مبانی اترنت ( بخش اول )

اترنت ،‌ متداولترین فنآوری استفاده شده در دنیای شبکه های محلی  است که خود از مجموعه ای‌ تکنولوژی دیگر تشکیل شده است . یکی از بهترین روش های آشنائی اصولی با اترنت ،‌ مطالعه آن با توجه به مدل مرجع OSI است . اترنت از رسانه های انتقال داده و پهنای باند متفاوتی حمایت می نماید ولی در تمامی نمونه های موجود  از یک قالب فریم و مدل آدرس دهی مشابه استفاده می گردد .
به منظور دستیابی هر یک از ایستگاه ها و یا گره های موجود در شبکه به محیط انتقال ،  استراتژی های کنترل دستیابی مختلفی تاکنون ابداع شده است .  آگاهی از نحوه دستیابی دستگاه های شبکه ای به محیط انتقال امری لازم و ضروری به منظور شناخت عملکرد شبکه و اشکال زدائی منطقی و اصولی آن می باشد .

 اترنت چیست ؟

  • اکثر ترافیک موجود در اینترنت از اترنت شروع و به آن نیز خاتمه می یابد . اترنت در سال 1970 ایجاد و از آن زمان تاکنون به منظور تامین خواسته های موجود برای شبکه های محلی با سرعت بالا رشد و ارتقاء یافته است .  زمانی که یک رسانه انتقال داده جدید نظیر فیبر نوری تولید می گردید ، اترنت نیز متاثر از این تحول می شد تا بتواند از مزایای برجسته پهنای باند بالا و نرخ پائین خطاء در فیبر نوری استفاده نماید . هم اینک پروتکل هائی که در سال 1972 صرفا" قادر به حمل داده با نرخ سه مگابیت در ثانیه بودند ،‌می توانند داده را با سرعت ده گیگابیت در ثانیه حمل نمایند .

  • سادگی و نگهداری‌ آسان ، قابلیت ترکیب و تعامل با تکنولوژی های جدید ، معتبر بودن و قیمت پائین نصب و ارتقاء از مهمترین دلایل موفقیت اترنت محسوب می گردد .

  • امکان استفاده دو و یا بیش از دو ایستگاه از  یک محیط انتقال بدون تداخل سیگنال ها  با یکدیگر ،‌ از مهمترین دلایل ایجاد اترنت می باشد . استفاده چندین کاربر از یک محیط انتقال مشترک در ابتدا و در سال 1970 در دانشگاه هاوائی مورد توجه قرار گرفت . ماحصل مطالعه فوق ،‌ ابداع روش دستیابی اترنت بود که بعدا" CSMA/CD نامیده شد .

  • اولین شبکه محلی در جهان ،‌ نسخه ای اولیه از اترنت بود  که Robert Metcalfe ‌و همکاران وی در زیراکس آن را در بیش از سی و چهار سال قبل طراحی نمودند.   اولین استاندارد اترنت در سال 1980 توسط کنسرسیومی متشکل از اینتل ، Digital Equipment و زیراکس و با نام اختصاری DIX ایجاد گردید . مهمترین هدف کنسرسیوم فوق ، ارائه یک استاندارد مشترک بود تا تمامی علاقه مندان بتوانند از مزایای آن بدون محدودیت های مرسوم استفاده نمایند و به همین دلیل بود که آنان بر روی یک استاندارد باز متمرکز شدند .  اولین محصول پیاده سازی شده با استفاده از استاندارد اترنت در اوائل سال 1980 به فروش رفت . اترنت اطلاعات را با سرعت ده مگابیت درثانیه  بر روی کابل کواکسیال و حداکثر تا مسافت دو کیلومتر ارسال می نمود . به این نوع کابل کواکسیال ، thicknet نیز گفته می شود .

  • در سال 1995 ،  موسسه IEEE  کمیته هائی‌ را به منظور استاندارد سازی اترنت ایجاد نمود . استاندارد های فوق با 802 شروع می شود و این استاندارد برای اترنت 3 . 802 می باشد . موسسه IEEE درصدد بود که استانداردهای ارائه شده با مدل مرجع OSI  سازگار باشند . به همین دلیل لازم بود به منظور تامین خواسته های لایه یک و بخش پائینی لایه دوم مدل مرجع OSI ، تغییراتی در استاندارد 3 . 802 داده شود . تغییرات اعمال شده در نسخه اولیه اترنت بسیار اندک بود بگونه ای که هر کارت شبکه اترنت قادر به ارسال و یا دریافت فریم های اترنت و  استاندارد       3 . 802 بود . در واقع ، اترنت و  IEEE 802.3   ، استانداردهای  مشابه و یکسانی می باشند .

