قبل از این مقاله بهتره “آشنایی با مدل‌های شبکه، تجهیزات و اجزای آن” رو مطالعه کنید، در شبکه‌های LAN امروزی، سوئیچ‌ها به‌عنوان اصلی‌ترین ابزار اتصال دستگاه‌ها به کار می‌روند. اما در گذشته، این روش‌ها متفاوت بودند. در ابتدا، دستگاه‌ها از طریق bus فیزیکی و با استفاده از کابل کواکسیال به هم متصل می‌شدند. بعدها، با معرفی 10BASE-T و کابل‌کشی UTP، هاب‌ها (Hubs) به‌عنوان روشی مقرون‌به‌صرفه برای اتصال دستگاه‌ها مطرح شدند.
بااین‌حال، هاب‌های 10BASE-T با مشکلات و محدودیت‌های زیادی همراه بودند:
- ایجاد برخورد در ارسال فریم‌ها:
اگر دو دستگاه به‌طور هم‌زمان فریم‌هایی را ارسال می‌کردند، این فریم‌ها با یکدیگر برخورد کرده و منجر به کاهش بازدهی شبکه می‌شدند. دلیل این امر این بود که تمام دستگاه‌های متصل به یک هاب در یک collision domain مشترک قرار داشتند. - گسترش دامنه پخشی (Broadcast Domain):
فریم‌های broadcast که توسط یک دستگاه ارسال می‌شدند، توسط تمامی دستگاه‌های متصل به هاب دریافت و پردازش می‌شدند. این مسئله موجب افزایش غیرضروری ترافیک شبکه می‌شد.
نقش پل‌ها (Bridges) در بهبود شبکه
برای غلبه بر مشکلات موجود در هاب‌ها، پل‌ها (Bridges) توسعه یافتند. پل‌ها باعث ایجاد دو collision domain در یک شبکه LAN شده و به این ترتیب تعداد برخوردها کاهش پیدا کرد. این امر موجب افزایش عملکرد شبکه از طریق کاهش ترافیک غیرضروری شد.
تحول شبکه با ورود سوئیچ‌ها
ورود سوئیچ‌های شبکه باعث ایجاد تغییرات گسترده‌ای در عملکرد شبکه شد. سوئیچ‌ها علاوه بر مزایای پل‌ها، امکانات اضافی زیر را ارائه کردند:
- افزایش تعداد پورت‌ها برای تقسیم بیشتر collision domains
- استفاده از سخت‌افزار برای تصمیم‌گیری در مورد ارسال فریم‌ها به‌جای استفاده از نرم‌افزار
یکی از مهم‌ترین تحولات ایجاد شده این بود که هر دستگاه به یک پورت جداگانه در سوئیچ متصل می‌شد. این روش موجب بهبود چشم‌گیر کارایی شبکه از طریق:
- ایجاد پهنای باند اختصاصی به هر پورت
- ایجاد محیط بدون برخورد (Collision-Free)
- فعال‌سازی عملیات Full-Duplex
منطق سوئیچینگ (Switching Logic)
سوئیچ‌های اترنت، فریم‌های ورودی را از یک پورت دریافت کرده و آن‌ها را تنها به پورتی که دستگاه مقصد در آن قرار دارد، ارسال می‌کنند. این روش موجب ایجاد یک ارتباط منطقی نقطه‌به‌نقطه بین دو دستگاه شده و بازدهی شبکه را افزایش می‌دهد.
مراحل تصمیم‌گیری در سوئیچ
سوئیچ‌ها برای ارسال فریم‌ها، از آدرس‌های MAC در هدر فریم اترنت استفاده می‌کنند. وظیفه اصلی سوئیچ در شبکه LAN دریافت، بررسی و تصمیم‌گیری در مورد ارسال یا فیلتر کردن فریم‌های اترنت است. این فرایند شامل سه مرحله‌ی اصلی است:
- تصمیم‌گیری درباره ارسال یا فیلتر کردن فریم‌ها
- سوئیچ ابتدا بررسی می‌کند که آیا آدرس مقصد در MAC Table آن وجود دارد یا خیر.
- یادگیری آدرس‌های MAC
- سوئیچ با بررسی آدرس MAC فرستنده در هر فریم ورودی، اطلاعات را در جدول MAC خود ذخیره می‌کند.
