تبديل الرزم
عودة للموسوعة| الإرسال المتعدد |
|---|
| طرق الإرسال المتعدد |
|
| تقنيات نقل البيانات |
|
| مواضيع مرتبطة |
|
تبديل الرزم أوتبديل الحزم (بالإنجليزية: Packet Switching) هي طريقة لنقل البيانات المُرسلة عبر شبكة رقميّة على شكل رزم بيانات يتكوّن جميع منها من ترويسة وحمولة، تُستخدم المعلومات الموجودة في الترويسة من قبل عتاد الشبكة لتوجيه الرزمة إلى وجهتها حيث يتم استخلاص الحمولة واستخدامها من قبل التطبيقات البرمجيّة. يُسيطر هذا المفهوم على نقل البيانات في شبكات الحاسب على مستوى العالم.
في مطلع الستينيات من القرن العشرين، طوّر عالم الحاسوب الأميركي بول باران مفهوماً جديداً يصف إمكانية نقل البيانات على شكل كتل موزّعة ذات أحجام متغيرة، بكيفية تُمكّن من توجيه هذه الكتل نحووجهتها بهامش من مقبول من الخطأ، وكان هذا جزءاً من دراسة بحثية مُمولة من قبل وزارة الدفاع في مؤسسة راند. ناقض هذا المبدأ المفاهيم المُهيمنة في تلك الحقبة، وأهمها التخصيص المسبق لعرض النطاق الذي كان مدعوماً بشكل أساسي من مطوري أنظمة الاتصالات في شركة أنظمة بل (Bell System). لم يحصل المبدأ الجديد على الاهتمام من قبل مطوري الشبكات حتى نشر عالم الحاسوب البريطاني دونالد ديفيس من مختبر الفيزياء القوميّ في المملكة المتحدة نتائج دراساته بشكل مستقل في العام 1965م.
يُنسب لديفيس تطوير مصطلح تبديل الرزم الذي ألهم مُطوري الشبكات في العقد التالي، ويضم ذلك تطبيق هذا المبدأ في شبكة الأربانت في الولايات المتحدة.
نظرة عامة
يُمكن تعريف تبديل الرزم بشكل سهل بالشكل التالي: هونقل وتوجيه البيانات باستعمال عناوين الرزم بحيث يتم حجز القناة خلال فترة النقل فقط، لتعود وتصبح مُتاحة لنقل حركة بيانات أخرى بعد انتهائه.
يُؤمّن تبديل الرزم نقل دفقات من البيانات لكل منها معدل نقل مختلف، على شكل تتابع من الرزم، عبر الشبكة التي تخصص موارداً لعملية النقل مثل عرض النطاق سواء باستخدام التحصيص الآليّ أوأحد تقنيّات الإرسال المتعدد. أثناء انتنطقها عبر الشبكة، تقوم عقد الشبكة كالموجهات والمُبدلات باستقبال وتخزين وتوجيه الرزم، وينتج عن هذا اختلاف في مُعدّل الإنتاجية وزمن تأخير بحسب مواصفات وسط النقل وازدحام حركة المعطيات عبر الشبكة.
يتناقض مبدأ تبديل الرزم مع مفهوم أساسيّ آخر في الشبكات هوتبديل الدارات، وفيه يتم تحصيص عرض النظاق في الشبكة بشكل مسبق لكل جلسة اتصال، ويكون لكل منها معدل بت ثابت زمن تأخير محدد بين العُقد. في الشبكات المُفوترة، كالشبكات الخليويّة، يتمّ تحصل الرسوم عن خدمات تبديل الدرات لقاء حجز الدارة للمُشهجر، بغضّ النظر عن كمية الاستهلاك، فعرض النطاق المرافق قد تم تخصيصه للمشهجر وحده فقط، ويتمّ تقاضي الرسوم عن ذلك سواء جرى استخدامُه أولا. أمّا في حالة تبديل الرزم، فتحصيل الرسومقد يكون بناء على كميّة البيانات المُرسلة عبر الشبكة، والتي ترسل على شكل رزم أورسائل.
