אתרנט

כבל Ethernet סטנדרטי

Ethernet היא טכנולוגיה לתקשורת נתונים ברשתות מחשבים מקומיות (Local Area Network, בקיצור LAN) בשכבת הקישוריות והשכבה הפיזית של מודל ה-OSI ומודל ה־TCP/IP.

יתרונות

ה־Ethernet זכתה בשליטה בלתי מעורערת ברשתות המקומיות בזכות אוסף של פתרונות יצירתיים לבעיות שהיו קיימות בטכנולוגיות אחרות. בין הפתרונות ניתן למנות את:

• טכנולוגיית הCSMA/CD המאפשרת לכל רכיב לשלוח אותות לתווך משותף בלי התראה מוקדמת, ומטפלת ביעילות בהתנגשויות (Collisions). יש לציין כי בטופולוגיית כוכב אין התנגשויות היות שהמדיה איננה משותפת (ובייחוד החל מקצב נתונים של 1Gbps ואילך).
• השימוש בזוגות שזורים (Twisted Pairs) להקטנת ההשראה החשמלית ביניהם, והעברת אותות בקצבים גבוהים יותר ולמרחקים גדולים יותר באמצעותם.
• הגדלת קצב השידור בכפולות של 10 תוך שמירה על אותה מסגרת (frame format). כתוצאה מכך, רכיבים ברשת יכולים לתקשר ביניהם ללא תלות בקצב ההעברה שלהם. כמו כן, ניתן לשדרג רכיב אחד ברשת ללא צורך בשדרוג של שאר הרכיבים. הקצבים המוגדרים הינם 10Gbps, 1Gbps, 100Mbps, 10Mbps וגם 100Gbps בעתיד.
• השימוש בסיב אופטי לקצבים הגדולים מ-100Mbps המאפשר העברת האותות למרחקים גדולים מהאפשרי בזוגות שזורים.

מבנה חבילת Ethernet

חבילה בפרוטוקול Ethernet מורכבת מחמישה חלקים: מבוא, פתיח, תוכן, סוגר וגובל. אורכה של חבילה נע בין 84 ל- 1542 בתים בהתאם לגודל שדה התוכן. TCP כוללת פתיח באורך משתנה המורכב משדות קבועים בגודל 20 בתים ושדות אופציונליים בגודל של עד 40 בתים (בכל מקרה גודל הפתיח הוא כפולה של 32 סיביות). לאחר הפתיח מצורפת מסגרת המידע בגודל משתנה הקטן מ-65,495 בתים. החבילה אינה כוללת סוגר.

מבוא

המבוא (Preamble) מורכב מסדרה של 7 בתים המכילים את הרצף 10101010 ואחריהם בית המכיל את הרצף 10101011 המסמן את סוף המבוא. מטרת המבוא היא לסנכרן את את תחילת השידור באופן פיזי.

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30	31	32
מבוא
מבוא																								סיום מבוא

פתיח

הפתיח מורכב מ- 18 בתים לפי הפירוט הבא:

1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14	15	16	17	18	19	20	21	22	23	24	25	26	27	28	29	30	31	32	33	34	35	36	37	38	39	40	41	42	43	44	45	46	47	48
כתובת יעד
כתובת מקור
תווית VLAN																																EtherType

• כתובת יעד (שישה בתים) - כתובת ה- MAC של רכיב היעד.
• כתובת מקור (שישה בתים) - כתובת ה- MAC של רכיב המקור.
• תווית VLAN (ארבעה בתים) - במידה ונעשה שימוש בפרוטוקול רשת מקומית וירטואלית (802.1Q), שדה זה נושא את מזזה הרשת הוירטואלית לה שייכת ההודעה.
• EtherType (שני בתים) - שדה המציין את סוג הפרוטוקול של המידע אותו ההודעה מעבירה כתוכן (לדוגמא, עבור תוכן בפרוטוקול IPv4 יהיה ערך 0x0800 בעוד לתוכן בפרוטוקול ARP יהיה ערך 0x0806).

תוכן

שדה התוכן בחבילת Ethernet מכיל בין 46 ל- 1500 בתים.

סוגר

הסוגר של חבילת Ethernet מכיל שדה בן ארבעה בתים המורכב מסיכום ביקורת (checksum), מספר האימות של הפתיח והתוכן.

גובל

הגובל ( Interframe gap) הנו סדרה של 12 בתים המשודרים בסוף החבילה ומשמשים להפרדה לקראת תחילת השידור הבא.

שכבת הקו

שכבת הקו בטכנולוגית Ethernet מתחלקת לשתי תת-שכבות:

1. שכבת ה-Logical Link Control (‏LLC)
2. שכבת ה-Media Access Control (‏MAC).

