آشنایی با پروتکل اترنت (Ethernet)

اترنت چیست؟

اترنت (Ethernet)، پروتکل استاندارد یا تکنولوژی است از خانواده ی شبکه های کامپیوتری که معمولا در شبکه های LAN (Local area network)  و  MAN ( Metropolitan area network) مورد استفاده قرار می گیرد. تجهیزاتی که از طریق اترنت ارتباط برقرار می کنند داده ها را به قسمت های کوچکتری به اسم قالب (Frame) تبدیل می کنند. هر استاندارد ممکن است ساختار خاصی را برای فریم تعریف کرده باشد. یک فریم از چندین بخش (field) تشکیل می گردد. و دارای آدرس فرستنده و گیرنده و اطلاعات خطایابی (error-checking) است، هر فیلد نیز از مجموعه ای بایت تشکیل شده است. در بخش های بعدی در مورد ساختار فریم ها صحبت خواهیم کرد.

ویژگی های اترنت:

• رایج ترین شبکه در دفاتر و ساختمان های تجاری
•  قابلیت توسعه آسان
•  قابلیت نظارت و کنترل تجهیزات متصل شده به شبکه از طریق اینترنت
•  تاخیر پایین، عملکرد (real-time)

کابل های مورد استفاده در اترنت:

به طور کلی امروزه برای شبکه های اترنت از دو نوع کابل زوج به هم تابیده شده تحت عنوان  CAT )مخفف category به معنای دسته بندی(  و فیبر نوری استفاده می شود. معمولا در سرعت های پایین مانند 10Mbit/s و 100Mbit/s  از کابل های CAT و در سرعت های بالاتر و مسافت های طولانی از فیبر نوری استفاده می شود.

نکته 1: کابل های CAT3 و سیم های مسی تلفن ها قابل جا به جایی هستند. کابل های CAT6 مشابه کابل های CAT5 بوده ولی بین هر کدام از زوج سیم ها از یک جداکننده فیزیکی به منظور کاهش پارازیت های الکترومغناطیسی استفاده شده است.

نکته 2: استفاده از کابل های CAT باعث حدف نویز Cross – talk می شود و هرچه پیچش سیم ها در واحد طول بیشتر باشد، امکان استفاده در مسافت های طولانی تر بیشتر می شود. مثلا CAT5 از CAT3 بیشتر دارای پیچش است و در مسافت های طولانی تر استفاده می شود.

نکته 3: مشخصات کابل های CAT توسط سازمان های EIA/TIA ارائه می شود.

کابل های محافظ دار:

• کابل UTP : ساده ترین و رایج ترین نوع کابل است که در آن جز به هم تابیدن زوج سیم ها، تدبیر دیگری برای کاهش نویز اندیشیده نشده است.
• کابل S/UTP : مجموعه ای از چند زوج به هم تابیدن که دارای یک روکش فلزی مشترک می باشند.
• کابل STP : مجموعه ای از چند زوج به هم تابیده که هر کدام روکش مجزایی دارند.
• • کابل Flat یا Solid: برای مسافت های طولانی استفاده می شود و غیر قابل انعطاف می باشد.
  • کابل Braided : قابل انعطلاف و برای مسافت های کوتاه استفاده می شود.کابل S/STP : مجموعه ای از چند زوج به هم تابیده که هر کدام روکش جداگانه ای دارند و کابل مجموعه نیز دارای یک روکش فلزی مشترک است.

    

    کابل های Patch:

    کابل های CAT به دو صورت در بازار وجود دارند:

  شکل های زیر استفاده از کابل های Patch را برای اتصال به Switch های شبکه نشان می دهد.

  

  

  کابل فیبر نوری:

  از فیبر نوری در سرعت های 100Mbit/s و بالاتر استفاده می شود. مهم ترین دلایل استفاده از فیبر نوری عبارت است از امکان استفاده در مسافت های طولانی، ضریب تضعیف کمتر و ایزولاسیون الکتریکی بهتر که باعث جلوگیری از انتشار نویز در محیط و تاثیرپذیری سیگنال های کابل از نویزهای محیطی می باشد. استفاده از فیبر نوری از کابل های شبکه در برابر نویزهای تولید شده توسط آسانسورها در ساختمان ها جلوگیری می کند.

  شکل زیر کانکتور مربوط به استاندارد 100Base-FX را که باید به فیبر نوری متصل گردد را نشان می دهد.

  

  استانداردهای  568A/B TIA/EIکابل های Cross-Over و  Straight:

  برای ساخت کابل Straight باید در هر دو سر کابل از یک استاندارد استفاده کرد. و برای ساخت کابل Cross-Over باید در یک سر کابل از استاندارد 568 A و در سر دیگر کابل از استاندارد 568 B  استفاده شود.

