شبکه های کامپیوتری

زیر لایه كنترل دسترسی به رسانه انتقال (MAC Sublayer)
برخی از شبكه های كامپیوتری دارای رسانه مشترك بوده و مبتنی بر روش دسترسی چندگانه (Multiple Access) به رسانه انتقال(Media) میباشند. بدین معنی كه كلیه عناصر شبكه بهطور همزمان به كانال انتقال داده دسترسی دارند و میتوانند فریمهای ارسالی خود را بر روی آن قرار داده و ارسال نمایند. مشكل اصلی در این شبكهها كنترل دستیابی به رسانه انتقال (MAC : Medium Access Control)میباشد. هدف از این كنترل جلوگیری از تصادم (Collision) فریمهای داده میزبانهای مختلف است.
نكته: MAC و LLC دو زیر لایه از لایه دوم (پیوند داده) محسوب میشوند.
انواع شبكه های دسترسی چندگانه
LAN •
(Ethernet) IEEE 802.3 •
(Token bus) IEEE 802.4 •
(Token ring) IEEE 802.5 •
FDDI Token ring •
(Wireless LAN) IEEE 802.11 •
PAN •
(Blue tooth) IEEE 802.15 •
MAN •
IEEE 802.16 •
WAN •
Mobile Radio Networks •
اترنت (Ethernet) یا DIX
اولین شبكه محلی در سال ۱۹۷۶ توسط شركت Xerox طراحی و پیادهسازی شد و به یاد ماده خیالی بهنام Ether كه تا مدتها تصـور
میشد محیط انتشار امواج الكترومغناطیسی است Ethernert نامگذاری شد.
در اولین نسل آن از كابل هم محور یا (Coaxial) ضخیم (Thick) استفاده میشد و به همین دلیل Thick Ethernert نـامگـذاری شـد.
(این شبكهها دارای طول حداكثر 2500 متر و حداكثر 4 تكرار كننده در فواصل 500 متری بودند. حداكثر 256 كامپیوتری میتوانستند بـه
كابل اترنت با نرخ انتقال 2.94 مگابیت در ثانیه متصل شوند. روش كنترل دستیابی به محیط انتقال بدین صورت است كه هر زمان كه یـك
كامپیوتر بخواهد دادههای خود را ارسال كند در صورتیكه مطمئن شود كامپیوتر دیگری در آن لحظـه در حـال اسـتفاده از كانـال نیسـت
دادههای خود را ارسال میكند. جزئیات این روش را بعدا” مورد بررسی خواهیم داد.
در اینجا هیچگونه نوبتی برای دسترسی نداریم و دسترسی از نوع تصـادفی اسـت . ایـن شـبكه توسـط IEEE بـا عنـوان IEEE 802.3
استاندارد شد. وظیفه پیادهسازی پروتكل رایك كارت واسط شبكه یا NIC : Network Interface Card بر عهده دارد.
خط توكن یا (Token Bus)
این روش تقریبا” همزمان با اترنت در شركت General Motors برای خط تولید اتومبیل طراحـی و پیـادهسـازی شـد و سـپس توسـط
IEEE استاندارد شد و IEEE 802.4 نام گرفت.
توپولوژی آن یك Bus است اما پروتكل كنترل دستیابی به رسانه انتقال در آن كاملا” با اترنت متفاوت است و روش آن نوبـت گردشـی
است؛ بدین طریق كه نوبت ارسال كامپیوترها به كمك یك بسته خاص بـه نـام نشـانه (Token ) كـه بـین كامپیوترهـا دسـت بـه دسـت
میچرخد تعیین میگردد. هر كامپیوتر كه Token را در اختیار داشته باشد در صورت نیاز به ارسال، داده خود را ارسال میكنـد و در غیـر
اینصورت Token را به كامپیوتر بعدی تحویل میدهد. General Motors اصرار داشت كه برای خـط تولیـد اتومبیـل حتمـا” از ایـن روش
استفاده شود و روش مبتنی بر تصادم و تصادفی Ethernet قابل اعتماد نیست.
حلقه توكن یا Token Ring
این روش توسط IBM ابداع شد و دقیقا” مانند Token Bus عمل میكرد با این تفاوت كوچك كه در حلقه Token، كابـل شـبكه یـك مسیر بسته (Ring) را تشكیل میداد. استاندارد IEEE 802.5 برای همین منظور بنا نهاده شد.
امروزه اثری از Token Bus وجود ندارد (بر خلاف ادعای General Motors) و به ندرت از Token Ring استفاده میشود. نوع خاصـی از Token Ring به نام FDDI كه با فیبر نوری كار میكردگاهی به عنوان Backbone یا ستون فقرات شبكههای محلی استفاده میشد امـا بـه علت گرانی تجهیزات هرگز به عنوان شبكه كامپیوترهای Desktop مورد استفاده قرار نگرفت.
اگرچه امروزه تلاشهایی در جهت توسعه Token Ring سریع گیگابیتی انجام میشود و استاندارد IEEE 802.5v برای آن پایه گـذاری شده است اما بعید به نظر میرسد بتواند با نسخه های جدید اترنـت (Gigabit Ethernet , Fast Ethernet و 10 Gigabit Ethernet) رقابـت نماید. بنابراین نتیجه میگیریم كه در مهندسی هر چه ساده و ارزان طراحی كنیم بهتر است. به این دلیل به اترنت DIX مـیگـوییم چـون سه شركت DEC-Intel-Xerox در ایجاد آن دخالت داشتند
شبكههای محلی بیسیم یا Wireless LAN
با رشد كامپیوترهای كتابی نیاز به شبكههای محلی بیسیم با ارتباط رادیویی برد كوتاه روز به روز بیشتر احساس میشد و شـبكههـای
متنوعی در این راستا طراحی شد. IEEE برای جلوگیری از هرج و مرج، یك استاندارد بنام 802.11 بنا نهاد كه در میـان مـردم بنـام WiFiمشهور است. این استاندارد در دو حالت كار میكند.
