چشم انداز تکنولوژی در شبکه

چشم انداز تکنولوژی در شبکه – آموزش شبکه درس 23

یکی از چالش های پیش روی هر شبکه انواع تکنولوژی در شبکه است. در این درس نگاهی به انواع تکنولوژی های به کار رفته در شبکه می پردازیم و می بینیم که با کمک آن ها چطور می توانیم شبکه ای پایدار ایجاد کنیم. این درس مبنای تئوری برای درس های بعدی در اختیار ما قرار می دهد.

چشم انداز تکنولوژی در شبکه

پیش از آن که به سراغ چالش‌های پیش رو در زمینه مسائلی که در پست قبل ارائه شد برویم، بهتر است که در ابتدا نگاهی به انواع تکنولوژی‌هایی که در لینک‌های ارتباطی به کار گرفته می‌شوند بیندازیم. این به خاطر آن است که تا اندازه ای شرایطی که هر کدام از کاربران اقدام به اتصال دیوایس‌های خود به شبکه می‌کند متفاوت است.

در انتهای صحبت نیز به سراغ عملیات‌های ساختن شبکه‌های جهانی می‌آییم که در آن روترهای در ابعاد یخچال فریزهای خانگی روبرو هستیم که لینک‌های را به طول چند صد و یا هزار کیلومتر را به هم متصل می‌کنند. در سوی دیگر صحبت نیز به موضوعاتی باید بپردازیم که در ان کاربران خانگی معول قرار گرفته اند، و به دنبال راهی هستند که بتوانند رایانه و یا سایر دیواس‌های خودشان را به شبکه جهانی اینترنت متصل کنند. گاهی از اوقات این لینک می‌تواند به صورت وایرلس (Wi-Fi) در یک کافی شاپ باشد، و یا یک لینک اترنت که در یک ساختمان اداری دانشگاهی به کار گرفته می‌شود؛ گاهی از اوقات نیز آن می‌تواند یک گوشی همراه هوشمند باشد که قصد دارد به شبکه سلولی خود متصل شود، باشد؛ برای بخش رو به افزایش جمعیت امروزی، کابل‌های نوری به وسیله شرکت‌های ارائه کننده سرویس‌های اینترنتی (ISP) به کاربران ارائه می‌شوند، و ممکن است بقیه کاربران نیز از کابل‌های مسری و یا کابل‌هائی از جنس‌های دیگر برای اتصال به اینترنت استفاده کنید. خوشبختانه، در این زمینه استراتژی‌های مختلف و عمومی زیادی برای ارتباط از طریق لینک‌های مختلف در دسترس است، بنابراین می‌توانیم بگوئیم که تمام آن‌ها قابل اعتماد هستند و برای لایه‌های بالاتر پشته پروتکلی ما قابل اعتماد و استفاده هستند. در ادامه این پست‌ها ما این دسته از استراتژی‌ها را به شما توضیح خواهیم داد.

چشم انداز یک کاربر نهایی از اینترنت

تصویر 2.1 چشم انداز یک کاربر نهایی از اینترنت

تصویر 2.1 نشان دهنده، انواع گوناگونی از لینک‌ها هستند که می‌توان برای اتصال به دنیای اینترنت از آن‌ها استفاده کرد. در سمت چپ، ما می‌توانید انواع مختلفی از دیوایس‌ها کاربران نهائی را مشاهده کنیم که از گوشی‌های همراه هوشمند و تبلت‌ها تا رایانه‌های رومیزی را شامل می‌شوند که می‌توانند به وسیله ارائه کننده سرویس‌های اینترنتی (ISP) متفاوت به اینترنت متصل شده باشند. در حالی که این لینک‌ها هر کدام از تکنولوژی‌های متفاوتی استفاده می‌کنند، تمام آن‌ها در این تصویر گنجانده شده اند، و همه آن‌ها با یک اتصال مستقیم به یک روتر نشان داده شده اند. در اینجا لینک‌های روترها در یک ارائه کننده سرویس‌های اینترنتی (ISP) به همدیگر متصل می‌شوند، و همچنین لینک به وسیله ارائه کننده سرویس‌های اینترنتی (ISP) به دیگر بخش‌های شبکه جهانی اینترنت متصل می‌گردند، که این شبکه خود شامل تعداد بسیار زیادی از ISP‌ها و‌هاست‌های که به آن‌ها متصل هستند، می‌شود.

