انتقال داده ها و شبكه های كامپیوتری

مقدمه ای بر انتقال داده ها و شبكه های كامپیوتری
در دنیـای امـروز كـه مـیتـوان آن را عصـر اطلاعـات نامیـد، انتقـال داده هـا (Data Communication) و شـبكه هـای كـامپیوتری
( Computer Networks) كه حاصل پیوند دو صنعت كامپیوتر و مخابرات است، از اهمیت ویژه ای برخوردار مـیباشـند. هـدف از پیـدایش شبكه های كامپیوتری، اتصال كامپیوترهای مستقل از طریق یك فناوری واحد و قوانین مشخص به منظور انتقال داده هـا و اشـتراك 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 یكی از سبكهای طراحی ماژولار (پیمانهای) سیستمهای بزرگ، سبك معماری لایه ای است. در این سبك یك سیستمهای پیچیده به لایه هایی تقسیم میشود كه هر لایه، وظایف مجزای خاص خودش را دارد و به لایه بالاتر از خود سرویس داده و از لایه پایینتر سرویس میگیرد. سرویسها طبق یك واسط استاندارد خاص داده میشود. مثلاً وظایف فیزیكی سیستمهای الكتریكی و مخابراتی در ارسال و دریافت امواج بر روی رسانه باید از وظایف سخت افزار كنترل 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) یك استاندارد هفت لایه ای را بوجود آورد كه محصولات همه شركتها بتوانند در لایه های مختلـفارتباطی به راحتی به یكدیگر متصل شوند و كار كنند. 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 میكند و از سرویس لایه پایینتـر اسـتفادهمیكند. به تفاوت بین مفهوم پروتكل و سرویس دقت نمائید. شكل 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 كرده و هر لایه از كـاربرد تـا پیونـد داده،سرآیند (Header) خاص خود را به اطلاعات دریافتی از لایه بالاتر اضافه میكنـد. البتـه لایـه پیونـد داده، عـلاوه بـر سـرآیند، یـك دنبالـه(Trailer) نیز به انتهای فریم اضافه میكند. لایه فیزیكی چیزی به فریم اضافه نمیكند. در مقصد همین داده ها لایه لایه بالا رفته و هر لایـه افزونگیهای مخصوص خود را بر میدارد كه این امر یادآور رفتار پشته است كه در آن آخرین سرآیند گذاشته شده، اولین سـرآیندی اسـت كه برداشته میشود. اصطلاح پشته پروتكلی (Protocol Stack) به همین دلیل استفاده میشود. بدیهی است هرچـه تعـداد لایـه هـا بیشـتر شود، سربار افزونگی سرآیندهای پشته پروتكلی بیشتر میشود.
وظایف لایه های استاندارد OSI
۱ـ Physical Layer (لایه فیزیكی)
واحد دادههای انتقالی : بیت (Bit)
هدف: تعریف واسطهای الكتریكی و مكانیكی شبكه (این لایه یك خط دارای خطا را به لایههای بالاتر ارائه میكند)
وظایف: استانداردسازی موارد ذیل:
ـ شكل موج (پالسی ، سینوسی و غیره)
(غیره و HDB3 ،Manchester ،RZ ،NRZ-L) كدگذاری 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 مكانیكی ( Connectorها،Jackها ، Keystone ها و غیره)
ـ زمانبندی و سیگنالینگ (Handshake ،Timing و غیره)
ـ مالتی پلكسینگ (WDM ،FDM، TDM و غیره)
۲ـ Data Link Layer (لایه پیوند داده یا لایه پیوند)
واحد انتقال داده: فریم (Frame)
هدف: كنترل پیوند داده (این لایه میتواند یك خط بدون خطا و دارای كنترل جریان را به لایههای بالاتر ارائه دهد)
وظائف:
ـ Framing: شناسایی ابتدا و انتهای فریم
مشكل عدم آمادگی CPU به علت پردازش وقفه قبلی
ـ Flow Control: تطبیق سرعت فرستنده و گیرنده
مشكل عدم فضای كافی 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 كنترل دسترسی به رسانه های مشترك انتشاری مثل پروتكل زیـر لایـه كنتـرل دسترسـی بـه رسـانه یـا Medium Access MAC)
