إيثرنت : تعبر الإيثرنت عن مجموعة قواعد عامة لتوصيف طريقة الربط الفيزيائي ونقل رسائل المعطيات (frames) بين مجموعة محطات عمل (workstations) في الـ شبكة محلية (LANs) وتعتبر تمثيلاً للطبقتين 1 (الطبقة الفيزيائية physical layer) و2 (طبقة ربط المعطيات data link layer) في توصيف اتصال النظم المفتوحةالـ OSI Model فهى تقوم بتحديد خصائص وماهيات ووظائف المكونات المادية - الطبقة 1 في OSI - مثل شكل الكابلات، شدة التيار المتحكم بالإشارات الكهربائية الحاملة لرسائل المعطيات وما إلى إلى ذلك بلإضافة إلى - خصائص الطبقة 2 في OSI - مثل العنوان ماك MAC Address وبرتوكولات طبقة ربط المعطيات Data Link Layer(Datalnk layer). ولا تزال تقنيات الإيثرنت في تطور مستمر منذ نشوئها عام 1979 بحيث تزداد قدرتها على التوسع الدائم واستيعاب أكبر عدد ممكن من الأجهزة المتصلة مع تأمين إمكانية النقل بسرعات عالية خلال أزمنة صغيرة وهذا ما يجعلها من أوسع تقنيات الشبكات المحلية انتشاراً وأكثرها استخداماً. ولشبكات الإيثرنت عدة أنواع من حيث السرعات المتوفرة وهي : Ethernet : تبلغ سرعة النقل فيها 10Mbps Fast Ethernet : تبلغ سرعة النقل فيها 100Mbps Giga Ethernet : تبلغ سرعة النقل فيها 1Gbps 10 Giga Ethernet : تبلغ سرعة النقل فيها 10Gbps

تاريخ

في مركز أبحاث Xerox Palo Alto Research Center والمعروف اختصاراً بـ (PARC) في Palo Alto في ولاية كاليفورنيا، أراد فريق عمل يرأسه الدكتور Robert Metcalfe توصيل أكثر من 100 حاسب باستخدام كابل يبلغ طوله 1 كيلومتر.. فأنتجت الجهود المبذولة شبكة تعمل بسرعة 2.94 Mbps وتستخدم نظام CSMA/CD لمعالجة التصادم وهي التي أطلق عليها بداية اسم "الإيثرنت" وهي ما يرتبط اسمها دوما باسم الدكتور Robert Metcalfe. وفي عام 1979 نشأ تعاون بين Xerox وIntel وDEC لإيجاد إصدار معياري للإيثرنت كمنتج، عهد باسم DIX Ethernet Standard تعمل بسرعة Mbps10 وتستخدم كابل متحد المحور coaxial cable وتضمن هذا المعيار توصيف الطبقتي الفيزيائية Physicsl layer وربط المعطيات Data link layer وللشبكة المحلية LAN بحد ذاتها.. ومع حلول عام 1982 ظهرت DIX V2.0 التي تميزت عن سابقتها بمزيد من التعديلات وتسليم للعديد من الأخطاء..

التوصيف المعياري للإيثرنت

في شباط عام 1980 جرى تشكيل لجنة من قبل الهيئة IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) من أجل إيجاد معايير قياسية للعديد من تقنيات الشبكات، أطلق على هذه اللجنة الاسم (802) نسبة إلى العام والشهر الذي أحدثت فيه، وتم تقسيم هذه اللجنة إلى عدة لجان جزئية عنيت جميع منها بتقييس تقنية معينة من تقنيات الشبكات فأعطيت هذه اللجان أرقاماً تنسبها إلى اللجنة الأصلية فيظهر اسم تلك اللجان الجزئية على الشكل 802.X، فكانت اللجنة 802.3 هي التي عنيت بإيجاد الخوارزمية العامة لإيجاد آلية عمل شبكات التي تستخدم الـ CSMA/CD والتي تندرج تحتها الـ DIX إيثرنت، وكانت أيضاً اللجنة 802.2 التي اهتمت بتقسيم طبقة الـ Data link layer إلى طبقتين جزئيتين : الطبقة الجزئية العليا طبقة التحكم المنطقية (LLC)ـ LLC (Logical Link Control) ومهمتها تقديم أكثر من نقطة تزويد خدمة (Service Access Point SAP) لـ طبقة الشبكة الـ Network والتحكم بالدفق والتزامن وتفقد وجود الأخطاء، والطبقة الجزئية الدنياـ MAC (Media Access Control) التي تعنى بعمليات نقل المعطيات بين كرت الشبكة (Network Interface Card) والوسط الفيزيائي للنقل

المبدأ العام لعمل الإيثرنت

عند الحديث عن شبكات الإيثرنت لا بد من فهم المصطلحات الأربعة الأساسية التالية :

- الوسط الفيزيائي (Medium): ويعبر عن الكابل الذي يصل بين مختلف الأجهزة المرتبطة بالشبكة والذي يحمل الإشارات الكهربائية.

