جلسه 2 آشنایي با مفاهیم لایه فیزیکي و وظایف آن

مقدمه: جایگاه لایه فیزیکی در مدل OSI

• لایه فیزیکی اولین لایه از مدل مرجع OSI است.


• وظیفه اصلی آن انتقال بیت‌های داده خام (0 و 1) بر روی یک کانال مخابراتی است.


• این لایه به نحوه انتقال بیت‌ها از یک دستگاه به دستگاه دیگر در لایه پیوند داده (Data Link Layer) می‌پردازد.


• در مدل TCP/IP، این لایه با لایه دسترسی به شبکه (Network Access Layer) ادغام شده است.

۲. وظایف اصلی لایه فیزیکی

• تعریف مشخصات رابط‌های الکتریکی، مکانیکی و رویه‌ای: این شامل تعریف نوع کانکتورها، ولتاژ سیگنال‌ها، نرخ انتقال داده و … می‌شود.


• انتقال بیت‌ها: تبدیل داده‌های دیجیتال (بیت‌ها) به سیگنال‌های فیزیکی قابل انتقال بر روی رسانه (مانند سیگنال الکتریکی، نوری یا رادیویی) و بالعکس.


• همگام‌سازی بیت‌ها (Bit Synchronization): اطمینان از اینکه گیرنده و فرستنده در زمان‌بندی بیت‌ها با هم هماهنگ هستند تا بتوانند بیت‌ها را به درستی تشخیص دهند.


• تعیین توپولوژی فیزیکی: اگرچه این وظیفه بیشتر مربوط به طراحی شبکه است، اما لایه فیزیکی باید از توپولوژی فیزیکی شبکه (مانند باس، ستاره، حلقه) پشتیبانی کند.


• مدیریت انتقال (Transmission Mode): تعیین نحوه جریان داده بین دو دستگاه (Simplex، Half Duplex، Full Duplex).


• کدگذاری خط (Line Coding): تبدیل داده‌های دیجیتال به سیگنال‌های مناسب برای انتقال بر روی رسانه.

۳. انواع رسانه‌های انتقال (Transmission Media)

رسانه‌ها واسط‌هایی هستند که سیگنال‌ها را از فرستنده به گیرنده منتقل می‌کنند.

• 
  

  الف) رسانه‌های کابلی (Wired Media):

  
  


• 
  

  کابل‌های مسی (Copper Cables):

  
  


• 
  

  کابل‌های زوج به هم تابیده (Twisted Pair Cables):

  
  


• 
  

  بدون شیلد (UTP - Unshielded Twisted Pair): رایج‌ترین نوع، شامل جفت سیم‌های مسی که برای کاهش تداخل الکترومغناطیسی به هم تابیده شده‌اند. ارزان و پرکاربرد در شبکه‌های اترنت (مانند Cat5e, Cat6).

  
  


• 
  

  شیلددار (STP - Shielded Twisted Pair): علاوه بر تابیدگی، دارای یک لایه محافظ (شیلد) برای کاهش بیشتر تداخل است. گران‌تر و نصب آن دشوارتر است.

  
  


• 
  

  ویژگی‌ها: قابلیت اطمینان خوب در فواصل کوتاه، مستعد نویز در محیط‌های پرالکتریسیته.

  
  


• 
  

  کاربردها: شبکه‌های محلی (LAN)، خطوط تلفن.

  
  


• 
  

  کابل‌های کواکسیال (Coaxial Cables): شامل یک رسانای مرکزی، یک لایه عایق، یک لایه محافظ بافته شده یا فویل و یک پوشش بیرونی.

  
  


• 
  

  ویژگی‌ها: پهنای باند بیشتر نسبت به زوج به هم تابیده، مقاومت بهتر در برابر نویز، قابلیت انتقال داده در فواصل طولانی‌تر.

  
  


• 
  

  کاربردها: شبکه‌های کابلی تلویزیون (CATV)، برخی شبکه‌های اترنت قدیمی (مانند 10Base2, 10Base5)، خطوط تلفن اصلی.

  
  


• 
  

  کابل‌های فیبر نوری (Fiber Optic Cables):

  
  


• 
  

  ساختار: رشته‌های نازک شیشه‌ای یا پلاستیکی که نور را هدایت می‌کنند.

  
  


• 
  

  ویژگی‌ها: پهنای باند بسیار بالا، مقاومت کامل در برابر تداخل الکترومغناطیسی، قابلیت انتقال داده در فواصل بسیار طولانی با افت سیگنال کم.