• وجود یك ایستگاه مركزی بهنام نقطه دسترسی (Access Point) كـه همـه كامپیوترهـا از طریـق آن بـا یكـدیگر ارتبـاط برقـرارمیكنند.
• عدم وجود یك ایستگاه مركزی و ارتباط مستقیم كامپیوترها با یكدیگر. به شكل (ب) نگاه كنید.
مهمترین مسائل مطرح در این استاندارد عبارتند از:
۱) انتخاب باند فركانسی مناسب
۲) محدود بودن برد امواج رادیویی
۳) مسائل بهداشتی و تاثیر امواج الكترومغناطیسی بر سلامت انسان
۴) سیار بودن كامپیوترها و جابجایی آنها و ورود به محیطهای جدید.
۵) سازگاری با اترنت از نظر ایجاد واسط یكسان بهمنظور ارائه سرویس به لایه بالاتر (مانند IP )
۶) عدم اعتماد به شنود كانال به علت مشكلات ایستگاه مخفی و ایستگاه آشكار
۷) انعكاس یا Echo امواج رادیویی توسط اجسام سخت و تداخل امواج باعث میشود كه امواج از چندین مسیر مختلف و در زمـانهـای
مختلف به گیرنده رسیده و تداخل نمایند. این مشكل را محو شدگی چند مسیره (Multipath Fading) میگویند.
آنالیز كنترل دسترسی به كانال در پروتكلهای مختلف MAC
نكته اصلی كنترل دستیابی به رسانه این است كه تخصیص كانال را پویا در نظر بگیریم یا از روشهای ایستا استفاده كنیم؟ تحلیل زیـرنشان میدهد كه روشهای ایستا راندمان یا بهره كانال را به شدت كاهش داده و قابل استفاده نیستند.
از آنجا كه در MAC، فریمها در زمانهای تصادفی و با اندازههای تصادفی تولید میشود لـذا تحلیـل آنهـا پیچیـده اسـت و نیـاز بـهآشنایی با تئوری صف (Queuing Theory) دارد. ما در اینجا از نتایج تحلیل تئوری صف استفاده میكنیم.
تخصیص پویای كانال
مفروضات ما برای تحلیل حالت پویا به شرح زیر است:
الف ) N ایستگاه داریم كه روی هم فریمها را با توزیع پواسون و میانگین l ارسال میكنند. احتمال اینكه در بـازه كوچـك Dt یـك
فریم ارسال شود lDt خواهد بود.
ب ) یك كانال منفرد داریم كه به طور اشتراكی استفاده میكنیم.
ج) احتمال وقوع تصادم (Collision) وجود دارد. به دو دلیل زیر تصادم پیش میآید:
۱) فرض كنید كه دو ایستگاه همزمان كانال (حامل) را شنود نمایند (Carreir Sense) و آن را مشغول یابند. اگر هر دو در ادامة شنود
برای ارسال اصرار ورزند (Persistant)، هر گاه خط آزاد شود مطمئنا” دو ایستگاه همزمان فریم خود را بر روی خط گذاشته و تصادم رخ میدهد.
۲) دو ایستگاه همزمان به خط گوش میدهند و هر دو آن را آزاد مییابند و با هم فریم خود را روی خط قرار میدهند.
د) دو مدل زمانی برای ارسال فریمها وجود دارد.
۱) مدل زمان پیوسته (Continuous Time) : در این مدل هر وقت كه فرستنده اراده كند میتواند ارسال را آغاز نماید.
۲) مدل زمان گسسته (Discrete Time) : در این روش برشهای زمانی داریم و فقط میتوان در شروع Time Slot شروع به ارسال فریم نمود.
نكته : روش دوم بهتر است زیرا احتمال تصادم نصف میشود.
در روش اول بسته ممكن است با دو بسته دیگر تصادم داشته باشد اما در روش دوم تنها با بسته هایی كه در همان فضای یك برابـربرش زمانی خودش آغاز میشوند، تصادم پیدا میكند.
هـ ) دو روش برای ارسال فریم وجود دارد:
۱) شنود خط و ارسال در صورت آزاد بودن خط (Carreir Sense)
۲) عدم شنود به خط و ارسال تصادفی (No Carreir Sense)
نكته : نتیجه اینكه بهترین و كاراترین روش، شنود كانال و كشف تصادم و استفاده از روش Slotted و نیز عدم اصرار بر گوش دادن به
كانال مشغول میباشد و در مقابل بدترین روش، ارسال تصادفی بدون شنود كانال و عدم كشف تصادم و اصرار بر ارسال مجدد
میباشد (مانند شبكه Pure ALOHA كه جد همه روشهای MAC است.)
