مقدمه ای بر انتقال داده ها و شبکه های کامپیوتری
در دنیـای امـروز کـه مـیتـوان آن را عصـر اطلاعـات نامیـد، انتقـال داده هـا (Data Communication) و شـبکه هـای کـامپیوتری
( Computer Networks) که حاصل پیوند دو صنعت کامپیوتر و مخابرات است، از اهمیت ویژه ای برخوردار مـیباشـند. هـدف از پیـدایش شبکه های کامپیوتری، اتصال کامپیوترهای مستقل از طریق یک فناوری واحد و قوانین مشخص به منظور انتقال داده هـا و اشـتراک منـابع است. منظور از انتقال داده ها ، ارسال و دریافت داده ها به صورت پیوسته آنالوگ یا گسسته دیجیتال بر روی رسانه های مختلف انتقال مانند زوج سیم به هم تابیده، فیبر نوری، هوا و غیره میباشد.
سیستمهای باز (Open System) و مدل لایهای یکی از سبکهای طراحی ماژولار (پیمانهای) سیستمهای بزرگ، سبک معماری لایه ای است. در این سبک یک سیستمهای پیچیده به لایه هایی تقسیم میشود که هر لایه، وظایف مجزای خاص خودش را دارد و به لایه بالاتر از خود سرویس داده و از لایه پایینتر سرویس میگیرد. سرویسها طبق یک واسط استاندارد خاص داده میشود. مثلاً وظایف فیزیکی سیستمهای الکتریکی و مخابراتی در ارسال و دریافت امواج بر روی رسانه باید از وظایف سخت افزار کنترل خطا و جریان بر روی پیوند جدا شود و این دو لایه اصولاً از وظایف نرمافزارهای مسیریابی و آدرسدهی مجزا هستند تا طراحی به صورت مجزا و سادهتر صورت گیرد. این امر باعث پیاده سازی ساده تر، انعطاف
بیشتر، نگهداری و عیبیابی آسانتر و اعمال تغییرات بهتر و سریعتر خواهد شد.
ارایه درگاه پرداخت ePayBank.ir برای خرید و فروش تجهیزات سخت افزاری و نرم افزاری شبکه های کامپیوتری
درصورتیکه میخواهید تجهیزات سخت افزار و خدمات شبکه های کامپیوتری شما به نحو احسن تبلیغ شود کافیست در سایت درج آگهی نیازمندی تبلیغاتی MyCityAd.ir ثبت آگهی نمایید و سپس خدمات و ویژگی های سخت افزار را معرفی نمایید.
موسسه بین المللی استاندارد (ISO) یک استاندارد هفت لایه ای را بوجود آورد که محصولات همه شرکتها بتوانند در لایه های مختلـفارتباطی به راحتی به یکدیگر متصل شوند و کار کنند. این استاندارد را اتصال سیستم باز (OSI: Open System Interconnection) گوینـد.
در این استاندارد، هر لایه با لایه متناظر (Peer) خود بر اساس قوانینی به نام Protocol صحبت میکند و از سرویس لایه پایینتـر اسـتفادهمیکند. به تفاوت بین مفهوم پروتکل و سرویس دقت نمائید. شکل ۱ لایه های این استاندارد (ISO/OSI) را نشان میدهند.
در مدل لایهای، درخواست ارسال در مبدأ از لایههای بالا به سمت لایههای پایین جریان پیدا کرده و هر لایه از کـاربرد تـا پیونـد داده،سرآیند (Header) خاص خود را به اطلاعات دریافتی از لایه بالاتر اضافه میکنـد. البتـه لایـه پیونـد داده، عـلاوه بـر سـرآیند، یـک دنبالـه(Trailer) نیز به انتهای فریم اضافه میکند. لایه فیزیکی چیزی به فریم اضافه نمیکند. در مقصد همین داده ها لایه لایه بالا رفته و هر لایـه افزونگیهای مخصوص خود را بر میدارد که این امر یادآور رفتار پشته است که در آن آخرین سرآیند گذاشته شده، اولین سـرآیندی اسـت که برداشته میشود. اصطلاح پشته پروتکلی (Protocol Stack) به همین دلیل استفاده میشود. بدیهی است هرچـه تعـداد لایـه هـا بیشـتر شود، سربار افزونگی سرآیندهای پشته پروتکلی بیشتر میشود.
