الوحدة 9: شبكة الإيثرنت والتقنيات المرتبطة

تمهيد الوحدة

أصبحت الإيثرنت (Ethernet) معيار الشبكات المحلية الأكثر انتشارًا منذ تسعينات القرن الماضي حتى اليوم. تتفوق ببساطتها وتكلفتها المنخفضة وقابليتها العالية للتوسع، وقد تطورت سرعاتها من 10 ميجابت/ث إلى 100 جيجابت/ث وما بعد. في المقابل، كانت هناك تقنيات منافسة مثل Token Ring اندثرت تقريبًا أمام زخم الإيثرنت.

أهداف الوحدة

بنهاية هذه الوحدة ستكون قادرًا على:

• تعريف الإيثرنت وشرح تطورها: 10/100/1000 ميجابت/ث (Fast/Gigabit) وتمهيد لـ 10G+.
• التمييز بين الوسائط: نحاسية وألياف بصرية وخصائص كلٍ منها.
• وصف مبادئ الوصول للوسط في Ethernet (CSMA/CD) ولماذا اختفى عمليًا مع السويتشات ووضع Full-Duplex.
• فهم تقنية Token Ring وخصائصها ولماذا تراجعت.
• اختيار وسائط وكابلات مناسبة حسب المسافة والسرعة.

ما هي الإيثرنت؟ (What is Ethernet)

• الإيثرنت (Ethernet): هي عائلة من معايير شبكة الكمبيوتر ضمن IEEE 802.3 تُستخدم بشكل أساسي لإنشاء الشبكات المحلية (LANs).
• طبقة العمل: تعمل الإيثرنت في الطبقة الثانية (طبقة ربط البيانات) من نموذج OSI، حيث تقوم بتوجيه الإطارات (Frames) اعتمادًا على عناوين MAC الفيزيائية.
• آلية الوصول للوسط (تاريخيًا): كانت الإيثرنت تستخدم آلية CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). تعني هذه الآلية أن الأجهزة "تستمع" إلى الوسيط قبل الإرسال، وإذا اكتشف جهازان أنهما يرسلان في نفس الوقت (تصادم)، يتوقفان عن الإرسال ويعيدان المحاولة بعد فترة عشوائية.
  ملاحظة هامة: مع ظهور السويتشات (Switches) والعمل في وضع Full-Duplex (إرسال واستقبال متزامن)، لم تعد آلية CSMA/CD تستخدم عمليًا في الشبكات الحديثة، لأن التصادمات أصبحت نادرة جداً أو معدومة.

3.1 إطار الإيثرنت (Ethernet Frame)

الإطار هو وحدة البيانات في طبقة ربط البيانات (الطبقة الثانية). يتكون إطار الإيثرنت من عدة حقول رئيسية:

• مع وسم 802.1Q VLAN: عند استخدام شبكات VLAN، يُضاف وسم إضافي بحجم 4 بايت إلى الإطار، مما يزيد الحجم الأقصى للإطار (MTU) عادةً إلى حوالي 1522 بايت.
• Jumbo Frames: في بعض بيئات الشبكات عالية الأداء (مثل مراكز البيانات)، يمكن استخدام "إطارات جامبو" بحجم يصل إلى حوالي 9000 بايت. هذا يقلل من عدد الإطارات اللازمة لنقل نفس كمية البيانات، مما يقلل من حمل المعالجة على أجهزة الشبكة.

تطور سرعات الإيثرنت

شهدت الإيثرنت تطورًا هائلاً في السرعات على مر العقود لتلبية الاحتياجات المتزايدة للبيانات:

• Ethernet (10BASE-T): السرعة الأصلية كانت 10 ميجابت/ثانية على كابلات الأزواج المجدولة النحاسية. كانت تستخدم غالبًا مع Hubs.
• Fast Ethernet (100BASE-TX): تطور إلى 100 ميجابت/ثانية، وأصبح استخدامها واسعًا في الشركات والمدارس خلال التسعينات وأوائل الألفية.
• Gigabit Ethernet (1000BASE-T/SX/LX): وصل إلى 1 جيجابت/ثانية، وأصبح اليوم هو الحد الأدنى الشائع للسرعة على المنافذ الطرفية في معظم الشبكات الحديثة. تتوفر نسخ على النحاس (1000BASE-T) وعلى الألياف (1000BASE-SX/LX).
• 10 Gigabit Ethernet (10GBASE-T/SR/LR …): بسرعة 10 جيجابت/ثانية، تُستخدم بشكل أساسي في مراكز البيانات، ولربط السويتشات الأساسية (Core Switches) ببعضها، أو لربط السويتشات بالخوادم ذات حركة المرور العالية.
• سرعات أعلى (خارج نطاق هذه الوحدة): توجد الآن معايير لسرعات أعلى بكثير مثل 25G، 40G، 100G، وحتى 400G، وهي تُستخدم في العمود الفقري للإنترنت ومراكز البيانات الكبيرة وشبكات مزودي الخدمة.