- ایجاد محیط بدون حلقه (Loop-Free) در لایه 2 با استفاده از پروتکل STP
- پروتکل Spanning Tree Protocol (STP) از ایجاد حلقه در شبکه‌های مبتنی بر سوئیچ جلوگیری می‌کند.
مثال عملی از سوئیچینگ MAC
در تصویر زیر، یک فریم از هاست A به مقصد هاست C ارسال می‌شود. سوئیچ ابتدا MAC Table خود را بررسی کرده، سپس فریم را فقط از طریق پورت 6 ارسال می‌کند و از ارسال آن به سایر پورت‌ها جلوگیری می‌کند.
نکته: سوئیچ‌ها همچنین یک timestamp برای آدرس‌های MAC ذخیره‌شده در جدول خود نگه‌می‌دارند. این آدرس‌ها در صورت عدم استفاده پس از 300 ثانیه در سیستم‌عامل‌های Cisco IOS حذف می‌شوند.
دامنه برخورد (Collision Domain) و دامنه پخشی (Broadcast Domain)
Collision Domain چیست؟
Collision Domain به مجموعه‌ای از اینترفیس‌های شبکه گفته می‌شود که فریم‌های ارسالی در آن می‌توانند با یکدیگر برخورد کنند. در محیط‌هایی که از هاب استفاده می‌شود، تمام دستگاه‌های متصل به یک هاب در یک collision domain مشترک قرار دارند.
سوئیچ‌ها مشکل برخورد را با ایجاد ارتباطات اختصاصی و full-duplex برای هر پورت برطرف کردند.
Broadcast Domain چیست؟
- یک Broadcast Domain مجموعه‌ای از دستگاه‌ها در شبکه است که می‌توانند پکت‌های Broadcast یکدیگر را دریافت کنند.
- به‌طور پیش‌فرض، سوئیچ‌ها دامنه‌های Broadcast را کاهش نمی‌دهند.
- VLANها برای جداسازی دامنه‌های Broadcast استفاده می‌شوند.
روش‌های ارسال فریم در سوئیچ‌ها (Frame Forwarding Methods)
انواع روش‌های ارسال در سوئیچ‌ها
سوئیچ‌ها از سه روش مختلف برای ارسال فریم‌ها استفاده می‌کنند:
- Store-and-Forward Switching
- فریم را به‌طور کامل دریافت کرده، آن را در بافر ذخیره می‌کند و سپس با استفاده از CRC (Cyclic Redundancy Check) بررسی می‌کند.
- اگر CRC معتبر باشد، فریم ارسال می‌شود.
- Cut-Through Switching
- تنها بخشی از فریم را ذخیره می‌کند (به اندازه‌ی آدرس مقصد MAC) و بلافاصله آن را ارسال می‌کند.
- بررسی خطا انجام نمی‌شود.
- Fragment-Free Switching
- این روش مشابه Cut-Through است اما ابتدا 64 بایت ابتدایی فریم را بررسی می‌کند تا اطمینان حاصل کند که خطای برخورد (Collision) رخ نداده باشد.
سوئیچینگ متقارن و نامتقارن (Symmetric and Asymmetric Switching)
- سوئیچینگ متقارن:
- در این نوع، تمامی پورت‌ها دارای پهنای باند یکسانی هستند (مثلاً همه‌ی پورت‌ها 1000Mbps هستند).
- سوئیچینگ نامتقارن:
- در این روش، سوئیچ پهنای باند متغیری را برای پورت‌های مختلف فراهم می‌کند (مثلاً ترکیبی از 10Mbps، 100Mbps و 1000Mbps).
بافر حافظه در سوئیچ‌ها (Memory Buffering)
سوئیچ‌ها برای ذخیره‌ی موقت فریم‌ها از بافر حافظه استفاده می‌کنند. دو نوع روش بافرینگ وجود دارد:
- Port-Based Memory:
- فریم‌ها در صف‌های جداگانه‌ای ذخیره می‌شوند که به پورت‌های ورودی خاص اختصاص دارند.
- Shared Memory:
- تمامی فریم‌ها در یک حافظه‌ی مشترک قرار می‌گیرند که تمام پورت‌ها از آن استفاده می‌کنند.
سوئیچینگ در لایه 2 و لایه 3
- سوئیچ لایه 2 فقط از آدرس‌های MAC برای مسیریابی استفاده می‌کند.
- سوئیچ لایه 3 علاوه بر آدرس MAC، از آدرس‌های IP نیز برای مسیریابی استفاده می‌کند.