ALOHA
قدیمیترین پروتكل MAC مربوط به سال 1970 میشود كه نورمن آبرانسون در دانشگاه هاوایی شبكهای بـه نـام ALOHA طراحـی و
پیادهسازی كرد كه مبتنی بر پخش امواج رادیویی زمینی بود. در این روش فرستنده در هر زمان كه بخواهد فریم خود را ارسال میكنـد و
ا توجه به اینكه شنود امواج الكترومغناطیسی مشكلات خاص خود را دارد (مثلا” در ارتباط ماهوارهای 270 ms طول میكشد كـه متوجـه تصادم شویم كه البته در این مدت چندین فریم را میتوان ارسال كرد!) باید فریم را به صـورت تصـادفی ارسـال كـرد و بـرای اطمینـان از صحت ارسال به Acknowledge توجه داشت و منتظر رسیدن آن شد. این روش به دلیل عدم شنود خط و اصرار بر ارسال مجدد، رانـدمان بسیار پائینی دارد.
تحلیل آماری نشان میدهد كه احتمال ارسال K فریم در بازه زمانی t ( زمان ارسال یك فریم دیگر) از توزیع پواسون پیروی میكند

مشكل اصلی ALOHA راندمان پایین آن بود. تفاوت پروتكل CSMA با ALOHA در این است كه به خط گوش میدهـد تـا چنانچـه خط مشغول است فریم خود را ارسال نكند. این عمل راندمان كانال را به صورت موثر افزایش میدهد.
سه نوع پروتكل CSMA وجود دارد.
1- Persistant CSMA (۱ : یعنی به خط گوش میدهیم و چنانچه آزاد باشد بدون قید و شرط (صد درصد و با احتمال 1) فریم خود را ارسال میكنیم.
Nonpersistant CSMA (۲ : در این روش به خط گوش میدهیم چنانچه مشغول باشد خط را رها كرده و به یك مدت تصادفی كنـار میكشیم و پس از طی آن دوره زمانی مجددا” به خط گوش میدهیم.
بدین ترتیب احتمال تصادم كاهش یافته و راندمان بسیار بهتر از 1- Persistant میشود.
p – Persistant CSMA (۳ : این پروتكل CSMA به صورت Slotted Time عمل میكند. در این روش، قبـل از فـاز ارسـال، یـك فـاز
رقابتی داریم كه در آن ایستگاههای كاری برای ارسال با یكدیگر به رقابت میپردازند. این فاز رقابتی از چندین برش زمانی (پنجـرة زمـانی)
تشكیل میشود. اگر یك ایستگاه كاری بخواهد یك فریم را ارسال نماید، در شروع هر پنجرة زمانی عمل شنود كانـال را انجـام مـیدهـد و
چنانچه كانال را آزاد بیابد، با احتمال p اقدام به ارسال میكند و با احتمال q = 1 – p ارسال نمیكند و كنار مـیكشـد و تـا شـروع پنجـره
زمانی بعدی صبر میكند و مجدداً كانال را شنود میكند. این فرآیند آنقدر تكرار میشود تا اینكه فریم ارسـال شـود یـا ایسـتگاه دیگـری ارسال خود را آغاز نماید. چنانچه هنگام شنود كانال در فاز رقابتی، كانال را مشغول بیابد، ایستگاه ناموفق، مانند حالتی كه تصـادم رخ داده عمل میكند و به اندازه یك مدت زمان تصادفی صبر میكند و دوباره شروع میكند. شكل زیر بازده یـا بهـره كانـال را بـرای پروتكـلهـای مختلف بر حسب بار نشان میدهد.
(Carreir Sense Multiple Access with Collision Detection) CSMA / CD
بهبود دیگر در CSMA این است كه پس از اینكه خط را آزاد دیدیم و فریم خود را بر روی خط گذاشـتیم بـه شـنود ادامـه دهـیم تـا مطمئن شویم تصادم رخ نداده است. در صورت وقوع تصادم بلافاصله كنار بكشیم و یك مدت تصادفی (كه الگوریتم آن را مطالعـه خـواهیم
كرد) صبر كنیم و مجددا” به خط گوش دهیم.
در این پروتكل سیستمها در یكی از سه وضعیت زیر قرار دارند ( به شكل زیر نگاه كنید):
۱) فاز رقابتی ۲) فاز ارسال ۳) فاز بیكاری ¬ هیچ كس علاقه به ارسال ندارد.
نكته ۲: كشف تصادم در CSMA / CD بر عهده كدام مرجع است؟ بر عهده یك مدار الكترونیكـی آنـالوگ بـه نـام Tranciever اسـت كـه به خط گوش میدهد و از روی افزایش توان متوجه تصادم میشود. البته روش كدینگ خاصی بنام منچسـتر بـا ولتاژهـای مثبـت و
منفی 0.85± ولت در اترنت استفاده میشود كه به كشف تصادم كمك مینماید.
نكته ۳: پروتكل CSMA / CD هیچ كمكی به كشف و كنترل خطا نمیكند. اگرچه Collision ها كشف میشود اما بدون وقـوع Collision هم به دلایلی چون نویز، تضعیف و اعوجاج و غیره امكان وقوع خطا وجود دارد. به عبـارت دیگـر ارسـال ACK از وظـایف زیـر لایـه MAC نیست. (LLC كنترل خطا را بر عهده دارد)
نكته ۴: كنتـرل خطـا و مهمتـر از آن تطبیـق پروتكـلهـای مختلـف MAC بـا لایـه شـبكه و یكسـان جلـوه دادن پروتكـلهـایی نظیـر Wireless LAN و Ethernet به لایه شبكه (مثلا” IP) از وظایف زیر لایه LLC است كه بر روی MAC قرار دارد.
