หน่วยการเรียนรู้ที่ 1 หลักการทำงานและองค์ประกอบของระบบเครือข่าย

ความหมายและความสำคัญของระบบเครือข่ายคอมพิวเตอร์

เครือข่าย หมายถึง เครือข่ายคอมพิวเตอร์ หรือ คอมพิวเตอร์เน็ตเวิร์ก (อังกฤษ: computer network; ศัพท์บัญญัติว่า ข่ายงานคอมพิวเตอร์) คือเครือข่ายการสื่อสารโทรคมนาคมระหว่างคอมพิวเตอร์จำนวนตั้งแต่สองเครื่องขึ้นไปสามารถแลกเปลี่ยนข้อมูลกันได้ การเชื่อมต่อระหว่างอุปกรณ์คอมพิวเตอร์ต่างๆในเครือข่าย (โหนดเครือข่าย) จะใช้สื่อที่เป็นสายเคเบิลหรือสื่อไร้สาย เครือข่ายคอมพิวเตอร์ที่รู้จักกันดีคือ อินเทอร์เน็ต

ความสำคัญของระบบเครือข่ายคอมพิวเตอร์ 

การที่ระบบเครือข่ายมีบทบาทสำคัญมากขึ้นในปัจจุบัน เพราะมีการใช้งานคอมพิวเตอร์อย่างแพร่หลาย จึงเกิดความต้องการที่จะเชื่อมต่อคอมพิวเตอร์เหล่านั้นถึงกัน เพื่อเพิ่มความสามารถของระบบให้สูงขึ้น และลดต้นทุนของระบบโดยรวมลง

การโอนย้ายข้อมูลระหว่างกันในเครือข่าย ทำให้ระบบมีขีดความสามารถเพิ่มมากขึ้น การแบ่งการใช้ทรัพยากร เช่น หน่วยประมวลผล, หน่วยความจำ, หน่วยจัดเก็บข้อมูล, โปรแกรมคอมพิวเตอร์ และอุปกรณ์ต่าง ๆ ที่มีราคาแพงและไม่สามารถจัดหามาให้ทุกคนได้ เช่น เครื่องพิมพ์ เครื่องกราดภาพ (scanner) ทำให้ลดต้นทุนของระบบลงได้

อุปกรณ์เครือข่ายที่สร้างข้อมูล, ส่งมาตามเส้นทางและบรรจบข้อมูลจะเรียกว่าโหนดเครือข่าย. โหนดประกอบด้วยโฮสต์เช่นเซิร์ฟเวอร์, คอมพิวเตอร์ส่วนบุคคลและฮาร์ดแวร์ของระบบเครือข่าย อุปกรณ์สองตัวจะกล่าวว่าเป็นเครือข่ายได้ก็ต่อเมื่อกระบวนการในเครื่องหนึ่งสามารถที่จะแลกเปลี่ยนข้อมูลกับกระบวนการในอีกอุปกรณ์หนึ่งได้

เครือข่ายจะสนับสนุนแอปพลิเคชันเช่นการเข้าถึงเวิลด์ไวด์เว็บ, การใช้งานร่วมกันของแอปพลิเคชัน, การใช้เซิร์ฟเวอร์สำหรับเก็บข้อมูลร่วมกัน, การใช้เครื่องพิมพ์และเครื่องแฟ็กซ์ร่วมกันและการใช้อีเมลและโปรแกรมส่งข้อความโต้ตอบแบบทันทีร่วมกัน

ส่วนประกอบของระบบสื่อสารข้อมูล

1. ผู้ส่ง (Sender) เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ในการส่งข่าวสาร (Message) เป็นต้นทางของการสื่อสารข้อมูลมีหน้าที่เตรียมสร้างข้อมูล เช่น ผู้พูด โทรทัศน์ กล้องวิดีโอ เป็นต้น

      2. ผู้รับ (Receiver) เป็นปลายทางการสื่อสาร มีหน้าที่รับข้อมูลที่ส่งมาให้ เช่น ผู้ฟัง เครื่องรับโทรทัศน์ เครื่องพิมพ์ เป็นต้น

