תקשורת נתונים

תקשורת נתונים, ובפרט תקשורת מחשבים (או "תקשוב"), הם שמות כלליים לתהליכים ומערכות להעברת נתונים בין מחשבים או מכשירים אלקטרוניים אחרים, ללא העברה פיזית של אמצעי לאחסון נתונים (כמו דיסק און קי, תקליטור וכדומה) ביניהם, אלא באמצעות תווך כלשהו (כבלים מסוגים שונים או גלי רדיו) אשר משמש לתקשורת. על תווכים אלו מועברים הנתונים בצורה דיגיטלית.

רשת מחשבים (באנגלית: computer network) היא רשת טלקומוניקציה המאפשרת העברת נתונים. מכשירים המחוברים לרשת מחשבים מעבירים זה לזה נתונים על גבי קשרים או חיבורים להעברת נתונים (network links). החיבור בין צמתים ברשת יכול להיות מבוסס על תווך (מדיום) של כבלים כגון כבלים קואקסיאליים, קווי טלפון או סיבים אופטיים, או אלחוטי. רשתות מחשבים נפוצות כיום בכל העולם המפותח, והמוכרת ביותר היא רשת האינטרנט. מבחינה טכנית מרבית הרשתות מבוססות על חבילת פרוטוקולי התקשורת TCP/IP.

מחשבים ומכשירים אחרים ברשת שמהווים את המקור או היעד לנתונים, או מנתבים את הנתונים נקראים צמתי רשת (network nodes). צומת ברשת יכול להיות מחשב, טלפון, שרת או רכיב חומרה ייעודי לתקשורת מחשבים, כגון נתב או מתג. ניתן לומר שכל שני מכשירים כאלה מחוברים לאותה רשת כאשר מכשיר אחד מסוגל להחליף מידע עם המכשיר השני, בין אם קיים בינהם חיבור ישיר ובין אם לאו.

רשתות מחשבים נבדלות אחת מהשנייה בתווך המשמש להעברת הסיגנלים, פרוטוקולי התקשורת המשמשים לארגון התעבורה ברשת, גודל וטופולוגיית הרשת, והמטרה הארגונית. חוץ מהשכבה הפיזית שעוסקת ישירות בתווך להעברת הסיגנלים, במרבית המקרים, פרוטוקולי תקשורת מאורגנים ופועלים בצורה של שכבות, כך שהם משתמשים בפרוטוקולי תקשורת אחרים, כלליים או ספציפיים יותר (שנמצאים מעליהם או תחתיהם במודל השכבות).

רשתות מחשבים תומכות ביישומים כדוגמת ה-World Wide Web, שימוש משותף בשרתים, מדפסות, מכשירי פקס, שיתוף קבצים ושימוש ביישומי דואר אלקטרוני ומסרים מידיים.

מאפיינים

תקשורת נתונים יכולה להיחשב כענף של כל אחד מהתחומים הבאים: הנדסת חשמל, טלקומוניקציה, מדעי המחשב, טכנולוגיית מידע או הנדסת מחשבים, מכיוון שתחום זה נסמך על יישומים תיאורטיים ופרקטיים של דיסציפלינות אלה.

רשתות מחשבים מאפשרות תקשורת יעילה ונוחה בין אנשים באמצעות דואר אלקטרוני, מסרים מידיים, חדרי צ'ט, שיחות טלפון ווידאו (בין זוגות או בוועידה).

שירות חשוב נוסף שרשתות רבות מספקות הוא מתן גישה למידע על גבי אמצעי אחסון משותפים. רשתות מחשבים מאפשרת שיתוף של קבצים ונתונים, ובכך מאפשרות למשתמשים בעלי הרשאות מתאימות לגשת למידע המאוחסן על גבי מחשבים אחרים ברשת.

כמו כן תקשורת נתונים מאפשרת שיתוף של משאבי מיחשוב. משתמשים יכולים לגשת ולהשתמש במשאבים ושירותים שמספקים מכשירים ברשת. לדוגמה, להדפיס מסמך ממדפסת המשותפת ברשת. חישוב מבוזר משתמש במשאבי מיחשוב (כוח עיבוד וזיכרון) המפוזרים ברחבי הרשת על מנת לבצע משימות.