اترنت (Ethernet)
در اینجا میخواهیم اترنت را با جزئیات كامل مورد بررسی قرار دهیم. در ابتدا ذكر این نكته ضروری است كه پروتكل اولیه اترنت كـه نـام سه شركت DIX) DEC – Intel – Xerox) بر روی آن نهاده شده است دو تفاوت جزئی با استاندارد IEEE 802.3 دارد كـه البتـه IEEE در
سال 1997 با این موضوع كنار آمد و DIX را هم پذیرفت.
نكته : تفاوت Hub و Switch در چیست؟
تنها وظیفه Hub ، اتصال الكتریكی ایستگاههای متصل به پورتهای Hub است. به عبـارت دیگـر Hub فقـط نقـش یـك Bus را بـازی میكند و یك حوزه تصادم (Collision Domain) است.
اما سوئیچها دو ویژگی خاص دارند:
۱) برای افزایش Scalability یا قابلیت توسعه شبكه محدودیت تعداد ایستگاهها را از بین میبرند. بدین طریق كه در درون یك سـوئیچ یك یا چند Backplane وجود دارد كه با تكنولوژی خاصی (كه ربطی به اترنت ندارد) كار میكند و پورتهای ورودی سـوئیچ را بـا سـرعت چند گیگابیت در ثانیه به هم متصل میكنند. در سوئیچها عمل Forwarding داریم.
۲) سوئیچها قابلیت بافر كردن فریمها را در حافظه درون سوئیچ دارند. بدین ترتیب در درون سوئیچ تصادم رخ نمیدهـد، لـذا سـوئیچ حوزه تصادم نیست.

نكته : حوزه تصادم در Hub خود Hub و در سوئیچ پورت است.
قالب (Format) فریم در اترنت
شكل زیر قالب یك فریم اترنت را در DIX و IEEE 802.3 نشان میدهد.
نكته : همانطور كه در شكل دیده میشود استاندارد IEEE فقط دو تفاوت كوچك با DIX دارد:
۱) یك بایت آخر Preamble برای همگام سازی در شروع فریم است.
۲) به جای Type از Length یا طول بخش داده فریم استفاده شده است. در این صورت پیشنهاد شده است كه نوع فریم بـه عنـوان دو بایت اول بخش داده منظور گردد.

Preamble (۱ : مقدمه یا دیباچه : 8 بایت یا 64 بیت با الگوی …..101010 در ابتدای فریم كه با كدبندی منچستر ارسال میشـود و بـه مدت 6.4 میكروثانیه یك موج مربعی با فركانس 5MHz تولید میكند (با توجه به نرخ 10 Mbps اترنت اولیه) كه برای همگام سازی ساعت (Clock) فرستنده و گیرنده به كار میرود.
۲) آدرس مبدأ و مقصد: در استاندارد اولیه پیشنهاد شده است كه این آدرس 2 یـا 6 بایـت باشـد ولـی بعـدا” مقـرر گردیـد كـه فقـط آدرسهای 6 بایتی (48 بیتی) مورد استفاده قرار گیرد. سه نوع آدرس در اترنت مورد استفاده قرار میگیرد:
الف ) آدرس نقطه به نقطه یا تك پخشی: اگر بیت با ارزش (MSB) صفر باشد آن آدرس آدرس، یك كـارت شـبكه (NIC) خـاص و منحصر به فرد در دنیا میباشد. این آدرس توسط كارخانه سازنده به صورت سخت افزاری گذاشته میشود . اسم این آدرس MAC Address است.
ب ) آدرس چندپخشی یا Multicast : اگر بیت با ارزش یا (MSB) یك باشد 46 بیت باقیمانده یك آدرس گروهی را مشخص میكند و فریم ارسالی توسط یك گروه از ایستگاههای كاری برداشته میشود.
نكته : اترنت از Multicasting پشتیبانی میكند.
ج ) آدرس انتشاری یا Broadcast : اگر همه بیتهای آدرس مقصد یك باشد به معنای آن است كـه ایـن فـریم بایـد توسـط همـه كارتهای شبكه برداشته شود و به لایه بالاتر تحویل داده شود.
نكته : بیت مجاور MSB یا بیت 46 ام ، سراسری یا محلی بودن آدرسها را مشخص می كند. آدرس محلی، آدرسی است كه در درونLAN توسط Supervisor مشخص میشود ولی آدرس سراسری در دنیا منحصر به فرد است.
نكته : دو نوع آدرس به كارت شبكه میتوان داد :
• آدرس جهانی كه بهصورت سخت افزاری قرار داده شده و ثابت است.
• آدرس محلی كه به صورت نرم افزاری داده میشود و قابل تغییر است.
۳) فیلد Type : نوع فریم را مشخص میكند. از آنجا كه در هسته سیستم عامل ممكن است چندین پروتكل لایـه شـبكه اجـرا شـود و همچنین فرآیندهای مختلفی در حال اجرا باشند در این فیلد مشخص میشود كه فریم دریافتی باید به كدام فرآیند تحویل داده شود.
۴) فیلد Data : محتوای اصلی دادههای درون فریم در اینجا قرار میگیرد (داده هایی كه از لایه شبكه دریافت شده است) داده میتواند از 0 تا 1500 بایت باشد. (وقتی صفر است كه بخواهیم یك سیگنال كنترلی بفرستیم و دادهای در كار نیست)
بنابراین طول قسمت داده حداقل باید 46 بایت باشد (فیلد Preamble در محاسبات شركت نمیكند و مابقی فیلدها 18 بایت میشود)
۵) فیلد Pad : اگر فیلد داده شما از 46 بایت كمتر باشد باید آنقدر بایت زائد در Pad اضافه ارسال شود تا طول كل فریم 64 بایـت شـود
(بدون احتساب Preamble كه برای سنكرون كردن است و جزء فریم محسوب نمیشود)
۶) فیلد Checksum : در اترنت Checksum از نوع CRC در نظر گرفته شده است كه قادر به تشخیص خطا اسـت (و نـه تصـحیح آن).
