سبد خرید

دانشکده مجازی مخابرات و الکترونیک

اترنت

بسم الله الرحمن الرحیم

معرفی

اترنت یک فناوری سنتی برای اتصال دستگاه‌ها در یک شبکه محلی سیمی (LAN) یا شبکه گسترده (WAN) است، که دستگاه‌ها را قادر می‌سازد از طریق یک پروتکل که مجموعه‌ای از قوانین یا زبان مشترک شبکه است با یکدیگر ارتباط برقرار کنند. اترنت تعیین می‌کند که چگونه دستگاه‌های شبکه داده‌ها را قالب‌بندی کرده و انتقال دهند تا دستگاه‌های دیگر در همان شبکه LAN یا محدوده مشخص شده بتوانند اطلاعات را شناسایی، دریافت و پردازش کنند. کابل اترنت سیم‌کشی فیزیکی و محصور شده‌ای است که داده‌ها روی آن حرکت می‌کنند.⁽¹⁾

تاریخچه

در سال ۱۹۷۳ متکف، که به تازگی دکتری خود را از هاروارد گرفته بود، برای آموزش به پرسنل ارتش ایالات متحده برای استفاده از اولین شبکه‌ی پکت سوئیچینگ عملیاتی جهان، موسوم به ARPANET، زیاد به واشنگتن سفر می کرد. در طول حضورش در پایتخت در آپارتمان یکی از دوستانش اقامت داشت. روزی کتابی محتوی شرح کنفرانس‌های فدراسیون انجمن های پردازش اطلاعات آمریکا (AFIPS) از سال ۱۹۷۰ به چشمش خورد. در این کتاب گنجی نهفته بود، مقاله نورمن آبرامسون با عنوان «سیستم Aloha – جایگزینی دیگر برای ارتباطات کامپیوتری». در این مقاله ساخت شبکه‌ای از کامپیوترها بر پایه امواج رادیو توضیح داده شده بود؛ این شبکه بعدها به نام ALOHAnet شناخته شد. اگرچه متکف با برخی از جنبه های این مدل تکنولوژی موافق نبود اما این مقاله نظر وی را بسیار جلب کرد.

ALOHAnet برای ارتباط داده میان جزایر هاوایی استفاده می‌شد و بر خلاف ARPANET که در آن برقراری ارتباطات متکی به کانکشن های اختصاصی بود ALOHAnet از امواج مشترک UHF برای مخابره در شبکه استفاده می کرد.

ALOHAnet به یک مشکل اساسی رسیدگی کرده بود. این تکنولوژی اختلال امواج را برطرف می کرد؛ چون دو رادیو که همزمان امواج را ارسال می کنند بین امواج آن‌ها اختلال ایجاد می‌شود. اما در این سیستم نودها اطلاعات از دست رفته در هر پکت را پس از انتظار یک بازه زمانی رندوم دوباره ارسال می کردند؛ با اینکه این نوع ابتدایی از اجتناب تداخل پکت‌ها به نسبت خوب کار میکرد، اما طراحی اصلی آبرامسون نشان داد که ALOHAnet در بیشترین بار ترافیکی می‌تواند تنها از ۱۷ درصد کارایی بالقوه حداکثری خود استفاده کند.

متکف در حین تحصیلات تکمیلی روی این مسئله کار کرده بود. او کشف کرده بود که با الگوریتم صحیح صف بندی پکت‌ها میتوان بهره‌وری را تا ۹۰ درصد افزایش داد.

در PARC راه حل بی‌سیم چاره کار نبود. متکف بجای آن از کابل کواکسیال استفاده کرد. اما بجای اینکه شبکه اش را CoaxNet بنامد یا از نام اصلی آن یعنی Alto Aloha network استفاده کند از یک عبارت علمی منسوخ مربوط به قرن ۱۹ استفاده کرد. ether که در علم فیزیک قرن ۱۹ رواج داشت. در آن زمان به واسطه‌ی گسیل نور luminiferous ether میگفتند.

در مصاحبه ای در سال ۲۰۰۹ متکف توضیح داد که «کلا مفهوم وجود واسطه ای منفعل و موجود در همه جا برای انتشار امواج مغناطیسی وجود نداشت. تخیلی بود. اما وقتی من و دیوید (باگز) در حال ساخت این شبکه در PARC بودیم قرار بر این شد که از همه راهروها کابل رد کنیم تا واسطه ای منفعل و موجود در همه جا برای انتقال امواج الکترومغناطیسی یا در مورد کار ما دیتا پک بسازیم.». اولین نودهای نخستین اترنت نیز به افتخار دانشمندانی که عدم وجود اتر را کشف کردند، مایکلسون و مورلی نام گذاری شدند.

