ETHERNET KARTLARI

1. GİRİŞ

Ethernet kartı, bilgisayar ağlarında bilgisayarla ağ arasında iletişimi sağlar. Anakartın genişleme yuvalarına takılır. Diz üstü bilgisayarlarda PC Card (PMCIA) soketine veya paralel porta bağlanır. Ethernet kartlarına network kartı, ağ arabirim kartı gibi isimler de verilmektedir.

Şekil 1.1: Ethernet kartı

Ethernet kartı aracılığıyla bilgisayar ağlarındaki bilgisayarlar arasında veri iletimi olur ve cihazlar diğer bilgisayarların kullanımı için paylaşıma açılabilir.

Ethernet kartlarının çıkışındaki bağlantı noktasına kablo bağlanarak, bilgiler kablo aracılığı ile diğer bilgisayarlara veya paylaşıma açık olan cihazlara iletilir.

Ethernet kartlarının çıkış noktaları RJ-45 veya BNC konektörlere uygun olarak tasarlanmıştır. RJ-45 konektörler çift bükümlü kablolaları, BNC konektörler koaksiyel kabloları kullanır. Günümüzdeki ethernet kartları RJ-45 konektörlere uygun olarak üretilmektedir. Ayrıca bazı ankartlarda ethernet kartları anakarta tümleşik olarak üretilmektedir (onboard resim 1.2).

 Şekil 1.2: Onboard (tümleşik) ethernet

2. ETHERNETİN TARİHİ

Ethernet Xerox firmasının Palo Alto araştırma merkezinde 1970'li yıllarda Dr. Robert M. Metcalfe tarafından geliştirildi. Metcalfe "geleceğin ofisi" projesi üzerinde çalışıyordu ve elinin altında dünyanın ilk workstation bilgisayarlarından biri olan Xerox Alto bilgisayarlar bulunuyordu.

1972 yılının sonlarında, Metcalfe ve Xerox'ta çalışan iş arkadaşları Xerox Alto'ları birbirine bağlamak için deneysel olarak Ethernet'i geliştirdiler. Böylece Alto bilgisayarlar diğer sunucular ve lazer yazılıcılar birbiriyle haberleşebiliyordu. İlk Ethernetin çalışma hızı Alto'larla uyumlu olması için Alto'nun çalışma hızı ile aynı tutulmuş ve sonuçta ağ 2.94 Mega Bit/Saniye hızında çalışmıştır. İlk ethernet tek parça bir koaksiyel kablo kullanıyordu.

Metcalfe önce Alto Aloha Network olan sistemin ismini 1973 yılında "Ethernet" olarak değiştirdi. Böylece sistemin sadece Alto bilgisayarlarda değil tüm bilgisayarlarda çalışabileceğini vurgulamak istiyordu. Ethernet kelimesi bir zamanlar tüm uzayı doldurduğuna ve elektromanyetik sinyallerin aktarımını sağladığına inanılan "ether" den geliyordu. Metcalfe'nin sisteminde de veri bitleri tüm sistemlere ulaştığı için sonuçta "Ethernet" doğmuş oldu.

1979 yılına kadar sadece Xerox içinde kullanılan Ethernet'in resmi duyurusu 1980 yılında yapıldı. Xerox, DEC (Digital Equipment Corporation) ve Intel firmaları ile beraber, sonradan "DIX Standart" olarak anılan ethernet standardını yayınladı. DIX standardı koaksiyel kablo üzerinden 10 MBs hızında çalışan etherneti tanımlamıştır. Böylece ethernet, firma içi deneysel bir çalışmadan herkese açık gerçek bir ürün haline gelmiş oldu.

3. ETHERNET VEYA IEEE 802.3

DIX standardından sonra Ethernet, Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE)'in 802 kodlu komisyonu tarafından geliştirilmeye devam etti. IEEE 1985 yılında "IEEE 802.3 Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection (CSMA/CD) Access Method and Physical Layer Specifications" şeklinde bir isimle yeni ethernet standardını yayınladı. İzleyen dönemde IEEE standardı International Organization for Standardization (ISO) tarafından yürütülmeye devam etti. ISO günümüzde bilgisayar ağları ile ilgili tüm standarları yürüten kuruluştur.

