icnd1/ccent 100-101 شرح بروتوكول إيثرنت Ethernet


عبد اللطيف ايمش

إيثرنت (Ethernet) هو البروتوكول المُختار في الشبكات المحليّة؛ والشبكة المحليّة هي مجموعةٌ من الأجهزة المتصلة داخليًا والمتواجدة في أماكن قريبة من بعضها في منطقة محدودة.

ethernet-protocol.thumb.png.ac6fadc4f9aa

هنالك ثلاثة عوامل لتعريف شبكة LAN عن الشبكات واسعة النطاق (WAN)، أولها هو المكان الفيزيائي القريب للأجهزة، وثانيها هو السرعة العالية لنقل البيانات، فهي تتراوح بين 100‎ Mb/s إلى ‎1 Gb/s‎ و ‎10 Gb/s التي نراها في الشبكات المعاصرة؛ وثالثها وأهمها هو أننا لا نحتاج إلى استئجار خط أو الاشتراك عند مزود الخدمة لوصل الأجهزة مع بعضها بعضًا. ويمكن أن تكون شبكة LAN صغيرةً كشبكةٍ في مكتبٍ صغير، أو أن تكون شبكةً في حرمٍ جامعيٍ كبير بعدِّة مبانٍ باتصالاتٍ عبر الألياف الزجاجية بينها.

مكونات الشبكة المحلية

المكونات (components) الاعتيادية هي: النهايات الشبكيّة مثل الحواسيب الشخصية، والخواديم، والطرفيات ...إلخ. والأجهزة الشبكية التي توفِّر قابلية الاتصال في الشبكة مثل المبدِّلات (switches)، والموجِّهات (routers) لوصل مختلف الشبكات داخليًّا في نفس الشبكة المحليّة، وفي بعض الأحيان قد نجد الموزِّعات (hubs) لمشاركة البيانات. وتُشكِّل البطاقات الشبكيّة والأكبال جزءًا من الشبكة المحليّة. وبخصوص البروتوكولات، فإن بروتوكول إيثرنت هو البروتوكول الحاكم في الطبقة الثانية، و IP في الطبقة الثالثة، وضمن IP تجد بروتوكول ARP وبرتوكولاتٍ أخرى مثل DHCP لأتمتة عملية حجز وإسناد عناوين IP.

الشبكة المحليّة هي البيئة التقليدية لكي يتشارك المُستخدمون المواردَ على شكل بيانات، وتطبيقات، ووظائفٍ أخرى؛ أجهزة الدخل والخرج مثل الكاميرات والطابعات موجودةٌ أيضًا؛ وأحد أهم الوظائف للشبكة المحليّة المعاصرة هي توفير قدرة الاتصال إلى الشبكات الأخرى، وذلك عبر البوابات الافتراضية (default gateways) وخلال الموجِّهات وأجهزة WAN الطرفية (WAN edge devices).

حجم الشبكة المحلية

كما ذكرنا سابقًا، يتراوح حجم الشبكة المحليّة بين المكاتب الصغيرة التي فيها عدِّة أجهزة متصلة بالإنترنت، وحرمٌ كبيرٌ فيها عدِّة مبانٍ بآلاف المستخدمين؛ ويمكن في أيامنا هذه اعتبار أن العاملين عن بُعد جزء من الشبكات المحلية عبر استخدام تقنية VPN ‏(اختصار للعبارة virtual private network)، فالهدف الرئيسي من تقنية VPN هو الوصول إلى شبكةٍ محليةٍ ما؛ وعندها ستكون طريقةُ تعامل المستخدم البعيد مع الشبكة المحلية كما لو أنه كان متصلًا محليًا بها.

تطور بروتوكول إيثرنت

أُنشِئ بروتوكول الشبكة المحلية «إيثرنت» في السبعينيات من قِبل DEC و Intel و Xerox؛ في الواقع، كان اسمه «DIX Ethernet»، ثم تحول اسمه إلى «thick Ethernet» بسبب استخدام الأكبال المحورية؛ وفي منتصف الثمانينيات، تمت ترقيته لدعم المزيد من الإمكانيات والسرعات، وسُمِّي وقتها «Ethernet 2»، وفي نفس الوقت تقريبًا، كانت منظمة IEEE تُنشِئ معايير لشبكاتٍ شبيهةٍ بإيثرنت، التي كان يُطلَق عليها اسم «802.3». وشاهدنا عبر السنوات، كيف أن بروتوكول إيثرنت تطوَّر إلى ‎10 Mb/s و ‎100 Mb/s ومن ثم إلى ‎1 Gb/s وحاليًا ‎10 Gb/s على شكل معيار IEEE ذي الاسم «802.3AE».