در ۲۲ ماه مه سال ۱۹۷۳ متکف یادداشتی برای مدیریت PARC نوشت که در آن توضیح داده شده بود که اترنت چگونه کار می کند. کابل کواکسیال در راهروهای PARC نصب شد و اولین کامپیوترها در ۱۱ نوامبر ۱۹۷۳ به این شبکه با معماری bus متصل شدند. این اولین نمونه آزمایشی اترنت بود که سرعتی در حدود ۳Mbps داشت و بیش از ۱۰۰ ورک استیشن را با یک کیلیومتر کابل به هم متصل می‌کرد که موفقیت بسیار بزرگی در شروع کار بود.

طی چند سال بعد اترنت یک سیستم بسته درون سازمانی باقی ماند. سپس در سال ۱۹۷۶ متکف و باگز مقاله ای با عنوان “Ethernet: Distributed Packet-Switching for Local Computer Networks.” منتشر کردند. زیراکس حق انحصاری تکنولوژی را گرفت اما برخلاف اغلب کمپانی‌های مدرن زیراکس با در اختیار دیگران گذاشتن اترنت مشکلی نداشت.

متکف در سال ۱۹۷۹ زیراکس را به قصد تاسیس ۳Com ترک کرد؛ ایده اش را پرورش داد و DEC، اینتل و زیراکس را برای تجاری سازی اترنت متقاعد کرد؛ اما بعدها کنسرسیوم ایجاد شده موسوم به DIX، به همکاری در این مورد پایان دادند. گذشته از کشمکش‌های داخلی، DIX امیدوار بود که کمیته IEEE 802، اترنت را استاندارد شبکه اعلام کند، اما این کمیته قصد چنین کاری نداشت. این کار سال ها به طول انجامید تا سر انجام در ۲۲ ژوئن سال ۱۹۸۳ کمیته IEEE اترنت را با کد IEEE 802.3 بعنوان استاندارد شبکه تایید کرد. تفاوت بسیار کمی میان IEEE 802.3 و آنچه تا آن روز تحت عنوان اترنت ۲ یا DIX 2.0 تکامل یافته بود مشاهده می شد.

تا اینجای کار اترنت به سرعت ۱۰Mbps رسیده و در مسیر محبوبیت گسترده قرار گرفته بود. این محبوبیت تا حدی به علت پیشرفت طراحی فیزیکی آن بود. اولین اترنت از کابل کواکسیال ۹.۵ میلیمتری (Thicknet) استفاده می کرد؛ پس از آن Thinnet) 10Base2) عرضه شد که از کابل هایی مانند کابل تلویزیون کابلی یا RG-58A/U استفاده می‌کرد. این کابل نصب شبکه را بسیار آسان‌تر کرد. بعلاوه امکان آن ایجاد شد که بتوان یک کامپیوتر را با کانکتور T به شبکه متصل کرد. اما ۱۰Base2 یک مشکل بزرگ داشت: اگر کابل در جایی قطع می شد، کل شبکه قطع می‌شد. در دفاتر بزرگ پیدا کردن محل دقیق قطع شدگی کابل بسیار مشکل بود.

تا دهه ۸۰ جای هر دو سیستم کابل کشی ۱۰Base5 و ۱۰Base2 را زوج به هم تابیده بدون شیلد (UTP) گرفت. این تکنولوژی، ۱۰BaseT، و نوادگان آن مانند ۱۰۰Base-TX و ۱۰۰۰Base-T چیزی است که ما امروزه از آن استفاده می‌کنیم.

در این سال‌ها کابل‌های فیبر نوری وارد دنیای شبکه شده‌اند که مزایای زیادی دارند و محدودیت‌های کابل شبکه زوج تابیده شده (Twisted Pair) مثل عدم پشتیبانی از فواصل دور را ندارند.⁽²⁾

اجزای سخت افزاری و ساختار

آداپتور یا کارت شبکه اترنت (Ethernet NIC): داپتور یا کارت شبکه اترنت در واقع رابطی است که کابل اترنت از طریق آن به مادربورد وصل می شود. معمولاً تمامی مادربوردها و رایانه ها کارت اترنت دارند.