يمكن تطبيق تقنية تبديل الرزم مع أوبدون وجود عقد توجيه وسيطيّة (كالموجهات مثلاً). بشكلٍ عام، يتمّ توجيه الرزم بواسطة عقد الشبكة الوسيطية بشكلٍ غير متزامن عن طريق تخزين الرزم بمبدأ الأول في الدخول الأول في الخروج (FIFO)، ولكن هناك إمكانية لتوجيه الرزم بحسب أولوبة معينة أوتبعاً لسياسات ترتبط بجودة الخدمة . في حالة الوسط المُشهجر، كالراديوأوكشبكة ثيك نت مثلاً، يتمّ توصيل الرزم بحسب طريقة الوصول المتعدد المُستخدمة في الوسط.
نبذة تاريخية
في أواخر الخمسينيات من القرن العشرين، بدأت القوات الجوية الأمريكية في بناء شبكة متباعدة من أجل النظام الدفاعي لمنظُومة رادار البيئة الأرضية نصف الآلية (the Semi-Automatic Ground Environment SAGE)، المعروفة اختصاراً بالاسم ساج. كان الهدف الأساسي هوالبحث عن نظام قادر على النجاة طالما حصول حرب نووية، وبالتالي حرمان الأعداء من ميزة الضربة الاستباقية.
كان ليونارد كلينروك أول من قدّم بحثاً مُتماسكاً عن نظرية الأرتال، ونشر كتاباً بهذا الشأن ذكر فيه مفهوماً جديداً هوتبديل الرسائل الرقميّة، من دون التطرّق لمفهوم رزمة البيانات. أمّا مفهوم إرسال بتر صغيرة من البيانات فقد طُرح لأوّل مرة من قبل بول باران في مؤسسة راند بالتوازي ولكن بشكلٍ مُستقل عن عمل مُشابه في مختبر الفيزياء القومي (NPL) في المملكة المتحدة بإشراف دونالد ديفيس.
طوّر باران مبدأ تبديل كتل الرسائل المُتكيّفة المُوزّعة خلال أبحاثه في مؤسسة راند التي كونت موجّهة لشبكة اتصالات للقوات الجوية الأميركية قادرة على التجاة من حرب نووية. عُرض عمله أمام القوات الجويّة في صيغ العام 1961م ضمن التقرير (B-265)، ثُمّ نُشر في العام 1962م ضمن تقرير خاص بمؤسسة راند حمل الرقم (P-2626)، وعَرَض هذا التقرير بُنية عامّة لشبكة اتصالات موزّعة هجرز على ثلاث محاور أساسية، الأول هوعدم مركزيّة الشبكة وتعدد المسارات، والثاني هوتقسيم رسالة المُستخدم إلى عدد من كتل الرسائل، والثالث هواعتماد تقنيّة التخزين والتوجيه. لاحقاً نُشر شكلٍ مُعدّل من التقرير في العام 1964م تحت الرقم (RM 3420)، كما نشر كمنطقة فهميّة مُحكّمة في نفس العام.
في عام 1965، طوّر دونالد ديفيس في مختبر الفيزياء القومي في الممكلكة المتحدة مبدأ مُشابهاً لتوجيه الرسائل، وسمّاه تبديل الرزم، واقترح بناء شبكة داخل المملكة اعتماداً عليه، في العام 1966م حيث أُبلغ ديفيس من قبل وزارة دفاع المملكة المتحدة بعمل باران، ثم اقترح بناء الشبكة داخل مختبر الفيزياء القومي، بعد عدّة تجارب في العام 1967، استمر التطوير حتى دخلت شبكة مختبر الفيزياء القومي الخدمة في العام 1969م.
