محول الشبكة

مفتاح الشبكة (يسمى أيضًا موزع التبديل ، وموزع الجسر ، ومحول الإيثرنت ، و—بحسب معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات - جسر MAC ^{[ 1 ]} ) هو جهاز شبكي يربط الأجهزة على شبكة الكمبيوتر باستخدام تبديل الحزم لاستقبال البيانات وإعادة توجيهها إلى الجهاز الوجهة.

مفتاح الشبكة هو جسر شبكة متعدد المنافذ يستخدم عناوين MAC لتوجيه البيانات في طبقة ربط البيانات (الطبقة 2) من نموذج OSI . يمكن لبعض المفاتيح أيضًا توجيه البيانات في طبقة الشبكة (الطبقة 3) من خلال دمج وظائف التوجيه . تُعرف هذه المفاتيح عادةً باسم مفاتيح الطبقة 3 أو مفاتيح متعددة الطبقات . ^{[ 2 ]}

تُعدّ محوّلات الإيثرنت الشكل الأكثر شيوعًا لمحوّلات الشبكة. وقد اخترع مارك كيمبف، المهندس في مجموعة تطوير الشبكات المتقدمة بشركة ديجيتال إكويبمنت (DEC)، أول جسر MAC ^{[ 3 ] [ 4 ] [5] [ 6 ] في عام 1983.} وبعد ذلك بوقت قصير، طرحت الشركة أول منتج جسر ثنائي المنافذ (LANBridge 100). ثم أنتجت الشركة محوّلات متعددة المنافذ لكل من الإيثرنت و FDDI . وقررت DEC ترخيص براءة اختراع جسر MAC الخاص بها على أساس مجاني وغير تمييزي، مما سمح لمعايير IEEE. وقد أتاح ذلك لعدد من الشركات الأخرى إنتاج محوّلات متعددة المنافذ، بما في ذلك شركة كالبانا ^{[ 7 ]} . كانت الإيثرنت في البداية وسيلة وصول مشتركة ، ولكن مع ظهور جسر MAC، بدأت تحوّلها إلى شكلها الأكثر شيوعًا، وهو الاتصال من نقطة إلى نقطة دون نطاق تصادم . وتوجد أيضًا محوّلات لأنواع أخرى من الشبكات، بما في ذلك قناة الألياف ، ووضع النقل غير المتزامن ، وإنفينيباند .

على عكس موزعات إعادة الإرسال ، التي تبث نفس البيانات من كل منفذ وتترك للأجهزة اختيار البيانات الموجهة إليها، فإن محول الشبكة يتعرف على عناوين إيثرنت للأجهزة المتصلة ثم يقوم فقط بإعادة توجيه البيانات إلى المنفذ المتصل بالجهاز الذي تم توجيهها إليه. ^{[ 8 ]}

مفتاح سيسكو SG300-28 ذو 28 منفذ جيجابت إيثرنت للتركيب في الرف، والمخصص للشركات الصغيرة، ومكوناته الداخلية

المحوّل هو جهاز في شبكة الحاسوب يربط الأجهزة ببعضها. تُوصل عدة كابلات بيانات بالمحوّل لتمكين الاتصال بين مختلف الأجهزة المتصلة بالشبكة. يدير المحوّل تدفق البيانات عبر الشبكة عن طريق إرسال حزمة البيانات المستلمة فقط إلى الجهاز أو الأجهزة المُستهدفة. يمكن تحديد كل جهاز متصل بالمحوّل من خلال عنوان شبكته ، مما يسمح للمحوّل بتوجيه حركة البيانات، وبالتالي تعزيز أمان الشبكة وكفاءتها.

يعتبر المحول أكثر ذكاءً من موزع الإيثرنت ، الذي يقوم ببساطة بإعادة إرسال الحزم من كل منفذ من منافذ الموزع باستثناء المنفذ الذي تم استلام الحزمة عليه، غير قادر على التمييز بين المستلمين المختلفين، ويحقق كفاءة شبكة أقل بشكل عام.