کابل اترنت: داده ها به کمک کابل بین گره‌ های شبکه مبادله می شوند. کابل های اترنت چندین رشته سیم دارند که امکان انتقال دو طرفه داده‌ ها را ایجاد می کند. در نسخه‌ های اولیه و قدیمی اترنت برای ایجاد ارتباط بین گره‌ های شبکه از کابل هم‌ محور استفاده می شد اما در نسخه‌ های به روز و جدید، کابل به هم تابیده و فیبر نوری جایگزین شده است.

روتر و سوئیچ (هاب) اترنت: سوئیچ (هاب) گره های شبکه اترنت را در یک نقطه به هم وصل و پیغام ها را بین گره‌ ها مبادله می کند. روتر برای متصل کردن دو یا چند شبکه محلی اترنت به یکدیگر یا به اینترنت استفاده می شود.⁽³⁾

انواع

انواع کابل اترنت: کابل‌های اترنت به دو صورت کلی ساخته می‌شوند. مورد اول کابل ethernet استاندارد که برای شبکه‌های خانگی به کار برده می‌شوند. این نوع کابل‌ها، مقاومت بالایی در برابر شکستگی و ترک دارند. مورد دوم کابل‌های اترنت Solid هستند که امنیت بالایی در برابر تداخل الکتریکی دارند. از این نوع کابل‌ها در سیم‌کشی کف ساختمان و دیوارهای اداری و نیز شبکه‌های سازمانی بهره می‌برند.

کابل‌های اترنت، شاخه‌ای از کابل‌های شبکه و دارای انواع مختلفی هستند که بسته به نوع کاربرد، کارایی متفاوتی دارند. انواع کابل اترنتی که در حال حاضر وجود دارد، با کانکتور RJ45 مورد استفاده قرار می‌گیرند. این کابل‌ها شامل Cat 5، 5e، Cat 6، 6a، Cat 7 و Cat 8 هستند. در بین این کابل‌ها، دو کابلی که از استاندارهای Cat 5e و Cat 6 پشتیبانی می‌کنند، بیشترین استفاده را دارند و به نوعی رایج‌ترین کابل‌های اترنت هستند.

کابل اترنت تخت Cable Geeker: این کابل از زوج سیم‌های مسی به هم بافته شده تشکیل شده که بدون شیلد هستند. در این نوع کابل، وجود دو هادی با طراحی Snagless، باعث جلوگیری از قطعی‌های ناخواسته می‌شود. این کابل کانکتورهایی با روکشی از 50 میکرون طلا دارد. حداکثر سرعت برای این کابل، 1 Gbps تعریف شده است. همچنین در برابر پدیده Crosstalk، در مقایسه با کابل‌های معمولی Cat 5 و Cat 5a عملکرد بهتری دارد. طول کابل ethernet تخت Cable Geeker، 100 فوت است. پهنای باندی که برای کاربر فراهم می‌کند، در حدود 250 مگاهرتز است.

کابل اترنت Cables Direct Online: این کابل از 4 زوج سیم تشکیل شده که به یکدیگر بافته شده‌اند. این 4 زوج سیم آلومینیومی بوده و روکش‌های عایقی از جنس PVC دارند. کانکتورهای این کابل اترنت، روکش طلا و رساناهایی با جنس آلومینیوم و روکش مس هستند. کابل‌های اترنت Cables Direct Online، حدود 3 فوت طول دارد. این نوع کابل از حداکثر پهنای باند 350 مگاهرتزی برخوردار است. در حالی که یک کابل Cat 5a فقط 10 مگاهرتز پهنای باند دارد. پهنای باند 350 مگاهرتزی نرخ داده‌ه‍ای پایدار در حدود 1 Gbps (گیگابایت در ثانیه) تولید می‌کند. این نوع کابل برای کسانی مناسب است که خواهان سرعت بالا نیستند، ولی می‌خواهند یک اتصال سیمی مطمئن داشته باشند. رنگ این کابل خاکستری بوده و تخت نیست.

کابل اترنت Vandesail: این کابل از نوع Cat 7 بوده و طولی برابر با 16 فوت دارد. البته گفتنی است که با دستگاه‌هایی که دارای استاندارد Cat 5e و Cat 6 هستند، سازگاری دارد. این کابل سرعتی برابر با 10 Gbps ایجاد می‌کند. این کابل به صورت تخت طراحی شده است. با این طراحی می‌توان آن را روی بردهای اصلی نصب کرد و همچنین قرارگیری کابل‌ در زیر فرش بدون هیچ محدودیتی امکان‌پذیر است. حداکثر پهنای باندی که این نوع کابل در اختیار کاربر قرار می‌دهد، در حدود 1 گیگاهرتز است.

