اترنت چیست؟ و انواع Ethernet کدام است

اترنت (Ethernet) شبکه ای است که برای اتصال دستگاه‌هایی مانند کامپیوتر و چاپگر به یکدیگر مورد استفاده قرار می‌گیرد، این فناوری از کابل برای انتقال داده بین دستگاه‌ها استفاده می‌کند، همچنین از اترنت بطور معمول در منازل و ادارات استفاده میشود. در این مقاله قصد داریم با اترنت، انواع اترنت و لایه‌های فیزیکی آن مانند کابل‌ها و کانکتورها آشنا شویم. با ما همراه شوید.

اترنت چیست؟

اترنت(Ethernet) یک استاندارد ارتباطی است که در اوایل دهه 80 میلادی برای اتصال کامپیوترها و سایر دستگاه‌ها در یک محیط محلی مانند خانه یا ساختمان توسعه یافت.این محیط محلی به عنوان یک شبکه محلی (LAN) تعریف می‌شود و چندین دستگاه را به هم متصل می‌کند تا بتوانند اطلاعات را با دیگران در همان مکان ایجاد، ذخیره و به اشتراک بگذارند.

اترنت یک سیستم کابلی است که با استفاده از کابل کواکسیال شروع شد و اکنون با موفقیت به استفاده از سیم مسی زوج‌ به هم تابیده (twisted pair) و کابل فیبر نوری پیشرفت کرده است. در سال 1983، اترنت توسط موسسه مهندسان برق و الکترونیک (IEEE) به استاندارد IEEE 802.3 تبدیل شد. این استاندارد، لایه فیزیکی و بخش کنترل دسترسی رسانه (MAC) از لایه “پیوند داده” در اترنت کابلی را تعریف کرد. یکی از کاربردهای شبکه اترنت اتصال کامپیوتر و سایر دستگاه ها در اتاق کنترل مرکزی می‌باشد.

انواع شبکه اترنت

همان طور که در بالا توضیح دادیم Ethernet یک فناوری شبکه محبوب است که برای اتصال دستگاه ها در یک شبکه محلی (LAN) استفاده می شود. انواع مختلفی از اترنت وجود دارد که هر کدام سرعت، قابلیت ها و کاربردهای خاص خود را دارند. در اینجا با برخی از رایج ترین انواع اترنت آشنامیشویم:

• Ethernet 10Base-T: این نوع اترنت از کابل های UTP Cat 3 برای انتقال داده با سرعت 10 مگابیت بر ثانیه استفاده می کند. این نوع اترنت برای شبکه های خانگی و اداری کوچک مناسب است.
• Ethernet 100Base-T: این نوع اترنت از کابل های UTP Cat 5 برای انتقال داده با سرعت 100 مگابیت بر ثانیه استفاده می کند. این نوع اترنت محبوب ترین نوع اترنت برای شبکه های خانگی و اداری است.
• Ethernet 1000Base-T (Gigabit Ethernet): این نوع اترنت از کابل های UTP Cat 5e یا Cat 6 برای انتقال داده با سرعت 1 گیگابیت بر ثانیه استفاده می کند. این نوع اترنت برای شبکه های خانگی و اداری پرسرعت و همچنین برای ستون فقرات شبکه مناسب است.
• Ethernet 10Gbps: این نوع اترنت از کابل های فیبر نوری یا کابل های مسی Cat 6a یا بالاتر برای انتقال داده با سرعت 10 گیگابیت بر ثانیه استفاده می کند. این نوع اترنت برای شبکه های پرسرعت و کاربردهای فشرده پهنای باند مانند مراکز داده مناسب است.
• Ethernet 40Gbps: این نوع اترنت از کابل های فیبر نوری یا کابل های مسی Cat 8 برای انتقال داده با سرعت 40 گیگابیت بر ثانیه استفاده می کند. این نوع اترنت برای شبکه های پرسرعت و کاربردهای فشرده پهنای باند مانند مراکز داده و شبکه های ارائه دهنده خدمات اینترنتی (ISP) مناسب است.
• Ethernet 100Gbps: این نوع اترنت از کابل های فیبر نوری برای انتقال داده با سرعت 100 گیگابیت بر ثانیه استفاده می کند. این نوع اترنت برای شبکه های پرسرعت و کاربردهای فشرده پهنای باند مانند مراکز داده و شبکه های هسته ای ISP مناسب است.