يعمل مُبدِّل الإيثرنت في طبقة ربط البيانات (الطبقة  الثانية) من نموذج OSI لإنشاء نطاق تصادم منفصل لكل منفذ من منافذ المُبدِّل. يمكن لأي جهاز متصل بمنفذ من منافذ المُبدِّل نقل البيانات إلى أي من المنافذ الأخرى في أي وقت دون تداخل بين عمليات الإرسال. ^{[ أ ]} ولأن المُبدِّل لا يزال يُعيد توجيه البث إلى جميع الأجهزة المتصلة، فإن قطاع الشبكة المُنشأ حديثًا يظل نطاق بث . قد تعمل المُبدِّلات أيضًا في طبقات أعلى من نموذج OSI، بما في ذلك طبقة الشبكة وما فوقها. يُعرف المُبدِّل الذي يعمل أيضًا في هذه الطبقات الأعلى باسم مُبدِّل متعدد الطبقات .

تتضمن عملية التجزئة استخدام مُبدِّل لتقسيم نطاق تصادم كبير إلى نطاقات أصغر بهدف تقليل احتمالية التصادم وتحسين إنتاجية الشبكة الإجمالية. في الحالة القصوى (أي التجزئة الدقيقة)، يتم توصيل كل جهاز مباشرةً بمنفذ مُبدِّل مُخصَّص له. على عكس مُوزِّع الإيثرنت، يوجد نطاق تصادم منفصل على كل منفذ مُبدِّل. يتيح ذلك لأجهزة الكمبيوتر الحصول على نطاق ترددي مُخصَّص على الاتصالات من نقطة إلى نقطة بالشبكة، بالإضافة إلى العمل في وضع الإرسال والاستقبال المتزامن (Full-Duplex). يحتوي وضع الإرسال والاستقبال المتزامن على مُرسِل واحد ومُستقبِل واحد فقط لكل نطاق تصادم، مما يجعل التصادمات مستحيلة.

يلعب مُبدِّل الشبكة دورًا أساسيًا في معظم شبكات إيثرنت المحلية الحديثة (LAN). تحتوي الشبكات المحلية متوسطة إلى كبيرة الحجم على عدد من المُبدِّلات المُدارة المتصلة. عادةً ما تستخدم تطبيقات المكاتب الصغيرة/المكاتب المنزلية (SOHO) مُبدِّلًا واحدًا، أو جهازًا متعدد الأغراض مثل بوابة منزلية للوصول إلى خدمات النطاق العريض للمكاتب الصغيرة/المنازل مثل DSL أو الإنترنت عبر الكابل . في معظم هذه الحالات، يحتوي جهاز المستخدم النهائي على موجّه ومكونات تتصل بتقنية النطاق العريض المادية المُحددة.

تحتوي العديد من المحولات على وحدات قابلة للتوصيل، مثل وحدات SFP (وحدات التوصيل صغيرة الحجم ). غالبًا ما تحتوي هذه الوحدات على جهاز إرسال واستقبال يربط المحول بوسط مادي، مثل كابل الألياف الضوئية. ^{[ 10 ] [ 11 ]} بدلاً من ذلك، يمكن استخدام كابلات DAC (النحاس للتوصيل المباشر) بدلاً من الوحدات. ^{[ 12 ]} سبقت هذه الوحدات وحدات توصيل الوسائط المتصلة بالمحولات عبر واجهات وحدات التوصيل [ ^{13 ] [ 14 ] ،} وقد تطورت بمرور الوقت: كانت الوحدات الأولى عبارة عن محولات واجهة جيجابت ، تلتها وحدات XENPAK ، ووحدات SFP، وأجهزة إرسال واستقبال XFP ، ووحدات SFP+، ووحدات QSFP، ^{[ 15 ]} ووحدات QSFP-DD، ^{[ 16 ]} ووحدات OSFP . ^{[ 17 ]} تُستخدم الوحدات القابلة للتوصيل أيضًا لنقل الفيديو في تطبيقات البث. ^{[ 18 ] [ 19 ]} مع ظهور سرعات أعلى وتقنية البصريات المدمجة (CPO)، التي تُقرّب أجهزة الإرسال والاستقبال من شريحة التبديل في المحوّل، مما يقلل استهلاك الطاقة، أصبحت الوحدات القابلة للتوصيل مصادر ضوء ليزر قابلة للاستبدال، ويتم توصيل الألياف الضوئية مباشرةً بواجهة المحوّل بدلاً من توصيلها عبر وحدات قابلة للتوصيل. كما أن تقنية CPO أسهل بكثير في التكيف مع التبريد المائي. ^{[ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ]}

