Tầng Vật Lý (Physical Layer) - Mạng máy tính
OSI Layer 1 biến bit thành tín hiệu điện, ánh sáng, sóng radio ra sao: encoding NRZ/PAM4, cáp đồng UTP, sợi quang SMF/MMF, Wi-Fi 7 và cáp quang biển Việt Nam.
Tầng Vật Lý - Nền tảng truyền thông
Vai trò của tầng Physical trong OSI
Tầng Physical (Layer 1) là tầng đầu tiên trong mô hình OSI. Nó nhận frame từ Data Link, chuyển đổi thành chuỗi bit, rồi mã hóa thành tín hiệu vật lý (điện, quang, hoặc sóng radio) để truyền qua media.
Đây là bước cuối cùng của quá trình encapsulation - mỗi tầng trên thêm header riêng, còn Physical không thêm header mà chỉ chuyển đổi định dạng.
Bản đồ: tầng Physical nằm ở đâu trong mô hình OSI
Mô hình OSI chia truyền thông mạng thành 7 tầng xếp chồng. Tầng Physical là tầng thấp nhất, đáy của ngăn xếp. Click vào một tầng để xem nó làm gì và đơn vị dữ liệu (PDU) tại tầng đó.
NIC (Network Interface Card) đảm nhiệm vai trò trung tâm: chuyển đổi song song → nối tiếp, điều chế tín hiệu, mã hóa dữ liệu, phát hiện va chạm (CSMA/CD).
Quá trình Encapsulation - Dữ liệu đi qua các tầng
Mỗi tầng thêm một header. Physical không thêm header mà chuyển bit thành tín hiệu vật lý. Click chuột để xem lại.
Ba nhóm chức năng cốt lõi
Physical Components
Định nghĩa phần cứng: cáp, connector, pinout, NIC, transceiver. Quy định kích thước, điện áp, công suất.
Encoding
Quy tắc chuyển bit thành tín hiệu. Đảm bảo đồng bộ clock, cân bằng DC, phát hiện lỗi.
Signaling
Phương thức biểu diễn tín hiệu: điện áp, ánh sáng, sóng radio. Định nghĩa mức tín hiệu, tốc độ.
Bandwidth, Latency, Throughput, Goodput
Bandwidth
Khả năng tối đa của kênh truyền (bps). Giống đường kính ống nước.
Latency
Độ trễ từ nguồn đến đích: propagation + transmission + processing + queuing.
Throughput
Tốc độ thực tế, luôn ≤ Bandwidth do nhiễu, overhead, xung đột.
Goodput
Goodput = Throughput − Overhead (header, trailer, retrans). Dữ liệu "sạch" đến ứng dụng.
Bandwidth, Throughput, Goodput khác nhau ra sao
Ba khái niệm này hay bị gộp làm một. Kéo hai thanh trượt để thấy dữ liệu thật sự đến được ứng dụng luôn ít hơn băng thông lý thuyết.
Encoding và Signaling
Vì sao cần Encoding?
- Đồng bộ hóa clock - receiver biết ranh giới giữa các bit
- Tránh dãy bit dài giống nhau - ngăn DC wander (mất đồng bộ khi dài dãy 0 hoặc 1)
- Phát hiện lỗi - một số kỹ thuật cho phép phát hiện lỗi truyền
- Tăng hiệu quả băng thông - truyền nhiều dữ liệu hơn trên cùng tần số
So sánh dạng sóng - NRZ vs Manchester vs PAM4
NRZ: 2 mức (1 bit/symbol). Manchester: transition giữa bit (tự đồng bộ). PAM4: 4 mức (2 bit/symbol, tốc độ gấp đôi).
