logo

logo

الهندسة المعلوماتية | الإثرنت

اثرنت

Ethernet - Ethernet



الإثرنت

 

طول الإطار معايير IEEE
العنونة addressing التحكم في الربط المنطقي  LLC
التغيرات التي طرأت على معايير الإثرنت التحكم في النفاذ إلى الوسائط MAC  
full-duplex Ethernet شبكة الإثرنت المثنوية الكاملة معيار إثرنت القياسي
الطبقة الفيزيائية   الفرعيةMAC الطبقة
نمط الإرسال المثنوي الطول الأصغري لإطار الإثرنت
نمط الإرسال النصف المثنوي مصاغة الإطار frame format

 

 

تُعدّ شبكة الإثرنت Ethernet    من أشهر أنواع الشبكات المحلية؛ إذ عرفت الأسواق أنواعاً عدة من هذه  الشبكات المحلية مثل: الحلقة ذات العلّام token ring ، والمسرى ذي العلّام  token bus، وشبكات الألياف البصرية  FDDI ، وشبكات النقل غير المتزامن  ATM LAN.  بقي بعض هذه الشبكات حياً مدة من الزمن، لكن شبكة الإثرنت ظلت التقانة المهيمنة حتى الآن.

شهدت شبكة الإثرنت تطوراً ملحوظاً ممثلاً بخمسة أجيال خلال العقد الأخير، بهدف مواكبة متطلبات السوق، ولكن بقيت المفاهيم الرئيسة لشبكة الإثرنت ذاتها.

معايير IEEE

أطلق معهد المهندسين الكهربائيين والإلكترونيين Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEEخلال عام 1985 مشروعاً باسم  (project 802)مهمته وضع المعايير التي تسمح بربط التجهيزات المصنّعة من مورّدين مختلفين. لم يكن الهدف من هذا المشروع استبدال النموذج المرجعيopen systems interconnections   ء (OSI) و إنما توصيف وظائف الطبقة الفيزيائية (المادية) وطبقة ربط المعطيات للبروتوكولات المستخدمة ضمن الشبكات المحلية. يبيّن الشكل (1) العلاقة بين النموذج المرجعي  OSI والمعايير IEEE 802.

الطبقات العليا

الطبقات العليا

التحكم في الوصلة المنطقية LLC

طبقة وصلة المعطيات

......

الممر ذو العلام MAC

الحلقة ذات العلام MAC

إثرنت MAC

......

الطبقة الفيزيائية

الطبقة الفيزيائية

الطبقة الفيزيائية

الطبقة الفيزيائية

وسيط النق

وسيط  النقل

معايير IEEE

النموذد QSI

   للشبكات المحلية IEEE الشكل (1) : معايير    

قسَم المعهد  IEEE طبقة ربط المعطيات إلى طبقتين فرعيتين، هما: التحكم في الربط المنطقي  logical link control  (LLC) والتحكم في النفاذ إلى الوسائط media access control (MAC)   C ، وقام أيضاً بتعريف طبقات فيزيائية (مادية ) مختلفة لكل نوع من أنواع الشبكات المحلية.

التحكم في الربط المنطقي  LLC

تقدّم هذه الطبقة بروتوكولاً موحّداً للتحكم في طبقة ربط المعطيات لجميع الشبكات المحلية، خلافاً للتحكم في النفاذ إلى الوسائط الذي يتعلق بالشبكة المحلية المستخدمة. يساعد توحيد البروتوكول LLC على تسهيل عملية ربط شبكات محلية مختلفة إذ يتيح إخفاء فروقات الطبقة  MAC كافة.

تتمثل العمليات الأساسية التي تقوم بها الطبقة LLC بالتأطير والتحكم في الأخطاء والتدفق. يفيد هذا النوع من التحكم في الشبكات المحلية المعزولة، ولكن عند استخدام طبقات عليا مثل الطبقات TCP/IP لا حاجة إليه.