تُستخدم المحولات عادةً كنقطة اتصال شبكية للأجهزة المضيفة على حافة الشبكة. وفي نموذج الربط الشبكي الهرمي وهياكل الشبكات المشابهة، تُستخدم المحولات أيضًا في أعماق الشبكة لتوفير الاتصالات بين المحولات الموجودة على الحافة.

في المحولات المُخصصة للاستخدام التجاري، تُتيح الواجهات المُدمجة أو المعيارية إمكانية ربط أنواع مختلفة من الشبكات، بما في ذلك الإيثرنت، وقناة الألياف ، و RapidIO ، و ATM ، و ITU-T G.hn، و 802.11 . ويمكن أن يتم هذا الربط على أي من الطبقات المذكورة. وبينما تُعد وظائف الطبقة الثانية كافية لتحويل عرض النطاق الترددي ضمن تقنية واحدة، فإن ربط التقنيات مثل الإيثرنت و Token Ring يتم بسهولة أكبر على مستوى الطبقة الثالثة أو عبر التوجيه. ^{[ 24 ]}  وتُسمى الأجهزة التي تربط على مستوى الطبقة الثالثة تقليديًا بالموجهات . ^{[ 25 ]}

عند الحاجة إلى تحليل معمق لأداء الشبكة وأمنها، يمكن ربط المحولات بين أجهزة توجيه الشبكة الواسعة (WAN) لتوفير نقاط توصيل لوحدات التحليل. يوفر بعض الموردين ^جدار حماية [ ^{26 ] [ 27 ]} ، وأنظمة كشف اختراق الشبكة ^{[ 28 ]} ، ووحدات تحليل الأداء التي يمكن توصيلها بمنافذ المحولات. قد تتواجد بعض هذه الوظائف في وحدات مدمجة ^{[ 29 ] .}

من خلال خاصية النسخ المتطابق للمنفذ ، يمكن للمحول إنشاء صورة معكوسة للبيانات التي يمكن أن تذهب إلى جهاز خارجي، مثل أنظمة كشف التسلل وأجهزة تحليل حزم البيانات .

قد يدعم المحول الحديث تقنية التغذية عبر الإيثرنت (PoE)، مما يُغني عن حاجة الأجهزة المتصلة، مثل هاتف VoIP أو نقطة الوصول اللاسلكية ، إلى مصدر طاقة منفصل. ولأن دوائر الطاقة في المحولات يمكن توصيلها بوحدات تزويد الطاقة غير المنقطعة ، فإن الجهاز المتصل يستطيع مواصلة العمل حتى في حال انقطاع التيار الكهربائي المعتاد في المكتب.

في عامي 1989 و 1990، قدمت شركة كالبانا أول محول إيثرنت متعدد المنافذ ، وهو محول إيثر سويتش ذو سبعة منافذ. ^{[ 7 ]}

تستخدم المحولات التجارية الحديثة بشكل أساسي واجهات إيثرنت. وتتمثل الوظيفة الأساسية لمحولات الإيثرنت في توفير منافذ متعددة لربط الطبقة الثانية. وتُعدّ وظائف الطبقة الأولى ضرورية في جميع المحولات لدعم الطبقات العليا. كما تُجري العديد من المحولات عمليات على طبقات أخرى. ويُعرف الجهاز القادر على أكثر من مجرد الربط باسم محول متعدد الطبقات.

جهاز الشبكة من الطبقة الثانية هو جهاز متعدد المنافذ يستخدم عناوين الأجهزة ( عناوين MAC ) لمعالجة البيانات وإعادة توجيهها في طبقة ربط البيانات (الطبقة 2).

