طريقة عمل اجهزة الشبكة المختلفة

عندما يقوم جهازا لمضيف بإنشاء وحدة بيانات Frame , يقوم بتسجيل عنوان MAC الخاص ببطاقة الشبكة التي سيستخدمها لإرسال هذه البيانات في خانة Source MAC ,و يتم تسجيل عنوان MAC الخاص ببطاقة الشبكة في الجهاز الهدف في خانة العنوان الهدف Destination MAC, ثم يرسل البيانات الى الجهاز الهدف عبر بطاقة الشبكة هذه.

و هنا يبدأ دور اجهزة الشبكة الاخرى لكي تقوم بتوصيل هذه البيانات التي خرجت من بطاقة الشبكة الى وجهتها , حيث يمكننا استخدام اجهزة شبكة مختلفة تساعدنا على توصيل وحدة البيانات لوجهتها عبر الشبكة و عبر الشبكات الفرعية الاخرى , تناسب هذه الاجهزة نوع التقنية المستخدمة في الشبكة و نوع وسط النقل.

من اهم هذه الاجهزة جهاز المجمع Hub و جهاز “المبدل” (Switch) و جهاز “الموجه” (Router)

مكان الجهاز الهدف

نلاحظ انه هناك حالتين لمكان وجود الجهاز الهدف Destination:-

اما ان يكون الجهاز الهدف Destination في نفس الشبكة الفرعية.
او يكون الجهاز الهدف Destination في شبكة فرعية اخرى.

إذا كان الجهاز الهدف في نفس الشبكة الفرعية التي يوجد بها الجهاز المصدر , سيتم إرسال البيانات إليه مباشرة , حيث سيتم تسجيل عنوان MAC الخاص بهذا الجهاز الهدف على وحدة البيانات Frame.

اذا كان الجهاز الهدف في شبكة فرعية اخرى , في هذه الحالة يجب استخدام جهاز “موجه” (Router) لتوصيل البيانات لهذه الشبكة الفرعية الاخرى, فوظيفة جهاز “الموجه” (Router) هي توصيل البيانات بين الشبكات المختلفة , حيث سيتم تسجيل عنوان MAC الخاص بمنفذ جهاز “الموجه” (Router) المتصل بهذه الشبكة على وحدة البيانات , و ليس عنوان الجهاز الهدف, فكما ذكرنا ان عناوين MAC تستخدم لنقل البيانات في نفس الشبكة الفرعية من نقطة الى نقطة.

و عندما تصل البيانات لجهاز “الموجه” (Router) , سيتولى امر توصيلها للجهاز المطلوب.

معرفة مكان الجهاز الهدف

يستطيع الجهاز المصدر Source معرفة اذا كان الجهاز الهدف Destination يقع معه في نفس الشبكة ام في شبكة اخرى عن طريق مقارنة عنوان IP الخاص به وعنوان IP الخاص بالجهاز الهدف , فكما ذكرنا ان عنوان IP يعبر عن الجهاز و عن الشبكة التي تحتوي على الجهاز.

ووفقا لنتيجة المقارنة , سيتم تحديد أي من عناوين MAC سيتم استخدامها و تسجيلها على وحدة البيانات , هل سيتم استخدام عنوان MAC الخاص بالجهاز الهدف مباشرة , ام عنوان MAC الخاص بمنفذ جهاز Router.

جهاز المجمع Hub

جهاز المجمع Hub هو جهاز يقوم بتوصيل اجهزة الكمبيوتر في نفس الشبكة الفرعية معاً و يقوم بتمرير البيانات بين هذه الأجهزة في نفس هذه الشبكة.

فعندما تخرج بيانات من جهاز المضيف من خلال بطاقة الشبكة في شكل Frame , و قد تم تسجيل عليها عنوان MAC الخاص بمنفذ جهاز المصدر, و عنوان MAC الخاصة بمنفذ بجهاز الهدف , و تصل هذه البيانات لجهاز المجمع Hub , لن يقوم جهاز المجمع Hub بفحص أي من هذه العناوين المسجلة على وحدة البيانات Frame و انما سيقوم بتمرير وحدة البيانات هذه لتخرج من جميع المنافذ الاخرى في جهاز المجمع Hub باستثناء المنفذ الذي وصلت منه,و بهذا تصل البيانات للجهاز المطلوب ,و تصل ايضا لجميع الاجهزة الاخرى على الشبكة.

جهاز المبدل Switch

جهاز المبدل Switch هو جهاز يقوم بتوصيل اجهزة الكمبيوتر في نفس الشبكة الفرعية معاً و يقوم بتمرير البيانات بين هذه الأجهزة في نفس هذه الشبكة.