وظایف لایه های استاندارد OSI
۱ـ 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:
ـ شکل موج (پالسی ، سینوسی و غیره)
(غیره و HDB3 ،Manchester ،RZ ،NRZ-L) کدگذاری و (غیره و PSK, FSK,ASK,FM,AM) مدولاسیون ـ
ـ دامنه (بر حسب ولت یا آمپر)
ـ عرض بیت (بر حسب ms )
ـ نحوه نمونه برداری(Quantization ،Sampling و غیره با حداقل خطا)
ـ واسطهای مکانیکی ( Connectorها،Jackها ، Keystone ها و غیره)
ـ زمانبندی و سیگنالینگ (Handshake ،Timing و غیره)
ـ مالتی پلکسینگ (WDM ،FDM، TDM و غیره)
۲ـ 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:
ـ Framing: شناسایی ابتدا و انتهای فریم
مشکل عدم آمادگی CPU به علت پردازش وقفه قبلی
ـ Flow Control: تطبیق سرعت فرستنده و گیرنده
مشکل عدم فضای کافی در بافر
وغیره CRC ،LRC ،VRC ،Parity مانند : (Error Detection)خطا تشخیص
Error Control ـ
تصحیح خطا (Error Correction) : مانند Acknowledge ،Hamming و غیره
ـ کنترل دسترسی به رسانه های مشترک انتشاری مثل پروتکل زیـر لایـه کنتـرل دسترسـی بـه رسـانه یـا Medium Access MAC)
IEEE 802.x استانداردهای مانند :Control)
۳ـ Network Layer (لایه شبکه)
واحد انتقال داده: بسته (Packet)
وظائف:
ـ مسیریابی در شبکه (Network Routing)
ـ جلو بردن (پیشبری) بسته ها در شبکه (Packet Forwarding)
ـ جلوگیری از ازدحام (Congestion Control)
(IP Address مثل) Addressing ـ
ـ برپایی و آزادسازی مکالمه Call Setup / Release در ارتباطات نوع Connection Oriented (اتصالگرا)
ـ تطبیق پروتکلها در ارتباطات بین شبکهای (Internetworking)
(به عبارت دیگر اتصال دو شبکه که ۳ لایه پایین آنها متفاوت است به وسیله Router)
ـ Flow Control (کنترل جریان بین کامپیوتر و واسط شبکه)
۴ـ Transport Layer (لایه حمل)
واحد انتقال داده: پیغام (Message)
هدف: انتقال داده End – to – End پیغامها
وظائف:
Connection Management ـ
ـ تقسیم پیغام به بستهها و بالعکس (fragmentation / Defragmentation) و شمارهگذاری بستهها
Error Control ـ
ـ Flow Control (تطبیق سرعت میزبانهای سریع و کند)
ـ Quality of Service ) QoS) و پشتیبانی از چندین Class سرویسدهی
ـ تضمین دریافت صحیح دادهها با سرویسدهی مستقل از نوع شبکه برای ارسال پیغامهای لایه پنجم به مقصد (فـرض کنیـد بـر روی
یک لایه ۳ از نوع Connection less و نامطمئن قرار دارد)
۵ـ Session Layer (لایه جلسه یا نشست)
واحد انتقال داده: پیغام
هدف: کنترل ، سازماندهی، مدیریت و همگامسازی (Synchronization) جلسه بین مبدا و مقصد
وظیفه اصلی:
ـ Setup و Release جلسه از طریق یک کانال ارتباطی بین مبدا و مقصد برای کل زمان مکالمه
اقدامات خاص:
برای ارتباط Half Duplex، همگامسازی و تعیین زمان شروع و پایان ارسال برای هر طرف
برای مکالمات طولانی، تعیین نقاط شکست (Synchronization Point Transaction) برای همگامسازی (در صورت وقوع خطـا، ارسـال
مجدد از آن نقاط انجام میشود (و نه از ابتدای مکالمه طولانی))
گزارش خطاهای غیرقابل حل به لایههای بالاتر (Exception Reporting)
۶ـ 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 نوع Syntax آنهاست که شامل موارد ذیل است:
ـ Data Representation (نحوه بیان دادهها و Syntax دادهها)
ـ فشرده سازی و باز کردن کدها (Compression / Decompression)
ـ رمز نگاری و رمزگشایی به منظور ایجاد امنیت و محرمانگی ( Security وEncryption / Decryption)
ـ تبدیل کدینگهای مختلف به یکدیگر (مانند ASCII به ABCDIC)
۷ـ Application Layer (لایه کاربرد)
واحد انتقال داده: پیغام
هـدف: ایجاد محیط مناسب جهت ارتباط برنامههای کاربردی کاربر انتهایی با سرویسهای توزیع اطلاعات شبکه ای ماننـد Telnet, FTP و
غیره از طریق Primitiveهای (عناصر بنیادی) سیستم عامل (فراخوانهای سیستمی) به همراه پارامترهای مربوطه.
