كيف تعمل الشبكات اللاسلكية Wi-Fi؟ شرح مبسط للمبتدئين
تعمل الشبكات اللاسلكية باستخدام الموجات الراديوية لنقل البيانات بين الأجهزة بدل الاعتماد على كابلات الشبكة.
هذه هي الفكرة المبسطة، لكن ما يحدث في الخلفية أكثر تعقيدًا، إذ تقوم الأجهزة بتحويل البيانات الرقمية إلى إشارات لاسلكية يمكن إرسالها واستقبالها عبر الهواء.
الأصفار والآحاد: أساس البيانات الرقمية
تعالج أجهزة الكمبيوتر البيانات بشكل رقمي، ويمكن تمثيل المعلومات في أبسط صورة باستخدام النظام الثنائي المكوّن من الأصفار والآحاد.
لكن جهاز Wi-Fi لا يرسل الرقم 0 أو الرقم 1 بشكل مباشر عبر الهواء.
بدلًا من ذلك، تقوم الدوائر اللاسلكية بتحويل البيانات الرقمية إلى تغيّرات منظمة في الموجة الراديوية، ثم يقوم الجهاز المستقبل بتحليل تلك الإشارة وإعادة تحويلها إلى بيانات رقمية.
تحديث: كان المقال الأصلي يشبه العملية بإرسال أنواع مختلفة من "الصفير" لتمثيل الأصفار والآحاد.
هذا التشبيه مناسب فقط لتقريب الفكرة للمبتدئ. Wi-Fi الحديث يستخدم تقنيات تضمين رقمية أكثر تعقيدًا تستطيع تمثيل عدة بتات باستخدام خصائص الإشارة الراديوية.
هل يشبه Wi-Fi شفرة Morse؟
استخدم المقال الأصلي شفرة Morse لتقريب طريقة نقل المعلومات.
في Morse يتم تمثيل الأحرف باستخدام النقاط والشرطات، ثم إرسالها على شكل إشارات.
ويمكن استخدام الفكرة نفسها كتشبيه بسيط لفهم أن الكمبيوتر يحتاج إلى تحويل البيانات إلى إشارات قابلة للنقل.
لكن Wi-Fi الحقيقي لا يستخدم نقاطًا وشرطات مثل Morse.
تستخدم الشبكات اللاسلكية الحديثة تقنيات اتصالات رقمية تسمح بنقل كميات ضخمة من البيانات بسرعة عالية.
كيف تتحول البيانات إلى موجات راديوية؟
عندما يرسل جهاز الكمبيوتر أو الهاتف بيانات عبر Wi-Fi، تمر البيانات عبر محول الشبكة اللاسلكية.
يقوم المحول بتجهيز البيانات وفق بروتوكولات الشبكة، ثم يستخدم جهاز الإرسال اللاسلكي لتحويلها إلى إشارة راديوية.
بعد ذلك تنتقل الإشارة عبر الهواء حتى تصل إلى جهاز آخر أو إلى نقطة الوصول.
يقوم جهاز الاستقبال بتحليل الإشارة واستخراج البيانات منها، ثم تمر البيانات إلى نظام التشغيل والتطبيق المناسب.
الترددات المستخدمة في Wi-Fi
ذكر المقال الأصلي أن معظم الشبكات اللاسلكية تعمل على تردد 2.4 GHz.
كان هذا صحيحًا بصورة أكبر في الفترة التي كتب فيها المقال، لكن Wi-Fi الحديث يستخدم عدة نطاقات ترددية.
من أهمها:
- 2.4 GHz.
- 5 GHz.
- 6 GHz في الأجهزة والمعايير التي تدعمه.
يدعم معيار IEEE 802.11 الحديث تشغيل أجهزة Wi-Fi في نطاقات 2.4 و5 و6 GHz، ويشمل Wi-Fi 7 تقنيات متقدمة للعمل عبر هذه النطاقات في الأجهزة المتوافقة.
ما الفرق بين 2.4 GHz و5 GHz و6 GHz؟
2.4 GHz
يتميز عادةً بقدرة أفضل على الوصول لمسافات أطول واختراق بعض العوائق مقارنة بالترددات الأعلى، لكنه أكثر ازدحامًا لأن عددًا كبيرًا من الأجهزة والتقنيات يستخدم هذا النطاق.
5 GHz
يوفر عادةً عددًا أكبر من القنوات وعرض نطاق أعلى، ويمكن أن يقدم سرعات جيدة جدًا، لكن مدى الإشارة قد ينخفض أكثر مع الجدران والعوائق.
6 GHz
يوفر مساحة إضافية للشبكات اللاسلكية الحديثة وقنوات واسعة، لكنه يتطلب أجهزة وراوترات متوافقة، كما أن توفر هذا النطاق يعتمد على القوانين المحلية في كل دولة.
هل التردد الأعلى يعني دائمًا سرعة أعلى؟
ليس بالضرورة.
سرعة Wi-Fi لا تعتمد على التردد وحده، بل على عدة عوامل مثل:
- جيل Wi-Fi المستخدم.
- عرض القناة Channel Width.
