مقدمه ای بر انتقال داده ها و شبکه های کامپیوتری

مقدمهای بر انتقال دادهها و شبکههای کامپیوتری

در این فصل مفاهیم پایه و اصول اولیه شبکههای کامپیوتری و انتقال دادهها را مورد بررسی قرار میدهیم.

انتقال دادهها، شبکههای کامپیوتری و سیستمهای توزیع شده

در دنیای امروز که میتوان آن را عصر اطلاعات نامید، انتقال دادهها (Data Commonication) و شبکههای کامپیوتری (Computer Networks) که حاصل پیوند دو صنعت کامپیوتر و مخابرات است، از اهمیت ویژهای برخوردار میباشد. هدف از پیدایش شبکههای کامپیوتری، اتصال کامپیوترهای مستقل از طریق یک فناوری واحد و قوانین مشخص به منظور انتقال دادهها و اشتراک منابع است. منظور از انتقال دادهها، ارسال و دریافت دادهها به صورت پیوسته آنالوگ یا گسسته دیجیتال بر روی رسانههای مختلف انتقال مانند زوج سیم به هم تابیده، فیبر نوری، هوا و غیره میباشد.

توجه کنید که اینترنت و وب، هیچکدام یک شبکه کامپیوتری نمیباشند. اینترنت (Internet)، شبکه شبکهها است و از به هم پیوستن هزاران شبکه نامتجانس و گوناگون که هر کدام از آنها فناوری و قوانین مخصوص به خودش را دارد به وجود آمده است. اما وب گسترده جهانی (WWW. World Winde Web) نمونهای از یک سیستم توزیع شده است. یک سیستم توزیع شده، مجموعهای از چندین کامپیوتر مستقل است که از دید کاربر به صورت یک سیستم نامرئی (Transparent)، متمرکز (Centeralized) و متجانس به نظر میرسد و کاربر به جای نگرانی در مورد به خاطر سپردن آدرسها (مثلا آدرس اینترنتی IP)، هر چیز را از طریق نام آن فراخوانی مینماید (مثلا در وب همه چیز به صورت سند یا صفحه وب است و از طریق نام URL قابل دستیابی است و این نامها به صورت خودکار توسط خدمتگزارهای نام حوزه به آدرس IP تبدیل میشوند.) همچنین دقت کنید که وب، میان افزار (Middleware) است و یک لایه نرمافزاری میباشد که در یک محیط ناهمگن بر روی سیستم عاملهای متنوع مستقل قرار دارد، اما ایده سیستمهای عامل توزیع شده، وظیفه ایجاد یک تصویر متمرکز از کامپیوترهای مستقل را بر عهده سیستم عامل واحد توزیع شده میسپارد.

کاربردهای شبکه

امروزه با گسترش اینترنت و جهانی شدن وب، کاربردهای شبکههای کامپیوتری از تنوع زیادی برخوردار است که برای نمونه، چند مورد از آنها عبارتند از: جستجو و تحقیق و دسترسی به اطلاعات به روز پراکنده در دنیا، تجارت الکترونیکی، خرید، فروش و حراج کالا، آموزش از راه دور و دانشگاه مجازی، دولت الکترونیکی، درمان از راه دور، کنفرانس صوتی و تصویری از راه دور، کنترل، مدیریت و نظارت بر سیستمهای صنعتی از راه دور، پست الکترونیکی، پیامرسانی فوری، گروههای خبری، گفتگو و گپ زدن، بازی و سرگرمی تعاملی، پخش فیلمهای درخواستی، کمک به ایجاد واقعیت مجازی و دهها کاربرد دیگر.

اجزای شبکه

شبکههای انتقال داده از سه بخش عمده تشکیل میشوند:

کامپیوترهای میزبان (Host) که هدف اصلی ایجاد شبکه، اتصال کامپیوترهای میزبان به یکدیگر است.

پردازندههای واسط مانند هابها (Hub)، تکرار کنندهها (Repeater)، پلها (Bridge)، سوئیچها (Switch) و مسیریابهای (Router) میانی که وظیفه مدیریت شبکه و هدایت ارسال دادهها از مبدأ و مقصد را بر عهده دارند. مدل ریاضی شبکههای کامپیوتری یک گراف است که در آن، گرهها (Nodes) همان پردازندههای واسط هستند.

لینکهای ارتباطی (Link) که در واقع رسانههای انتقال داده هستند و با اتصال گرههای شبکه به یکدیگر انتقال دادهها را بر عهده دارند.

پردازندههای واسط و لینکهای ارتباطی زیر شبکه انتقال داده (Communication Subnet) را تشکیل میدهند.

1-1 طبقهبندی شبکهها

شبکههای کامپیوتری از نظر اندازه و گستردگی جغرافیایی به 5 دسته تقسیم میشوند:

شبکههای شخصی (PAN: Personal Area Networks) که بر روی میز کار یا فاصله چند متری یک شخص هستند. مانند ارتباط بیسیم اجزای کامپیوتر با کامپیوتر شخصی (PC) و دستیار دیجیتالی (PDA) و یا حتی کامپیوتر پوشیدنی (Wearable Computer) شخص.

شبکههای محلی (LAN: Local Area Networks) که دارای گستردگی در حد یک ساختمان یا یک کمپ کوچک میباشند.

شبکههای شهری (MAN: Metropolitan Area Networks) که دارای گستردگی در حد یک شهر میباشند.

شبکههای گسترده (WAN: Wide Area Networks) که دارای گستردگی بیش از حد یک شهر ( در حد استان، کشور یا قاره) میباشند.

شبکههای جهانی که همان شبکه شبکهها یا اینترنت است.

انواع فناوری انتقال

به طور کلی دو نوع فناوری انتقال داده وجود دارد:

نقطه به نقطه (Point to point) یا همتا به همتا (Peer to peer) یا تک پخشی (Unicast) که دادههای ارتباطی از طریق لینکها و گرههای میانی به طور مستقیم بین دو ماشین مبدأ و مقصد مبادله میشود. (مانند شبکههای تلفنی)

انتشاری (Broadcast) که به آن داده پراکن یا پخشی نیز میگویند و در آن همه ماشینها به یک کانال مشترک متصل شده و دادهها بر روی کانال انتقال داده منتشر میشود و کلیه ماشینها به دادهها روی کانال دسترسی دارند (مانند انتشار رادیویی). این ماشینها با توجه به آدرس مقصد بستهها آنها را برداشته یا دور میاندازند.