فعندما تخرج بيانات من جهاز المضيف من خلال بطاقة الشبكة في شكل Frame , و قد تم تسجيل عليها عنوان MAC الخاص بمنفذ جهاز المصدر , و عنوان MAC الخاصة بمنفذ بجهاز الهدف , و تصل هذه البيانات لجهاز “المبدل” (Switch) , سيقوم جهاز المبدل Switch بفحص عناوين MAC المسجلة على وحدة البيانات Frame ليتعرف على عنوان الجهاز الهدف , ثم يقوم بتمرير وحدة البيانات هذه لتخرج من منفذ واحد يصل بهذا الجهاز المطلوب فقط.

و بهذا تصل البيانات للجهاز المطلوب فقط , و لن تصل الى الاجهزة الاخرى في الشبكة كما يحدث في حالة استخدام جهاز Hub.

و لكي يستطيع جهاز “المبدل” (Switch) ارسال البيانات لجهاز معين واحد فقط , يستخدم جهاز “المبدل” (Switch) جدول يسجل فيه العناوين الفيزيائية MAC Addresses الخاصة بجميع الاجهزة الموجودة في الشبكة الفرعية Subnet و يسجل بجوار كل عنوان رقم المنفذ الذي يتصل بهذا الجهاز .

يسمى هذا الجدول بجدول العناوين الفيزيائية MAC Address Table.

فجهاز “المبدل” (Switch) :-

يقوم بإجراء عمليات التحكم في تدفق البيانات و يحدد المنفذ الذي ستعبره البيانات لتصل لوجهتها.
يقوم بفحص عناوين MAC المسجلة على وحدة البيانات Frame و يستخدم هذه العناوين لتمرير البيانات للاجهزة المطلوبة.
يمرر البيانات التي تصل إليه الى الجهاز المطلوب فقط , ولا يمررها لجميع الاجهزة الاخرى كما يفعل جهاز المجمع Hub.
يتعامل مع البيانات التي تصل إليه في شكل وحدة بيانات Frame.

و لذلك يصنف جهاز “المبدل” (Switch) ضمن الاجهزة التي تعمل في طبقة وصلة البيانات.

مجال التصادم Collision Domain

في بعض الاحيان قد يقوم جهاز مضيف بإرسال بيانات الى جهاز المجمع Hub او المبدل Switch في نفس الوقت الذي يقوم فيه جهاز المجمع Hub او المبدل Switch بإرسال بيانات إليه.

و في هذه الحالة يحدث تداخل للبيانات و تتصادم معاً , و تسمى هذه الحالة بالتصادم Collision.

مجال التصادم في جهاز Hub

ذكرنا سابقاً انه اذا قام جهاز مضيف بإرسال بيانات لجهاز المجمع Hub , سيقوم جهاز المجمع Hub بإرسال هذه البيانات الى جميع الاجهزة الاخرى على الشبكة بتمرير البيانات عبر جميع المنافذ في الجهاز بإستثناء المنفذ الذي وصلت منه البيانات, و بهذا ستكون جميع الوصلات في الشبكة مشغولة.

و إذا قام أي جهاز مضيف اخر بمحاولة ارسال بيانات في هذه الاثناء عبر أي من هذه الوصلات في الشبكة فسيحدث تصادم Collision في هذه الوصلات لان جميع هذه الوصلات مشغولة.

ذلك لان جميع الوصلات او جميع المنافذ في هذه الشبكة تكون مشغولة إذا قام جهاز واحد فقط بمحاولة ارسال البيانات , وبذلك نقول ان جميع المنافذ في جهاز المجمع Hub تقع في مجال تصادم Collision Domain واحد.

مجال التصادم في جهاز المبدل Switch

ذكرنا سابقاً انه اذا قام جهاز مضيف بإرسال بيانات لجهاز المبدل Switch , سيقوم جهاز المبدل Switch بإرسال هذه البيانات الى جهاز واحد فقط بتمرير البيانات عبر منفذ واحد فقط من الجهاز, و بهذا ستكون وصلة واحدة فقط في الشبكة مشغولة .

و إذا قام أي جهاز مضيف اخر بمحاولة ارسال بيانات في هذه الاثناء عبر أي من هذه الوصلات في الشبكة فلن يحدث تصادم Collision في هذه الوصلات لانها غير مشغولة, حيث سيكون هناك وصلة واحدة فقط مشغولة, او منفذ واحد فقط من جهاز المبدل Switch مشغول , و ستكون جميع الوصلات و جميع المنافذ الاخرى غير مشغولة.