البته در عمل، اترنت مساله تصحیح خطا به كمك Acknowledge را پشتیبانی نمیكند و این موضوع بـه LLC مربـوط اسـت. بـه عبـارت دیگر فریمی كه MAC به LLC میدهد حتی در صورت عدم بروز تصادم ممكن است حاوی خطا باشد.
IEEE در سال 1997 استاندارد DIX را پذیرفت و اعلام كرد اگر در فیلد Length عددی كوچكتر یا مساوی 1500 قرار داشته باشـد بـهمعنای طول فریم است و در غیر این صورت به معنای نوع فریم میباشد.
نكته : محاسبات فوق مربوط به اترنت 10 Mbps بود حال فرض كنید اگر در اترنت 1Gbps بخواهیم طول كابل را 2500 متر نگه داریم حداقل اندازه فریم چقدر میشود؟ 6400 bute ! یعنی اگر بخواهیم یك بایت داده بفرستیم باید مقدار بسیار زیادی داده اضافیبیهوده ارسال كنیم.
الگوریتم Binary Exponential Backoff (الگوریتم عقبگرد نمایی دودویی)
۱) فرستنده به خط گوش میدهد، دو حالت زیر ممكن است پیش بیاید:
• اگر خط مشغول بود عقبگرد میكند و یك مدت تصادفی كه مضربی از برش زمانی به طول 2t میباشد صـبر مـیكنـد و مجـددا”برگشته و به خط گوش میدهد. این مدت تصادفی طبق الگوریتم عقبگرد نمایی دودویی محاسبه میشود.
• در غیر این صورت، یعنی اگر خط آزاد است، داده خود را ارسال میكند و البته موظف است تا یك برش زمـانی (2t) همزمـان بـاارسال به خط گوش دهد تا تصادم را تشخیص دهیم (Collision Detect / CD) نكته : هر گاه یك ایستگاه تصادم را تشخیص میدهد وظیفه دارد یك نویز با توان بالا به مدت 48 بیت بر روی كانال قرار دهد تا همهایستگاه ها متوجه تصادم شوند.
الگوریتم عقبگرد نمایی دودویی به شرح زیر است (زمان عقبگرد چه در حالت شلوغی خط و چـه در صـورت تصـادم بـا ایـن الگـوریتممحاسبه میشود)
۱) اگر اولین بار باشد كه تصادم رخ داده است یك عدد تصادفی (0 یا 1) تولید میكنـد (%50 احتمـال دارد 0 و %50 احتمـال دارد 1تولید شود) و به اندازه 0 2 ´ t یا 1 2 ´ t صبر میكند و بر میگردد. و دوباره به خط گوش میدهد.
۲) اگر دوباره تصادم رخ داد یك عدد تصادفی (بین 3 , 2 , 1 , 0) تولید میكند و بین 0t تا 6t صبر میكند.
۳) در سومین تصادم متوالی عدد تصادفی (بین 0 تا 7 ) و مدت انتظار 0t تا 14 t خواهد بود.
نكته : اینكار تا 10 تصادم متوالی ادامه مییابد. در تصادم 10 ام عدد تصادفی بین 0 تا 1023 خواهد بود، یعنی بین 0 t تا 2046t صبر میكند.
نكته۱ : زمان عقبگرد به صورت نمایی افزایش مییابد (8 ،4 ،2 ،0 و غیره)
نكته ۲: اگر باز هم تصادم رخ دهد تا 6 مرتبه دیگر اما با همین زمان (0 تا 1023 ) صبر میكند. اما 16 تصادم پیـاپی بـه معنـای مشـكلاساسی یا جدی (Fatal Error) تلقی شده و الگوریتم Crash میكند و به لایه بالاتر اعلام میشود كه شبكه خراب است.
شبكههای محلی بیسیم (Wireless LAN)
لایه فیزیكی شبكههای محلی بیسیم به ۶ دسته تقسیم میشود:
802.11 با امواج مادون قرمز
این روش مبتنی بر امواج مادون قرمز میباشد. معایب این روش عبارتند از:
• عدم عبور از موانع
• نرخ ارسال پایین
• محو شدن سیگنال در نور خورشید
به همین دلیل كمتر كسی از این روش استفاده كرد و این روش منسوخ شد.
(Frequency Hopping Spread Spectrum) FHSS تكنیك با 802.11
در این روش از 79 كانال مستقل استفاده میشود كه پهنای باند هر كدام 1MHz است و از پایینترین فركانس باند 2.4 GHz) ISM كه سازمان FCC در ایالات متحده در گذشته فقط این باند را بدون نیاز به اخذ مجوز دولتی مجاز به استفاده میدانست) شروع میشود. البتـه دقت كنید به دلیل اینكه كاربردهای گوناگونی نظیر قفلهای كنترل از راه دور درب گاراژ، اجاق مایكروویو، تلفن بیسیم و غیره همگی در این فركانس قرار دارند رقیبهای شما در این باند فركانسی زیادند. به همین دلیل سیگنالها در این باند فركانسی توان بسیار كمی دارند تا از تداخل آنها جلوگیری شود.
