إِرسال المعطيات

إِرسال المعطيات data transmission هو نقل معلومات مرمزة encoded بأمانة بين مصدر source معلومات محدد ووجهة distination محددة. ويمكن أن تمثل المعلومات المرمزة أحرفاً هجائية أو أعداداً أو أشكالاً قد تنتج من ضغط مفتاح طرفية terminal أو صورة نص أو إِشارة كهربائية صادرة عن جهاز قياس.

وساعد تزايد استخدام الحواسيب في منظومات الاتصال كثيراً في معالجة المعلومات المرمّزة وفتح مجالات واسعة لتطبيقات إِرسال المعطيات ومنحها خاصية مميزة من باقي أشكال منظومات نقل المعطيات. لذلك تطورت وظيفة إِرسال المعطيات من الاتصال ما بين نهايتين، كما هو في منظومة البرق (التلغراف)، إِلى توفير الاتصال داخل منظومة حاسوب واحدة والاتصال ما بين عدة منظومات حواسيب لتشكل ما يسمى شبكات الحواسيب computer networks وأصبحت هذه الشبكات ضرورية لتقديم مختلف الخدمات المعلوماتية لمجالات متعددة منها الصناعية والعسكرية والمكتبية وغيره.

المفاهيم الأساسية لإِرسال المعطيات

كل مصدر للمعطيات يرمِّز المعطيات قبل إِرسالها. ويعالج أغلب تجهيزات مصدر المعطيات معلومات مرمزة ترميزاً ثنائياً binary coded كما هو في الحواسيب والطرفيات الذكية intelegent terminal . ويتطلب إِرسال المعطيات من الحاسوب إِلى أي طرفية ما أو بالعكس تبديل الترميز، ويشمل هذا الترميز ترميز مختلف الأحرف الهجائية والأرقام والأحرف الخاصة وأحرف التحكم في إِرسال المعطيات. وإِن أدنى وحدة لمعالجة المعلومات هي الرقم الثنائي binary digit ويطلق عليها اختصاراً كلمة «بت» (bit)، ويأخذ إِحدى القيمتين المنطقيتين (0) أو (1).

وتُرمّز المعطيات أو المعلومات قبل إِرسالها بتجميع عدد من الأرقام الثنائية لتكون رمزاً لحرف. ويطلق على مجموعة مؤلفة من ثمانية أرقام ثنائية اسم بايت BYTE. وثمة ترميزان شائعان لإِرسال المعطيات: الأول هو ترميز التبادل الثنائي الموسع المرمز عشرياً (EBCDIC) extended binary coded decimal interchange code ، وهو مؤلف من ثمانية أرقام ثنائية (8-bit) وبذلك يمكن أن يُحصل على 256 رمزاً (c). وقد وضعت شركة IBM هذا الترميز وطورته. أما الترميز الثاني فهو الترميز المعياري الأمريكي لتبادل المعلومات American standard code for information interchange (ASCII)  وهو مؤلف من سبعة أرقام ثنائية (7-bit) وبذلك يتم الحصول على 128 رمزاً (c). ووضعت هذا الترميز وطورته مؤسسة المعايير الوطنية الأمريكية (ANSI) American National Standards Institute، فإِذا تطلبت نتائج المعالجة في حاسوب عملية طباعة على الطابعة الموصولة به، فإِن برامجه تقوم بتبديل ترميز المعطيات المراد طباعتها من الترميز الثنائي إِلى الترميز المعياري الأمريكي لتبادل المعلومات، ومن ثم يرسلها الحاسوب إِلى الطابعة التي تستقبل هذه المعطيات وتقوم بانتخاب الأحرف المطابقة لهذا الترميز لطباعتها.

20060713-051918.jpg

       (الشكل -1) الإرسال المتوازي (آ) والإرسال التسلسلي (ب) لمعطيات مرمزة بالترميز المعياري الأمريكي (ASCll)

ويمكن أن يتم إِرسال المعطيات بإِحدى طريقتين: الطريقة الأولى هي إِرسال الأرقام الثنائية على التوازي Parallel- by- bit لترميز حرف دفعة واحدة[الشكل (1-آ)]، ويطلق أيضاً على هذه الطريقة تعبير الإِرسال التسلسلي للأحرف serial-by-character أي إِرسال ترميز حرف تلو ترميز حرف آخر.

أما الطريقة الثانية فهي إِرسال الأرقام الثنائية لترميز حرف تسلسلياً serial-by-bit [الشكل (1- ب)] أي إِرسال رقم ثنائي (نبضة) تلو رقم ثنائي آخر لترميز حرف واحد.

وأغلب منظومات إِرسال المعطيات هي من النوع التسلسلي وذلك لأن الإِرسال المتوازي يتطلب عدداً أكبر من أسلاك التوصيل مما يشكل عقبة فنية واقتصادية للتوصيل ما بين نقطتين متباعدتين.