کابل اترنت DBillionDa: این کابل از نوع Cat 8 است. کابل DBillionDa، عملکرد و شیلد بهتری نسبت به سایر انواع کابل اترنت Cat 8 دارد. این کابل‌ها در برابر آب و خوردگی مقاوم هستند. طول این کابل 3 تا 100 فوت بوده و با روکشی از جنس طلا تولید می‌شود. کابل‌های اترنت از نوع DBillionDa برای مدیریت حرفه‌ای و شخصی کابل مناسبی هستند و در اجرای پروژه‌های فضاهای بیرونی و داخلی از این کابل بهره می‌گیرند. پهنای باندی که این کابل فراهم می‌کند، در حدود 2 گیگاهرتز بوده و نرخ انتقال داده برای آن حداکثر 40 گیگابایت در ثانیه است.⁽⁴⁾

انواع شبکه اترنت: از مهم‌ ترین انواع شبکه های اترنت می توان به اترنت خطی، اترنت ستاره‌ ای با استفاده از هاب، اترنت ستاره‌ ای با استفاده از سوئیچ، اترنت سریع و اترنت گیگابیت اشاره کرد.

شبکه اترنت خطی (Bus Ethernet): در این نوع اترنت که به آن اترنت باریک (Thin Ethernet یا Thin-net) نیز گفته می شود، تمامی گره ها به‌ صورت زنجیره ای و توسط کابل هم‌ محور RG۵۸ به هم متصل می شوند. ساختار این شبکه ساده‌ است، محدودیت‌ های زیادی دارد و امروزه تقریباً جایگاه و کاربردی ندارد.

از معایب این نوع شبکه می توان به دو مورد مهم اشاره کرد: 1- مستعد پدیده برخورد است. یعنی اگر دو گره بخواهند بطور هم‌ زمان داده ای را ارسال کنند، پدیده برخورد (collision) رخ می دهد. در این‌ صورت هر یک از گره‌ ها برای مدتی توقف کرده و سپس دوباره تلاش می کند 2- عیب دیگر آن این است که اگر یکی از گره‌ ها از مدار خارج شود، کل شبکه از کار می افتد.

اترنت ستاره ای با استفاده از هاب اترنت: هاب دستگاهی است که همه گره‌ های شبکه را در یک نقطه مشترک به هم وصل می کند و اترنت ستاره ای را ایجاد می کند.

باید گفت که در اترنت با استفاده از هاب نیز امکان بروز پدیده برخورد وجود دارد، اما چون تمامی گره‌ ها در یک نقطه متمرکز می شوند، اگر گره ای از کار بیافتد، ارتباط هاب با دیگر گره‌ ها حفظ می ماند و شبکه به کار خود ادامه می‌ دهد.

بزرگ ترین مشکل هاب در این است که نمی‌ تواند آدرس مقصد بسته‌ ها را بخواند. پس داده دریافت شده از هر گره را تکثیر و آن را بین تمامی گره‌ ها پخش (برودکست) می‌ کند تا گره مقصد، خودش بسته را شناسایی و آن را دریافت نماید. به همین دلیل امروزه هاب ها کاربردی ندارند و سوئیچ‌ ها جایگزین آنها شده‌اند.

اترنت ستاره ای با استفاده از سوئیچ (Switch ethernet): جایگزین شدن سوئیچ شبکه به جای هاب، مشکل برخورد سیگنال‌ ها و معایب دیگر را برطرف می‌ کند. سوئیچ مانند هاب با ایجاد اترنت ستاره ای، گره‌ های شبکه محلی را در یک نقطه به هم متصل می کند، با این تفاوت که سوئیچ می‌ تواند آدرس مقصد بسته‌ ها را بخواند و بسته ارسالی از گره مبدأ را مستقیماً به گره مقصد برساند.

در شبکه اترنت‌ براساس سوئیچ، همه گره ها می توانند بطور همزمان برای یکدیگر پیغام ارسال کنند. پس، هم از برخورد سیگنال ها جلوگیری می‌ شود و هم سرعت عملکرد شبکه بالاتر می رود.

اترنت سریع (fast ethernet): این نوع شبکه اترنت می تواند داده ها را با سرعت ۱۰۰ مگابیت بر ثانیه از طریق کابل twisted-pair یا کابل فیبر نوری (fiber-optic) منتقل کند.

اترنت گیگابیتی (Gigabit ethernet): این شبکه قادر است داده ها را با سرعتی معادل ۱۰۰۰ مگابیت بر ثانیه توسط کابل twisted-pair یا کابل فیبر نوری منتقل کند.⁽³⁾

مزایا و معایب

مزایا:

1- سازگاری خوبی با تکنولوژی های قدیمی تر دارد.