التحكم في النفاذ إلى الوسائط MAC   

تعرّف الطبقة MAC   طرق التحكم في الوسائط لكل نوع من أنواع الشبكات المحلية؛ فشبكة الإثرنت تستخدم بروتوكول تحسس الحامل مع النفاذ المتعدد وكشف التصادم carrier sense multiple access with collision detection ( CSMA/CD))))، في حين تستخدم الحلقة ذات العلّام طريقة أخرى تتمثل بتدوير علّام على الشبكة، وبحيث يُسمح للمحطة التي تمتلك العلّام بإرسال المعطيات. وتعالج هذه الطبقة أيضاً جزءاً من وظائف التأطير.

معيار إثرنت القياسي

جرى تعريف شبكة الإثرنت في عام 1976 ضمن مخابر الشركة  Xerox  ، وشهدت منذ ذلك الحين خمسة أجيال وهي: معيار إثرنت القياسية  standard Ethernet العاملة بسرعة 10 Mbps، ومعيار إثرنت السريعة  fast Ethernet العاملة بسرعة 100 Mbps، ومعيار إثرنت ذات الغيغا بت العاملة بسرعة 1 Gbps، ومعيار إثرنت ذات 10 غيغا بت  العاملة بسرعة 10 Gbps، وإثرنت ذات 40/100 غيغا بت العاملة بسرعة 40/100 Gbps.

الطبقة  MAC الفرعية

تقوم هذه الطبقة - في إثرنت القياسية - بالتحكم في النفاذ إلى الوسائط وتأطير المعطيات المستقبلة من الطبقات العليا تمهيداً لنقلها إلى الطبقة الفيزيائية.

البروتوكول  CSMA/CD

يطلب هذا البروتوكول من كل محطة التنصت على وسائط النقل قبل قيامها بالإرسال، فإذا وُجدت محطة أخرى تستخدم وسائط النقل (أي توجد إشارات على وسائط النقل) تؤجل المحطة المتنصتة عملية الإرسال إلى أن تُخلي المحطة المرسلة وسائط النقل.

 إذا وُجدت محطتان تتنصتان على وسائط النقل معاً، ترسل تلك المحطتان معطياتهما في الوقت نفسه، وتختلط الإشارتان، وهذا ما يسمى بالتصادم  collision  . يمكن أن يحدث التصادم أيضاً إذا بدأت إحدى المحطات بالإرسال، ولكن قبل وصول أول بت مرسل إلى المحطة المتنصتة تبدأ هذه المحطة بالإرسال أيضاً  فيحدث التصادم (مع الإشارة إلى أن سرعة انتشار الإشارات هي من مرتبة سرعة الضوء أي 3 x 108 m/s) , لذلك يطلب البروتوكول ُ CSMA/CD  من كل محطة مراقبةَ وسائط النقل في أثناء الإرسال للتوثق من نجاح العملية. وفي حال إخفاق الإرسال يجب على المحطة إعادة الإرسال بعد انتظار مدة عشوائية.

 

الطول الأصغري لإطار الإثرنت

لضمان حسن عمل البروتوكول   CSMA/CD يجري تحديد الطول الأصغري للإطار، إذ يجب على أي محطة اكتشاف التصادم قبل أن تنتهي من إرسال آخر بت فتتوقف عندئذٍ عن الإرسال، وإذا نجحت أي محطة من إرسال آخر بت من دون أن تتحسس حدوث أي تصادم: فإنها تَعُدُّ الإرسال ناجحاً، فتحذف الإطار من الذاكرة وتنتقل إلى الإطار التالي.

مصاغة الإطار  frame format

 يبّين الشكل(2) مصاغة إطار إثرنت.

 

الشكل (2) مصاغة إطار الإثرنت بحسب المعيار 802.3

 

لا يوفر المعيار إثرنت أي آلية لإقرار تَسَلُّم الأطر، وهذا ما يجعل الشبكة غير موثوقة، لكن يمكن الاعتماد على الطبقات العليا لتحقيق الموثوقية المطلوبة.