- سوئیچ‌های لایه 3 قادر به اجرای توابع مسیریابی (Routing Functions) هستند و نیاز به روترهای اختصاصی را کاهش می‌دهند.
Ethernet Overview
استاندارد 802.3، استاندارد تعریف‌شده توسط IEEE برای اترنت است. اصطلاحات Ethernet و 802.3 معمولاً به‌جای یکدیگر استفاده می‌شوند. استاندارد 802.3 مجموعه‌ای از استانداردها را در بر می‌گیرد که لایه‌های فیزیکی و Data Link را در فناوری LAN مشخص می‌کنند.
اترنت وظایف لایه Data Link را به دو زیرلایه (Sublayer) مجزا تقسیم می‌کند:
- زیرلایه کنترل پیوند منطقی (Logical Link Control – LLC): تعریف‌شده در استاندارد 802.2
- زیرلایه کنترل دسترسی به رسانه (Media Access Control – MAC): تعریف‌شده در استاندارد 802.3
MAC Sublayer و وظایف آن
زیرلایه MAC دو مسئولیت اصلی دارد:
- کپسوله‌سازی داده‌ها (Data Encapsulation): شامل اسمبل کردن فریم قبل از ارسال، پردازش فریم پس از دریافت، تعیین آدرس MAC در لایه پیوند داده (Data Link Layer) و تشخیص خطا.
- کنترل دسترسی به رسانه (Media Access Control): اترنت یک رسانه اشتراکی است، به این معنی که تمامی دستگاه‌ها در هر زمان امکان ارسال داده را دارند. بنابراین، کنترل دسترسی به رسانه با استفاده از روش Carrier Sense Multiple Access / Collision Detect (CSMA/CD) انجام می‌شود تا از بروز تصادفات جلوگیری شود.
در لایه فیزیکی (Physical Layer)، استانداردهای اترنت روش‌های کدگذاری و دیکد کردن سیگنال‌ها را برای انتقال بیت‌ها به‌صورت سیگنال‌های الکتریکی (UTP، فیبر نوری، کابل کواکسیال) تعیین می‌کنند.
Legacy Ethernet Technologies
درک بهتر عملکرد اترنت با بررسی استانداردهای 10BASE-5 و 10BASE-2 امکان‌پذیر است. در این استانداردها، کابل‌های کواکسیال در سراسر شبکه کشیده شده و هر دستگاه مستقیماً به آن متصل می‌شد.
- در این روش، کابل‌ها یک مدار الکتریکی اشتراکی (bus) را تشکیل می‌دادند.
- اگر یک دستگاه داده‌ای را روی bus ارسال می‌کرد، آن سیگنال به تمام دستگاه‌های دیگر منتقل می‌شد.
- این روش، از نظر توپولوژی Physical Bus و از نظر منطقی نیز Bus Topology محسوب می‌شد.
انتقال از توپولوژی Bus به Star
با معرفی رسانه‌ی UTP و هاب‌ها، توپولوژی فیزیکی Bus به Star تغییر پیدا کرد.
- در توپولوژی Star، همه‌ی دستگاه‌ها به یک هاب متصل می‌شوند.
- اما از نظر منطقی، همچنان مانند توپولوژی Bus عمل می‌کند.
- به دلیل ساختار اشتراکی، همچنان از CSMA/CD برای کنترل دسترسی استفاده می‌شود.
CSMA/CD – جلوگیری از برخورد در اترنت
در محیط‌های اشتراکی که هر دستگاه امکان ارسال داده در هر لحظه را دارد، احتمال بروز برخورد (Collision) وجود دارد. CSMA/CD راهکاری است که اترنت برای کنترل این مشکل ارائه کرده است.
مراحل عملکرد الگوریتم CSMA/CD
- یک دستگاه که قصد ارسال فریم دارد، ابتدا کانال را بررسی می‌کند تا مطمئن شود که اترنت مشغول نیست.
- در صورتی که اترنت آزاد باشد، ارسال فریم آغاز می‌شود.
- دستگاه فرستنده گوش می‌دهد تا مطمئن شود که برخوردی رخ نداده است.
- در صورت بروز برخورد، دستگاه‌های درگیر یک سیگنال مسدودکننده (Jamming Signal) ارسال می‌کنند تا همه‌ی ایستگاه‌ها متوجه برخورد شوند.