معايير LAN القياسية: معيار IEEE 802.3

إذا نظرنا إلى إيثرنت من وجهة نظر نموذج OSI، فسنرى أنه يرتبط بطبقة وصل البيانات (data link layer) لكنه يحتوي بعض المواصفات (specifications) في الطبقة الفيزيائية؛ إذا نظرة إلى البروتوكولات الأخرى، مثل IEEE 802.3U، الذي هو «Fast Ethernet»، أو ‎.3Z الذي هو «‎1 Gb Ethernet»، و 3AB الذي هو «‎10 Gb Ethernet»، فسنلاحظ أنَّ المواصفات في الطبقة الفيزيائية موجودةٌ فيه، وهنالك إشارات إلى تقنيات الألياف الضوئية وواصلاتها لتوفير سرعات عالية.

هذا البروتوكول مُقسَّم إلى طبقتين فرعيتين، طبقة التحكم بوصول الوسائط (media access control sublayer) التي تتعامل مع الوصول إلى الوسائط وتعريف عناوين MAC كطريقة لتمييز كل الأجهزة في شبكة إيثرنت؛ وطبقة التحكم بالوصل المنطقي (logical link control sublayer) التي تتعامل مع التواصل مع الطبقات العليا؛ حيث ستُشير -على سبيل المثال- إلى عنوان IP في الطبقات العليا باستخدام الحقول في «ترويسة الإطار» (frame header).

8-1.thumb.jpg.8473c6226d5f018aa18db10f9e

CSNA/CD

أصبحنا نعلم أنَّ إيثرنت هو بروتوكولٌ في الطبقة الثانية، الذي يوفر عنونة MAC بالإضافة إلى طريقة وصول (access method)؛ تُسمى طريقة الوصول بالاسم CSNA/CD (اختصار للعبارة carrier sense multiple access collision detection) وهي آلية تسمح بإرسال الإشارات في نفس الوقت دون إعطاء أولوية لأي إشارة، حيث يملك الجميع وصولًا متساويًا إلى «قناة» (channel)، وهذه هو قسم الوصول المتعدد في هذا البروتوكول.

هنالك احتمالٌ كبيرٌ أن جهازين سيحاولان نقل البيانات في نفس الوقت، مما يؤدي إلى حدوث تصادم (collision)؛ لكن في تقنية إيثرنت، يمكن لجميع الأجهزة «تحسس» (sense) القناة وتحديد فيما إذا كانت هنالك إشارات من مُرسِلين آخرين، وهذا هو قسم «تحسس الناقل» (carrier sense) من البروتوكول؛ ويُسمَح للأجهزة بتحسس القناة وكشف التصادمات، وهذا هو قسم «كشف التصادمات» (collision detection) من البروتوكول.

حسنًا، كيف يعمل إذًا؟ عندما يحدث تصادم بين الإطارات، فإنها «ترتدد» وتُجدّوَل إعادة إرسالها بناءً على مؤقِّت عشوائي، الذي سيكون مختلفًا في كل جهاز؛ وهذا يزيد من احتمال محاولة الأجهزة إعادة الإرسال في نفس الوقت مرةً أخرى... لكن يجب أن تكون لدينا بيئةٌ بأداءٍ جيد على المدى الطويل. قد تتجه بعض الأمور نحو الأسوأ، ويحصل ذلك عادةً إن كان تصميم الشبكة سيئًا، فعلى سبيل المثال، يكون مجالُ التصادمات كبيرًا مع عددٍ كبيرٍ من الأجهزة التي تتشارك نفس القناة، مما يزيد من احتمالية إرسال الأجهزة في نفس الوقت، مما يزيد من التصادمات، الذي بدوره يقلل من أداء الشبكة؛ وهنالك مشاكلٌ أخرى متعلقةٌ بأعطال العتاد، التي تسبب إرسال إطارات تحتوي على أخطاء أو إطارات غير مفهومة إلى الشبكة، مما يسبب تضاربًا مع بقية الأجهزة ويسبب أخطاءً في الشبكة.

بنية إطارات إيثرنت

وظيفةٌ مهمةٌ أخرى من وظائف أي بروتوكول في الطبقة الثانية هي «تأطير» البيانات (framing). الإطار هو الحاوية التي ستحمل البتات التي يجب نقلها عبر الشبكة، ويتضمّن حقولًا ستجعل تلك البتات ذاتُ معنى؛ يبيّن الرسم التوضيحي الآتي صيغة الإطار في «Ethernet 2» وفي معيار «IEEE 802.3»؛ حيث يحتوي كلاهما سلسلة بتات تسمى «permeable» التي تستعمل لمزامنة جهازين متصلين؛ وسلسلة التحقق من الإطار، للتأكد من سلامة البيانات التي فيه؛ وعناوين الوجهة والمصدر، التي هي عناوين MAC.