-المقدمة   : preamble هي سبعة بايتات  (bytes) مؤلفة من واحدات وأصفار متعاقبة تُستخدم لتهيئة المحطة لاستقبال الإطار القادم وتمكنها من مزامنة مؤقتها الزمني مع مؤقت المحطة المرسلة.

-محرف تحديد بداية الإطار r : start frame delimiter(SFD)وهو بايت واحد (10101011) يدل على بداية الإطار. عندما لا يكون المستقبل متزامناً مع المرسل؛ فمن الممكن أن يضيع بعض البتات فتصبح الطريقة الوحيدة لاكتشاف بداية الإطار هي اكتشاف واحدين متعاقبين.

-عنوان الوجهة destination address (DA)s   : وهو 6 بايتات، ويحوي العنوان الفيزيائي للمحطة الوجهة أو المحطات الموجه إليها الإطار.

-عنوان المصدر  s :  source address (SA)وهو 6 بايتات، ويحوي العنوان الفيزيائي للمرسل.

-الطول أو النوع type or lengthء: استخدمت شبكة إثرنت الأصلية هذا الحقل للدلالة على نوع بروتوكول الطبقة العليا الذي يستخدم الإطار. أما المعايير IEEE فتستخدم هذا الحقل للدلالة على الطول أو عدد البايتات في حقل المعطيات.

-المعطيات dataء: يحوي هذا الحقل المعطيات المغلّفة من بروتوكول الطبقة العليا. يجب أن يقع حجم المعطيات ضمن المجال (46 بايتاً و 1500بايت).

-تدقيق الفائض الدوّار CRCء: معلومات خاصة بترميز اكتشاف الأخطاء Cyclic Redundancy Check حيث تُستخدم الخوارزمية CRC-32.

طول الإطار

يعود سبب تحديد الطول الأصغري لإطار الإثرنت إلى حاجة البروتوكول CSMA/CD إلى إطار طوله 64 بايتاً مع الترويسة واللاحقة. ولما كانت

 الترويسة واللاحقة - من دون حقلي المقدمة ومحدد بداية الإطار - تشغلان 18 بايتاً؛ فإن الطول الأصغري للمعطيات يصبح 46 بايتاً. فإذا كانت

المعطيات القادمة من الطبقة الأعلى أقل من 46 بايتاً، وجبت إضافة حشوة  padding لملء الفراغ.

ومن ناحية أخرى تحدد المعايير الطول الأعظمي للإطار - من دون حقلي المقدمة ومحدد بداية الإطار - بـ1518 بايتاً، فإذا حُذف منها 18 بايتاً،

بقي 1500 بايت التي تكوِّن الطول الأعظمي للمعطيات القادمة من الطبقة العليا.

العنونة   addressing

تحوي كل محطة مربوطة إلى شبكة الإثرنت بطاقة واجهة الشبكة (NIC) network inter card. تمتلك كل بطاقة شبكة عنواناً فيزيائياً مكوَّناً من 6 بايتات. تُكتب كالمثال التالي:

06:  01:  02:  01:  2C:  4B

يمثل كل جزء من العنوان السابق بايتاً واحداً مكتوباً بالترميز الست عشري.

التغيرات التي طرأت على معايير الإثرنت

تبديل الإثرنت

الشكل (3) الإثرنت المبتذلة

المرحلة الأولى من تحسين أداء شبكة الإثرنت كان باستخدام المبدِّلات  switches. يقوم المبدِّل بتقسيم شبكة الإثرنت إلى مجالات تصادم مختلفة عن طريق ربط كل شبكة ببوابة مزوَّدة بصوان (عازل)  buffer حيث يمكن وصل مجموعة من بوابات الدخل بمجموعة أخرى من بوابات الخرج بالوقت نفسه. تُعرف هذه التقنية

بالإثرنت المبتدَلة  switched Ethernet.