البته در بعضی از شبکههای انتشاری امکان ارسال دادهها از مبدأ به گروهی از مقصدها وجود دارد که به آن پخش گروهی یا چند پخشی (Multicast) یا (Point to Mutltipoint) گویند.

همبندی (Topology)

منظور از همبندی یا توپولوژی نحوه اتصال گرههای تشکیل دهنده گراف شبکه از طریق لینکهای ارتباطی است. ساختار و توپولوژی شبکههای کامپیوتری بر اساس ماهیت کانالهای (Channel) انتقال داده و فناوری انتقال به دو دسته اصلی (نقطه به نقطه و انتشاری) تقسیم میشود.

انواع توپولوژی Point to point

چندین نوع توپولوژی در شبکههای نقطه به نقطه مورد استفاده قرار میگیرد، مانند:

انواع توپولوژی Broadceast

چندین نوع توپولوژی در شبکههای انتشاری مورد استفاده قرار میگیرد، مانند:

2-1 روند پیشرفت شبکههای کامپیوتری

در ابتدا طراحی شبکههای کامپیوتری به صورت موردی و خاص و با معماریهای گوناگون و ناسازگار با یکدیگر انجام میشد و هر شرکت معماری و روش غیر استاندارد خودش را داشت. بنابراین قابلیت اتصال به کامپیوترهای شرکتهای دیگر وجود نداشت و به همین دلیل به آنها شبکههای بسته (Closed Networks) گفته میشد. برای مثال شکل 1 دو کامپیوتر را نشان میدهد که به طور مستقیم به یکدیگر متصل شدهاند. اینگونه شبکهها از نوع شبکههای خصوصی با وسعت یک شرکت (Enterprise Networks) بودند.

نمونه دیگر شبکههای خصوصی استفاده از خطوط تلفن استیجاری (Leased Line) است که البته گران قیمت بوده و فقط شرکتها یا سازمانهای بزرگ از آن استفاده میگردند. شکل 2 نمونهای از این شبکهها را نشان میدهد:

در مقابل شبکههای خصوصی و Enterprise شبکههای حامل عمومی (Publis Carrier) وجود ندارند که استفاده از آنها اقتصادی است و نیاز به ایجاد بستر شبکه (برای مثال سیمکشی جدید) وجود ندارد. شبکه عمومی سوئیچ تلفنی (PSTN: Public Swiched Telephon Network) قدیمیترین نوع این شبکه است.

از آنجا که PSTN برای ارسال سیگنال آنالوگ صدا طراحی شده است برای استفاده از این شبکه برای ارسال دادهها دیجیتال از Modem (مودم) استفاده میشود.

در این شبکهها کامپیوترها را DTE (Data Terminal Equipment) و مودمها را (data Communication Equipment) DCE یا (Data Circuit – terminating Equipment) مینامند.

در مقابل، روش انتقال بدون مدولاسیون دادههای دیجیتال Binary، را انتقال باند پایه Base band) مینامند. ارسال دادههای دیجیتال باند پایه بر دو نوع است:

1- سریال: Bit- Serial mode

2- موازی: Word – Parallel mode

برای تبدیل این دو مود به یکدیگر از Serial - to – parallel converter و بالعکس استفاده میشود.

استاندارد سازی

اولین استانداردها به علت علاقه صاحبان شبکههای عمومی (Public Carrier) به اتصال محصولات شرکتهای مختلف به آن شبکهها، توسط این موسسات شکل گرفت. این استانداردها، فقط در حد استانداردسازی ارتباط دستگاهها به شبکههای عمومی است. برای مثال استانداردهای زیر توسط ITU – T شکل گرفته است:

پس از شبکههای حامل عمومی سوئیچ تلفنی با گسترش نیاز به انتقال دادههای دیجیتالی، شبکههای حامل عمومی مخصوص انتقال دادههای دیجیتالی (Public Carrier data network) به وجود آمد. در شبکههای PSDN (Public Swiched Data Network) مانند 25.X دادهها به صورت دیجیتال ارسال میشود.

ایده ISDN (Integrated Services Digital Networks) از ارتقاء شبکههای PSTN برای پشتیبانی از ارسال دادههای دیجیتال بدون نیاز به Modem سرچشمه گرفته است. این شبکهها مثل ترکیب PSTN و PSDN عمل میکنند.

نرخ ارسال دادههای دیجیتال در یک کانال انتقال داده با واحد بیت بر ثانیه (bps: bit per second) اندازهگیری میشود و واحدهای بزرگتر آن Kbps ( bps103)، Mbps (bps 106) و Gbps ( bps109) میباشد. هرچه ظرفیت یک کانال دیجیتال بیشتر باشد میتوان دادهها را با نرخ بالاتر ارسال کرد و کانال دارای پهنای باند (Bandwidth) وسیعتر است. شکل 6، سه شبکه LAN را نشان میدهد که با یک کانال دارای پهنای باند وسیع که به آن ستون فقرات (Backbone) شبکه گفته میشود به یکدیگر متصل شدهاند.

شبکههای گسترده WAN) از اتصال شبکههای LAN به یکدیگر ایجاد شدهاند. اگر چه این شبکهها دارای فنآوریها، پروتکلها (Protocol) <قوانین استاندارد حاکم بر شبکه و استانداردهای متفاوتی هستند، اما پلها (Bridge)، مسیریاب (Router) و دروازهها (Gateway) اتصال شبکههای مختلف به یکدیگر را امکانپذیر ساخته است.

در همین راستا گروه تحقیقاتی DARPA در وزارت دفاع آمریکا پروژهای را برای اتصال ابر کامپیوترها به یکدیگر و ایجاد ارتباط بین شبکهای (Internetworking) انجام داد که در نهایت منجر به پیدایش شبکه جهانی Internet گردید.

