كيفية عمل نظام اتصالات البيانات

قد تختلف المسافة التي تتحرك خلالها البيانات داخل الكمبيوتر من بضعة آلاف من البوصة كما هو الحال داخل شريحة “IC” واحدة، وإلى ما يصل إلى عدة أقدام على طول اللوحة المعزولة للوحة الدائرة الرئيسية عبر هذه المسافات الصغيرة، كما يمكن نقل البيانات الرقمية كإشارات كهربائية مباشرة من مستويين عبر موصلات نحاسية بسيطة، وباستثناء أسرع أجهزة الكمبيوتر لا يهتم مصممو الدوائر كثيراً بشكل الموصل أو الخصائص التماثلية لنقل الإشارات.

أساسيات نظام اتصالات البيانات

يجب إرسال البيانات خارج الدوائر المحلية التي تشكل جهاز كمبيوتر، وفي كثير من الحالات قد تكون المسافات التي ينطوي عليها الأمر هائلة، ومع زيادة المسافة بين مصدر الرسالة ووجهتها يصبح الإرسال الدقيق أكثر صعوبة، كما ينتج هذا عن التشويه الكهربائي للإشارات التي تنتقل عبر الموصلات الطويلة ومن الضوضاء المضافة إلى الإشارة أثناء انتشارها عبر وسيط إرسال.

على الرغم من ضرورة اتخاذ بعض الاحتياطات لتبادل البيانات داخل جهاز الكمبيوتر إلّا أنّ أكبر المشكلات تحدث عند نقل البيانات إلى أجهزة خارج دائرة الكمبيوتر، وفي هذه الحالة يمكن أن يصبح التشويه والضوضاء شديدين لدرجة أنّ المعلومات تضيع، كما تتعلق اتصالات البيانات بنقل الرسائل الرقمية إلى أجهزة خارج مصدر الرسالة.

يُعتقد عموماً أنّ الأجهزة “الخارجية” عبارة عن دوائر تعمل بالطاقة بشكل مستقل توجد خارج هيكل الكمبيوتر أو أي مصدر آخر للرسائل الرقمية، وكقاعدة عامة يتناسب معدل الإرسال الأقصى المسموح به لرسالة ما بشكل مباشر مع قدرة الإشارة ويتناسب عكسياً مع ضوضاء القناة، والهدف من أي نظام اتصالات هو توفير أعلى معدل إرسال ممكن بأقل طاقة ممكنة وبأقل ضوضاء ممكنة.

قناة الاتصالات هي مسار يمكن من خلاله نقل المعلومات، كما يمكن تعريفه بواسطة سلك مادي يربط أجهزة اتصال، أو بواسطة راديو أو ليزر أو أي مصدر طاقة مشع آخر ليس له وجود مادي واضح والمعلومات المرسلة عبر قناة اتصالات لها مصدر تنشأ منه المعلومات، ووجهة يتم تسليم المعلومات إليها وعلى الرغم من أنّ المعلومات تنشأ من مصدر واحد، فقد يكون هناك أكثر من وجهة واحدة واعتماداً على عدد محطات الاستقبال المرتبطة بالقناة ومقدار الطاقة التي تمتلكها الإشارة المرسلة.

في قناة الاتصالات الرقمية يتم تمثيل المعلومات بواسطة بتات البيانات الفردية والتي يمكن تغليفها في وحدات رسائل متعددة البتات، والبايت الذي يتكون من ثماني بتات هو مثال لوحدة رسالة يمكن نقلها عبر قناة اتصالات رقمية، كما قد يتم تجميع مجموعة البايت نفسها في إطار أو وحدة رسالة أخرى ذات مستوى أعلى، وهذه المستويات المتعددة من التغليف تسهل التعامل مع الرسائل في شبكة اتصالات البيانات المعقدة.

• “IC” هي اختصار لـ “Integrated circuit”.

مبدأ عمل نظام اتصالات البيانات

مصدر الرسالة هو جهاز الإرسال والوجهة هي جهاز الاستقبال، ويُشار إلى القناة التي لا يتغير اتجاه إرسالها على أنّها قناة إرسال مفرد، وعلى سبيل المثال تُعتبر محطة الراديو قناة مفردة لأنّها ترسل دائماً الإشارة إلى مستمعيها ولا تسمح لهم أبداً بإعادة الإرسال، والقناة نصف المزدوجة هي قناة مادية واحدة يمكن عكس الاتجاه فيها.

قد تتدفق الرسائل في اتجاهين ولكن ليس في نفس الوقت أبداً في نظام أحادي الاتجاه، وفي مكالمة هاتفية يتحدث أحد الطرفين بينما يستمع الآخر، وبعد وقفة يتحدث الطرف الآخر ويستمع الطرف الأول وكما ينتج عن التحدث في وقت واحد صوت مشوش لا يمكن فهمه.