شبكة الإثرنت المثنوية الكاملة full-duplex Ethernet

لعل أحد مساوئ شبكة الإثرنت القياسية يكمن في أنها نصف مثنوية؛ أي يمكن لمحطة ما أن ترسل أو تستقبل في لحظة ما ولكن ليس في الوقت ذاته، لذلك سعى التطور الأول إلى جعل الإثرنت مثنوية كاملة بغية رفع استطاعة كل مجال تصادم إلى 20 Mbps بدلاً من 10 Mbps. يجري تحقيق ذلك باستخدام وصلتين بين المحطة والمبدل: الأولى للإرسال والثانية للاستقبال.

وتنتفي الحاجة عند استخدام الإثرنت المثنوية الكاملة إلى استخدام البروتوكول   CSMA/CD، وذلك لعدم إمكان حدوث أي تصادم، فكل وصلة بين المبدل والمحطة هي مجال تصادم قائم بذاته وثنائي الاتجاه.

معيار الإثرنت السريعة

يوصِّف المعيار IEEE 802.3u خصائص شبكة الإثرنت السريعة. تتميز شبكة الإثرنت السريعة  بتوافقها وشبكة إثرنت القياسية، ولكن بمعدل نقل معطيات أكبر بعشر مرات. يمكن تلخيص أهداف شبكة الإثرنت السريعة على النحو التالي:

-زيادة معدل نقل المعطيات إلى .100 Mbps

-جعلها متوافقة ومعيار إثرنت القياسية.

-المحافظة على العناوين الفيزيائية نفسها المكوَّنة من 48 bits.

-المحافظة على صيغة الإطار نفسها.

-المحافظة على الأطوال الصغرى والعظمى نفسها للإطار.

الطبقة MAC الفرعية

جرى في أثناء تصميم هذه الطبقة لشبكة الإثرنت السريعة استبعاد البنى المسروية والاحتفاظ بالتوصيل النجمي فقط. وهنا يتوفر خياران: نصف المثنوي والمثنوي الكامل. يجري في الحل النصف المثنوي وصل المحطات إلى مجمِّع مركزي( قب hub) أما في الحل المثنوي الكامل فيجري وصل المحطات إلى مبدل مزود

بصوان buffer عند كل بوابة.

يبقى بروتوكول التحكم في النفاذ CSMA/CD نفسه في الحل النصف المثنوي في حين يمكن توقيفه في الحل المثنوي الكامل.

التفاوض الذاتي

يسمح التفاوض الذاتي auto-negotiation لجهازين بالتفاوض على نمط نقل المعطيات أو معدله. وقد جرى تصميمه لتحقيق ما يلي:

-السماح بوصل أجهزة غير متوافقة بعضها مع بعض؛ أي يمكن وصل جهاز يعمل بسرعة 10 Mbps بجهاز آخر يعمل بسرعة 100 Mbps (عن طريق تخفيض سرعته 10Mbps    )

-السماح لجهاز واحد بامتلاك معدلات نقل معطيات مختلفة.

-السماح لمحطة ما باختبار إمكانات المجمّع.

الطبقة الفيزيائية

طريقة التوصيل

يمكن استخدام شبكة إثرنت السريعة لربط محطتين أو أكثر، ويجري ربط محطتين فقط عن طريق كبل مباشر ومعكوس بين المحطتين. وفي حال ربط أكثر من محطتين ينبغي استخدام مجمّع أو مبدل لتحقيق الربط النجمي.

التحقيق

يمكن تحقيق شبكة إثرنت السريعة على المستوى الفيزيائي باستخدام سلكين أو أربعة أسلاك. يجري استخدام السلكين مع الأزواج المجدولة غير المحجَّبة من الصنف الخامس 5 unshielded twisted pairs category (UTP)y    المستخدمة في  100 base-TX أو الكبال الضوئية (100Base-FX. ) في حين يجري استخدام أربعة أسلاك مع كبال من الصنف الثالث  UTP category 3 فقط    (100BaseT4)

معيار الإثرنت ذو الغيغابت   Gigabit Ethernet

تعمل هذه الشبكة - التي عُرفت باسم IEEE 802.3z - بمعدل نقل معطيات يصل إلى 1 Gbps. جرى الحفاظ على جميع الأهداف التصميمية المذكورة في معيار إثرنت السريعة مع إضافة شرط التوافق مع ذلك المعيار ودعم التفاوض الذاتي.

