شبکه‌های منطقه محلی از چه مولفه‌های زیربنایی تشکیل شده‌اند؟

شبکه محلی کابلی (Ethernet)

شبکه محلی، یک شبکه کامپیوتری است که برای یک منطقه جغرافیایی محدود مانند یک ساختمان یا محوطه دانشگاه طراحی شده است. اگرچه یک LAN می‌تواند به‌عنوان یک شبکه ایزوله برای اتصال کامپیوترهای یک سازمان و دسترسی به منابع اشتراکی پیاده‌سازی شود، اما در مقیاس کلان، امروزه اکثر شبکه‌های محلی به یک شبکه گسترده (WAN) یا اینترنت متصل می‌شوند. 

در دهه‌های 1980 و 1990 میلادی، انواع مختلفی از استانداردها و پروتکل‌های ارتباطی در ارتباط با شبکه‌های محلی سیمی پدید آمدند که هر یک مزایا و معایب خاص خود را داشتند. در همان زمان، موسسه IEEE، پیشنهاد داد که لایه پیوند داده به دو زیرلایه کنترل پیوند منطقی (LLC) سرنام Logical link control و کنترل دسترسی رسانه (MAC) سرنام Medium Access Control تقسیم شود، البته، زیرلایه کنترل پیوند منطقی عملکردی مشابه کنترل پیوند داده (DLC) سرنام Data-Link Layer دارد. موسسه مذکور، چند استاندارد لایه فیزیکی برای پروتکل‌های مختلف LAN ایجاد کرد تا مدیریت شبکه‌های محلی ساده‌تر شده و عملکرد آن‌ها بهبود یابد. در حالت کلی، تمامی شبکه‌های محلی سیمی از مکانیزم کنترل دسترسی رسانه (MAC) استفاده می‌کنند که راهکاری مطمئن برای تعامل گره‌های یک شبکه با یک‌دیگر ارائه می‌کند. در شکل ۱، نحوه تعامل استاندارد IEEE 802 با مجموعه پروتکل‌های TCP/IP را مشاهده می‌کنید. تقریبا، تمامی فناوری‌های ابداعی برای شبکه‌های سیمی به‌غیر از اترنت از بازار ناپدید شده‌اند، زیرا اترنت توانست همگام با تغییرات دنیای فناوری خود را به‌روز کند. شبکه اترنت در دهه 1970 توسط رابرت متکالف و دیوید بوگز توسعه یافت. از آن زمان تاکنون، چهار نسل از این استاندارد توسعه یافته است که اترنت استاندارد (10 مگابیت در ثانیه)، اترنت سریع (100 مگابیت در ثانیه)، اترنت گیگابیت (1 گیگابیت در ثانیه)، و اترنت 10 گیگابیت (10 گیگابیت در ثانیه) هستند. شکل ۲،  روند انتشار نسل‌های مختلف را نشان می‌دهد. 

شکل 1

شکل 2

اترنت استاندارد (10 مگابیت در ثانیه)

ما به فناوری اصلی اترنت با سرعت داده 10 مگابیت بر ثانیه اترنت استاندارد می‌گوییم. اترنت استاندارد، مادر تمامی استانداردهای امروزی است. برخی از قابلیت‌های این استاندارد در گذر زمان تغییر پیدا کرده یا منسوخ شدند، اما برخی ویژگی‌های اترنت استاندارد در طول سال‌ها تغییر نکردند و به استانداردهای دیگر وارد شدند. ویژگی‌های تغییر نکرده به‌شرح زیر هستند: 

سرویس بدون اتصال و غیرقابل‌اعتماد

(Connectionless and Unreliable Service)