وظایف:
(FTP مانند) فایلها ارسال مدیریت :File Transfer Access of Management ـ
ـ Document & Message Interchange : ارسال و دریافت پیغامها و مدارک نظیر E.Mail (مانند SMTP)
ـ Job (process) Transfer & Manipulation: ارسال فرآیندها در شبکه و اجرای آنها در ماشینهای دور و به عبارت دیگر Remote
(Telnet مانند) login
ـ تطبیق ترمینالهای مختلف و متفاوت (Virtual Terminal)
ـ Direcoty Service: بانکهای اطلاعاتی Name Server که برای شناسایی طرف مقابل به وسیله نام (به جای آدرس) به کار مـیرونـد
(مانند DNS در اینترنت)
ـ تعیین اینکه آیا طرف مقابل ارتباط در حال حاضر در دسترس هست یا خیر
ـ واگذاری اختیارات (Authority) به طرف مقابل
ـ توافق بر سر مکانیزمهای خصوصیسازی مثل رمزنگاری
ـ احراز هویت طرف مقابل (Authentication)
ـ توافق بر سر مسئولیتهای ترمیم خطا
ـ شناسایی محدودیتها بر روی Syntax های داده (ساختار داده، مجموعه کارکترها و غیره)
ارتباطات بین شبکه ای (Internetworking)
برای اتصال شبکه ای LAN و یا WAN به یکدیگر، ابتدا باید ببینیم که این شبکه ها از لایه یک تا چه لایه ای با یکدیگر متفـاوت هسـتند.
حالتهای ارسال
درکانالهای انتقال داده سه حالت یا مود (Mode) ارسال وجود دارد که عبارتند از:
۱ـ ساده (Simple یا Simplex) یا یک طرفه که به آن SX نیز گفته میشود. این روش مخصوص ارسال یـک سـویه دادههـا اسـت کـه
همواره یک طرف فرستنده و یک طرف گیرنده است.
۲ـ نیمه دوطرفه (Half Duplex) که به آن HDX نیز گفته میشود. در این روش میتوان دادهها را بر روی کانال ارسال و دریافت کـرد
اما نه به طور همزمان (در هر لحظه ارتباط یک سویه است اما میتوان جهت ارسال را تغییر داد)، مانند دستگاه بیسیم.
۳ـ کاملا” دو طرفه ((Full Duplex که به آن FDX نیز گفته میشود. در این روش همزمان میتوان دادههـا را بـر روی کانـال ارسـال و
دریافت کرد، مانند تلفن.
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 پلکسینگ (تسهیم) این امکان را به وجود میآورد که به طور همزمان (یا شبه همزمان) چند سیگنال مختلـف
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 مبـدا توسـط
دستگاهی به نام Multiplexer و عمل جداسازی آنها در مقصد توسط دستگاهی به نام Demultiplexer انجام میشود.
انواع روش مالتی پلکسینگ به شرح زیر است:
۱ـ مالتی پلکسینگ تقسیم فرکانسی (FDM: Frequency Division Multiplexing)
۲ـ مالتی پلکسینگ تقسیم زمانی (TDM: Time Division Multiplexing) که بر دو نوع است:
(Synchronous TDM) همگام TDM ـ۲ـ۱
۲ـ۲ـ TDM ناهمگام (Asynchronous TDM) یا هوشمند که به آن مـالتی پلکسـینگ آمـاری (Statistical Multiplexing)نیـز گفتـه
میشود
۳ـ مالتی پلکسینگ تقسیم طول موج (WDM: Wave – length Division Multiplexing)
(CDM یا CDMA: Code Division Multiple Access) کد تقسیم پلکسینگ مالتی ـ۴
روش FDM
در روش FDM ابتدا باید سیگنالهای دیجیتال را به وسیله مدولاسیون به سیگنالهای آنالوگ تبدیل کرد. فرکانس حامل مدولاسـیون سیگنالهایی که همزمان بر روی یک رسانه انتقال قرار میگیرند متفاوت است، بهطوری که این سیگنالهـا در حـوزه فرکـانس دربانـدهای فرکانسی جدا از یکدیگر در کنار هم قرار میگیرند (البته با یک فاصله فرکانسی (Guard Band) به منظور جلوگیری از تداخل امـواج). ایـن سیگنالها در مقصد به وسیله عمل دی مدولاسیون (Demodulation) قابل جداسازی هستند (دقیقا همانند امـواج رادیـویی ایسـتگاههـای مختلف که همگی در کنار یکدیگر در یک کانال (هوا) منتشر میشوند و بخش Tuner رادیو شما قادر اسـت مـوج دلخـواه شـما را از سـایر امواج جدا سازد).