الطبقة  MAC الفرعية

تدعم هذه الشبكة نمطَي الإرسال النصف المثنوي والمثنوي الكامل.

نمط الإرسال المثنوي

يُستخدم في هذا النمط مبدل إثرنت مربوط إلى جميع المحطات أو بقية المبدلات. يمتلك كل مبدل صواناً لكل بوابة دخل تُخزن فيها الأطر إلى حين إرسالها. لا تحدث تصادمات ضمن هذا النوع من الإرسال ولا يُستخدم البروتوكول CSMA/CD. أما ما يتعلق بالقيمة العظمى لطول الكبل فيحدده مقدار تخامد الإشارة على الكبل؛ وليس بروتوكول التحكم في النفاذ.

نمط الإرسال النصف المثنوي

يجري هنا استخدام مجمّع مركزي حيث يمكن حدوث التصادمات، وينبغي إذاً استخدام البروتوكول CSMA/CD. يتعلق الطول الأعظمي للشبكة في هذه الحالة بالطول الأصغري للإطار، لذلك فقد جرى تعريف ثلاثة أنماط عمل: تقليدي، وتوسيع الحامل، ورشق الأطر.

نمط العمل التقليدي: يُحافظ في هذا النمط على طول الإطار الأصغري كما هو عليه الحال في شبكة إثرنت القياسية (أي 512 bits) ولكن في هذا النمط يصبح قطر الشبكة مساوياً لـ 25 متراً، بسبب الإرسال بسرعة أعلى بمئة مرة من معيار إثرنت القياسية، فعدد البتات الموجود على الشبكة يصبح أكبر بمئة مرة، ولذا ينبغي تخفيض قطر الشبكة مئة مرة (من 2500 متر حتى 25 متراً). يمكن قبول هذا النمط إذا وُضعت جميع التجهيزات ضمن غرفة واحدة، لكنه يبقى غير مناسب للحالة العامة.

نمط توسيع الحامل carrier extension: تجري هنا زيادة طول الإطار الأصغري ليصبح 512  بايتاً بدلاً من 64 بايتاً. أي يجري رفع القيمة ثماني مرات. يجبِر هذا النمط كل محطة على إضافة حشوة padding إلى أي إطار أصغر من 512 بايتاً. وبهذه الطريقة يمكن مضاعفة الطول الأصغري للشبكة ثماني مرات ليصبح200  متر مع الاحتفاظ بمسافة 100 متر بين المجمِّع والمحطة.

رشق الأطر frame bursting: جرى طرح هذا النمط لمعالجة مشكلات النمط السابق وخاصةً في حالة الأطر الصغيرة، فبدلاً من توسيع الطول الأصغري للإطار؛ يمكن إرسال عدة أطر معاً (أي ضمن إطار واحد) بعد إضافة حشوات بين الأطر حتى لا تصبح القناة خاملة. وبكلمات أخرى تُخدع المحطات الأخرى بجعلها تعتقد أنها ترسل إطاراً كبيراً وليس عدة أطر.

تبقى طريقة التوصيل الفيزيائية كما كانت عليه في شبكة الإثرنت السريعة. أما ما يتعلق بتحقيق المعيار ذي الغيغابت؛ فيمكن تصنيفه بحسب عدد الأسلاك المستخدمة( سلكين أو أربعة أسلاك)

ومن التقانات التي تستخدم سلكين فقط:

-1000Base-SX (short-wave) fiber-optic cable

-1000Base-LX (long-wave) fiber-optic cable

-1000Base-CX (shielded twisted pair)  STP cable

أما التقانات التي تستخدم أربعة أسلاك فهي تقانة الأزواج المجدولة غير المحجَّبة Cat. 5e UTP أو أعلى(1000Base-T)

معيار إثرنت ذو عشرة غيغابت Ten-Gigabit Ethernet

تُعرف هذه الشبكة باسم IEEE 802.3ae، وقد جرى تصميمها لتحقيق ما يلي:

-رفع معدل نقل المعطيات إلى 10 Gbps.

