به نام خدا

1. به نام خدا 2شبكه هاي كامپيوتري زهره زرین قلمی Email: Zarringhalami_z@yahoo.com

2. منبع درس 1- كتاب شبكه هاي كامپيوتري مؤلف : اندرو اس. تنن بام مترجمین : دکتر حسین پدرام ، مهندس علیرضا زارع پور ، مهندس احسان ملکیان 2- كتاب شبكه هاي كامپيوتري (فصل های 4، 5 و 6) مؤلف : دكتر امير مسعود رحماني – انتشارات پوران پژوهش

3. تقسیم بندی نمره 1-امتحان میان ترم (3نمره) 2- امتحان پایان ترم (14نمره) 3- پروژه (3نمره): پیاده سازی و انجام کار عملی در شبکه و ارائه در کلاس (زمان ارائه از هفته آخر فروردین تا هفته آخر اردیبهشت) (پروژه مانند مجازی سازی، ایجاد active directory، پیاده سازی یک سناریو شبکه (انواع شبکه ها: محلی، شهری، بی سیم، حسگرهاو....)در شبیه سازهای شبکه مانند omnet، opnet ، packet tracer ، GNSو ... پروژه اجباری و به صورت گروه های 4 نفره می باشد. زمان ارائه داکیومنت پروژه هفته سوم اردیبهشت می باشد. داکیومنت باید حداقل 80 صفحه باشد.

4. فصل چهارم: مدیریت کانال پخش همگانی

5. مدیریت کانال پخش همگانی (کانال مشترک) مدیریت کانال مشترک پیچیده تر از مدیریت کانال نقطه به نقطه است زیرا کانال نقطه فقط مختص دو ایستگاه است اما کانال پخش همگانی بایستی بین چندین ایستگاه که می خواهند اطلاعات خود را ارسال نمایند به اشتراک گذاشته شود. روش های اختصاص کانال مشترک ما بین چندین فرستنده: 1-روش ایستا(Static) 2-روش پویا (Dynamic)

6. روش ایستا(Static) این روش از تکنیک تقسیم کانال (Channel partitioning)استفاده می کند به طوری که به هر فرستنده یک پهنای باند یا زمان ثابت برای استفاده از کانال داده می شود. به طور مثال با استفاده از تکنیک FDM پهنای باند کانال بین تعدادی فرستنده به طور ایستا تقسیم می شود و هرفرستنده حق استفاده از یک محدوده فرکانس خاصی را دارد و یا درتکنیک TDM زمان در اختیار گرفتن کانال بین چندین فرستنده تقسیم می شود. در روش های ایستا از ظرفیت کانال به صورت بهینه استفاده نمی شود. زیرا اگر فرستنده اطلاعاتی برای ارسال نداشته باشد در FDM پهنای باند کانال و در TDM زمان استفاده از کانال تلف می شود.

7. روش پویا (Dynamic) • در این روش زمان در اختیار گرفتن کانال برای فرستنده به صورت پویا و متغیر است. • در روش های پویا فرستنده ممکن است: • 1- برای در اختیار گرفتن کانال با یکدیگر مجادله با رقابت (Contention) نمایند. اگر دو فرستنده همزمان فریم اطلاعاتی خود را روی کانال ارسال نمایند. اطلاعات با یکدیگر تداخل نموده و از بین می رود و اصطلاحا برخورد (Collision) رخ داده است و بایستی توسط مکانیزمی یکبار دیگر همان فریم اطلاعاتی را دوباره ارسال نمایند (نظیر پروتکل های Aloha وCSMA ) و یا این که • 2- زمان استفاده از کانال بدون برخورد اطلاعات بین آن ها تقسیم شود (نظیر پروتکل های مبتنی بر polling و یا مبتنی بر توکن). • در تمامی روش های فوق در یک زمان فقط یک فرستنده اجازه ارسال دارد ولی تعداد گیرنده ها مهم نیست.