Các kỹ thuật Encoding
| Kỹ thuật | Cách hoạt động | Tốc độ | Ứng dụng |
|---|---|---|---|
| Manchester | Transition giữa bit: 1=low→high, 0=high→low | 10 Mbps | Ethernet 10M |
| 4B/5B | 4 bit → 5 bit code, đảm bảo đủ transition | 100 Mbps | Fast Ethernet |
| 8B/10B | 8 bit → 10 bit, DC balance, phát hiện lỗi | 1 Gbps+ | Gigabit Ethernet, PCIe |
| PAM4 | 4 mức tín hiệu = 2 bit/symbol | 50–800 Gbps | 400G/800G Ethernet |
Manchester - Tự đồng bộ clock cho Ethernet 10M
Cách mã hóa đơn giản nhất là NRZ-L: bit 1 cho mức điện áp cao, bit 0 cho mức thấp, giữ nguyên mức đó suốt một chu kỳ bit. Vấn đề nằm ở chữ "giữ nguyên". Khi một dãy bit giống nhau đi qua, tín hiệu chỉ là một đường thẳng phẳng lì, không có một điểm mốc nào. Đầu thu chạy bằng dao động clock của riêng nó, mà mọi dao động đều trôi ít nhiều theo thời gian. Sau một đoạn phẳng đủ dài, đầu thu không còn chắc nó vừa đọc qua 8 bit hay 9 bit. Thông tin về ranh giới giữa các bit đã biến mất.
Manchester, kiểu mã hóa của chuẩn 10BASE-T Ethernet đời đầu, giải quyết bằng cách không cho tín hiệu phẳng quá nửa chu kỳ. Mỗi bit bắt buộc có một transition ngay chính giữa chu kỳ của nó. Giá trị bit không nằm ở mức cao hay thấp, mà ở hướng của transition đó: theo quy ước IEEE 802.3, đổi từ thấp lên cao là 1, đổi từ cao xuống thấp là 0. Vì transition xuất hiện ở mọi bit không trừ bit nào, đầu thu rút được clock ra ngay từ chính tín hiệu dữ liệu, không cần một sợi dây clock riêng. Đó là ý nghĩa của self-clocking. Thêm một lợi ích: mỗi bit dành đúng một nửa thời gian ở mức cao và một nửa ở mức thấp, nên điện áp trung bình luôn nằm ở giữa, DC balance hoàn hảo.
Thử mã hóa Manchester
Click vào từng bit để đổi 0/1, hoặc chọn một chuỗi mẫu. So sánh đường NRZ-L (trên) với đường Manchester (dưới).
Cái giá của Manchester khá đắt. Tín hiệu có thể đổi mức tới hai lần trong một chu kỳ bit, nên tốc độ signaling gấp đôi tốc độ dữ liệu. 10BASE-T truyền 10 Mbps dữ liệu nhưng chiếm tới 20 Mbaud trên dây. Mức overhead 100% đó chính là lý do Fast Ethernet 100 Mbps phải bỏ Manchester: nhân đôi signaling lên 200 MHz trên cáp đồng là không thực tế. Kẻ thay thế, 4B/5B, vẫn giữ đủ transition để khôi phục clock nhưng chỉ tốn 25% overhead. Và 8B/10B ngay dưới đây là bước tinh chỉnh tiếp theo của cùng ý tưởng đó.
8B/10B - Mã hóa cân bằng cho Gigabit Ethernet
4B/5B đủ dùng cho Fast Ethernet 100 Mbps, nhưng lên 1 Gbps thì nó lộ điểm yếu: nó không bảo đảm cân bằng DC. Khi chuỗi bit phát đi có số bit 1 trội hơn số bit 0 trong thời gian dài, mức điện áp trung bình của tín hiệu trôi dần - hiện tượng DC wander. Tín hiệu tốc độ cao thường đi qua biến áp ghép hoặc tụ ghép (AC coupling), và các linh kiện này chặn thành phần một chiều; nếu tín hiệu lệch DC, đầu thu sẽ đọc sai mức.