اترنت یک سرویس بدون اتصال ارائه می‌دهد، به این معنا که هر فریم ارسالی مستقل از فریم قبلی یا بعدی است. اترنت هیچ مکانیزمی برای شروع یا خاتمه اتصال تعریف نمی‌کند. فرستنده هر زمان که فریمی داشته باشد ارسال می‌کند، در این حالت گیرنده ممکن است آمادگی دریافت را داشته باشد یا برای این‌کار آماده نباشد. این رویکرد عیب بزرگی دارد، زیرا فرستنده ممکن است به‌طور متوالی برای گیرنده فریم‌ها را ارسال کند که باعث افت عملکرد شبکه می‌شود. در این‌جا، اگر فریمی از دست برود، لایه پیوند داده فرستنده از آن مطلع نمی‌شود، مگر این‌که یک پروتکل بالادستی (لایه بالایی) بر روند ارسال نظارت کند. بنابراین باید بگوییم که اترنت به‌خودی‌خود قابل‌اعتماد نیست. اگر فریمی در حین انتقال خراب شود و گیرنده متوجه خرابی آن شود، کاری انجام نمی‌دهد، زیرا این وظیفه پروتکل‌های بالادستی است که مسئله را بررسی و به آن رسیدگی کنند. 

قالب فریم (Frame Format)

فریم اترنت از هفت فیلد تشکیل شده که هر یک برای انجام کار خاصی در نظر گرفته شده‌اند (شکل 3). توضیح هر یک از این فیلدها به‌شرح زیر است:

• Preamble: این فیلد 7 بایت معادل 56 بیت 0 و 1 متناوب است که سیستم دریافت‌کننده را از فریم بعدی که قرار است دریافت کند آگاه می‌کند تا زمان خود را با ارسال‌کننده همگام‌سازی کند. این الگو فقط یک هشدار و یک پالس زمانی ارسال می‌کند. الگوی 56 بیتی به ایستگاه‌ها اجازه می‌دهد برخی بیت‌های ابتدایی فریم‌ها را نادیده بگیرند. دقت کنید که فیلد Preamble در لایه فیزیکی اضافه می‌شود و به‌طور رسمی  بخشی از فریم نیست.
• Start Frame Delimiter: این فیلد یک بایتی (10101011) شروع فریم را نشان می‌دهد. SFD به ایستگاه یا ایستگاه‌ها آخرین زمان همگام‌سازی را اعلام می‌کند. 2 بیت آخر (11) هستند و به گیرنده اعلام می‌کند که فیلد بعدی آدرس مقصد است. این فیلد در واقع پرچمی است که ابتدای فریم را مشخص می‌کند و طول متغیر دارد. فیلد SFD، در لایه فیزیکی به بسته‌های اطلاعاتی اضافه می‌شود. 
• Destination Address: این فیلد 6 بایتی (48 بیت)، آدرس لایه پیوند ایستگاه یا ایستگاه‌های مقصد را نگه‌داری می‌کند. گیرنده، فرآیند از کپسوله‌ خارج کردن داده‌ها از فریم و انتقال داده‌ها به پروتکل لایه‌ بالاتر که توسط این فیلد تعیین شده را انجام می‌دهد. 
• Source Address: این فیلد 6 بایتی آدرس لایه پیوند فرستنده بسته را نشان می‌دهد. 
• Type: فیلد مذکور، پروتکل لایه بالایی را مشخص می‌کند که مسئول کپسوله کردن بسته در فریم است. این پروتکل می‌تواند IP، ARP، OSPF سرنام Open Shortest Path First  و غیره باشد.
• Data: این فیلد داده‌هایی که توسط پروتکل‌های لایه بالادستی کپسوله شده و باید انتقال داده شوند را نگه‌داری می‌کند. اندازه این فیلد حداقل 46 و حداکثر 1500 بایت است. اگر داده‌های دریافتی از لایه بالادستی بیش از 1500 بایت باشند، باید فرآیند شکستن انجام شود تا امکان قرار دادن داده‌ها در یک فریم وجود داشته باشد. اگر کمتر از 46 بایت باشد، باید با صفرهای اضافی پر شود. این تکنیک در اصطلاح Padding گفته می‌شود. در این‌جا، فریم داده‌ای پرشده با صفرهای اضافی به پروتکل لایه بالادستی تحویل داده می‌شود، به این معنا که لایه بالادستی باید فرآیند حذف یا اضافه کردن صفرهای اضافی (Padding) را انجام دهد. برای انجام این‌کار، پروتکل لایه بالادستی باید اطلاعات دقیقی در ارتباط با طول داده‌ها داشته باشد. 
• CRC: فیلد حاوی اطلاعات تشخیص خطا است که CRC-32 نام دارد. CRC فرآیند محاسبه آدرس‌ها، نوع‌ها و فیلد داده‌ای را برعهده دارد. اگر گیرنده مقدار CRC را محاسبه کند و متوجه شود که صفر نیست متوجه می‌شود که خرابی در انتقال به‌وجود آمده است و از دریافت فریم صرف‌نظر می‌کند.