علاوه بر این انواع، انواع دیگری از اترنت نیز وجود دارد که برای کاربردهای خاص مانند اتوماسیون صنعتی و سیستم های حمل و نقل استفاده می شود.

لایه فیزیکی اترنت (Ethernet Physical Layer)

لایه فیزیکی اترنت، بستر فیزیکی (foundation) شبکه اترنت است که امکان انتقال سیگنال‌های الکتریکی یا نوری بین دستگاه‌های موجود در شبکه اترنت را فراهم می‌کند. لایه فیزیکی از اجزای زیر تشکیل شده است:

• کابل های اترنت
• دستگاه‌های اترنت

انواع کابل‌ اترنت

کابل‌های شبکه اترنت (Ethernet Cables)، وظیفه برقراری اتصال فیزیکی بین دستگاه‌های موجود در شبکه را بر عهده دارند. در گذشته از انواع مختلفی از کابل‌ها برای اترنت استفاده می‌شد، اما امروزه سه نوع زیر بیشترین کاربرد را دارند:

• کابل کواکسیال (Coaxial cable)
• زوج سیم به هم تابیده  (Twisted pair)
• فیبر نوری(Fiber optic)

در ادامه هر کدام از انواع کابل‌ها را به اختصار توضیح می‌دهیم.

کابل کواکسیال

کابل کواکسیال (Coaxial cable) نوعی کابل است که در گذشته بیشتر مورد استفاده قرار می‌گرفت، اما امروزه به دلیل محدودیت‌هایی مانند سرعت پایین و پیچیدگی در نصب، کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

زوج سیم به هم تابیده

کابل زوج سیم به هم تابیده(Twisted pair)  رایج‌ترین کابل مورد استفاده در شبکه‌های اترنت امروزی است، زوج سیم به هم تابیده از دو رشته سیم عایق‌دار تشکیل شده است که به هم تابیده شده‌اند. این تابیدن باعث کاهش تداخل الکترومغناطیسی (EMI) می‌شود و امکان انتقال داده‌ها با سرعت و کیفیت بالاتر را فراهم می‌کند. انواع مختلفی کابل‌های زوج سیم به هم تابیده به شرح زیر می‌باشد:

• Category 6: این دسته از کابل‌های زوج سیم به هم تابیده از سرعت تا 1 گیگابیت بر ثانیه پشتیبانی می‌کنند.
• CAT6a و CAT7: این دسته‌های جدیدتر با کیفیت بالاتر، امکان انتقال داده با سرعت تا 10 گیگابیت بر ثانیه را فراهم می‌آورند.
• Category 5 و 5E: کابل‌های دسته 5 و 5e همچنان در بسیاری از کاربردهای موجود مورد استفاده قرار می‌گیرند، اما سرعت پایین‌تری را بین 10 تا 100 مگابیت بر ثانیه مدیریت می‌کنند. همچنین این کابل‌ها بیشتر در معرض نویز هستند.

زوج سیم به هم تابیده اترنت از کانکتورهای هشت پین RJ-45 در هر انتهای کابل استفاده می‌کند که برای انتقال و دریافت داده در حالت نیمه‌دوطرفه (half-duplex) یا تمام‌دوطرفه (full-duplex) پین‌بندی شده است.

• نیمه‌دوطرفه: (half-duplex) در حالت نیمه‌دوطرفه، داده‌ها تنها می‌توانند در یک جهت در یک زمان ارسال شوند.
• تمام‌دوطرفه: (full-duplex) در حالت تمام‌دوطرفه، امکان ارسال و دریافت همزمان داده‌ها در هر دو جهت وجود دارد.