2- هزینه آن نسبتاً کم است.

3- اترنت در برابر نویز مقاوم است.

4- کیفیت انتقال داده خوبی دارد.

5- سرعت آن زیاد است. در شبکه اترنت داده ها با سرعت زیادی منتقل می شوند. سرعت اتصالات اترنت بسیار بیشتر از اتصالات بی سیم وای فای است. امروزه بسیاری از دانشگاه ها در شبکه های خود از فناوری اترنت گیگابیتی استفاده می کنند.

6- امنیت داده ها را فراهم می کند، زیرا می توان از فایروال های رایج استفاده کرد.

معایب:

1- استفاده از کابل های بلندتر می تواند تداخل ایجاد کند.

2- برای شبکه های کوچک تر با مسافت کوتاه طراحی شده است.

3- با افزایش ترافیک سرعت در آن کاهش می یابد.

4- گیرندگان دریافت بسته های داده را تأیید نمی کنند.

5- عیب یابی برای تعیین اینکه کدام کابل یا گره باعث ایجاد مشکل شده است، دشوار است.⁽³⁾

مهمترین چالش ها

دستیابی به سرعت اترنت یک ترابایت در ثانیه و بالاتر به معنای غلبه بر موانع فنی اپتیکی، قدرت برق و معماری شبکه است.

در حالی که انتقال به سرعت 400G Ethernet تاکنون عمدتاً یک رویداد بزرگ در شبکه‌های ارتباطی راه دور بوده است، هدف این کاربران و همچنین مشتریان مرکز داده در نهایت انتقال به سرعت حداقل 800Gbps و احتمالاً 1.6Tbps است و گرچه به نظر می‌رسد 800 گیگابیت بر ثانیه برای ناظران شبکه اترنت یک هدف بلند است، اما چالش‌هایی مانند اپتیک، قدرت برق و معماری مورد نیاز برای جهش سرعت بعدی بسیار مهم به نظر می‌رسند.

نیاز به افزایش سرعت در مراکز داده و سرویس‌های ابری توسط موارد بیشماری عوامل از جمله رشد مداوم شبکه‌های فوق مقیاس شرکتهایی مانند گوگل، آمازون و فیس بوک ایجاد می‌شود ، اما همچنین بارهای ابری، هوش مصنوعی، ویدئو و برنامه‌های تلفن همراه که توزیع بیشتری دارند از عوامل اضافی این تغییرات به شمار می‌روند و شبکه های فعلی و آینده را پشتیبانی خواهند کرد.

بر اساس ارزیابی پهنای باند توسط IEEE در آوریل 2020، پیش بینی می‌شود که ترافیک IP جهانی تا سال 2022 به 396 اگزابایت در ماه افزایش یابد، در حالی که این میزان ذر سال 2017 177EB بوده است. عوامل اساسی مانند افزایش تعداد کاربران، نرخ دسترسی و روشهای متنوع آن و افزایش نوع خدمات، همه نشان دهنده ادامه رشد تقاضا برای پهنای باند است.

فعالیتهای چشمگیری در صنعت فناوری اطلاعات جهت حرکت سریعتر فناوریهای اترنت وجود داشته است. به عنوان مثال، موسسه مهندسان برق و الکترونیک (IEEE) و انجمن استاندارد IEEE در پایان سال 2020 گروه مطالعه اترنت IEEE 802.3 برای بیشتر از 400 گیگابیت بر ثانیه را تشکیل دادند.⁽⁵⁾

ابزار ها و نرم افزار های مرتبط

ابزار ها:

CAT.6A Ethernet Coupler, Metal enclosure, 2 x RJ45 Socket, 1:1

CAT.6A Ethernet Outdoor Coupler, Nylon enclosure, IP68, 2 x RJ45 Socket, 1:1

Ethernet Cable Testing Tool - UTP, STP, RJ45, RJ11, RJ12

LSA Application Tool

Extralink Patchpanel - 24 Port, CAT6, STP, 1U

LogiLink MP0002 | 100 x RJ45 Connector, CAT5e

Ubiquiti TOUGHCable Connector, Grounded / TC-GND , RJ-45 Connector

Ubiquiti TOUGHCable Connector / TC-CON , RJ-45 Connector

Ubiquiti TOUGHCable Connector, Grounded / TC-GND, RJ-45 Connector

Extralink Patchpanel - 24 Port, CAT6, UTP, 1U