امروزه شبکههای استاندارد پیشرفتهای مانند ATM (Asynchronous Transfer Mode) وجود دارند که دادهها را با نرخ چند Gbps در مقیاس LAN و WAN انتقال میدهند. این شبکهها علاوه بر سرعت بالا و پشتیبانی از سرویسهای مختلف چند رسانهای (Multimedia) تضمین مینمایند که نیازهای مختلف QoS (Quality of Service) کاربران (معیارهایی نظیر تأخیر (Delay)، گذردهی (Throughput)، نسبت از دست دادن بستهها (Pachet Loss ratio) و نوسان یا واریانس تأخیر (Jitter) را تحقق بخشند. پس از ATM، فناوری پیشرفته MPLS (Multi Protocol Label Switching) در شبکه اینترنت، پشتیبانی از سرویسهای مختلف چند رسانهای و QoS را با پهنای باند بالا دنبال میکند.

3-1 سیستمهای باز (OpenSystem)

به تدریج با استفاده روز افزون شبکهها و ارتباطات چند رسانهای، علاوه بر استاندارد سازی واسطها نیاز به استاندارد کردن لایههای بالاتر در ارتباط با فرمت، Syntax و کنترل تبادل داده موجب پیدایش استانداردهایی شد که تلاش دارد که محصولات همه شرکتها بتوانند در لایههای مختلف ارتباطی به راحتی به یکدیگر متصل شوند و کار کنند. این استانداردها را اتصال سیستم باز (OSI: Open System Interconnection) گویند.

موسسه بینالمللی استاندارد (ISO) یک استاندارد هفت لایهای را در ین ارتباط بوجود آورده است. در این استاندارد، هر لایه با لایه متناظر (Peer) خود صحبت میکند (بر اساس قوانینی به نام Protocol) و از سرویس لایه پایینتر استفاده میکند. به تفاوت بین مفهوم پروتکل و سرویس دقت نمایید.

وظایف لایههای استاندارد OSI

1- Physical Layer (لایه فیزیکی)

واحد دادههای انتقالی: بیت (Bit)

هدف: تعریف واسطهای الکتریکی و مکانیکی شبکه (این لایه یک خط دارای خطا را به لایههای بالاتر ارائه میکند)

وظایف: استانداردسازی موارد ذیل:

- شکل موج (پالسی، سینوسی و غیره)

- مدولاسیون(PSK, FSK, ASK, FM, AM و غیره) و کدگذاری (HDB3, Manchester, RZ, NRZ-L و غیره)

- دامنه (بر حسب ولت یا آمپر)

- عرض بیت (بر حسب us)

- نحوه نمونهبرداری (Quantization, Sampling و غیره با حداقل خطا)

- واسطهای مکانیکی (Connector ها، Jackها، Keystoneها و غیره)

- زمانبندی و سیگنالینگ (HandchakT, Timing و غیره)

- مالتی پلکسینگ (WDM, FDM, TDM و غیره)

2- Data Link Layer (لایه پیوند داده یا لایه پیوند)

واحد انتقال داده: فریم (Frame)

هدف: کنترل پیوند داده (این لایه میتواند یک خط بدون خطا و دارای کنترل جریان را به لایههای بالاتر ارائه دهد)

وظائف:

مشکل عدم آمادگی CPU به علت پردازش وقفه قبلی

مشکل عدم فضای کافی در بافر

Framing: شناسایی ابتدا و انتهای فریم

Flow Control: تطبیق سرعت فرستنده و گیرنده

- تشخیص خطا (Error Detction): مانند CRC, LRC, VRC, Praity و غیره

- تصحیح خطا (Error Correction): مانند Acknowldge, Hamming و غیره

Error Control :

کنترل دسترسی به رسانههای مشترک انتشاری مثل پروتکل زیر لایه کنترل دسترسی به رسانه یا (Medium Access MAC Control: مانند استانداردهای IEEE802. X)

3- Network Layer (لایه شبکه)

واحد انتقال داده: بسته (Packet)

وظائف:

مسیریابی در شبکه (Network Routing)

جلو بردن (پیشبری) بستهها در شبکه (Packet Forwarding)

جلوگیری از ازدحام (Congestion Control)

Addressing (مثل IP Address)

برپایی و آزادسازی مکالمه Call Setup/Release در ارتباطات نوع Connection Oriented (اتصال گرا)

تطبیق پروتکلها در ارتباطات بین شبکهای (Internetworking)

(به عبارت دیگر اتصال دو شبکه که 3 لایه پایین آنها متفاوت است به وسیله Router)

Flow Control (کنترل جریان بین کامپیوتر و واسط شبکه)

4- Transport Layer (لایه حمل)

واحد انتقال داده: پیغام (Message)

هدف: انتقال داده End – to – End پیغامها

وظائف:

- Connection Management

- تقسیم پیغام به بستهها و بالعکس (fragmentation / Defragmentation) و شماره گذاری بستهها

- Error Control

- Flow Control (تطبیق سرعت میزبانهای سریع و کند)

- Qos (Quality of Service) و پشتیبانی از چندین Class سرویس دهی

- تضمین دریافت صحیح دادهها با سرویسدهی مستقل از نوع شبکه برای ارسال پیغامهای لایه پنجم به مقصد (فرض کنید بر روی یک لایه 3 از نوع Connection Less و نامطمئن قرار دارد)

5- Session LAYER(لایه جلسه یا نشست)

- واحد انتقال داده: پیغام

هدف: کنترل، سازماندهی، مدیریت و همگامسازی (Synchronization) جلسه بین مبدأ و مقصد

وظیفه اصلی:

Setup و Release جلسه از طریق یک کانال ارتباطی بین مبدأو مقصد برای کل زمان مکالمه

اقدامات خاص:

• برای ارتباط Half Duplex، هنگام سازی و تعیین زمان شروع و پایان ارسال برای هر طرف

• برای مکالمات طولانی، تعیین نقاط شکست (Point Transaction Synchronization) برای همگامسازی (در صورت وقوع خطا، ارسال مجدد از آن نقاط انجام میشود (و نه از ابتدی مکالمه طولانی))

• گزارش خطاهای غیرقابل حل به لایههای بالاتر (Exception Reporting)

6- Presentation Layer (لایه ارائه)

واحد انتقال داده: پیغام

هدف: مذاکره برای تعیین Syntax ها، نحوه بیان دادهها و غیره.

