درس 3
Transmission Basics and Networking Media
مانند بزرگراه ها و خیابان ها که برای سفر با خودروها تعبیر شده اند ، در شبکه ها نیز برای انتقال اطلاعات از اساس و پایه فیزیکی استفاده شده است medid های فیزیکی مسیری از جریان های مغناتیسی را در شبکه ایجاد می کنند . اولین شبکه ها با کابل های زخیم کواکسیال کار می کردند . " سیسکو به پارسی " از انجایی که دنیا در حال تغییر و تحول است و خواستار سرعت بیشتر و تطبیق پذیری و قابلیت اطمینان را خواستار شده است این مدیا ها یا رسانه ها نیز به سرعت تغییر کردند . مشکلات شبکه اغلب در لایه فیزیکی رخ می دهد ، بنابراین درک ویژگی های رسانه ها یا مدیاها برای طراحی های مختلف و عیب یابی مهم است ، شما همچنین باید بدانید که چگونه رسانه ها کار می کنند و نحوه مشکل یابی انها را یاد بگیرید .
Transmission Basics
در شبکه ها دیتا برای انتقال از طول کابل ها عبور و به محیط شبکه انتقال پیدا می کند . انتقال دیتا امروزه نسبت به گذشته از انواع متنوع و پیچیده تری برخوردار است که در زیر به انها اشاره می کنیم :
سیگنال های دیجیتال و انالوگ
یکی از مهمترین شاخص های انتقال دیتا را می توان در نوع سیگنال ها دسته بندی کرد ، ما می توانیم دیتا را به یکی از روش های دیجیتالی یا انالوگی منتقل کنیم . کامپیوتر ها سیگنال های الکتریکی را می گیرند و انها را به دیجیتالی تبدیل می کنند ، این جریان در رابطه با میزان ولت و قدرت سیگنال های الکتریکی در مسیر تعیین شده است . جریان الکتریکی را هم در طول مسیر ولتاژ می نامند ، در کابل های فیبر نوری این جریان با نور حرکت می کند . امواج موج رادیویی نیز درهوا به صورت الکترومغناطیسی هستند . سیگنال های انالوگ نیز با ولتاژ تولید می شوند ، اما با اهنگ ولتاژی متفاوت و بصورت مداوم در یک خط موجی در طول زمان حرکت می کنند که می توانید در شکل 1-3 ان را ببینید ، این سیگنال ها مانند دیگر سیگنال ها در 4 دسته مشخص می شوند :
دامنه ، فرکانس ، طول موج و فاز . دامنه موج اندازه گیری شده از قدرت سیگنال در واحد زمان است ، موج دامنه و ارتفاع در طول زمان برای سیگنال هست ، در شکل 1-3 می توانید طول موجی با 5 ولت و 25 ثانیه در طول زمان و دامنه 0 را مشاهده کنید :
فرکانس تعداد دفعاتی است که چرخه های دامنه یک موج از نقطه ای شروع و در بالاترین دامنه قطع می شوند ، و دوباره به دامنه اول در طول زمان حرکت را اغاز می کنند . فرکانس در سیکل بر ثانیه را هرتز می گویند ، این نام از فیزیکدان المانی هاینریش هرتز گرفته شده است ، برای مثال در شکل 1-3 سیکل موج به بالاترین دامنه و سپس به نقطه شروع بر می گردد و هر یکبار 1 ثانیه است . بنابراین فرکانس این موج در 1 ثانیه چرخش می کند و یا دارای 1 هرتز هست که فرکانس خیلی پایینی است ، فرکانس برای سیستم های انتقال صوت در تلفن بین 300 تا 3300 هرتز است ، انسان می تواند فرکانس های بین 20 تا 20000 هزار را بشنود . ایستگاه رادیویی FM ممکن است فرکانس 850000 هرتز ( یا 850 کیلوهرتز ) تا 108000000 هرتز ( یا 108 کیلوهرتز را داشته باشد . فاصله بین هر سیکل از موج بین موج بعدی را پیک یا طول موج می نامند . این طول موج را می توان بر حسب متر یا فیت حساب کرد . طول موج رابطه معکوسی با فرکانس دارد هر چه موج کوتاهتر باشد فرکانس بالاتر است . ، برای مثال فرکانس 2 مگا هرتزی طول موج 150 متری و طول موج 300 متری دارای فرکانس 1 مگاهرتزی است .