و سيحدث التصادم في هذه الحالة عند استخدام جهاز المبدل Switch اذا قام جهاز مضيف بإرسال بيانات لجهاز المبدل Switch في نفس الاثناء الذي يقوم فيها الجهاز المبدل باستخدام نفس الوصلة لإرسال بيانات لهذا الجهاز.

و بهذا نقول ان كل منفذ من منافذ جهاز المبدل Switch يقع في مجال تصادم Collision Domain منفصل .

Half Duplex Logic

لحل مشكلة التصادم Collision التي تحدث عند محاول جهاز ارسال بيانات في نفس اللحظة التي يستقبل فيها البيانات تم استحداث تقنية خاصة في الشبكات من نوع Ethernet تتيح للأجهزة اما إرسال البيانات , او استقبالها في اللحظة نفسها , و تسمى هذه التقنية بـ Half Duplex Logic.

و لكي تستطيع المنافذ تطبيق هذه التقنية , تعمل المنافذ على تطبيق عملية حسابية معينة او خوارزمية معينة تعرف بـ Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection CSMA/CD , لتساعدها على استشعار حدوث التصادم و لتمكن الجهاز من ارسال البيانات فقط او استقبالها فقط في اللحظة نفسها.

و تنص هذه الخوارزمية CSMA/CD على انه إذا اراد جهاز إرسال بيانات لجهاز اخر في شبكة Ethernet بتقنية Hal Duplex فعليه اتباع الخطوات التالية:-

اولا: يجب على الجهاز فحص الوصلة حتى يتأكد انها غير مشغولة , اذا كانت مشغولة فعليه الانتظار حتى تكون الوصلة جاهزة و غير مشغولة.
ثانيا: اذا كانت الوصلة غير مشغولة سيبدأ الجهاز في عملية الارسال.
ثالثا: اثناء عملية الارسال يقوم الجهاز بفحص الوصلة لاكتشاف أي تصادم يمكن ان يحدث , فقد يحدث التصادم بان يحاول كلا الجهازين فحص الوصلة في نفس الوقت و يجدان انها غير مشغولة فيقومان بإرسال البيانات في نفس الوقت.

فإذا حدث تصادم سيتوقف الجهازان عن الارسال لفترة زمنية عشوائية, ثم يعيد كل جهاز المحاولة مرة اخرى.

و بما ان فترة الانتظار عشوائية تختلف من جهاز لاخر , فلن يقوم الجهازان بإرسال البيانات في نفس الوقت ,و بهذا ستعمل الوصلة بشكل سليم.

هذا و نلاحظ ان الجهاز يستطيع التعرف على حدوث تصادم عند ارسال اول 64Bytes من البيانات.

Full-Duplex Logic

مع إصدارات حديثة لبروتوكول Ethernet تم القضاء على مشكلة التصادم نهائياً , فقط تم استحداث تقنية تمكن الوصلة من إرسال و استقبال البيانات في نفس الوقت , تسمى هذه الطريقة بـ Full Duplex , وبذلك لم يعد هناك حاجة لاستخدام خوارزمية CSMA/CD.

جهاز الموجه Router

جهاز الموجه Router هو جهاز يقوم بربط شبكات مختلفة مع بعضها البعض و يسمح بنقل البيانات بين هذه الشبكات.

ففي حالة ارسال البيانات من شبكة الى شبكة اخرى , عندما تخرج بيانات من جهاز المضيف المصدر من خلال بطاقة الشبكة في شكل Frame , و قد تم تسجيل عليها عنوان MAC الخاص بمنفذ جهاز المصدر, و عنوان MAC الخاص بمنفذ جهاز “الموجه” (Router), و تصل هذه البيانات لجهاز “الموجه” (Router) , سيقوم الجهاز بعدة خطوات:-

اولا : سيقوم بفحص عنوان MAC المسجل على هذه البيانات ليتأكد ان هذا العنوان هو العنوان الخاص به و ان هذه البيانات قد إرسلت إليه بشكل خاص, و لم تصله عشوائياً .
ثانياً سيقوم بإزالة الغلاف Frame و الحصول على وحدة البيانات Packet و يقوم بفحص عناوين IP المسجلة على وحدة البيانات Packet ليتعرف على عنوان IP الجهاز الهدف و شبكته
ثالثا: يقوم بالبحث عن المنفذ الذي يصله بالشبكة التي يوجد بها الجهاز الهدف.
رابعاً : يقوم بإعادة تغليف وحدة البيانات Packet بغلاف Frame جديد يناسب التقنية او البروتوكول الذي تستخدمه الشبكة التي تصله بالجهاز الهدف , هل هي شبكة Ethernet او HDCL او PPP .. الخ, و يسجل على وحدة البيانات هذه عناوين MAC جديدة , فيسجل عنوان MAC الخاص بالمنفذ الذي سيستخدمه لتمرير هذه البيانات في خانة المنفذ المصدر , و يسجل عنوان MAC الخاص بالجهاز في الطرف الاخر كعنوان الهدف.