20060713-052112.jpg

الشكل -2 منظومة اتصال تسلسلية

ويبين الشكل (2) منظومة اتصال تسلسلية لإِرسال المعطيات ما بين (آ) و (ب). يتم إِرسال المعطيات على شكل قطار من النبضات الممثلة لترميز المعطيات. هذه النبضات تكون متساوية في مطالاتها ويحتل كل منها حيزاً زمنياً محدداً ومتساوياً مع باقي أزمنة النبضات الأخرى. وقناة الاتصال توفر الاتصال باتجاهين. أي يمكن أن يكون الحاسوب في لحظة ما مرسلاً للمعطيات وفي لحظة أخرى يكون مستقبلاً له، وينطبق هذا أيضاًَ على الطرفية الفاعلة. ويستخدم الوصل المباشر المبين في (الشكل-2) ما بين وحدات متقاربة فيما بينهم، (50) متر إِلى (1) كم في أحسن الأحوال، وهذا يعتمد على سرعة الإِرسال أو معدله من ناحية وعلى نوع الإِشارة الكهربائية الممثلة للنبضات (جهود أو تيار) من ناحية أخرى. وعندما تكون نقاط الاتصال بعيدة فيما بينه، ما بين أحياء أو مدن أو دول، تُستخدم خطوط أو قنوات الهاتف، وعبر مقاسم الهاتف، لتوفير قناة اتصال لإِرسال المعطيات.

20060713-052320.jpg

(الشكل -3) منظومة إرسال معطيات

ويبين الشكل (3) الوحدات والعناصر الأساسية المكونة لمنظومة اتصال، ويطلق عليها عادة اسم رابطة المعطيات data link. وتعد وحدات أو عناصر هذه المنظومة جزءاً أساسياً لا بد منه في مختلف منظومات إِرسال المعطيات، وهذه الوحدات هي الوحدات الثلاث الآتية. الأولى هي تجهيزات طرفية المعطيات data terminal equipment (DTE) وهي التجهيزات الطرفية التي تعالج المعطيات لتهيئتها لعمليات الاتصال. وقد تكون هذه التجهيزات حاسوباً أو طابعة أو طرفية فاعلة إِضافة إِلى مختلف التجهيزات التي توفر مستلزمات إِرسال المعطيات. وقد تكون بعض هذه التجهيزات في الوقت نفسه مصدراً للمعطيات أي مرسلاً لها data source ومستقبلاً لها data sink. فالحاسوب مثلاً يمكن أن يكون مصدراً أو مودعاً للمعطيات في حين تكون الطابعة مودعة أو مستقبلة للمعطيات فقط.

والثانية هي تجهيزات إِرسال المعطيات data communication equipment: وهي التجهيزات اللازمة لأقلمة إِشارة المعطيات، النبضية الرقمية، مع قناة الاتصال. من هذه التجهيزات المعدِّل/مزيل التعديل modilator /demodilator ويطلق عليه اختصاراً اسم موديم modem، وهو جهاز يقوم بتعديل النبضات على حامل مستمر لإِرسالها عبر قناة مستمرة (مثلاً خطوط الهاتف) وإِزالة التعديل عند الاستقبال.

أما الثالثة فهي قناة الاتصال: وهي أيُ وسيط نقل للإِشارات، وقد تكون سلكية مثل خطوط هاتف (شفع من الأسلاك) أو كبل محوري coaxial cable أو كبل من الألياف الضوئية fiber optic cable أو تكون قناة لاسلكية مثل قناة الترددات العالية أو قناة مكروية من خلال السواتل الصنعية.

التحكم في إِرسال المعطيات

تصنف تجهيزات طرفية المعطيات في نوعين: النوع الأول يكون مصدراً للمعطيات أو مستقبلاً له، مثلاً الحاسوب أو الطرفية الفاعلة. والنوع الثاني يكون مسؤولاً عن معالجة المعطيات. وقد يكون هذا الجزء متضمناً في تجهيزات النوع الأول أو يكون وحدة منفصلة بحد ذاته ويطلق عليه تعبير وحدة التحكم في الاتصال communication control unit (CCU) وأهم الوظائف التي ينفذها هذا النوع من التجهيزات هي: التحكم في الخط line control، أو قواعد الخط line protocol والتزامن synchronization، وترجمة الترميز  code translation وكشف الأخطاء وتصحيحها وإِرسال الإِشارات واستقبالها.

ويمكن أن تأخذ وحدة التحكم في الاتصال أحد الأشكال التالية:

ـ وحدات مادية hardware units:

وهي ثابتة الوظائف وغير قابلة للبرمجة. ويتطلب أي تغيير في وظائفها تغييراً جذرياً لعناصرها المادية.

ـ وحدات مختلطة:

وهي مادية وقابلة للبرمجة. ويمكن تعديل وظائفها بتعديل جزئي بعناصرها المادية وبتعديل البرامج.

ـ وحدات مبرمجة بوجه كامل:

وهي تجهيزات يمكن تعديل وظائفها بتعديل البرامج من دون الحاجة إِلى تعديل عناصرها المادية.

وهناك تجهيزات أخرى توفر الاستخدام الأفضل لخطوط إِرسال المعطيات بالإِضافة إِلى توفير بعض وظائف التحكم في إِرسال المعطيات وأهمها: المنضِّدات multiplexers (MUX) والمركِّزات concentrators.

وحدات التحكم في إِرسال المعطيات المادية والمبرمجة:

20060713-052528.jpg

(الشكل -4) وحدة التحكم في إرسال المعطيات

تتطلب معالجة المعطيات للإِرسال أداء وظائف متعددة. تشغل هذه المعالجة حيزاً كبيراً من زمن معالجة الحاسوب وقد تكون نسبتها 25٪ من زمن معالجة الحاسوب للمعلومات، وتختلف هذه النسبة بحسب عدد الطرفيات الموصولة إِلى الحاسوب. ولهذا فإِن استخدام وحدات متخصصة بالتحكم في إِرسال المعطيات يساعد الحاسوب على التحرر من أداء معالجة وظائف إِرسال المعطيات مما يؤدي إِلى زيادة مردوده، الشكل (4).