שכבת ה-Logical Link Control (‏LLC)

לתת-שכבה זו שני תפקידים מרכזיים:

1. מהווה קישור בין שכבת הערוץ לשכבת הרשת. בזכות שכבה זו אנו יכולים לציין במסגרת (Frame) את הפרוטוקול ששימש חבילת מידע זו בשכבת הרשת (IP,IPX וכיוצא בזה).
2. לעטוף את חבילות המידע המגיעות משכבת הרשת ב-Frame. יש לשים לב כי תת-שכבה זו אינה אחראית על ה-Frame עצמו, אלא על ההכנסה של המידע לתוך ה-Frame.

שכבת ה-Media Access Control (‏MAC)

גם לתת-שכבה זו מספר תפקידים. העיקריים ביניהם הם:

גישה לתווך

ניתן לדמות את המצב ברשת ה-Ethernet לדיון רב-משתתפים ללא מנחה. על מנת שהדיון יהיה פורה, יש לקבוע מראש כללי-דיון שימנעו ככל הניתן מצב שבו שני משתתפים ידברו בו זמנית. באופן אנלוגי, מכיוון שרשת ה-Ethernet היא רשת מבוזרת שבה מדיית התקשורת (השכבה הפיזית) משותפת לכל הרכיבים ברשת, יש צורך למנוע שידור בו זמני של שתי תחנות לאותו מתחם התנגשות.

תת-שכבת ה-MAC מסדירה את תיזמון הגישה למדיית התקשורת של רשת ה-Ethernet כך שבכל רגע נתון רק תחנה אחת תשדר על מדיית התקשורת. האופן שבו היא עושה זאת מבוסס על אלגוריתם CSMA/CD שבו תחנה משדרת מסגרת (frame) ברגע שהיא חשה שמדיום התקשורת פנוי. במהלך שידור המסגרת, התחנה מאזינה לקווי התקשורת על מנת לוודא שהאות שהתקבל הוא אכן האות שנשלח. במידה והתחנה מזהה הפרעה היא תפסיק את שליחת המסגרת ותשלח אות התנגשות (jam signal) אשר יגרום לכל התחנות ברשת להפסיק מיד את השידור. לאחר פרק זמן אקראי, חוזרת התחנה לשדר את המסגרת. אם נוצרת התנגשות נוספת, נשלח שוב אות התנגשות וכל אחת מהתחנות מכפילה את זמן ההמתנה שהגרילה על מנת להקטין את הסיכוי להתנגשות נוספת.

Ethernet הוא פרוטוקול המבטיח רק מאמץ מיטבי. אם חלו 16 התנגשויות או תקלות בהעברת חבילה מסוימת, ה-Ethernet יסיים את ניסיונות השליחה של החבילה הזאת. כמו כן, ה-Ethernet ידווח לשכבת התקשורת שמעליו על כישלון בשליחת החבילה. מרגע זה, השכבה הגבוהה יותר אחראית על הטיפול בבעיה. השכבה שיכולה ומבקשת שידור חוזר במקרה של שגיאות הינה כל שכבה שמשתתפת בתהליך התקשורת, מהשכבה השלישית ועד השכבה השביעית (במודל OSI).

מיעון פיסי

תת השכבה אחראית על המיעון הפיסי של כל מסגרת (שדות ה-DA ו-SA שניתן לראות לעיל). הכתובת הפיזית שבה משתמשים בטכנולוגיית Ethernet היא כתובת MAC. כתובת זו, המשמשת להתקשרות בתוך הערוץ, צרובה על כרטיס הרשת וחייבת להיות יחידה ברשת, ולכן כתובות MAC על רכיבים שנמכרים לציבור הרחב אינן חוזרות על עצמן לעולם. על אף שכרטיס הרשת מכיל כתובת MAC שנצרבת על ידי היצרן, ניתן לעתים לשנות אותה. ביצוע פעולה זו מחייב מעקב אחרי כרטיסי הרשת ואופן השימוש בהם, כדי למנוע מצב שבו שני כרטיסים שניתנה להם כתובת זהה יחוברו לאותה רשת Ethernet.

השכבה הפיזית

Autonegotiation

Autonegotiation הוא מנגנון ב-Ethernet לניהול משא ומתן בין התקנים שונים ברשת מקומית (נתב למחשב, למשל), כך שהם יבחרו במאפייני שידור מידע, כמו קצב השידור ביניהם וכיווניות השידור (Half-duplex או Full-duplex), שקיימים אצל שניהם. השאיפה במנגנון היא להשיג את קצב העבודה המרבי, בהתאם ליכולת שני הצדדים.