-جعلها متوافقة وشبكة إثرنت القياسية والسريعة والغيغابت.

-الحفاظ على طول العناوين الفيزيائية نفسها، وهي 48 بتاً.

-الحفاظ على صيغة الإطار نفسها.

-الحفاظ على القيمة الدنيا والعليا لأطوال الإطارات.

-السماح بتحقيق ترابط الشبكات المحلية الموجودة باستخدام شبكة مدينية MAN أو واسعة WAN.

-جعل الإثرنت متوافقة وتقانات أخرى مثل شبكات ترحيل الأطر frame relay والشبكات ذات نمط النقل غير المتزامن (ATM) asynchronous transfer mode.

تعمل هذه الشبكة بنمط النقل المثنوي فقط مع استبعاد البروتوكول CSMA/CD.

معيار إثرنت ذو المئة غيغا 100 GE

يدعم المعياران 40 GbE و 100 GbE إرسال إطارات إثرنت بسرعة 40 و100 غيغا بت بالثانية.

ومن أهم معايير الطبقات الفيزيائية:

-المعيار 40GBASE-SR4/100 GNASE-SR10 الذي يستخدم الألياف البصرية المتعددة الأنماط من النوع  OM3   لمسافة تصل إلى 100 متر على الأقل،

 ومن النوع OM4 لمسافة تصل إلى 125 متراً على الأقل.

-المعيار 40 GBASE-LR4/100 GBASE-LR10 الذي يستخدم الألياف البصرية الوحيدة النمط لمسافة تصل إلى 10 كم.

-المعيار 100 GBASE-ER4 الذي يستخدم الألياف البصرية الوحيدة النمط لمسافة تصل إلى 40 كم.

-يحافظ الجيل الجديد من شبكة الإثرنت على جميع مواصفات إثرنت القياسية مثل طول الإطار ومصاغته.

 

غسان سابا

 

 

مراجع للاستزادة:

- “IEEE P802.3ap Backplane Ethernet Task Force”, http://grouper.ieee.org/groups/802/3/ap/index.html

- E. Charles Spurgeo, Ethernet: The Definitive Guide, O’Reilly, 2000.

- Rich Seifert, Gigabit Ethernet: Technology and Applications for High-Speed LANs, Addison-Wesley, 1998.

- Urs von Burg, The Triumph of Ethernet: technological communities and the battle for the LAN standard, Stanford University Press, 2001.

 




التصنيف : الهندسة المعلوماتية
النوع : الهندسة المعلوماتية
المجلد: المجلد الأول
رقم الصفحة ضمن المجلد : 253
مستقل

البحوث الأكثر قراءة

للحصول على اخبار الموسوعة

عدد الزوار حاليا : 28
الكل : 2801433
اليوم : 1997

الإسمنت

 الإسمنت الإسمنت تصنيع الإسمنت مكوّنات الكلنكر الخواص الرئيسة للإسمنت أنواع الإسمنت استعمالات الإسمنت ترجع كلمة إسمنت cement إلى أصل روماني قديم؛ إذ صنع الرومان خرسانة إنشائية، مشكّلة من حجر مكسّر وكلس محروق استُعمِل رابطاً، أطلقوا عليها opus caementicium. واستُعمِلَ لاحقاً مصطلح cementum للإشارة إلى الإضافات، التي أعطت الكلس إمكانيّة التجمّد والتصلّب في الهوا و الما على حدٍّ سوا . يُطلَق اسم الإسمنت - عموماً - على أيّ مادة عضوية أو لا عضوية، يمكنها ربط قطع بعضها ببعض؛ للحصول على وحدة متكاملة. ينضوي تحت هذا المصطلح طيفٌ واسع من المواد الرابطة. أما في قطاع التشييد؛...

المزيد »

المجلدات الصادرة عن موسوعة التقانة :