نه تنها این لینک‌ها از نظر ارتباطی به هم شبیه نیسند، این به خاطر ان نیست که من هنرمند خوبی نیستم، بلکه این مطلب به این خاطر نقش معماری شبکه در ایجاد یک انتزاع عمومی از برخی از چیزها به صورت مجتمع و یا متنوع کردن آن به صورت لینک است. ایده در اینجا این است که شما برای متصل کردن گوشی‌های همراه هوشمند و یا تبلت خود نباید نگران نوع ترتیب اتصال‌ها لینک‌ها به شبکه باشید، تنها چیزی که در اینجا موضوعیت پیدا می‌کند آن است که راهی برای اتصال به اینترنت وجود داشته باشد. به صورت مشابه، یک روتر نیز نباید نگران لینک‌های اتصال آن به دیگر روتروها باشد، آن می‌تواند بسته‌های داده را بر روی لینکی ارسال کند و انتظار داشته باشد که بسته به سمت دیگر لینک به صورت صحیح و بدون مشکلی می‌رسد.

چطور ما تمام این لینک‌ها که از نظر ظاهر متفاوت از هم هستند را به کاربر نهایی و روتروها به یک شکل نشان دهیم؟ الزاما در اینجا ما باید با تمام محدودیت‌های فیزیکی و کمبودهای موجود در دنیای واقعی لینک‌ها روبرو شویم. ما می‌توانیم برخی از این موضوعات را در موضوعات فنی که در پست‌های آینده ارائه می‌کنیم، را مطالعه کنیم، اما پیش از آنکمه ما این دسته از موضوعات را توضیح دهیم، ما نیازمند آن هستیم که برخی از نمونه‌های فیزیکی ساده را معرفی کنیم. تمام این لینک‌ها از مواد فیزیکی مشابهی ساخته شده اند و می‌توانند سیگنال‌ها را از خود عبور دهند، برای مثال طول موج و دیگر شرایط پرتوهای الکترومغناطیسی در این لینک‌ها نیز مشابه به هم هستند، اما چیزی که در اینجا واقعا تفاوت پیدا می‌کند، تعداد بیت‌های ارسال داده است. در انتهای این سری از پست‌ها، ما به جستجوی روشی برای کدگذاری بیت‌ها برای انتقال بر روی رساناهای فیزیکی می‌پردازیم، و سعی می‌کنیم که موضوعاتی که در بالا ارائه شده است را دنبال کنیم. در انتهای این مجموعه از پست‌ها، ما می‌توانیم درک کنیم که چطور می‌توانید بسته‌ها را به صورت کامل تنها بر روی مجموعه مشخصی از لینک‌ها ارسال کنیم، و برای ما فیزیک رسانای به کار رفته مسئله ای نباشد.