  • پهنای باند ارائه شده توسط اترنت در ابتدا ده مگابیت در ثانیه بود و برای کامپیوترهای شخصی دهه هشتاد که دارای سرعت پائین بودند ،‌ کافی بنظر می آمد ولی در اوایل سال 1990 که سرعت کامپیوترهای شخصی  و اندازه فایل ها افزایش یافت ،‌ مشکل پائین بودن سرعت انتقال داده بهتر نمایان شد . اکثر مشکلات فوق به کم بودن پهنای باند موجود مربوط می‌ گردید  . در سال 1995 ، موسسه IEEE ،‌استانداردی را برای اترنت با سرعت یکصد مگابیت در ثانیه معرفی نمود . این روال ادامه یافت و در سال های  1998 و 1999 استانداردهائی  برای گیگابیت نیز  ارائه  گردید .

  • تمامی استاداردهای ارائه شده با استاندارد اولیه اترنت سازگار می باشند . یک فریم اترنت می تواند از طریق یک کارت شبکه با کابل کواکسیال 10 مگابیت در ثانیه از یک کامپیوتر شخصی خارج و  بر روی یک لینک فیبر نوری اترنت ده گیگابیت در ثانیه ارسال  و در انتها به یک کارت شبکه با سرعت یکصد مگابیت در ثانیه برسد . تا زمانی که بسته اطلاعاتی بر روی شبکه های اترنت باقی است  در آن تغییری داده نخواهد شد . موضوع فوق وجود استعداد لازم برای رشد و گسترش اترنت را به خوبی نشان می دهد . بدین ترتیب امکان تغییر پهنای باند بدون ضرورت تغییر در تکنولوژی های اساسی اترنت همواره وجود خواهد داشت .

قوانین نامگذاری اترنت  توسط موسسه IEEE

  • اترنت صرفا" یک تکنولوژی نمی باشد و خانواده ای مشتمل بر مجموعه ای از تکنولوژی های دیگر نظیر
     Legacy, Fast Ethernet و Gigabit Ethernet را شامل می شود . سرعت اترنت می تواند ده ، یکصد ،‌ یکهزار و یا ده هزار مگابیت در ثانیه باشد . قالب اساسی فریم و زیر لایه های IEEE لایه های اول و دوم مدل مرجع OSI در تمامی نمونه های اترنت ثابت و یکسان می باشد .

  • زمانی که لازم است اترنت به منظور اضافه کردن یک رسانه انتقال داده جدید و یا قابلیتی خاص توسعه یابد ،‌ موسسه IEEE یک ضمیمه جدید را برای‌ استاندارد 3 . 802 ارائه می نماید . ضمیمه فوق دارای یک و یا دو حرف تکمیلی است . در چنین مواردی یک نام کوته شده نیز بر اساس مجموعه قوانین زیر به ضمیمه نسبت داده می شود :  
    -  عددی که نشاندهنده تعداد مگابیت در ثانیه داده انتقالی است .
    - حرفی که نشاندهنده استفاده از سیگنالینگ Baseband می باشد .
    - یک و یا چندین حرف الفبائی که نوع رسانه انتقال داده را مشخص می نماید ( مثلا" از حرف F برای فیبر نوری و یا T برای کابل های مسی بهم تابیده )

  • اترتت در ارتباط با سیگنالینگ Baseband می‌باشد که از تمامی پهنای باند رسانه انتقال داده استفاده نموده و سیگنال داده مستقیما" بر روی رسانه انتقال داده ارسال می گردد . در سیگنالینگ Broadband که توسط اترنت استفاده نمی گردد ، سیگنال داده هرگز مستقیما" بر روی محیط انتقال داده قرار نمی گیرد . یک سیگنال آنالوگ ( Carrier Signal ) ، با سیگنال داده ‌مدوله شده  و سیگنال فوق  ارسال می گردد . شبکه های رادیوئی و شبکه های کابلی تلویزیون از سیگنالینگ broadband استفاده می نمایند .