كانت تجهيزات وحدات التحكم في إِرسال المعطيات تبنى من دارات رقمية ذات تكامل صغير أو وسط. أما في الوقت الحاضر فقد أصبحت تجهيزاتها مبنية من دارات ذات تكامل واسع large scale integration (LSI) قابلة للبرمجة لأداء وظائف محدودة ويطلق عليها اسم معالج النهاية الأمامي front end processor (FEP) غير الفعال. ويتطلب بعض شبكات إِرسال المعطيات تحقيق وظائف كثيرة ومتغيرة بحسب نوع الشبكة. ويخصص في مثل هذه الحالات حاسوب يسمى معالج النهاية الأمامي (FEP) كما هو مبين في الشكل (5)، ومن أهم مميزات هذا النوع من الوحدات المرونة العالية الناتجة من إِمكانية تعديل كثير من وظائفها عن طريق برامج الاتصال الخاصة بها.

20060713-052656.jpg

(الشكل -5) استخدام معالج النهاية الأمامية في التحكم في إرسال المعطيات

المنضِّدات والمركِّزات

أدى التقدم التكنولوجي في صناعة الدارات المتكاملة إِلى هبوط مستمر في تكاليف معالجة المعطيات وتخزينها. ولكن تكاليف خطوط إِرسال المعطيات ازدادت عند مستثمر خطوط النقل وذلك لزيادة تكاليف المكالمات وأجور خطوط الإِرسال. وأدى ذلك إِلى تطوير تجهيزات توفر الاستخدام الأفضل لوسائل الاتصال، أهمها المنضِّدات والمركِّزات التي تزيد مردود شبكة إِرسال المعطيات وتخفض تكاليف الإِرسال.

    

20060713-052816.jpg

(الشكل -6) التنضيد بالتقسيم الترددي لست قنوات

 
20060713-052952.jpg

(الشكل-7) التنضيد بالتقسيم الزمني لست قنوات

 
20060713-053138.jpg

(الشكل -8) المنضدات نوع TDM

المنضِّدات:

الوظيفة الأساسية للمنضدات هي دمج إِشارات قنوات متعددة منفصلة عبر قناة واحدة عند الإِرسال. أما وظيفة مفككات التنضيد demultiplexers فهي توزيع الإِشارات المستقبلة من دارة واحدة إِلى قنوات متعددة أو دارات متعددة. وعند نهايتي أي خط لابد من وجود جهاز يقوم بعملية التنضيد وتفكيكه معاً وذلك لأن كل طرفية قد تكون مرسلة أو مستقبلة للمعطيات. واختصاراً يطلق على الجهاز اسم «جهاز التنضيد» على الرغم من كونه يقوم بأداء كل من عمليتي التنضيد عند الإِرسال، وإِزالته عند الاستقبال.

ويمكن أن يكون التنضيد بالتقسيم الترددي frequency division multiplexing (FDM) أو بالتقسيم الزمني time division multiplexing (TDM). ويعتمد التنضيد بالتقسيم الترددي (FDM)، (الشكل 6)، على تقسيم حزمة تردد الإِرسال (قناة الإِرسال) إِلى عدد من حزم ترددية (قنوات). يكون هذا النوع من التنضيد منخفض التكاليف عندما يكون عدد القنوات المستخدمة قليلاً.

أما التنضيد بالتقسيم الزمني (TDM) لكل طرفية، (الشكل 7)، فهو يحجز حزمة قناة الإِرسال بكاملها لمدة زمنية محددة أو حيز زمني time slot محدد، بغض النظر عما إِذا كانت هذه الطرفية في حالة إِرسال أو متوقفة عن العمل (الشكل 8).

وقد أتاح التطور في تقنية المعالجات المكروية microprocessors في نهاية السبعينات تطوير منضدات ذكية بالتقسيم الزمني intelligent TDM، أو ستاتيكية statical TDM. ويوفر هذا النوع من المنضدات وظائف كثيرة منها التحكم الموائم في السرعة adaptative speed control والتخصيص الدينامي dynamic للحيز الزمني لكل طرفية. وهناك مميزات أخرى لمثل هذه المنضِّدات منها زيادة تخزين المعطيات وضغط المعطيات data compression وتحسين كشف الأخطاء وإِدارة شبكة إِرسال المعطيات وغيرها من مميزات. ويمكن أن يعد بعض أنواع هذه المنضدات مركزِّات.

 

 


20060713-053255.jpg

(الشكل -9) المركّزات

المركِّزات:

وهي وحدات قابلة للبرمجة تقوم بتجميع أحمال نقل آتية من خطوط نقل منخفضة السرعة وإِرسالها في خط ذي حمل كبير وذي سرعة عالية، (الشكل 9). وتختلف المركِّزات عن المنضِّدات بأنها تطبق مبدأ التنافس أو التنازع contention وهذا لأن عدد قنوات الدخل أكبر من عدد قنوات الخرج. ويتم تركيز الحمل بطريقة تنسيق الأرتال queueing أو التحري المتتالي polling أو بطريقة التخزين والإِرسال store and forwarding.

معدل إِرسال المعطيات وسعة قناة الإِرسال

تُرسَل المعطيات تسلسلياً عبر قناة الاتصال على شكل قطار من النبضات، (الشكل 10).