4.1 مفاهيم مهمة في سرعات الإيثرنت

• Auto-Negotiation (التفاوض التلقائي): هي ميزة في منافذ الإيثرنت تسمح للجهازين المتصلين بالتفاوض تلقائيًا على أفضل سرعة اتصال (مثلاً 100 Mbps أو 1 Gbps) ووضع الازدواجية (Half-Duplex أو Full-Duplex) المدعومين من كلا الطرفين.
• Full-Duplex (ازدواجية كاملة): وضع تشغيل يسمح بالإرسال والاستقبال المتزامن للبيانات على نفس الكابل في نفس الوقت. هذا يلغي الحاجة إلى آلية CSMA/CD بشكل فعال، حيث لا يمكن حدوث تصادمات لأن كل طرف لديه مساره الخاص للإرسال والاستقبال. هذا هو الوضع الافتراضي والأكثر شيوعًا مع السويتشات الحديثة.

الوسائط (Media): النحاس والألياف

تستخدم الإيثرنت نوعين رئيسيين من الوسائط المادية لنقل البيانات:

5.1 النحاس (Copper – Twisted Pair)

الكابلات النحاسية هي الأكثر شيوعًا في الشبكات المحلية نظرًا لتكلفتها ومرونتها.

• الأنواع:
  • UTP (Unshielded Twisted Pair): غير محمي، الأكثر استخداماً.
  • STP (Shielded Twisted Pair): محمي، يوفر مقاومة أفضل للتشويش.

  فئات (Categories) شائعة: Cat5e, Cat6, Cat6a. كل فئة تدعم سرعات ومسافات أعلى.

• المسافات النموذجية (لـ 100 متر كحد أقصى نظري):
  • 100BASE-TX (Fast Ethernet): حتى 100 متر على Cat5e أو أفضل.
  • 1000BASE-T (Gigabit Ethernet): حتى 100 متر على Cat5e/Cat6.
  • 10GBASE-T (10 Gigabit Ethernet):
    • حتى 55 مترًا على Cat6 (قد تقل حسب الضوضاء والظروف).
    • حتى 100 متر على Cat6a (يوفر أداءً أفضل لـ 10G).
• المزايا: تكلفة منخفضة، تركيب سهل، مناسب للمكاتب والشبكات المنزلية.
• القيود: حسّاس للتشويش والتداخل الكهرومغناطيسي، ومحدودية المسافة مقارنة بالألياف.

5.2 الألياف البصرية (Fiber Optic)

تستخدم نبضات ضوئية لنقل البيانات، وتُعد مثالية للسرعات العالية والمسافات الطويلة.

• الأنواع:
  • MMF (Multi-Mode Fiber - ألياف متعددة النمط): تستخدم شعاعات ضوئية متعددة، مناسبة للمسافات القصيرة داخل المباني (مثلاً OM2/OM3/OM4).
  • SMF (Single Mode Fiber - ألياف أحادية النمط): تستخدم شعاعًا ضوئيًا واحدًا، مثالية للمسافات الطويلة جدًا بين المباني أو الفروع.
• أمثلة ومسافات تقريبية شائعة:
  • 1000BASE-SX (MMF): حتى ~550 مترًا (حسب نوع الـ MMF المستخدم).
  • 1000BASE-LX (SMF): حتى ~5 كيلومترات.
  • 10GBASE-SR (MMF): حتى ~300–400 متر (مع OM3/OM4).
  • 10GBASE-LR (SMF): حتى ~10 كيلومترات.
• المزايا: مقاومة تامة للتشويش الكهرومغناطيسي، سرعات ومسافات عالية جدًا، أمان أعلى (صعب التنصت عليها).
• القيود: تكلفة أعلى (للكابلات والوحدات الضوئية SFP/SFP+)، تركيب يحتاج خبرة وأدوات خاصة، وحساسة للانحناءات والكسر.