شبکه اترنت حالت تمام‌دوطرفه را با استفاده از دو جفت سیم مجزا برای ارسال و دریافت همزمان داده‌ها در هر دو جهت، به دست می‌آورد.

خدمات نیکسا: مشاوره، نصب و راه اندازی تجهیزات ابزار دقیق و اتوماسیون صنعتی نیکسا

فیبر نوری

کابل فیبر نوری (Fiber optic) از رشته‌های باریک شیشه یا پلاستیک ساخته شده است که نور را منتقل می‌کند. کابل فیبر نوری مزایای قابل توجهی نسبت به کابل‌های کواکسیال و زوج سیم به هم تابیده دارد، از جمله سرعت بسیار بالاتر، امکان ارسال اطلاعات برای مسافت بیشتر و ایمنی بالاتر در برابر تداخل الکترومغناطیسی ، با این حال، کابل فیبر نوری گران‌تر از کابل‌های مسی است و نصب آن نیز پیچیدگی‌های بیشتری دارد.

کابل های فیبر نوری از انواع مختلف کانکتور استفاده می کنند که بسته به نیاز پروژه شما متفاوت است.

برخی از انواع مختلف [کانکتورهای] این لایه SFP (اتصال کوچک قابل تعویض یا اتصال با ابعاد کوچک) و SC (کانکتور مشترک، همچنین به عنوان کانکتور مربعی یا کانکتور استاندارد شناخته می‌شود) هستند.

برای استفاده از فیبر نوری در یک شبکه اترنت که از کابل‌کشی اترنت زوج به هم تابیده استفاده می‌کند، باید از یک «مبدل اترنت به فیبر نوری» استفاده کنید که به شبکه شما اجازه می‌دهد از سرعت بالاتر فیبر نوری استفاده کند و مسافتی را که شبکه اترنت می‌تواند به آن برسد را افزایش دهد.

دستگاه‌های اترنت

دستگاه‌های اترنت شامل رایانه‌ها، چاپگرها یا هر دستگاهی هستند که یا یک کارت رابط شبکه داخلی (NIC) یا یک کارت رابط شبکه خارجی مبتنی بر USB یا PCI دارند. درادامه با دو گروه از دستگاه های شبکه اترنت به شرح زیر آشنا می‌شویم:

• سوئیچ‌ها (Switches) و روترها (Routers)
• دروازه‌ها (Gateways) و پل‌ها (Bridges)

سوئیچ‌ها  و روترها

سوئیچ‌ها و روترها دستگاه‌هایی هستند که به عنوان مدیر شبکه عمل می‌کنند و چندین رایانه یا حتی شبکه‌ها را به هم متصل می‌کنند تا ارتباط بین تمام دستگاه‌های مختلف را امکان‌پذیر سازند.

دروازه‌ها و پل‌ها

دروازه‌ها و پل‌ها برای اتصال چندین شبکه اترنت به یکدیگر و برقراری ارتباط بین آنها استفاده می‌شوند.

• دروازه (Gateway): دو شبکه غیرمشابه (Dissimilar) را به هم متصل می‌کند. دروازه‌ها می‌توانند با ترجمه زبان‌های مختلف شبکه‌ها، ارتباط بین آن‌ها را برقرار کنند. برای مثال، یک دروازه می‌تواند شبکه‌ای با پروتکل TCP/IP را به شبکه‌ای با پروتکل AppleTalk متصل کند.
• پل (Bridge): دو شبکه مشابه (similar) را به هم متصل می‌کند تا کل شبکه به صورت یک شبکه واحد دیده شود. پل‌ها با یادگیری آدرس‌های MAC دستگاه‌های موجود در هر شبکه، ترافیک را به طور مؤثر هدایت می‌کنند و از ارسال داده‌های غیرضروری به بخش‌های دیگر شبکه جلوگیری می‌نمایند.

