Lecture 5 - Transmission Media

مقدمة
  • ا Transmission Media هو المسار الفيزيائي (physical path) اللي البيانات بتتنقل فيه بين الـ transmitter والـ receiver.
  • ممكن يكون: free space، metallic cable، أو fiber-optic cable.
  • المعلومات بتتحول لإشارة (signal) حسب الوسط:
    • ا Copper cable: bits على شكل electrical signals
    • ا Fiber network: bits على شكل light pulses

أنواع Transmission Media

1. Guided Media (Wired / Bounded)

  • بيستخدم cabling system عشان يوجه الـ signals في مسار محدد
  • مميزاته: High Speed, Secure, مسافات قصيرة نسبيًا

1.1 ا Twisted Pair Wires

  • سلكين نحاس معزولين ملفوفين على بعض بشكل حلزوني عشان يقلل electromagnetic interference (crosstalk)
  • بيستخدم في الـ voice والـ data communications
  • ا Low frequency transmission medium
أنواعه:
ا STP (Shielded Twisted Pair) ا UTP (Unshielded Twisted Pair)
السلك ملفوف بـ metallic foil أو braid عزل كل سلك معزول بلاستيك ومغلف بغطاء خارجي
حماية أكتر من interference أقل حماية
مميزات Twisted Pair:
  • رخيص ومتوفر
  • ا flexible, light weight, سهل التركيب
عيوبه:
  • عرضة للـ interference والـ noise
  • ضعف الإشارة - Attenuation problem
    • ا Analog: repeaters كل 5-6 كم
    • اDigital: repeaters كل 2-3 كم
  • اbandwidth منخفض (100 MHz)
ا UTP Ethernet Cables Categories:

ا

ا Category ا Shielding ا Data Rate ا Bandwidth
ا Cat5 ا Unshielded ا 100Base-T ا 100 MHz
ا Cat5e ا Unshielded ا 10/100/1000Base-T ا 100 MHz
ا Cat6 ا Shielded or Unshielded ا 1000Base-T to 10GBase-T ا 250 MHz
ا Cat6a ا Shielded ا 10GBase-T ا 500 MHz
ا Cat7 ا Shielded ا 10GBase-T ا 600 MHz
ا Cat8 ا Shielded ا 25/40GBase-T ا 2000 MHz

1.2 ا Coaxial Cable (Coax)

  • بينقل الـ signals عبر center conductor محاط بـ metal shield عشان يحافظ على جودة الإشارة ويمنع التسرب
أجزاء الـ Coax (4 أجزاء رئيسية):
  1. ا Center Conductor/Core: سلك نحاس أو copper-coated steel بيحمل RF signals
  2. ا Dielectric Insulator: بيفصل الـ core عن الـ shield (plastic)
  3. ا Braided Shield: طبقة معدن مضفورة بتمنع external interference
  4. ا Outer Jacket: الطبقة الخارجية الصلبة اللي بتحمي المكونات
مميزات Coax:
  • ا bandwidth أعلى (400-600 MHz) — يدعم أكتر من 10,000 voice conversation
  • أقل عرضة للـ interference من Twisted Pair
  • سهل إنك تكسر عليه (tapping) — ميزة وعيب في نفس الوقت
  • محتاج repeaters كل 2-3 كم
عيوبه:
  • ا Attenuation عالية -> مكلف في المسافات الطويلة (repeaters كتير)
  • ا Bulky (ضخم)

1.3 ا Fiber Optic Cable

  • بيستخدم شعيرات زجاج رفيعة (pure glass) كـ waveguide لنقل الضوء
  • بيحل محل النحاس في الاتصالات الحديثة
تركيبها:
  • ا Core: بيحمل الـ light signal
  • ا Cladding: معامل انكسار أقل — بيسبب total internal reflection
  • معظم الألياف بتشتغل في duplex pairs (ويمكن الإرسال والاستقبال على نفس الشعيرة)
أنواع Fiber Optic:
ا Single Mode Fiber (SMF) ا Multi-Mode Fiber (MMF)
ا core ضيق — يحمل mode واحد من الضوء ا core أوسع — يحمل modes متعددة من الضوء
للمسافات الطويلة للمسافات القصيرة
ا degradation أقل أو معدوم ا degradation أكتر
صعب في التصنيع والتعامل أسهل في التصنيع والتعامل
سرعة أعلى سرعة أقل نسبيًا
استخدامات: Telecom, CATV استخدامات: Security systems, LANs

2. Unguided Media (Wireless / Unbounded)

  • بتنقل البيانات من غير physical conductor — عن طريق electromagnetic signals
  • مميزاتها: broadcast عبر الهوا، أقل أمانًا، مسافات أطول

2.1 ا Radio Waves

  • ترددات بين 3 KHz و 1 GHz
  • ا Omnidirectional — بتتبث في كل الاتجاهات
  • استخدامات: multicasting ا (AM/FM radio, TV, cordless phones, paging)

2.2 ا Microwaves

  • ترددات بين 1 GHz و 300 GHz
  • ا Unidirectional — بتتركز في اتجاه واحد
    • ا antennas محتاجة تكون aligned
    • ميزة: أزواج antennas متقدرش تتداخل مع بعضها
  • استخدامات: unicast (one-to-one) زي cellular phones, satellite networks, wireless LANs
  • مميزات: بيستخدم في long distance telephone communication ويحمل آلاف الـ voice channels
  • عيوب: مكلف جدًا

2.3 ا Infrared Waves

  • ترددات بين 300 GHz و 400 THz
  • للـ short-range communication
  • مميز: مش بتخترق الحوائط — فمفيش interference بين نظام في أوضة ونظام في أوضة تانية
  • عيب: مش بنستخدمه برا المباني لأن أشعة الشمس فيها infrared waves وبتسبب interference