8B/10B, do Al Widmer và Peter Franaszek tại IBM công bố năm 1983, xử lý việc này bằng cách ánh xạ mỗi byte 8 bit thành một symbol 10 bit. Byte được tách hai phần: 5 bit thấp tra bảng 5B/6B ra 6 bit, 3 bit cao tra bảng 3B/4B ra 4 bit. Cộng lại: 8 bit vào, 10 bit ra.
Mấu chốt là Running Disparity (RD), một biến trạng thái chỉ nhận hai giá trị −1 hoặc +1, ghi nhớ từ đầu đến giờ encoder đã phát dư bit 1 hay dư bit 0. Phần lớn symbol có hai biến thể: một biến thể nhiều bit 1, một biến thể nhiều bit 0. Encoder luôn chọn biến thể kéo cán cân về phía ngược lại, nhờ vậy tổng số 0 và 1 trên đường truyền không bao giờ lệch xa. Đó là lý do cùng một byte có thể ra hai symbol khác nhau tùy thời điểm phát.
Thử mã hóa 8B/10B
Kéo thanh trượt để đổi byte đầu vào, bấm RD để đảo running disparity, xem encoder chọn biến thể nào.
Cái giá phải trả là 25% overhead: phải truyền 10 bit để mang 8 bit dữ liệu. Vì thế Gigabit Ethernet chạy ở 1.25 Gbaud trên dây mới đạt 1 Gbps dữ liệu thật. Đổi lại, 8B/10B cho ba thứ cùng lúc: không bao giờ có quá 5 bit giống nhau liên tiếp nên clock recovery luôn ổn định, cân bằng DC dài hạn, và một tập mã thừa dùng làm control symbol (các K-code, ví dụ comma K28.5 để đầu thu căn biên symbol). Nhiều lỗi 1 bit cũng bị bắt ngay vì chúng tạo ra tổ hợp 10-bit không hợp lệ hoặc vi phạm disparity.
Một thời 8B/10B có mặt khắp nơi: Gigabit Ethernet, PCIe gen 1 và 2, SATA, USB 3.0, DisplayPort, Fibre Channel. Khi tốc độ tiếp tục tăng, 25% overhead trở nên quá đắt; PCIe gen 3 trở đi chuyển sang 128B/130B, overhead chỉ còn khoảng 1.5%, đổi lại cơ chế cân bằng phức tạp hơn khi dùng scrambler thay cho bảng tra.
NRZ vs PAM4
| Tiêu chí | NRZ | PAM4 |
|---|---|---|
| Mức tín hiệu | 2 mức (0V, V) | 4 mức (0, V/3, 2V/3, V) |
| Bits/symbol | 1 | 2 |
| Tốc độ | ≤25 Gbps | 50–800 Gbps |
| Băng thông cần | Cao | Nửa so với NRZ |
| Nhạy nhiễu | Thấp | Cao (do 4 mức gần nhau) |
Signaling - Tín hiệu trên 3 loại media
Tín hiệu truyền trên Copper vs Fiber vs Wireless
Electron chạy trên dây đồng. Photon phản xạ trong sợi quang. Sóng radio lan tỏa từ antenna.
Điện (Copper)
Điện áp/dòng điện biểu diễn bit. Bị ảnh hưởng bởi EMI, RFI, crosstalk.
Ánh sáng (Fiber)
Laser/LED phát xung ánh sáng. 850nm (MMF), 1310/1550nm (SMF). Miễn nhiễm EMI.
Sóng radio (Wireless)
Sóng điện từ 2.4/5/6 GHz. ASK, FSK, PSK, QAM để mã hóa dữ liệu.
So sánh 3 phương thức
| Tiêu chí | Copper | Fiber | Wireless |
|---|---|---|---|
| Tốc độ max | 10 Gbps | 800 Gbps+ | 46 Gbps (Wi-Fi 7) |
| Khoảng cách | 100m | Hàng trăm km | Vài trăm m |
| Miễn nhiễm EMI | Không | Hoàn toàn | Không |
| Chi phí | Thấp | Cao | Trung bình |
Cáp Đồng (Copper Cabling)
Hạn chế của cáp đồng
Attenuation
Tín hiệu suy yếu theo khoảng cách. Giải pháp: switch/repeater cách ≤100m.