شکل 3

اندازه فریم

اترنت محدودیت‌هایی را برای حداقل و حداکثر اندازه یک فریم مشخص می‌کند. به‌طور مثال، اگر در شبکه اترنت قرار باشد از روش دسترسی CSMA/CD برای ارسال بسته‌ها استفاده شود، باید حداقل محدودیت طول تعیین شود تا انتقال بسته‌ها بدون مشکل انجام شود. یک فریم اترنت باید حداقل 64 بایت داشته باشد. بخشی از این اندازه مربوط به سرآیند و دنباله است. اگر 18 بایت سرآیند و دنباله را بشماریم (6 بایت آدرس منبع، 6 بایت آدرس مقصد، 2 بایت طول یا نوع، و 4 بایت CRC) و مقدار فوق را از 64 کم کنیم به مقدار 46 می‌رسیم که حداقل طول داده لایه بالادستی است. اگر بسته لایه بالادستی کمتر از 46 بایت باشد، برای جبران تفاوت باید از تکنیک padding که اشاره شد استفاده کنیم. استاندارد اترنت، حداکثر طول یک فریم (بدون Preamble و فیلد SFD) را 1518 بایت تعریف می‌کند. اگر 18 بایت سرآیند و دنباله را کم کنیم، حداکثر طول بسته 1500 بایت است. 

آدرس‌دهی (Addressing)

هر ایستگاه در یک شبکه اترنت (مثل رایانه‌های شخصی، ایستگاه‌های کاری یا چاپگرها) کارت رابط شبکه (NIC) خود را دارد. کارت شبکه ایستگاه‌های کاری، آدرس لایه پیوند ایستگاه را مشخص می‌کند. این آدرس اترنت 6 بایتی است و در مبنای هگزادسیمال نوشته می‌شود و بایت‌های آن با دونقطه از یک‌دیگر جدا می‌شوند. به‌طور مثال، یک مک‌آدرس اترنت می‌تواند به‌شکل زیر نوشته شود:

47:20:1B:2E:08:EE

انتقال بیت‌های آدرس

نحوه ارسال آدرس‌ها در دنیای واقعی با نحوه نوشتن آن‌ها در قالب هگزادسیمال متفاوت است. در این‌جا، انتقال از چپ به راست و بایت به بایت انجام می‌شود. با این‌حال، برای هر بایت، بیت کم‌ارزش (سمت راست‌ترین بیت)، اول ارسال می‌شود و بیت پرارزش آخر ارسال می‌شود. به این معنا که بیتی که یک آدرس را به‌صورت unicast یا multicast تعریف می‌کند ابتدا به گیرنده تحویل داده می‌شود. رویکرد فوق به گیرنده کمک می‌کند تا تشخیص دهد در حال دریافت یک بسته تک‌پخشی است یا چندپخشی. برای روشن شدن بحث به مثال زیر دقت کنید. در شکل ۴، مشاهده می‌کنید که چگونه آدرس 47:20:1B:2E:08:EE ارسال می‌شود. 