1985 yılından itibaren üretilen tüm ürünler IEEE 802.3 standardına göre üretilmektedir. Aslında bu ürünleri "IEEE 802.3 CSMA/CD" standardını kullanan ürünler olarak tanımlamak daha doğrudur. Ama dünya çapında hala genel olarak "Ethernet" kelimesi tüm bu ürünler ve dahil oldukları teknolojiyi tanımlamak için kullanılmaktadır.

Ethernet tek bir ağ teknolojisi olmaktan çok, aynı bus topolojisini, frame yapısını ve network access (ağ erişimi) metodunu kullanan ağ teknolojileri ailesini tanımlar.

4. ETHERNET KARTI ÇEŞİTLERİ

Ethernet kartları konnektör yapılarına ve veri iletim hızlarına göre sınıflandırılır.

4.1. Konnektör Yapılarına Göre Ethernet Kartları

3 çeşit ethernet kartı vardır.

4.1.1. BNC Konnektörlü ethernet kartları

Koaksiyel kablo kullanan ethernet kartlarıdır. Koaksiyel kablonun ucuna BNC konnektörü takılır. 10 Mbps veri iletimini sağlar.

Şekil 4.1: BNC ethernet kartı

4.1.2 RJ-45 Konektörlü ethernet kartları

Çift bükümlü kablo kullana ethernet kartlarıdır. Çift bükümlü kablonun ucuna RJ-45 konnektörü takılır.10, 100, 1000 Mbps hızlarında veri iletimini sağlarlar.

Şekil 4.2: RJ-45 ethernet kartı

4.1.3 Combo Ethernet Kartları

Bazı Ethernet kartlarında birden fazla konnektör yuvası bulunabilir. Örneğin, hem koaksiyel, hem de UTP kablo takılabilen ağ kartları mevcuttur. Ancak dikkat edilmesi gereken nokta iki bağlantıda aynı anda yapılamaz. Aynı anda sadece bir konnektör kullanılabilir.

 

Şekil 4.3 : Combo ethernet kartı

Eski combo kartlarda hangi konnektörün kullanılacağına dair jumper’lar bulunmaktaydı. Bu jumper’lar isteğe göre ayarlanarak konnektör seçimi yapılırdı. Bazı kartlar ise özel yazılımları ile bu seçimi yaparlar. Daha yeni kartlar ise otomatik tanıma özelliğine sahiptir, kablonun hangi konnektöre takılı olduğunu tanır ve ona göre çalışır.

4.2. Veri İletim Hızlarına Göre Ethernet Kartları

Günümüzde RJ-45 konnektörlü ethernet kartları üretilmektedirler. Bu kartlar 10 Mbps, 10/ 100 Mbps , 1000 Mbps veri aktarım hızlarına sahiptir.

5. ETHERNET KABLO TEKNOLOJİLERİ

Genel olarak koaksiyel kablo, fiber optik kablo, utp kablo olmak üzere 3 çeşit kablo kullanılır.

5.1. 10Base2:

İnce koaksiyel kablo ile 10Mbit hızında Ethernet ağı. Ucuzluğu
sebebiyle (cheapernet) veya ince kablo kullanıldığı için ince ethernet (thinnet) olarak da adlandırılır. 2 rakamı maksimum kablo uzunluğunu ifade etmektedir ki ince koaksiyel kablo maksimum 185 m olmalıdır.

5.2. 10Base5:

Kalın koaksiyel kablo ile l0Mbit hızında Ethernet ağı kalın
ethernet (thicknet) olarak da adlandırılır. 5 rakamı maksimum kablo uzunluğunu ifade etmektedir, kalın koaksiyel kablo maksimum 500m olmalıdır.