تئوری شائون-‌هارتلی

در زمینه تئوری پردازش سیگنال و اطلاعات کارهای بسیار گسترده ای تا کنون انجام شده است و منابع زیادی در اختیار ما قرار دارد، این مطالعات شامل طیف گسترده ای از موضوعات، مانند این که چطور باید سیگنال‌ها را بر اساس فاصله دسته بندی کرد و یا چه مقدار داده را می‌توان به وسیله سیگنال ارسال کرد، می‌شود. قسمت قابل توجه کار در این زمینه رسیدن به فرمولی است که به نام تئوری یا قضیه شائون-‌هارتلی شناخته می‌شود. این قضیه به سادگی بیان می‌کنند که آستانه حداکثری ظرفیت لینک، بر حسب تعداد بیت بر ثانیه (bps) می‌تواند به عنوان تابعی از نسبت سیگنال به نویز لینک در نظر گرفته شود، که آن را می‌تواند در واحد دسیبل (dB) اندازه گیری کرد، در اینجا پهنای باند کانال در مقیاس هرتز (Hz) اندازه گیری می‌شود. (همانطور که پیش از این نیز ذکر شده است، «پهنای باند» واژه ای است که در ارتباطات کمی پر استفاده است؛ به همین خاطر ما از آن برای ارجاع دادن به طیف فرکانس‌های در دسترس برای ارتباطات استفاده میکنیم).

به عنوان یک مثال، ما می‌توانیم از قضیه شائون-‌هارتلی برای تعیین نسبت هر کدام از روش‌های مورد انتظار برای انتقال داده‌ها بر روی یک خط تلفن صوتی بدون اینکه نسبت خطا بسیار زیاد شود استفاده کنیم. یک خط تلفن برای انتقال صدا، به صورت معمول میتواند رنج فرکانسی بین 300 تا 3300 هرتز را تحمل کند که در نتیجه ما با یک کانال با پهنای باند 3 کیلوهرتز روبرو هستیم.

قضیه ذکر شده در اینجا به صورت زیر محاسبه می‌شود:

C = B log2(1 + S/N),

که در اینجا، C ظرفیت کانال در دسترس است که در بر اساس بیت بر ثانیه اندازه گیری می‌شود، B نیز پهنای باند کانال در واحد هرتز است که به صورت 3300 Hz – 300 Hz = 3000 Hz اندازه گیری می‌شود و S نیز میانگین توان سیگنال است و در نهایت N هم میانگین توان نویز در زمان انتقال پیام است. نسبت سیگنال به نویز (S/N یا SNR ) معمولا در واحد دسیبل (dB) ارائه می‌شود که به صورت زیر است:

SNR = 10 × log10(S/N).

به همین خاطر نسبت سیگنال به نویز برابر با 30 دسیبل می‌تواند برابر با 1000 باشد. به همین خاطر ما داریم که:

C = 3000 × log2(1001),

که تقریبا برابر با 30 کیلوبایت بر ثانیه است، چیزی که به سختی می‌تواند از یک مدوم دیالاپ بر روی یک خط تلفن ساده در دهه 1990 انتظار داشت.

قضیه شائون-‌هارتلی کاربردهای مشابهی را در زمینه لینک‌های وایرلس تا کابل‌های هم محور و یا فیبر‌های نوری دارد. می‌توان اینگونه اظهار کرد که در اینجا تنها دو راه برای ایجاد لینک‌های با ظرفیت بالا وجود دارد: یک کانال با پهنای باند بالا ایجاد کرد، یا بتوان به نسبت‌های سیگنال به نویز بالا دست پیدا کرد. اما حتی در شرایطی که ظرفیت بالای یک لینک تضمین شده نباشد، اغلب کمی سردرگمی و ابهام در افرادی که اقدام به طراحی کانال‌ها می‌کنند تا بتوانند به ظرفیت‌های تئوری آن‌ها دست پیدا کنند وجود دارد. این سردرگمی امروز در لینک‌های وایرلس به خوبی دیده می‌شود، در اینجا انگیزه زیادی برای آنکه بتوان بیت‌های بیشتری را در یک ثانیه از میان طیف وایرلس(که در اینجا طیف همان پهنای باند است) و سطح توان مشخص سیگنال (و دراینجا نسبت سیگنال به نویز) عبور داد، وجود دارد.