روش TDM همگام
در روش Synchronous TDM (گاهی برای سادگی به آن TDM گفته میشود ) چون نرخ انتقال رسانه بیش از نرخ ترافیک هر یـک از سیگنالهای دیجیتال است، زمان را به برشهای زمانی (Time Slice) کوچک تقسیم میکنیم و در هر برش زمانی بیتهای مربوط به یکی از سیگنالهای دیجیتال را بر روی خط قرار میدهیم. اگر در این روش یک فرستنده در برش زمانی خـودش دادهای بـرای ارسـال نداشـته باشد، آن برش زمانی هدر میرود. دو روش FDM و Synchronous TDM در واقع یک رسانه انتقال را بـه چنـدین کانـال مجـزا تقسـیم مینمایند.
روش TDM ناهمگام یا مالتی پلکسینگ آماری
در این روش که در شبکه های پیشرفته مانند Asynchronous Transfer Mode) ATM) به کار میرود، بر خلاف روش قبلی زمان را به برشهای زمانی مساوی تقسیم نمیکنیم و پهنای باند ثابتی را برای هر کانال رزرو نمینماییم؛ بلکه بستهها یا سلولهـای داده ایجـاد شـده توسط کاربران مختلف را (که به صورت تصادفی ایجاد میشوند) بر روی خط قرار میدهیم. یعنی ظرفیت نرخ انتقـال رسـانه را بـه صـورت 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 بـه طـور همزمان در یک فیبر نوری منتشر میشود. واضح است که برای مثال جداسازی دو سیگنال نوری با طول موجهای آبی و قرمز در مقصد بـهc سادگی امکانپذیر خواهد بود. طول موج برابر است با نسبت سرعت موج به فرکانس موج:
(CDMA(CDM روشدر این روش که برای مثال در تکنیک طیف گسترده به کار رفته در شبکههای محلی بیسیم مورد اسـتفاده قـرار مـیگیـرد، داده هـایمربوط به چند کانال به طور همزمان ( بر خلاف TDM ) و در یک باند فرکانسی ( بر خلاف FDM) و بالطبع در یک طول مـوج ( بـرخلاف WDM) در یک رسانه مشترک ارسال میشود! و برای جدا کردن دادهها از روشهای خاص رمزگذاری و تئوری coding استفاده میشـود و اطلاعات کانالهای مجزا به صورت بردارهای متعامد ارسال میگردد، تا در گیرنده قابل جداسازی باشند.
تخصیص پهنای باند کانال (Bandwidth Allocation)
هنگامی که از یک کانال انتقال داده به طور اشتراکی برای ارسال چندین سیگنال جداگانـه (مربـوط بـه فرسـتندههـای مختلـف) اسـتفاده میشود و از روشهای مختلف مالتی پلکسینگ (روشهای فوق) استفاده میشود، یک موضوع مهم میزان پهنای باند تخصیص یافته به هـریک از ارسال کننده ها میباشد. برای مثال در TDM میتوان به یک فرستنده نسبت به دیگران برش زمانی بیشتری را تخصیص داد. پهنـای باند مورد نیاز هر فرستنده به نوع ترافیک بستههای ارسالی مربوط است که بر دو نوع است:
۱ـ نرخ بیت ثابت (CBR: Constant Bit Rate) : ترافیکهایی مانند پخش فیلم ویدیویی یا مکالمات صوتی
۲ـ نرخ بیت متغیر (VBR: Variable Bit Rate): ترافیکهایی مانند ارتباط با یک سایت وب یا ارسال E-mail یا Telnet
تخصیص پهنای باند کانال بر دو نوع است:
۱ـ 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 کـه در آن یک مدار خاص در ابتدای کار با پهنای باند ثابت رزرو میشود.
۲ـ تخصیص پویا (Dynamic Allocation): پهنای باند به صورت پویا و بر حسب نیـاز هـر فرسـتنده بـه آن تخصـیص داده
میشود. مانند روش Packet Switching (برای مثال در X.25) و نیز روش پیشـرفته Virtual Circuit (کـه بـرای مثـال در ATM بـه کـار میرود و سلولهای داده مانند Circuit Switching از یک مسیر یا مدار خاص که در ابتدای کار برپا شده است ارسال میشوند؛ اما هماننـدPacket Switching پهنای باند ثابتی را اشغال نمیکنند، یعنی از مزایای هر دو روش بهره میبرد)