Livello fisico: bit, segnali e mezzi trasmissivi

Il livello fisico è il livello più basso della pila di rete. Si occupa della trasmissione dei bit attraverso un mezzo fisico, per esempio un cavo di rame, una fibra ottica o lo spazio attraversato da onde radio (International Organization for Standardization [ISO], 1994; Institute of Electrical and Electronics Engineers [IEEE], 2022).

A questo livello i dati non vengono più considerati come pacchetti o frame, ma come sequenze di bit da rappresentare tramite segnali fisici. Il compito del livello fisico è quindi trasformare gli 0 e gli 1 in segnali che possano viaggiare sul mezzo trasmissivo e poi essere interpretati correttamente dal destinatario (ISO, 1994; IEEE, 2022).

I mezzi trasmissivi utilizzati per la realizzazione di un canale in una rete vengono solitamente suddivisi in tre categorie, a seconda del fenomeno fisico utilizzato per trasmettere i bit:

Il livello fisico deve codificare i dati in modo che possano essere trasportati dal mezzo di trasmissione (IEEE, 2022, 2025). 
Il metodo di codifica dipende dalle caratteristiche del mezzo di trasmissione usato: per esempio, per trasmettere informazioni su un filo di rame si modula una variabile fisica come la tensione o la corrente (IEEE, 2022). 
Per questo deve esistere un dispositivo di rete che converta i bit in segnali adatti al mezzo utilizzato. Questa conversione può essere svolta da componenti diversi, come una scheda di rete Ethernet, un modulo Wi-Fi, un modem o un convertitore ottico (IEEE, 2022, 2025; ITU, 2024a).
Il segnale trasmesso sul mezzo può essere di due tipi:

Il tipo di segnale dipende dal mezzo e dalla tecnologia: alcune codifiche trasmettono i bit come segnale digitale, cioè con livelli distinti di tensione o di luce; in altri casi, come il modem su linea telefonica, i bit vengono convertiti in un segnale analogico (è proprio da questa operazione di modulazione e demodulazione che il modem prende il nome) (ITU, 1993; IEEE, 2022).

La fibra ottica è una tecnologia di trasmissione dati che utilizza impulsi di luce per inviare informazioni attraverso un cavo composto da filamenti di vetro o plastica (ITU, 2024a).
È uno dei mezzi di trasmissione più importanti e performanti nelle reti moderne, grazie alla sua alta velocità, alla grande capacità di trasportare dati e alla resistenza alle interferenze elettromagnetiche (ITU, 2024a; IEEE, 2022).
In modo semplificato, possiamo immaginare che i dati digitali vengano rappresentati così:

Nelle tecnologie reali, però, i sistemi di codifica e modulazione della luce possono essere più complessi (IEEE, 2022).

Poiché il filamento ottico è molto sottile e delicato, il cavo in fibra ottica è formato da diversi strati di protezione; in particolare, la sua struttura è questa (International Electrotechnical Commission [IEC], 2023):

Ma come funziona?
Una fibra ottica è un filamento sottilissimo (più sottile di un capello umano) in grado di guidare la luce al suo interno grazie a un principio fisico chiamato riflessione totale interna (Ling et al., 2016; ITU, 2024b).
La riflessione totale interna fa sì che, quando un raggio di luce colpisce l’interfaccia tra core e cladding con un angolo sufficiente, non esca, ma venga completamente riflesso (Ling et al., 2016).

La riflessione totale interna funziona perché il core e il cladding hanno indici di rifrazione diversi (Ling et al., 2016; ITU, 2024b). 
L’indice di rifrazione indica quanto la luce rallenta quando attraversa un materiale: più l’indice è alto, più la luce viene rallentata (Ling et al., 2016).
Nella fibra ottica, il core ha un indice di rifrazione maggiore del cladding (Ling et al., 2016; ITU, 2024b).
Quando la luce viaggia nel core e raggiunge il confine con il cladding, tende a cambiare direzione. 
Poiché sta passando da un materiale con indice maggiore a uno con indice minore, la luce viene deviata allontanandosi dalla perpendicolare al confine tra i due materiali (Ling et al., 2016).
Se l’angolo con cui la luce colpisce il confine è abbastanza grande, la luce dovrebbe uscire nel cladding con una direzione quasi parallela al confine. Superato un certo angolo, chiamato angolo critico, non esiste più una direzione possibile con cui la luce possa propagarsi nel cladding. Per questo motivo la luce non esce dal core, ma viene riflessa completamente al suo interno (Ling et al., 2016).completamente al suo interno.

In questo modo gli impulsi luminosi rimangono guidati dentro la fibra e possono percorrere lunghe distanze (Ling et al., 2016).

Questo effetto guida la luce lungo tutta la fibra, anche su lunghissime distanze (Ling et al., 2016).
Come metafora, possiamo immaginare la fibra come un tunnel di specchi: la luce viene guidata lungo il percorso e riesce a raggiungere l’altra estremità della fibra.