وظایف: وظیفه این لایه ارسال و دریافت پیغامها مستقل از Syntax آنهاست که شامل موارد ذیل است:

- Data Representation (نحوه بیان دادهها و Syntax دادهها)

- فشرده سازی و باز کردن کدها (Compressing / Desompressing)

- رمز نگاری و رمز گشایی به منظور ایجاد امنیت و محرمانگی (Security و Decryption / Encryption)

- تبدیل کدینگهای مختلف به یکدیگر (مانند َASCII به ABCDIC)

7- Application Layer (لایه کاربرد)

واحد انتقال داده: پیغام

هدف: ایجاد محیط مناسب جهت ارتباط برنامههای کاربردی کاربر انتهایی با سرویسهای توزیع اطلاعات شبکهای مانند FTP ، Telnet و غیره از طریق Primitiveهای (عناصر بنیادی) سیستم عامل (فراخوانهای سیستمی) به همراه پارامترهای مربوطه.

وظایف:

- File Transfet Access od Management: مدیریت ارسال فایلها (مانند FTP)

- Document & Message Interchange: ارسال و دریافت پیغامها و مدارک نظیر E.Mail (مانند SMTP)

- Job (process) Trnsfer & Manipulation: ارسال فرآیندها در شبکه و اجرای آنها در ماشینهای دور و به عبارت دیگر Remote

- تطبیق ترمینالهای مختلف و متفاوت (Virtual Terminal)

- Direcoty Service: بانکهای اطلاعاتی Name Server که برای شناسایی طرف مقابل به وسیله نام (به جای آدرس) به کار میروند (مانند DNS در اینترنت)

- تعیین این که آیا طرف مقابل ارتباط در حال حاضر در دسترس هست یا خیر

- واگذاری اختیارات (Authority) به طرف مقابل

- توافق بر سر مکانیزمهای خصوصی سازی مثل رمزنگاری

- احراز هویت طرف مقابل (Authentivation)

- توافق بر سر مسئولیتهای ترمیم خطا

- شناسایی محدودیتها بر روی Syntaxهای داده (ساختار داده، مجموعه کارکترها و غیره)

4-1 ارتباطات بین شبکهای (Internetworking)

- برای اتصال شبکههای LAN و یا WAN به یکدیگر، ابتدا باید ببینیم که این شبکهها از لایه یک تا چه لایهای با یکدیگر متفاوت هستند. جدول زیر نشان میدهد که بسته به لایههای متفاوت دو شبکه از چه ابزارهایی برای اتصال آنها استفاده میشود:

نام ابزار	تفاوت لایههای شبکههای متصل	شرح	مثال
Repeater (تکرار کننده)		دو شبکه کاملاً یکسان را به هم متصل میکنند و فقط به منظور تقویت سیگنالهای الکتریکی به کار میروند.	مانند اتصال دو قطعه (Segment) شبکه Ethernet (IEEE 802.3) محدودیت طول کابل ناشی از پدیده تضعیف
Bridge (پل)	حداکثر تفاوت در لایه 1 و 2	1)برای اتصال دو LAN متفاوت که تا زیر لایه MAC (از لایه 2) با یکدیگر متفاوتند 2)برای تقسیم یک LAN بزرگ به چند LAN کوچک به منظور تقسیم بار و جلوگیری از ازدحام (Congestion) 3)برای اتصال دو LAN از طریق شبکههای گسترده PSTIN از پل راه دور (Remote Bridge) استفاده میشود.	مانند اتصال دو شبکه LAN از نوع Ethernrt ( IEEE 802.3) و Token Ring ( IEEE 802.5)
Router (مسیریاب)	حداکثر تفاوت در لایه 1 تا 3	برای اتصال دو شبکه که در لایههای 1 تا 3 با یکدیگر متفاوتند به کار میروند تا مسیریابی و هدایت بسته بین دو شبکه و نیز تبدیل و تطبیق پروتکهای شبکه را انجام دهند.	مانند اتصال دو شبکه Ethernet و X.25
Gateway (دروازه)	تفاوت در بیش از 3 لایه پایین	برای اتصال دو شبکه کاملاً متفاوت که حتی از نظر مدل لایهای با یکدیگر متفاوتند. به آنها مبدل پروتکل (Protocol Converter) نیز گفته میشود.	مانند اتصال یک شبکه با مدل لایهای OSI به یک شبکه با مدل لایهای TCP/IP

5-1 حالتهای ارسال

- در کانالهای انتقال داده سه حالت یا مود (Mode) ارسال وجود داد که عبارتند از:

- ساده (Simle یا Simplex) یا یک طرفه که به آن SX نیز گفته میشود. این روش مخصوص ارسال یک سویه دادهها است که همواره یک طرف فرستنده و یک طرف گیرنده است. مانند ارتباط داده بین چاپگر، صفحه کلید یا ماوس با کامپیوتر (پردازنده)

- نیمه دوم دوطرفه (Half Duplex) که به آن HDX نیز گفته میشود. در این روش میتوان دادهها را بر روی کانال ارسال و دریافت کرد اما نه به طور همزمان ( در هر لحظه ارتباط یک سویه است اما میتوان جهت ارسال را تغییر داد) مانند دستگاه بیسیم.

- کاملاً دو طرفه (Full Duplex) که به آن FDX نیز گفته میشود. در این روش همزمان میتوان دادهها را بر روی کانال ارسال و دریافت کرد مانند تلفن.