Connectivity Devices

1. ا Repeater

  • جهاز إلكتروني بيشتغل في Physical Layer (Layer 1) من OSI
  • الإشارة بتضعف بعد مسافة معينة — الـ Repeater بيـ regenerate الإشارة (مش بيكبرها)
  • بياخد الإشارة الضعيفة ويعمل copy bit-by-bit بنفس القوة
  • ممكن يكون built-in في hubs أو switches
مميزات:
  • بيمد مسافة الشبكة الفيزيائية
  • مبيأثرش على أداء الشبكة بشكل كبير
عيوب:
  • مش بيقدر يوصل network architectures مختلفة (زي Token Ring و Ethernet)
  • مش بيقلل network traffic — مش بيفلتر البيانات
  • مش بيقسم الشبكة (segmentation)
  • عدد الـ repeaters لازم يكون محدود

2. ا Hub

  • أول جهاز ظهر عشان يربط أجهزة متعددة في LAN
  • قبل الـ Hub: كل جهاز كان محتاج كابل لكل جهاز تاني
  • ا Hub بيشتغل في Layer 1 (Physical) — مش بيفهم البيانات، بس بينسخ الإشارات الكهربائية ويبعتها لكل الـ ports
المشكلة الكبيرة: ا Collision Domain
  • ا Hub بيدمج كل الأجهزة في collision domain واحد
  • لو جهازين بعتوا بيانات في نفس الوقت -> يحصل collision (تصادم)
  • الأجهزة بتوقف، تستنى، وتحاول تاني — وده بيبطئ الشبكة
  • في collision domain واحد: جهاز واحد بس يقدر يتكلم في المرة الواحدة
  • كل ما زادت الأجهزة -> الأداء بيقل
تشبيه
  • ا Collision domain زي ترابيزة كبيرة كل الناس قاعدة عليها. واحد بس يقدر يتكلم في المرة. لو اتنين كلموا في نفس الوقت محدش يفهم حاجة.
Key Takeaways — Hub:
  • ا Layer 1 (Physical)
  • بيبعت البيانات لكل الـ ports
  • بيعمل collision domain واحد كبير
  • غبي — مش بيعرف MAC addresses
  • شغال بـ Half-duplex
  • مش مستخدم دلوقتي

3. ا Bridge

  • جهاز بيشتغل في Layer 2 (Data Link) — بيفهم MAC addresses
  • بقسم الشبكة لـ 2 collision domains (ومن هنا جت تسميته)
  • كل side فيه أجهزة أقل -> collisions أقل -> performance أحسن
  • بيبني MAC address table عشان يعرف كل جهاز في ناحية فين
  • بيستخدم selective frame forwarding — مش بيكرر الإشارة بس زي الـ Hub
Key Takeaways — Bridge:
  • ا Layer 2 (Data Link)
  • بيوصل بين اتنين network segment
  • بيقلل الـ collisions بتقسيم الشبكة
  • بيتعلم MAC addresses ويختار الـ forwarding
  • محدود بـ 2 ports غالبًا
  • مش مستخدم دلوقتي — اتستبدل بالـ Switch

4. ا Switch

  • الـ Switch اتعمل عشان يحل مشاكل الـ Hub والـ Bridge مع تزايد حجم الشبكات
  • ا Bridge بقسم الشبكة لـ 2 collision domains بس — لكن الـ Switch كل port فيه collision domain مستقل
  • كل جهاز ليه collision domain بتاعه — مفيش collisions خالص
إزاي بيشتغل:
  • بيقرا Ethernet header في الـ frames
  • بيتعلم MAC addresses ويبني MAC address table
  • بيبعث الـ frame على الـ port الصح بس (مش كل الـ ports زي الـ Hub)
  • بيشتغل بـ Full-duplex (أسرع بكتير)
  • من وجهة نظر الأجهزة: الـ Switch ا invisible — الأجهزة مش بتتعامل معاه مباشرة
أنواع الـ Switches في الشبكات الحديثة (Enterprise):
النوع ا Layer وظيفته
ا Access Switch ا Layer 2 على حافة الشبكة. يوصل الأجهزة النهائية (PCs, printers, phones, access points) بيفرض VLAN assignments و port security ويدعم PoE
ا Distribution Switch ا Layer 2/3 بين Access و Core. بيعمل inter-VLAN routing, QoS, ACLs
ا Core Switch ا Layer 3 عمود فقري للشبكة. بينقل كميات ضخمة من البيانات بسرعة عالية (10G, 40G, 100G) ويدعم high availability
Key Takeaways — Switch:
  • ا Layer 2 (بعضها Layer 3)
  • كل port collision domain مستقل
  • بيتعلم MAC addresses ويforward frames بذكاء
  • بيدعم Full-duplex
  • قابل للتوسيع، سريع، ومستخدم في كل الشبكات الحديثة

ملخص المقارنة

الخاصية ا Hub ا Bridge ا Switch
الـ Layer ا Layer 1 ا Layer 2 ا Layer 2 (بعضها L3)
فهم البيانات بيبعث إشارات بس بيفهم MAC addresses بيفهم MAC addresses
ا Collision Domain واحد لكل الأجهزة 2 collision domains كل port domain مستقل
طريقة الإرسال لكل الـ ports Selective forwarding للـ port الصح بس
ا Duplex ا Half-duplex ا Half-duplex ا Full-duplex
النهاردة obsolete obsolete مستخدم في كل حتة
الخلاصة
  • الـ Hub كان أول حل لكنه ضاع في collision domain واحد.
  • الـ Bridge قسم الشبكة لنصين بس.
  • الـ Switch خلّى كل port domain مستقل — فمفيش collisions + full-duplex + scalable.

Nour Eldeen Mahmoud