وفي العام التالي اقترح روجر سكانتيلبري (Roger Scantlebury)، وهوأحد أعضاء فريق ديفيس، على لورانس روبرتس في ندوة مبادئ انظمة التشغيل المُنظمة من قبل رابطة مكائن الحوسبة (ACM) استخدام هذه التقنية في شبكة الأربانت. ثُمّ، وبالاعتماد على نظرية الأرتال التي تجاوز لليونارد كلينورك وضعها وعلى مجموعة من نتائج مُحاكاة لتقنيّة تبديل الرزم في مختبر الفيزياء القومي قام لورانس روبرتس بتمويل من وكالة مشاريع البحوث المتطورة ببناء شبكة الأربانت في العام 1969م.
في العام 1974م، نشر فينت سيرف وروبرت خان مُحددات بروتوكول حديث يعمل في شبكات تبديل الرزم، تمّ تطوير هذا البروتوكول لاحقاً، وفصل وظائفه ليقوم بها بروتوكولين هما بروتوكول التحكم بالنقل (TCP)والإصدار الرابع من بروتوكول الإنترنت (IPv4) في العام 1981م.
كانت شبكة سيكلاد الفرنسيّة، التي صممها لويس بوزان في العام 1976م، هي أول شبكة تبديل رزم تعمل بمبدأ الطرفين وتنقل مسؤوليّة التوصيل الموثوق للبيانات للمُضيفين بدلاً من كونها خدمة مركزيّة مُقدّمة من الشبكة نفسها.
أنماط تقنية تبديل الرزم
يُمكن تصنيف أنماط تقنية تبديل الرزم بحسب نوع الاتصال المُستخدم إلى تبديل الرزم غير المُهيأ، والذي يُسمى أيضاً تبديل حزم البيانات، وإلى تبديل الرزم المُهيأ الذي يعهد باسم تبديل الدارات الافتراضية.
في نمط تبديل الرزم غير المُهيأ، تحتوي رزمة البيانات على تام معلومات العنونة، ويشكل ذلك عناوين المصدر والوجهة وأرقام المنافذ ويتم توجيه الرزم بشكل منفصل، وقد يُسبب ذلك وجود مسارات متعدد تسلكها الرزم بين نفس المصدر والوجهة، ما قد يؤدي بدوره إلى وصول الرزم بترتيب مغاير للإرسال، ويجب معالجة الرزمة في جميع عقدة على المسار. أمّا في نمط تبديل الرزم المُهيأ، فيكون ذلك في فترة تسبق تبادل البيانات، تُسمى فترة إعداد الاتصال، حيث يُمكن الاتفاق بشكل مسبق على أرقام خاصة مُتتابعة لدفق الرزم لتسهيل ترتيبها في الوجهة وإعادة طلب ما فُقد، ولكن ذلك يؤدي إلى زيادة حجم الترويسة التي تحملها جميع رزمة.
يسمح نمط تبديل الرزم غير المُهيأ بعد إنهاء إنشاء المسار بتسريع عملية التوجيه من خلال اختصار الزمن اللازم لاتخاذ قرار التوجيه، عوضاً عن البحث في، من خلال الاعتماد على اللوافت (Label)، حيث يتمّ توجيه جميع الرزم التي تنتمي لنفس التدفق، والتي يمكن تميزُها من لافتة خاصّة تحملُها جميع رزمة، بحسب نفس قرار التوجيه وتختصر هذه الآليّة اتخاذ قرار التوجيه مُقارنة مع الزمن اللازم لاتخاذ القرار في عند إجراء عملية البحث التقليدية في جداول التوجيه.
بشكل افتراضي، يتم توجيه رزم بيانات الإصدار الرابع من بروتوكول الإنترنت (IPv4) بشكل غير مُهيّأ، لذلك يجب حتى تحتوي ترويسة الرزمة على كافة معلومات التوجيه. لاحقاً في الإصدار السادس من بروتوكول الإنترنت (IPv6)، تمّ إضافة حقل خاص للترويسة هومُعهد التدفق، بحيث أصبح توجيه الرزم بحسب النمطين مدعوماً. من تقنيّات تبديل الرزم غير المُهيأة تقنيّة سيسكوللتوجيه السريع (CEF)والتبديل متعدد البروتوكولات باستعمال اللافتة (MPLS).