معنی فاز به پیشرفت یک موج در رابطه با طول زمان و در یک نقطه ثابت دارد ، فرض کنید دو موج جداگانه دامنه و فرکانس یکسانی دارند ، اگر یک موج شروع شود و به پایینترین دامنه خود برسد در همان زمان موج دوم شروع می شود و در بالاترین دامنه خود قرار می گیرد ، در شکل 2-3 امواج دامنه و فرکانس در فاز یکسان 90 درجه از هم جدا شده اند . چنانچه میبینید موج ابی رنگ در هر 90 درجه به اوج خود رسیده و به پایین حرکت می کند و موج قرمز رنگ در 180 درجه به اوج خود می رسد و این چرخه تا پایان سیگنال ادامه دارد .
یکی از مزایای سیگنال های دیجیتال به سیگنال های انالوگ این است که انها دارای اعطاف پذیری و تغییر بیشتری هستند ، انها می توانند سیگنال هایی با پیچیدگی زیاد با انرژی کمتری را انتقال دهند . یکی از عیب هایی که سیگنال های انالوگ دارند ایجاد نویز و مبهم شدن ان ها است ، مثلا شما در یک روز طوفانی رادیو AM را گوش دهید متوجه سروصدا و خش خش های زیاد ان می شوید
در شکل 3-3 یک سیگنال دیجیتال متشکل از پالس و ولتاژ دقیق را نشان می دهد ، صفر ولتاژ مثبت ، و 1 نشان دهنده پالس ولتاژ است ، از این 1 و 0 برای نشان دهنده سیستم باینری استفاده می شود . هر پالس در سیگنال دیجیتالی را بیت می نامند .
یک بیت تنها می تواند 1 یا صفر باشد . هر 8 بیت را یک بایت می گویند . به عبارت دیگر هر بایت حمل کننده یک قطعه از اطلاعات است . به عنوان مثال 01111001 یعنی 121 بر روی یک شبکه دیجیتال است . کامپیوتر ها قادر به خواندن انها هستند و برنامه ها و مسیریابی ها را بر اساس انها ترجمه می کنند . ما گفتیم 8 بیت داریم انها را به توان 2 می رسانیم تا به عدد دسیمالی دست بیابیم ، برای مثال 11111111 می شود :
1 × 27 + 1 × 26 +1 × 25 + 1 × 24 + 1 × 23 + 1 × 22 + 1 × 21 + 1 × 20
می شود 255
یا
باز همان 255 می شود 128 + 64 + 32 + 16 + 8 + 4 + 2 + 1
شکل 3- 4
شما می توانید گوگل نیز این تبدیل را انجام دهید و در ابتدا عدد باینری عبارت 0b را تایپ کرد مثلاً 0b10000011 = 131
سیگنال های دیجیتال به دلیل اینکه فقط دو مقدار 1 و 0 را دارند خیلی مطمئن تر عمل می کنند میزان نویز در انها خیلی کمتر است .
Overhead : مفهوم ان که شبکه کاران حرفه ای از ان به عنوان Nondata یاد می کنند ، این است که مسیریابی و انتقال سیگنال ها دچار نباید بشود ، برای مثال در لایه دیتا لینک هدر و تریلر ، که اطلاعات را به لایه نتورک می برند و در لایه ترنسپورت جریان کنترلی به ان دیتا اضافه می شود و به شبکه دیگری منتقل می شود اصطلاحا overhead می گویند .