Şekil 5.1: Koaksiyel kablo

5.3. 10BaseF:

Fiber optik kablo ile l00Mbit hızında Ethernet ağı. F ifadesi fiber optik kablo kullanıldığını belirtir

Şekil 5.2: Fiber optik kablo

5.4. 10BaseT:

Korumasız çift bükümlü (unshielded twisted pair) kablo üzerinde l0Mbit hızında Ethernet. T ifadesi kablo tipini (twisted pair) belirlemektedir. Fast Ethernet (hızlı ethernet) olarak da anılır. 10BaseT, ortak yol-yıldız topolojileri kullanan ethernet kablolama sistemini tanımlar. Kullanılan kablo haricinde ethernet paket yapısı ve çalışma mantığı 10Base2 ve 10Base5 ile aynıdır

5.5. 100BaseT:

Korumasız çift bükümlü (unshielded twisted pair) kablo üzerinde l00Mbit hızında Ethernet. T ifadesi bükümlü kablo (twisted pair) kullanıldığını belirtir.

5.6. 10Base36:

Broadband yayın yapan kablo ile 10Mbit hızında Ethernet ağı.Kablo uzunluğu maksimum 3600 metre olabilir.

Şekil 5.3: UTP ( Twisted pair) kablo

6. ETHERNET KARTININ ÇALIŞMASI

Ethernet kartı iletilecek verileri paketlere böler ve kart çıkışına bağlı ağ kablosuna gönderir.

Bir yerel ağ (lan) sisteminde iletilen veri paketlerinde, alıcının MAC adresi, göndericinin MAC adresi, iletilen veri ve CRC kodu bulunur. CRC kodu gönderilen verinin bozulup bozulmadığını kontrol eden koddur.

Paket gönderilmeden önce kablo kontrol edilir ve kablo boş ise veri gönderilir. Veri hatta bırakılmadan önce protokollerden faydalanılarak, verinin baş ve son tarafına çeşitli bilgilereklenir.Paketlenen veri karşı bilgisayara gönderilir, alıcı bilgisayarın ethernet kartı tarafından alınıp çözülür ve CRC koduna bakılır. CRC kodu aynı ise veri kabul edilir. Paketten veri alınır ve bilgisayar tarafından işlenir. CRC aynı değilse verinin bozulmuş olduğu anlaşılır ve veri kabul edilmez.

Öntakı

7 byte

Başla Ayıracı

1 byte

Alıcı adresi

6 byte

Gönderici adresi

6 byte

Paket uzunluğu (tür)

2 byte

Veri

46-1500 byte

CRC

4 byte

Şekil 6.1: Ethernet paket formatı

Öntakı: Alıcı ile verici saatinin senkronize olmasını sağlar.

Alıcı adresi: Çerçeveyi alacak bilgisayarın MAC adresini içerir.

Gönderici adresi: Çerçeveyi gönderen bilgisayarın MAC adresini içerir.

Paket uzunluğu (Tür): Alınan çerçevelerin hangi üst katman protokolüne veya fonksiyonuna gönderileceğini belirler

Veri: Aktarılacak veridir. 10 Mbps’lık ağlarda 46 ile 1500 byte arasında olmalıdır.

Çerçeve hata sınama (CRC): Bir tür hata sınama algoritmasıdır. Öntakı dışında çerçevenin tüm bitleri için yapılır. Verinin karşıya doğru ulaşıp ulaşmadığını denetler.

6.1. Ethernetin çalışma şekli

Etherneti geliştiren ekip üç ana problemi çözmek zorundaydılar:

1. Kablo üzerinden veri nasıl gönderilecek

2. Gönderen ve alıcı bilgisayarlar nasıl tespit edilecek

3. Belli bir anda kabloyu kimin kullanılacağına nasıl karar verilecek

6.1.1. Verinin aktarımı: Paketler (Frames)

Tüm bilgisayar ağları ağ üzerinden aktarılacak veriyi sabit boyutta küçük paketler halinde iletirler. Bu yöntemin iki önemli faydası vardır. Birincisi büyük bir dosya transferi yapan bir bilgisayar ağın tamamını uzun bir süre meşgul durumda tutmamış olur. Bir sistem veriyi paketler halinde yollarken, her paketi göndermeden önce kablonun kullanımda olup olmadığını kontrol ettikten sonra paketi yollar. Paket karşıya ulaştığında, kablo tekrar ağdaki tüm makinalar için boş duruma gelmiş olur. Az önceki makina ikinci paketi yollamadan önce tekrar kabloyu kontrol etmek zorundadır. Bu arada diğer bir sistem kendi paketini yollayabilir. Paketler küçük yapıda olduğu için saniyelerler içinde yüzlercesi değişik bilgisayarlar tarafından yollanıp-alınabilir. Bilgisayarları kullanan insan için durum, ağda sanki herkes aynı anda veri alışverişi yapıyormuş gibidir. Veri paketler halinde gönderilmeseydi, bir kullanıcı 50 MB bir dosyayı başka bir bilgisayara yollarken belki 3-5 dakika boyunca diğer hiçbir sistem ağı kullanamayacaktı.

Paketli yapının ikinci faydası ise şudur: 50 MB'lık dosyanın bir biti bile aktarım esnasında bozulursa, bu tüm dosyanın en baştan tekrar gönderilmesi anlamına gelir. Oysa veri paketlere bölünüp yollandığında, sadece bozuk giden paketin tekrar yollanması kafidir.

Ethernet veri paketinin yapısı sabittir. Her paket şu dört bilgiyi içerir:

1. Alıcının MAC adresi

2. Gönderenin MAC adresi

3. Gönderilecek veri'nin kendisi

4. CRC kodu

6.1.2. MAC (Media Access Control) adresi

Ethernet ağına dahil her cihaz ya da ethernet arayüzüne sahip her cihaz "node" olarak adlandırılır. Bilgisayarlara ethernet kartı takınca bir node haline gelirler, ancak ethernet girişi olan başka cihazlar da olabildiği için (router'lar mesela) genel kavram node'dur.

Ethernet ağında sistemler birbirinden sahip oldukları MAC adresi ile ayırdedilirler. Her node veya basitçe her ethernet kartı dünyada eşi olmayan bir adrese sahiptir. Bu adres 48 bitlik (6 byte )  bir sayıdır. Örneğin bu yazının yazıldığı bilgisayara takılı ağ kartının MAC adresi şöyle:

100100000110101001010010100011001101100000011

İkili sistemdeki bu sayıyı söylemek ve yazmak zor olduğu için bu sayı 16'lı sayı sisteminde yazılır:

12 0D 4A 51 9B 03

Bunun sayesinde sizin almış olduğunuz her ağ kartı üreticisi, üretim tarihi, markası-modeli ne olursa olsun farklı bir MAC adresine sahip olacaktır. Ethernet sisteminde node'ları birbirinden ayırmak için bu MAC adresleri kullanılır.

6.1.3. MAC adreslerinin kullanımı

MAC adresleri sayesinde sistemler ağ üzerinden kendilerine ulaşan veri paketinin kendilerine gelip gelmediğini anlarlar. Ethernet ağında, bir bilgisayar bir veri paketi yolladığında, bu paket ağdaki tüm sistemlere ulaşır. Her makina paketin ilk bölümü olan alıcı MAC adresini okur ve kendi MAC adresiyle kontrol eder. Eğer gelen paket kendine aitse işler, değilse göz ardı eder.

Şekil 6.2: Mac adresleri

Ethernet'in bu özelliği ciddi bir güvenlik açığına yol açabilir. Packet Sniffer olarak adlandırılan programlar, bilgisayara gelen veri paketlerini MAC adresi ne olursa olsun alıp kullanmaya izin verirler. Bu tip programlar iyi niyetle kullanıldığında problemlerin çözümüne yarayabileceği gibi, yerel ağınızda meraklı bir kullanıcının sizin aslında başka bir makinaya göndermekte olduğunuz her dosyayı izlemesine neden olabilir.

6.1.4. Multicast ve Broadcast Adresleri

Bir grup sistemin aynı veriyi alması isteniyorsa, bu gruba dahil olması istenen sistemlerde ethernet arayüzü  (bilgisayardaki ağ kartı mesela) belli bir multicast adresine yollanmış veriyi kendi MAC'ine gelen bir veriyi alır gibi alması için ayarlanabilir. Yani multicast adresler belli bir grup cihazın aynı veriyi almasını sağlar.