8. انواع روش های تصمیم گیری برای دسترسی به کانال مشترک • از طرف دیگر روش های تصمیم گیری برای دسترسی به کانال مشترک می تواند به سه صورت: • 1- متمرکز (روش های مبتنی بر polling ) • 2- تصادفی ( پروتکل های Aloha و CSMA )و • 3- توزیع شده ( پروتکل های مبتنی بر توکن) باشد. • تصمیم گیری برای استفاده از کانال مشترک در روش متمرکز بر عهده یک کامپیوتر و به صورت متمرکز است. • تصمیم گیری در روش تصادفی بر عهده هر کامپیوتر به صورت جداگانه و بدون اطلاع از وضعیت دیگر کامپیوترها است و • تصمیم گیری در روش توزیع شده به صورت مشارکتی و توزیع شده بین چندین کامپیوتر است. • در ادامه پروتکل های پیاده سازی شده به صورت پویا بررسی می شوند.

9. انواع روش های متمرکز 1-Roll Call polling 2-Hub polling

10. 1- Roll Call polling • در این روش دو کانال مشترک، یکی برای انتقال داده و دیگری برای کنترل و به صورت حلقه وجود دارد. یک کامپیوتر به عنوان ارباب (Master) انتخاب می شود و این کامپیوتر به دیگر کامپیوترها به نام برده (slave) اجازه ارسال فریم های اطلاعاتی را می دهد. • ارباب یک پیغام کنترلی به نام مجوز سرکشی (polling) تولید می کند و polling در اختیار هر کامپیوتری باشد حق استفاده از کانال و ارسال اطلاعات را دارد. • ارباب در ابتدا polling را برای اولین کامپیوتر و از طریق کانال کنترل ارسال می نماید( آدرس مبدا فریم کنترلی برابر آدرس ارباب و آدرس مقصد برابر آدرس کامپیوتر اول است. • تمامی کامپیوترها فریم polling را می بینید ولی فقط اولین کامپیوتر که آدرس آن با آدرس مقصد فریم یکسان است polling را تملک می نماید) با دریافت polling اگر کامپیوتر اول اطلاعاتی برای ارسال نداشته باشد سریعا polling را به ارباب باز می گرداند وگرنه بایستی در یک حداکثر زمان تعریف شده، فریم یا فریم های اطلاعاتی خود را روی کانال داده و برای هرکامپیوتری که می خواهد ارسال نماید و دوباره polling را به ارباب برگرداند.

11. 1- Roll Call polling • اگر کامپیوتر اطلاعات زیادی با زمانی بیش تر از حداکثر زمان تعریف شده داشته باشد بایستی باقیمانده اطلاعات را در فریم های دیگر و در زمان های بعدی که polling را دراختیار می گیرد ارسال نماید. • ارباب پس از دریافت polling از کامپیوتر اول آن را برای کامپیوتر دوم ارسال می کند و کامپیوتر دوم نیز پس از دریافت polling همان مراحل فوق را تکرار می کند و همین روال ادامه می یابد تا polling در اختیار تمامی کامپیوترها قرار می گیرد و دوباره ارباب polling را در اختیار کامپیوتر اول قرار می دهد و..... • در این روش به علت این که فقط یک polling در شبکه وجود دارد برخورد رخ نمی دهد.

12. 2- Hub polling • کانال ها و پروتکل در این روش شبیه Roll call pollingاست با تفاوت زیر: • ارباب ابتدا polling را در اختیار کامپیوتر اول قرار می دهد و آن کامپیوتر در صورتی که اطلاعاتی برای ارسال نداشته باشد polling را در اختیار کامپیوتر دوم قرار می دهد وگرنه فریم اطلاعاتش را ارسال نموده و سپس polling را به کامپیوتر دوم می دهد . • کامپیوتر دوم نیز با طی مراحل فوق polling را به کامپیوتر سوم می دهد و به همین طریق polling از حلقه کنترل گذر می نماید تا دوباره به ارباب برسد و ارباب نیز یکبار دیگر آن را در اختیار کامپیوتر اول قرار می دهد تا از این چرخه ادامه یابد. • در این روش نیز برخورد رخ نمی دهد.

13. معایب دو روش عبارتند از : 1- هزینه نسبتا زیاد به علت استفاده از دو کانال 2- وجود یک نقطه خرابی (ارباب) که در صورت خرابی آن کل شبکه از کار می افتد. 3- تاخیر نسبتاً زیاد. امروزه از پروتکل های فوق در شبکه های کامپیوتری استفاده نمی شود.