  
  


• 
  

  کاربردها: شبکه‌های مخابراتی، اینترنت پرسرعت، شبکه‌های ستون فقرات (Backbone Networks) در سازمان‌ها و مراکز داده.

  
  


• 
  

  ب) رسانه‌های بدون کابل (Wireless Media):

  
  


• 
  

  امواج رادیویی (Radio Waves):

  
  


• 
  

  ویژگی‌ها: قابلیت عبور از موانع (دیوارها)، برد متوسط تا بلند، مستعد تداخل.

  
  


• 
  

  کاربردها: شبکه‌های Wi-Fi، بلوتوث، شبکه‌های موبایل (2G, 3G, 4G, 5G)، رادیو FM/AM.

  
  


• 
  

  مایکروویو (Microwave):

  
  


• 
  

  ویژگی‌ها: جهت‌دار (نیاز به دید مستقیم بین فرستنده و گیرنده)، برد بلند، پهنای باند بالا.

  
  


• 
  

  کاربردها: ارتباطات نقطه به نقطه (Point-to-Point)، ارتباطات ماهواره‌ای، شبکه‌های مخابراتی راه دور.

  
  


• 
  

  امواج فروسرخ (Infrared):

  
  


• 
  

  ویژگی‌ها: برد بسیار کوتاه، نیاز به دید مستقیم، عدم قابلیت عبور از موانع.

  
  


• 
  

  کاربردها: کنترل‌های از راه دور (تلویزیون، کولر گازی)، برخی اتصالات کوتاه برد بین دستگاه‌ها (مانند IrDA).

  
  

۴. مفاهیم سیگنال و انواع آن

سیگنال، نمایش فیزیکی اطلاعات است که بر روی رسانه منتقل می‌شود.

• سیگنال آنالوگ (Analog Signal):


• یک سیگنال پیوسته است که مقادیر آن در طول زمان به طور مداوم تغییر می‌کنند.


• نمایشگر پیوسته مقادیر در دنیای واقعی (مانند صدا، دما).


• دامنه، فرکانس یا فاز آن می‌تواند برای نمایش اطلاعات تغییر کند.


• مستعد نویز و افت کیفیت است.


• سیگنال دیجیتال (Digital Signal):


• یک سیگنال گسسته است که تنها مقادیر مشخصی (معمولاً 0 و 1) را در طول زمان می‌پذیرد.


• نمایشگر مقادیر گسسته و دودویی.


• مقاوم‌تر در برابر نویز و افت کیفیت نسبت به سیگنال آنالوگ.


• انتقال داده در شبکه‌های مدرن عمدتاً با سیگنال دیجیتال صورت می‌گیرد.

۵. مفاهیم پهنای باند (Bandwidth) و نرخ بیت (Bit Rate)

• نرخ بیت (Bit Rate):


• مقدار داده (بر حسب بیت) که در یک واحد زمان (معمولاً ثانیه) بر روی یک کانال مخابراتی منتقل می‌شود.


• واحد اندازه‌گیری: بیت بر ثانیه (bps)، کیلوبیت بر ثانیه (Kbps)، مگابیت بر ثانیه (Mbps)، گیگابیت بر ثانیه (Gbps).


• مثال: سرعت دانلود 50 Mbps یعنی در هر ثانیه 50 میلیون بیت داده دانلود می‌شود.


• پهنای باند (Bandwidth):


• در مخابرات آنالوگ: تفاوت بین بالاترین و پایین‌ترین فرکانس قابل انتقال توسط کانال. واحد: هرتز (Hz). پهنای باند بیشتر، ظرفیت انتقال داده بیشتر را فراهم می‌کند.


• در شبکه‌های دیجیتال (و کاربردی‌تر): اغلب به عنوان ظرفیت کانال (Channel Capacity) در نظر گرفته می‌شود و معادل نرخ بیت حداکثر قابل دستیابی بر روی کانال است. واحد: bps.


• رابطه: پهنای باند (ظرفیت) بیشتر، نرخ بیت بالاتر را ممکن می‌سازد.

۶. مد‌های ارتباطی (Communication Modes)

نحوه جریان داده بین دو دستگاه متصل به هم را مشخص می‌کنند.

• Simplex (ساده‌رو):


• ارتباط فقط در یک جهت انجام می‌شود.


• یک دستگاه فرستنده و دستگاه دیگر گیرنده دائمی است.


• مثال: ارسال سیگنال از یک ایستگاه رادیویی به گیرنده‌ها، ارسال داده از کیبورد به کامپیوتر.