Broadcast adresi ise 48 biti de 1 olan özel bir adrestir. Bu adrese yollanmış bir veri paketini alan her ağ kartı bu paketi kabul eder ve işleme koyar. Bazen tüm bilgisayarlara gitmesi gereken bir mesaj göndermek gerekebilir. Bu durumda mesajı içeren veri paketleri broadcast adresine yollanır böylece ağa dahil tüm cihazlar bu mesajı alır.

6.1.5. CRC hata denetimi

Cyclic Redundancy Check veri paketlerinin elektrik sinyali olarak kablodan geçerken bozulmaları durumunda bu bozulmanın yani veri paketinin karşıya yolda değişmiş olarak ulaştığının tespitine yarar.

Gönderen taraf, veri paketine konacak veriyi matematiksel bir işlemden geçirir. İşlemin sonucu CRC kodudur. Veri ve CRC kodu karşı tarafa yollanır. Alıcı paketi açar, veriyi okur, aynı matematiksel işlem veriye uygulanır. Sonuç eğer veri yolda bozulmadan, yani bir bit'i bile değişmeden gelmişse, CRC kodu ile aynı olmaldır. Aksi halde alıcı gönderen makinaya ilgili paketi tekrar yollamasını söyler.

Bu noktaya kadar en başta karşımıza çıkan iki problemi yani verinin nasıl gönderileceğini (paketler halinde) ve ağa dahil sistemlerin nasıl birbirinden nasıl ayırdedileceğini (MAC adresi ile) çözdük. Sıra geldi kimin veri paketini yollamak için kabloyu nasıl kullanacağının belirlenmesine.

6.1.6. Kablonun Kullanımı (CSMA/CD)

Ethernet'te benzer bir teknik kullanır. Carrier Sense, Multiple Access, Collision Detection veya kısaca CSMA/CD'ye göre, ethernet kartı veri gönderimine başlamadan önce kablonun kullanımda olup olmadığını kontrol eder. Eğer o anda diğer bir sistem kablodan veri aktarıyorsa buna Carrier denir. Kabloda aktarım olup olmadığını tespit Carrier Sense'dir.

Kablo boşta olduğunda her Ethernet arayüne sahip cihaz eşit hakka sahiptir ve veri aktarımına başlayabilir. Buna Multiple Access denir. Bir ethernet ağında bilgisayar üzerinde çalışan işletim sistemi veya kullanıcısı önemli değildir. Bir DOS makinası ethernetin kabloyu kullanma şansı açısından W2000 server ile aynıdır.Bazı durumlarda iki sistem kablonun boş olduğunu tespit ederek aynı anda veri aktarımına başlayabilir. Bu durumda iki tarafın yolladığı veri çakışır (Collision). Ethernet kartları çakışmayı hemen tespit ederler (Collision Detection).

6.1.7. Çarpışma (Collision) durumları

Collision veya çakışma kelimesi insanda olumsuz bir etki uyandırsa da, bir ethernet ağında çakışmaların oluşması gayet normaldir. Eğer birden fazla ethernet kartı aynı anda veri iletimine geçerlerse çakışma oluşur. Sistemler kendi yolladıklarıyla kablodan geleni karşılaştırarak bunu hemen tespit ederler. Bunun akabinde her iki taraf da özel bir algoritma ile belirlenen rastgele bir süre boyunca beklerler.

Çakışmaların oluşması ethernetin doğasında olan bir şeydir ve her ethernet ağında çakışma olması kaçınılmazdır.Eğer ağ limitlerin dışında kullanılmıyorsa (ağa dahil sistem sayısı, kullanılan kablo uzunlukları, veri aktarım yükü vs.) çakışmalar saniyenin milyonda biri gibi sürelerde giderilir. Yani çakışmanın ardından birkaç mikrosaniye bekleyen sistem veriyi yollamaya tekrar başlar.