ثم يقوم بتمرير وحدة البيانات هذه الى الجهاز المطلوب.

و نلاحظ هنا انه كلما مرت وحدة البيانات Frame من شبكة فرعية الى اخرى فسيتم تغيير عناوين MAC المسجلة عليها , بينما ستبقى وحدة البيانات Packet و العناوين IP المسجلة عليها كما هي دون تغيير.

و لكي يستطيع جهاز “الموجه” (Router) معرفة المنفذ الذي يصله بالشبكة الهدف , يستخدم جهاز “الموجه” (Router) جدول يسجل فيه عناوين الشبكات الفرعية المتصلة به و يسجل بجوار كل عنوان شبكة رقم المنفذ الذي يتصل بهذه الشبكة.

يسمى هذا الجدول بجدول التمرير او جدول التوجيه (Routing Table).

فجهاز “الموجه” (Router):-

يقوم بإجراء العديد من عمليات التحكم في تدفق البيانات و يحدد افضل مسار تعبره البيانات لتصل لوجهتها.
يقوم بإزالة تغليف وحدة البيانات Frame
يقوم بفحص عناوين IP المسجلة على وحدة البيانات Packet و يستخدم هذه العناوين لتمرير البيانات للاجهزة المطلوبة.
يقوم بتغليف وحدة البيانات Packet بغلاف جديد و إنشاء وحدة بيانات Frame جديدة.
يمرر البيانات عبر منفذ واحد فقط ليصل للشبكة المطلوبة.
يتعامل مع البيانات التي تصله في شكل وحدة بيانات Packet

و لذلك يصنف جهاز “الموجه” (Router) ضمن الاجهزة التي تعمل في طبقة الشبكة.

ملاحظات

نلاحظ انه عند انشاء وحدة البيانات Frame سواء في جهاز المضيف او في جهاز “الموجه” (Router) يتم تسجيل عنوان MAC في خانة العنوان الهدف :-

اما عنوان الجهاز الهدف إذا كان الجهاز في نفس الشبكة الفرعية.
او عنوان منفذ جهاز “الموجه” (Router) اذا كان الجهاز في شبكة فرعية اخرى.

ولا يتم تسجيل عنوان MAC لمنافذ جهاز المجمع او جهاز “المبدل” (Switch).

كلما وصلت بيانات الى جهاز “الموجه” (Router) و قام الجهاز بتمريرها من شبكة الى اخرى عبر منافذه المختلفة يقوم بإزالة التغليف القديم De-capsulation و يقوم بإنشاء وحدة بيانات Frame جديدة Encapsulation بعناوين MAC جديدة, ويحافظ على وحدة البيانات Packet و على عناوين IP المسجلة عليها كما هي دون تغيير .

عندما تصل وحدة البيانات Frame الى جهاز المجمع او “المبدل” (Switch) لا يقوم بإزالة تغليف De-capsulation وحدة البيانات Frame و إعادة تغليفها بعناوين MAC جديدة , ولا يقوم بتغيير عناوين MAC المسجلة عليها و انما يقوم بتمرير وحدة البيانات هذه كما هي.

مجال البث Broadcast Domain

ذكرنا سابقاً انه باستطاعة جهاز المضيف إرسال رسالة واحدة لتصل الى جميع الاجهزة على الشبكة , و تسمى هذه الرسالة برسالة Broadcast Message,و نلاحظ ان المجال الذي تصل إليه هذه الرسالة يسمى مجال البت Broadcast Domain.

مجال البث Broadcast Domain في جهاز المجمع و المبدل

إذا وصلت رسالة Broadcast Message الى جهاز المجمع Hub او جهاز المبدل Switch, سيقوم الجهاز بإرسال هذه البيانات الى جميع الاجهزة لاخرى على الشبكة بتمرير هذه الرسالة عبر جميع المنافذ بإستثناء المنفذ الذي وصلت منه.

ذلك لان جميع المنافذ في جهاز المجمع Hub و جهاز المبدل Switch تقع في مجال بث Broadcast واحد.