مدولاسیون دیتا (تبدیل داده ها)
دیتا ها به طور انحصاری در حیطه سیگنال های دیجیتالی هستند ، اما ممکن است در بعضی از شرایط لازم باشد که تبدیلی در سیگنال دیجیتال با سیگنال های انالوگ لازم باشد تا صورت بگیرد ، برای مثال شما وقتی با خطوط مخابراتی مسی می خواهید سرویسی را از یک ISP بگیرید این سیگنال باید در مقطعی به انالوگ تبدیل شود و وقتی به کامپیوتر شما می رسد به دیجیتال دوباره در بیاید . یک مودم مترجمی برای سیگنال هاست ما انها را یک مدولاتور / دمدولاتور می نامیم ، انها تعدیل کننده سیگنال دیجیتال به انالوگ هستند ، انها سیگنال های انالوگ را می گیرند و سپس سیگنال دیجیتال را تحویل می دهند و بلعکس . تبدیل داده ها به این صورت است که دو موج دیجیتالی و انالوگی در مقطعی که به ان اطلاعات یا موج اطلاعات می گویند با هم ترکیب شده سپس در هر جا که سیگنال لازم باشد دیجیتالی یا انالوگ باشد از هم تفکیک داده می شود و با یک طول و موج خاص به خود به صورتی یکتا حرکت می کنند . برای مثال می توان به سیستم های رادیویی FM و AM اشاره کرد که هر دو طول و موج متفاوتی را دارند اما به صورت ترکیبی در هوا پخش می شوند و دستگاه های گیرنده انها را از هم تفکیک می کنند در بخش های DSL در کتاب بیشتر به ان خواهیم پرداخت
Simplex , Half-Duplex , Duplex
Simplex:انتقال دیتا ها چه انالوگ یا دیجیتال دارای انواعی است تا جهت حرکت سیگنال ها مشخص شود ، اگر در یک جهت حرکت کنند ما ان را انتقال سیمپلکس می گوییم مانند فریاد های مربی فوتبال با بازیکنان تیم از یک بلند گو ! سیمپلکس را گاهی ارتباط یک طرفه یا یک سویه می گویند .
half-duplex : سیگنال حالا به صورت دو مسیر انتقال پیدا می کند ، مانند سیستم های بی سیم پلیس ، با فشار یک دکمه صحبت می کنند و سپس از سوی دیگر صبر می کنند و گوش می کنند .
Full-duplex : وقتی سیگنال ها به طور همزمان در دو مسیر یا دو رشته حرکت می کنند را می گویند. مثلا تماس های تلفنی با دوستتان یکی از این نمونه ها است . به طور دیگر شما همزمان هم می توانید گوش دهید و هم صحبت کنید . شکل زیر نمایی از تفاوت بین این سه را نشان می دهد :
Multiplexing
یک شکلی از انتقال هست که اجازه می دهد تا سیگنال های چند گانه بتوانند "سیسکو به پارسی " همزمان از بیش از یک مدیا یا رسانه استفاده کرده و در طول مسیر سفر کنند . برای حمل سیگنال های متعدد ، کانال متوسطی به صورت منطقی به کانال های متعدد کوچکتر تقسیم می شود ، که این عمل بستگی به مدیاها دارد. می توان کانال های بسیاری را با هم ترکیب کرد و یک مولتی پلکسر یا MUX را ایجاد کرد . و در پایان کانال یک دی مالتی پلکسر DEMUX را قرار می دهند که جداکننده سیگنال و بازسازی کننده به شکل اصلی آن هست . بنابراین می توان در مدت زمان کمتری مقدار زیادی از داده ها را در یک پهنای باند انتقال داد .