- المبتر (Segment) : ويعبر عن مجموعة الأجهزة (العقد) المتصلة بكابل مشهجر وحيد.

- العقدة (Node) : وتمثل إي جهاز (حاسب - محطة عمل work station -طرفية " طابعة/ماسحة...") متصلة بالشبكة.

- الإطار (Frame) : ويمثل رسالة المعطيات التي تنتقل بين مختلف عناصر الشبكة عبر الوسط الفيزيائي.

الوسط الفيزيائي (Medium)

تستخدم شبكات الإيثرنت عدة أنواع من كابلات التوصيل وتختلف هذه الكابلات من حيث البنية والسعة العظمى للنقل (Data Rate) وهي :

الكابل المحوري (Coaxial Cable) : في المراحل الأولى للإيثرنت جرى استخدام كابل عهد باسم ThickNet قطرهعشرة ملم يتميز بمعدل نقل 10Mbps ويستخدم الآلية BaseBand لكشف الأخطاء، ويتيح طولاً أعظمياً للشبكة (Network Span) يقارب الـ 2500 متر، وعدد من العقد في المبتر يبلغ أعظمياً الـ 100 عقدة وبحيث لا يتجاوز طول المبتر الـ 500 متر ويعهد أيضاً باسم 10Base5 حيث ترجع العشرة إلى معدل النقل والـ Base إلى آلية كشف الخطأ والـخمسة إلى الطول الأعظمي للمبتر.

أما النوع الآخر من الكابلات المحورية فهوما عهد باسم ThinNet قطرهخمسة ملم يتميز بمعدل نقل 10Mbps ويستخدم الآلية BaseBand لكشف الأخطاء، ويتيح طولاً أعظمياً للشبكة (Network Span) يقارب الـ 925 متر، وعدد من العقد في المبتر يبلغ أعظمياً الـ 30 عقدة وبحيث لا يتجاوز طول المبتر الـ 500 متر ويعهد أيضاً باسم 10Base2 حيث ترجع العشرة إلى معدل النقل والـ Base إلى آلية كشف الخطأ والـ 2 إلى الطول الأعظمي للمبتر، ونلاحظ حتى هذا النوع من الكابلات عموماً أصبح نادر الوجود في الوقت الحالي.

وهناك نوع ثالث من الكابلات المحورية المستخدمة في شبكات إيثرنت تعهد بـ 10Broad36 حيث يبلغ قطر الكابل 0.4-1.0 سم يتميز بمعدل نقل 10Mbps ويستخدم الآلية BroadBand لكشف الأخطاء، ويتيح طولاً أعظمياً للشبكة (Network Span) يقارب الـ 3600 متر ولا يتجاوز طول المبتر الـ 1800 متر.

الكابلات المجدولة Twisted Pair : ولها نوعان هما Shielded Twisted Pair (STP) وUnshielded Twisted Pair (UTP) يختلفان اختلافاً بسيطاً في البنية بحيث حتى الأول يعد أكثر مقاومة للتشويش ولكنه أعلى كلفة.

تستخدم شبكلا الإيثرنت النوع UTP حيث يبلغ قطر الكابل 0.4-0.6 سم يتميز بمعدل نقل 10Mbps ويستخدم الآلية BaseBand لكشف الأخطاء، ويتيح طولاً أعظمياً للشبكة (Network Span) يقارب الـ 500 متر ولا يتجاوز طول المبتر الـ 100 متر ويعهد أيضاً باسم 10BaseT.

وهناك سعات لكابلات الـ UTP تبلغ الـ 100Mbps يمكنها تخديم الـ 100Mbps إيثرنت وحتى الـ Gigabit إيثرنت وتوفير مسافات أعظمية أكبر للشبكة.