- عدد الهوائيات والمسارات المكانية.
- نوع التضمين Modulation.
- قوة الإشارة.
- التداخل.
- عدد الأجهزة المتصلة.
لذلك يمكن لشبكتين تعملان على التردد نفسه أن تقدما سرعات مختلفة جدًا.
هل Wi-Fi يستخدم Frequency Hopping؟
ذكر المقال الأصلي أن الشبكات اللاسلكية تستخدم تقنية Frequency Hopping وتتنقل باستمرار بين عشرات الترددات لتجنب التداخل.
تحديث مهم: هذا الوصف لا يمثل الطريقة العامة التي يعمل بها Wi-Fi الحديث.
كانت تقنية Frequency Hopping Spread Spectrum جزءًا من بعض الإصدارات القديمة جدًا من IEEE 802.11، لكنها ليست الأساس الذي تعتمد عليه شبكات Wi-Fi الحديثة مثل Wi-Fi 5 وWi-Fi 6 وWi-Fi 7.
تستخدم الأجيال الحديثة تقنيات مثل OFDM وOFDMA لتنظيم الإشارة وتقسيم القناة إلى حوامل فرعية يمكن استخدامها بكفاءة لنقل البيانات.
ما هو OFDM؟
Orthogonal Frequency Division Multiplexing - OFDM هي تقنية تقسم قناة الاتصال إلى عدد كبير من الحوامل الفرعية الصغيرة.
بدل إرسال جميع البيانات باستخدام موجة واحدة بطريقة بسيطة، يمكن توزيع المعلومات على عدة حوامل داخل القناة.
يساعد ذلك على تحقيق سرعات أعلى وتحسين التعامل مع بعض أشكال التداخل وانعكاس الإشارة.
ما هو OFDMA؟
تستخدم أجيال حديثة مثل Wi-Fi 6 تقنية OFDMA.
وتسمح هذه التقنية بتقسيم موارد القناة بين عدة مستخدمين بصورة أكثر كفاءة، وهو أمر مفيد عندما يكون هناك عدد كبير من الهواتف وأجهزة الكمبيوتر والأجهزة الذكية متصلة بالشبكة.
ما هي نقطة الوصول Access Point؟
ذكر المقال الأصلي جهازًا يسمى Access Point يسمح لأجهزة الكمبيوتر اللاسلكية بالاتصال بالشبكة ومشاركة الإنترنت.
ولا تزال نقطة الوصول مكونًا أساسيًا في شبكات Wi-Fi.
تعمل نقطة الوصول كحلقة وصل لاسلكية بين أجهزة مثل:
- الهواتف.
- أجهزة اللابتوب.
- الأجهزة اللوحية.
- الكاميرات.
- الأجهزة الذكية.
وبين بقية الشبكة السلكية أو الراوتر.
Access Point أم Wireless Router؟
كان المقال الأصلي يفرق بين شراء Access Point واستخدام Wireless Router.
وهذا الفرق لا يزال مهمًا.
Access Point يوفر الاتصال اللاسلكي للأجهزة ويربطها بالشبكة الموجودة.
أما الراوتر المنزلي اللاسلكي فعادةً يجمع عدة وظائف داخل جهاز واحد، مثل:
- Router.
- Ethernet Switch.
- Wireless Access Point.
- Firewall.
- DHCP Server.
لهذا السبب لا يحتاج المستخدم المنزلي عادةً إلى شراء Access Point منفصل، إلا إذا كان يريد توسيع التغطية أو بناء شبكة أكبر.
هل Access Point تتصل بعدد محدد من الأجهزة؟
ذكر المقال الأصلي أن نقطة الوصول قد تتحدث مع نحو 100 جهاز في الوقت نفسه.
تحديث: لا يوجد رقم ثابت ينطبق على جميع نقاط الوصول.
يختلف عدد الأجهزة الذي تستطيع نقطة الوصول التعامل معه حسب:
- الموديل.
- جيل Wi-Fi.
- قدرة المعالج والذاكرة.
- حجم البيانات الذي يستخدمه كل جهاز.
- عدد أجهزة الراديو والقنوات.
- تصميم الشبكة.
وقد يستطيع جهاز ما تسجيل عدد كبير من العملاء، لكن الأداء قد يصبح ضعيفًا إذا كانت جميع الأجهزة تنقل كميات ضخمة من البيانات في الوقت نفسه.
كيف تتشارك الأجهزة الهواء نفسه؟
على عكس Ethernet السلكي الحديث، تستخدم أجهزة Wi-Fi وسطًا لاسلكيًا مشتركًا.
ولهذا تحتاج الأجهزة إلى تنسيق عمليات الإرسال لتقليل احتمالية أن ترسل عدة أجهزة فوق بعضها في الوقت نفسه.
تتضمن معايير 802.11 آليات لتنظيم الوصول إلى القناة والتعامل مع ازدحام الشبكة.
كيف تعمل أجهزة من شركات مختلفة معًا؟
سأل المقال الأصلي كيف يستطيع جهاز لاسلكي من شركة معينة التواصل مع جهاز من شركة مختلفة.