IEEE 802.x استانداردهای مانند :Control)
۳ـ Network Layer (لایه شبكه)
واحد انتقال داده: بسته (Packet)
وظائف:
ـ مسیریابی در شبكه (Network Routing)
ـ جلو بردن (پیشبری) بسته ها در شبكه (Packet Forwarding)
ـ جلوگیری از ازدحام (Congestion Control)
(IP Address مثل) Addressing ـ
ـ برپایی و آزادسازی مكالمه Call Setup / Release در ارتباطات نوع Connection Oriented (اتصالگرا)
ـ تطبیق پروتكلها در ارتباطات بین شبكهای (Internetworking)
(به عبارت دیگر اتصال دو شبكه كه ۳ لایه پایین آنها متفاوت است به وسیله Router)
ـ Flow Control (كنترل جریان بین كامپیوتر و واسط شبكه)
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 بالعكس (fragmentation / Defragmentation) و شمارهگذاری بستهها
Error Control ـ
ـ Flow Control (تطبیق سرعت میزبانهای سریع و كند)
ـ Quality of Service ) QoS) و پشتیبانی از چندین Class سرویسدهی
ـ تضمین دریافت صحیح دادهها با سرویسدهی مستقل از نوع شبكه برای ارسال پیغامهای لایه پنجم به مقصد (فـرض كنیـد بـر روی
یك لایه ۳ از نوع Connection less و نامطمئن قرار دارد)
۵ـ Session Layer (لایه جلسه یا نشست)
واحد انتقال داده: پیغام
هدف: كنترل ، سازماندهی، مدیریت و همگامسازی (Synchronization) جلسه بین مبدا و مقصد
وظیفه اصلی:
ـ Setup و Release جلسه از طریق یك كانال ارتباطی بین مبدا و مقصد برای كل زمان مكالمه
اقدامات خاص:
برای ارتباط Half Duplex، همگامسازی و تعیین زمان شروع و پایان ارسال برای هر طرف
برای مكالمات طولانی، تعیین نقاط شكست (Synchronization Point Transaction) برای همگامسازی (در صورت وقوع خطـا، ارسـال
مجدد از آن نقاط انجام میشود (و نه از ابتدای مكالمه طولانی))
گزارش خطاهای غیرقابل حل به لایههای بالاتر (Exception Reporting)
۶ـ Presentation Layer (لایه ارائه)
واحد انتقال داده: پیغام
هدف: مذاكره برای تعیین Syntax ها، نحوه بیان دادهها و غیره
وظایف: وظیفه این لایه ارسال و دریافت پیغامها مستقل از نوع Syntax آنهاست كه شامل موارد ذیل است:
ـ Data Representation (نحوه بیان دادهها و Syntax دادهها)
ـ فشرده سازی و باز كردن كدها (Compression / Decompression)
ـ رمز نگاری و رمزگشایی به منظور ایجاد امنیت و محرمانگی ( Security وEncryption / Decryption)
ـ تبدیل كدینگهای مختلف به یكدیگر (مانند ASCII به ABCDIC)
۷ـ Application Layer (لایه كاربرد)
واحد انتقال داده: پیغام
هـدف: ایجاد محیط مناسب جهت ارتباط برنامههای كاربردی كاربر انتهایی با سرویسهای توزیع اطلاعات شبكه 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 مدارك نظیر E.Mail (مانند SMTP)
ـ Job (process) Transfer & Manipulation: ارسال فرآیندها در شبكه 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: بانكهای اطلاعاتی Name Server كه برای شناسایی طرف مقابل به وسیله نام (به جای آدرس) به كار مـیرونـد
(مانند DNS در اینترنت)
ـ تعیین اینكه آیا طرف مقابل ارتباط در حال حاضر در دسترس هست یا خیر
ـ واگذاری اختیارات (Authority) به طرف مقابل
ـ توافق بر سر مكانیزمهای 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 كاركترها و غیره)
ارتباطات بین شبكه ای (Internetworking)
برای اتصال شبكه ای LAN و یا WAN به یكدیگر، ابتدا باید ببینیم كه این شبكه ها از لایه یك تا چه لایه ای با یكدیگر متفـاوت هسـتند.