لایه پیوند داده (Data Link Layer) در اترنت

لایه پیوند داده در اترنت به دو بخش تقسیم می‌شود:

• کنترل پیوند منطقی (Logical Link Control – LLC)
  • برقراری مسیر برای انتقال داده‌ها بین دستگاه‌ها در شبکه اترنت
  • مدیریت مسیریابی بسته‌های داده (Data Packets) در سطح سخت‌افزاری
• کنترل دسترسی رسانه (Media Access Control – MAC)
  • شناسایی یک دستگاه خاص با استفاده از آدرس‌های سخت‌افزاری مختص به کارت‌های شبکه (NIC)
  • عمل کردن آدرس‌های سخت‌افزاری به عنوان مبدأ و مقصد انتقال داده‌ها
  • ضمانت ارسال صحیح داده‌ها به دستگاه‌های مقصد

اترنت برای انتقال بسته‌های داده در این لایه از الگوریتمی به نام CSMA/CD (دسترسی چندگانه با حس حامل و تشخیص برخورد) استفاده می‌کند.

• CSMA/CD  (دسترسی چندگانه با حس حامل و تشخیص برخورد):
  • استانداردی برای کاهش برخورد داده‌ها (Collisions) و افزایش انتقال موفق اطلاعات در شبکه اترنت
  • بررسی وجود یا عدم وجود ترافیک‌های دیگر بر روی شبکه، قبل از ارسال داده‌ها
  • ارسال اولین بیت از اطلاعات در صورت عدم وجود ترافیک برای تست برخورد آن‌ها با سایر داده‌ها
  • ارسال بیت‌های دیگر در صورت عدم برخورد داده‌ها با هم و بررسی دائمی برخوردهای احتمالی در شبکه
  • از سرگیری مجدد کل فرآیند تا پایان انتقال کامل داده با محاسبه الگوریتم زمان انتظار در صورت برخورد داده‌ها با یکدیگر

هم چنین باید اشاره کرد که استفاده از سوئیچ‌هایی با سرعت بالا و حالت تمام‌دوطرفه (Full-Duplex) در شبکه اترنت، به کارگیری توپولوژی ستاره (Star Topology) بین پورت‌های سوئیچ و دستگاه‌های هدف را امکان‌پذیر می‌کند.

• توپولوژی ستاره:
  • وجود مسیرهای اختصاصی به سمت سوئیچ مرکزی برای هر دستگاه
  • کاهش برخوردها و ایجاد مسیرهای انتقال بسیار مستقیم‌ نسبت به توپولوژی باس (Bus Topology: انتقال داده‌ها در مسیری مشترک برای تمامی دستگاه‌ها).

مزایا و معایب اترنت

با ظهور فناوری‌های نوین، قابلیت‌های اترنت با سرعتی روزافزون، پیشروی می‌کند. در حالی که هم اکنون با دستیابی به سرعت‌هایی بالاتر از 1 گیگابیت بر ثانیه و ظهور فناوری 10 گیگابیت بر ثانیه در سال‌های اخیر، در آستانه قدم گذاشتن به دنیای شگفت‌ انگیز سرعت‌های بالا و البته بسیار گران‌قیمت هستیم.

زمانی که یک شبکه محلی اترنت را به اینترنت جهانی متصل می‌کنید تا به شبکه گسترده (WAN) دست پیدا کنید، امکانات شما برای دسترسی به دنیای اطلاعات، بی‌پایان به نظر خواهد رسید که این خود موضوعی جداگانه برای بحثی جداگانه خواهد بود.

در مجموع باید گفت اترنت یک شبکه ارتباطی بسیار مطلوب است. زیرا بین سرعت، هزینه و فرایند نصب، تعادل خوبی برقرار کرده و در کنار تقاضای بسیار بالا در بازار شبکه‌های ارتباطی رایانه‌ای، از قابلیت پشتیبانی تقریبی از تمام پروتکل‌های شبکه‌ای رایج نیز برخوردار است.