EMI
Nhiễu điện từ từ động cơ, máy biến áp. Giải pháp: dùng STP hoặc tránh nguồn nhiễu.
RFI
Nhiễu từ sóng radio, TV. Giải pháp: bảo vệ kim loại.
Crosstalk
Tín hiệu "rò" từ cặp dây này sang cặp khác. Giải pháp: xoắn cặp dây.
Vì sao cáp đồng giới hạn ở 100m
Tín hiệu điện yếu dần khi truyền đi xa, gọi là attenuation. Kéo thanh trượt để xem biên độ tín hiệu giảm theo chiều dài cáp, và vì sao chuẩn UTP dừng lại ở mốc 100m.
So sánh UTP, STP, Coaxial
| Tiêu chí | UTP | STP | Coaxial |
|---|---|---|---|
| Cấu trúc | 4 cặp xoắn, không shield | 4 cặp xoắn, có shield | 1 lõi, lưới đồng bao |
| Ưu điểm | Rẻ, dễ lắp | Chống nhiễu tốt | Băng thông cao |
| Nhược điểm | Nhạy cảm nhiễu | Đắt, khó lắp | Cồng kềnh |
| Tốc độ max | 10 Gbps (Cat6a) | 10 Gbps (Cat7) | 1 Gbps |
| Chi phí | Thấp nhất | Cao | Trung bình |
Cáp UTP - Nguyên lý cặp xoắn
UTP gồm 4 cặp dây đồng xoắn. Nguyên lý Cancellation: hai dây trong cặp xoắn, nhiễu tác động ngược pha lên 2 dây → triệt tiêu khi cộng ở đầu nhận.
Nguyên lý Cancellation - Nhiễu bị triệt tiêu nhờ cặp xoắn
Nhiễu EMI tác động ngược pha lên 2 dây → cộng tại receiver = ~0. Tín hiệu hữu ích ngược pha → cộng được gấp đôi.
Màu dây chuẩn
| Cặp | Dây 1 | Dây 2 |
|---|---|---|
| Cặp 1 | Trắng – Xanh | Xanh |
| Cặp 2 | Trắng – Cam | Cam |
| Cặp 3 | Trắng – Xanh lá | Xanh lá |
| Cặp 4 | Trắng – Nâu | Nâu |
Category (Cat) - Tốc độ và tần số
| Category | Tốc độ | Tần số | Ứng dụng |
|---|---|---|---|
| Cat 3 | 10 Mbps | 16 MHz | Legacy |
| Cat 5 | 100 Mbps | 100 MHz | Fast Ethernet |
| Cat 5e | 1 Gbps | 100 MHz | Gigabit Ethernet (phổ biến) |
| Cat 6 | 1–10 Gbps | 250 MHz | 10GBase-T (55m) |
| Cat 6a | 10 Gbps | 500 MHz | 10GBase-T (100m) |
| Cat 7 | 10 Gbps | 600 MHz | Shielded 10G |
| Cat 8 | 25–40 Gbps | 2000 MHz | Data Center (30m) |
Chuẩn TIA/EIA-568 - T568A và T568B
Hai đầu cùng chuẩn = Straight-through (PC ↔ Switch). Hai đầu khác chuẩn = Crossover (PC ↔ PC).
T568A
T568B
Cáp thẳng và cáp chéo: thử ghép hai đầu
Một sợi cáp mạng có 8 dây. Mỗi đầu được bấm theo chuẩn T568A hoặc T568B. Đổi chuẩn ở từng đầu để xem dây nối pin nào với pin nào, và khi nào ra cáp thẳng, khi nào ra cáp chéo.
Mẹo bấm cáp và kiểm tra
Lỗi thường gặp: Dây không đều đầu, vỏ cáp không vào RJ-45, thứ tự dây sai, độ xoắn mở >13mm, bấm không chặt. Luôn dùng cable tester kiểm tra.
