - отношение сигнал/шум. Физический предел, который нельзя преодолеть никакими протоколами.

Задержка складывается из: **propagation delay** (скорость света в среде), **transmission delay** (время отправки битов), **processing delay** (обработка на маршрутизаторах), **queuing delay** (ожидание в очереди). Первый компонент нельзя победить - его задаёт физика.

Ключевые идеи

• **Витая пара** (UTP/STP) - основа локальных сетей, до 100 м, категории Cat5e-Cat8
• **Оптоволокно** - свет по стеклу, до 100+ км, одномодовое (дальше) и многомодовое (дешевле)
• **Беспроводная связь** - полудуплекс, разделяемая среда, нужно шифрование
• **Bandwidth vs Latency** - для больших файлов важна скорость, для интерактивных приложений - задержка
• **Закон Шеннона** - физический предел скорости канала, теорема с доказательством

Что дальше

Физический уровень передаёт биты. Но как устройства понимают, кому предназначены данные?

• Канальный уровень — MAC-адреса и Ethernet - адресация в локальной сети
• Коммутаторы — Устройства, которые соединяют всё вместе

Вопросы для размышления

• Почему в дата-центрах между стойками обычно используют оптоволокно, а не витую пару?
• Геостационарные спутники находятся на высоте 36 000 км. Посчитайте минимальную задержку только от скорости света.
• Почему Starlink использует низкую орбиту, а не геостационарную?

Связанные уроки

• net-02-osi-overview — OSI-модель задаёт контекст физического уровня
• net-04-data-link — Физический уровень - фундамент канального
• net-67-latency-numbers — Конкретные числа latency по средам передачи
• net-15-tcp-basics — TCP живёт поверх физики - важен контраст
• arch-08-memory-hierarchy — Та же логика trade-off скорость/дальность/стоимость
• net-59-troubleshooting — Диагностика начинается с физического уровня
• bt-03-serialization