کاربرد اترنت در اتوماسیون صنعتی

اترنت (Ethernet) به عنوان یک فناوری ارتباطی در اتوماسیون صنعتی دارای کاربردهای گسترده و مهمی است. در زیر به برخی از این کاربردها اشاره می‌شود:

1. ارتباطات سریع و پایدار: اترنت به عنوان یک پروتکل ارتباطی با سرعت‌های گوناگون (10Mbps تا 100Gbps)، امکان انتقال داده‌ها در زمان واقعی را فراهم می‌کند. این ویژگی برای کنترل فرآیندهای صنعتی بسیار حائز اهمیت است.
2. یکپارچگی سیستم‌ها: اترنت به مهندسان این امکان را می‌دهد که دستگاه‌ها و سیستم‌های گوناوگون را به راحتی به یکدیگر متصل کرده و از انواع دستگاه‌ها نظیر PLCها، حسگرها و عملگرها به طور هم‌زمان استفاده کنند.
3. کاهش هزینه: استفاده از شبکه‌های اترنت می‌تواند هزینه‌های زیرساختی را کاهش دهد، زیرا کابل‌های اترنت و سوئیچ‌ها نسبت به دیگر پروتکل‌های ارتباطی هزینه کمتری دارند.
4. قابلیت انعطاف‌پذیری: شبکه‌های اترنت بسیار انعطاف پذیر بوده و می‌توانند به راحتی خود را با افزایش و یا کاهش دستگاه‌ها تطبیق دهند.
5. مدیریت و نظارت مرکزی: اترنت به مدیران سیستم اجازه می‌دهد تا به طور مرکزی بر فرایندها و تجهیزات نظارت کنند و داده‌ها را از تمامی نقاط پروژه جمع‌آوری و تحلیل کنند.
6. افزایش امنیت: با استفاده از فناوری‌های مدرن مانند VLAN و فایروال، می‌توان امنیت شبکه‌های اترنت صنعتی را افزایش داده و از حملات سایبری جلوگیری کرد.
7. پشتیبانی از پروتکل‌های صنعتی: استانداردهای مختلفی مانند Ethernet/IP، Profinet و SERCOS بر مبنای اترنت طراحی شده‌اند که امکان ارتباط و کنترل سیستم‌های صنعتی را فراهم می‌کنند.

به طور کلی، کاربرد اترنت در اتوماسیون صنعتی به عنوان یک عامل کلیدی در بهبود عملکرد، کارایی و انعطاف‌پذیری سیستم‌ها نقشی اساسی ایفا می‌کند.

سخن پایانی

اترنت یک استاندارد ارتباطی است که دستگاه‌هایی مانند رایانه‌ها و چاپگرها را در شبکه‌های محلی با استفاده از کابل‌ها برای انتقال داده به هم متصل می‌کند و از کابل‌های کواکسیال به جفت تابیده و فناوری‌های فیبر نوری تکامل می‌یابد. لایه فیزیکی اترنت، حاکم بر انتقال سیگنال، شامل اجزای ضروری مانند کابل‌ها و دستگاه‌های اترنت است که انتقال داده‌ها را با سرعت بالا برای زیرساخت‌های شبکه مدرن حیاتی می‌سازد. با وجود مزایای آن مانند مقرون به صرفه بودن و سازگاری با پروتکل‌های گوناگون، پیشرفت‌های فناوری هم‌چنان اترنت را به سمت سرعت‌های بالاتر و قابلیت‌های بیشتر سوق می‌دهد.

اترنت در صنایع هم کاربرد دارد از اترنت در کنترل ماشین آلات، کنترل فرآیند، کنترل رباتها و خانه های هوشمند نیز استفاده میشود، اترنت در اتوماسیون صنعتی دارای پروتکل های مختلفی همچون Ethernet/IP، PROFINET، Modbus TCP و … می باشد که در مقالات بعدی آنها را شرح خواهیم داد.