حالتهای ارسال
دركانالهای انتقال داده سه حالت یا مود (Mode) ارسال وجود دارد كه عبارتند از:
۱ـ ساده (Simple یا Simplex) یا یك طرفه كه به آن SX نیز گفته میشود. این روش مخصوص ارسال یـك سـویه دادههـا اسـت كـه
همواره یك طرف فرستنده و یك طرف گیرنده است.
۲ـ نیمه دوطرفه (Half Duplex) كه به آن HDX نیز گفته میشود. در این روش میتوان دادهها را بر روی كانال ارسال و دریافت كـرد
اما نه به طور همزمان (در هر لحظه ارتباط یك سویه است اما میتوان جهت ارسال را تغییر داد)، مانند دستگاه بیسیم.
۳ـ كاملا” دو طرفه ((Full Duplex كه به آن FDX نیز گفته میشود. در این روش همزمان میتوان دادههـا را بـر روی كانـال ارسـال و
دریافت كرد، مانند تلفن.
مالتی پلكسینگ (Multiplexing)
معمولا ظرفیت یا پهنای باند یك رسانه انتقال داده از پهنای باند مورد نیاز یك فرستنده بیشتر است و باید بین كاربران مختلف به اشتراك
گذاشته شود. تكنیك مالتی پلكسینگ (تسهیم) این امكان را به وجود میآورد كه به طور همزمان (یا شبه همزمان) چند سیگنال مختلـف
را از یك خط عبور دهیم و از ظرفیت رسانه به صورت بهینه استفاده كنیم. عمل قرار دادن چند سیگنال بر روی یك خط در مبـدا توسـط
دستگاهی به نام Multiplexer و عمل جداسازی آنها در مقصد توسط دستگاهی به نام Demultiplexer انجام میشود.
انواع روش مالتی پلكسینگ به شرح زیر است:
۱ـ مالتی پلكسینگ تقسیم فركانسی (FDM: Frequency Division Multiplexing)
۲ـ مالتی پلكسینگ تقسیم زمانی (TDM: Time Division Multiplexing) كه بر دو نوع است:
(Synchronous TDM) همگام TDM ـ۲ـ۱
۲ـ۲ـ TDM ناهمگام (Asynchronous TDM) یا هوشمند كه به آن مـالتی پلكسـینگ آمـاری (Statistical Multiplexing)نیـز گفتـه
میشود
۳ـ مالتی پلكسینگ تقسیم طول موج (WDM: Wave – length Division Multiplexing)
(CDM یا CDMA: Code Division Multiple Access) كد تقسیم پلكسینگ مالتی ـ۴
روش FDM
در روش FDM ابتدا باید سیگنالهای دیجیتال را به وسیله مدولاسیون به سیگنالهای آنالوگ تبدیل كرد. فركانس حامل مدولاسـیون سیگنالهایی كه همزمان بر روی یك رسانه انتقال قرار میگیرند متفاوت است، بهطوری كه این سیگنالهـا در حـوزه فركـانس دربانـدهای فركانسی جدا از یكدیگر در كنار هم قرار میگیرند (البته با یك فاصله فركانسی (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 كه همگی در كنار یكدیگر در یك كانال (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 ترافیك هر یـك از سیگنالهای دیجیتال است، زمان را به برشهای زمانی (Time Slice) كوچك تقسیم میكنیم و در هر برش زمانی بیتهای مربوط به یكی از سیگنالهای دیجیتال را بر روی خط قرار میدهیم. اگر در این روش یك فرستنده در برش زمانی خـودش دادهای بـرای ارسـال نداشـته باشد، آن برش زمانی هدر میرود. دو روش FDM و Synchronous TDM در واقع یك رسانه انتقال را بـه چنـدین كانـال مجـزا تقسـیم مینمایند.