20060713-053600.jpg

(الشكل -10) إرسال المعطيات تسلسلياً

وإِذا كانت كل نبضة تمثل بتاً واحداً one-bit فإِن سرعة معدل إِرسال المعطيات تقاس بعدد البتات المرسلة في الثانية bit per second (BPS) في حين يراوح تردد قطار النبضات بين صفر هيرتز (مركبة مستمرة)، عندما تكون قيم جميع الأرقام الثنائية، المرسلة مساوية (1)، وتردد أعظمي (n/2) هيرتز، عندما تكون قيم الأرقام الثنائية المرسلة مساوية وعلى التناوب (0) و (1) ، حيث (n) تساوي عدد الأرقام الثنائية في الثانية. ولكل نبضة حيز زمني (ح) يطلق عليه اسم عنصر الإِشارة signal element ويساوي (1/n=ح)  ثانية.

وتقاس سرعة الإِرسال بوجود البود (BAUD) واستخدمت هذه التسمية تكريماً للعالم بود J.M.E.Baud وهو من أوائل مطوري منظومات البرق، ومعدل البود لقناة اتصال هو المعدل الأعظمي الذي ترسل عنده نبضات الإِشارة، أو معدل تعديل القناة modulation rate of the channel. وإِذا كانت كل نبضة من النبضات تمثل رقماً ثنائياً واحداً فإِن وحدة البود تساوي عدد البتات في الثانية (BPS) وذلك لأن كل بت يمثل بأحد المستويين (0) أو (1). وإِذا كانت النبضة الواحدة تمثل أكثر من بت واحد فإِن معدل بود يقصد منه عدد نبضات الإِشارة المرسلة في الثانية وتمثل كل نبضة أكثر من بت واحد. وتحدد طريقة التعديل المستخدمة لإِرسال المعطيات عدد البتات في البود الواحد.

ويطلق على معدل المعلومات المرسلة في الثانية اسم سعة القناة channel capacity وتقاس سعة القناة الأعظمية بوحدة المعلومات في الثانية bit/second، وهنا تمثل كلمة (bit) وحدة معلومات وليست اختصاراً لرقم ثنائي، وفي مثل هذه الحالة يطلق على الرقم الثنائي من نظام العد الثنائي اسم بينيت (BINIT).

ولقد وضع نيكوست H. Nyquist علاقة حدد فيها قيمة سعة القناة على النحو التالي:

(1).C=2W LOG ­2 L BIT/SEC

حيث (L) عدد مستويات الإِشارة number of signaling levels ويساوي   (2n).

(n) عدد الأرقام الثنائية في الثانية في البود bps/BAUD وتساوي n=LOG2L  .

W عرض الحزمة بوحدة الهيرتز (دورة في الثانية).

ويطلق أيضاً على علاقة نيكوست تعبير سعة القناة المتقطعة. ومن هذه العلاقة يُرى أن سعة القناة يمكن أن تتزايد لا نهائياً عند تزايد عدد مستويات الإِشارة (L). ولكن هذا غير ممكن من الناحية العملية وذلك لعدم أخذ علاقة نيكوست بالحسبان المحددات الفيزيائية للقناة.

وكذلك فقد وضع كلود شانون Claud Shannon علاقة يحدد فيها سعة القناة بدلالة نسبة الإِشارة إِلى الضجيج signal to noise ratio (S/N) وعرض حزمة القناة كما يلي:

C=W LOG2 (1+S/N) BIT/SES

وأصبحت هذه العلاقة تعرف بقانون هارتلي وشانون Hartly Shannon Law وهذه العلاقة تمثل سعة القناة المستمرة.

طرائق التعديل لإِرسال المعطيات

إِن خطوط الشبكة الهاتفية مخصصة لنقل إِشارات الصوت التمثيلية المحدودة المجال الترددي. وهي غير مناسبة لنقل الإِشارات النبضية والمتقطعة زمنياً، وذلك لأن جميع تجهيزات الشبكة الهاتفية من مكبرات وجسور إِرسال ونواخب نهائية مخصصة للإِشارات المحدودة المجال الترددي. في حين يرى أن الإِشارات النبضية هي إِشارات ذات مجال عريض مما يؤدي إِلى تشوهها عند مرورها في خطوط النقل الهاتفية.

ولهذا تحوَّل إِشارة المعطيات المرسلة النبضية إِلى موجات مستمرة بوساطة التعديل، وتتضمن هذه العملية تحميل الإِشارة النبضية على إِشارة تمثيلية. ويطلق على هذه العملية أحياناً اسم الإِقفال Keying بدلاً من التعديل عند التعامل مع الإِشارات غير التمثيلية. وتسمى الوحدات التي تقوم بتعديل المعطيات معدات أو وحدات إِرسال المعطيات. ولما كانت وحدات طرفية المعطيات (DTE) تعمل مُرْسِلات ومُسْتَقْبِلاتٍ للمعطيات فإِنه لابد من وجود جهازين، واحد في كل طرف من طرفي الخط. ويعمل كل جهاز معدلاً عند الإِرسال ومزيلاً للتعديل عند الاستقبال (موديم).