الألياف الضوئية (Optical Fiber) : أكثر كلفة من الـ UTP لاستخدامها تقنيات نقل أعلى وتستخدم غالباً في توصيل المبدلات (switches) والمركّزات hubs وليست شائعة الاستخدام في توصيا الحواسب والطرفيات إلى الشبكة نظراً لكلفتها المرتفعة.

الإطار (Frame)

نميز للإطار بنيتين أساسيتين أولاهما تعبر عن الإطار المستخدم في إيثرنت II (أوEthernet DIX V2.0) والأخرى تعبر عن البنية القياسية للإطار المحدد من قبل IEE وتبدوهاتان البنيتان على الشكل :

بنية الإطار Ethernet II :

- حقل المقدمة Preamble : وهوتعبير عن 7Bytes مهمتها تحديد بداية الإطار وتحقيق التزامن بين المرسل والمستقبل.

- حقل محدد بداية الإطار (Start Of Frame Delimiter SOF) : وهوتعبير عن 1Byte ينتهي دوماً بالبتّين 11 لإعطاء إشارة حتى البتّات التالية تعبر عن العنوان MAC للمستقبل.

- حقل عنوان المستقبل (Destination Address DA) وهوتعبير عن 6Bytes لتحديد الـ MAC Address للمستقبل وقد يحدث المستقبل عقدة وحيدة (UniCast) أوعدة عقد (MultiCast) أوكافة عقد الشبكة (BroadCast).

- حقل عنوان المرسل (Source Address SA) وهوتعبير عن 6Bytes لتحديد الـ MAC Address للمرسل.

- الحقل (Type) : ويستخدم لترميز البروتوكول المستخدم في الطبقة الأعلى التي ستمرر المعطيات إليها ويستخدم الترميز السداسي عشر فمثلاً بفرض كانت قيمته السداسية عشر هي تعبير عن 0800 فهذا يعني حتى بروتوكول الطبقة العليا المستخدم هوبروتوكول الإنترنت IP protocol، بينما تدل القيمة السداسية عشر 8137 على حتى بروتوكول الطبقة الأعلى هوProtocol IPX.

إن مجموعة الحقول (Destination Address DA وSource Address SA وType) تؤلف ما يسمى بالترويسة Header.

- الحقل Data: وهومتغير الطول ويعبر عن المعطيات العملية التي يجري إرسالها والتي تجري عليها عملية Framing والتي سيجري تمريرها إلى الطبقة التالية.

التصادم

تتصل العقد A وB وC وD جميعها إلى Medium وحيد فهي تؤلف مبتراً Segment.. وبفرض أرادت العقدة A إرسال بيانيات للعقدة B عبر الشبكة، عندها سينتقل الطرد المرسل من A إلى كافة العقد المتصلة بالشبكة وستقوم جميع منها بمقارنة عنوان الـ MAC الخاص بها مع عنوان المستقبل DA الوارد في الطرد لتتأكد إذا كان الطرد يخصها وإلا فإنها تهمله (وهوما تقوم به العقدتان C وD في هذه الحالة). وطالما كان عنوان المستقبل هوالعنوان العام (BroadCast) ستعتبر جميع عقدة من هذه العقد حتى الطرد المرسل يخصها وستقوم بمعالجته. وبناء على هذه البنية يحدث التصادم طالما أرادت عقدتان إرسال إطار في وقت واحد.

آلية الإصغاء في النفاذ المتعدد وكشف التصادم (Carrier Sence Multiple Access with Collision Detection CSMA/CD) :

الإصغاء : وتعني حتى أي عقدة قبل حتى تقوم بإرسال أي طرد إلى الوسط فإنها "تصغي" إلى الوسط أي تستشعر وجود إشارة حاملة Carrier يجري إرسالها على الكابل في الوقت الحالي.. وذلك بهدف فهم إذا كانت هناك عقدة أخرى في حالة إرسال أوكان الوسط فارغاً وجاهزاً لاستقبال طرد لإيصاله إلى باقي العقد. النفاذ المتعدد : ومعناه حتى إي طرد يجري إرساله عبر الوسط يجري استقباله من كافة عقد الوسط (لأنها جميعاً في حالة إصغاء) ومن ثم اتخاذ القرار بإهماله أم معالجته.