شکل 4

آدرس‌های Unicast ،Multicast و Broadcast

آدرس منبع همیشه یک آدرس تک‌پخشی (unicast) است، به این معنا که فریم فقط از یک ایستگاه می‌آید. با این‌حال، آدرس مقصد، می‌تواند تک‌پخشی، چندپخشی (Multicast) یا همه‌پخش (Broadcast) باشد. اگر بیت کم‌ارزش بایت اول در آدرس مقصد 0 باشد، آدرس تک‌پخشی است. در غیر این صورت، چندپخشی است. آدرس همه‌پخشی نوع ویژه‌ای از آدرس چند‌پخشی است که نشان می‌دهد دریافت‌کنندگان بسته همه ایستگاه‌های شبکه LAN هستند. یک آدرس همه‌پخشی مقصد، شامل ۴۸ عدد 1 (معادل F در سیستم هگزادسیمال) است. برای آن‌که اطلاع دقیقی در ارتباط با این سه آدرس داشته باشید باید به یک مثال کاربردی اشاره کنیم. در مثال زیر قصد داریم، نوع آدرس‌های مقصد زیر را تشخیص دهیم:

4A:30:10:21:10:1A

47:20:1B:2E:08:EE

FF:FF:FF:FF:FF:FF

برای تشخیص ‌نوع آدرس، باید به دومین رقم هگزادسیمال از سمت چپ نگاه کنیم. اگر زوج باشد (کم‌ارزش‌ترین بیت ۰ باشد)، آدرس تک‌پخشی است. اگر فرد باشد (کم‌ارزش‌ترین بیت ۱ باشد)، آدرس چندپخشی است. اگر همه ارقام F باشند، آدرس همه‌پخشی است. بنابراین موارد زیر را داریم:

• مورد اول یک آدرس تک‌پخشی است، زیرا A در سیستم دودویی 1010 است (زوج).
• مورد دوم یک آدرس چندپخشی است، زیرا 7 در سیستم دودویی 0111 است (فرد).
• مورد سوم یک آدرس همه‌پخشی است، زیرا همه ارقام در مبنای هگزادسیمال F معادل یک هستند.

پیاده‌سازی

اترنت استاندارد را می‌توان به روش‌های مختلفی پیاده‌سازی کرد، اما تنها چهار مورد از آن‌ها محبوب هستند. در جدول زیر، خلاصه‌ای از پیاده‌سازی اترنت استاندارد را مشاهده می‌کنید. 

در سیستم نام‌گذاری 10BaseX، عددی که به‌جای X قرار می‌گیرد نرخ داده را تعیین می‌کند. واژه Base به معنای سیگنال باندپایه (دیجیتال) است و X تقریبا حداکثر اندازه کابل یا نوع کابل را تعیین می‌کند. اترنت استاندارد از سیگنال باندپایه استفاده می‌کند؛ به این معنا که بیت‌ها به سیگنال دیجیتال تبدیل شده و مستقیماً روی خط ارسال می‌شوند.

اترنت سریع (100 مگابیت بر ثانیه)

در دهه 1990، برخی از فناوری‌های LAN با نرخ انتقال بالاتر از 10 مگابیت در ثانیه مانند رابط داده توزیع‌شده فیبر (FDDI) و کانال فیبر پدید آمدند. اترنت با افزایش سرعت انتقال به 100 مگابیت در ثانیه جهشی بزرگ به‌وجود آورد، به‌طوری که از اصطلاح Fast Ethernet برای توصیف آن استفاده شد. البته طراحان اترنت سریع مجبور بودند فناوری جدید را با اترنت استاندارد سازگار کنند؛ از این‌رو زیرلایه مک بدون تغییر باقی ماند. به این معنا که قالب فریم، بیشینه و کمینه اندازه بدون تغییر ماند. با افزایش نرخ انتقال، ویژگی‌های اترنت استاندارد که به نرخ انتقال، روش دسترسی و پیاده‌سازی وابسته بودند، مورد بازنگری قرار گرفتند. اهداف اترنت سریع را می‌توان به‌صورت زیر خلاصه کرد:

•  ارتقاء سرعت انتقال داده‌ها به 100 مگابیت در ثانیه.
•  سازگاری با اترنت استاندارد.
•  حفظ همان آدرس‌های 48 بیتی.
•  حفظ همان فرمت فریم. 