قد يقوم المحول الذي يعمل كجسر شبكي بربط شبكات الطبقة الثانية المنفصلة. يتعرف الجسر على عنوان MAC لكل جهاز متصل، ويخزن هذه البيانات في جدول يربط عناوين MAC بالمنافذ. غالبًا ما يُنفذ هذا الجدول باستخدام ذاكرة الوصول العشوائي للمحتوى (CAM) عالية السرعة، ويشير بعض الموردين إلى جدول عناوين MAC باسم جدول CAM.

تقوم الجسور أيضًا بتخزين الحزم الواردة مؤقتًا وتكييف سرعة الإرسال مع سرعة المنفذ الصادر. ورغم وجود تطبيقات متخصصة، مثل شبكات منطقة التخزين، حيث تتساوى واجهات الإدخال والإخراج في عرض النطاق الترددي، إلا أن هذا ليس هو الحال دائمًا في تطبيقات الشبكات المحلية العامة. ففي الشبكات المحلية، يقوم المحول المستخدم لوصول المستخدم النهائي عادةً بتركيز عرض النطاق الترددي المنخفض وربط الوصلات الصاعدة بعرض نطاق ترددي أعلى.

يحتوي رأس الإيثرنت في بداية الإطار على جميع المعلومات اللازمة لاتخاذ قرار التوجيه؛ ويمكن لبعض المحولات عالية الأداء بدء توجيه الإطار إلى الوجهة أثناء استقبال حمولة الإطار من المرسل. يُمكن لهذا التحويل المباشر أن يُقلل زمن الاستجابة بشكل ملحوظ عبر المحول.

يمكن تنظيم الوصلات البينية بين المحولات باستخدام بروتوكول الشجرة الممتدة (STP) الذي يعطل إعادة التوجيه على الروابط، بحيث تكون الشبكة المحلية الناتجة عبارة عن شجرة بدون حلقات تبديل . وعلى عكس أجهزة التوجيه، يجب أن تحتوي جسور الشجرة الممتدة على بنية طوبولوجية بمسار نشط واحد فقط بين نقطتين. يُعد كل من جسر أقصر مسار و TRILL (الربط الشفاف للعديد من الروابط) بديلين من الطبقة الثانية لبروتوكول الشجرة الممتدة، حيث يسمحان بتفعيل جميع المسارات مع وجود مسارات متعددة متساوية التكلفة. ^{[ 30 ] [ 31 ]}

من الصعب مراقبة حركة البيانات التي يتم ربطها باستخدام محول لأن منافذ الإرسال والاستقبال فقط هي التي يمكنها رؤية حركة البيانات.

تشمل الطرق المصممة خصيصًا لتمكين محلل الشبكة من مراقبة حركة البيانات ما يلي:

• نسخ المنافذ – نظرًا لأن الغرض من المحول هو عدم توجيه حركة البيانات إلى أجزاء الشبكة التي لا حاجة لها، لا يمكن للعقدة المتصلة بالمحول مراقبة حركة البيانات على الأجزاء الأخرى. يُعد نسخ المنافذ هو الحل لهذه المشكلة في الشبكات المحولة: فبالإضافة إلى السلوك المعتاد المتمثل في توجيه الإطارات فقط إلى المنافذ التي قد تصل من خلالها إلى عناوينها، يقوم المحول بتوجيه الإطارات الواردة عبر منفذ مراقبة معين إلى منفذ مراقبة مُخصص ، مما يسمح بتحليل حركة البيانات التي لا يمكن رؤيتها من خلال المحول في الأحوال العادية. 
• تم وصف مراقبة المحول (SMON) بواسطة RFC 2613 وهي آلية للتحكم في المرافق مثل نسخ المنافذ. ^{[ 34 ]}
• RMON ^{[ 35 ]}
• sFlow

نادراً ما تتوفر ميزات المراقبة هذه في محولات الشبكة المخصصة للمستهلكين. وتشمل طرق المراقبة الأخرى توصيل موزع من الطبقة الأولى أو جهاز مراقبة الشبكة بين الجهاز المراد مراقبته ومنفذ المحول الخاص به. ^{[ 36 ]}

• شراء محول شبكة إيثرنت من خلال موقع Wayback Machine (تمت أرشفته في 2020-08-04)