سیسکو چه تعریفی برای شبکه‌های اترنت و گیگابیت ارائه می‌کند؟

در شبکه‌سازی اترنت از دسترسی چندگانه با قابلیت شنود سیگنال حامل به همراه پروتکل پیشگیری از تصادم (CSMA/CD) استفاده می‌شود. پروتکلی که به دستگاه‌ها کمک می‌کند بدون اینکه دو دستگاه اطلاعات را همزمان در واسط شبکه منتقل کنند پهنای باند را به‌اشتراک بگذارند. CSMA/CD با هدف غلبه بر مشکلات تصادم‌ داده‌ها در زمان انتقال همزمان بسته‌ها از گره‌های مختلف ابداع شد. مدیریت تصادم ضروری است، به دلیل این‌که هر زمان یک گره داده‌ها را در یک شبکه CSMA/CD منتقل می‌کند، سایر گره‌های موجود در شبکه این انتقال را دریافت و آزمايش می‌کنند. تنها پل‌ها (bridge) و مسیریاب‌ها (router) می‌توانند به طور موثر از پخش یک نقل و انتقال در سرتاسر شبکه جلوگیری کنند. 

پروتکل CSMA/CD چگونه کار می‌کند؟ 

اجازه دهید کار را با نگاهی به شکل 1 آغاز کنیم.

وقتی یک میزبان می‌خواهد اطلاعات را از طریق شبکه منتقل کند، ابتدا وجود سیگنال دیجیتال در سیم را بررسی می‌کند، اگر سیگنالی وجود نداشت (میزبان دیگری مشغول انتقال نبود)، اقدام به انتقال داده‌های خود می‌کند و وضعیت سیم را دائما تحت نظر می‌گیرد تا اطمینان حاصل کند میزبان‌های دیگری شروع به نقل و انتقال نکنند. اگر این میزبان سیگنال دیگری روی سیم شناسایی کند، یک سیگنال هشدار (اشغال بودن خط) ارسال می‌کند تا تمام گره‌های موجود در این بخش از ارسال داده‌ها خودداری کنند. این گره‌ها با منتظر ماندن کمی‌ قبل از اقدام مجدد به انتقال، به این سیگنال هشدار پاسخ می‌دهند، برای این منظور گره‌ها از الگوريتم‌های کنار کشیدن (Back off) استفاده می‌کنند. الگوریتم‌های فوق مشخص می‌کنند چه زمانی ایستگاه‌های برخورد می‌توانند مجددا فرآیند نقل و انتقال را آغاز کنند. اگر این برخوردها بعد از 15 مرتبه ادامه پیدا کند، تلاش گره‌ها برای انتقال خاتمه پیدا می‌کند. در مجموع، وقتی تصادمی روی یک شبکه محلی اترنت به وجود می‌آید، اتفاقات زیر رخ می‌دهد:

•  یک سیگنال هشدار به تمام دستگاه‌ها اطلاع می‌دهد که یک برخورد رخ داده است.
•  این تصادم یک الگوريتم کنار کشیدن را درخواست می‌کند.
•  تمام دستگاه‌های موجود در این بخش اترنت برای مدت کوتاهی نقل و انتقال را متوقف می‌کنند تا این که زمان باقی مانده به انتها برسد.
•  بعد از این‌که زمان باقی مانده به انتها رسید تمام میزبان‌ها اولویت یکسانی برای انتقال مجدد داده به دست می‌آورند. 