      3. สื่อกลาง (Medium) หรือตัวกลาง เป็นเส้นทางการสื่อสารเพื่อนำข้อมูลจากต้นทางไปยังปลายทาง สื่อส่งข้อมูลอาจเป็นสายคู่บิดเกลียว สายโคแอกเชียล สายใยแก้วนำแสง หรือคลื่นที่ส่งผ่านทางอากาศ เช่น เลเซอร์ คลื่นไมโครเวฟ คลื่นวิทยุภาคพื้นดิน หรือคลื่นวิทยุผ่านดาวเทียม

      4. ข้อมูลข่าวสาร (Message) คือสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ที่ส่งผ่านไปในระบบสื่อสาร ซึ่งอาจถูกเรียกว่า สารสนเทศ (Information) โดยแบ่งเป็น 5รูปแบบ ดังนี้

         4.1 ข้อความ (Text) ใช้แทนตัวอักขระต่าง ๆ ซึ่งจะแทนด้วยรหัสต่าง ๆ เช่น รหัสแอสกี เป็นต้น 

         4.2 ตัวเลข (Number) ใช้แทนตัวเลขต่าง ๆ ซึ่งตัวเลขไม่ได้ถูกแทนด้วยรหัสแอสกีแต่จะถูกแปลงเป็นเลขฐานสองโดยตรง

         4.3 รูปภาพ (Images) ข้อมูลของรูปภาพจะแทนด้วยจุดสีเรียงกันไปตามขนาดของรูปภาพ

         4.4 เสียง (Audio) ข้อมูลเสียงจะแตกต่างจากข้อความ ตัวเลข และรูปภาพเพราะข้อมูลเสียงจะเป็นสัญญาณต่อเนื่องกันไป

         4.5 วิดีโอ (Video) ใช้แสดงภาพเคลื่อนไหว ซึ่งเกิดจากการรวมกันของรูปภาพหลาย ๆ รูป

      5. โปรโตคอล (Protocol) คือ วิธีการหรือกฎระเบียบที่ใช้ในการสื่อสารข้อมูลเพื่อให้ผู้รับและผู้ส่ง สามารถเข้าใจกันหรือคุยกันรู้เรื่อง โดยทั้งสองฝั่งทั้งผู้รับและผู้ส่งได้ตกลงกันไว้ก่อนล่วงหน้าแล้ว ในคอมพิวเตอร์โปรโตคอลอยู่ในส่วนของซอฟต์แวร์ที่มีหน้าที่ทำให้การดำเนินงาน ในการสื่อสารข้อมูลเป็นไปตามโปรแกรมที่กำหนดไว้ ตัวอย่างเช่น X.25, SDLC, HDLC, และ TCP/IP เป็นต้น

      ช่องสัญญาณ (Channel) ในที่นี้อาจ จะหมายถึงสื่อกลางหรือตัวกลางที่ข่าวสารเดินทางผ่าน อาจจะเป็นอากาศ สายนำสัญญาณต่าง ๆ หรือแม้กระทั่งของเหลว เช่น น้ำ น้ำมัน เป็นต้น เปรียบเสมือนเป็นสะพานที่จะให้ข่าวสารข้ามจากฝั่งหนึ่งไปยังอีกฝั่งหนึ่ง 

         การเข้ารหัส (Encoding) เป็นการช่วยให้ผู้ส่งข่าวสารและผู้รับข่าวสารมีความเข้าใจตรงกันในการสื่อ ความหมาย จึงมีความจำเป็นต้องแปลงความหมายนี้ การเข้ารหัสจึงหมายถึงการแปลงข่าวสารให้อยู่ในรูปพลังงานที่พร้อมจะส่งไปใน สื่อกลาง ทางผู้ส่งมีความเข้าใจต้องตรงกันระหว่างผู้ส่งและผู้รับ หรือมีรหัสเดียวกัน การสื่อสารจึงเกิดขึ้นได้ 

          การถอดรหัส (Decoding) หมายถึงการที่ผู้รับข่าวสารแปลงพลังงานจากสื่อกลางให้กลับไปอยู่ในรูปข่าว สารที่ส่งมาจากผู้ส่งข่าวสาร โดยมีความเข้าในหรือรหัสตรงกัน 