6-1 رسانههای انتقال (Communication Media)

- رسانههای انتقال داده متعددی وجود دارد که انتخاب آنها به توپولوژی، پهنای باند یا نرخ بیت مورد نیاز، محدوده فرکانسی امواج، فاصله فرستنده تا گیرنده، میزان تأثیر عوامل مخربی نظیر تضعیف، نویز، همشنوایی، تداخل و اعوجاج و نیز معیارهای Qos کاربران و نوع کاربرد بستگی دارد. به طور کلی رسانههای انتقال به دو دسته تقسیم میشوند:

- رسانههای هدایت شونده مانند زوج سیم به هم تابیده (به هم تافته)، کابل هم محور و فیبر نوری

- رسانههای غیر هدایت شونده مانند هوا، خلأ و آب با تکنیکهای نظیر بیسیم، پخش رادیو، مایکروویو، ماهواره و مادون قرمز

1-6-1 زوج سیم به هم تابیده (Twisted Pair)

یک زوج سیم مسی را به صورت منظم مارپیچی با الگوی خاص محاسبه شده به هم میتابند تا اثر نویز و همشنوایی بر روی هر دو یکسان باشد و اختلاف پتانسیل اثر نویز بر روی آنها صفر باشد. تعدادی زوج سیم به هم تابیده را در داخل یک کابل روکشدار قرار میدهند. برای مثال کابلهای UTP (Unshielded Twisted Pair) در گونهها یا دستههای مختلف (مانند Cat 5, Cat 3 و Cat 6) برای شبکههای Fast Ethernet با سرعت 100 Mbps و Gigabit Ethernet با سرعت 1Gbps مورد استفاده قرار میگیرد. همچنین نوع STP (Shielded Twisted Pair) با حفاظ فلزی برای کاهش اثرات نویز خارجی با قیمت بیشتر عرضه میشود. به شکل b-10 و c-10 نگاه کنید.

ویژگیها:

• نرخ انتقال داده: حدود 10Mbps تا 1Gbps

• پهنای باند آنالوگ (در محدوده 0 تا 1MHz)

• فاصله: کم (به علت پدیده تضعیف) برای مثال در Fast Ethrnet حداکثر طول خط 100 متر است. برای فواصل بیشتر باید نرخ انتقال را کاهش داد و یا از تکرار کننده استفاده کرد.

• تضعیف: زیاد (وابسته به فرکانس)

• تأثیر نویز: زیاد به ویژه در UTP

• قیمت: رسانه قدیمی، متداول و ارزانتر از کابل هم محور و فیبر نوری

• نوع سیگنال: الکتریکی (آنالوگ یا دیجیتال)

• کاربرد: تلفن (فواصل نزدیک)، LAN و غیره

زوج سیم معمولی نیز برای فواصل نزدیک مانند اتصالات اجزای یک کامپیوتر به یکدیگر به کار میرود (شکل a-10) برای مثال یک HDD توسط یک Flat ribbon به Main board متصل میشود.

2-6-1 کابل هم محور (CoaxialCabl)

کابل هم محور شامل یک سیم مسی سخت با نام مغزی (Core) است که حول آن را یک ماده عایق فرا گرفته و دور ماده عایق یک هادی استوانهای (هممحور با مغزی) وجود دارد که اغلب به شکل توری است و توسط یک پوشش محافظ پلاستیکی احاطه شده است. این ساختار کابلهای هم محور باعث کاهش اثر عوامل مخربی مانند تضعیف (به علت اثر پوسته) و نویز و همشنوایی (به خاطر ساختار هندسی حفاظت شده آن) شده است. کابلهای هم محور در گونههای هم محور در گونههای مختلف (مانند 50 اهم و 75 اهم) مورد استفاده قرار میگیرد. نوع 50 اهم آن را کابل هم محور باند پایه گویند که برای انتقال اطلاعات دیجیتال باند پایه و نوع 75 اهم آن را کابل هم محور باند پهن گویند که برای انتقال اطلاعات آنالوگ در تلویزیون کابلی کاربرد دارد. به شکل d-10 نگاه کنید.

ویژگیها:

نرخ انتقال داده: حدود 10Mbps تا 100Mbps (برای کابلهای 50 اهم)

پهنای باند آنالوگ: در محدوده 0 تا 500MHz (برای کابلهای 75 اهم)

تضعیف: از زوج سیم به هم تابیده کمتر است. (وابسته به فرکانس)

تأثیر نویز: از نظر نویز خارجی مانند نویز ضربهای همشنوایی و نیز تداخل از زوج سیم به هم تابیده بهتر است.

نوع سیگنال: الکتریکی (آنالوگ یا دیجیتال)

کاربرد: تلفن راه دور، تلویزیون کابلی، LAN و غیره

3-6-1 فیبر نوری (OpticalFiber)

گسترش کاربرد چند رسانهای و نیاز به نرخ انتقال داده بسیار بالا از یک طرف و رشد سریع فناوری اپتیک از طرف دیگر باعث پیدایش فیبر نوری و متداول شدن آن در سیستمهای انتقال داده گردید. در فیبر نوری، سیگنال دیجیتال به صورت قطع و وصل شدن (چشمک زدن) یک اشعه نوری ارسال میشود. وجود نور نشان دهنده منطق یک و قطع نور نشان دهنده منطق صفر میباشد. سیستمهای انتقال داده نوری از سه قسمت تشکیل میشوند:

1- منبع نوری (طرف فرستنده) که معمولاً یک دیود نوری ساده (LED) و در موارد خاص دیود لیزری (LD) است.

2- آشکار ساز نوری (طرف گیرنده) که معمولاً یک فوتو دیود یا فوتو ترانزیستور است که با تابش نور یک پالس الکتریکی تولید مینماید.

3- رسانه انتقال که همان فیبر نوری است.

4- یک فیبر نوری از سه قسمت اصلی تشکیل شده است که عبارتند از:

1- مغزی (Optical Core): یک ماده شفاف مانند شیشه، پلاستیک و یا سیلیکون

2- غلاف (Optical Cladding): یک ماده شفاف مانند شیشه با ضریب شکست متفاوت با مغزی که از موادی مانند شیشه، پلاستیک و یا سیلیکون ساخته میشود و این دو با هم یک تار فیبر نوری بسیار نازک و انعطافپذیر را تشکیل میدهند.