- هر دستگاه درگیر یک تایمر تصادفی را تنظیم کرده و پس از اتمام آن، دوباره تلاش می‌کند.
- این فرآیند تا زمانی که فریم بدون برخورد ارسال شود، ادامه پیدا می‌کند.
هنگامی‌که CSMA/CD فعال است، کارت شبکه (NIC) در حالت Half-Duplex کار می‌کند و فقط امکان ارسال یا دریافت را در هر لحظه دارد. در حالت Full-Duplex، CSMA/CD غیرفعال شده و امکان ارسال و دریافت هم‌زمان فراهم می‌شود.
- شبکه‌های اترنت اولیه مبتنی بر Bus فیزیکی بودند.
- در فناوری‌های 10BASE-2 و 10BASE-5، کابل‌های کواکسیال برای انتقال داده استفاده می‌شد.
- هاب‌ها به‌عنوان تکرارکننده (Repeaters) در UTP معرفی شدند اما همچنان به‌صورت الکتریکی اشتراکی عمل می‌کردند.
- تصادف (Collision) در این توپولوژی‌ها یک چالش بود که با استفاده از CSMA/CD مدیریت می‌شد.
Current Ethernet Technologies – استانداردهای اترنت مدرن
جدول زیر، برخی از رایج‌ترین استانداردهای اترنت امروزی را بر اساس سرعت، نوع کابل و حداکثر طول کابل نشان می‌دهد:
| نام رایج | سرعت | نام جایگزین | استاندارد IEEE | نوع کابل، حداکثر طول |
|---|---|---|---|---|
| Ethernet | 10 Mbps | 10BASE-T | 802.3 | Copper, 100m |
| Fast Ethernet | 100 Mbps | 100BASE-TX | 802.3u | Copper, 100m |
| Gigabit Ethernet | 1000 Mbps | 1000BASE-T | 802.3ab | Copper, 100m |
| 1GigE (فیبر نوری) | 1000 Mbps | 1000BASE-LX | 802.3z | Fiber, 550m |
| 10GigE (اترنت 10 گیگابیتی) | 10 Gbps | 10GBASE-T | 802.3an | Copper, 100m |
| 10GigE (فیبر نوری) | 10 Gbps | 10GBASE-S | 802.3ae | Fiber, 400m |
UTP Cabling
در استانداردهای اترنت مدرن، سه نوع متداول کابل‌کشی UTP استفاده می‌شود:
- 10BASE-T (Ethernet)
- 100BASE-TX (Fast Ethernet)
- 1000BASE-T (Gigabit Ethernet)
با وجود این که هر سه این استانداردها از کابل‌های UTP استفاده می‌کنند، تفاوت‌های کلیدی در تعداد جفت سیم‌های مورد استفاده و نوع کابل وجود دارد.
اتصالات UTP در اترنت
- کابل‌های UTP معمولاً شامل دو یا چهار جفت سیم هستند.
- این کابل‌ها معمولاً از کانکتور RJ-45 استفاده می‌کنند که شامل هشت پین فیزیکی است.
استانداردهای TIA/EIA برای کابل‌کشی اترنت
استانداردهای TIA/EIA، نحوه کابل‌کشی UTP را مشخص می‌کنند. این استانداردها شامل کدهای رنگی سیم‌ها و پین‌آوت‌های استاندارد هستند. دو استاندارد رایج برای کابل‌های Ethernet عبارت‌اند از:
- TIA/EIA-568A
- TIA/EIA-568B
کابل‌های استریت (Straight-Through) و کراس‌اور (Crossover)
در شبکه، انتخاب صحیح نوع کابل‌کشی (استریت یا کراس‌اور) اهمیت زیادی دارد:
- کابل استریت (Straight-Through): برای اتصال بین دستگاه‌های غیرمشابه مانند کامپیوتر به سوییچ یا سوییچ به روتر استفاده می‌شود.
- کابل کراس‌اور (Crossover): برای اتصال بین دستگاه‌های مشابه مانند سوییچ به سوییچ یا روتر به روتر استفاده می‌شود.
پین‌های مورد استفاده در 10BASE-T و 100BASE-TX
در شبکه‌های 10BASE-T و 100BASE-TX، دستگاه‌های مختلف از پین‌های مشخصی برای ارسال و دریافت داده استفاده می‌کنند:
| دستگاه‌هایی که روی پین‌های 1 و 2 ارسال و روی 3 و 6 دریافت می‌کنند | دستگاه‌هایی که روی پین‌های 3 و 6 ارسال و روی 1 و 2 دریافت می‌کنند |
|---|---|
| PC NICs | Hubs |
| Routers | Switches |
| Wireless Access Points | – |
اما در 1000BASE-T، از چهار جفت سیم برای ارسال و دریافت هم‌زمان داده‌ها استفاده می‌شود.