فناوری Half duplex و Full-Duplex

فناوری Half duplex در اترنت 802.3 تعریف شد. سیسکو می‌گوید: «این نوع اترنت تنها از یک زوج سیم با یک سیگنال دیجیتال که در هر دو سمت این سیم اجرا می‌شود استفاده می‌کند.» مشخصه‌های IEEE فرآیند کار Half duplex را به شیوه متفاوتی عنوان می‌کند، اما چیزی که سیسکو در مورد آن صحبت می‌کند یک تعریف کلی از اتفاقات رخ داده در اترنت است. در شبکه اترنت برای کمک به جلوگیری از تصادم و مجوز انتقال مجدد داده‌ها در صورت وقوع تصادم از پروتکل CSMA/CD استفاده می‌شود. اگر یک هاب به یک سویچ متصل باشد باید در حالت Half duplex عمل کند، زیرا ایستگاه‌های پایانی باید بتوانند برخوردها را شناسایی کنند. طبق اعلام سیسکو اترنت Half duplex تنها راندمانی در حدود 30 تا 40 درصدی دارد، زیرا یک شبکه بزرگ 10BaseT حداکثر سرعت 3 تا 4 مگابيت در ثانیه را ارائه می‌کند. اترنت Full-Duplex از دو زوج سیم و یک اتصال نقطه به نقطه بین دستگاه فرستنده گیرنده استفاده می‌کند. به این معنا که در انتقال داده‌ها Full-Duplex سرعت انتقال سریع‌تری به دست می‌آید و از آن‌جایی که کار ارسال و دریافت داده‌ها از طریق دو جفت سیم مجزا انجام می‌شود، تصادمی‌ هم رخ نخواهد داد. اترنت Full duplex این ظرفیت را دارد تا بازدهی 100 درصد در هر دو جهت ارائه کند. به‌طور مثال، می‌توانید با یک اترنت 10 مگابيت در ثانیه که Full duplex اجرا می‌شود به سرعت 20 مگابيت در ثانیه یا 200 مگابيت در ثانیه برای اترنت سریع (Fast Ethernet) دست پيدا كنيد، اما این مقادیر کلی هستند به این معنا که می‌گویند «قرار است» به بازده 100 درصد دست پيدا كنيد، اما ضمانتی وجود ندارد. اترنت Full duplex را می‌توان به سه روش زیر استفاده کرد:

•  با اتصال از یک سوئیچ به یک میزبان 
•  با اتصال از یک سوئیچ به سوئیچ دیگر 
•  با اتصال از یک میزبان به میزبان دیگر با استفاده از یک کابل crossoverاکنون اجازه دهید نگاهی به نحوه کارکرد اترنت در لایه پیوند داده‌ها داشته باشیم. 

اترنت در لایه پیوند داده‌ها

اترنت در پیوند داده‌ها مسئول آدرس‌دهی اترنت است که عموما تحت عنوان آدرس‌دهی سخت‌افزاری یا مک‌آدرس شناخته می‌شود. اترنت همچنین مسئولیت مدیریت بسته‌های دریافت شده از لایه شبکه و آماده کردن آن‌ها برای انتقال روی شبکه محلی را برعهده دارد.

آدرس‌دهی اترنت 

اترنت برای آدرس‌دهی از مک‌آدرس کارت رابط شبکه (NIC) استفاده می‌کند. مک‌آدرس یک آدرس 48 بیتی (6 بایت) است که با فرمت هگزادسیمال نوشته می‌شود. شکل 2 آدرس‌های مک 48 بیت و نحوه تقسیم‌بندی این بیت‌ها را نشان می‌دهد.

برای آن‌که فرآیند آدرس‌دهی به شکل هرچه دقیق‌تر انجام شود مک‌آدرس‌ها یک شناسه منحصر به فرد سازمانی (OUI) دارند که توسط IEEE به یک سازمان اختصاص می‌یابد. این شناسه از 24 بیت یا سه بایت تشکیل شده، منحصر به فرد بوده و به هر آداپتوری که توسط یک تولیدکننده ساخته می‌شود اختصاص می‌یابد. 

فریم‌های اترنت 

لایه پیوند داده‌ها مسئول ترکیب بیت‌ها به بایت‌ها و بایت‌ها به فریم‌ها است. فریم‌ها در لایه پیوند داده‌ها برای دسته‌بندی بسته‌های منتقل شده از لایه شبکه استفاده می‌شود. وظیفه ایستگاه‌های اترنت انتقال فریم‌های داده بین یکدیگر با استفاده از یک گروه از بیت‌ها به نام فرمت فریم مک است. رویکرد فوق یک مزیت مهم دارد که اجازه می‌دهد شناسایی خطا از طریق فرآیند بررسی افزونگی دوره‌ای cyclic redundancy check (CRC) ساده‌تر شود، اما دقت کنید این فرآيند تنها قادر به شناسایی خطا‌ها است و قرار نیست خطاها را برطرف کند. شکل 3 فرمت کلی فریم‌های 802.3 و فریم‌های اترنت را نشان می‌دهد. 

فریم 802.3 و اترنت از چه فیلد‌هایی ساخته شده‌اند؟ 

همان‌گونه که در شکل 3 مشاهده می‌کنید، فریم 802.3 و اترنت از فیلد‌های عملیاتی مختلفی ساخته شده‌اند. توضیح هر یک از این فریم‌ها به شرح زیر است:

Preamble: یک الگوی جایگزین 0 و 1 یک کلاک 5 مگاهرتز در آغازهر بسته قرار می‌دهد تا به دستگاه‌های گیرنده اجازه دهد جریان بیت ورودی را مسدود کنند.

