אתרנט

אתרנט (במקור: Ethernet) היא טכנולוגיה לתקשורת נתונים ברשתות מחשבים מקומיות (LAN). האתרנט הוכרזה כתקן תעשייה ב-30 בספטמבר 1980 על ידי זירוקס פארק, DEC ואינטל^[1]. על פי מודל ה־TCP/IP, האתרנט הוא פרוטוקול תקשורת שאחראי על השכבה הפיזית של התקשורת. על פי מודל ה-OSI, האתרנט הוא פרוטוקול האחראי על שכבת הקישוריות ומגדיר גם את השכבה הפיזית של התקשורת.

יתרונות

האתרנט הגיעה לתפוצה רחבה וכמעט לבלעדיות בתחום הרשתות המקומיות בזכות אוסף של פתרונות יצירתיים לבעיות שהיו קיימות בטכנולוגיות אחרות. בין הפתרונות ניתן למנות:

טכנולוגיית CSMA/CD המאפשרת לכל רכיב לשלוח אותות לתווך משותף בלי התראה מוקדמת, ומטפלת ביעילות בהתנגשויות (Collisions). בטופולוגיית כוכב אין התנגשויות היות שהתווך אינו משותף (ובייחוד החל מקצב נתונים של 1Gbps ואילך).
שימוש 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 הם: 10 Mbps,‏ 100 Mbps,‏ 1 Gbps,‏ 10 Gbps,‏ 100 Gbps, ולאחר מכן 200 ו-400 Gbps.
שימוש בסיב אופטי לקצבים הגדולים מ-100 Mbps המאפשר העברת הנתונים למרחקים גדולים מהאפשרי על פי התקן באמצעות זוגות שזורים.

היסטוריה

טכנולוגיה זו פותחה בתחילת שנות ה-70 של המאה ה-20 על ידי רוברט מטקלף ודייוויד בוגס במעבדות זירוקס פארק. מטקלף כינה אותה "אתרנט" על שם האֶתֶר שעד לתחילת המאה ה-20 נחשב כחומר שממלא את החלל. הפטנט על הטכנולוגיה נרשם בשנת 1975, אך רק בסוף העשור (1980) הפכה לסטנדרט בפרויקט 802.3 של IEEE. בתצורה הראשונית היה קצב התעבורה ברשת 3Mbps, והיא כללה שדה של 8 ביט בלבד לכתובות המקור והיעד (לעומת 48 היום). 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 את הצורך בקצב נתונים מהיר ומספר גדול של מחשבים, ועל כן טכנולוגיית האתרנט הורחבה בשנות התשעים ל-Fast Ethernet. מיד לאחר הפיתוח של ה-Fast Ethernet הופיעה גרסה שנקראת Ethernet 10/100, אשר מאפשרת תמיכה של כרטיס הרשת בשתי המהירויות (גם 10 וגם 100 Mbps). בגרסה זו, לכרטיס הרשת 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 לקצבי תקשורת מהירים ולארגונים גדולים מאוד התפתחו לקראת סוף המאה ה-20 – זוהי טכנולוגיית Gigabit Ethernet.

מבנה חבילת אתרנט

חבילה בפרוטוקול אתרנט מורכבת מחמישה חלקים: מבוא, פתיח, תוכן, סוגר וגובל. אורכה של חבילה נע בין 84 ל-1,542 בתים בהתאם לגודל שדה התוכן.

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 תחילת השידור באופן פיזי.

בית	1	2	3	4	5	6	7	8
תוכן	מבוא							סיום מבוא

פתיח

הפתיח הבסיסי מורכב מ-14 בתים לפי הפירוט הבא:

בית	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13	14
תוכן	כתובת יעד						כתובת מקור						EtherType

כתובת יעד (שישה בתים) – כתובת ה-MAC של רכיב היעד.
כתובת מקור (שישה בתים) – כתובת ה-MAC של רכיב המקור.
EtherType (שני בתים) – שדה המציין את סוג הפרוטוקול של הנתונים אותו ההודעה מעבירה כתוכן (לדוגמה, עבור תוכן בפרוטוקול IPv4 יהיה ערך 0x0800 בעוד לתוכן בפרוטוקול ARP יהיה ערך 0x0806).

הערה: אם הרשת עושה שימוש בפרוטוקול רשת מקומית וירטואלית (802.1Q), המתג אליו מחובר המחשב מוסיף לפתיח שדה "תווית VLAN" בן ארבעה בתים. שדה זה נושא את מזהה הרשת הווירטואלית לה שייך המחשב.

תוכן

שדה התוכן בחבילת אתרנט מכיל בין 46 ל-1,500 בתים.

סוגר

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

גובל

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

שכבת הקו

שכבת הקו בטכנולוגית אתרנט מתחלקת לשתי תתי-שכבות:

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

תפקידי תת-שכבת ה-LLC

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).
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 הנתונים לתוך ה-Frame.

תפקידי תת-שכבת ה-MAC

גישה לתווך

ניתן לדמות את המצב ברשת האתרנט 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 האתרנט 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 תזמון הגישה למדיית התקשורת של רשת האתרנט 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. אם התחנה 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.

אתרנט הוא פרוטוקול המבטיח רק מאמץ מיטבי. אם חלו 16 התנגשויות או תקלות בהעברת חבילה מסוימת, האתרנט יסיים את ניסיונות השליחה של החבילה הזאת. כמו כן, האתרנט 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 היא כל שכבה שמשתתפת בתהליך התקשורת, מהשכבה השלישית ועד השכבה השביעית (במודל OSI).

מיעון פיזי

תת-השכבה אחראית על המיעון הפיזי של כל מסגרת (שדות ה-DA ו-SA שניתן לראות לעיל). הכתובת הפיזית שבה משתמשים בטכנולוגיית אתרנט היא כתובת MAC. כתובת זו, המשמשת להתקשרות בתוך הערוץ, צרובה על כרטיס הרשת וחייבת להיות ייחודית 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 לעיתים 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 אתרנט.

השכבה הפיזית

Autonegotiation

Autonegotiation הוא מנגנון באתרנט 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 אתרנט, 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 מבוא 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 מבוא ולכן תיגרם חריגה ממסגרת האתרנט.

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 יותר השימוש במתגים המשמשים כרכזות חכמות.

סוגי כבלים

ישנם מספר תקנים של כבלים עבור אתרנט, 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 הוא כבל העשוי זוגות שזורים (T), המאפשר קצב נתונים מרבי של 10 מגה סיביות לשנייה.

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 – אורכו המקסימלי הוא 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 שיהוי 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 למשדר/מקלט (Transciever) ברכיב הרשת.