یک راه برای دسته بندی لینک‌هایی که در این میان قرار می‌گیرد آن است که آن‌ها را بر اساس نوع «رسانه» تقسیم بندی کنیم، به صورت معمول کابل مسی به این شکل دسته بندی می‌شوند، که می‌توان به کابل‌های جفت تابیده (twisted pair) (برخی از سیستم‌های اترنت و تلفن‌های کابلی از آن استفاده می‌کنند) و کابل هم محور (coaxial) اشاره کرد؛ فیبر نوری هم به دو نوع فیبر نوری خانگی (Fiber-to-the-home) و فیر نوری فاصله دور (Long distance) تقسیم می‌شود که از نوع دوم برای ارتباطات اینترنتی استفاده می‌شود؛ در نهایت نیز به لینک‌های فضای باز یعنی لینک‌های وایرلس (Wireless) یا بی سیم می‌رسیم.

ویژگی مهم دیگر لینک فرکانس (Frequency) است که در مقیاس هرتز اندازه گیری می‌شود و این مقدار نشان دهنده تعداد نوسان امواج الکترومغناطیسی است. فاصله میان یک جفت موج در بیشتری و یا کمترین مقدار به صورت معمول در واحد متر اندازه گیری می‌شود، که به آن طول موج (Wavelength) می‌گویند. به خاطر آنکه تمام امواج الکترومغناطیسی در سرعت نور حرکت می‌کنند ( که البته این به نوع رسانه ای که از آن استفاده می‌شود نیز بستگی دارد)، در این صورت اگر سرعت بر فرکانس موج تقسیم شود، در آن صورت آن برابر با طول موج خواهد بود. ما قبلا مثالی مشابه به این مورد را در خطوط تلفن صوتی دیدم که از سیگنال‌های پیوسته الکترومغناطیسی در رنج بین 300 تا 3300 هرتز استفاده می‌کرند، یک موج 300 هرتزی که از درون یک کابل مسی حرکت می‌کند، طول موجی برابر با سرعت نور کابل مسی تقسیم بر فرکانس آن دارد که در اینجا داریم.

 SpeedOfLightInCopper/Frequency = 2/3 × 3 × 10^8/300 = 667 × 10^3 meters.

به صورت کلی، امواج الکترومغناطیسی دارای رنج‌های بسیار گسترده تری در زمینه فرکانس هستند، و طیف آن‌ها از امواج رادیوئی تا امواج مادون قرمز، نور قابل روئیت، اشعه‌های x و اشعه‌های گاما را شامل می‌شود. تصویر 2.2 نشان دهنده طیف الکترومغناطیسی است و در آنجا رساناهایی که معمولا برای انتقال این دسته از باندهای فرکانسی به کار می‌روند نشان داده شده اند.

طیف امواج الکترومغناطیسی

تصویر 2.2 طیف امواج الکترومغناطیسی

آنچه که تصویر 2.2 نشان نمی دهد، مکان‌هایی است که از شبکه‌های سلولی استفاده شده است. این موضوع کمی پیچیده است، زیرا باندهای فرکانسی ویژه که برای شبکه‌های سلولی به کار می‌روند، در اطراف جهان بسیار متنوع هستند، و قضیه زمانی پیچیده تر می‌شود که بدانیم عملیات‌های شبکه اغلب به صورت همزمان هم سیستم‌های قدیمی و هم تکنولوژی‌های جدید را پشتیبانی می‌کنند و آن‌ها از تکنولوژی‌های نسل‌های جدید و بعدی استفاده می‌کنند که هر کدام نیز از باندهای فرکانسی متفاوتی استفاده می‌کنند. به صورت خلاصه و دقیق اگر بگوئیم، تکنولوژی‌های سلولی سنتی، دارای رنج فرکانسی از 700 تا 2400 مگاهرتز هستند، در جالی که طیف‌های میانه جدید در رنج 6 گیگاهرتز قرار می‌گیرند و طول موج‌های میلیمتری نیز می‌توانند تا بالای 24 گیگاهرتر برسند. این باندهای با طول موج میلیمتری، احتمالا به عنوان یک بخش بسیار مهم از شبکه‌های موبایل 5g (بخوانید نسل پنجم) به کار گرفته خواهند شد.

