کلیات
بشر امروزی در دوره ای زندگی می کند که عصر ارتباطات نامیده می شود. در این دوره بیشترین فعالیت های بشری بر پایه ارتباطات و انتقال اطلاعات از طریق شبکه هایی که تمام دنیا را به یکدیگر متصل کرده بنا شده است. این ارتباط در سطح وسیع خود شبکه جهانی اینترنت و در سطح کوچک تر خود شبکه های محلی هستند که در ساختمان های کوچک و بزرگ از جمله مراکز اقتصادی و شرکت ها گسترده شده اند. هدف از برقراری چنین ارتباطی دسترسی سریع به اطلاعات مورد نیاز و انتقال آن است. اهمیت این ارتباط به قدری است که در دانشگاه ها دوره ای به نام فناوری اطلاعات برای تربیت متخصصین آن برگزار می شود. این متخصصین برای هدایت و راهبری شبکه ها در ابتدا باید با اصول و مقدمات طراحی و پیاده سازی شبکه آشنا شوند.
در این راستا در واحد کار اول با پاره ای از مفاهیم و اصول اولیه راه اندازی شبکه از قبیل آشنای با سیستم های انتقال دیجیتال، روش های انتقال اطلاعات، سرعت انتقال و توپولوژی های شبکه آشنا می شوید.
فراگیر پس از مطالعه این واحد کار می تواند قسمت فیزیکی یک شبکه اعم از نوع شبکه، نوع کابل آن و تجهیزات مورد نیاز برای برقراری ارتباط بین کامپیوترهای یک ساختمان را طراحی و پیاده سازی کند.
سیستم های انتقال دیجیتال
پس از اتصال فیزیکی دو کامپیوتر توسط کابل شبکه یا وسایل ارتباطی دیگر، مهم ترین مسأله نحوه برقراری ارتباط بین آنهاست. منظور از برقراری ارتباط این است که اطلاعات به چه ترتیبی ارسال شوند. می توان این پرسش ها را مطرح کرد که آیا روش ارسال به صورت بیت به بیت و جداگانه باشد یا گروهی از اطلاعات با هم و به صورت گروهی ارسال شوند، یا این که آیا فرستنده آن ها را همانند یک ایستگاه فرستنده رادیویی ارسال نماید یا از روشی که در مخابرات برای انتقال صوت به کار می رود، استفاده شود. جواب این پرسش ها این است که اطلاعات در شبکه به صورت کدهای دودویی ارسال می شوند در سیستم دودویی فقط از دو کد صفر و یک استفاده می شود که در کامپیوتر مقصد از ترکیب این کدها، اعداد، حروف و کاراکترهای ویژه به دست می آید. ارسال اطلاعات به صورت دودویی می تواند به صورت parallel ( یا موازی) یا به صورت سریال ( پشت سر هم) انجام شود. در روش موازی تعدادی از بیت ها با هم و به صورت گروهی ارسال می شوند ولی در روش سریال، بیت ها تک به تک و پشت سر هم ارسال می شوند. نحوه ارسال به صورت موازی فقط یک شیوه دارد، در صورتی که در ارسال سریال از دو روش ارسال هم زمان (synchronous) و غیر هم زمان ( Asynchronoous) استفاده می شود.
ارسال موازی (parallel)
در این روش، اطلاعات قبل از ارسال تبدیل به کدهای باینری شده و یک به یک ارسال می شوند. برای مثال می توان گفت که این عمل مانند این است که یک نامه را تبدیل به حروف تشکیل دهنده آن کرده و حروف را یک به یک ارسال کنیم.
حال تعدادی کد باینری داریم که می خواهیم ارسال کنیم، اگر تعدادی از آن ها را تبدیل به گروه کرده و با هم بفرستیم ارسال سریع تر انجام می شود و این چیزی است که در ارسال موازی اتفاق می افتد. در این روش تعدادی کاراکتر از طریق چند خطی ارتباطی و به صورت هم زمان با هم ارسال می شوند، این خطوط می توانند در دورون یک کابل شبکه یا یک شبکه بی سیم بنا شده باشند.
به صورت پیش فرض 8 خط برای ارسال موازی در نظر گرفته شده است یعنی
می توانیم حداکثر 8 کد را هم زمان ارسال کنیم.