مزایای استفاده از سوئیچ‌ها (Benefits of Using Switches)
یکی از مشکلات رایج در شبکه‌های مبتنی بر هاب، ایجاد Collision Domain مشترک بود، یعنی همه دستگاه‌های متصل به یک هاب می‌توانستند با یکدیگر برخورد داده‌ای داشته باشند. اما سوئیچ‌ها این مشکل را حل کردند.
عملکرد سوئیچ در جلوگیری از برخوردها
- فریم‌های دریافتی را تجزیه‌وتحلیل کرده و فقط به پورت موردنظر ارسال می‌کند، نه به همه پورت‌ها.
- اگر چندین فریم قرار باشد از یک پورت ارسال شوند، سوئیچ آن‌ها را در حافظه بافر کرده و به ترتیب ارسال می‌کند تا از برخورد جلوگیری شود.
- هر پورت یک ارتباط اختصاصی ایجاد می‌کند که به دستگاه اجازه می‌دهد در حالت Full-Duplex کار کند.
آدرس‌دهی در اترنت (Ethernet Addressing)
IEEE فرمت و تخصیص آدرس‌های MAC را تعریف می‌کند. هر آدرس MAC باید منحصربه‌فرد باشد. به همین دلیل، اولین نصفه آدرس MAC، شناسه‌ای برای سازنده کارت شبکه (Organizationally Unique Identifier – OUI) است.
ساختار آدرس MAC در اترنت
یک آدرس MAC یونیکست از 48 بیت تشکیل شده است:
- 24 بیت اول: شناسه سازمانی (OUI)
- 24 بیت دوم: شماره اختصاص داده‌شده توسط سازنده
آدرس‌های گروهی (Group Addresses)
- آدرس Broadcast: آدرس FFFF.FFFF.FFFF که تمام دستگاه‌های یک LAN باید آن را پردازش کنند.
- آدرس Multicast: یک زیرمجموعه‌ای از دستگاه‌ها را در یک شبکه مشخص هدف قرار می‌دهد.
فریم‌بندی در اترنت (Ethernet Framing)
لایه فیزیکی داده‌ها را به‌صورت بیت از یک دستگاه به دستگاه دیگر منتقل می‌کند. فریم‌بندی در اترنت مفهوم داده‌های انتقالی را مشخص می‌کند.
ساختار فریم‌های اترنت
فرمت‌های فریم اترنت در طول زمان تکامل یافته‌اند:
| فرمت فریم | بایت‌ها |
|---|---|
| DIX (نسخه اولیه اترنت) | 8 بایت Preamble, 6 بایت Destination, 6 بایت Source, 2 بایت Type, 46-1500 بایت Data and Pad, 4 بایت FCS |
| IEEE 802.3 (نسخه اولیه) | 7 بایت Preamble, 1 بایت SFD, 6 بایت Destination, 6 بایت Source, 2 بایت Length, 46-1500 بایت Data and Pad, 4 بایت FCS |
| IEEE 802.3 (نسخه 1997) | 7 بایت Preamble, 1 بایت SFD, 6 بایت Destination, 6 بایت Source, 2 بایت Length/Type, 46-1500 بایت Data and Pad, 4 بایت FCS |
نقش لایه فیزیکی (The Role of the Physical Layer)
لایه Physical وظایف زیر را بر عهده دارد:
- مدیریت رسانه فیزیکی و کانکتورهای مرتبط
- نمایش بیت‌ها روی رسانه انتقال
- کدگذاری و دیکد کردن اطلاعات
- مدیریت مدارات فرستنده و گیرنده در دستگاه‌های شبکه
انواع رسانه‌های فیزیکی شبکه
- کابل مسی (Copper)
- فیبر نوری (Fiber)
- بی‌سیم (Wireless – IEEE 802.11)
ویژگی‌های سیگنال در لایه فیزیکی
بیت‌ها در رسانه انتقال از طریق ویژگی‌های سیگنال منتقل می‌شوند:
- دامنه (Amplitude)
- فرکانس (Frequency)
- فاز (Phase)