3- روکش پلاستیکی که یک یا چند تار در داخل آن قرار دارد.

انواع مختلفی از فیبر نوری وجود دارند که عبارتند از:

1- فیبر نوری چند حالته با ضریب شکست پلهای (Multimode Stepped Index)

2- فیبر نوری چند حالته با ضریب شکست تدریجی (Multimod Graded Index)

3- فیبر نوری تک حالته (Monomode یا Single Mode)

فیبر نوری چند حالته با ضریب شکست پلهای

اساس کار این فیبر نوری بر پایه اصل شکست نور در انتقال از محیط مغزی به محیط غلاف میباشد. میزان شکست به نسبت ضریب شکست دو محیط بستگی دارد. از آنجا که چگالی مغزی بیش از غلاف است ضریب شکست مغزی بیش از ضریب شکست غلاف است و بنابراین زاویه بازتابش از زاویه تابش بزرگتر است (میدانیم اگر iϴ زاویه تابش و rϴ زاویه بازتابش باشد و ضریب شکست مغزی را با Icore و ضریب شکست غلاف را با Icladding نامگذاری کنیم، آنگاه <?mso-application progid="Word.Document"?>12sinâپ،(د´i)sinâپ،(د´r) '> = <?mso-application progid="Word.Document"?>12IcladdingIcore'> خواهد بود.)

حال اگر زاویه تابش برابر زاویه حد (زاویه بحرانی) باشد زاویه بازتابش 90 درجه خواهد بود و اگر زاویه تابش بزرگتر از زاویه حد (زاویه بحرانی) باشد نور در برخورد به غلاف منعکس کننده دچار انعکاس کلی به داخل مغزی خواهد شد و این کار آنقدر تکرار میشود تا نور به مقصد برسد.

فیبر نوری چند حالته با ضریب شکست تدریجی

از آنجا که در فیبر نوری چند حالته با ضریب شکست پلهای شعاعهای نوری که با زاویه تابش متفاوت دچار انعکاس میشوند همزمان به مقصد نمیرسند، عرض پالس در مقصد بیشتر شده و به دلیل تداخل پالسهای مجاور نمیتوان نرخ انتقال داده را از یک حد بالاتر برد. برای رفع این مشکل از فیبر نوری چند حالته با ضریب شکست تدریجی استفاده میشود که باعث میشود نور به تدریج و شبیه موج سینوسی بشکند. سرعت نور در هسته به دلیل چگالی بالاتر بیشتر است و لذا همه شعاعهای نوری همزمان به مقصد میرسند. بنابراین به دلیل نزدیکتر شدن عرض پالس در گیرنده به عرض پالس در گیرنده به عرض پالس در فرستنده، نرخ انتقال در آنها بیشتر است.

فیبر نوری تک حالته

قطر این فیبرهای نوری بسیار کوچک و در حد چند میکرون است و نور در داخل آنها در خط مستقیم و بدون انعکاس منتشر میشود. فرستنده آنها الزاما دیود لیزری (LD) است. تغییرات عرض پالس در آنها ناچیز است و موجب تداخل پالسهای نزدیک هم نمیشود و لذا بازده و نرخ بیت بسیار بالتری (نسبت به دو روش قبلی) دارند و به علت پایین بودن Diffraction برای فواصل دورتر نیز به کار میروند.

ویژگیها:

• نرخ انتقال داده: با توجه به فرکانس بالای نور (1014 تا 1015 هرتز که محدوده مادون قرمز و طیف نور مرئی است) بسیار بالا است؛ از چندین Gbps تا چندین Tbps با مالتی پلکسینگ WDM.

• فاصله: زیاد (از حدود 1کیلومتر تا حدود 40 کیلومتر)

• تضعیف: بسیار کم

• تأثیر نویز: نویز الکتریکی مانند نویز ضربهای، همشنوایی و نیز تداخل الکترومغناطیسی بر روی آن تأثیر نمیگذارد.

• نوع سیگنال: نوری (دیجیتال)

• مزایا: عمر طولانی، مقاومت در برابر دما و رطوبت و مواد شیمیایی، قابلیت اطمینان بالا، امنیت بالا در مقابل شنود، حجم و وزن پایین، مواد اولیه فراوان (سیلیکون در طبیعت فراوانتر از مس است)

• کاربرد: تلفن و مخابرات راه دور، شبکههای LAN و WAN سرعت بالا و غیره

4-6-1 انتقال بیسیم (Wireless)

استفاده از فضای آزاد و رسانههای هدایت نشده به علت عدم نیاز به کابلکشی یک روش مهم در انتقال داده محسوب میشود. مشکل اصلی این روشها احتمال تداخل امواج و پر بودن باندهای فرکانسی است.

امواج منتشر شده از طریق آنتن به دو دسته کلی تقسیم میشوند:

1- همه جهته (Omni – directional): امواج فرکانس پایین که در همه جهتها منتشر میشوند.

2- مستقیم و جهتدار (Directional): امواج فرکانس بالای متمرکز که در یک جهت خاص منتشر میشوند و در این حالت باید آنتن فرستنده و گیرنده یکدیگر را در یک خط مستقیم و بدون مانع ببینند.

3- حال به نکاتی درباره طیف امواج الکترومغناطیسی، انتشار آنها و قوانین انتقال داده در رسانههای هدایت نشده میپردازیم.

نکته1: طول موج مسیری است که موج در یک پریود طی میکند (برحسب m) و آن را با λ نشان میدهیم.

λ : طول موج (به m)

f : فرکانس موج (به Hz یا <?mso-application progid="Word.Document"?>121sec'>

V : سرعت موج (به <?mso-application progid="Word.Document"?>12msec'> )

V = λ f

V = 0.96c = λf

مثال: اگر ضریب انتشار هوا برابر 0.96 باشد، سرعت موج برابر c0.96 (c سرعت موج یا نور در خلأ است که برابر <?mso-application progid="Word.Document"?>12msec'> 108 <?mso-application progid="Word.Document"?>12أ—'> 3 است) خواهد بود و بنابراین:

این ضریب در کابلهای فلزی کمتر از هوا میباشد.

