كيف تعمل محولات الإيثرنت Ethernet Switch

ما هو محول إيثرنت Ethernet Switch؟

هو الشكل الأكثر شيوعاً لمحول الشبكة، وهو جهاز شبكات كمبيوتر يُستخدم في شبكة الإيثرنت لتوصيل أجهزة “Ethernet” المختلفة، حيث يقوم بتوصيل الأجهزة معاً باستخدام تبديل الحزمة؛ لتلقي البيانات ومعالجتها وإعادة توجيهها من جهاز مصدر إلى جهاز وجهة آخر.

يمكن توصيل المحولات ببعضها البعض بحيث يتم تقسيم كل منها إلى أجهزة أخرى، كما تصبح المحولات الإضافية معززات تلقائية لشبكة إيثرنت، حيث يحصل كل ناتج يتم إرساله على طاقة من منفذ التيار المتردد الذي يتم توصيل المحول به.

أساسيات عمل محولات الإيثرنت:

تُستخدم محولات الإيثرنت لربط أجهزة “Ethernet” المختلفة معاً، ونقل البيانات من جهاز واحد على شبكة البيانات مثل شبكة المنطقة المحلية “LAN” إلى جهاز آخر، كما قد تكون هذه الأجهزة محولات إيثرنت أخرى أو أجهزة مثل أجهزة الكمبيوتر والخوادم والطابعات، أمّا عند نقل البيانات حول شبكة قائمة على “Ethernet”، فإنّه يتم استخدام إطارات بيانات تسمى إطارات الإيثرنت، حيث يستخدم المحول هذه الإطارات ويرحلها بين الأجهزة المتصلة بها.

من خلال نقل إطارات “Ethernet” بين منافذ المحولات، وبهذه الطريقة يكون المحول قادراً على ربط حركة النقل للبيانات التي تنقلها اتصالات الشبكة الفردية بشبكة “Ethernet” أكبر، كما تعمل محولات إيثرنت عن طريق “ربط” إطارات إيثرنت بين أجزاء مختلفة من شبكة المنطقة المحلية، حيث يؤدي المحول وظيفته عن طريق نسخ الإطارات من منفذ تبديل إلى آخر وفقاً للتحكم في الوصول إلى الوسائط وعناوين “MAC” في الإطارات.

كما أنّ مفهوم تجسير “Ethernet” تم تعريفه في “IEEE 802.1D” أي معيار “IEEE” لشبكات المناطق الحضرية والمحلية بجسور التحكم في الوصول إلى الوسائط، كما أنّ هناك معياراً معتمداً عالمياً لهذه العملية، يعني أنّ محولات “Ethernet” المأخوذة من جهات تصنيع مختلفة يمكنها جميعاً التفاعل معاً والعمل في أي شبكة محلية قائمة على “Ethernet” أو حتى شبكات أكبر مثل شبكات منطقة “Metropolitan” أو شبكات المنطقة الواسعة “WAN“.

تُستخدم إطارات “Ethernet” لنقل البيانات عبر كابلات الإيثرنت والخطوط بين العقد على الشبكة، وبشكل أساسي تحتوي الإطارات على تنسيق محدد، وهي عبارة عن تسلسلات من المعلومات، حيث تحتوي على البيانات المراد نقلها، ولكن مع بيانات أو معلومات إضافية حولها لإدارة إرسال واستقبال البيانات بنجاح.

• “MAC” هي اختصار لـ “Media Access Control”.

عناصر تنسيق إطار محولات الإيثرنت:

1. الرأس “Header”:

يتكون من مقدمة لتمكين جهاز الاستقبال من المزامنة وعنوان الوجهة وعنوان المصدر وبيان الطول أو النوع.

2. الحمولة الصافية “Payload”:

هذه هي البيانات الفعلية التي سيتم نقلها حول شبكة المنطقة المحلية بواسطة إطار “Ethernet”.

3. ممر النقل “Trailer”:

يتكون هذا من تسلسل فحص الإطار لفحص الأخطاء.

يبقى التنسيق الأساسي لإطارات “Ethernet” كما هو على العديد من إصدارات معيار الإيثرنت، ومع انتقال بيانات الإيثرنت من خلال العديد من شبكات المنطقة المحلية وشبكات “WAN”، والتي تتكون من معدات تستخدم العديد من الإصدارات المختلفة من المعيار: “100Mbps Fast Ethernet” و”Gigabit Ethernet 1GE” و”10GE”، حيث توفر الإطارات تنسيقاً أساسياً وثابتاً لهذه البيانات، ممّا يسمح التوافق.