در این روش فرستنده و گیرنده با هم سنكرون میشوند و به كمك یك مولد تصـادفی مشـخص( Seed معلـوم و رابطـه معلـوم) اعـداد تصادفی تولید میكنند و پس از گذشت اسلاتهای زمانی به طول مشخص توافق شده (كمتر از 400 میلی ثانیـه) كـه بـه آن زمـان دوئـل (Dwell Time)گویند به صورت تصادفی باید فركانس خود را در این 79 كانال جابجا كنند.
Hacker ها فقط در صورتی میتوانند این سیگنال را شنود نمایند كه زمان دوئل ، Seed و مولد تصادفی را بدانند. همچنـین بـه دلیـل جابجایی سریع باند فركانسی مشكل محو شدگی چند مسیره (Multipath Fading) حل میشود. زیرا قبل از اینكه سیگنالهای مزاحم كه از انعكاس سیگنال اصلی نشات گرفتهاند به گیرنده برسند، گیرنده باند فركانسی خود را عوض كرده است.
با همه این مزایا مشكل اصلی این تكنیك، پهنای باند فركانسی كم آن و نرخ پایین ارسال (1Mbps) میباشد.
(Direct Sequence Spread Spectrum) DSSS تكنیك با 802.11
این تكنیك نیز با نرخ 2 Mbps یا 1 كار میكند اما تكنیك اسـتفاده از بانـد فركانسـی 2.4GHz) ISM) در آن كمـی عجیـب بـه نظـر میرسد در این تكنیك چندین ایستگاه میتوانند همزمان در یك باند فركانسی به ارسال داده بپردازند.
نكته در اینجاست كه چگونه اطلاعات آنها دچار تداخل نمیشود. در فصول قبل دیدیم كه میتوان بـا سـه تكنیـك مـالتی پلكسـینگ  FDM ، TDM و WDM از تداخل دادهها جلوگیری كرد، اما در اینجا همزمان (بر خلاف TDM ) در یك باند فركانسی و یك طـول مـوج (بر خلاف FDM و WDM) به ارسال داده میپـردازیم. ایـن تكنیـك را Code Division Multiple Access) CDMA) مـینامنـد. در ایـن
تكنیك برای جدا كردن دادهها از روشهای خاص رمزگذاری و تئوری Coding استفاده میكنند. بـه ایـن شـكل كـه اطلاعـات بـه صـورت بردارهای متعامد (Ortogonal) ارسال میشوند (فرض كنید در یك سالن همزمان چهـار نفـر بـه زبـانهـای فارسـی، روسـی ، فرانسـوی و انگلیسی صحبت كنند. انسان میتواند سیگنال صحبت موردنظر خود را بهطور مفهومی به دلیل عمود بودن این زبـانهـا بـر هـم و تفـاوت  آشكار در گرامر و لغات آنها از سایر سیگنالها استخراج كند.)
به تكنیكهایی از این دست كه همزمان از كل باند فركانسی برای ارتباط بین هر یك از زوج دسـتگاههـای در حـال مكالمـه اسـتفاده مینمایند، طیف گسترده (Spread Spectrum) میگویند.
(Ortogonal Frequency Division Multiplexing) OFDM تكنیك با 802.11a
هنگامی كه سازمان FCC قانون منع استفاده از باندهای فركانسی بالاتر از2.4 GHz) ISM) را لغو كرد IEEE از این فرصت استفاده كرد
و در استاندارد 802.11a با بهره گیری از مدولاسیون Ortogonal Frequency Division Multiplexing) OFDM) در باند فركانسـی 5GHz به نرخ انتقال 54 Mbps دست یافت. در این تكنیك 52 زیر كانال فركانسی استفاده میشود كه 48 مورد از آنها برای انتقال داده و 4 تـای
دیگر برای همگام سازی است و از این نظر شبیه ADSL عمل میكند.
از آنجا كه در این روش نیز بهطور همزمان بر روی فركانسهای متفاوت به ارسال داده میپردازیم این روش نیز نوعی تكنیك Spread Spectrum یا طیف گسترده محسوب میشود .
در این روش از سیستم كدینگ پیچیدهای كه مبتنی بر مدولاسـیون تغییـر فـاز بـرای نـرخ ارسـال كمتـر از 18Mbps و QAM بـرای سرعتهای بالاتر میباشد استفاده میشود
نكته: تقسیم سیگنال به تعداد بسیار زیادی باند باریك در مقایسه با استفاده از یك باند واحد عریض مزایای متعددی دارد كه از جملـه میتوان به ایمنی بیشتر در مقابل تداخل و امكان استفاده از باندهای غیرمجاور اشاره كرد.
High Rate DSSS) HR – DSSS تكنیك با 802.11b
این روش از همان تكنیك DSSS با نرخ بالاتر داده استفاده میكند و به سرعت 1 , 2 , 5.5 , 11 Mbps دست مییابد. در این تكنیك از مودولاسیون تغییرفاز و كدینگهای ویژه استفاده شده است (برای بالا بردن سرعت)  جدید OFDM تكنیك با 802.11 g در نوامبر 2001 بالاخره IEEE از بین تكنیكهای متنوع، مدولاسیون OFDM (مانند 802.11a) را انتخاب كرد با این تفاوت كـه ماننـد
802.11b در باند 2.4GHz كار میكند و استاندارد IEEE 802.11g را به عنوان آخرین اسـتاندارد ارائـه داد. سـرعت ایـن شـبكه 54Mbps است.
