Transcript network1-5
فصل دوم: الیه فیزیکی -1بیت /بایت بیت( )bitمخفف رقم دو دویی ( )binary digitاست و می تواند صفر یا یک باشد. بیت در یک کامپیوتر با وجود شارژ الکتریکی یا عدم وجود شارژ مشخص می شود.به طور مثال بیت صفر باینری ممکن است با ولتاژ صفر ولت و بیت یک باینری با مقدار الکتریکی پنج ولت نمایش داده شود. هشت بیت تشکیل یک بایت ( )byteرا می دهند که بایت می تواند نمایش یک کاراکتر یا داده در روش کد گذاری اسکی ()asciiباشد. 2 -1بیت /بایت نمایش واحدهای اطالعات مثال تعریف واحد On / off 0 or 1 )Bit (b نمایش یک کاراکتر اسکی مثال A 8 bit )Byte (B یک Emailساده در حدود 3 KB 1K=1024 B=2^10 B )Kilo Byte (KB حجم یک فالپی دیسک 1/44 MBیا حجم یک CD= 700MB 1M=1024 KB=1024 *1024 B= 2^20 B )Mega Byte (MB حجم یک هار دیسک 120 GB =1GB=1024 MB=1024*1024 KB 1024*1024*1024 B=2^30 B )Giga Byte (GB مقدار داده ارسالی در یک فیبر نوری در یک ثانیه 1TB=1024 GB=1024*1024 =MB=1024*1024*1024 KB 1024*1024*1024*1024 B=2^40 B )Tera Byte (TB 3 -2پهنای باند )(Band width یکی از مشخصه های شبکه های کامپیوتری است. در اصطالح مخابراتی پهنای باند یک رسانه انتقال ،محدوده فرکانسی است که ان رسانه می تواند منتقل کند. در اصطالح شبکه های کامپیوتر های ،حداکثر مقدار اطالعاتی است که در واحد زمان از یک نقطه به نقطه دیگر می تواند انتقال یابد. واحد اصلی انتقال داده بیت و واحد زمان ثانیه است در نتیجه واحد جدید b/sکه واحد پهنای باند است بوجود می آید. نمایش واحدهای انتقال معادل خالصه واحد پهنای باند واحد اصلی پهنای باند=1bps bps bits / second 1Kbps=10^3 bps Kbps Kilobits / second 1Mbps=10^6 bps Mbps Megabits / second 1Gbps=10^9 bps Gbps Gigabits / second 1Gbps=10^12 bps Tbps Terabits / second 4 -2پهنای باند )(Band width • برای توضیح بیشتر پهنای باند ,می توان از یک جاده یا بزرگراه بین شهری مثال زدبه طوری که پهنای باند مانند تعداد خطوط یک بزرگراه (عرض آن) است. • بزرگراه می تواند دارای یک,دو یا چهار خط باشد .تعداد خط ها به معنای پهنای باند است و تعداد ماشین هایی که در هر خط حرکت می کنند را می توان به صورت پیغام های اطالعاتی در نظر گرفت. • پهنای باند به محیط فیزیکی رسانه انتقال و نیز تکنولوژی انتقال بستکی دارد. 5 (Band width) پهنای باند-2 پهنای باند و محدوده فیزیکی در بعضی از رسانه های انتقال رسانه انتقال 6 پهنای باند حداکثر فاصله فیزیکی 50-ohm coaxial (ethemet 10Base2,Thin net) 10-100Mbps 185M 75-Ohm coaxial cable (ethemet 10base5,Thick net) 10-100Mbps 500M Category 5 unshielded twisted pair(utp) (ethemet 10 baset) 10Mbps 100M Category 5 unshielded twisted pair(utp) (ethemet 100 basetx)(fast Ethernet) 100Mbps 100M Multimode(62.5/125µm) optical fiber 100 base-fx 100Mbps 2000M Singlemod(10µm core) optical fiber 1000 base-lx 1000Mbps(1.000Gbps) 3000M wireless 10Mbps 100M -3توان عملیاتی یا گذردهی )(Throughput یک شبکه LANبا پهنای باند 10Mbpsمفروض است.آیا بارگذاری یک فایل از سرور به یک کامپیوتر کالینت ،پهنای باند تبلیغ شده به دست می آید؟ گذردهی به معنی پهنای باند واقعی و اندازه گیری شده در هنگام انتقال اطالعات (مثال بارگذاری یک فایل) در ساعات خاصی از روز است. گذردهی به دالیل زیر از پهنای باند یک رسانه انتقال کمتر است: -1 وجود دیگر کاربران(ممکن است پهنای باند اعالم شده مابین آنها به اشتراک گذاشته شود). -2 نوع توپولوژی و طراحی شبکه -3 نوع داده انتقالی (فایل متنی ،فیلم ،صفحات وب ).... -4 سرعت کامپیوتر کاربر -5 سرعت کامپیوتر سرور -6 زمان استفاده -7 وضعیت آب وهوایی ،بخصوص در هنگام انتقال داده در اینترنت 7 -4محاسبه حداکثر نرخ ارسال داده حداکثر نرخ ارسال داده (پهنای باند) در یک رسانه انتقال یا کانال را توسط رابطه نایکوئیست به صورت زیر می توان تعیین کرد. C(b/s)=2B(Hz)logM2 که در آنcظرفیت کانال Bپهنای باند رسانه انتقال و Mتعداد سطوح سیگنال در هنگام ارسال اطالعات است. 8 قضیه نایکوئیست به طور مثال اگر پهنای باند خط تلفن 4KHZباشد و فرستنده ای از 16سیگنال مختلف برای ارسال اطالعات استفاده نماید. آنگاه با استفاده از خط تلفن حداکثر 32000بیت در ثانیه را می توان انتقال داد. زیرا داریم: C=2×4×103(HZ)log162=8×103×4=32×102 قضیه شانون حداکثر نرخ ارسال داده در یک رسانه انتقال دارای نویز توسط رابطه شانون و به صورت زیر محاسبه می شود: :sتوان سیگنال )𝑡𝑡𝑎𝑤(𝑆 )𝑡𝑡𝑎𝑤(𝑁C(b/s)=B(Hz)log2(1+ :Nتوان نویز که در آن cظرفیت کانال s,توان سیگنال Nتوان نویز B,پهنای باند است قضیه شانون به طور مثال اگر پهنای باند خطوط تلفن 4KHZباشد و نسبت توان سیگگنال به توان نویز 1023 باشد آنگاه با استفاده از خط تلفن 40000بیت در ثانیه را می توان انتقال داد زیرا داریم: C=4×103(HZ)LOG2(1+1023)=40×103=4×104 -5تاخیر)(delay- latency تاخیر بیانگر این است که چه مدت طول می کشد یک پیغام از زمانی که اولین بیت از فرستنده ارسال شود به طور کامل در گیرنده دریافت شود. تاخیر از 4جز تشکیل می شود: زمان تاخیر انتشار یا زمان انتشار پیغام)،(propagation time زمان ارسال پیغام )،(transmission time زمان انتظار در صف و تاخیر پردازش. زمان انتشار: بیانگر زمان مورد نیاز برای انتقال کامل یک بیت از فرستنده به گیرنده است .زمان انتشار از رابطه زیر محاسبه می شود: سرعت انتشار یک سیگنال به رسانه انتقال و فرکانس سیگنال بستگی دارد. به طور مثال در خال ،نور با سرعت 3 × 108متر بر ثانیه منتشر می شود ،نور با سرعت کمتر در هوا و خیلی کمتر در کابل منتشر می شود زمان ارسال: زمان مورد نیاز برای اینکه اولین بیت پیغام از سمت فرستنده ارسال شود تا زمانی که آخرین بیت نیز توسط فرستنده ارسال شود. زمان ارسال بستگی به طول پیغام و پهنای باند کانال دارد و از رابطه زیر محاسبه می شود: زمان انتظار در صف :زمان مورد نیاز برای هر وسیله انتهایی یا میانی نظیر مسیریاب برای نگهداری پیغام قبل از اینکه پردازش شود. تاخیر پردازش :زمان الزم برای بررسی و پردازش پیغام توسط مسیریاب است. -6حاصلضرب پهنای باند در تاخیر پهنای باند و تاخیر دو معیار کارایی یک کانال هستند و حاصلضرب هردو بیانگر تعداد بیت هایی است که می تواند یک کانال را به طور کامل پر کند. متفاوت بودن عمل انتقال اطالعات کامپیوترها عملیات خود را به صورت باینری انجام می دهند( عملیاتی مثل محاسبات و عملیات ورودی خروجی). عمل انتقال اطالعات در شبکه های کامپیوتری با توجه به نوع رسانه انتقال مشخص می شود. •یعنی در رسانه الکتریکی ،مقدار باینری 1می تواند 5ولت و باینری 0برابر ولتاژ 0باشد. •در رسانه نوری ،وجود نور برای 1باینری و عدم وجود نور برای باینری 0می باشد. •در