تا این، ما فهمیدیم که یک لینک می‌تواند یک رسانای فیزیکی باشد که می‌تواند سیگنال‌ها را در قالب امواج الکترومغناطیسی جابجا کند. این چنین لینک‌هائی می‌توانند اساس کار را برای انتقال تمام سیستم‌های اطلاعاتی شامل انواع داده که ما تمایل به انتقال آن داریم و داده‌های باینری (ترکیب یک و صفر) فراهم آورند. ما در ادامه نشان می‌دهیم که چطور داده‌های باینری را در قالب سیگنال‌ها کدگذاری می‌کنیم. مسئله کدگذاری داده‌های باینری در قالب امواج الکترومغناطیسی یک موضوع بسیار پیچیده است. برای کمک به درک و مدیریت پذیر تر کردن موضوع، ما اینگونه تصور می‌کنید که می‌توانیم آن‌ها را در دو لایه تقسیم کنیم. لایه پائینی، برای مدلاسیون (modulation) استفاده می‌شود – مدلاسیون به معنای تغییرات فرکانسی، تقویت و افزایش (amplitude) و یا فاز سیگنال که در انتقال اطلاعات اثر گذار هست، است. یک مثال ساده مدلاسیون برای تغییر توان (تقویت) یک طول موج منفرد است. به صورت بصری، این کار به مانند آن است که ما یک لامپ را خاموش و روشن کنیم. به خاطر این که موضوع مدلاسیون یک موضوع ثانویه در بحث لینک‌ها که یکی از بلوک‌های سازنده شبکه‌های کامپیوتری هستند، است، ما به سادگی فرض می‌کنیم که این احتمال وجود دارد که بتوانیم یک جفت سیگنال قابل تمایز را ارسال کنیم- در اینجا می‌توانید به آن‌ها به مانند سیگنال‌های بان بالائی و پائینی فکر کنید، و ما تنها در اینجا به موضوع لایه بالائی می‌پردازیم، که سبب می‌شود مسئله برای کدگذاری کردن داده‌های باینری بر روی این دو سیگنال بسیار ساده شود. در پست‌های بعدی به صورت کامل درباره کدگذاری صحبت خواهیم کرد.

راه دیگر برای طبقه بندی کردن لینک‌ها این است که آن‌ها بر بر حسب مورد مصرفشان تقسیم بندی کنیم. موضوعات اقتصادی و توسعه متفاوت سبب شده اند که انواع گوناگونی از لینک‌ها برای اتصال در شبکه‌های کامپیوتری به کار گرفته شوند. بیشتر مصرف کنندگانی که با اینترنت کار می‌کنند، از شبکه‌های وایرلس بهره می‌گیرند (این شبکه‌ها در کافی شاپ‌ها، فرودگاه‌ها، دانشگاه‌ها و مراکز دیگر وجود دارد) یا آنکه از لینک‌های طول بند (که در شبکه‌های دسترسی وجود دارند) استفاده می‌کنند که این کابل برای انتقال داده‌ها توسط ارائه کننده سرویس‌های اینترنتی (ISP) به آن‌ها ارائه می‌شود، این موضوع در تصویر 2.1 نشان داده شده است. این دسته از لینک‌ها به صورت خلاصه در جدول 2.1 آورده شده اند. آن‌ها به صورت معمول به این خاطر انتخاب می‌شوند که از نظر اقتصادی به صرفه هستند و می‌توان شبکه اینترنت را به این طریق به دست میلیون‌ها کاربر رساند. برای مثال، DSL (یا خطوط اشتراک دیجیتالی) یکی از قدیمی ترین فناوری‌های هستند که بر روی سیستم کابلی موجود که از کابل‌های جفت تابیده (twisted pair) شده استفاده می‌کنند، پیاده‌سازی شده اند، این دسته از کابل‌ها قبلا برای خطوط تلفن به کار گرفته می‌شدند؛ G.Fast نیز یک تکنولوژی بر اساس کابل‌های مسی است که معمولا در درون آپارتمان‌های چند طبقه به کار گرفته می‌شود و PON ( یا شبکه نوری غیر فعال) نیز یک فناوری جدید است که به صورت معمول برای اتصال خانه‌ها و کسب کارها بر اساس مدل شبکه‌های فیبر نوری، به کار گرفته می‌شود.