2-1-1- ارسال سریال
در ارسال سریال، بیت ها به دنبال هم و به صورت سری انتقال می یابند، به این ترتیب که بیت ها پشت سر هم قرار گرفته و یک رشته را می سازند و این رشته به کامپیوتر مقصد ارسال می شود. در حین ارسال ممکن است عوامل مختلفی مثل نویز و هم شنوایی که در همین واحد کار در مورد آن ها توضیح داده شده است، روی اطلاعات اثر گذاشته و آن ها را خراب کنند. برای کنترل بیت ها و کمک به ارسال عاری از اشکال، ابتدا و انتهای بیت ها با یک سرس علامت به نام های بیت شروع و بیت پایان؟ مشخص می شود که در روش های مختلف ارسال سریال محل قرار گیری این علامت ها و محتوای آن ها متفاوت است. ارسال سریال به دو روش امکان پذیر است.
الف- ارسال سریال غیر هم زمان
دلیل نام گذاری این روش به غیر هم زمان این است که زمان بندی در هنگام ارسال اطلاعات مهم نیست و زمان بندی بین دو واحد فرستنده و گیرنده انجام می شود.
در این روش انتقال اطلاعات بر اساس الگوهای ارسال و دریافت که از قبل مشخص شده است. انجام می شود و تا وقتی این الگوها رعایت شوند ارسال بدون وقفه انجام می پذیرد. در این روش هر 8 بیت اطلاعات تبدیل به یک رشته شده و قبل از هر رشته یک Start Bit و پس از هر رشته یک Stop Bit قرار می گیرد. در صورتی که هر کدام از بیت ها هنگام ارسال آسیب ببینند، آن بیت مشخص شده و دوباره ارسال می شود. در ارسال غیر هم زمان 25% از کل ظرفیت خط ارتباط صرف کنترل ترافیک شده و تنها از 75% ظرفیت برای انتقال اطلاعات استفاده می شود.
توانایی کامپیوترها در ارسال و دریافت اطلاعات از نظر سرعت متفاوت است، بنابراین ممکن است یک کامپیوتر بتواند در واحد زمان، مقدار بیشتری اطلاعات به سمت کامپیوتر مقصد ارسال کند. بدیهی است در چنین حالتی، کامپیوتر گیرنده که با سرعت کمتری کار می کند نمی تواند تمامی اطلاعات ارسال شده را دریافت نماید، در نتیجه مقداری از این اطلاعات در شبکه از بین می رود، بنابراین در کامپیوترها عملی به نام کنترل ترافیک برای جلوگیری از بروز این مشکل انجام می شود. کامپیوترهایی که در حال تبادل اطلاعات هستند، همواره سرعت ارسال و دریافت را با هم چک کرده و در صورت لزوم سرعت ارسال را کم یا زیاد می کنند. در روش انتقال غیر هم زمان هیچ زمان بندی برای ارسال یا دریافت صورت نمی گیرد و کنترل ترافیک به صورت لحظه ای انجام می شود. به همین دلیل در روش انتقال غیر هم زمان 75% ظرفیت خط انتقال صرف کنترل ترافیک می شود. منظور از ظرفیت خط انتقال همان پهنای باند است که در همین واحد کار توضیح داده شده است.
ب- ارسال سریال هم زمان
در روش ارسال هم زمان همانند روش ارسال غیر هم زمان اطلاعات ابتدا به کدهای دودویی تبدیل می شوند، سپس تعدادی بیت که حاوی اطلاعات ارسالی هستند در امتداد یکدیگر قرار گرفته و یک رشته را تشکیل می دهند، این رشته ها همانند رشته هایی که در روش ارسال غیر هم زمان ساخته می شوند، به وجود می آیند، سپس تعدادی از آن ها به هم متصل شده و رشته طولانی تری را پدید می آورند، پس از آن ابتدا و انتهای این رشته توسط بیت شروع و بیت پایان مشخص می شود، در این لحظه قبل از شروع ارسال، دو کامپیوتر توسط سیستم زمان بندی داخلی، خود را با هم هماهنگ می کنند سپس کامپیوتر ارسال کننده، ارسال را شروع کرده و کامپیوتر گیرنده اطلاعات را دریافت می کند. زمان ارسال یا دریافت اطلاعات توسط سیستم زمان بندی برای هر دو کامپیوتر مشخص می شود، در نتیجه هیچ گاه کامپیوترها ارسال اطلاعات را هم زمان با یکدیگر انجام نمی دهند و عمل انتقال اطلاعات به صورت نوبتی انجام می شود.