فوائد توجيه الطرود
- في شبكات تحويل الطرود يمكن حتى يتصل جهازان لهما سرعتا نقل معطيات مختلفتان، وذلك لأن جميع منهما يتصل بعقدة شبكة مناسبة لسرعته في بنية توجيه الطرود.
- عندما تزدحم شبكة تستخدم التحويل عبر الدارة فإنها ترفض إنشاء اتصالات جديدة حتى يخف الازدحام على الشبكة (كما في خط الهاتف حيث نحصل على رنة مميزة للدلالة على رفض المقسم لإنشاء اتصالنا عندماقد يكون مشغولاً)، بينما ستقبل الشبكة التي تستخدم تحويل الطرود طروداً جديدة رغم أنشغالها ولكن زمن الانتظار سيزداد على الشبكة.
- يمكننا توجيه الطرود من استخدام أولويات، فمثلاً يستطيع طرد ذوأولوية عالية حتى يتجاوز رتل الانتظار ضمن عقدة الشبكة، ويرسل قبل الطرود الموجودة في الرتل.
استخدام توجيه الطرود في الشبكات
يستخدم تحويل الطرود في البروتوكول X.25 وهوبروتوكول من طبقة الشبكة طُوِّر عام 1976 ويحدد قابلة التخاطب بين جهاز شبكي وشبكة تستخدم تقنية توجيه الطرود، يستخدم هذا البروتوكول في ال ISDN، وظل سائداً لفترةٍ طويلة، وقد تميزت الشبكات الواسعة التي اعتمدته بسرعة الاتصالات فيها، ولكن لم يعد بإمكان هذا البروتوكول مواكبة التقنيات الجديدة ذات السرعة العالية.
ويستخدم أيضاً تحويل الطرود في بروتوكول تنقيل الأطر frame relay الذي طور عن البروتوكول X.25 في نهاية الثمانينيات، وهوغير موثوق بعكس ال X.25. ينتشر هذا البروتوكول بكثرة في الشبكات الواسعة، إذ ترسل المعلومات باستخدامه في طرود عبر مسارات محددة مسبقا تعهد باسم الدارات الافتراضية الدائمة (Permanent Virtual Circuits-PVC). أشهر مثال على الشبكات القائمة على تحويل الطرود هوشبكة الإنترنت التي تستخدم الIP مع إحدى بروتوكولات طبقة ربط المعطيات كالـ frame relay.
الفروق بين أنواع التحويل بالطرودوالتحويل عبر الدارة
| نواحي المقارنة | التحويل عبر وحدات المعطيات | التوجيه عبر الدارة الافتراضية | التوجيه عبر الدارة |
|---|---|---|---|
| حجز الموارد | لا يوجد حجز للموارد للطرد ويتم تخديم الطرود بترتيب وصولها للمبّدل first-come, first serve basis | تحجز الموارد قبل بدء عملية النقل كما في تبديل الدارة Circuit Switching | قبل بدء عملية النقل يجب حتى تحجز جميع الموارد التي ستمر عليها الرسالة مثل قناة الاتصال، ذاكرة المُبّدل switch buffer وغيرها وتبقى محجوزة حتى نهاية عملية النقل. |
| كيفية نقل المعطيات | المعطيات المرسلة تقسم إلى طرود ذات حجم ثابت أومتغير. | المعطيات المرسلة تقسم إلى طرود ذات حجم ثابت أومتغير. | المعطيات المرسلة غير مبترة إلى أجزاء فالنقل على القناة الفيزيائيةقد يكون بنقل البتات بشكل مستمر دون انقطاع (لكن قد توجد لحظات صمت بدون إرسال). |
| عنونة المعطيات المرسلة | هناك عنونة للمرسل والمستقبل فطرود الرسالة الواحدة قد لا تسلك طريقاً واحداً. | تعنون طرود المعطيات ولكن لا تعطى عنوان المستقبل النهائي للطرد بل فقط عنوان العقدة التالية التي ستستقبل هذا الطرد، وهذا العنوان يسمى بالعنوان المحلي Local أومعرّف الدارة الافتراضية Virtual Circuit Identifier | لا يوجد عنونة للمعطيات المرسلة لأن ال switches تستطيع توجيه المعطيات على القناة المحجوزة لها. ولكن هناك عنونة فقط في فترة ال setup أي حجز موارد الاتصال. |