          สัญญาณรบกวน (Noise) เป็นสิ่งที่มีอยู่ในธรรมชาติ มักจะลดทอนหรือรบกวนระบบ อาจจะเกิดขึ้นได้ทั้งทางด้านผู้ส่งข่าวสาร ผู้รับข่าวสาร และช่องสัญญาณ แต่ในการศึกษาขั้นพื้นฐานมักจะสมมติให้ทางด้านผู้ส่งข่าวสารและผู้รับข่าว สารไม่มีความผิดพลาด ตำแหน่งที่ใช้วิเคราะห์มักจะเป็นที่ตัวกลางหรือช่องสัญญาณ เมื่อไรที่รวมสัญญาณรบกวนด้านผู้ส่งข่าวสารและด้านผู้รับข่าวสาร ในทางปฎิบัติมักจะใช้วงจรกรอง (Filter) กรองสัญญาณแต่ต้นทาง เพื่อให้การสื่อสารมีคุณภาพดียิ่งขึ้นแล้วค่อยดำเนินการ เช่น การเข้ารหัสแหล่งข้อมูล เป็นต้น 

เครือข่ายการสื่อสารข้อมูล

          หมายถึง การรับส่งข้อมูลหรือสารสนเทศจากที่หนึ่งไปยังอีกที่หนึ่ง โดยอาศัยระบบการส่งข้อมูล ทางคลื่นไฟฟ้าหรือแสง อุปกรณ์ที่ประกอบเป็นระบบการสื่อสารข้อมูลโดยทั่วไปเรียกว่า เครือข่ายการสื่อสารข้อมูล (Data Communication Networks)

องค์ประกอบพื้นฐาน 

- หน่วยส่งข้อมูล (Sending Unit) 

- ช่องทางการส่งข้อมูล (Transmisstion Channel) 

- หน่วยรับข้อมูล (Receiving Unit)

 หลักการพิจารณาเลือกใช้สื่อกลาง

ในการใช้งานด้านการสื่อสารข้อมูลหรือการออกแบบเครือข่าย สิ่งสำคัญอย่างหนึ่งที่ควรพิจาีรณาก็คือ “การใช้สื่อกลางที่เหมาะสม” เพราะหากมีการเลือกใช้สื่อกลางที่ไม่เหมาะสมแล้ว เครือข่ายนั้นอาจไม่สมบูรณ์หรือนำไปสู่ความล้มเหลวได้ ซึ่งปัจจัยต่าง ๆ ที่ควร

พิจารณา มีดังนี้

1. ต้นทุน     – พิจารณาต้นทุนของตัวอุปกรณ์ที่ใช้

– พิจารณาต้นทุนการติดตั้งอุปกรณ์

– เปรียบเทียบราคาของอุปกรณ์ และประสิทธิภาพการใช้งาน

2. ความเร็ว – ความเร็วในการส่งผ่านสัญญาณ จำนวนบิตต่อวินาที

– ความเร็วในการแพร่สัญญาณ ข้อมูลที่สามารถเคลื่อนที่ผ่านสื่อกลางไปได้

3. ระยะทาง  – สื่อกลางแต่ละชนิดมีความสามารถในการส่งสัญญาณข้อมูลไปได้ในระยะทางต่างกัน ดังนั้นการเลือกใช้สื่อกลางแต่ละ

ชนิดจะต้องทราบข้อจำกัดด้านระยะทาง เพื่อที่จะต้องทำการติดตั้งอุปกรณ์ทบทวนสัญญาณเมื่อใช้สื่อกลางในระยะไกล

4. สภาพแวดล้อม  – เป็นปัจจัยสำคัญอย่างหนึ่งในเลือกใช้สื่อกลาง เช่น สภาพแวดล้อมที่เป็นโรงงานอุตสาหกรรมเครื่องจักรกล จะมี

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าต่าง ๆ ดังนั้นการเลือกใช้สื่อกลางควรเลือกสื่อกลางที่ทนทานต่อสัญญาณรบกวนได้ดี

5. ความปลอดภัยของข้อมูล หากสื่อกลางที่เลือกใช้ไม่สามารถป้องกันการลักลอบนำข้อมูลไปได้ ดังนั้นการสื่อสารข้อมูลจะต้องมีการ