تقنيات داعمة/مرتبطة بالإيثرنت

بالإضافة إلى النقل الأساسي، هناك العديد من التقنيات التي تعمل جنبًا إلى جنب مع الإيثرنت لتعزيز قدرات الشبكة:

• VLANs (Virtual Local Area Networks) - معيار 802.1Q: تسمح بتقسيم الشبكة المحلية فيزيائيًا إلى شبكات منطقية أصغر وأكثر أمانًا. يمكن لأجهزة على نفس السويتش أن تكون في شبكات VLANs مختلفة ومنفصلة عن بعضها البعض.
• PoE (Power over Ethernet) - معيار 802.3af/at/bt: تتيح تزويد الطاقة الكهربائية للأجهزة المتصلة بالشبكة (مثل هواتف IP، نقاط الوصول اللاسلكية، كاميرات المراقبة) عبر كابل الإيثرنت نفسه، مما يلغي الحاجة إلى مصادر طاقة منفصلة.
• Auto MDI/MDI-X: هي ميزة في منافذ الإيثرنت الحديثة (خاصة في السويتشات) تقوم تلقائيًا باكتشاف نوع الكابل المتصل (مستقيم أو متقاطع) وتعديل إعدادات الإرسال/الاستقبال في المنفذ ليتوافق معه. هذا يعني أنك لم تعد بحاجة للقلق بشأن استخدام كابلات Crossover لربط جهازين متشابهين مباشرة (مثل سويتش بسويتش).
• QoS (Quality of Service): تسمح بتمييز أنواع مختلفة من حركة المرور (مثلاً، إعطاء أولوية لحركة مرور الصوت والفيديو على حركة مرور تصفح الويب) وإدارتها لضمان جودة الأداء للتطبيقات الحساسة للتأخير.

Token Ring – نظرة عامة وخصائصها

قبل هيمنة الإيثرنت، كانت Token Ring تقنية شبكة محلية منافسة، خاصة في بيئات IBM.

• المعيار: IEEE 802.5.
• السرعات: كانت 4 و 16 ميجابت/ثانية هي الأكثر شيوعًا (ظهرت إصدارات أسرع لاحقًا لكنها لم تنتشر).
• منهج الوصول للوسط (Token Passing):
  • تنتقل "رمزة" (Token) صغيرة على الحلقة في اتجاه واحد.
  • يمكن للجهاز الذي يحمل الرمزة فقط إرسال البيانات. بمجرد الانتهاء من الإرسال (أو انتهاء وقته المخصص)، يمرر الرمزة إلى الجهاز التالي في الحلقة.
  • هذا يضمن وصولاً حتمياً (Deterministic)، أي يمكن التنبؤ بزمن انتظار الجهاز قبل أن يتمكن من الإرسال، مما كان مفيدًا للتطبيقات الحساسة للوقت.
• البنية: منطقياً كانت حلقيّة (Ring)، ولكن فيزيائيًا كانت غالبًا تعمل بشكل نجمي (Star) عبر جهاز مركزي يسمى وحدة الوصول متعددة المحطات (MAU - Multi-Station Access Unit).
• المزايا: تجنب التصادمات تمامًا، أداء متماسك ويمكن التنبؤ به حتى تحت الضغط العالي للشبكة.
• العيوب:
  • تجهيزات معقدة وأغلى بكثير من الإيثرنت.
  • توسّع الشبكة أصعب.
  • سرعاتها محدودة مقارنة بالتطور السريع للإيثرنت.
  • صيانة أعقد.
• سبب التراجع: انخفاض كلفة الإيثرنت، قدرتها على تقديم سرعات أعلى بكثير، سهولة إدارتها، وظهور السويتشات التي حسّنت أداء الإيثرنت بشكل كبير جداً وقضت على مشكلة التصادمات. كل هذه العوامل أدت إلى هيمنة الإيثرنت وشبه اختفاء Token Ring.

مقارنة سريعة: Ethernet vs Token Ring

جدول يلخص الفروقات الرئيسية بين التقنيتين:

اعتبارات تصميم واختيار الوسائط

عند تصميم الشبكات أو اختيار المكونات، يجب مراعاة عدة عوامل لضمان الأداء الأمثل والتكلفة المعقولة:

• للمكاتب/المعامل:
  • استخدم Gigabit Ethernet (1G) على كابلات Cat6 أو Cat5e (إذا كانت المسافة أقل من 100 م) للمنافذ الطرفية (أجهزة الكمبيوتر، الطابعات).
  • لربط السويتشات الأساسية (Uplinks) أو الخوادم، فكر في 10G Ethernet. إذا كانت المسافة قصيرة (أقل من 55 م)، يمكن استخدام Cat6، أو Cat6a للمسافات الأطول (حتى 100 م).
• للمسافات بين مبانٍ:
  • إذا كانت المسافات تتجاوز 100 متر (وهو أقصى حد للكابلات النحاسية)، فاستخدم الألياف البصرية (SMF أو MMF).
  • اختر سرعة الألياف (1G/10G/أعلى) بناءً على حجم حركة المرور المتوقعة.
• لنقاط الوصول اللاسلكية/الكاميرات/هواتف IP:
  • فكر في استخدام PoE+ (802.3at) أو PoE++ (802.3bt) لتزويد هذه الأجهزة بالطاقة عبر كابل الإيثرنت، مما يقلل من تعقيد التوصيل وعدد مصادر الطاقة المنفصلة المطلوبة.
• اترك فسحة للتوسع:
  • قم بتركيب عدد أكبر قليلاً من مخارج الشبكة مما هو مطلوب حاليًا.
  • صمم مسارات كابلات منظمة (Cable Management) لسهولة الصيانة والتحديثات المستقبلية.
  • استخدم خزائن اتصالات (Racks) جيدة التهوية لتجنب ارتفاع درجة حرارة المعدات.

أمثلة وتمارين

تمارين:

• تمرين 1:

  ارسم طبولوجيا شبكة بسيطة مكونة من 2 سويتش أساسي (Core Switches) بسرعة 10G، و3 سويتشات وصول (Access Switches) بسرعة 1G. بيّن في الرسم أين ستستخدم الكابلات النحاسية وأين الألياف البصرية، مع شرح مبسط لاختياراتك.

• تمرين 2:

  اشرح بكلماتك الخاصة لماذا لم تعد آلية CSMA/CD مستخدمة عمليًا في شبكات الإيثرنت الحديثة، وما هو المفهوم الذي حل محلها وساهم في ذلك؟

مصطلحات أساسية

• Ethernet / IEEE 802.3: معيار الشبكات المحلية الأكثر انتشارًا.
• Fast Ethernet (100BASE-TX): إصدار الإيثرنت بسرعة 100 ميجابت/ثانية.
• Gigabit Ethernet (1000BASE-T/SX/LX): إصدار الإيثرنت بسرعة 1 جيجابت/ثانية (متوفر على النحاس والألياف).
• CSMA/CD: آلية الوصول للوسط التاريخية في الإيثرنت التي تتضمن اكتشاف التصادم ثم إعادة الإرسال.
• Full-Duplex: وضع تشغيل يسمح بالإرسال والاستقبال المتزامن للبيانات دون تصادمات.
• PoE (Power over Ethernet): تقنية تزويد الطاقة للأجهزة عبر كابل الإيثرنت.
• Token Ring / IEEE 802.5: تقنية شبكة حلقية منافسة للإيثرنت، تستخدم آلية Token Passing.
• MMF (Multi-Mode Fiber): ألياف بصرية متعددة الأنماط، للمسافات القصيرة.
• SMF (Single Mode Fiber): ألياف بصرية أحادية النمط، للمسافات الطويلة.
• SFP/SFP+: وحدات بصرية/نحاسية قابلة للتبديل تستخدم في السويتشات للوصلات الليفية أو النحاسية.

مواد إثرائية مقترحة

لتعميق فهمك، نوصي بالمصادر التالية:

• منهج Cisco CCNA: الموارد التعليمية المتعلقة بـ "LAN Switching & Wireless" تغطي الإيثرنت، VLAN، وPoE بتفصيل.
• دليل دراسي لـ CompTIA Network+: ابحث عن الأقسام التي تتناول "وسائط الشبكة"، "سرعات الإيثرنت"، و"أنواع الكابلات".
• وثائق IEEE 802.3: للمهتمين بالتفاصيل العميقة للمعايير، يمكن مراجعة وثائق IEEE 802.3 التي تحدد هياكل إطار الإيثرنت ومعدلات البيانات.
• مختبرات محاكاة الشبكات: استخدم برامج مثل Packet Tracer من Cisco، أو GNS3، أو EVE-NG لممارسة إعدادات السويتشات، تكوين VLANs، وملاحظة سلوك حركة المرور في بيئة الإيثرنت.

التقييم المقترح

اختبار قصير: يتضمن أسئلة متعددة الخيارات حول سرعات الإيثرنت، أنواع الكابلات ومسافاتها، ومقارنات بين الإيثرنت وToken Ring.

واجب عملي: تصميم شبكة محلية صغيرة (على ورقة أو باستخدام أداة رسم) لشركة مكونة من قسمين (مبيعات وإدارة)، مع تحديد أنواع الكابلات والسويتشات المستخدمة، واقتراح كيفية استخدام VLANs لتقسيم الشبكة منطقيًا.

المدة الزمنية المقترحة

لإكمال هذه الوحدة بفاعلية، يُقترح تخصيص 7 ساعات تدريبية (تشمل المحاضرات، الأنشطة العملية، والتقييم).