  • موسسه IEEE نمی تواند تولید کنندگان تجهیزات شبکه ای را مجبور نماید که بطور کامل هر نوع استاندارد ارائه شده را رعایت نمایند ولی امیدوار است به اهداف زیر نائل گردد :
    - ارائه اطلاعات منهدسی مورد نیاز برای ایجاد دستگاه هائی که متناسب با استانداردهای اترنت باشند .
    -  ترویج ابداعات جدید و استفاده از آنان توسط تولید کنندگان

اترنت و مدل مرجع OSI

  • اترنت در دو ناحیه از مدل مرجع OSI کار می کند : لایه فیزیکی و  بخش پائینی لایه Data Link ( زیر لایه MAC نامیده می شود ) .

  • برای انتقال داده بین یک ایستگاه اترنت و ایستگاه دیگر ، عموما" داده از طریق یک Repeater ارسال می گردد . در چنین مواردی سایر ایستگاه های موجود در یک Collistion domain مشابه ، ترافیک عیوری از طریق Repeater را مشاهده خواهند کرد .Collision domain یک منبع مشترک است که  مسائل ایجاد شده در بخشی از آن سایر عناصر موجود در  collision domain را تحت تاثیر قرار خواهد داد .

  • Repeater ، مسئولیت فورواردینگ تمامی ترافیک بر روی سایر پورت ها را برعهده دارد . ترافیک دریافتی توسط یک Repeater  بر روی پورت اولیه ارسال نخواهد شد . هر سیگنال تشخیص داده شده توسط یک Repeater فوروارد خواهد شد . در صورت افت سیگنال ( نویز و یا میرائی ) ،‌ Repeater مجددا" آن را احیاء و تولید می نماید .

  • با استفاده از استانداردهای موجود حداکثر تعداد ایستگاه در هر سگمنت ،‌ حداکثر طول هر سگمنت و حداکثر تعداد Repeater بین ایستگاه ها مشخص می گردد . ایستگاه هائی که توسط Repeater از یکدیگر جدا می شوند ، جملگی در یک Collision Domain مشابه قرار می گیرند ( توجه داشته باشید که ایستگاه هائی که توسط Bridge و روتر از یکدیگر جدا می گردند در Collision Domain  متفاوتی قرار می گیرند ) .

  • در لایه اول ( فیزیکی ) و بخش پائینی لایه دوم ( Data link ) مدل مرجع OSI  از تکنولوژی های متفاوت اترنت استفاده می گردد . اترنت در لایه اول شامل ارتباط با رسانه انتقال داده ، سیگنال ها ، جریان پیوسته انتقال داده ، عناصری که سیگنال ها را بر روی رسانه انتقال داده قرار می دهند و تکنولوژی های متعدد دیگری است . اترنت لایه اول دارای یک نقش اساسی در مبادله اطلاعات بین دستگاه ها می باشد. در این رابطه محدودیت های خاصی نیز وجود دارد که لایه دوم با هدف غلبه بر محدودیت های فوق ،‌ امکانات خاصی را ارائه می نماید :

    لایه اول ، نمی تواند با لایه های بالاتر ارتباط برقرار نماید .
    لایه دوم از طریق LLC ( برگرفته از Logical Link Control ) با لایه بالاتر ارتباط برقرار می نماید .

    لایه اول ،‌ قادر به شناسائی کامپیوترها نمی باشد .
    لایه دوم از یک فرآیند آدرس دهی خاص استفاده می نماید .

    لایه اول ، صرفا" قادر به تشریح جریان مستمر داده های صفر و یک است .
    لایه دوم از فریم به منظور سازماندهی و گروه بندی بیت ها استفاده می نماید .

 

  • زیر لایه های Data Link به منظور سازگاری بین تکنولوژی ها و مبادله اطلاعات بین کامپیوترها  مطرح می گردند :
    زیر لایه MAC ،‌ در ارتباط با عناصر فیزیکی است که از آنان به منظور مبادله اطلاعات استفاده می گردد .
    زیر لایه LLC ، مستقل از تجهیزات فیزیکی است و از آن به منظور فرآیند مبادله اطلاعات استفاده می گردد .