Start Frame Delimiter (SFD)/synch: فیلد preamble از هفت گروه هشت‌تایی از بیت‌ها (octet) تشکیل شده؛ در حالی که فیلد SFD شامل یک گروه هشت‌تایی است که شامل مقادیر 10101011 است، جایی که آخرین جفت از 1a به گیرنده اجازه می‌دهد به الگوی جایگزین 0 و 1 تبدیل شود تا بتواند فرآیند آغاز ارسال داده‌ها را شناسایی کند.

(Destination address (DA: این فیلد با استفاده از LSB یک مقدار 48 بیتی را انتقال می‌دهد. DA توسط ایستگاه‌های گیرنده استفاده می‌شود تا نشان دهد آیا یک بسته ورودی به یک گره مشخص آدرس‌دهی شده یا خیر. آدرس مقصد می‌تواند یک آدرس مستقل یا مک‌آدرس برودکست (broadcast) یا مولتی‌کست (multicast) باشد. 

Source Address (SA): SA یک مک‌آدرس 48 بیتی است که از آن برای شناسایی دستگاه انتقال داده استفاده می‌شود. 

Length یا type: 802.3 از یک فیلد length استفاده می‌کند، اما فریم اترنت از یک فیلد type استفاده می‌کند تا پروتکل لایه شبکه را شناسایی کند. 802.3 نمی‌تواند پروتکل لایه-بالایی را شناسایی کند و باید با یک LANIPX اختصاصی استفاده شود.

Data: فیلد داده یک بسته فرستاده شده به لایه پیوند داده از لایه شبکه است. اندازه داده‌ها می‌تواند از 64 تا 1500 بایت متغیر باشد.

Frame check sequence (FCS): FCS یک فیلد در انتهای فریم است که برای ذخیره CRC استفاده می‌شود.
اجازه دهید برخی از فریم‌های موجود در شبکه را با ذکر مثالی نشان دهیم. در فریم زیر مشاهده می‌کنید که تنها از سه فیلد Source، Destination و Type استفاده شده است. 

Destination: 00:60:f5:00:1f:27
Source: 00:60:f5:00:1f:2c
Protocol Type:        08-00 IP

مثال بالا به یک فریم Ethernet_II اشاره دارد. همان‌گونه که مشاهده می‌کنید فیلد type برابر با IP یا 08-00  است که بیشتر مواقع تنها به صورت 0x800 در فرمت هگزادسیمال نشان داده می‌شود. 
فریم بعدی متشکل از همان فیلدهای قبلی است، بنابراین بازهم یک فریم Ethernet_II در اختیار داریم. 

Destination:     ff:ff:ff:ff:ff:ff Ethernet broadcast
Source:          02:07:01:22:de:a4
Protocol Type:   08-00 IP

اجازه دهید نگاهی به یک فریم Ethernet_II دیگر داشته باشیم. مشاهده می‌کنید که فریم اترنت IPv6  همان فریم اترنتی است که ما با پروتکل مسیریابی IPv4 استفاده می‌کنیم، اما فیلد type زمانی که داده‌ها را با IPv6 انتقال می‌دهیم 0x86dd است و وقتی پروتکل IPv4 در اختیار داریم از 0x800 در فیلد پروتکل استفاده می‌کنیم.

Destination:  IPv6-Neighbor-Discovery_00:01:00:03   (33:33:00:01:00:03)
Source:       Aopen_3e:7f:dd                        (00:01:80:3e:7f:dd)
Type:         IPv6                                  (0x86dd)

رویکرد فوق یکی از مزیت‌های بالقوه فریم Ethernet_II است. به خاطر این فیلد پروتکل، می‌توانیم هر پروتکل مسیریابی لایه شبکه‌ای را اجرا کنیم و به دلیل توانایی تشخیص پروتکل لایه شبکه امکان انتقال داده‌ها نیز فراهم می‌شود.