เข้ารหัสข้อมูลก่อนที่จะส่งไปในสื่อกลาง และผู้รับก็ต้องมีการถอดรหัสที่ใช้หลักเกณฑ์เดียวกัน จึงจะ

สามารถนำข้อมูลนั้นไปใช้ได้

มาตรฐานของเครือข่ายคอมพิวเตอร์

 การที่คอมพิวเตอร์จะเชื่อมต่อกันเป็นเครือข่ายได้ ต้องมีองค์ประกอบพื้นฐานดังต่อไปนี้

                - คอมพิวเตอร์ อย่างน้อย  2  เครื่อง

                - เน็ตเวิร์ดการ์ด  หรือ  NIC ( Network  Interface  Card) เป็นการ์ดที่เสียบเข้ากับช่องที่ เมนบอร์ดของคอมพิวเตอร์  ซึ่งเป็นจุดเชื่อมต่อระหว่างคอมพิวเตอร์และเครือข่าย

                - สื่อกลางและอุปกรณ์สำหรับการรับส่งข้อมูล  เช่น  สายสัญญาณ  ส่วนสายสัญญาณที่นิยมที่ใช้กันในเครือข่ายก็เช่น  สายโคแอ็กเชียล  สายคู่เกลียวบิด  และสายใยแก้วนำแสง  เป็นต้น ส่วนอุปกรณ์ เครือข่าย  เช่น  ฮับ สวิตช์ เราท์เตอร์ เกตเวย์ เป็นต้น

                - โปรโตคอล  ( Protocol) โปรโตคอลเป็นภาษาที่คอมพิวเตอร์ใช้ติดต่อสื่อสารกันผ่านเครือข่ายคอมพิวเตอร์ที่สามารถสื่อสารกันได้นั้นจำเป็นที่ต้องใช้  “ภาษา” หรือใช้โปรโตคอลเดียวกันเช่น  OSI,  TCP/IP,  IPX/SPX เป็นต้น

                - ระบบปฏิบัติการเครือข่าย  หรือ NOS (Network Operating System)ระบบปฏิบัติการเครือข่ายจะเป็นตัวคอยจัดการเกี่ยวกับการใช้งานเครือข่ายของผู้ใช้แต่ละคน

    1  เน็ตเวิร์คการ์ด

             เน็ตเวิร์คการ์ดจะเป็นจุดเชื่อมต่อระหว่างคอมพิวเตอร์ และระบบเครือข่าย ส่วนใหญ่จะเรียกว่า “NIC (Network Interface Card)”หรือบางทีก็เรียกว่า “LAN การ์ด (LAN Card)” อุปกรณ์เหล่านี้จะทำการแปลงข้อมูลเป็นสัญญาณที่สามารถส่งไปตามสายสัญญาณหรือสื่อแบบอื่นได้  ปัจจุบันนี้ก็ได้มีการแบ่งการ์ดออกเป็นหลายประเภท   ซึ่งจะถูกออกแบบให้สามารถใช้ได้กับเครือข่ายประเภทแบบต่าง  ๆ  เช่น อีเธอร์เน็ตการ์ด  โทเคนริงการ์ด  เป็นต้น  การ์ดในแต่ละประเภทอาจใช้กับสายสัญญาณบางชนิดเท่านั้น  หรืออาจจะใช้ได้กับสายสัญญาณหลายชนิด

เน็ตเวิร์คการ์ด

              เน็ตเวิร์คการ์ดจะติดตั้งอยู่กับคอมพิวเตอร์ โดยเต้าเสียบเข้ากับช่องบนเมนบอร์ดของคอมพิวเตอร์   ส่วนมากคอมพิวเตอร์ที่ผลิตในปัจจุบันจะมีเฉพาะช่อง PCI ซึ่งก็ใช้บัสที่มีขนาด 32 บิต  อย่างไรก็ตาม ยังมีคอมพิวเตอร์รุ่นเก่าที่ยังมีช่องแบบ  ISA อยู่  ซึ่งมีบัสขนาด 16บิต  และมีการ์ดที่เป็นแบบ  ISA จะประมวลผล  ข้อมูลช้ากว่าแบบ  PCI