Cáp Quang (Fiber Optics)
Nguyên lý phản xạ toàn phần
Cáp quang truyền dữ liệu bằng xung ánh sáng qua sợi thủy tinh silic (SiO2). Nguyên lý cốt lõi là Total Internal Reflection: khi ánh sáng đi vào sợi ở góc lớn hơn góc tới hạn θc, nó phản xạ liên tục bên trong lõi và truyền đi xa với suy hao rất thấp.
Photon phản xạ toàn phần trong sợi quang
Vàng = photon trong core. Xanh nhạt = cladding. Khi θ > θc, photon không thoát ra ngoài mà phản xạ liên tục.
Cấu trúc sợi quang
Core (Lõi)
8–10μm (SMF) hoặc 50–62.5μm (MMF). Nơi ánh sáng truyền, chiết suất cao.
Cladding
Bao quanh core, chiết suất thấp hơn. Tạo phản xạ toàn phần.
Buffer + Jacket
Bảo vệ cơ học chống ẩm, va đập.
LED vs Laser
| LED | Laser | |
|---|---|---|
| Giá | Rẻ | Đắt |
| Khoảng cách | Ngắn (<2km) | Xa (>10km) |
| Bước sóng | 850nm (MMF) | 1310/1550nm (SMF) |
Single-Mode vs Multimode Fiber
| Tiêu chí | SMF | MMF |
|---|---|---|
| Core | 8–10 μm | 50–62.5 μm |
| Mode ánh sáng | 1 mode | Nhiều mode |
| Nguồn sáng | Laser | LED / Laser |
| Khoảng cách | Hàng chục km | <2 km |
| Dispersion | Rất thấp | Cao (modal) |
| Màu vỏ | Vàng | Cam / Aqua |
| Ứng dụng | WAN, Long-haul | LAN, Data Center |
Fiber vs Copper
| Tiêu chí | Fiber | Copper |
|---|---|---|
| Tốc độ | 10G – 800G+ | 1G – 10G |
| Khoảng cách | Hàng trăm km | ≤100m |
| Miễn nhiễm EMI | Hoàn toàn | Không |
| Trọng lượng | Nhẹ, nhỏ | Nặng |
| Bảo mật | Cao (không thể tap) | Dễ bị nghe lén |
| Tuổi thọ | 30–50 năm | 10–15 năm |
| Chi phí | Cao hơn | Thấp hơn |
Ứng dụng và đầu nối
Data Center
10G/25G/40G/100G, xu hướng 400G/800G
FTTH
GPON 2.5G/1.25G, XGS-PON 10G symmetric
Submarine
Cáp xuyên biển, hàng chục Tbps
Đầu nối: ST (legacy) → SC (push-pull) → LC (phổ biến nhất, SFP/SFP+) → MTP/MPO (multi-fiber, high-density)
Wireless và WLAN
Hạn chế của truyền không dây
Vùng phủ hạn chế
Phụ thuộc công suất phát, vật cản, can nhiễu.
Nhiễu
Multipath (sóng phản xạ), interference từ thiết bị khác.
Bảo mật kém
Sóng lan tỏa, dễ bị sniffing nếu không mã hóa.
Shared Medium
Nhiều thiết bị chia sẻ kênh → collision, giảm hiệu suất.
Half-duplex
Không phát và nhận đồng thờ (trừ Wi-Fi 7 MLO).
Các chuẩn không dây
| Chuẩn | Tần số | Tốc độ | Đặc điểm |
|---|---|---|---|
| 802.11b/g/n (Wi-Fi 4) | 2.4 GHz | 600 Mbps | Phổ biến rộng |
| 802.11ac (Wi-Fi 5) | 5 GHz | 6.93 Gbps | MU-MIMO |
| 802.11ax (Wi-Fi 6) | 2.4/5/6 GHz | 9.6 Gbps | OFDMA, BSS Coloring |
| 802.11be (Wi-Fi 7) | 2.4/5/6 GHz | 46 Gbps | 320MHz, MLO, 4096-QAM |
WLAN - Kiến trúc và bảo mật
Thành phần: AP (trạm phát), Wireless NIC (card mạng), SSID (tên mạng), BSSID (MAC của AP).