الفرق بينهما واضح، يبدأ إطار 802.3 بمُحدِّد الإطار (frame delimiter) الذي يُعلِم الجهاز المُستقبِل أنَّه سيبدأ نقل الإطار الفعلي؛ وانظر أيضًا إلى حقل «النوع» (type) في Ethernet 2، الذي يُشير إلى بروتوكولات الطبقة العليا، وستُستخدم نفس البتات كحقل الطول (length field) في 802.3 الذي يُمثِّل طول حقل البيانات. يحتوي حقل البيانات على ترويسة802.2 الذي هو تطبيقٌ لطبقة التحكم بالوصل المنطقي؛ يمكنك العثور على معلومات بروتوكول الطبقة العليا في هذه الترويسة.

8-2.thumb.jpg.94c096c2b594505cfa1e6476ca

التواصل ضمن الشبكة المحلية

مفهوم آخر مهم في اتصالات إيثرنت و LAN هو مجال الإرسال (scope of transmission). تكون هنالك وجهةٌ واحدةٌ في نقل unicast، أي سيكون هنالك عنوان وجهة يُمثِّل جهازًا واحدًا. هذه هي طريقة آلية العمل في الشبكات المحلية، ويكون عنوان MAC هو المُعرِّف الفريد الذي يُستخدَم لإرسال إطارات unicast. ستحتاج بعض البروتوكولات والتطبيقات إلى إرسال الإطارات إلى جميع الأجهزة في الشبكة المحليّة، وهذا هو سبب استخدام «الإذاعة» (broadcast)، حيث تمثِّل الإذاعة وجهةً تُعالَج من جميع الأجهزة؛ وهذه ملائم لبعض البروتوكولات مثل ARP، الذي يطلب ترجمة عنوان IP إلى عنوان MAC دون معرفة مالك عنوان IP، حيث يُذاع الطلب إلى كل الأجهزة، وسيُجيب الجهاز المطلوب. أخيرًا وليس آخرًا، multicast هو حلٌ وسطٌ بين unicast و broadcast؛ حيث لا يمثِّل وجهةً واحدةً ولا جميع الأجهزة؛ بل يُمثِّل مجموعةً من الأجهزة، ثم ستُعدّ رزمةٌ لإرسالها إلى تلك المجموعة؛ ويمكن للأجهزة أن تنضم أو تخرج من المجموعات ديناميكيًا؛ مثالٌ عن تطبيقات تستخدم multicast: المؤتمرات المرئية، والتعلم الإلكتروني، وأشكالٌ أخرى من الوسائط المتعدِّدة.

مكونات عناوين MAC

8-3.thumb.jpg.2f46b4cf9b109e115ec6ba5d72 

وظيفةٌ أخرى من وظائف أي بروتوكول في الطبقة الثانية هي «العنونة» (addressing)، وليس بروتوكول إيثرنت استثناءً، وعنوان «media access control» هو مُعرِّفٌ فريدٌ يُستخدَم من كل الأجهزة على شبكة إيثرنت. ترتبط عناوين MAC عادةً بمصنِّع العتاد؛ في الحقيقة، هنالك مجالات مُعرَّفة من قِبل IEEE لمختلف المصنِّعين لضمان أنَّ العناوين فريدةٌ؛ يَسمح بعض المصنِّعين بتعديل عناوين MAC لأغراضٍ معيّنة.

يتألف عنوان MAC من مكوِّنَين رئيسيَين هما: 24-بت مُعرِّف تنظيمي فريد (Organizational Unique Identifier أو اختصارًا OUI)، الذي يُحدِّد مُصنِّع العتاد (الذي يمكن أن يكون بطاقةً شبكيّةً، أو منافذ موجِّه [router ports] ...إلخ.) وضمن تلك 24-بت هنالك 2 بت لهما معنىً خاص، «بت الإذاعة» (broadcast bit) الذي يُستخدَم عادةً للإشارة أنَّ هذا العنوان هو عنوان broadcast أو multicast؛ وبت «عنوانٌ محليُّ الإدارةِ» (locally administered address) الذي يُستعمَل عادةً عندما يُغيَّر عنوان MAC. القسم الثاني من عنوان MAC بطول 24-بت، وهو مُسنَد من الشركة المصنِّعة، ويجب أن يكون فريدًا.

ترجمة -وبتصرّف- للمقال Understanding Ethernet.





تفاعل الأعضاء


شكرا و بارك الله فيكم علي المحتوي الرائع و الجمبل 

شارك هذا التعليق


رابط هذا التعليق
شارك على الشبكات الإجتماعية


يجب أن تكون عضوًا لدينا لتتمكّن من التعليق

انشاء حساب جديد

يستغرق التسجيل بضع ثوان فقط


سجّل حسابًا جديدًا

تسجيل الدخول

تملك حسابا مسجّلا بالفعل؟


سجّل دخولك الآن