14. انواع روش های تصادفی 1- Pure Aloha (P- Aloha) 2- Slotted Aloha (S-Aloha) 3- CSMA(Carrier Sense Multiple Access) 4- CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) 5- CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision A voidance)

15. 1- Pure Aloha (P- Aloha) پروتکل Aloha در سال 1976 توسط شخصی به نام Abramson ایجاد شد و به دو صورت الوهای محض (Pure Aloha) و الوهای قطعه زمانی ( Slotted Aloha) پیاده سازی شده است. مراحل ارسال فریم اطلاعاتی توسط هر ایستگاه فرستنده در روش الوهای محض (Pure Aloha) به صورت زیر است: الف- هر ایستگاه هر وقت نیاز به ارسال اطلاعات داشت همان لحظه و بدون بررسی کانال فریم داده را ارسال می کند. در صورتی که بیش از یک ایستگاه ارسال نماید برخورد رخ می دهد و فریم ها از بین می روند وگرنه فریم صحیح ارسال می شود. ب- پس از اتمام ارسال فرستنده به کانال گوش می دهد ( یک کانال مجزای دیگر به غیر از کانال ارسال داده به عنوان کانال باز خوردی (Feedback) که برای کشف برخورد به کار می رود) و در صورت کشف برخورد یک مدت زمان تصادفی برای ارسال مجدد آن فریم صبر می کند. ج- ایستگاه فرستنده مراحل الف و ب را یکبار دیگر انجام می دهد تا فریم با موفقیت و بدون برخورد ارسال شود. زمان تصادفی برای هر کامپیوتر به صورت جداگانه محاسبه می شود زیرا انتخاب زمان قطعی و یکسان مطمئناٌ باعث برخورد دوباره همان فریم ها توسط همان فرستنده ها می شود.

16. 1- Pure Aloha (P- Aloha) در صورت برخورد اطلاعات، فریم های برخوردی از بین رفته و ظرفیت کانال نیز تلف می شود به عبارت دیگر کارآیی کانال کاهش می یابد. شکل 4-1 روش P-Aloha

17. 2- Slotted Aloha (S-Aloha) در این روش زمان به بخش های مساوی به نام اسلات تقسیم می شود وشروع این اسلات های زمانی به صورت سراسری برای تمامی ایستگاه ها ارسال می شود. زمان حداکثر برای ارسال یک فریم یک اسلات است. مراحل ارسال فریم اطلاعاتی توسط هر ایستگاه فرستنده به صورت زیر است: الف- هر ایستگاه هر وقت نیاز به ارسال اطلاعات داشت صبر می کند و در ابتدای شروع اسلات و بدون بررسی کانال فریم داده را ارسال می کند. ب- پس از اتمام ارسال فرستنده به کانال باز خوردی گوش می دهد و در صورت کشف برخورد یک مدت زمان تصادفی صبر می نماید. ج- برای ارسال همان فریم مراحل الف و ب را انجام می دهد تا فریم بدون برخورد ارسال شود.

18. 2- Slotted Aloha (S-Aloha) روش SIotted Aloha

19. مقایسه دو روش P-Aloha ، S- Aloha به صورت زیر است: • S-Aloha نیاز به همزمان سازی سراسری برای تمام ایستگاه ها دارد. در حالی که P-Aloha نیازی به اسلات سراسری ندارد. • از طرف دیگر احتمال برخورد در P-Aloha نسبت به S-Aloha بیش تر است زیرا درS-Aloha احتمال برخورد فقط در ابتدای ارسال فریم وجود دارد ولی در P-Aloha در هر زمانی از ارسال فریم امکان برخورد وجود دارد. • پس کارآیی و بهره وری از کانال در S-Aloha بیش تر است ( حدود دو برابر). • در ادامه پروتکل هایی با روش تصمیم گیری تصادفی و با قابلیت کشف وضعیت کانال ( خالی یا پر بودن کانال) معرفی می شوند.