در روش ارسال هم زمان علاوه بر استفاده از سیستم انتقال سریع تر، عمل کنترل ترافیک نیز انجام نمی شود و از تمام ظرفیت خط انتقال برای ارسال و دریافت استفاده می شود، به همین دلیل سرعت انتقال به مراتب بالاتر از روش غیر هم زمان است.
2-1 جهت انتقال اطلاعات
بین واحد فرستنده و گیرنده همیشه اطلاعاتی در حال جابه جا شدن است که در محیط های مختلف جهت آن متفاوت است. ارتباط بر اساس جهت های انتقال به سه گروه تقسیم می شوند:
یک طرفه
دو طرفه غیر هم زمان
دو طرفه هم زمان
1-2-1 ارتباط یک طرفه
در این روش یک فرستنده و یک گیرنده ثابت وجود دارد و هیچ گاه جای این دو عوض نمی شود. در روش یک طرفه، اطلاعات توسط فرستنده ارسال و توسط گیرنده دریافت می شود. برای مثال می توان به رادیو یا تلویزیون اشاره کرد. در هر کدام از این سیستم ها، اطلاعات توسط یک فرستنده رادیویی یا تلویزیونی ارسال و توسط گیرنده که همان دستگاه رادیو یا تلویزیون است، دریافت می شود و هیچ گاه جهت ارسال تغییر نمی کند. به این روش ارسال یک طرفه می گویند.
2-2-1 ارتباط دو طرفه غیر هم زمان
در روش دو طرفه غیر هم زمان ارسال دو طرفه ولی غیر هم زمان است یعنی دو واحد A و B نمی توانند هم زمان برای یکدیگر اطلاعات ارسال کنند و این کار باید متناوب انجام شود. در واقع هنگامی که واحد A در حال ارسال اطلاعات است، واحد B فقط باید دریافت کننده باشد و برعکس. برای مثال می توان به واکی- تاکی یا فرستنده- گیرنده های بی سیم اشاره کرد.
3-2-1 ارتباط دو طرفه هم زمان
در روش دو طرفه هم زمان هر دو واحد AوB می توانند به صورت هم زمان فرستنده و گیرنده اطلاعات باشند. به طور مثال می توان از طریق دو دستگاه تلفن بدون هیچ مشکلی به صورت هم زمان و دو طرفه ارتباط برقرار کرد. انتقال اطلاعات در تلفن، نمونه ای از انتقال اطلاعات به صورت دو طرفه هم زمان است.
3-1 سیگنال های اطلاعات
مفهومی را که به انتقال اطلاعات از نقطه ای به نقطه دیگر و هم چنین یکسری از پالس ها در کامپیوتر اشاره می کند، سیگنال می نامند. امواج رادیویی و ویدیویی نمونه ای از این سیگنال ها هستند. شبیه یک موج هستند که در زمان های مختلف مقادیر مختلفی دارند یعنی از زمان شروع موج به جلو، در هر لحظه این موج مقدار متفاوتی با لحظه قبلی دارد. این موج را معمولاً به طوری که در شکل 3-1 (الف) می بینید روی بردار نمایش می دهند. محور عمودی نمایانگر مقدار عددی موج و محور افقی نمایانگر زمان است.
صدای شخصی که در حال صحبت کردن است، نمونه ای از یک سیگنال آنالوگ می باشد، به این صورت که صدا به صورت ممتد تولید شده و بلندی صدا دائماً در حال تغییر است.
در مقابل سیگنال دیجیتال فقط دو حالت دارد بدین مفهوم که ارزش عددی سیگنال دیجیتال صفر یا یک است، یعنی در واحدهای زمانی مختلف فقط دو ارزش عددی متفاوت داریم. اگر بخواهیم مثالی برای یک سیگنال دیجیتال بیاوریم، می توانیم به یک لامپ اشاره کنیم که فقط دو وضعیت خاموش یا روشن دارد. این موج را روی بردار به صورتی که در شکل 3-1 (ب) نمایش داده شده است، می بینید.
1-3-1 سیگنال های Periodicو Aperiodic
هر دو نوع سیگنال های آنالوگ و دیجیتال به دو فرم Periodicو Aperiodic به کار می روند.
