شرح بروتوكول إيثرنت Ethernet: التقنية الأساسية لشبكات الحاسوب

يُعتبر بروتوكول إيثرنت (Ethernet) حجر الزاوية في عالم شبكات الحاسوب، حيث يشكل الإطار الأساسي الذي تقوم عليه معظم الشبكات المحلية LAN في جميع أنحاء العالم. تأسس إيثرنت في السبعينيات على يد روبرت ميتكالف في مختبرات زيروكس بالولايات المتحدة، ومنذ ذلك الحين شهد تطورًا مستمرًا في سرعته وتقنياته، ليواكب متطلبات العصر الرقمي المتسارع. هذا المقال يقدم شرحًا مفصلاً وموسعًا لبروتوكول إيثرنت، مبينًا تاريخه، بنيته، آلية عمله، التطورات التي مر بها، وكيفية استخدامه في الشبكات الحديثة.

مفهوم إيثرنت Ethernet

يُعرّف إيثرنت على أنه معيار وتقنية تُستخدم لربط أجهزة الحاسوب ضمن شبكة محلية (LAN) باستخدام كابلات معينة، مع تحديد قواعد واضحة لكيفية إرسال واستقبال البيانات بين هذه الأجهزة. من الناحية التقنية، إيثرنت هو بروتوكول طبقة الوصول إلى الوسيط (MAC) ضمن نموذج OSI، حيث يحدد كيفية تحويل البيانات إلى إطارات (Frames) يتم إرسالها عبر الوسائط الفيزيائية مثل الكابلات.

تقوم إيثرنت باستخدام عنوان فريد لكل جهاز يسمى عنوان MAC (Media Access Control Address)، مما يتيح تحديد هوية كل جهاز ضمن الشبكة والتعامل معه بشكل منفصل.

تاريخ تطور إيثرنت Ethernet

• 1973: بداية تطوير إيثرنت على يد روبرت ميتكالف وزملائه في مختبرات زيروكس.

• 1980: اعتماد معيار إيثرنت بسرعة 10 ميغابت في الثانية (10Mbps) من قبل معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات IEEE تحت التسمية 802.3.

• 1995: تطوير تقنية إيثرنت بسرعة 100 ميغابت في الثانية (Fast Ethernet) وتحديدها في معيار IEEE 802.3u.

• 2002: إطلاق معيار إيثرنت بسرعة 1 جيجابت في الثانية (Gigabit Ethernet) ضمن معيار IEEE 802.3ab.

• 2010 وما بعده: ظهور سرعات أعلى تصل إلى 10 جيجابت وأيضًا 40 و100 جيجابت في الثانية لتلبية متطلبات الشبكات الحديثة.

بنية إطار إيثرنت Ethernet Frame

يتكون إطار إيثرنت من مجموعة من الحقول التي تحتوي على معلومات مهمة لضمان وصول البيانات بشكل صحيح وآمن من المرسل إلى المستقبل. البنية الأساسية لإطار إيثرنت هي كالتالي:

مقدمة الإطار (Preamble) وعلامة البداية (SFD)

• مقدمة الإطار تتكون من 7 بايت من نمط بتات معين (عادةً 101010…) تستخدم لضبط مزامنة الساعة بين أجهزة الإرسال والاستقبال.

• علامة بداية الإطار هي بايت واحد يشير إلى بداية الإطار الحقيقي، وتكون قيمة خاصة (10101011).

عنوان الوجهة والمصدر

• عنوان MAC يتكون من 6 بايت، وهو رقم فريد معطى لكل بطاقة شبكة (NIC) في العالم. تُستخدم هذه العناوين لتوجيه الإطارات داخل الشبكة.

نوع الإطار

• يحدد هذا الحقل البروتوكول الأعلى الذي يستخدمه الإطار، مثل IPv4 أو IPv6، أو طول البيانات المرسلة.

البيانات (Payload)

• يتراوح حجم البيانات بين 46 إلى 1500 بايت في الإطار القياسي. في حال كانت البيانات أقل من الحد الأدنى، يتم إضافة حشو لضمان الحجم الأدنى للإطار.

رمز التحقق الدوري (CRC)

• يستخدم هذا الحقل للتحقق من سلامة الإطار بعد استلامه. إذا كانت البيانات تالفة، يتم تجاهل الإطار.

آلية عمل إيثرنت

تعتمد إيثرنت على طريقة تسمى Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD)، والتي تعني “الوصول المتعدد مع الاستماع للحامل والكشف عن التصادم”. هذه الآلية تسمح لأجهزة الشبكة بمشاركة نفس الوسيط الفيزيائي (الكابل) بطريقة منظمة لضمان نقل البيانات دون تصادم أو فقدان.

الخطوات الأساسية لعمل CSMA/CD:

1. الاستماع إلى الوسيط: قبل أن يبدأ جهاز الإرسال بنقل البيانات، يستمع إلى القناة للتأكد من خلوها من أي إشارة أخرى (Carrier Sense).

2. إرسال البيانات: إذا كانت القناة خالية، يبدأ الجهاز بإرسال الإطار.