زیر لایه MAC در شبكه های محلی بیسیم
دو دلیل عمده برای عدم امكان استفاده از این پروتكل به شرح زیر است:
۱) در هنگام ارسال در شبكههای بیسیم، فرستنده نمیتواند همزمان به كانال گوش دهد و تصادم را كشف كند
۲) مشكل گره مخفی یا ایستگاه مخفی كه قبلا” شرح داده شد نیز دلیل دیگری برای این موضوع میباشد. برای مثال به شكل زیر نگاه كنید.

در شكل (الف) ایستگاه A میخواهد با ایستگاه B تماس برقرار كند و در همان زمان ایستگاه C مشغول ارسال اطلاعات بـه ایسـتگاه Bاست. A با شنود كانال متوجه این ارتباط نخواهد شد و فكر میكند خط آزاد است.
در شكل (ب) ایستگاه B میخواهد با ایستگاه C ارتباط برقرار كند اما در همان لحظه A مشغول ارتباط با ایستگاه D است. B به اشتباه فكر میكند كه كانال مشغول است در صورتیكه میتواند بدون تداخل در همان لحظه اطلاعات خود را به C ارسال كند.
نكته : ارسال همزمان از A به D هیچ تاثیری برای اطلاعات ارسال B به C ندارد زیرا D در برد B نیست و C در برد A قرار ندارد.
نكته : نتیجه اینكه در اینجا گوش دادن به خط كمكی به تشخیص تصادم نمیكند.
انواع روشهای ارتباطی در لایه MAC استاندارد 802.11
اجباری پشتیبانی ¬ (Distributed Coordination) DCF •
• Point Coordination Function) PCF) ¬ پشتیبانی اختیاری (منظور از Point در اینجا همان Access Point است)
روش DCF :
امكـان بـا (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) CSMA / CA پروتكـل DCF در اسـتفاده مـورد پروتكـل اجتناب از تصادم میباشد. این پروتكل كه در آن هم كانال فیزیكی و هم كانال مجازی شنود می شوند، از دو بخش عمده تشكیل میشود:
۱) به خط گوش میدهیم اگر كانال آزاد بود ارسال میكنیم. در هنگام ارسال به كانال گوش نمیدهیم و تا انتهای فریم ادامه میدهیم.
اما اگر كانال مشغول باشد كنار میكشیم و یك مدت تصادفی (بر اساس الگوریتم عقبگرد نمایی دودویی) منتظـر مانـده و مجـددا” تـلاش میكنیم.
۲) به كمك مكانیزمی بنام MACAW به كانال مجازی گوش میدهیم تا از تصادم اجتناب كنیم.
قبل از ادامه بحث پروتكل MACA را مورد بررسی قرار میدهیم:
در پروتكل Multiple Access with Collision Avoidance) MACA) كه به معنی پروتكل دسترسی چند گانـه بـا اجتنـاب از تصـادم است، در واقع فرستنده و گیرنده هر دو در ابتدای مكالمه دو فریم كوچك Request to Send) RTS) از طرف فرستنده به گیرنـده و پـس از آن Clear to Send) CTS) از طرف گیرنده به فرستنده بهترتیب به نشانه درخواست ارسال و آمادگی دریافت) ردوبدل میشـود.كـاربرد مهم این دو فریم كوچك حل مشكل ایستگاه مخفی است. به شكل زیر دقت كنید:

در این شكل ابتدا فرستنده (ایستگاه A ) یك فریم كوتاه 30 بایتی بنام RTS كه حاوی طول فـریم داده اصـلی اسـت بـه گیرنـده (B)
ارسال میكند. C، B و E این سیگنال را دریافت میكنند اما D دریافت نمیكند. سپس گیرنده (ایستگاه B ) سیگنال CTS (فریم 30 بایتی
كه آن هم حاوی طول فریم است) را به فرستنده یا A بر میگرداند. دقت كنید D و E همانند A سیگنال CTS را دریافت میكننـد امـا C آن را نمیشنود. در نتیجه علاوه بر طرفین ارتباط (A و B):
C (۱ فقط RTS را دریافت میكند.
D (۲ فقط CTS را دریافت میكند.
E (۳ هم RTS و هم CTS را دریافت میكند.
اما هر سه ایستگاه فوق قادرند با توجه به طول فریم و استفاده از تایمرهای داخلی و متغیرهای درونی، پایـان ایـن مكالمـه را محاسـبه نموده و بدون اینكه نیاز باشد تا انتهای مكالمه به گوش دادن ادامه دهند از این مكالمه و زمان پایان كاملا” مطلـع باشـند. بـه ایـن روش، شنود كانال مجازی میگویند. بنابراین اگر سه ایستگاه D ، C و E تا پایان مكالمه اقدام به ارسال ننمایند از تصـادم اجتنـاب (Avoidance) خواهد شد. در سال 1994 یك گروه تحقیقاتی ایـن پروتكـل (MACA) را توسـعه داد و آن را Multiple Access with Collision MACAW) (Avoidance for Wireless LAN نامید. پیشنهادات آنها برای توسعه MACA عبارت است از:
الف) استفاده از فریم ACK به منظور اعلام وصول فریم داده از گیرنده به فرستنده؛ زیرا اگر این كار در لایه پیوند داده انجام نشـود بـه
لایه انتقال یا حمل موكول میشود كه سیستم را بسیار كند میكند. بنابراین از آن جا كه این پروتكل در CSMA / CA به كار مـیرود، در واقع استاندارد 802.11 در لایه پیوند داده از كنترل خطا به روش Backward برخوردار است. در صورتیكه لایه MAC در اترنت اینكـار را نمیكرد.