نکته 2: تلفات موج (تضعیف) به علت پراکندگی کری موج در فضا از رابطه زیر بدست میآید:

<?mso-application progid="Word.Document"?>12PT'> : توان ارسالی (به W)

<?mso-application progid="Word.Document"?>12PR'> : توان دریافتی (به W)

d : فاصله گیرنده با فرستنده (به m)

λ : طول موج (به m)

= <?mso-application progid="Word.Document"?>12ptpr'> = <?mso-application progid="Word.Document"?>124د€dخ»'>

تلفات

<?mso-application progid="Word.Document"?>12ptpr'>

(dB) = 10log10 تلفات

به دلیل تفاوت در محدوده فرکانسی امواج الکترومغناطیسی و طبیعت هر کدام از آنها، ارتباطات بیسیم به چند دسته تقسیم میگردد:

1- ارتباطات زمینی مایکروویو

2- ارتباطات ماهوارهای مایکروویو

3- پخش رادیویی

4- امواج مادون قرمز

ارتباطات زمینی مایکروویو

محدوده فرکانسی: حدود 2GHz تا 40GHz (بخشی از UHF و SHF)

نرخ بیت: از حدود 10Mbps تا چند صد Mbps

نوع امواج: مستقیم و جهتدار (Directional) با یک اشعه باریک متمرکز در خط دید دیش آنتن گیرنده

نوع ارتباط: نقطه به نقطه

فاصله (d): وابسته به قطر دیش (h) میباشد (d = 7.14 <?mso-application progid="Word.Document"?>12kh'> که ضریب k در محاسبات تقریبی در حدود 1.25 فرض میشود. H قطر دیش به متر و d فاصله فرستنده و گیرنده به km است. برای دیش 3 متری فاصله در حدود 15 کیلومتر میباشد. این رابطه تقریبی است و در فناوری جدید آنتنهای پیشرفته به کار نمیرود.)

کاربرد: اتصال LANهای دور از هم، شبکههای تجاری، تلفن، تلویزیون

نقاط ضعف: تضعیف زیاد در باران به علت جذب انرژی و تبخیر باران (شبیه اجاق مایکروویو) تداخل فرکانسی در صورت عدم تخصیص پهنای باند و عدم استانداردهای محلی.

ارتباطات ماهوارهای مایکروویو

محدوده فرکانسی: حدود 1GHz تا 10GHz

(در فرکانسهای پایینتر از 1GHz تأثیر نویزهای ضربهای، اتمسفری، خورشیدی و کهکشانی زیاد است و در فرکانسهای بالاتر از 10GHz پدیده تضعیف به علت جذب انرژی سیگنال در اتمسفر بیشتر است)

نرخ بیت: از حدود 10Mbps تا چند صد Mbps

فاصله: اگر ماهواره به ارتفاع 36 هزار کیلومتر از استوا قرار گیرد دوره گردش 24 ساعت دارد و نسبت به زمین ثابت به نظر خواهد رسید.

نویز: تأثیر نویز و تداخل همشنوایی نسبت به فیبر نوری بیشتر است.

کاربرد: اتصال LANهای دور از هم، شبکههای تجاری، تلفن، تلویزیون

پخش رادیویی

محدوده فرکانسی: حدود 30MHz تا 1GHz (VHF و بخشی از UHF)

نوع امواج: همه جهته (Omni – directional)

نوع ارتباط: انتشاری

تضعیف: برخلاف مایکروویو حساسیت کمتری نسبت به تضعیف در باران وجود دارد.

مادون قرمز

محدوده فرکانسی: حدود 300GHz تا 200THz

نوع امواج: جهتدار (Dirctional)

فاصله: نزدیک (داخل اتاق)

نوع ارتباط: نقطه به نقطه

7-1 مالتی پلکسینگ (Multiplexing)

معمولا ظرفیت یا پهنای باند یک رسانه انتقال داده از پهنای باند مورد نیاز یک فرستنده بیشتر است و باید بین کاربران مختلف به اشتراک گذاشته شود. تکنیک مالتی پلسینگ (تسهیم) این امکان را به وجود میآورد که به طور همزمان (یا شبه همزمان) چند سیگنال مختلف را از یک خط عبور دهیم و از ظرفیت رسانه به صورت بهینه استفاده کنیم. عمل قرار دادن چند سیگنال بر روی یک خط در مبدأ توسط دستگاهی به نام Multiplexing و عمل جداسازی آنها در مقصد توسط دستگاهی به نام Demultiplexer انجام میشود.

1- انواع روش مالتی پلسینگ تقسیم فرکانسی (FDM: Frequency Division Multiplexing)

2- مالتی پلسینگ تقسیم زمانی (TDM: Time Division Multiplexing) که بر دو نوع است:

1-2- TDM همگام (Synchronous TDM)

2-2- TDM ناهمگام (Asynchronous TDM) یا هوشمند که به آن مالتی پلسینگ آماری (Statistical Multiplexing) نیز گفته میشود.

3- مالتی پلسینگ تقسیم طول موج (WDM: Wave – length Division Multiplexing)

4- مالتی پلسینگ تقسیم کد (CDMA: Code Division Multiple Access یا CDM)

روش FDM

در روش FDM ابتدا باید سیگنالهای دیجیتال را به وسیله مدولاسیون به سیگنالهای آنالوگ تبدیل کرد. فرکانس حامل مدولاسیون سیگنالهایی که همزمان بر روی یک رسانه انتقال قرار میگیرند متفاوت است، به طوری که سیگنالها در حوزه فرکانس در باندهای فرکانسی جدا از یکدیگر در کنار هم قرار میگیرند (البته با یک فاصله فرکانسی (Guard band) به منظور جلوگیری از تداخل امواج) این سیگنالها در مقصد به وسیله عمل دی مدولاسیون (Demodulation) قابل جداسازی هستند (دقیقا همانند امواج رادیویی ایستگاههای مختلف که همگی در کنار یکدیگر در یک کانال (هوا) منتشر میشوند و بخش Tuner رادیو شما قادر است موج دلخواه شما را از سایر امواج جدا سازد.)