وهناك أنواع كثيرة من وحدات الموديم، لكل نوع مميزاته وتطبيقاته الخاصة. وتحدد طريقة التعديل أو الإِقفال المستخدمة خواص الموديم ونوعه، ومن أهم هذه الطرائق: التعديل المطالي (السعوي) amplitude modulation أو الإِقفال بإِزاحة المطال amplitude shift keying (ASK) ، والتعديل الترددي ferequency modulation أو الإِقفال بإِزاحة التردد frequency shift keying (FSK) والتعديل الطوري phase modulation أو الإِقفال بإِزاحة الطور phase shift keying (PSK) والتعديل المطالي الرباعي quadriture- amplitude modulation (QAMI).

20060713-053718.jpg

( 11 - آ) إغلاق / فتح

20060713-053855.jpg

(11-ب) الاعتماد على تغيير مطال الحامل ما بين قيمتين لنبضة المعطيات

(الشكل -11) الإقفال بإزاحة المطال

20060713-054011.jpg

(الشكل -12) الإقفال بإزاحة التردد

الإِقفال بإِزاحة المطال (ASK):

تعدل هذه الطريقة مطال التيار الحامل بحسب إِحدى قيمتي نبضة المعطيات (0) أو (1). ويبين (الشكل 11 - آ) نوع إِغلاق/فتح (ON-OFF) وفيه يكون مطال الحامل مساوياً قيمة محددة من أجل قيمة (1) ومساوياً للصفر عند القيمة (0). وهناك نوع آخر لهذه الطريقة يعتمد على تغيير مطال الحامل ما بين قيمتين إِحداهما من أجل القيمة (0) والأخرى من أجل القيمة (1) لنبضة المعطيات (الشكل 11 - ب)، ويتم اختيار هاتين القيمتين ليمكن للمستقبل أن يفرق بينهما بسهولة في حال وجود الضجيج.

 

 

الإِقفال بإِزاحة التردد (FSK):

الإِقفال بإِزاحة التردد يغير تردد تيار الحامل ما بين قيمتين بحسب قيمة نبضة المعطيات (0) أو (1) [الشكل (12)]. تستخدم هذه الطريقة في كثير من أنواع الموديم التي تعمل بمعدل إِرسال معطيات منخفض (أقل من 1200bps بت/ثانية) ولا تستخدم هذه الطريقة عند معدل عال للإِرسال، وذلك لأنها تتطلب زيادة في الفرق ما بين تردد في حامل التيار كلما زاد معدل الإِرسال، ولأن هناك مجالات تردد لا يمكن استخدامها لإِرسال المعطيات لكونها مخصصة في المقاسم الهاتفية لأغراض خاصة.

 

الإِقفال بإِزاحة الطور (PSK):

20060713-054113.jpg

(الشكل -13) الإقفال بإزاحة الطور P S K

تستخدم طريقة الإِقفال بإِزاحة الطور لتحقيق معدل عال لإِرسال المعطيات ولتفادي بعض مساوئ طريقة الإِقفال بإِزاحة التردد. وتعتمد هذه الطريقة على تغيّر طور الحامل، وذلك بتوليد إِشارتين متساويتين في التردد ومختلفتين في الطور، ويستخدم هذا الاختلاف في الطور لتمثيل إِحدى القيمتين (0) أو (1) (الشكل 13).

وتتيح هذه الطريقة استخدام إِشارات متعددة المستويات، أي تمكن من تمثيل أكثر من رقم ثنائي لكل بود تعديل واحد. مثلاً: إِذا استخدم رقمان ثنائيان لكل بود تعديل فإِنه يتطلب أربع قيم طور مختلفة، قيمة واحدة لكل رقمين ثنائيين وكما يلي:

تغير الطور ـ خيار (2) تغير الطور ـ خيار (1) زوج الأرقام الثنائية
45ْ 00ْ
135ْ 90ْ 01ْ
225ْ 180ْ 10ْ
315ْ 270ْ 11ْ

ولذلك إِذا كان معدل إِرسال المعطيات مساوياً (2400 bps بت/ثا) يكون معدل التعديل (1200) بود.

التعديل المطالي الرباعي (QAM):

20060713-054234.jpg

عرض الحزمة الضوئية بحسب CCITT

الشكل (14) بيان العلاقة بين معدل سرعة الإرسال وعرض الحزمة المطلوبة

تعتمد هذه الطريقة في التعديل أو الإِقفال على تغيير كل من المطال والطور لتمثيل المعطيات المرسلة. وتستخدم هذه الطريقة غالباً في وحدات الموديم المخصصة لإِرسال معطيات ذات معدل عالٍ، قد يصل إِلى (9600bps، بت/ثا) عبر خطوط الهاتف المستأجرة. ويلاحظ مما سبق أن تجميع الأرقام الثنائية لتمثيل البود يؤدي إِلى زيادة معدل إِرسال الأرقام الثنائية الممثلة للمعطيات وإِلى الاستفادة من دارات القنوات الصوتية على الرغم من أن عرض حزمتها يساوي (3100) هيرتز. وبالمقابل فإِن وحدات الموديم المستخدمة لهذه الطريقة تكون معقدة التقنية وبالتالي فإِن تكلفتها تكون عالية. وإِضافة إِلى ذلك فإِن زيادة سرعة الإرسال تتطلب زيادة في عرض الحزمة الترددية للدارات الصوتية، ويبين الشكل (14) العلاقة بين معدل سرعة الإِرسال وعرض الحزمة المطلوبة.