משחזרים ורכזות

תופעות של דעיכת אותות ובעיות תזמון מגבילות את אורכם המקסימלי של מקטעי Ethernet, כתלות במדיית התקשורת. לדוגמה, לכבלים הקואקסיאליים 10BASE5 יש הגבלת אורך מקסימלי של 500 מטר. על מנת להגדיל את טווח הרשת נעשה שימוש במשחזר (Repeater), המגביר ומנקה את האות, מוסיף Preamble ומעביר אותו הלאה. ניתן להשתמש במשחזרים על מנת לחבר עד חמישה מקטעי אתרנט, כאשר לשלושה מתוכם מחוברים התקנים. הוספה של יותר מחמישה משחזרים תגרום לבעיה כיוון שכל משחזר בנוסף לפעולת ההגברה מוסיף עוד ביטים של PREAMBLE ולכן תיגרם חריגה ממסגרת ה ETHERNET.

עם המעבר לשימוש בזוגות שזורים היה צורך בהתקן שיאפשר תקשורת של מספר התקנים על מדיה משותפת, לשם כך נוצרו משחזרים רב ערוציים הידועים בשמם רכזות (hubs). כיום נפוץ יתר השימוש במתגים המשמשים כרכזות חכמות.

סוגי כבלים

ישנם מספר תקנים של כבלים עבור Ethernet, שם התקן הוא מהצורה NBase-X כאשר:

• X - מייצג את סוג הכבל (הסוג הנפוץ הוא T שמייצג Twisted pair - זוג שזור.סוג נפוץ נוסף הוא F המייצג סיב אופטי).
• N - מייצג את המהירות המקסימלית בכבל (10 מייצג 10 מגה סיביות בשנייה, 100 מייצג 100 מגה סיביות בשנייה וכו').

לדוגמה: 10BASE-T

זוג שזור

זוג שזור STP

סיבים אופטיים

ערך מורחב – זוג שזור

הכבל כולל בתוכו ארבעה זוגות חוטי נחושת השזורים בזוגות בלתי-מסוככים. הכבל קיים בשני סוגים: UTP - Unshielded Twisted Pair ו-Shielded Twisted Pairs-STP, שההבדל ביניהם הוא שכבת סיכוך נוספת המגנה על הכבל מהפרעות אלקטרומגנטיות.

כבל מסוג CAT5 מוגבל באורכו לשימוש זה - קיים לו אורך המקסימלי של 100 מטר. הסיבה להגבלה זו היא דעיכת המתח החשמלי בין שתי נקודות עם התארכות המרחק ביניהן, עד שבמרחק של כ-100 מטר, לא ניתן יהיה לפענח את האותות המתקבלים. בנוסף בגלל השתהות המידע על הכבל עלול להיווצר DELAY גדול בין המשדר למקלט ובכך תיגרם בעיית תזמון.

בשני הקצוות של הכבל קיים מחבר הנקרא 8P8C, RJ45 (דומה למחבר טלפון מסוג RJ11, אך מעט גדול יותר). מחבר זה מתחבר ל Transciever (מקלט-משדר) ברכיב הרשת.

כבל קואקסיאלי

ערך מורחב – כבל קואקסיאלי

סיב אופטי

ערך מורחב – סיב אופטי

היסטוריה

טכנולוגיה זו פותחה בתחילת שנות השבעים על ידי רוברט מטקלף ודיוויד בוגס במעבדות זירוקס פארק. הפטנט על הטכנולוגיה נרשם בשנת 1975, אך רק בסוף העשור (1980) הפכה לסטנדרט בפרויקט 802.3 של IEEE. בתצורה הראשונית קצב התעבורה ברשת היה 3 Mbps וכללה רוחב שדה של 8 ביט בלבד לכתובות המקור והיעד לעומת 48 היום, אולם התצורה הנפוצה הראשונה הייתה 10BASE-2, שהתבססה על טופולוגיית רשת מסוג אפיק (קווית). עם הזמן חל מעבר ל-10BASE-T ולממשיכיו, בגלל היתרונות שהוזכרו לעיל.

עם התפתחות טכנולוגיית המחשוב והאפשרות לעבוד במהירויות גבוהות יותר, נוצר מצב בו הרשת לא מצליחה לספק תשתית למספר גדול של מחשבים ועל כן הרשת פותחה בשנות התשעים ל- Fast Ethernet מיד לאחר הפיתוח של ה- Fast Ethernet הופיעה גרסה שנקראת Ethernet 10/100, אתרנט היא בסך הכול תמיכה של כרטיס הרשת בשתי המהירויות. לכרטיס ישנה אפשרות לזהות בצורה אוטומטית בזמן תחילת פעולתו מהי המהירות שבה עובדת הרשת שבה הוא נמצא, ולהתאים את עצמו אליה. פיתוחים נוספים של הטכנולוגיה כדי לתת מענה לארגונים גדולים מאוד התפתחו לקראת סוף המאה ה-20 - זוהי טכנולוגיית Gigabit Ethernet.

ראו גם

• מונחים ברשת מחשבים
• מבנה מסגרת Ethernet בויקיפדיה האנגלית - Ethernet frame.

קישורים חיצוניים

• צבי שחם, רשתות אתרנט: מה- LAN לאן?, באתר TheCom תבנית:Link GA