والسبب هو وجود معايير تقنية مشتركة.
المجموعة الأساسية لهذه المعايير تعرف باسم IEEE 802.11.
يحدد IEEE 802.11 قواعد طبقة MAC والطبقات الفيزيائية PHY المستخدمة في الشبكات المحلية اللاسلكية.
وبفضل اعتماد الشركات على المعايير المشتركة، يمكن لهاتف من شركة معينة الاتصال براوتر من شركة مختلفة طالما أن الطرفين يدعمان معيارًا متوافقًا.
أجيال Wi-Fi الحديثة
تطور معيار 802.11 على مدى سنوات طويلة، وأصبحت الأجيال الحديثة تعرف بأسماء أسهل للمستخدمين.
- Wi-Fi 4 يرتبط بـ802.11n.
- Wi-Fi 5 يرتبط بـ802.11ac.
- Wi-Fi 6 يرتبط بـ802.11ax.
- Wi-Fi 6E يوسع Wi-Fi 6 إلى نطاق 6 GHz.
- Wi-Fi 7 يعتمد على IEEE 802.11be.
وقد أصبح IEEE 802.11be-2024 معيارًا نشطًا، ويشمل تحسينات تستهدف إنتاجية عالية جدًا وتقليل التأخير، مع التوافق مع أجهزة 802.11 السابقة.
كيف يحقق Wi-Fi 7 سرعات أعلى؟
يضيف Wi-Fi 7 مجموعة من التطورات مقارنة بالأجيال السابقة.
من بينها دعم قنوات واسعة تصل إلى 320 MHz في البيئات والترددات المتوافقة، بالإضافة إلى تحسينات في استخدام عدة روابط وتطوير تقنيات التضمين.
لكن السرعات النظرية القصوى لا تعني أن المستخدم سيحصل على السرعة نفسها في المنزل.
فالسرعة الفعلية تعتمد على الجهاز والراوتر والمسافة والتداخل وسرعة الإنترنت وتصميم الشبكة.
ما الذي يحدد مدى شبكة Wi-Fi؟
كان المقال الأصلي يربط المدى المحدود مباشرة بقصر الطول الموجي.
هذه الفكرة مبسطة أكثر من اللازم.
المدى الفعلي يعتمد على مجموعة كبيرة من العوامل، من بينها:
- قوة الإرسال.
- حساسية جهاز الاستقبال.
- التردد.
- الهوائيات.
- الجدران والأرضيات.
- التداخل.
- القوانين المنظمة لقدرة الإرسال.
ماذا يحدث عندما تفتح موقعًا عبر Wi-Fi؟
عند فتح موقع على هاتفك مثلًا، تحدث العملية بصورة مبسطة كالتالي:
- يرسل الهاتف طلب البيانات عبر Wi-Fi إلى نقطة الوصول أو الراوتر.
- يحول محول Wi-Fi البيانات الرقمية إلى إشارة لاسلكية.
- يستقبل الراوتر الإشارة ويستخرج البيانات منها.
- يرسل الراوتر الطلب إلى الإنترنت.
- تعود البيانات من الخادم إلى الراوتر.
- يرسل الراوتر البيانات لاسلكيًا إلى الهاتف.
- يعيد الهاتف تحويل الإشارة إلى بيانات ويعرض الصفحة.
كل هذه العمليات تحدث بسرعة كبيرة جدًا دون أن يحتاج المستخدم إلى إدارة الترددات أو الإشارات يدويًا.
لا تحتاج إلى إدارة الترددات بنفسك
اختتم المقال الأصلي بالتأكيد على أن المستخدم لا يحتاج إلى فهم كل تفاصيل الترددات لكي يستخدم الشبكة اللاسلكية.
وهذا لا يزال صحيحًا.
يقوم الراوتر والهاتف أو الكمبيوتر تلقائيًا بالتفاوض حول كثير من إعدادات الاتصال، مثل السرعات المدعومة وخصائص الراديو وتقنيات التشفير.
قد يحتاج المستخدم فقط إلى اختيار شبكة Wi-Fi وإدخال كلمة المرور، بينما تتم أغلب العمليات التقنية في الخلفية.
الخلاصة
تعمل شبكات Wi-Fi عن طريق تحويل البيانات الرقمية إلى إشارات راديوية وإرسالها بين الأجهزة ونقاط الوصول.
ورغم أن فكرة الأصفار والآحاد وشفرة Morse تساعد على تبسيط المفهوم، فإن Wi-Fi الحديث يستخدم تقنيات متقدمة مثل OFDM وOFDMA وتضمين الإشارات لنقل كميات ضخمة من البيانات.
كما لم يعد Wi-Fi مقتصرًا على نطاق 2.4 GHz، بل تستخدم الأجيال الحديثة أيضًا نطاقي 5 و6 GHz في الأجهزة المتوافقة.
وبفضل معايير IEEE 802.11، تستطيع الأجهزة المصنعة من شركات مختلفة التواصل مع بعضها بسهولة، بينما تتولى الأجهزة نفسها معظم التفاصيل التقنية تلقائيًا.