أنماط الإِرسال

20060713-054328.jpg

(الشكل -15)

يتم التخاطب ما بين نقطتين في منظومات إِرسال المعطيات بأحد أنماط الإِرسال transmission modes التالية: النمط المبسط simplex أو المفرد. النمط نصف المزدوج half-duplex (HDX). والنمط المزودج الكامل full-duplex (FDX).

أما في النمط المبسط فيكون الإِرسال باتجاه واحد فقط. ويستخدم لتحقيق الوصول الفيزيائي زوج من الخطوط (دارة واحدة)، الشكل (15 - آ).

وأما في النمط نصف المزدوج فيكون الإِرسال والاستقبال في اتجاهين، ولكن بالتناوب. ويتطلب هذا النمط دارة واحدة لتحقيق الوصل الفيزيائي، الشكل (15 - ب).

وأما النمط المزدوج الكامل فيحقق الإِرسال والاستقبال في اتجاهين في آن واحد ولكنه يتطلب زوجين من الخطوط أو دارتين لتوفير الوصل الفيزيائي، الشكل (15- جـ).

قواعد استعمال الخط

لضمان سلامة المعطيات المستقبلة وصحتها لابد من ضمان التوافق في توقيت عمل كل من المرسل والمستقبل. وتسمى عملية التوافق هذه بالتزامن.

وهناك طرائق تزامن مختلفة أهمها ما يلي:

20060713-054451.jpg

(الشكل -16) تمثيل تزامن النبضات

تزامن النبضات:

في طريقة تزامن النبضات bit synchronization يحدد جهاز الاستقبال بدقة لحظة استقبال نبضات المعطيات في ضوء معدل نبضات ميقاتية يجب أن تكون متطابقة مع معدل نبضات ميقاتية المرسل، (الشكل 16).

تزامن الحروف:

في طريقة تزامن الحروف character synchronization يتعرف المستقبل مجموعة الأرقام الثنائية المشكلة للحرف المرسل. ويمكن تمييز طريقتين من هذا التزامن.

20060713-054626.jpg

(الشكل -17) إرسال تسلسلي غير متزامن

الأولى: الإِرسال التسلسلي غير المتزامن serial asynchronous، ويتم التزامن في هذه الطريقة بإِرسال نبضة بدء start bit، قبل إِرسال نبضات ترميز حرف م، للدلالة على بدء الإِرسال. وفي نهاية إِرسال نبضات ترميز الحرف ترسل نبضة وقف للدلالة على نهاية إِرسال الحرف (الشكل 17). ويجب أن يلاحظ أن بدء إِرسال حرف هو إِرسال غير متزامن في حين أن استقبال نبضات الحرف يكون متزامناً بحسب معدل الإِرسال، أو بحسب الحيز الزمني لنبضات المعطيات الممثلة لترميز الحرف.

 

20060713-054808.jpg

(الشكل -18) تمثيل الإرسال التسلسلي المتزامن

أما الطريقة الثانية فهي الإِرسال التسلسلي المتزامن serial synchronous وفيها تستخدم أحرف مرمزة خاصة لعملية التزامن، (الشكل 18) كما يلي:

ـ عدم الإِرسال IDLE

ـ ترميز (ASCII) لحرف SYN للدلالة على طلب التزامن.

ـ ترميز (ASCII) لحرف STX للدلالة على بدء إِرسال المعطيات.

ـ ترميز (ASCII) لحرف ETX للدلالة على نهاية إِرسال المعطيات.

وفي هذه الطريقة تتم عملية التزامن فقط عند بدء إِرسال مجموعة block المعطيات.

تزامن الرسائل:

تزامن الرسائل message synchronization هو إِحدى وظائف قواعد الوصل link protocol. وهذه القواعد ضرورية لتحقيق تزامن إِرسال المعطيات في منظومة حاسوب واحدة أو بين شبكات الحواسيب.

ويتطلب أغلب هذه القواعد نمط إِرسال كامل الازدواج (FDX)، وأهم هذه القواعد وأكثرها انتشاراً هي: التحكم المتزامن في وصل المعطيات   synchronous data- link control (SDLC) وطَورت هذه القواعد شركة (IBM)، والتحكم العالي المستوى في وصل المعطيات high- level data- link control (HDLC) وطورت هذه القواعد منظمة المعايير الدولية International Standards Organization (ISO).

20060713-055249.jpg

(الشكل -19) مثال على إطار التحكم العالي المستوى في وصل المعطيات (HDLC)

وهناك أنواع كثيرة من هذه القواعد بحسب عدد الشركات المهتمة بالتوسع الكبير لشبكات اتصال الحواسيب. ويبين الشكل (19) مثالاً على التحكم العالي المستوى في وصل المعطيات. ويطلق على رسالة المعطيات المرسلة وجميع معطيات التحكم المرسلة معها تعبير إِطار الرسالة message frame ويخصص في هذا الإِطار حقول تتضمن مجموعة بتات لتوفير عملية التحكم وتصحيح الأخطاء إِضافة إِلى عنوان جهة الإِرسال.

أنواع تسهيلات القنوات

تصنف قنوات الاتصال، من ناحية أنواع التسهيلات وملكيته، في ثلاثة أنواع أساسية هي:

ملكية خاصة: وهي منظومات اتصال مبنية من شبكة خاصة وتعود ملكيتها كلها إِلى المستثمر، مثل شبكة مصنع أو شبكة جامعة وغيرها.