Eğer ağ çok yoğun kullanılıyorsa, aynı frame/veri paketi gönderilirken birden fazla çakışma olabilir. Bu durumda sistemler rastgele belirlenen bekleme süresini uzatmaya başlarlar. Burada süre rastgele belirleniyorsa nasıl daha uzun veya kısa olabilir diye bir soru akla gelebilir. Sürenin rastgele olması her iki tarafında aynı süre bekleyip, sonra da yine aynı anda aktarım yapmalarının önüne geçmek için rastgeledir. Örneğin her iki tarafta birden ona kadar bir sayı tutar ve o kadar milisaniye bekler. Ancak süre belirlenirken, aynı paketin gönderiminde üstüste çakışma oluyorsa (ağda yoğun trafik varsa) süre 1-10 arası değil belki 50-100 arasında seçilir.

Ethernetin bu yapısı ağdaki trafik yoğunluğu arttıkça kendisini duruma uydurmasını sağlar. Ethernet aynı veri paketini 16 denemeden sonra hala gönderemediyse bu paketi iptal eder. Bu ancak çok uzun bir süre çok aşırı yoğunluk yaşanması durumunda, veya kabloda meydana gelen bir arıza nedeniyle olabilir.

Bu noktada ethernetin diğer ağ teknolojilerinde de olduğu gibi veri aktarımını %100 garanti etmediğini görüyoruz. Bu açık üst katman protokollerinin sağladığı veri kontrolü ile telafi edilir. Bir paket yolda kaybolursa veya 16 denemede de yollanamayıp iptal edilirse, alıcı taraftaki üst katman protokol (TCP/IP kullanılıyorsa; TCP) gönderen taraftaki TCP'ye gelen veride bir eksiklik olduğunu bildirecek ve tekrar yollanmasını isteyecektir.

Ethernetin kullandığı CSMA/CD tekniğinin basit yapısı ethernet ağ kartlarının ve diğer ekipmanların rakip teknolojilere (Token Ring) göre daha ucuza üretilebilmesini sağlar. Böylece ethernet ağları çok daha ucuza mal olur.

6.1.8. Ethernet ne kadar hızlı

CSMA/CD tekniği nedeniyle ethernet veri aktarımı yapabileceği belli bir süreyi çakışmalarla uğraşırken harcar. 90 kullanıcılı bir ethernet ağının olduğu firmada pazartesi sabahı 9:00'da herkes aynı anda oturup makinalarını açıp, şifrelerini girip, gün boyunca kullandıkları programa girmeye çalıştığı anda ağda çok büyük miktarda çakışma oluşur. Kullanıcılar açısından sanki herkes aynı anda ağı kullanıyor gibidir ama aslında CSMA/CD çalışmaktadır. Sık sık "sabahları amma yavaş çalışıyor bu aletler" serzenişlerini duyarsınız. Ancak gün boyunca hiçbir zaman bu 90 kullanıcı da aynı anda ağı kullanmayacağı için, ağ daha yüksek performasla çalışır.

Her ethernet ağı belli bir süreyi çakışmalarla ve broadcast mesajlarıyla harcar. Dolayısıyla hiçbir ethernet söylendiği gibi 10Mbs veya 100Mbs'de çalışmaz. Daha doğrusu sizin birim zamanda aktardığınız veri miktarı bu değerlere hiçbir zaman ulaşamaz çünkü ağdaki bu veri aktarım kapasitesinin bir bölümü collision ve broadcast mesajları ile harcanmaktadır.

Ethernetin kullandığı basit iletişim yapısı nedeniyle performans kaybı kaçınılmazdır. Ancak bu basit yapı ucuz üretim maliyetleri anlamına gelir. Sonuç itibariyle getirisi-götürürüsü karşılaştırıldığında ethernet yine de en uygun çözüm durumundadır.

 

 

Hazırlayan

Sefer AYAN

Kaynaklar

 http://www.turkcenet.org

http://www.bilgisayardershanesi.com

http://www.howstuffworks.com

http://www.pclabs.gen.tr