רשתות מחשבים יכולות להיות מנוצלות באופן זדוני על ידי האקרים על מנת להחדיר וירוסים או תולעים למחשבים ומכשירים המחוברים לרשת, או כדי למנוע ממכשירים אלה גישה לרשת באמצעות התקפות מניעת שירות.

חבילות מידע

חבילת מידע (packet) היא יחידה המורכבת מרשימה של ביטים או בתים (בדרך כלל באורך של כמה עשרות בתים או קילובייטים בודדים), המסודרים בפורמט מסוים, ומועברת על גבי רשת מיתוג מנות. רוב המידע ברשתות מחשבים מועבר בצורה זו של חבילות נתונים, וזאת להבדיל מתשתיות תקשורת שאינן תומכות בחבילות נתונים, כדוגמת חיבורים מסוג point-to-point המחברים בין זוגות של מכשירים מתקשרים, ומסוגלות להעביר נתונים כרצפי ביטים פשוטים בלבד.

חבילות נתונים מורכבות משני סוגים של נתונים: מידע לניהול ושליטה (control information) והנתונים עצמם אותם רוצים לשלוח (מידע משתמש – user data או payload). מידע השליטה מכיל את הנתונים שהרשת צריכה על מנת להעביר את מידע המשתמש אל היעד, לדוגמה: כתובות המקור והיעד, קודים לתיקון שגיאות ומידע על מיספור החבילות. בדרך כלל מידע השליטה נמצא בראש החבילה (header) ובסופה (trailer), ומידע המשתמש (payload) נמצא באמצע.

ברשתות מיתוג מנות, הנתונים מחולקים לחבילות הנשלחות דרך הרשת אל היעד. כאשר החבילות מגיעות ליעדן, מרכיבים מהן את המסר המקורי. להבדיל משיטת מיתוג המעגלים, תקשורת בשיטת מיתוג מנות מאפשרת שיתוף יעיל יותר של רוחב הפס בין משתמשים שונים של אותה תשתית רשת. כאשר משתמש אחד לא שולח חבילות נתונים, ערוץ התקשורת יכול להתמלא בחבילות של משתמשים אחרים, וכך, בהנחה שהתשתית לא נמצאת בשימוש יתר, ניתן לחלוק בעלויות התשתית תוך שמירה על כמות קטנה יחסית של הפרעות. לעתים קרובות המסלול שחבילת מידע צריכה לעבור בו אינו זמין באופן מיידי. במקרים כאלה החבילה נכנסת לתור, ומחכה עד שהחיבור יתפנה.

תשתית פיזית

חתך של כבל קואקסיאלי

סכמה של כבל בעל 4 זוגות שזורים מסוג STP

סיבים אופטיים

כבל Ethernet

קיימים סוגים שונים של תווך פיזי להעברת נתונים (באנגלית: transmission media או physical media), המשמש לחיבור בין מכשירים ליצירת רשת מחשבים. בינהם נכללים: כבלים חשמליים (Ethernet, קווי חשמל, קווי טלפון ועוד), סיבים אופטיים וגלי רדיו (תקשורת אלחוטית). במודל ה-OSI, אלה מוגדרים בשכבות 1 ו-2 - השכבה הפיזית ושכבת הקו.

Ethernet היא טכנולוגיה נפוצה להקמת רשתות תקשורת מקומיות (LAN), המגדירה קבוצה של מדיות להעברת נתונים. הסטנדרטים של המדיות והפרוטוקולים שמאפשרים תקשורת בין מכשירים המחוברים ברשת Ethernet מוגדרים בתקן IEEE 802.3. ב-Ethernet ניתן להעביר נתונים הן על גבי כבלי נחושת והן על כבלים של סיבים אופטיים.

סטנדרטים לרשתות תקשורת מקומיות אלחוטיות (wireless LAN), המוגדרים בתקן IEEE 802.11, משתמשים בגלי רדיו או בקרינת אינפרה-אדום כתווך להעברת אותות.

תקשורת נתונים מעל רשת החשמל משתמשת בקווי החשמל של הבניין לצורך העברת נתונים. סוג תווך זה נפוץ פחות יחסית לאלה שהוזכרו קודם.