كشف التصادم : يحدث التصادم عندما تستشعر عقدتان حتى الوسط فارغ وتبدأان بإرسال الطرود في الوقت نفسه.. وبما حتى أي عقدة متصلة بالشبكة تصغي إلى الشبكة في نفس الوقت الذي ترسل فيه طروداً عبر الشبكة لتتأكد من أنها العقدة الوحيدة المرسلة على الشبكة، فما يحدث عند التصادم هوحتى العقدة المرسلة ستعود إليها الإشارة المرسلة ولكن بشكل مشوه (grambled) وعندها ستستشعر وجود التصادم وستتوقف عن الإرسال وتنتظر فترة زمنية حتى يتم تفريغ الوسط هذه الفترة الزمنية تدعى غرامة/زمن التأخير (back off time/delay) طول هذه الفترة عشوائي أي أنه يختلف من عقدة إلى أخرى وذلك لتفادي حدوث التصادم من حديث طالما قيام العقد بإعادة الإرسال بعد انقضاء نفس الزمن.

تقطيع الشبكة إلى عدة مقاطع Segmentation :

يؤلف المبتر الوحيد Segment مجال تصادم Collision Domain تصبح معالجة معضلة التصادم عليه أعقد وأصعب وتستغرق وقتاً أكثر حدثا زاد عدد العقد المتصلة بمبتر وحيد ومن هنا تظهر أهمية عملية تقسيم الشبكة إلى مقاطع متعدد تشكل مجالات تصادم متعددة Multiple Collision Domain يسهل حل التصادم على جميع منها وفي نفس الوقت جرى توسيع للشبكة وإضافة عدد حديث من العناصر المنتمية للشبكة.

آليات مختلفة لتقطيع الشبكة Segmentation :

إن عملية التقطيع Segmentation قسمت الشبكة إلى عدة مقاطع غير متصلة مع بعضها.. فلا بد من إيجاد طريقة للوصل بحيث تستطيع عقد تنتمي إلى مقاطع مختلفة تبادل المعلومات فيما بينها، وهنا جرى استخدام نقاط (عناصر) وسيطة.. إذ لم تعد الشبكة في هذه الحالة مؤلفة من عقد متصلة بكابل فحسب وإنما أصبحت الشبكة مؤلفة من نوعين أساسيين من الأجهزة :

النوع الأول يدعى عناصر الشبكة الطرفية (Data Terminal Equipment DTE) وتتمثل بكل ما الأجهزة التي بإنمانها إرسال البيانات واستقبالها.

والنوع الثاني يدعى عناصر الشبكة الوسيطة (Data communication equipment DCE) نقاط وسطى تستقبل الطرود من جهة وتمررها إلى جهات أخرى وفق آليات مختلفة وتتمثل في أجهزة مثل مكرر الإشارة repeater (نفس مبدأ عمل المركّز Hub تقريباً) والـ Bridge والمبدّلة switch والـ routers وجميعها تمثل صلة الوصل بين أكثر من مبتر Segment وتتيح توسيع حجم الشبكة كما تعتبر بطاقات الشبكة Network Interface Cards NICs من أحد أنواع عناصر التواصل في الشبكة.

استخدام المركّز Hub أوبين مقاطع الشبكة :

يقوم المركّز Hub ببساطة بتمرير الإطار Frame الوارد إلى دخله إلى كافة مخارجه أي أنه يمرر أي إطار متواجد على أي من المقاطع المتصلة به إلى كافة المقاطع الأخرى حيث يجري تعميمها على كافة العناصر المرتبطة بهذا المبتر Segment ولكن هذه الطريقة في تعميم الإطارات تسبب الكثير من الهدر في عمليات النقل وهذا ما يجعل استخدام محصوراً بالشبكات الصغيرة التي تتميز بمعدلات منخفضة من المعطيات التي يجري نقلها.

استخدام الـ Bridge بين مقاطع الشبكة :

يصل الـ Bridge بين مقاطعن مختلفة من الشبكة ولكنه يختلف عن المركّز Hub بأنه يختبر عنوان المستقبل فلا يقوم بإرسال الإطار من المبتر الحاوي على العقدة المرسلة إلى كافة المقاطع المتصلة به وإنما يرسله فقط إلى المبتر الحاوي على العقدة ذات العنوان المستقبل.. أي حتى الـ Bridge يصل بين مبترين فقط على عكس المركّز Hubالذي كان يصل بين مبتر من جهة وعدة مقاطع من جهة أخرى.