تسمح القناة ثنائية الاتجاه بتبادل الرسائل بشكل متزامن في كلا الاتجاهين وإنّه يتكون حقاً من قناتين مفردتين وقناة أمامية وقناة عكسية وتربطان نفس النقاط، كما قد يكون معدل إرسال القناة العكسية أبطأ إذا تم استخدامه فقط للتحكم في التدفق للقناة الأمامية، ومعظم الرسائل الرقمية أطول بكثير من مجرد أجزاء قليلة، ونظراُ لأنه ليس عملياً ولا اقتصادياً نقل جميع أجزاء الرسالة الطويلة في وقت واحد، يتم تقسيم الرسالة إلى أجزاء أصغر ويتم نقلها بالتتابع.

ينقل الإرسال المتسلسل للبت رسالة رسالة واحدة في كل مرة عبر قناة وكل بت يمثل جزء من الرسالة، ثم يتم إعادة تجميع البتات الفردية في الوجهة لتكوين الرسالة وتمر قناة واحدة بت واحد فقط في كل مرة، وبالتالي فإنّ الإرسال التسلسلي للبتات ضروري في اتصالات البيانات إذا توفرت قناة واحدة فقط، وعادةً ما يُطلق على الإرسال التسلسلي للبت اسم الإرسال التسلسلي وهو طريقة الاتصالات المختارة في العديد من الأجهزة الطرفية للكمبيوتر.

ينقل الإرسال التسلسلي للبايت ثماني بتات في المرة الواحدة عبر ثماني قنوات متوازية، وعلى الرغم من أنّ معدل النقل الأولي أسرع بثماني مرات من الإرسال التسلسلي بت، إلّا أنّ هناك حاجة إلى ثماني قنوات وقد تكون التكلفة أعلى بثماني مرات لنقل الرسالة، وعندما تكون المسافات قصيرة قد يكون من المجدي والاقتصادي استخدام القنوات المتوازية في مقابل معدلات البيانات العالية.

واجهة طابعة “Centronics” الشائعة هي حالة يتم فيها استخدام الإرسال التسلسلي للبايت، وكمثال آخر من الشائع استخدام ناقل بيانات بعرض “16 بت”، لنقل البيانات بين المعالج الدقيق وشرائح الذاكرة يوفر هذا ما يعادل “16 قناة متوازية”، وعند الاتصال بنظام مشاركة الوقت عبر مودم تتوفر قناة واحدة فقط ويلزم إرسال تسلسلي بت.

تطور عمل نظام اتصالات البيانات

يشير معدل البث بالباود إلى معدل الإشارة الذي يتم إرسال البيانات به عبر قناة ويتم قياسه في التحولات الكهربائية في الثانية، وفي معيار الواجهة التسلسلية “EIA232” يحدث انتقال إشارة واحد وعلى الأكثر لكل بت ويكون معدل البث بالباود ومعدل البت متطابقين، كما يقابل معدل “9600 باود” نقل “9600 بت” بيانات في الثانية مع فترة بت تبلغ “104 ميكروثانية” أي “1/9600 ثانية”.

إذا كانت هناك حاجة إلى تحوليين كهربائيين لكل بت كما هو الحال في تشفير عدم الرجوع إلى الصفر فعندئذٍ بمعدل “9600 باود” ويمكن نقل “4800 بت في الثانية” فقط، وكفاءة القناة هي عدد بتات المعلومات المفيدة التي يتم تمريرها عبر القناة في الثانية، ولا يشمل بتات التأطير والتنسيق واكتشاف الأخطاء التي يمكن إضافتها إلى بتات المعلومات قبل إرسال الرسالة وستظل دائماً أقل من واحدة.

غالباً ما يتم تحديد معدل بيانات القناة من خلال معدل البت الخاص بها وغالباً ما يُعتقد خطأً أنه هو نفس معدل البث بالباود، ومع ذلك فإنّ سعة قناة القياس المكافئة هي عرض النطاق الترددي ويتناسب الحد الأقصى لمعدل البيانات، والذي يمكن أن تدعمه القناة بشكل مباشر مع عرض النطاق الترددي للقناة ويتناسب عكسياً مع مستوى ضوضاء القناة.

وبروتوكول الاتصالات هو اتفاقية متفق عليها تحدد ترتيب ومعنى البتات في الإرسال التسلسلي، وقد يحدد أيضاُ إجراءً لتبادل الرسائل، كما سيحدد البروتوكول عدد بتات البيانات التي تؤلف وحدة رسالة وبتات التأطير والتنسيق وأي بتات لاكتشاف الأخطاء يمكن إضافتها، وغيرها من المعلومات التي تحكم التحكم في أجهزة الاتصالات.

يتم تحديد كفاءة القناة من خلال تصميم البروتوكول بدلاً من اعتبارات الأجهزة الرقمية، حيث أنّ هناك مفاضلة بين كفاءة القناة وموثوقيتها، كما يجب أن تصبح البروتوكولات التي توفر حصانة أكبر للضوضاء عن طريق إضافة رموز اكتشاف الأخطاء وتصحيحها أقل كفاءة بالضرورة.