اترنت در لایه فیزیکی 

اترنت در ابتدا توسط گروه کاری DIX سرنام (Digital, Intel, and Xerox) پیاده‌سازی شد. این گروه اولین مشخصه Ethernet LAN را ایجاد و پیاده‌سازی کردند که IEEE از آن برای تشکیل کمیته IEEE 802.3 استفاده کرد. اترنت فوق یک شبکه 10 مگابيت در ثانیه بود که روی کابل هم محور اجرا می‌شد که بعدا به کابل زوج به هم تابیده و فیبر نوری تبدیل شد. IEEE کمیته 802.3 را به دو کمیته 802.3u (اولین اترنت) و 802.3ab (اترنت گیگابیت در طبقه‌بندی 5) و سرانجام 802.3ae (10 گیگابیت در ثانیه روی فیبر و کواکسیال) گسترش داد. در شکل 4 مشخصه‌های لایه فیزیکی اترنت و IEEE 802.3 را مشاهده می‌کنید.

وقتی در حال طراحی شبکه محلی خود هستید مهم است که تفاوت انواع مختلف اترنت موجود را درک کرده باشید. مطمئنا عالی خواهد بود اگر روی هر کامپیوتر دسکتاپ اترنت گیگابیتی نصب کنید و بین سوئیچ‌ها ارتباط 10 گیگابیت در ثانیه برقرار کنید، اما اگر انواع مختلف اترنت را با هم ترکیب و سازگار کنید این قابلیت را به دست می‌آورید که یک راهکار شبکه مقرون به صرفه که به خوبی کار خود را انجام می‌دهد پیاده‌سازی کنید. انجمن صنایع الکترونیک و اتحادیه صنعت مخابرات (EIA/TIA) بدنه استانداردهایی را تشکیل می‌دهند که مشخصه‌های لایه فیزیکی برای اترنت را ایجاد می‌کنند. مشخصه‌های کابل و کانکتورهای مورد نیاز برای پیاده‌سازی هر یک از نمونه‌های اترنت، متاثر از استانداردهای ارائه شده توسط انجمن های صنایع الکترونیک و مخابرات (EIA/TIA) است. با توجه به لایه فیزیکی مربوطه از اتصالات متفاوتی در شبکه‌های اترنت استفاده می‌شود که کانکتور RJ-45  از شناخته‌شده‌ترین اتصالات دنیای شبکه است. از مهم‌ترین استانداردهای IEEE 802.3 به موارد زیر می‌توان اشاره کرد:

•  10Base2: ده مگابيت در ثانیه، با فناوری Baseband به طول حداکثر 185 متر که تحت عنوان thin net شناخته می‌شوند و می‌تواند در هر بخش تا 30 ایستگاه کاری را پشتیبانی کند. 10 به معنای 10 مگابيت در ثانیه و Base به معنای فناوری Baseband (یک روش تامین سیگنال برای برقراری ارتباط در یک شبکه) است.2  نیز به معنای تقريبا 200 متر است.
•  10Base5:  ده مگابيت در ثانیه، با فناوری Baseband به طول حداکثر 500 متر که تحت عنوان Thick Net شناخته می‌شود. این استاندارد از گذرگاه فیزیکی و منطقی با کانکتورهای AUI استفاده می‌کند. همچنین با استفاده از تکرارکننده‌ها می‌توان آن‌را تا 2500 متر گسترش داد.
•  10BaseT: ده مگابيت در ثانیه با استفاده از سیم‌کشی Cat3 UTP را ارائه می‌کند. برخلاف دو استاندارد قبلی، هر دستگاه باید به یک هاب یا سویچ متصل شود و روی هر سیم یا بخش تنها می‌توانید یک میزبان داشته باشید. همچنین در این استاندارد از کانکتور RJ45 با توپولوژی ستاره‌ای استفاده می‌شود.

هر کدام از استانداردهای 802.3 یک رابط واحد پیوست (AUI) مشخص می‌کنند که امکان انتقال یک بیت در هر زمان را از لایه پیوند داده‌ها به لایه فیزیکی فراهم می‌کنند. چنین امکانی اجازه می‌دهد تا مک ثابت باقی بماند و لایه فیزیکی بتواند از فناوری‌های موجود و جدید پشتیبانی کند. رابط AUI اصلی که در یک شبکه استفاده می‌شود یک کانکتور 15 پینی است که به فرستنده گیرنده اجازه می‌دهد تا تبدیل 15-پین زوج به هم تابیده را انجام دهد. 802.3u  (اترنت سریع) با اترنت 802.3 سازگار است، زیرا هر دو مشخصه‌های فیزیکی یکسانی دارند. Fast Ethernet و Ethernet از واحد انتقال حداکثری (MTU) سرنام Maximum Transmission Unit و مکانیزم‌های مک یکسانی استفاده می‌کنند و همان فرمت فریمی‌ که توسط اترنت 10BaseT استفاده می‌شود را به کار می‌گیرند.