• Half Duplex (نیمه-دورو):


• ارتباط در هر دو جهت امکان‌پذیر است، اما نه به طور همزمان.


• هر دو دستگاه می‌توانند هم فرستنده و هم گیرنده باشند، اما در یک لحظه فقط یکی می‌تواند ارسال کند.


• مثال: بیسیم (Walkie-talkie)؛ وقتی یک نفر صحبت می‌کند، دیگری نمی‌تواند صحبت کند.


• Full Duplex (کامل-دورو):


• ارتباط در هر دو جهت به طور همزمان امکان‌پذیر است.


• هر دو دستگاه می‌توانند همزمان ارسال و دریافت کنند.


• مثال: مکالمه تلفنی، اکثر ارتباطات شبکه اترنت مدرن.

۷. مفاهیم مدولاسیون (Modulation) و مالتی‌پلکسینگ (Multiplexing)

• مدولاسیون (Modulation):


• فرایندی که در آن ویژگی‌های یک موج حامل (مانند دامنه، فرکانس یا فاز) بر اساس سیگنال داده (اطلاعات) تغییر داده می‌شود تا بتوان آن را بر روی رسانه انتقال داد.


• ضروری برای ارسال سیگنال‌های دیجیتال بر روی رسانه‌های آنالوگ (مانند خطوط تلفن) یا برای انتقال سیگنال‌های داده با فرکانس‌های مختلف.


• انواع اصلی: Amplitude Modulation (AM), Frequency Modulation (FM), Phase Modulation (PM).


• مالتی‌پلکسینگ (Multiplexing):


• فرایندی که در آن چندین سیگنال یا جریان داده از منابع مختلف، ترکیب شده و از طریق یک کانال یا رسانه انتقال واحد به طور همزمان عبور داده می‌شوند.


• هدف: استفاده بهینه از پهنای باند رسانه.


• انواع اصلی:


• Frequency Division Multiplexing (FDM): کانال به باندهای فرکانسی کوچکتر تقسیم شده و هر سیگنال در یک باند فرکانسی اختصاصی خود منتقل می‌شود. (مانند رادیو FM)


• Time Division Multiplexing (TDM): کانال به بازه‌های زمانی کوچکتر تقسیم شده و هر سیگنال در نوبت خود در یک بازه زمانی مشخص ارسال می‌شود. (مانند برخی شبکه‌های تلفنی قدیمی)


• Statistical Time Division Multiplexing (STDM): نوع پیشرفته‌تر TDM که به صورت پویا به سیگنال‌هایی که فعال هستند، زمان اختصاص می‌دهد.


• Wavelength Division Multiplexing (WDM): نوعی FDM برای فیبر نوری که در آن سیگنال‌های مختلف با طول موج‌های نوری متفاوت از طریق یک کابل فیبر نوری منتقل می‌شوند.

خلاصه نکات کلیدی برای تدریس:

• لایه فیزیکی مسئول انتقال خام بیت‌ها است.


• انواع رسانه‌ها (مسی، فیبر نوری، بی‌سیم) ویژگی‌ها و کاربردهای متفاوتی دارند.


• سیگنال‌های آنالوگ پیوسته و دیجیتال گسسته هستند.


• نرخ بیت سرعت انتقال داده و پهنای باند ظرفیت کانال را نشان می‌دهد.


• مد‌های ارتباطی (Simplex, Half Duplex, Full Duplex) نحوه جریان داده را تعیین می‌کنند.


• مدولاسیون و مالتی‌پلکسینگ برای انتقال کارآمد داده‌ها ضروری هستند.

تمرین پایان فصل (برای دانشجو):

1. تفاوت اصلی بین کابل UTP و کابل کواکسیال از نظر ساختار و کاربرد چیست؟


2. چرا در شبکه‌های مدرن امروزی، ارتباط Full Duplex رایج‌تر از Half Duplex است؟ مزیت آن چیست؟


3. اگر بخواهید داده‌ها را با سرعت بسیار بالا و در فواصل طولانی منتقل کنید، کدام نوع رسانه انتقال را انتخاب می‌کنید و چرا؟


4. تفاوت مفهومی بین نرخ بیت و پهنای باند در شبکه‌های کامپیوتری چیست؟


5. پدیده‌ای مانند “نویز” در انتقال داده‌ها چه تأثیری دارد و کدام نوع سیگنال (آنالوگ یا دیجیتال) در برابر آن مقاوم‌تر است؟