انتقال بی سیم ،دو شکل موج مختلف نشان دهنده 1و 0باینری است. 16 پدیده های رسانه ای انتقال اما در هنگام ارسال بیتها بایستی 7پدیده را در نظر گرفت: -1تاخیر انتشار )(Propagation Delay -2تضعیف )(Attenuation -3انعکاس )(Reflection -4نویز )(Noise -5برخورد )(Collision -6جیتر )(Jitter -7اعوجاج تاخیری )(Distortion Delay 17 تاخیر انتشار )(Propagation Delay زمانی که یک فرستنده یک بیت اطالعات را ارسال می کند ،همان لحظه آن بیت به گیرنده نمی رسد بلکه آن بیت بایستی رسانه انتقال را در زمانی (زمان انتشار) طی می کند .این زمان براساس رابطه زیر بدست می آید: t= X / V :Xفاصله بین فرستنده و گیرنده بر حسب متر است(m) . :Vسرعت انتقال اطالعات در رسانه (بر حسب )m/sاست. 18 تاخیر انتشار )(Propagation Delay مثال :اگر فاصله خورشید تا زمین 150میلیون کیلومتر باشد و سرعت نور نیز 300هزار کیلومتر بر ثانیه باشد نور فعلی خورشید در چه زمانی انتشار یافته است. 𝑚𝐾 150×106 𝑋 دقیقه 8ثانیه و =20ثانیهT=𝑉=300×103𝐾𝑚/𝑆=500 با توجه به این که هیچ اطالعاتی سریع تر از سرعت نور نمی تواند منتشر شود بنابراین تمامی رسانه های انتقال حتی رسانه های نوری نیز دارای تاخیر انتشار هستند . متاسفانه راه حلی برای از بین بردن پدیده تاخیر انتشار وجود ندارد مگر تعویض رسانه انتقال با رسانه ای که تاخیر انتشار کمتری داشته باشد. 19 تضعیف )(Attenuation به معنی از دست رفتن توان و قدرت سیگنال ارسالی است. •در یک رسانه الکتریکی مثل کابل ،اگر طول کابل بسیار طوالنی باشد ارسال یک بیت 1از طرف فرستنده پدیده تضعیف دریافت یک بیت 0در طرف گیرنده از دست رفتن دامنه انرژی اطالعات • در یک رسانه نوری نیز پدیده تضعیف روی می دهد ،زیرا نور به صورت پخشی منتشر می شود و به تدریج انژی آن از بین می رود. سه روش جهت کم رنگ کردن تضعیف در رسانه نوری: تغییر رنگ نور (طول موج نور) استفاده از فیبر نوری تک حالته دیودهای لیزری •در امواج رادیویی و مایکرو یو نیز وجود دارد ،بدلیل جذب و پراکنده شدن این امواج توسط بعضی از ذرات مولکولهای جو زمین 20 راههای مقابله با تضعیف -1استفاده از رسانه انتقال با تضعیف کمتر -2استفاده از تکرارگر ) (Repeaterدر فواصل معین مابین فرستنده و گیرنده قوی گیرنده تکرارگر رسانه انتقال ضعیف فرستنده رسانه انتقال تکرارگر اطالعات تضعیف شده را از فرستنده دریافت کرده و دوباره همان اطالعات را بدون تغییر و با شدت اولیه تکرار می کند. برای رسانه های مختلف تکرارگرهای متفاوتی وجود دارد. 21 تضعیف )(Attenuation دسی بل یا : DBبرای نمایش ضعف یا قدرت یک سیگنال ،مهندسین از واحد دسی بل استفاده می کنند. دسی بل توان و قدرت دو سیگنال مختلف را نسبت به یکدیگر و یا توان یک سیگنال را در دو نقطه مختلف بیان می کند که بر اساس رابطه زیر بدست می آید: که در آن p1و p2توان سیگنال در دو نقطه 1و 2است( ویا توان دو سیگنال 1و 2است) از آنجایی که توان متناسب با مجذور ولتاژ است ،بنابراین رابطه فوق می تواند به صورت زیر نوشته شود: 22 تضعیف )(Attenuation به طور مثال اگر توان یک سیگنال در انتهای رسانه انتقال برابر نیمی از توان اولیه سیگنال باشد آنگاه مقدار تضعیف برابر db-3می باشد: یکی از دالیلی که مهندسین از دسی بل برای اندازه گیری توان سیگنال استفاده می کنند این است که وقتی هدف محاسبه توان سیگنال در چند نقطه متوالی و با توجه به توان اولیه سیگنال است، اعداد دسی بل به راحتی قابل جمع و یا تفریق کردن است. به طور مثال اگر سیگنالی از نقطه 1به 2منتقل شود به طوریکه از نقطه 1به 2دارای تضعیف برابر 3دسی بل باشد آنگاه می توان گفت که مقدار نهایی سیگنال در 4نقطه به اندازه 1دسی بل تقویت شده است: 23 انعکاس )(Reflection فرض کنید که یک سر طنابی را به دست گرفته اید و سر دیگر آن را به دیوار بسته اید .