    2  สายสัญญาณ

ปัจจุบันมีสายสัญญาณที่ใช้เป็นมาตรฐานในระบบเครือข่ายคอมพิวเตอร์อยู่3 ประเภท

              2.1  สายคู่บิดเกลียว             สายคู่บิดเกลียว  ( twisted   pair )  ในแต่ละคู่ของสายทองแดงซึ่งจะถูกพันกันตามมาตรฐาน    เพื่อต้องการลดการรบกวนจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากับคู่สายข้างเคียงได้แล้วผ่านไปยังสายเคเบิลเดียวกัน  หรือจากภายนอกเท่านั้น    เนื่องจากสายคู่บิดเกลียวนั้นมีราคาไม่แพงมากใช้ส่งข้อมูลได้ดี  แล้วน้ำหนักเบา ง่ายต่อการติดตั้ง  จึงทำให้ถูกใช้งานอย่างกว้างขวางตัวอย่างคือสายโทรศัพท์สายแบบนี้มี 2 ชนิดคือ

             ก. สายคู่บิดเกลียวชนิดหุ้มฉนวน   (Shielded  Twisted   Pair : STP) เป็นสายคู่บิดเกลียวที่หุ้มด้วยฉนวนชั้นนอกที่หนาอีกชั้นดังรูป    เพื่อป้องกันการรบกวนของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า

สายคู่บิดเกลียวชนิดหุ้มฉนวน

              ข. สายคู่เกลียวชนิดไม่หุ้มฉนวน  (Unshielded Twisted  Pair : UTP)  เป็นสายคู่บิดเกลียวที่หุ้มด้วยฉนวนชั้นนอกด้วยซึ่งบางทีก็หุ้มอีกชั้นดังรูป  ซึ่งทำให้สะดวกในการโค้งงอ  แต่ก็สามารถป้องกันการรบกวนของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าได้น้อยกว่าชนิดแรก                                            

 สายคู่บิดเกลียวชนิดไม่หุ้มฉนวน

        2.2   สายโคแอกเชียล                สายโคแอกเชียล เป็นตัวกลางการเชื่อมโยงที่มีลักษณะเช่นเดียวกับสายทีวีที่มีการใช้งานกันอยู่เป็นจำนวนมากไม่ว่าจะใช้ในระบบเครือข่ายเฉพาะที่  และใช้ในการส่งข้อมูลระยะที่ไกลระหว่างชุมสายโทรศัพท์หรือการส่งข้อมูลสัญญาณวีดีทัศน์ ซึ่งสายโคแอกเชียลที่ใช้ทั่วไปก็มีอยู่ 2  ชนิด   คือ 50 โอห์ม  ซึ่งใช้ส่งข้อมูลแบบดิจิทอล   และชนิด 75โอห์ม  ซึ่งก็จะใช้ส่งข้อมูลสัญญาณอนาล็อก    สายโคแอกเชียลมีฉนวนหุ้มเพื่อป้องกันการรบกวนของคลื่นสัญญาณแม่เหล็กไฟฟ้า  และก็เพื่อป้องกันสัญญาณรบกวนอื่น ๆ ซึ่งก็เป็นส่วนหนึ่งที่ทำให้สายแบบนี้มีช่วงความถี่ที่สัญญาณไฟฟ้าสามารถส่งผ่านได้กว้างถึง 500 Mhz จึงสามารถส่งข้อมูลด้วยอัตราของการส่งสูงขึ้น

สายโคแอกเชียล

       2.3  เส้นใยแก้วนำแสง             เส้นใยนำแสง  ( fiber  optic ) เป็นการที่ใช้ให้แสงเคลื่อนที่ไปในท่อแก้ว    ซึ่งสามารถส่งข้อมูลด้วยเป็นอัตราความหนาแน่นของสัญญาณข้อมูลที่สูงมาก   ที่ปัจจุบันถ้าใช้เส้นใยนำแสงกับระบบอีเธอร์เน็ตก็ใช้ได้ด้วยความเร็ว 10  เมกะบิต   ถ้าใช้กับ  FDDI  ก็จะใช้ได้ด้วยความเร็วสูงถึง100 เมกะบิต