روش TDM همگام

در روش Synchoronous TDM (گاهی برای سادگی به آن TDM گفته میشود) چون نرخ انتقال رسانه بیش از نرخ ترافیک هر یک از سیگنالهای دیجیتال را بر روی خط قرار میدهیم. اگر در این روش یک فرستنده در برش زمانی خودش دادهای برای ارسال نداشته باشد، آن برش زمانی هدر میرود. دو روش FDM و Synchoronous TDM در واقع یک رسانه انتقال را به چندین کانال مجزا تقسیم مینمایند.

روش TDM ناهمگام یا مالتی پلکسینگ آماری

در این روش که در شبکههای پیشرفته مانند ATM (Assychoronous Transfer Mode) به کار میرود، برخلاف روش قبلی زمان را به برشهای زمانی مساوی تقسیم نمیکنیم و پهنای باند ثابتی را برای هر کانال رزرو نمینماییم؛ بلکه بستهها یا سلولهای داده ایجاد شده توسط کاربران مختلف را (که به صورت تصادفی ایجاد میشوند) بر روی خط قرار میدهیم. یعنی ظرفیت نرخ انتقال رسانه را به صورت پویا بین کاربران تقسیم مینماییم.

روش WDM

در این روش که در فیبرهای نوری مورد استفاده قرار میگیرد، چندین موج نوری با طول موجهای (Wave – length) مختلف به طور همزمان در یک فیبر نوری منتشر میشود. واضح است که برای مثال جداسازی دو سیگنال نوری با طول موجهای آبی و قرمز در مقصد به سادگی امکانپذیر خواهد بود. طول موج برابر است با نسبت سرعت موج به فرکانس موج: λ = <?mso-application progid="Word.Document"?>12cf'>

روشCDM (CDMA)

در این روش که برای مثال در تکنیک طیف گسترده به کار رفته در شبکههای محلی بیسیم مورد استفاده قرار میگیرد، دادههای مربوط به چند کانال به طور همزمان (برخلاف TDM) و در یک باند فرکانسی (برخلاف FDM) و بالطبع در یک طول موج (برخلاف WDM) در یک رسانه مشترک ارسال میشود! و برای جدا کردن دادهها از روشهای خاص رمزگذاری و تئوری coding استفاده میشود و اطلاعات کانالهای مجزا به صورت بردارهای متعامد ارسال میگردد، تا در گیرنده قابل جداسازی باشند.

8-1 تخصیص پهنای باند کانال (BandwidthAllocation)

هنگامی که از یک کانال انتقال داده به طور اشتراکی برای ارسال چندین سیگنال جداگانه (مربوط به فرستندههای مختلف) استفاده میشود و از روشهای مختلف مالتی پلسینگ (روشهای فوق) استفاده میشود، یک موضوع مهم میزان پهنای باند تخصیص یافته به هر یک از ارسال کنندهها میباشد. برای مثال در TDM میتوان به یک فرستنده نسبت به دیگران برش زمانی بیشتری را تخصیص داد. پهنای باند مورد نیاز هر فرستنده به نوع ترافیک بستههای ارسالی مربوط است که بر دو نوع است:

1- نرخ بیت ثابت (CBR: Constant Bit Rate): ترافیکهایی مانند پخش فیلم ویدیویی یا مکالمات صوتی

2- نرخ بیت متغیر (VBR: Variable Bit Rate): ترافیکهایی مانند ارتباط با یک سایت وب یا ارسال E-mail یا Telanet تخصیص پهنای باند کانال بر دو نوع است:

1- تخصیص ایستا (Static Allocation): به هر فرستنده پهنای باند ثابتی را تخصیص میدهد. در ترافیکهای VBR مناسب نیست، زیرا گاهی پهنای باند هدر میرود و گاهی دچار کمبود پهنای باند و کندی ارسال خواهیم شد. مانند روش Circuit Switching که در آن یک مدار خاص در ابتدای کار با پهنای باند ثابت رزرو میشود.

2- تخصیص پویا (DynamicAllocation): پهنای باند به صورت پویا و بر حسب نیاز هر فرستنده به آن تخصیص داده میشود. مانند روش Packet Switching (برای مثال در X.25) و نیز روش پیشرفته Virtual Circuit (که برای مثال در ATM به کار میرود و سلولهای داده مانند Circuit Switching از یک مسیر یا مدار خاص که در ابتدای کار برپا شده است ارسال میشوند؛ اما همانند Packet awitching پهنای باند ثابتی را اشغال نمیکنند، یعنی از مزایای هر دو روش بهره میبرد)

فصل دوم

آنالیز سیگنالها و عوامل ایجاد خطا در سیستمهای انتقال داده

عوامل ایجاد اشکال (خطا) در سیستمهای انتقال داده عبارتند از:

1- تضعیف (Attenuation Reduce): کاهش تدریجی سطح سیگنال در طی حرکت در کانال

2- اعوجاج (Distortion Mischape): تغییر شکل سیگنال در اثر عبور از کانال

اعوجاج تضعیف حاصل از تفاوت میزان تضعیف در فرکانسهای مختلف

اعوجاج تأخیر حاصل از تفاوت میزان تأخیر در فرکانسهای مختلف

مطالب مشابه :

مقدمه ای بر انتقال داده ها و شبکه های کامپیوتری

دانلود جزوه انتقال داده

انتقال داده

شبکه انتقال داده ها در ایران

مقالات مربوط به امنیت اطلاعات و شبکه انتقال داده ها

جامع ترین لینکهای جزوات مهندسی شیمی

روش داده های تابلویی یا پانل دیتا (Panel Data)

دانلود مقاله رسانه انتقال داده

منابع کنکور کارشناسی ارشد – رشته‌ی IT (مهندسی فناوری اطلاعات)

جزوات رشته ict

منابع آزمون ارشد کامپیوتر