| التأخير | التأخير ينتج عن انتظار الطرود عند جميع مُبّدل switch وبما حتى جميع طرد قد يسلك طريقاً مختلفاً فزمن التأخير غير ثابت لجميع الطرود. | التأخير ليس ثابتاً وهوغالباً أكبر من التأخير في تحويل الطرود. | التأخير أثناء النقل أصغري وهوذوقيمة ثابتة. |
| التعامل مع ازدحام الشبكة | تستمر الشبكة باستقبال الطرود ولكن زمن التأخير delay يزداد. | يخبر المرسل بعدم إمكانية إنشاء اتصال. | ترفض إنشاء أي اتصال (إشارة خط مشغول) |
| طريق المعطيات | ممكن حتى تسلك الطرود مسارات مختلفةً عن بعضها البعض | كل الطرود تسلك مساراً واحداً. | تسلك المعطيات مساراً واحداً فقط |
| الخدمات التي تقدمها | خدمات غير متزامنة كنقل المعطيات. | خدمات غير متزامنة كنقل المعطيات. | خدمات متزامنة كنقل الصوت (الهاتف مثلاً) |
| عرض حزمة قناة النقل | ديناميكي | ديناميكي | ثابت |
المراجع
- ^ Baran, Paul (1964). (PDF) (باللغة الإنجليزية). The Rand corporation.
- ^ Roberts, L.G. (1978). "The evolution of packet switching". Proceedings of the IEEE. IEEE. 66 (11): 1307-1313. doi:10.1109/PROC.1978.11141. مؤرشف من الأصل في 04 أبريل 2020.
- ^ Kirstein, P.T. (1999). "Early experiences with the Arpanet and Internet in the United Kingdom". IEEE Annals of the History of Computing. IEEE. 21 (1): 38-44. doi:10.1109/85.759368. ISSN 1058-6180.
- ^ Martin Weik (1997). Fiber Optics Standard Dictionary (باللغة الإنجليزية) (الطبعة الثالثة). Springer. صفحة 718. ISBN .
- ↑ "Paul Baran Invents Packet Switching". Living Internet (باللغة الإنجليزية). مؤرشف من الأصل في 26 سبتمبر 2017. اطلع عليه بتاريخ 30 سبتمبر 2017.
- ^ Walter Isaacson (2014). The Innovators: How a Group of Inventors, Hackers, Geniuses, and Geeks Created the Digital Revolution (باللغة الإنجليزية). Simon & Schuster. صفحة 245. ISBN .
- ^ Janet Abbate (2000). Inventing the Internet (باللغة الإنجليزية). The MIT Press. صفحة 38. ISBN .
- ^ "Donald Watts Davies". National Inventors Hall of Fame (باللغة الإنجليزية). مؤرشف من الأصل في 2 فبراير 2017. اطلع عليه بتاريخعشرة أوكتوبر 2017.
- ^ "Paul Baran". National Inventors Hall of Fame (باللغة الإنجليزية). مؤرشف من الأصل في 2 فبراير 2017. اطلع عليه بتاريخعشرة أوكتوبر 2017.
- ^ Baran, Paul (1962). "P-2626, On Distributed Communications". RAND Corporation. مؤرشف من الأصل في 20 أكتوبر 2019.
- ^ Baran, Paul (1964). "RM-3420-PR, On Distributed Communications". RAND Corporation. مؤرشف من الأصل في 21 نوفمبر 2019.