ลักษณะของเส้นใยนำแสง

    3  อุปกรณ์เครือข่าย

   อุปกรณ์ที่นำมาใช้ในเครือข่ายทำหน้าที่จัดการเกี่ยวกับการรับ- ส่งข้อมูลในเครือข่าย   หรือใช้สำหรับทวนสัญญาณเพื่อให้การรับ-ส่งข้อมูลได้ดี และส่งในระยะที่ไกลมากขึ้น   หรือใช้สำหรับขยายเครือข่ายให้มีขนาดใหญ่ขึ้น อุปกรณ์เครือข่ายที่พบเห็นโดยทั่วไป เช่น ฮับ สวิตซ์ เราท์เตอร์

    3.1  ฮับ (Hub)

          ฮับ (HUB) คืออุปกรณ์ที่ใช้เชื่อมกันระหว่างกลุ่มของคอมพิวเตอร์   ฮับมีหน้าที่รับส่งเฟรมข้อมูลทุกเฟรมที่ได้รับจากพอร์ตใดพอร์ตหนึ่ง   เพื่อส่งไปยังทุก ๆ พอร์ตที่เหลือ คอมพิวเตอร์ที่เชื่อมต่อเข้ากับฮับจะแชร์แบนด์วิธหรืออัตราข้อมูลของเครือข่าย

 ฮับ (HUB)

         3.2  สวิตซ์ (Switch)

               สวิตซ์  (Switch)  หรือ บริดจ์  (Bridge)  เป็นอุปกรณ์ที่ใช้สำหรับเชื่อมต่อ LAN สองเครือข่ายเข้าด้วยกัน  โดยจะต้องเป็น LAN ชนิดเดียวกัน และก็ใช้โปรโตคอลในการรับส่งข้อมูลเหมือนกัน เช่น ใช้ในการเชื่อมต่อ Ethernet LAN ทั้งสองเครือข่ายเข้าด้วยกัน

 สวิตซ์  (Switch)  หรือ บริดจ์  (Bridge)

           3.3  เราท์เตอร์ ( Routing )

                เป็นอุปกรณ์ที่ทำหน้าที่เชื่อมต่อในระบบเครือข่ายกับหลายระบบเข้าด้วยกันที่คล้ายกับบริดจ์  แต่ก็มีส่วนการทำงานจะซับซ้อนมากกว่าบริดจ์มาก  โดยเราท์เตอร์ก็มีเส้นทางการเชื่อมโยงข้อมูลระหว่างแต่ละเครือข่ายเก็บไว้เป็นตารางเส้นทาง เรียกว่า  Routing Table  ทำให้เราท์เตอร์สามารถทำหน้าที่จัดหาเส้นทาง และเลือกเส้นทางเหมาะสมที่สุดเพื่อใช้ในการเดินทาง  และเพื่อการติดต่อระหว่างเครือข่ายได้อย่างมีประสิทธิภาพ 

 เราท์เตอร์ ( Routing )

          3.4  โปรโตคอล (Protocol)

                 ในการเชื่อมโยงของเครือข่ายเครื่องคอมพิวเตอร์ ในแต่ละเครื่องอาจก็ต้องมีระบบที่เหมือนกัน หรือแตกต่างกัน เช่นในการใช้งานในเครือข่ายจึงต้องเป็นมาตรฐานหรือระเบียบที่ใช้ในการติดต่อให้แต่ละเครื่องมีวิธีการสื่อสารที่เป็นไปตามแนวทางเดียวกันได้  เพื่อให้เป็นการเชื่อมโยงข้อมูล และในการติดต่อสื่อสารของเครื่องคอมพิวเตอร์ในแต่ละเครื่องต้องมีความเข้าใจถูกต้องตรงกันและสามารถทำงานร่วมกันได้เป็นอย่างดี  ไม่เกิดความเสียหายนั้นเกิดขึ้น จึงมีการกำหนดวิธีการมาตรฐานขึ้นเรียกว่า โปรโตคอล ดังนั้นอาจกล่าวได้ว่าโปรโตคอล  หมายถึง  กฎเกณฑ์  ข้อตกลง  ภาษาสื่อสาร รูปแบบ วิธีการเชื่อมต่อของเครื่องคอมพิวเตอร์ในเครือข่าย (ระบบใดๆ ก็ตาม)ให้สามารถติดต่อสื่อสารมีการใช้งานร่วมกันได้หลากหลาย