روش دسترسی

همان‌گونه که اشاره شد، عملکرد مناسب CSMA/CD به نرخ انتقال، حداقل اندازه فریم و بیشینه طول شبکه بستگی دارد. اگر بخواهیم حداقل اندازه فریم را حفظ کنیم، حداکثر طول شبکه باید تغییر کند. به‌عبارت دیگر، اگر حداقل اندازه فریم هنوز 512 بیت باشد و بسته‌ها 10 برابر سریع‌تر ارسال شود، برخورد باید 10 بار زودتر تشخیص داده شود، به این معنا که بیشینه طول شبکه باید 10 برابر کوتاه‌تر باشد (سرعت انتشار بدون تغییر). بنابراین دو راه‌حل در تعامل با اترنت سریع ابداع شدند. 

اولین راه‌حل این بود که توپولوژی گذرگاه را کاملا کنار بگذاریم و از توپولوژی غیرفعال و ستاره‌ای استفاده کنیم، اما بیشینه اندازه شبکه را به جای 2500 متر مانند اترنت استاندارد، 250 متر کنیم. این رویکرد برای سازگاری با اترنت استاندارد پیشنهاد شد. 

راه‌حل دوم استفاده از یک سوئیچ بافردار برای ذخیره فریم‌ها و اتصال تمام‌دوبلکس به هر میزبان است تا رسانه انتقال برای هر میزبان عملکرد خصوصی داشته باشد. در این حالت نیازی به CSMA/CD نیست، زیرا میزبان‌ها برای ارسال بسته‌ها با یک‌دیگر در رقابت نیستند. سوئیچ لایه پیوند یک فریم را از میزبان منبع دریافت می‌کند و آن‌را در بافر (صف) در انتظار پردازش ذخیره می‌کند. سپس، آدرس مقصد را بررسی می‌کند و فریم را از رابط مربوطه می‌فرستد. از آن‌جایی که اتصال به سوئیچ به‌شکل تمام‌دوبلکس است، آدرس مقصد حتا می‌تواند همزمان با دریافت فریم، فریمی را به ایستگاه دیگری ارسال کند. 

مذاکره‌ خودکار (Auto negotiation)

ویژگی جدیدی که به Fast Ethernet اضافه شد، Auto negotiation نام دارد. قابلیت فوق به یک ایستگاه یا یک هاب، طیف وسیعی از قابلیت‌ها را ارائه می‌دهد. مذاکره خودکار به دو دستگاه اجازه می‌دهد در مورد حالت یا نرخ داده مذاکره کنند. رویکرد فوق به‌ویژه برای اجازه دادن به دستگاه‌های ناسازگار برای اتصال به یک‌دیگر طراحی شده است. به‌عنوان مثال، دستگاهی با حداکثر سرعت داده 10 مگابیت در ثانیه می‌تواند با دستگاهی با سرعت داده 100 مگابیت در ثانیه (می‌تواند با سرعت کمتری کار کند) ارتباط برقرار کند. 

توپولوژی

Fast Ethernet برای اتصال دو یا چند ایستگاه به یک‌دیگر طراحی شده است. اگر فقط دو ایستگاه وجود داشته باشد، می‌توان آن‌ها را نقطه به نقطه متصل کرد. سه یا چند ایستگاه باید در یک توپولوژی ستاره با یک هاب یا سوئیچ در مرکز متصل شوند (شکل ۵).

شکل 5

کدگذاری (Encoding)

Fast Ethernet از یک سیستم کدگذاری که Manchester نام دارد و از پهنای باند 200 Mbaud استفاده می‌کند کار می‌کند. همین موضوع باعث شده تا فناوری فوق برای رسانه‌ای مثل کابل درهم‌تنیده شده مناسب نباشد. به‌همین دلیل، طراحان اترنت سریع به‌دنبال یک طرح کدگذاری/کدگشایی جایگزین بودند. با این‌حال، مشخص شد که هیچ طرحی برای هر سه پیاده‌سازی به یک اندازه خوب عمل نمی‌کند. بنابراین، سه طرح کدگذاری خوب به‌نام‌های 100Base-TX،100Base-FX و 100Base-T4 پیشنهاد شد. 