20. 3- CSMA(Carrier Sense Multiple Access) مراحل ارسال فریم اطلاعاتی توسط هر ایستگاه فرستنده به صورت زیر است: الف- هر ایستگاه قبل از ارسال فریم ایتدا کانال را بررسی می کند و در صورت خالی بودن کانال فریم را ارسال می کند. ب- پس از اتمام ارسال فرستنده به کانال بازخوردی گوش می دهد و در صورت کشف برخورد یک مدت زمان تصادفی صبر می کند. ج- برای ارسال همان فریم مراحل الف و ب تکرار می شود. توجه: در پروتکل CSMA هم ممکن است برخورد رخ دهد. زیرا در یک زمان (بعداٌ گفته می شود در یک فاصله زمانی تأخیر برگشتی) ممکن است دو ایستگاه کانال را بررسی نموده و با توجه به خالی بودن آن هر دو به ارسال فریم داده بپردازند و برخورد رخ دهد.

21. 3- CSMA(Carrier Sense Multiple Access) در صورت مشغول بودن کانال ( فرستنده ای دیگر در حال ارسال فریم است) CSMA به صورت های زیر قابل پیاده سازی است: CSMA مصر(I –persistent):در این روش فرستنده یا فرستنده ها مصرا و پیوسته گانال را بررسی می کنند تا کانال خالی شود وفریم را ارسال نمایند و مرحله ب را انجام دهد. در این روش برخورد بسیار زیاد می شود زیرا چندین فرستنده کانال را مشغول می بینند و پس از خالی شدن کانال همزمان ارسال می نمایند و برخورد رخ می دهد. CSMAغیرمصر(Non – persistent): در صورت مشغول بودن کانال فرستنده یک مدت زمان تصادفی صبرمی کند و دوباره مراحل الف و ب را تکرار می نماید. CSMA با اصرار( P-persistent) : p یک احتمال عددی بین صفر و یک است. در این روش فرستنده با بررسی کانال و در صورت خالی بودن آن با احتمال p فریم داده را ارسال می کند و با احتمال 1-p یک مدت زمان تصادفی صبر می نماید و دوباره همان مراحل را طی می نماید.

22. 3- CSMA(Carrier Sense Multiple Access) مقایسه ای ما بین بهره وری از کانال در پروتکل Aloha و CSMA است.

23. 4- CSMA/CD(Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) مراحل ارسال فریم اطلاعاتی توسط هرفرستنده به صورت زیر است (فرستنده ها فقط از یک کانال مشترک بدون کانال بازخوردی استفاده می کنند): الف- هر ایستگاه قبل از ارسال فریم ابتدا کانال را بررسی نموده و در صورت خالی بودن کانال فریم را ارسال می کند. ب- در هنگام ارسال با بررسی کانال و در صورت کشف برخورد (Collision Detection) فرستنده ارسال را قطع و یک مدت زمان تصادفی صبر می کند. ج- برای ارسال همان فریم مجددا مراحل الف و ب تکرار می شود. در صورت مشغول بودن کانال CSMA/CD به صورت مصر عمل می نماید. کارآیی کانال در پروتکل CSMA/CD همواره از پروتکل های CSMA و Aloha بیشتر است.

24. 5- CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision A voidance) در 802.11 کامپیوتر ها برای استفاده از کانال مشترک بی سیم بر اساس پروتکل CSMA با یکدیگر مجادله (رقابت) می نمایند. برای کاهش احتمال برخورد در 802.11 از مکانیزم اجتناب از برخورد به صورت زیر استفاده می شود: الف-هر ایستگاهی که نیاز به ارسال اطلاعات دارد، ابتدا کانال مشترک (هوا) را بررسی می کند و اگرکانال مشغول باشد یک مدت زمان تصادفی صبر می کند. ب-در صورتیکه کانال خالی باشد یک فریم کنترلی (Ready To Send) RTS به معنای آمادگی ارسال (شامل آدرسهای مقصد، مبداء و طول زمان ارسال داده و دریافت ACK از گیرنده و همچنین مکانیزم کشف خطا CRC) ارسال می کند. ج- ایستگاه گیرنده (مقصد) در صورتیکه کانال خالی باشد یا برخوردی صورت نگرفته باشد ( فریم RTS را بدون خطا دریافت کرده باشد ) توسط ارسال فریم کنترل CTS ( Clear To Send ) آمادگی دریافت خود را به فرستنده اعلام می کند. فریم CTS نیز شامل آدرس مقصد و طول زمان ارسال و دریافت ACK و CRC است.