TDM :مخفف Time division multiplexing هست ، که کانالی را به چندین کانال با فواصل زمانی خاص تقسیم می کند ، اگر مثلا ما برای انتقال داده ها روی یک سیم ان را به پنج قسمت تبدیل کنیم در هر قسمت بسته به زمان خاصی داد ه ها عبور می کنند در صورتی که در هر قسمت مشکلی پیش بیاید از انتقال داده ها جلوگیری می شود . شکل 7-3 نمایی از یک TDM است :
Statistical multiplexing : شبیه به مدل بالا است ، اما به جای تخصیص دادن زمان به هر بخش ، با توجه به الویت های مدیا ها انتقال را انجام می دهد . این روش کارامد تر از TDM هست چرا که در هر قسمتی ایرادی پیش بیاید دوباره کار انتقال را انجام می دهد . شکل 8-3 :
FDM : مخفف frequency division multiplexing است تخصیص دیتا را برای فرکانس های یکتایی اعمال می کند ، سیگنال های تبدیل شده با حامل های مختلف فرکانس ، بعد از multiplex ( سهم بندی ) همزمان از طول یک کانال عبور می کنند . در اوایل قرن 20 شرکت های تلفنی از ان برای ارسال چندین " سیسکو به پارسی " سیگنال از یک سیم تلفن استفاده می کردند ، 24 سیگنال را می توان با ان روی یک خط سهم بندی کرد و سپس قبل از رسیدن به منازل انها را جدا جدا فرستاد . FDM سیگنال ها ی بالاتر از 3400 هرتز را ارسال می کند ، از انجایی که این سیگنال را شما نمی توانید بشنوید موقع صحبت کردن با تلفن متوجه ان هم نخواهید شد ، شکل 9-3 :
Ahmadtavassolifdm.jpg
نوع های مختلفی را از FDM داریم که در فصل های بعدی انها را شرح می دهیم
WDM : مخفف wavelength division multiplexing ، فناوری استفاده شده در کابل های فیبر نوری است . که کابل را قادر می سازد تا از یک اتصال فیبر نوری بتوان سیگنال های متعددی به طور همزمان عبور داد . تنها با یک WDM می توان بیش از 20 میلیون مکالمه تلفنی را در یک زمان انتقال داد ، در ابتدا WDM باریکه ای از نور را به 40 موج مختلف تقسیم می کند و هر موج که در یک رنگ مختلف هستند می توانند حامل موجی با انتقال 10 گیگابیت در ثانیه شوند . سپس پرتوها را یک دی مالتی پلکسر مانند یک منشور که نور سفید را تقسیم به چندین رنگ می کند انها را جدا می سازد ، شکل 10-3 :
نوع پیشرفته ان هم به نام DWDM مخفف dense wavelength division multiplexing است ، یک فیبر نور را از یک کابل فیبری بین 80 تا 160 کانال تقسیم می کند ، با این فضا می توان مقادیر زیادی طول موج را بوجود اورد . از این ویژگی در مسیر های زیاد و در شبکه های WAN استفاده می شود نظیر سرویس دهنده های اختصاصی متصل به یک ISP .
روابط بین نود ها
در این بخش می خواهیم معروفترین مدل های ارتباطی بین فرستنده و گیرنده را بازگو کنیم . وقتی یک ارتباط تنها دارای یک فرستنده و یک گیرنده باشد به ان ارتباط point-to-point می گویند ، مثلا وقتی از یک ساختمان در شهر تهران با شبکه WAN به یک ساختمان اداری در شیراز متصل می شویم ( مثال را مترجم زده است ) ، گاهی اوقات ما از فرستنده به چندین گیرنده ارسال داریم به ان point-to-multipoint می گویند ، Point-to-multipoint از دو نوع تشکیل می شود :
Broadcast : مانند شبکه های تلویزیون که یک ایستگاه سیگنال را در سراسر یک محدوده مثلا شهر دالاس ارسال می کند
Nonbroadcast : در این نوع ما از یک فرستنده به گیرنده ای خاص انتقال را انجام می دهیم ، مثلا مدیر یک شبکه تعریف می کند که تنها چند کارمند دسترسی به فایل های ویدوئی داشته باشند .