اترنت گیگابیتی (1000 مگابیت بر ثانیه)

نیاز به انتقال سریع‌تر داده‌ها باعث شد تا استاندارد اترنت گیگابیتی (1000 مگابیت در ثانیه) پدید آید. استاندارد مذکور با استاندارد 802.3z نیز هم‌خوانی دارد. هدف اترنت گیگابیتی ارتقای سرعت انتقال داده‌ها تا سقف 1 گیگابیت در ثانیه بود، به‌طوری‌که طول آدرس، قالب فریم، بیشینه و کمینه طول فریم را ثابت نگه دارد. از مهم‌ترین اهداف اترنت گیگابیتی به موارد زیر باید اشاره کرد:

•  ارتقاء سرعت انتقال داده‌ها به مرز 1 گیگابیت بر ثانیه.
•  سازگاری با اترنت استاندارد یا سریع.
•  حفظ همان آدرس‌های 48 بیتی.
•  حفظ همان فرمت فریم. 
•  حفظ کمینه و بیشینه طول فریم.
•  پشتیبانی از مذاکره‌ خودکار به همان شکلی که اترنت سریع از آن پشتیبانی می‌کند. 

در سال‌های اخیر، اترنت نقش مهمی در زیرساخت‌های کلان‌شهرها داشته است. ایده این است که سرعت انتقال داده‌ها و فاصله تحت پوشش را بیشتر کنیم. کمیته IEEE اترنت 10 گیگابیتی را در قالب استاندارد 802.3ae نام‌گذاری کرد. اهداف طراحی اترنت 10 گیگابیتی را می‌توان ارتقاء نرخ انتقال داده به 10 گیگابیت بر ثانیه خلاصه کرد. 

حفظ اندازه و قالب یکسان فریم و امکان اتصال شبکه‌های LAN، MAN و WAN از دیگر اهداف این پروژه بودند. استاندارد مذکور دو نوع لایه فیزیکی به‌نام‌های LAN PHY و WAN PHY را تعریف می‌کند. اولین استاندارد (LAN PHY) برای پشتیبانی از شبکه‌های محلی رایج استفاده می‌شود و دومی یک WAN را با پیوندهای متصل از طریق SONET OC-192 تعریف می‌کند.

زیرلایه MAC

یکی از ملاحظات اصلی در تکامل اترنت، حفظ زیرلایه مک بود. با این حال، برای دستیابی به سرعت داده 1 گیگابیت در ثانیه، حفظ این معماری امکان‌پذیر نبود. اترنت گیگابیتی از دو تکنیک نیم‌دوبلکس و تمام‌دوبلکس برای انتقال اطلاعات استفاده می‌کنند. تقریباً تمام پیاده‌سازی‌های اترنت گیگابیت از رویکرد تمام‌دوبلکس پیروی می‌کنند، بنابراین حالت نیم‌دوبلکس اغلب استفاده نمی‌شود. در حالت تمام‌دوبلکس، یک سوئیچ مرکزی وجود دارد که به تمام کامپیوترها یا سوئیچ‌ها متصل است. در این حالت برای هر پورت ورودی، هر سوئیچ بافرهایی دارد که داده‌ها را تا زمان ارسال نگه می‌دارد. از آن‌جایی که سوئیچ از آدرس مقصد فریم استفاده می‌کند و فریمی را به خارج از پورت متصل به آن مقصد خاص ارسال نمی‌کند، هیچ برخوردی وجود ندارد. به‌عبارت دیگر از روش دسترسی CSMA/CD استفاده نمی‌شود. اترنت گیگابیتی را می‌توان در حالت نیم‌دوبلکس نیز استفاده کرد؛ اگرچه مرسوم نیست. 

در این مورد، یک سوئیچ را می‌توان با یک هاب جایگزین کرد که نقشی شبیه به یک کابل مشترک دارد. بنابراین احتمال بروز تصادم وجود دارد. رویکرد نیم‌دوبلکس از روش دسترسی CSMA/CD استفاده می‌کند.