ب) برای كاهش احتمال تصادم در اثر ارسال همزمان دو RTS از دو ایستگاه مختلف به یك ایستگاه واحد عمل گوش دادن به خـط یـا شنود كانال نیز به پروتكل اضافه شده است.
ج ) پیشنهاد شده است كه الگوریتم عقبگرد نمایی به جای اینكه بر روی یك ایستگاه اعمال شود بر روی یك جریان داده خاص اعمال شود كه منظور از جریان داده تعدادی فریم است كه در یك مكالمه مشخص با زمان مشخص بین مبدا و مقصد برقرار است.
د) مكانیزمهایی برای كنترل ازدحادم و ردوبدل كردن اطلاعاتی بین ایستگاهها به منظور گزارش وضعیت ترافیك شبكه پیشـنهاد شـده است كه تمامی این پیشنهادها موجب افزایش كارایی شبكه خواهد شد.
حال به قسمت دوم از پروتكل CSMA/CA بر میگردیم. در این پروتكل با توجه به توضیحات فوق پس از ارسـال هـر فـریم داده یـك تایمر به نام ACK-Timer تنظیم (Set) و روشن میشود. اگر پیش از دریافت ACK این زمانسنج منقضی شود نشان دهنده بروز تصـادم و یا وجود خطا است و نیاز به ارسال مجدد میباشد.
نكته : یكی از دلایل بروز تصادم، اقدام همزمان به ارسال RTS به یك ایستگاه واحد است.
شكل زیر كاربرد كانال مجازی را در روش CSMA / CA نشان میدهد.

NAV : Network Allocation Vector
C و D به كانال مجازی گوش میدهند در حالیكه E نیاز به این كار ندارد و به كانال فیزیكی گوش میدهد.
چند نكته در مورد پروتكل CSMA / CA وجود دارد:
نكته ۱: احتمال خطا در شبكههای بیسیم باند ISM بالاست. لذا اگر طول فریم بزرگ شود احتمال خطای فریم بسیار بالا خواهد بود.
یعنی هر چه طول فریم افزایش یابد احتمال خطا بیشتر میشود.
مثال : اگر فریم اترنت طولش 12144 بیت باشد با احتمال خطای بیت احتمال خطای فریم بیش از 0.70 خواهد بود!
نتیجه: در این پروتكل فریمها به قطعات كوچك تقسیم و شمارهگذاری شده و با پروتكل Stop & Wait ارسال میشوند. ارسـال پشـت سـر هم این دنباله قطعههای (فریمهای) كوچك را فوران تكهها (Fragment Burst) میگویند. علت استفاده از فوران تكـههـا كمـك بـه سیستم كنترل خطا است.
نكته ۲: تاكنون روش DCF مورد بررسی قرار گرفت. در اینجا لازم است كمـی در مـورد روش PCF تعریـف كنـیم. در ایـن روش از یـك ایستگاه ثابت یا Access Point برای كنترل دسترسی به كانال استفاده میشود. از آنجا كه یك ایستگاه مركزی وجود دارد پروتكـل بسیار ساده است: مكانیزم ارتباطی مورد استفاده در اینجا Polling (سركشی) اسـت. یعنـی ایـنكـه ایسـتگاه مركـزی بـه یكایـك ایستگاهها سركشی میكند و سوال میكند كه آیا نیاز به ارسال دارد یا خیر؟
واضح است مكانیزم سركشی تصادم ندارد.
در روش سركشی یك فریم خاص به نام فانوس دریایی (Beacon Frame) به طور متناوب در بازههای 10 تـا 100 میلـی ثانیـه منتشـر میشود و حاوی اطلاعاتی در مـورد ترتیـب پـرش فركانسـی (Hopping Sequence) و زمـان دوئـل در مدولاسـیون FHSS و نیـز پـارامتر سنكرونسازی ساعت و مواردی از این قبیل میباشد. همچنین در این فریم از ایستگاههای جدید دعوت میشود تا بهمنظور سركشی شـدن ثبتنام نمایند. در این استاندارد كیفیت سرویس (QOS) موردنیاز در فاز آغاز مكالمه درخواست و توسط شبكه رعایت آن تضمین میشود.
هر ایستگاه جدید كه وارد سیستم میشود باید خود را در ایستگاه ثابت مركزی ثبتنام نماید.
( Broadband Wireless Network یا گسترده باند بیسیم) IEEE 802.16
این شبكهها كه گاهی تحت عنوان شبكه های بیسیم شهری باند گسترده نامیده میشوند برای ارتباطات بیسیم درون شهری با پهنای باند و سرعت بالاتر از شبكه های محلی بیسیم طراحی شده است.
از آنجا كه شبكه های تلفن برای ارتباط صوتی با باند باریك و توان مصرفی پایین طرح شده است مناسب شبكههای بیسیم شهری بـا باند گسترده نیست.
زیر لایه مدولاسیون در لایه فیزیكی
همانطور كه قبلا” گفته شد این شبكه از آنتنهای بلند تشكیل شده است و از آنجا كه امواج میلیمتری در باند 10 – 66GHZ كه نزدیك امواج مادون قرمز است تك جهته است و به صورت یك اشعه در راستای خاص حركت میكند (بر خلاف تلفنهای سلولی كه همـه جهتـه هستند) لذا بر روی این آنتن بلند چندین دیش در جهات مختلف برای پوشش دادن قطاعهای مختلف نصب میشود.

  • لوازم جانبی کامپیوتر چیست