وملكية خاصة مستأجرة: وهي منظومات مبنية من شبكة خاصة ولكنها مستأجرة من شركات أو مؤسسات الهاتف الآلي. ولكل نوع من هذه التسهيلات تعرفة بحسب نوع الخدمة المقدمة للمستثمر. وهذا النوع من التسهيلات يوفر للمشترك اتصالاً دائماً عبر المقاسم الهاتفية.

وملكية عامة: وهي منظومات شبكات الهاتف العائدة ملكيتها إِلى شركات أو مؤسسات عامة. في هذا النوع من التسهيلات لا يوفر الاتصال عبر المقاسم إِلا عند طلب رقم الاتصال كما هي الحال في المكالمات الهاتفية العادية.

تنظيم منظومات إِرسال المعطيات
20060713-055416.jpg

آ - بين نقطتين من دون تحويل

20060713-055527.jpg

ب ـ بين نقاط متعددة بدون تحويل

هناك طرائق مميزة وكثيرة لتنظيم منظومات إِرسال المعطيات. وتحدد هذه الطرائق بحسب نوع التوزيع الطبولوجي (المكاني)topology  وبحسب نوع الاستخدام.

ويمكن أن يكون التنظيم الطبولوجي بحسب الأشكال الثلاثة التالية:

بين نقطتين point-to-point: وهو أبسط أنواع التنظيم، ويستخدم في العادة عندما تكون قناة الاتصال من النوع المستأجر الخاص، (الشكل 20-آ).

بين نقاط متعددة multipointor, multidrop: وهو تنظيم يتيح لأي محطة الاتصال مع المحطات الأخرى بحسب عناوينها. وتستقبل كل محطة رسائلها بحسب عنوانها وتهمل باقي الرسائل العائدة إِلى المحطات الأخرى (الشكل 20- ب).

الشبكات networks :

20060713-055638.jpg

(الشكل -21) تنظيم الشبكات

وهي مجموعة تضم ثلاث محطات فأكثر وتستطيع كل محطة منها أن ترسل إِلى المحطات الأخرى وأن تستقبل منها رسائله، ويطلق عليها في مثل هذه الحالة تعبير شبكات تحويل الرسائل message switching networks. ويطلق على كل محطة اسم العقدة node. ويصنف تنظيم الشبكات بحسب توزعها الطبولوجي، فيمكن أن تكون شبكة مركزية أو نجمية star network أو شبكة غير مركزية decentralized أو موزعة distributed أو شبكة دائرية (حلقية) loop (الشكل 21).

ويطلق تعبير تحويل الرسائل بالرزم packet-switched message على التنظيم الذي ينتخب الطريقة المثلى في إِرسال المعطيات بين عقد الشبكة. ويوفر كثير من مقاسم الهاتف الحديثة مثل هذه التسهيلات لزبائنها.

أما التنظيم من حيث الاستخدام فيمكن أن يكون من النوع المحوِّل أو غير المحوِّل. وعندما يكون تنظيم المنظومة محوِّلاَ فإِن قناة الاتصال تتحقق فقط عند طلب الخط. وعندما يكون التنظيم غير محوِّل (الشكل 20)، أو من دون تبديل، فإِن قناة الاتصال تبقى محققة بوجه دائم ولو لم يكن هناك إِرسال. وهذا التمييز ضروري ولاسيما عند دراسة تكاليف قنوات الاتصال وعامل الاستخدام utilization factor  بالمقارنة مع حركة الرسائل message traffic.

شبكات الحواسيب

كان استثمار منظومات الحواسيب لإِرسال المعطيات مبنياً على مبدأ المركزية أو الشبكة النجمية. وتكون الوحدات الخارجية في هذا النوع من شبكات الحواسيب موصولة إِلى حاسوب مركزي سواء كانت وحدات إِدخال عن بعد أو طرفيات فعالة. وقد شجع انخفاض تكاليف الوحدات المادية لمنظومات الحواسيب فيما يخص تكاليف متطلبات منظومات إِرسال المعطيات، على استثمار منظومات حواسيب كاملة في مواقع خارجية وبعيدة عن المنظومة المركزية، لمعالجة المعلومات محلياً وفي كل موقع لأن أغلب المعلومات المعالجة ذات طبيعة محلية، ونادراً ما تحتاج المعالجة إِلى معلومات إِضافية من مركز المعلومات. ولذلك فإِن التوجه الحديث هو نحو حفظ المعلومات والمعطيات أو تخزينها ومعالجتها محلي، ويُسمى هذا النوع من المنظومات منظومات معالجة المعطيات الموزَّعة distributed data processing. وقد يرغب أحد المواقع في هذه المنظومات في الوصول access إِلى المعلومات أو البرامج في مواقع أخرى، ومثال ذلك قد يرغب موظف في مكتب المبيعات في إِرسال معلومات تفصيلية عن تجهيزات طلبها زبون من مكتب الخدمات، وقد تحتاج بعض البرامج إِلى ذاكرات إِضافية أو وحدات تخزين مساعدة غير متوافرة في منظومة الحاسوب المحلي. تبرز الحاجة في مثل هذه الأحوال إِلى ربط منظومات الحواسيب في المواقع المختلفة فيما بينها لإِنشاء ما يسمى الشبكات الموزَّعة distributed networking ويمكن تصنيفها في صنفين:

الأول: شبكات المناطق الواسعة wide area networks (WAN) وهي شبكات توفر ربط مجموعة منظومات حواسيب متباعدة وموزعة جغرافياً (الشكل 22)، وتنتمي إِلى هذا الصنف أيضاً شبكة المدينة المركزية metropolitan area network (MAN).