نامگذاری 

  • برای عرضه محلی فریم ها در اترنت ،‌ می بایست از یک مدل آدرس دهی به منظور شناسائی کامپیوترها و اینترفیس ها استفاده گردد . اترنت از آدرس های MAC که طول آنان چهل و هشت بیتی است و به صورت دوازده رقم مبنای شانزده نمایش داده می شوند ،‌استفاده می نماید . اولین شش رقم مبنای شانزده که توسط موسسه IEEE مدیریت می گردد ، مسئولیت شناسائی تولید کننده را برعهده دارد . این بخش از  آدرس MAC را OUI ( برگرفته از Organizational Unique Identifier ) می گویند . شش رقم باقیمانده مبنای شانزده ، شماره سریال اینترفیس را مشخص می نماید . 

  • آدرس های MAC ، درون حافظه ROM نوشته شده و در زمان مقداردهی اولیه کارت شبکه در حافظه RAM مستقر می گردند . به آدرس های فوق BIA  ( برگرفته از  burned-in addresses ) نیز گفته می شود.

  • در لایه Data Link ،‌ اطلاعات موردنیاز MAC ( هدر و دنباله )  به داده دریافتی از لایه بالاتر اضافه خواهد شد . اطلاعات فوق شامل اطلاعات کنترلی برای لایه Data در سیستم مقصد می باشد .

  • کارت شبکه از آدرس MAC به منظور  تشخیص محل ارسال پیام در لایه های بالاتر مدل مرجع OSI استفاده می نماید . کارت شبکه برای تشخیص فوق از  پردازنده کامپیوتر استفاده نخواهد کرد . بدین ترتیب زمان مبادله اطلاعات در شبکه های اترنت بهبود پیدا خواهد کرد .

  • در یک شبکه اترنت ،‌ زمانی که یک دستگاه اقدام به ارسال داده می نماید ، می تواند یک مسیر ارتباطی را با سایر دستگاه ها با استفاده از آدرس MAC مقصد فعال نماید . دستگاه مبداء یک هدر را به آدرس MAC مقصد مورد نظر اضافه می نماید و داده را بر روی شبکه ارسال می نماید . به موازات انتشار داده بر روی محیط انتقال شبکه ، کارت شبکه هر یک از دستگاه های موجود در شبکه ، آدرس MAC اطلاعات ارسالی را بررسی تا تشخیص دهد که آیا این بسته اطلاعاتی برای وی ارسال شده است و یا خیر . در صورتی که آدرس MAC موجود در فریم با آدرس MAC کامپیوتر دریافت کننده مطابقت ننماید ، کامپیوتر و یا دستگاه مقصد آن را دور خواهد انداخت . زمانی که داده به مقصد مورد نظر خود می رسد ، کارت شبکه یک نسخه از فریم را  تکثیر و آن را در اختیار لایه های OSI قرار می دهد . در یک شبکه اترنت ، تمامی گره ها  می بایست هدر MAC را بررسی نمایند ( حتی‌ در مواردی که گره های درگیر در مبادله اطلاعات در مجاورت فیزیکی یکدیگر باشند ) .

  • تمامی دستگاه های متصل شده به یک شبکه محلی اترنت دارای آدرس MAC می باشند ( ایستگاه ها ، چاپگرها ، روترها و سوئیچ ها ) .
     

 فریم در لایه دوم

  • برای رمز کردن و ارسال جریان مستمر بیت ها ( داده ) بر روی رسانه انتقال داده فیزیکی ، عملیات گسترده ای می بایست انجام شود ولی برای مبادله اطلاعات عملیات فوق به تنهائی کافی نمی باشد . با تعریف یک ساختمان داده خاص،‌ امکان دریافت و ذخیره اطلاعات ضروری که امکان بدست آوردن  آنان توسط بیت های رمز شده  وجود ندارد ، فراهم می گردد . اطلاعات زیر نمونه هائی در این زمینه می باشد :
    - کدام کامپیوتر در حال مبادله اطلاعات با کامپیوتر دیگری است .
    - چه زمانی مبادله اطلاعات بین کامپیوترها شروع و چه زمانی خاتمه می یابد .
    - ارائه روشی برای تشخیص خطاء که در زمان مبادله اطلاعات ممکن است اتفاق بیافتد .
    - کدام کامپیوتر امکان استفاده از محیط انتقال را برای برقراری یک مبادله اطلاعات بدست گرفته است .