اکنون اگر با یک ضربه یک پالس (یک بیت یک) ایجاد کنید بعد از ارسال موج به سمت دیوار می بینید که موج کوچک تری به صورت پالس به سمت شما بر می گردد(انعکاس می یابد). انعکاس در انواع رسانه انتقال روی می دهد. وقتی که یک ولتاژ به یک گسستگی یا قطعی در کابل می رسد ،دوباره باز می گردد و این انعکاس سیگنال موجب از بین رفتن دیگر اطالعات می شود. بعلت شکستگی در رسانه انتقال فیبر نوری بعلت عبور امواج رادیویی و مایکرویو از الیه های متفاوت جو زمین 24 نویز )(Noise هر پدیده ناخواسته که باعث تغییر اطالعات ارسالی در سیگنالهای الکتریکی نوری یا الکترومغناطیسی شود را نویز می نامند. نویز باعث تغییر بیت یک به صفر یا بالعکس می شود. نویز همواره وجود دارد. 25 عوامل ایجاد نویز •دستگاههای جانبی فرسوده •نویزهای حرارتی •تداخل سیگنالهای چندین سیم حامل اطالعات نزدیک بهم (پدیده )Crasstalk •نوسانات منبع تغذیه •اغتشاشات امواج •تداخل امواج رادیویی )(Radio Frequency Interference •اشعه های کیهانی •رعد و برق .... 26 راه مقابله با نویز بایستی نسبت توان سیگنال ارسالی به توان سیگنال نویز ) (S / Nرا حتی االمکان باال نگهداشت تا نویز تاثیری بر اطالعات نداشته باشد. درواقع SNRبه معنای نسبت توان آنچه در نظر است (سیگنال) به آنچه مطلوب نیست(نویز) است .اگر مقدار SNRزیاد باشد یعنی سیگنال توسط نویز خراب نشده است. از آنجایی که SNRنسبت توان دو سیگنال است آن را توسط واحد دسی بل و به صورت رابطه زیر می توان بیان کرد: 27 برخورد )(Collision زمانی که دو بیت از دو کامپیوتر مختلف در یک رسانه انتقال مشترک و در یک زمان ارسال می شوند ،برخورد رخ می دهد. به طور مثال رسانه انتقال کابل ولتاژ باینری یک ارسالی توسط دو کامپیوتر باعث جمع دو ولتاژ و ایجاد سطح ولتاژ سوم می شود که در سیستم باینری دو سطحی قابل تعریف نیست بنابراین آن بیت از دست میرود. روشهای مقابله با برخورد: -1اجازه دادن وقوع برخورد ،کشف آن و وضع قوانینی که احتمال برخورد را کاهش دهد مانند شبکه محلی اترنت -2جلوگیری از وقوع برخورد مانند شبکه های توکن رینگ و FDDI 28 جیتر )(Jitter عملیات سیستم های کامپیوتری مانند محاسبات ،CPUذخیره و بازیابی اطالعات در RAMو حتی ارسال اطالعات در رسانه انتقال توسط کارت شبکه با استفاده از پالس ساعت انجام می شود. اگر پالس ساعت فرستنده اطالعات با پالس ساعت گیرنده همزمان نباشد موجب جیتر می شود ،بدین معنی که یک بیت زودتر و یا دیرتر از مورد انتظار گیرنده دریافت می شود. جیتر توسط یک سری از روشهای همزمان سازی ساعت به صورت نرم /سخت افزاری برطرف می شود. 29 اعوجاج تاخیری )(Distortion Delay • به معنی تغییر شکل موج دریافتی یک سیگنال در سمت گیرنده است. • زیرا معموال یک سیگنال ترکیبی از چندین موج با فرکانس های مختلف است و • هر موج با فرکانس خاص خود دارای سرعت انتشار خاصی در رسانه انتقال است. • بنابراین گیرنده فرکانس های مختلف یک سیگنال را به صورت همزمان دریافت نمی کند. 30