תשתיות כבלים

הטכנולוגיות הבאות מסודרות על פי קצבי התעבורה המקסימליים הנתמכים על ידי כל אחת מהן, מהנמוך לגבוה:

• קואקסיאלי – כבלים מסוג זה משמשים בתשתיות של טלוויזיה בכבלים, בנייני משרדים ומקומות עבודה אחרים לצורך הקמת רשתות תקשורת מקומיות. הכבל מורכב מגיד נחושת או אלומיניום המוקף בשכבה מבודדת (בדרך כלל חומר דיאלקטרי גמיש), והשכבה המבודדת מוקפת בשכבה מוליכה נוספת. הבידוד מסייע בהפחתת הפרעות ועיוות של הסיגנל. קצב התעבורה על גבי כבלים כאלה נע בין 200 ל-500 מגה-ביט (מיליון ביט) לשנייה.

• ITU-T G.hn - טכנולוגיה המשתמשת במערכות כבלים הקיימות בבית (קואקסיאלי, קווי טלפון וקווי חשמל) ליצירת רשת מקומית בקצבים גבוהים של עד 1 גיגה-ביט (מיליארד ביט) לשנייה.

• זוג שזור – כבלים מסוג זה הם הנפוצים ביותר בכל סוגי הטלקומוניקציה. כבלי אלה מורכבים מגידי נחושת השזורים בזוגות. קווי טלפון רגילים מורכבים משני גידי נחושת שזורים מבודדים. כבלים של רשתות מחשבים (כבלי Ethernet) מורכבים מ-4 זוגות של גידי נחושת וניתן להשתמש בהם להעברת קול או נתונים. השימוש בשני גידים השזורים יחד מסייע בהפחתת השראה אלקטרומגנטית והתנגשות אותות בין מעגלים (crosstalk). קצב התעבורה נע בין 2 מגה-ביט ל-10 גיגה-ביט לשנייה.

• סיב אופטי – הכבל לרוב מורכב מסיבים עשויים מזכוכית והוא נושא פולסים של אור המייצגים נתונים. בין היתרונות של סיבים אופטיים על פני כבלי מתכת הם איבוד נתונים נמוך ביותר בזמן השידור וחסינות להפרעות אלקטרומגנטיות. סיבים אופטיים יכולים לשאת אור בכמה אורכי גל שונים בו זמנית, מה שמגדיל משמעותית את קצב שליחת הנתונים, ומאפשר תעבורה בקצבים של מספר טרה-ביט (טריליון ביט) לשנייה. סיבים אופטיים יכולים לשמש על פני מרחקים גדולים מאוד ולתמוך בקצבי תעבורה גבוהים מאוד, ולכן משמשים בין היתר ככבלים תת-ימיים לחיבור בין יבשות.

תשתיות אלחוטיות

• מיקרוגל יבשתי – תשתית תקשורת זו משתמשת במשדרים וקולטים ארציים הדומים לצלחות לוויין. קרינת מיקרוגל פועלת בתחום הנמוך של תדרי גיגה-הרץ, מה שמגביל את כל סוגי התקשורת מסוג זה לתקשורת בקו ישר (line-of-sight). תחנות הממסר ממוקמות במרחקים של כ-48 קילומטר זו מזו.

• לווייני תקשורת – לוויינים מתקשרים באמצעות גלי מיקרו, שאינם מוסטים על ידי האטמוספרה של כדור הארץ. הלוויינים ממוקמים בחלל, בדרך כלל במסלול הקפה גאוסינכורני, בגובה של כ-35,400 קילומטר מעל קו המשווה. מערכות אלה, הנמצאות במסלול הקפה סביב כדור הארץ יכולות לקלוט ולשמש כתחנות ממסר לסיגנלים הנושאים קול, נתונים ושידורי טלוויזיה.

• תקשורת סלולרית – מערכות המשתמשות בכמה טכנולוגיות תקשורת שונות. המערכות מחלקות את האזור המכוסה להרבה תתי-אזורים גיאוגרפיים (תאי שטח). כל תא כולל משדר בעוצמה נמוכה או אנטנת ממסר עבור שיחות ונתונים מאזור אחד לאזורים הסמוכים אליה.

• טכנולוגיות רדיו ופריסת ספקטרום (spread spectrum) – רשתות תקשורת אלחוטיות מקומיות (wireless LAN) משתמשות בטכנולוגיות רדיו בתדרים גבוהים בדומה לתקשורת סלולרית דיגיטלית וטכנולוגיות רדיו בתדרים נמוכים. רשתות אלחוטיות מקומיות משתמשות בטכנולוגיות פריסת ספקטרום על מנת לאפשר תקשורת בין מכשירים רבים בתוך שטח מוגבל. תקן IEEE 802.11 מגדיר סטנדרטים לתקשורת אלחוטית באמצעות גלי רדיו. סטנדרטים אלה ידועים גם בשם Wi-Fi.