3. الكشف عن التصادم: في حالة تزامن إرسال أكثر من جهاز في الوقت نفسه، يحدث تصادم (Collision)، ويكتشف الجهاز ذلك عن طريق قياس التغيرات في الإشارة.

4. إيقاف الإرسال وإعادة المحاولة: عند الكشف عن التصادم، يتوقف الجهاز عن الإرسال ويرسل إشارات تصادم (Jam Signal)، ثم ينتظر مدة عشوائية (Backoff) قبل المحاولة مرة أخرى.

أهمية CSMA/CD

هذه الآلية تضمن عدالة الوصول للوسيط بين الأجهزة المتصلة وتقلل من فقدان البيانات الناتج عن التصادمات. مع تطور الشبكات واعتماد تقنيات التبديل (Switching)، قلّ الاعتماد على CSMA/CD بسبب خصائص الشبكات الحديثة التي تقلل التصادمات بشكل كبير.

أنواع إيثرنت Ethernet وأنواع الكابلات

تطورت تقنيات إيثرنت عبر الزمن لتشمل عدة سرعات وأنواع، مع اختلاف في نوع الكابلات المستخدمة:

كابلات إيثرنت

• كابل زوج مجدول (Twisted Pair): أكثر أنواع الكابلات شيوعًا، يتكون من أزواج من الأسلاك المجدولة التي تقلل من التداخل الكهرومغناطيسي.

• الألياف البصرية: تستخدم لنقل البيانات لمسافات طويلة وبسرعات عالية جدًا مع انخفاض فقد الإشارة.

إيثرنت والسويتشات (Switches)

مع ازدياد حجم الشبكات وحاجة المؤسسات إلى تقليل التصادمات وتحسين الأداء، أصبحت السويتشات أجهزة رئيسية تستخدم في شبكات إيثرنت الحديثة. السويتش هو جهاز يقوم بتوجيه الإطارات بين الأجهزة بناءً على عناوين MAC، مما يقلل التصادمات بشكل كبير ويزيد من كفاءة الشبكة.

الفرق بين السويتش والهَب (Hub)

• الهَب: جهاز بسيط يعيد إرسال البيانات المرسلة إلى كل الأجهزة المتصلة، مما يؤدي إلى ازدحام الشبكة وحدوث تصادمات متكررة.

• السويتش: يقوم بتوجيه الإطارات فقط للجهاز المستهدف بناءً على عنوان MAC، مما يحسن من الأداء ويقلل التصادمات.

تطورات حديثة في إيثرنت

شهدت تقنية إيثرنت تطورات كبيرة لتلبية الطلب المتزايد على سرعات نقل أعلى وتحسين الكفاءة، أهمها:

• إيثرنت 10 جيجابت (10GbE): أصبح معيارًا شائعًا في مراكز البيانات والشبكات الاحترافية.

• إيثرنت 40 و100 جيجابت: تستخدم في الشبكات فائقة السرعة لمراكز البيانات الكبيرة.

• إيثرنت عبر الطاقة (Power over Ethernet – PoE): تقنية تتيح نقل الطاقة الكهربائية مع البيانات عبر نفس كابل إيثرنت، مما يسهل تركيب الأجهزة مثل كاميرات المراقبة، هواتف VoIP، وأجهزة الواي فاي.

أهمية إيثرنت في الشبكات الحديثة

تظل تقنية إيثرنت الخيار الأول والأكثر شيوعًا في الشبكات المحلية بسبب مزاياها المتعددة مثل سهولة التركيب، التكلفة المنخفضة نسبيًا، والموثوقية العالية. كما أن التوافق الكبير بين مختلف الأجهزة والشبكات يجعلها معيارًا عالميًا لا غنى عنه.

مقارنة إيثرنت مع تقنيات أخرى

• Wi-Fi: تتيح الشبكات اللاسلكية حرية الحركة، لكنها أقل استقرارًا وأبطأ في السرعة مقارنة بإيثرنت السلكية.

• التقنيات الأقدم مثل Token Ring: كانت تستخدم في السابق، لكنها استُبدلت بإيثرنت بسبب بساطتها وسرعتها.

الخلاصة

يُعد بروتوكول إيثرنت حجر الزاوية الذي قامت عليه الشبكات المحلية منذ أكثر من أربعة عقود. بفضل التطورات المستمرة في سرعته وتقنياته، استطاع إيثرنت أن يلبي متطلبات عالم يتجه نحو الاتصال الرقمي السريع والموثوق. فهم بنية الإطارات، آلية عمل CSMA/CD، واستخدامات السويتشات، وكذلك التطورات الحديثة، كلها عناصر تبرز أهمية هذا البروتوكول في تصميم وتشغيل الشبكات الحديثة. في ظل التطورات التكنولوجية السريعة، تبقى إيثرنت إحدى الركائز الأساسية في مجال شبكات الاتصالات.

المراجع

1. IEEE Standards Association. (2022). IEEE 802.3 Ethernet Standard.

2. Stallings, W. (2020). Data and Computer Communications. Pearson Education.