25. 5- CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision A voidance) د- باقیمانده ایستگاهها با دریافت RTS و CTS مقدارنشانگر احساس موج حامل مجازی (virtual) sense carrier خود را به نام NAV (Network Allocation Table) برای مدت زمان داده شده (طول زمان ) مقداردهی نموده و در آن مدت منتظر می مانند و می دانند که کانال مشغول است که و نمی توانند ارسال نمایند. ه- ایستگاه فرستنده در صورت عدم دریافت CTS یا دریافت CTS به صورت تداخلی در یک مدت زمان تصادفی صبر می کند. و-ایستگاه گیرنده با دریافت فریم داده به صورت صحیح یا خطادار ACK یا NACK ارسال می کند.

26. نمایش عملکرد پروتکل CSMA/CA

27. شکلفریمهای کنترلی RTS و CTS و ASK در شبکه بی سیم

28. نکات زیر در مورد پروتکل CSM/CA قابل ذکر است : 1-همانطور که مشخص است در این پروتکل احتمال برخورد وجود دارد زیرا دو ایستگاه همزمان به کانال گوش می دهند و اگر کانال را خالی ببینند، فریم RTS را هر دو ارسال می کنند و برخورد رخ می دهد البته گیرنده فریمها با توجه به دریافت خطادار فریمهای RTS (کشف خطای CRC) دیگر CTS را ارسال نمی کند و فرستنده با توجه به عدم دریافت CTS متوجه برخورد می شود یک مدت زمان تصادفی صبر می کند. 2- الگوریتم بدست آوردن زمان تصادفی 802.3 می باشد. 3- در این روش از برخورد اجتناب می شود. البته اجتناب از برخورد در هنگام انتقال فریم داده است زیرا هم در فریم کنترلی RTS و هم در CTS مدت زمان ارسال داده و دریافت ASK مشخص است و دیگر کامپیوترها با دریافت این فریمها ( کانال مشترک و پخش همگانی است) منتظر مانده و دیگر فریمی ارسال نمی کنند. در هنگام ارسال RTS و CTS ممکن است برخورد رخ دهد بنابراین برخورد برای فریمهای کنترلی وجود دارد.

29. نکات زیر در مورد پروتکل CSM/CA قابل ذکر است : 4- CSMA/CA دارای قابلیت کشف برخورد همانند پروتکل CSM/CD نیست زیرا پیاده سازی مکانیزیم کشف برخورد در شبکه های برخورد در شبکه های بی سیم نیاز به استفاده از کانال دو طرفه همزمان Full duplex دارد تا ارسال و دریافت همزمان را امکان پذیر سازد که البته این امر باعث افزایش هزینه می شود. 5- پروتکل CSMA/CA را MACAW (Multiple Access Collision Avoidance for Wireless) نیز می نامند. نوع ساده تر آن که قبلاَ طراحی و اجرا شده بود بنام MACA نامیده می شود که در آن دیگر از طرف گیرنده برای فرستنده ASK ارسال نمی شد.

30. وظایف اضافه تر زیر لایه MAC لایه پیوند داده در پروتکل CSMA/CA 1-تکه تکه نمودن فریم داده در سمت فرستنده و سمبلی نمودن آن در سمت گیرنده (این وظیفه را لایه انتقال مدل OSI بر عهده دارد). به علت وجود نویز زیاد در محیطهای بی سیم بهتر است فریمهای اطلاعاتی اندازه و طول کوچکتری داشته باشند تا در صورت رخداد خطا و ارسال درباره آن اندازه داده کمتری ارسال شود. 2- ارسال ASK از طرف گیرنده به منظور تحویل داده به صورت مطمئن. علت این امر نیز وجود نویز زیاد در محیطهای بی سیم و وقوع خطا در فریمهای داده است. 3- برای برقراری امنیت بیشتر، از رمزگذاری و رمزگشایی در زیر لایه MAC و در هنگام ارسال فریم داده استفاده می شود (این وظیفه را لایه ارائه مدل OSI بر عهده دارد).