وطالما كان المرسل والمستقبل ينتميان إلى نفس المبتر فإن الـ Bridge لا يقوم بتمرير إي إطار إلى أي مبتر خارجي آخر وهذا ما يجعله قادراً على القيام بعمليات نقل داخلية (ضمن مبتر واحد) متعددة في أكثر من مبتر في الوقت نفسه (على التوازي).

استخدام المبدّلة Switch بين مقاطع الشبكة :

تتألف المبدّلة Switch من عدة بوابات Ports تتصل جميع منها بعنصر شبكة وحيد (قد يحدث DCE - مثل المركّز Hubأوالمبدّلة switch أخرى مثلاً- أوDTE - كأنقد يكون حاسباً أوطابعة أو..) أي حتى المبدّلة Switch تصل بين عدة مقاطع جميع مبتر م لف من عقدة Node وحيدة متصلة بالكابل مما يجعل الشبكات التي تستخدم المبدّلة Switch (Switched Networks) خالية تماماً من التصادم Collision Free.

تقوم المبدّلة Switch باستقبال الطرد من المرسل وتحديد وجهة هذا الطرد.. وبما حتى جميع مبتر Segment متصل إلى أحد بوابات المبدّلة Switch مؤلف من عنصر وحيد فإن عنوان المستقبل سيجري تمريره إلى منفذ port وحيدة متصلة مباشرة بالمستقبل نفسه وبالتالي تمرير الإطار إلى الجهة المستقبلة لوحدها دون شغل أي عنصر من عناصر الشبكة باستقبال إطار قد لا يخصه.

تعمل المبدّلة Switch بإحدى التقنيتين : Full Duplex technology أوHalf-Duplex Technology

حيث تعني التقنية Half Duplex حتى جميع منفذ port من منافذ المبدّلة switch وما يتصل به من DCE أوDTE أوNIC يستطيع حتى يقوم بالإرسال فقط أوالاستقبال فقط في وقت واحد.

أما التقنية Full Duplex تعني حتى المنفذ port وما يتصل به يستطيع حتى يقوم بإرسال البيانات واستقبالها في وقت واحد مما يضاعف من عرض الحزمة.. فمثلاً إذا كان معدل النقل يعادل 100Mbps وكانت التقنية المستخدمة هي Full Duplex فهذا يعني حتى سرعة النقل المجملة أصبحت تعادل 200Mbps.

- الحقل trailer: وهوتعبير عن 4Bytes يختتم به الإطار ويستخدم للكشف عن الأخطاء حيث تخزن فيه قيمة تدعى Frame Check Sequence FCS والتي يجري حسابها وفقاً لخوارزمية لكشف الأخطاء (Cyclic Redundancy Check CSC) والتي لها أنواع مختلفة ويجري تطبيقها على الحقول بدءاً من DA وحتى نهاية الإطار وأثناء الحساب تؤخذ قيمة FCS أصفاراً، وعند الاستقبال يقوم المستقبل بتطبيق نفس خوارزمية كشف الأخطاء وإيجاد الناتج ومقارنته مع الحقل FCS للتأكد من خلوالطرد من أخطاء أثناء عملية النقل.

بنية الإطار Ethernet 802.3 :

نلاحظ حتى الحقول جميعها مطابقة للحقول السابقة عدا أحد حقول الترويسة وهوالحقل Length وهونفس الـ 2Bytes السابقتين ولكنها تلعب دورا في تحديد الحقل MAC-client data وهوحقل جزئي من حقل البيانات data.

مشاع الفهم فيه ميديا متعلقة بموضوع Ethernet.

المراجع

Ethernet Networks By Gilbert Held

Ethernet -the definitive guide By Charles E. Spurgeon

Ethernet Tutorials

Ethernet Essentials

thernet Frame Types

Ethernet Technologies - CISCO

Hub VS Bridge VS Switch

وصلات خارجية

• How Stuff Works - Ethernet
• IEEE 802.3 Ethernet working group
• Digital Equipment Corporation, Intel Corporation, Xerox Corporation (September, 1980). "The Ethernet: A Local Area Network". — Version 1.0 of the DIX specification.
• IEEE 802.3-2008 standard
• نطقب:Cite newsgroup — a classic series of Usenet postings by Novell's Don Provan that have found their way into numerous FAQs and are widely considered the definitive answer to the Novell Frame Type jungle ..