روش TDM ناهمگام یا مالتی پلكسینگ آماری
در این روش كه در شبكه های پیشرفته مانند Asynchronous Transfer Mode) ATM) به كار میرود، بر خلاف روش قبلی زمان را به برشهای زمانی مساوی تقسیم نمیكنیم و پهنای باند ثابتی را برای هر كانال رزرو نمینماییم؛ بلكه بستهها یا سلولهـای داده ایجـاد شـده توسط كاربران مختلف را (كه به صورت تصادفی ایجاد میشوند) بر روی خط قرار میدهیم. یعنی ظرفیت نرخ انتقـال رسـانه را بـه صـورت پویا بین كاربران تقسیم مینماییم.
روش WDM
در این روش كه در فیبرهای نوری مورد استفاده قرار میگیرد، چندین موج نوری با طول موجهای (Wave – length) مختلف بـه طـور همزمان در یك فیبر نوری منتشر میشود. واضح است كه برای مثال جداسازی دو سیگنال نوری با طول موجهای آبی و قرمز در مقصد بـهc سادگی امكانپذیر خواهد بود. طول موج برابر است با نسبت سرعت موج به فركانس موج:
(CDMA(CDM روشدر این روش كه برای مثال در تكنیك طیف گسترده به كار رفته در شبكههای محلی بیسیم مورد اسـتفاده قـرار مـیگیـرد، داده هـایمربوط به چند كانال به طور همزمان ( بر خلاف TDM ) و در یك باند فركانسی ( بر خلاف FDM) و بالطبع در یك طول مـوج ( بـرخلاف WDM) در یك رسانه مشترك ارسال میشود! و برای جدا كردن دادهها از روشهای خاص رمزگذاری و تئوری coding استفاده میشـود و اطلاعات كانالهای مجزا به صورت بردارهای متعامد ارسال میگردد، تا در گیرنده قابل جداسازی باشند.
تخصیص پهنای باند كانال (Bandwidth Allocation)
هنگامی كه از یك كانال انتقال داده به طور اشتراكی برای ارسال چندین سیگنال جداگانـه (مربـوط بـه فرسـتندههـای مختلـف) اسـتفاده میشود و از روشهای مختلف مالتی پلكسینگ (روشهای فوق) استفاده میشود، یك موضوع مهم میزان پهنای باند تخصیص یافته به هـریك از ارسال كننده ها میباشد. برای مثال در TDM میتوان به یك فرستنده نسبت به دیگران برش زمانی بیشتری را تخصیص داد. پهنـای باند مورد نیاز هر فرستنده به نوع ترافیك بستههای ارسالی مربوط است كه بر دو نوع است:
۱ـ نرخ بیت ثابت (CBR: Constant Bit Rate) : ترافیكهایی مانند پخش فیلم ویدیویی یا مكالمات صوتی
۲ـ نرخ بیت متغیر (VBR: Variable Bit Rate): ترافیكهایی مانند ارتباط با یك سایت وب یا ارسال E-mail یا Telnet
تخصیص پهنای باند كانال بر دو نوع است:
۱ـ تخصیص ایستا (Static Allocation): به هر فرستنده پهنای باند ثابتی را تخصیص میدهد. در ترافیكهای VBR مناسب
نیست، زیرا گاهی پهنای باند هدر میرود و گاهی دچار كمبود پهنای باند و كندی ارسال خواهیم شد. مانند روش Circuit Switching كـه در آن یك مدار خاص در ابتدای كار 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 (كـه بـرای مثـال در ATM بـه كـار میرود و سلولهای داده مانند Circuit Switching از یك مسیر یا مدار خاص كه در ابتدای كار برپا شده است ارسال میشوند؛ اما هماننـدPacket Switching پهنای باند ثابتی را اشغال نمیكنند، یعنی از مزایای هر دو روش بهره میبرد)