جدول 2.1 سرویس‌های معمول در دسترس برای اتصال فاصله دور ( last-mile) به خانه شما

سرویس پهنای باند
DSL (بر اساس کابل‌های مسی) تا 100 مگابیت بر ثانیه
G.Fast (بر اساس کابل‌های مسی) تا یک گیگابیت بر ثانیه
PON (بر اساس کابل فیبر نوری) تا 10 گیگابیت بر ثانیه

و البته در اینجا نیز شبکه‌های موبایل و سلولی قرار می‌گیرند (که به عنوان اینترنت نسل چهارم (4G) شناخته می‌شوند، اما اکنون شاهد تکامل سریع به اینترنت نسل پنجم (5G) هستیم).، که می‌توانند دیوایس‌های گوشی همراه و موبایل ما را به شبکه جهانی اینترنت متصل کنند. همچنین این دسته از تکنولوژی‌ها می‌توانند به عنوان یک اتصال منفرد به اینترنت در خانه‌ها و یا ادارات نیز به کار گرفته شوند، که مزایای زیادی دارند، و مهمترین آن این است که امکان جابجائی در زمان اتصال اینترنت را برای کاربران فراهم می‌کنند.

این مثال‌هایی که در زمینه تکنولوژی مطرح کردیم، گزینه‌های معمولی برای اتصال فاصله دور ( last-mile) خانه و یا کسب و کار شما به شبکه جهانی اینترنت هستند، اما آن‌ها نمی توانند برای ساخت یک شبکه کامپیوتری از پایه به کار گرفته شود. برای اینجا این کار، شما نیاز دارید که برخی از لینک‌های اصلی برای فاصله دور (Long distance) که اساس کار شما هستند را برای اتصال میان شهرها، کشورها و قاره‌ها را در اختیار داشته باشید. لینک‌های مدرن ستون شبکه‌های امروز هستند که به صورت گسترده نیز در آن‌ها از کابل‌های نوری استفاده می‌شوند و این دسته از تکنولوژی‌ها معمولا به عنوان SONET (یا شبکه‌های نوری همزمان) شناخته می‌شوند، که اساس برای مواجه با تقاضاهای رو به افزایش تلفن توسعه پیدا کردند.

در نهایت، افزون بر لینک‌های فاصله دور ( last-mile) و لینک‌های موبایل، در اینجا ما با لینک‌های روبرو هستیم که شما در یک کمپ و یا ساختمان از آن استفاده می‌کنید، و معمولا به این مکان‌ها شبکه محلی (LAN) گفته می‌شود. اترنت (Ethernet) و پسر عموی وایرلس آن Wi-Fi دو تکنولوژی غالب در این فضاها هستند.

تحقیق درباره نوع لینک‌ها به معنای منحصر کردن آن‌ها نیست، بلکه به ما این امکان را می‌دهد که بتوانید انواع مختلف لینک‌ها در دسترس و موجود را تست کنید و به خاطر دلایل متنوع از بهترین آن‌ها استفاده کنیم. در بخش‌های بعدی، ما می‌توانیم ببینم که چطور پروتکل‌ها می‌توانند از مزایای تنوع و حضور یک دیدگاه متشکل از شبکه برای لایه‌های بالا استفاده کنند، به رغم آن که به خاطر مسائل ارتباطی و اقتصادی پیچیدگی‌های زیادی در لایه‌های پائین شبکه وجود دارد.

No votes yet.
Please wait...

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

منو اصلی

question