• Free-space optical communication – טכנולוגיה המשתמשת באור נראה ובלתי נראה לצורך תקשורת. ברוב המקרים נדרשת תקשורת בקו ישר (line-of-sight), מה שמגביל את האפשרויות למיקום המכשירים המתקשרים.

ציוד רשת

חוץ מהתווך הפיזי להעברת הנתונים, רשתות מורכבות מציוד (חומרה) ומכשירים המהווים את אבני הבניין הבסיסיות להקמת רשתות:

כרטיס רשת – (Network interface controller (NIC

כרטיס רשת הוא חומרת מחשב המאפשרת למחשב להתחבר לתווך הפיזי, ויש לו את היכולת לעבד מידע רשת מהשכבות הנמוכות. לדוגמה, לכרטיס רשת יכול להיות מחבר לקליטה ושידור על גבי כבל או באמצעות גלי רדיו, והאלקטרוניקה הנלווית.

כרטיסי רשת מגיבים לנתונים הממוענים לכתובת הרשת של הכרטיס עצמו, או של המחשב בכלל. ברשתות Ethernet, לכל כרטיס רשת יש כתובת MAC ייחודית, המאוחסנת בזיכרון הקבוע של הכרטיס. כדי למנוע התנגשויות בין כתובות של מכשירי רשת שונים, ארגון ה-IEEE מנהל ומקצה כתובות MAC, כך שכל כתובת תהיה ייחודית. כתובות MAC מורכבות מ-6 בתים (48 ביט): 3 הבתים הראשונים שמורים כקידומת לזיהוי היצרן של הציוד, ו-3 הבתים האחרונים מנוצלים על ידי היצרן כדי להרכיב כתובת ייחודית עבור כל מכשיר המיוצר על ידו.

מודלי פעולה

ניתן לתאר את אופן הפעולה של מערכות לתקשורת נתונים לפי מספר מודלים:

• מודל ה-OSI
• מודל ה-TCP/IP

מודלים אלו מתבססים על חלוקת תפקידים בין פרוטוקולי תקשורת שונים. כאשר בכל פרוטוקול ישנם מספר חוקים מוסכמים שמגדירים את האופן שבו מבצע הפרוטוקול את תפקידו, לטובת כלל תהליך התקשורת. חלק מהפרוטוקולים, כמו ה-IP, מאפשרים לחלק את הנתונים הנשלחים לחבילות קטנות, על מנת להקל על תהליך השליחה. חלוקה זו מאפשרת מיתוג מנות, ויוצרת גמישות רבה יותר בפעולת מערכת התקשורת.

היסטוריה

ב-29 באוקטובר 1969 החלה לפעול הרשת הראשונה בעולם. רשת זו הוקמה על ידי הסוכנות לפרויקטי מחקר מתקדמים (ARPA) בצבא ארצות הברית, וכונתה בהתאם ARPANET (ראשי תיבות של: Advanced Research Projects Agency Network).

מאפייני רשתות

טופולוגיות רשת שונות

• מרחב גאוגרפי -
  • רשת אישית - PAN
  • רשת מקומית - LAN
  • רשת עירונית - MAN
  • רשת אזורית - WAN
• אופי התקשורת -
  • שרת לקוח (Client-Server)
  • קצה לקצה (peer to peer)
• מבנה הרשת - טופולוגית רשת
  • אפיק (Bus)
  • כוכב (Star)
  • טבעת (Ring)
  • אריג (Mesh)
• תווך התקשורת -
  • טלפוניה
  • קשר רדיו
  • קווי

ראו גם

	ספר: תקשורת נתונים
אוסף של ערכים בנושא הזמינים להורדה כקובץ אחד.

• מונחים ברשת מחשבים
• מטה-נט
• מזרים מדיה

קישורים חיצוניים

• עמית דביר, מצגות הקורס 'מבוא לרשתות תקשורת', אוניברסיטת בן-גוריון
• מבוא לרשתות תקשורת, פרויקט Under Warrior