Tiến hóa bảo mật Wi-Fi
Đã bị bẻ
TKIP
AES-CCMP
SAE
WPA2 (AES-CCMP) là chuẩn phổ biến hiện nay. WPA3 dùng SAE, mã hóa từng session riêng biệt. Enterprise (802.1X + RADIUS) xác thực từng user.
Multi-Gigabit Ethernet
Các chuẩn 2.5GBASE-T, 5GBASE-T, 10GBASE-T cho phép nâng tốc độ mà không cần thay cáp mới:
- 2.5GBASE-T: Cat5e, 100m
- 5GBASE-T: Cat6, 100m
- 10GBASE-T: Cat6a, 100m
Ứng dụng thực tế Việt Nam
Data Center chuyển từ đồng sang quang
Tốc độ
Copper: 10G. Fiber: 100–800G.
Khoảng cách
Copper: 100m. Fiber: hàng km.
Không gian
Fiber nhẹ gọn hơn nhiều.
Nhiệt
Fiber không sinh nhiệt.
EMI
Fiber miễn nhiễm hoàn toàn.
Xu hướng: Hybrid - quang cho backbone, đồng cho edge/access và PoE.
Hệ thống cáp quang biển kết nối Việt Nam
| Tuyến cáp | Dung lượng | Lộ trình | Năm |
|---|---|---|---|
| AAG | 20 Tbps | VN → Singapore → Mỹ | 2009 |
| APG | 54 Tbps | VN → Singapore → Nhật | 2016 |
| ADC | 140+ Tbps | Kết nối châu Á | 2023 |
| SJC2 | 144 Tbps | ĐNÁ → Nhật | 2021 |
FTTH tại Việt Nam - GPON / XGS-PON
Việt Nam có tỷ lệ FTTH cao nhất Đông Nam Á (>70% hộ gia đình).
| GPON | XGS-PON | |
|---|---|---|
| Downstream | 2.5 Gbps | 10 Gbps |
| Upstream | 1.25 Gbps | 10 Gbps |
| Triển khai | Hiện tại | 2024–2025 |
Viettel
Mạng lưới rộng nhất, đầu tư XGS-PON sớm.
FPT Telecom
Tiên phong FTTH từ 2010.
VNPT
Hạ tầng truyền thống mạnh.
Tóm tắt và câu hỏi ôn tập
Nội dung chính
- Physical Layer là nền tảng: chuyển bit thành tín hiệu vật lý, bước cuối encapsulation
- Encoding (Manchester, 4B/5B, 8B/10B, PAM4) đảm bảo truyền chính xác
- 3 loại signaling: điện (copper), quang (fiber), sóng (wireless)
- Copper: rẻ, dễ, nhưng bị nhiễu, giới hạn 100m
- Fiber: tốc độ cao (800G+), không nhiễu, nhưng đắt và khó lắp
- Wireless: linh hoạt nhưng hạn chế băng thông và bảo mật
Các tầng khác trong mô hình OSI
Tầng Physical là tầng 1, nằm dưới cùng của mô hình OSI. Các tầng phía trên đều đã có bài riêng trên blog:
- Tầng 2 - Data Link: ARP poisoning nhìn từ tầng Data Link, và tấn công MAC flooding
- Tầng 3 - Network: đặc điểm tầng Network và giao thức IP
- Tầng 4 - Transport: TCP và UDP, cuộc chiến giữa độ tin cậy và tốc độ
- Tầng 7 - Application: tầng Application, nơi con người gặp máy móc
Nếu bạn mới bắt đầu với mạng máy tính, đọc bài giới thiệu về mạng máy tính trước khi đi sâu vào từng tầng.