الف- سیگنال های Periodic
اگر الگو یا همان شکل سیگنال ها در فاصله های زمانی مشخص تکرار شود، به آن سیگنال Periodic می گویند در سیگنال ها اگر یک الگو کامل شود و در آستانه تکرار قرار گیرد، به آن یک Cycle می گویند. یک period یا دوره، به مقدار زمانی می گویند که یک چرخه یا Cycle در آن اتفاق می افتد.
ب- سیگنال های Aperiodic
سیگنال های Aperiodic الگو و شکل مشخصی ندارند و الگوهای آن در فاصله های زمانی غیر قابلا پیش بینی تکرار می شوند.
4-1 پهنای باند
یکی از مسایلی که به هنگام طراحی و راه اندازی شبکه همواره مورد توجه قرار می گیرد و از درجه اهمیت بالایی برخوردار است، پهنای باند می باشد. پهنای باند به طور کلی تعریف است که برای سیستم های انتقال آنالوگ استفاده می شود. هر سیستم انتقال آنالوگ توانایی محدودی در انتقال امواج دارد، بدین صورت که پایین ترین و بالاترین فرکانسی که یک رسانه بری انتقال اطلاعات استفاده می کند، مشخص است، به طور مثال پایین ترین فرکان Hz 300 و بالاترین فرکانس Hz 3300 است. واحد سنجش فرکانس هرتز می باشد. حد فاصل این دو فرکانس یعنی فاصله بین پایین ترین و بالاترین عدد، پهنای باند رسانه نامیده می شود رسانه ای با مشخصات ذکر شده فقط قادر به ارسال سیگنال های است که در محدوده بین 300 و 3300 هرتز قرار گرفته باشند. در واقع پهنای باند، ظرفیت انتقال اطلاعات توسط رسانه است.
در سیستم های انتقال دیجیتال، ظرفیت انتقال اطلاعات با واحد بیت در ثانیه سنجیده می شود. برای مثال می توان به پهنای باند یک مودم اشاره نمود. از مودم k56 این است که پهنای باند آن 56000 بیت در ثانیه می باشد.
از عوامل مؤثر در پهنای باند، طول، قطر و جنس کابل است. طول کابل با پهنای باند نسبت معکوس و قطر کابل با پهنای باند نسبت مستقیم دارد یعنی هر چه طول کابل بیشتر شود، پهنای باند کمتر شده و هر چه قطر کابل بیشتر شود، پهنای باند نیز بیشتر می شود.
برای انتقال اطلاعات به دو روش از پهنای باند استفاده می شود. این دو روش عبارتند از:
تک باند
باند پهن
در روش تک باند از تمام پهنای باند برای ارسال یا دریافت اطلاعات استفاده می شود، به این معنی که تک باند در هر لحظه فقط می تواند یک سیگنال را از خود عبور دهد، در نتیجه ارسال نوبتی می شود و اطلاعات پشت سر هم و به صورت سری ارسال می شوند. به این نوع شبکه تک باند گفته می شود روش انتقال تک باند دلیل به وجود آمذدن مفهوم packet است. از این روش در شبکه های محلی استفاده می شود. در روش تک باند برای ارسال و دریافت اطلاعات به دو رشته کابل نیاز است که یکی از کابل ها وظیفه ارسال اطلاعات را به عهده دارد و کابل دیگر دریافت اطلاعات را انجام می دهد. سیستم انتقال دیجیتال نیز از روش تک باند استفاده می کند.
روش دیگر انتقال، انتقال باند پهن است. در سیستم انتقال باند پهن، اطلاعات به صورت آنالوگ ارسال می شوند. به این ترتیب باند پهن می تواند از یک کابل، یک یا چند سیگنال را به طور همزمان عبور دهد. هر سیگنال به صورت جداگانه ارسال می شود و تداخلی بین سیگنال های متفاوت به وجود نمی آید. از این روش در شبکه تلویزیونی کابلی استفاده می شود. در شبکه های محلی این روش کاربردی ندارد ولی در شبکه های WAN همواره مورد توجه است.
5-1 نویز
از جمله مشکلاتی که در شبکه به وجود می آید، نویز است. نویز عامل مخربی است که شکل سیگنال ها را تغییر می دهد و باعث بروز اختلال می شود.
عوامل مختلفی باعث به وجود آمدن نویز می شوند. تعدادی از این عوامل عبارتند از: حرارت، القا و هم شنوایی.
حرارت
نویزهایی که در اثر حرارت ایجاد می شوند، بدین گونه عمل می کنند که حرارت باعث می شود الکترون ها در جهات نا مشخص شروع