- ^ Baran, Paul (1964). "On Distributed Communications Networks". IEEE Transactions on Communications Systems. IEEE. 12 (1): 1-9. doi:10.1109/TCOM.1964.1088883. ISSN 0096-1965.
- ^ "Oral history interview with Donald W. Davies". University of Minnesota (باللغة الإنجليزية). 1986. مؤرشف من الأصل في 12 يوليو2017. اطلع عليه بتاريخ 14 أوكتوبر 2017.
- ^ Fitzroy Dearborn (2002). Technological Innovation and Economic Performance (باللغة الإنجليزية). Princeton University Press,. ISBN . CS1 maint: extra punctuation (link)
- ^ James Gillies, Robert Cailliau (2000). How the Web was Born: The Story of the World Wide Web (باللغة الإنجليزية). Oxford University Press. صفحة 25. ISBN .
- ^ Fitzroy Dearborn (2005). Encyclopedia of 20Th-Century Technology (باللغة الإنجليزية). Fitzroy Dearborn Pub. صفحة 574. ISBN .
- ^ Cerf, V.; Kahn, R. (1974). "A protocol for packet network intercommunication" (PDF). IEEE Transactions on Communications. IEEE. 22 (5): 637 - 648. doi:10.1109/TCOM.1974.1092259. ISSN 0090-6778.
- ^ Postal, J. (سبتمبر 1981). "RFC 793, Transmission control protocol, DARPA internet program,protocol specification". The Internet Society (باللغة الإنجليزية). مؤرشف من الأصل في 05 مايو2019. اطلع عليه بتاريخ 14 أوكتوبر 2017.
- ↑ Postel, J. (سبتمبر 1981). "RFC 791, Internet Protocol, DARPA Internet Program Protocol Specification". The Internet Society (باللغة الإنجليزية). مؤرشف من الأصل في 19 مايو2019. اطلع عليه بتاريخ 14 أوكتوبر 2017. صيانة CS1: التاريخ والسنة (link)
- ^ "A Technical History of CYCLADES". THINK Protocols (باللغة الإنجليزية). مؤرشف من الأصل فيستة أكتوبر 2006.
- ^ Deering, S.; Hinden, R. (يوليو2017). "RFC 8200, Internet Protocol, Versionستة (IPv6) Specification". The Internet Society (باللغة الإنجليزية). مؤرشف من الأصل في 21 مارس 2019. اطلع عليه بتاريخ 29 أوكتوبر 2017.
- ^ "Understanding Cisco Express Forwarding (CEF)". Cisco Systems Inc. (باللغة الإنجليزية). مؤرشف من الأصل في 26 أوكتوبر 2017. اطلع عليه بتاريخ 29 أوكتوبر 2017.
- ↑ 2 http://www.4electron.com/phpbb/viewtopic.php?f=55&t=743
Forouzan, Behrouz A., and Sophia Chung Fegan. Data Communications and Networking. New York: McGraw-Hill, 2007.
Living Internet.سبعة Dec. 2009. <http://www.livinginternet.com>
Stallings, William A. "Data and Computer Communications." Upper Saddle River, New Jersey: Prentice Hall, 1997.
وصلات خارجية
- تبديل الرزم، منطقة على مسقط (Living Internet).
التصنيفات: بروتوكولات الشبكة, تاريخ الإنترنت, ربط الشبكات الحاسوبية, رزم البيانات, معلوماتية بعدية, صفحات بها مراجع بالإنجليزية (en), أخطاء CS1: دورية مفقودة, CS1 maint: extra punctuation, صيانة CS1: التاريخ والسنة, مقالات تحتوي نصا بالإنجليزية, صفحات تستخدم خاصية P244, بوابة اتصال عن بعد/مقالات متعلقة, بوابة تقانة/مقالات متعلقة, بوابة علم الحاسوب/مقالات متعلقة, بوابة إنترنت/مقالات متعلقة, بوابة تقنية المعلومات/مقالات متعلقة, جميع المقالات التي تستخدم شريط بوابات