20060713-055751.jpg

(الشكل -22) شبكة المناطق الواسعة

20060713-055952.jpg

(الشكل -23) شبكة المناطق المحلية LAN

20060713-060119.jpg

(الشكل -24) شبكة المناطق الواسعة WAN وشبكة المناطق المحلية LAN

مربوطتان من القاعدة X25

والثاني: هو شبكات المناطق المحلية (LAN) local area networks وهي شبكات توفر ربط منظومات حواسيب ووحداتها مع، في موقع واحد، مثل مشفى وكليَّة وغيره، (الشكل 23).

ويتطلب كثير من التطبيقات كلا النوعين من الشبكات ويتم الوصل ما بين مختلف المنظومات ببوابات اتصال gateways.

وقد وضع أغلب الشركات المصنِّعة لمنظومات الحواسيب برامج خاصة لإِرسال المعطيات عبر هذه الأنواع من الشبكات تحقق المعايير الدولية لكل من شبكات المناطق الواسعة (WAN) وشبكات المناطق المحلية (LAN) وأهم هذه المعايير الدولية ثلاثة.

الأول هو منظومات الوصل التبادلي المفتوحة open systems interconnection (OSI) وطورت هذا المعيار المنظمة الدولية للمعايير (ISO).

والثاني هو قاعدة أو بروتوكول (X25) لشبكات المعطيات بتحويل الرزمpacket switching network وقد طورته اللجنة الاستشارية للبرق والهاتف International Telegraph and Telephone Consultative Commitee (CCITT) وهي تغطي متطلبات شبكات المناطق الواسعة.

أما الثالث فهو قاعدة إِثرنت Ethernet IEEE (802.3) الخاصة بالشبكات المحلية والتي طورها معهد المهندسين الكهربائيين والإِلكترونيين في الولايات المتحدة الأمريكية Institute Electrical and Electronics Engineers (IEEE) ويبين الشكل (24) شبكة حواسيب من نوع المناطق الواسعة مربوطة مع شبكة من نوع المناطق المحلية عبر مقسم يوفر تحويل الرزم packet switched exchange . والقاعدة (X25)  اعتمدت معياراً لشبكة منطقة واسعة لإِرسال المعطيات ما بين منظومات الحواسيب عبر الشبكات العامةpublic data networks  أو الشبكات الخاصة أو الشبكات الخاصة المستأجرة.

أما معيار إِثرنت Ethernet للشبكات المحلية فيوفر إِرسال المعطيات ما بين الحواسيب والطرفيات الفعالة بوساطة كبلات محورية ويسمح بإِرسال معطيات بمعدل يصل إِلى 10 ميغابت/ثانية 10m-bit/sec. وتوفر قواعد هذا المعيار التحسس باتجاه الحامل carrier sense والوصول المتعدد multiple access مع كشف التصادم أو التعارض(CSMA/CD) collision detection .

التحكم في الأخطاء

قد ينتج من إِرسال المعطيات بقناة الاتصال استقبال معطيات خاطئة، وقد يؤدي أي خطأ في المعطيات إِلى نتائج غير حميدة كتنفيذ أوامر خاطئة من الحاسوب أو الوحدات المستقبلة. ويلجأ عادة لتجنب حدوث مثل هذه الأخطاء إِلى ترميز المعطيات المراد إِرساله، بطريقة معروفة في كل من طرفي الإِرسال والاستقبال، فيوفر لوحدات الاستقبال إِمكانية كشف الأخطاء وتصحيحها. ومن أبسط طرائق ترميز المعطيات إِضافة معطيات فائضة على الرسائل قبل إِرسالها تسمى بخانات الفحص. وفي حال حدوث خطأ في المعلومات المرسلة ينعكس ذلك في تغيير قيم هذه الخانات مما يسهل عملية كشف الخطأ ومن ثم تصحيحه.

تعمية المعطيات وكشفها
20060713-060227.jpg

(الشكل -25) تعمية المعطيات

من الأمور المهمة في منظومات إِرسال المعطيات ضمان سرية المعطيات المرسلة. لذلك يجب تعميتها قبل تعديلها وإِرسالها عبر قناة الإِرسال لمنحها مناعة كبيرة إِزاء أي فضولي أو متجسس على خطوط إِرسال المعطيات.

وتعتمد درجة المناعة هذه على خوارزمية التعمية المستخدمة، وعلى درجة العشوائية المولدة للمعطيات المعماة، وعلى طول مفاتيح التعمية المستخدمة. ولما كان إِرسال المعطيات تسلسلياً وباتجاهين فإِنه لابد من إِجراء كل من عمليتي التعمية encryption وحل التعمية dencryption عند نهايتي خطوط الإِرسال.

ويمكن تحقيق عمليتي تعمية المعطيات وحل المعطيات المعماة عن طريق برامج تعالج في الوقت نفسه خوارزمية التعمية وحلَّ التعمية، أو يمكن تحقيق ذلك باستخدام تجهيزات مادية توضع ما بين أجهزة الموديم وأجهزة نهاية المعطيات DTE، (الشكل 25).

 

أحمد الأزرق

مراجع للاستزادة

هذا البحث منشور ضمن ( المجلد الأول / العلوم التطبيقية / التقنيات (التكنولوجية) / إرسال المعطيات )  من الموسوعة العربية.

عودة إلى الأعلى