آلية عمل محولات الإيثرنت:

أحد الجوانب الرئيسية لمحولات “Ethernet”، هو أنّ تشغيلها يجب أن يظهر شفافاً للأجهزة التي يتصلون بها، حيث إنّ هذا النوع من العمليات يسمى “الجسور الشفافة”، وللتوصيل الشفاف تبقى إطارات الإيثرنت كما هي أثناء مرورها عبر المحول، ونتيجةً لذلك سيبدأ المحول تلقائياً في العمل دون الحاجة إلى أي تكوين على المحول أو العقد المختلفة المتصلة بشبكة الإيثرنت، وهذا يجعل تشغيل المحول شفافاً لهم جميعاً.

أحد العناصر الرئيسية لمحول الإيثرنت هو معرفة العنوان الذي يقوم به، حيث لا يعمل الجهاز بإعادة إرسال جميع الإطارات إلى جميع منافذها الموجودة، أمّا إذا قام بذلك فستصبح الشبكة محملة بشكل زائد قريباً، وبدلاً من ذلك يقوم المحول بإعادة توجيه الإطارات ذات الصلة إلى المنافذ ذات الصلة، حيث يحقق المحول ذلك باستخدام قواعد إعادة توجيه حركة المرور المحددة في معيار التجسير “IEEE 802.1D”.

بموجب هذا المعيار، تعتمد إعادة توجيه حركة المرور حول وسيلة التبديل حيث يتم إرسال البيانات، كما يتخذ المحول قرارات حول مكان إعادة توجيه البيانات استناداً إلى عنوان التحكم في الوصول إلى الوسائط المكون من “48 بت” والموجود في إطار الإيثرنت، ومن أجل توجيه البيانات في الاتجاه الصحيح، يتعرف المحول على الأجهزة، حيث تسمى المحطات في المعيار والتي توجد عليها أجزاء الشبكة، كما يقوم بذلك من خلال النظر إلى عناوين المصدر في إطارات “Ethernet” التي يستقبلها.

تحتوي جميع واجهات “Ethernet” على عنوان “MAC” فريد يتم تعيينه أثناء التصنيع، وعادةً ما يقبل جهاز الإيثرنت الإطارات التي يتم توجيهها إليه فقط، ولكن في حالة محول الإيثرنت، ليس هذا هو الحال لأنّه يتعامل مع الإطارات المخصصة للأجهزة الأخرى، كما يتم تشغيله في ما يُطلق عليه بالوضع المختلط ونظراً لاستلام كل إطار على منفذ معين، فإنّ البرنامج الموجود داخل محول الإيثرنت يبحث في عنوان المصدر الموجود داخل الإطار ويضيف هذا إلى جدول العناوين الخاص به، الذي يحتفظ به داخل ذاكرة المحول.

وبهذه الطريقة، يتذكر الأجهزة المتصلة به، بحيث يمكنه توجيه الإطارات بشكل صحيح إلى الوجهة المطلوبة، أمّا القائمة فهي عبارة عن قاعدة بيانات فعالة، وهذا يمكّن المحول من اتخاذ قرار إعادة توجيه الحزمة لكل إطار يتم استلامه في عملية تسمى التصفية التكييفية، وممّا يعني أنّه يتم إرسال إطارات الإيثرنت المخصصة لجهاز معين فقط على طول هذا المسار، وبهذه الطريقة يتم تقليل مستوى البيانات التي يتم نقلها حول شبكة المنطقة المحلية.

ميزات إدارة نقل البيانات في محولات الإيثرنت:

هناك عدة جوانب للطريقة التي يتعامل بها محولات الإيثرنت مع حركة النقل للبيانات، وهناك العديد من الميزات والقدرات التي تعتبر أساسية؛ ومنها:

1. تصفية حركة المرور وإعادة توجيهها “Traffic filtering and forwarding”:

من خلال عناوين المحطات أو الأجهزة المختلفة المتصلة بمنافذ مختلفة لمحول “Ethernet”، فإنّه يمكنها إعادة توجيه الإطارات المختلفة التي تستقبلها إلى الوجهات المطلوبة، ونظراً لأنّ الأجهزة المتصلة بالمحول قد لا تكون جاهزة لاستقبال الإطارات أو قد يكون المحول نفسه مشغولاً، فإنّ المنافذ المختلفة لديها القدرة على تثبيت الإطارات حتى يصبح النظام جاهزاً لإرسالها، كما يتم إعادة توجيه الإطارات المستلمة دون أي تغيير، ممّا يجعل المحول شفافاً تماماً للمحطات الموجودة على شبكة المنطقة المحلية أو شبكة “WAN” أو أي شكل من أشكال الشبكة.

2. توجه الإطارات “Frame Flooding”:

يتلقى محول “Ethernet” إطاراً مخصصاً لمحطة أو جهاز جديد، وعندما يحدث هذا يرسل المحول إطاراً إلى جميع المنافذ، بخلاف ذلك الذي استقبل فيه الإطار مع وجهة غير معروفة لاكتشاف المحطة التي لها العنوان المطلوب.