  

  

  

  سیگنال های اترنت:

  تفاوت های جریان اطلاعات در سرعت های 10 Mb/s و 100 Mb/s

  مرحله اول برای انتقال داده ها، کد کردن آنها توسط کد Manchester است. در کد منچستر مورد استفاده در اترنت، گذر سیگنال از سطح منطقی High به سطح منطقی Low توسط عدد صفر کد شده است و برعکس آن یعنی گذر سیگنال از Low به High توسط عدد یک کد می شود. علت استفاده از کد منچستر، اطمینان بالای این کد و همچنین قابلیت بازیابی سیگنال از روی جریان داده ها می باشد که البته این مسئله به پهنای باند دو برابر نیاز دارد. از آنجایی که 10Base-T  از سیگنال های تفاضلی استفاده می کند.

   

  مرحله دوم در انتقال داده ها، شکل دهی به شکل موج خروجی به منظور تطابق با مشخصات استانداردIEEE 802.3  است که تعیین کننده ی تاخیر انتشار سیگنال به منظور تطابق با طول کابل شبکه و همچنین به حداقل رساندن EMI می باشد.

  در نهایت سیگنال توسط درایور ولتاژ یا درایور جریان )این که کدام استفاده بشود به نوع پیاده سازی لایهPHY  بستگی دارد( در طول رسانه ی فیزیکی شبکه انتقال می یابد. محدوده ی ولتاژ تفاضلی در گیرنده  350mvتا 3.1v می باشد.

   

  شکل زیر جریان اطلاعاتی فریم های اترنت را در استاندارد – 10Mbit/s نشان می دهد.

  

  شکل زیر جریان اطلاعاتی فریم های اترنت را در سرعت 100Mbit/s نشان می دهد.

  

  اترنت تعبیه شده ( (Embedded Ethernet

   

  مفهوم اترنت تعبیه شده یا Embedded Ethernet که در قالب سیستم های نهفته یاEmbedded Systems  تعریف می شود، به معنای استفاده از اترنت در سیستم های Embedded  که غالباً با استفاده از میکروکنترلر های مختلف طراحی می شوند می باشد.

کاربردهای پیاده سازی اترنت تعبیه شده:

• وب سرور
• سرور های GSM
• –اتوماسیون صنعتی
• گلخانه هوشمند
• –اتوماسیون منازل
• – VOIP
• – Set-Top Box
• – PVR
• – DVR
• – POS
• مودم های DSL
• – IP and Video Phones
• اکسس پوینت ها
• تلویزیون های دیجیتال
• کنسول های بازی و …

وب سرور یکی از پیاده سازی های جذاب و پر کاربردی است که توسط پیاده سازی اترنت می توان به مرحله اجرا گذاشت.

اترنت صنعتی (Industrial Ethernet):

امروزه با توجه به ویژگی های اترنت، سازمان ها در حال انتقال از پروتکل صنعتی Field bus به سمتIndustrial Ethernet هستند.

اترنت صنعتی به مجموعه استانداردهای اترنت گفته می شود که برای انتقال داده در شبکه های کنترل صنعتی مورد استفاده قرار می گیرند. اترنت صنعتی از همان استانداردهای اترنت استاندارد استفاده می کند که در فصول قبلی توضیح داده شد اما باید دارای ویژگی های دیگری باشد تا برای استفاده در محیط های صنعتی مناسب باشد، مثلا تحمل شرایط محیطی سخت، تعداد گره های شبکه بیشتر، استفاده از کابل های متنوع تر، عملکرد  real-time بهتر، قابلیت پیشبینی و…

یکی از مهم ترین تفاوت های اترنت صنعتی و اترنت معمولی نوع سخت افزار به کار رفته می باشد. شبکه اترنت صنعتی برای کار در شرایط سخت، درجه حرارت وسیع، لرزش و شوک زیاد، استفاده از قطعات با کیفیت بالا، سیستم های تهویه مناسب، تغذیه متفاوت با اترنت معمولی )معمولا 24 ولت(، قابلیت تحمل خطا (fault-tolerant) طراحی شده است.

همچنین حفاظت ها و پیشبینی خطاهای احتمالی در شبکه های اترنت صنعتی با توجه به نوع کاربرد مورد استفاده اهمیت زیادی دارد. اترنت صنعتی ضمن دارا بودن ویژگی های امنیتی و حفاظتی در Field bus ، از پهنای باند بیشتری بهره می برد.

در آموزش بعدی به بررسی پیاده سازی عملی اترنت فرا می گیرید.