Throughput and Bandwidth (خروجی و پهنای باند(
انتقال دیتا یکی از بحث های تجزیه و تحلیل حرفه ای در عملیات شبکه هست ، اینکه در هنگام خروجی های اطلاعات در شبکه چه میزان باید باشد ، و اینکه در طول چه زمان معینی این عملیات صورت بگیرد . این خروجی را به صورت میزان بیت منتقل شده به ثانیه محاسبه می کنند ، شکل زیر نمایی از تفاوت های ارسال point-to-point با broadcast را نشان می دهد :
جدول زیر انواع پیشوند ها برای نرخ دیتا در شبکه را شنان می دهد :
Baseband and Broadband (باند و پهنای باند (
Baseband : در این مدل سیگنال های دیجیتالی به صورت مستقیم ارسال می شوند و پالس ها به صورت جریان DC به سیم منتقل می شوند . این جریان مستقیم نیاز به استفاده از ظرفیت منحصر به فرد سیم دارد و به عبارت دیگر کل پهنای باند ما تنها در یک مسیر سیم قابل عبور دادن هست . در اینجا ما به مدلی به نام halfduplexing برخورد می کنیم یعنی یک کامپیوتر تنها می تواند با یک سیم ارسال یا دریافت انجام دهد . در شبکه اترنت ما می توانیم از چندین سیم و دستگاه استفاده کنیم اما به طور همزمان تنها یک سیستم قادر به ارسال خواهد بود ، برای مثال شما یک درخواست را برای یک سرور می فرستید ، کارت شبکه شما منتظر می ماند تا پاسخ را از سرور دریافت کند ، در این حال اگر سیستم های دیگری هم داشته باشید انها باید منتظر شوند تا درخواست شما به پایان برسد .
Broadband : سیگنال ها به صورت تبدیل شده RF با امواج رادیویی انالوگ در یک محدوده فرکانسی حرکت می کنند . بر خلاف مدل بالا که گفته شد این مدل به صورت سیگنال های دیجیتالی کار نمی کند . این کار را با مثالی شرح می دهیم ، سیگنال هایی که به تلویزیون شما منتقل می شود از یک مسیر هست ، اما شما می توانید مثلا 25 کانال را که سیگنال های متفاوتی دارند را مشاهده کنید . یعنی با یک کابل که به انتن تلویزیون شما متصل هست می توان از یک مسیر چندین سیگنال مختلف را عبور داد . مثال بالا تنها برای تعریف پهنای باند بود ، ما در شبکه ها می توانیم از پهنای باند استفاده های مختلفی بکنیم و حتی به صورت دیجیتالی دیتا را انتقال بدهیم .
معایب انتقال
هر دو سیگنال انالوگ و دیجیتال در طول زمان دچار کاستی می شوند ، یکی از شایع ترین معایب سیگنال ها نویز " Noise " می باشد .
Noise : همانطور که قبلا گفته شد نویز می تواند تاثیر نامطلوبی بر روی سیگنال های در حال حرکت بگذارد ، یک منبع نویز به صورت EMI ( تداخل مغناطیسی ) می تواند باشد ، یا امواجی است که از کابل های حامل برق بیرون می زند . یک نوع از EMI هست به نام RFI یا تداخل فرکانس رادیویی یا الکترومغناطیسی که ناشی از تداخل امواج رادیویی است . سیگنال های سنگین برادکستی بر روی برج های رادیویی و یا TV می توانند تولید کننده RFI باشند . همانطور که گفتیم تاثیر نویز روی سیگنال های دیجیتالی به دلیل فرکانس با دامنه پایین کمتر تاثیر می گذارد .
نوع دیگری از نویز هست که بر اثر اتصال سیم ها رخ می دهد ما اصطلاحا می گوییم کابل ها دچار cross talk شده اند . کابل هایی هستند به نام NEXT که در نزدیکی و همجواری یکدیگر در یک لایه قرار گرفته اند . چنانچه عایق انها از بین برود دچار اتصالی و نویز می شوند . این نوع کابل ها اکثرا برای تلفن استفاده می شوند و هنگامی که نویز رخ دهد صدای خش خش زیادی در گوشی تلفن شنیده می شود . علاوه بر موارد بالا ، نباید از عوامل محیط زیستی نیز غافل شد ، مثلا گرما خود عامل ایجاد نویز هست ، در هر سیگنالی همیشه مقداری نویز هست ، اما مهندسان سعی کرده اند تا عوامل نویز را به حداقل برسانند انها با بالا بردن قدرت سیگنال توانسته اند نویز را به حداقل برسانند . توجه داشته باشید که نویز از پرامتر های دسیبل dB است .