  • فریم ،‌واحد داده در لایه دوم بوده و با استفاده از فرآیند framing تمامی عملیات کپسوله می گردد . هر استاندارد ممکن است ساختار خاصی را برای فریم تعریف کرده باشد . یک فریم از چندین بخش ( فیلد ) تشکیل می گردد . هر فیلد نیز از مجموعه ای بایت تشکیل شده است :
     

     A

    B

    C

    E

    F

    فیلد شروع فریم

    فیلد آدرس

    فیلد نوع / طول

    فیلد داده

    فیلد FCS

 

  • زمانی  که کامپیوترها به یک رسانه انتقال داده متصل می گردند ، می بایست آنان از روشی به منظور  استفاده از محیط انتقال برای ارسال پیام و آگاهی به سایر کامپیوترها استفاده نمایند . در این رابطه از تکنولوژی های متعددی استفاده می گردد که هر یک دارای روش مختص به  خود برای انجام این فرآیند می باشند . تمامی فریم ها ، صرفنظر از نوع تکنولوژی ،  دارای یک سیگنال آغازین مشتمل بر دنباله ای از بایت ها می باشند .

  • تمامی فریم ها شامل اطلاعات نامگذاری نظیر نام گره مبداء ( آدرس MAC ) و نام گره مقصد ( آدرس MAC ) می باشند .

  • اکثر فریم ها دارای تعدادی فیلد خاص نیز می باشند . در برخی تکنولوژی ها ، یک فیلد طول مسئولیت مشخص نمودن طول واقعی یک فریم بر حسب بایت را برعهده دارد . برخی فریم ها دارای یک فیلد "نوع " می باشند که پروتکل لایه سوم که درخواست را ارسال نموده است ، مشخص می نماید . 

  • علت ارسال فریم ها ،‌ دریافت داده لایه های بالاتر از مبداء به مقصد مورد نظر است . بسته داده دارای دو بخش مجزاء می باشد : داده User Application و بایت های کپسوله شده برای ارسال به کامپیوتر مقصد . در این رابطه ممکن است  بایت های دیگری نیز اضافه گردد . فریم ها دارای‌ یک حداقل طول برای فرآیند  تنظیم زمان می باشند . در فریم های استاندارد IEEE ، بایت های LLC نیز در فیلد داده قرار می گیرند . زیر لایه LLC ، داده پروتکل شبکه ، یک بسته اطلاعاتی IP را دریافت و اطلاعات کنترلی را به آن اضافه نموده تا شرایط مناسب برای توزیع بسته های اطلاعاتی به مقصد مورد نظر فراهم گردد .

  • تمامی فریم ها  به همراه  بیت ها ، بایت ها و فیلدهای مربوطه مستعد خطاء از منابع متعددی می باشند. فیلد FCS  ( برگرفته از   Frame Check Sequence   ) شامل یک مقدار عددی است که توسط گره مبداء و بر اساس داده موجود در فریم محاسبه می گردد . پس از محاسبه FCS ،‌ مقدار استخراج شده به انتهای فریم ارسالی اضافه خواهد شد . زمانی که گره مقصد ، فریم را دریافت می نماید ،‌مجددا" مقدار FCS محاسبه و با مقدار موجود در فریم مقایسه می گردد . در صورتی که دو عدد با یکدیگر متفاوت باشند ، نشاندهنده بروز خطاء در زمان ارسال اطلاعات می باشد . در چنین مواردی ،‌فریم دورانداخته شده و از گره مبداء درخواست می شود که مجددا" اطلاعات را ارسال نماید .

  • برای محاسبه FCS از سه روش عمده استفاده می گردد :
    روش اول : ( Cyclic Redundancy Check (CRC  ، محاسبات را بر روی داده انجام می دهد .
    روش دوم :   Two-dimensional parity : در این روش با اضافه کردن بیت هشتم ، زوج و یا فرد بودن تعداد یک های موجود در فریم مشخص می گردد .
    روش سوم :   Internet checksum : در این روش مقدار تمامی بیت های داده  با یکدیگر جمع می گردد .

  
نویسنده : ali gooliof ; ساعت ۱٢:۳٤ ‎ق.ظ روز ۱۳۸٧/٢/٢