تحويل الطرود
تحويل الطرود packet switching هي إحدى طرق نقل المعطيات الرقمية على الشبكات، حيث يتم فيها تقسيم المعطيات المراد إرسالها إلى أجزاء يسمى كل منها طرداً، ويحدد حجم الطرد الشبكة والبروتوكولات المستخدمة في النقل. عندما تمر الطرود خلال مسيرتها من المرسل إلى المستقبل عبر عقد الشبكة (كالمّبدلات switches والراوتر routers وغيرها) تخزن في ذاكرة العقد buffer وتنتتظر دورها في رتل الإرسال queue الذي قد يكون ممتلئاً أو فارغاً مما يؤدي إلى زمن تأخير (انتظار) متغير delay time في وصول الطرود إلى المستقبل وإلى اختلاف مردودية الشبكة throughput وذلك حسب درجة ازدحامها.
تقنية تحويل الطرود هي إحدى أنواع تقنيات التحويل Switching والتي تشمل أيضاً تقنية التحويل عبر الدارة Circuit Switching، وتقنية تحويل الرسائل Message Switching. كما يندرج تحت تحويل الطرود نوعان هما:
- التحويل عبر الدارة الافتراضية Virtual Circuit Switching وهو يقيم اتصالاً Connection-oriented، وفي هذا النوع من التحويل يتم حجز مسار لللطرود route قبل إرسالها على الشبكة وبالتالي فإن جميع الطرود تسلك هذا الطريق وتصل إلى المستقبل بترتيب إرسالها.
- تحويل وحدات المعطيات Datagram Switching الذي لا يقيم اتصالاً Connectionless، وهذا النوع من التحويل لا يحجز مساراً للطرود بشكل مسبق وبالتالي يمكن أن تسلك الطرود طرقاً مختلفةً عن بعضها البعض أثناء الإرسال وأن تصل بدون ترتيب إلى المستقبل.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
تاريخ تحويل الطرود
پول باران
إنَّ پول باران Paul Baran هو أول من طوّر مفهوم تحويل الطرود في بداية ستينيات القرن الماضي، وذلك خلال أبحاثه التي قام بها ضمن شركة راند RAND Corporation لصالح القوات الجوية الأميركية، والتي عرضها عليهم في صيف عام 1961 (كملخص B-265) ثم نشرت فكرته كبحث تحت اسم RAND Paper P-2626 عام 1962، والذي وَصًّفَ بنيةً عامة للشبكات الكبيرة والموزعة والموثوقة ويركز على ثلاث أفكار رئيسة:
- استخدام شبكة غير مركزية تحوي عدة طرق لنقل المعطيات بين أي نقطتين من الشبكة.
- تقسيم الرسالة المراد إرسالها إلى قطع (ما يسمى حالياً الطرود).
- توصيل هذه القطع باستخدام التحويل store and forward أي تخزين قطع المعطيات ثم إعادة إرسالها على الشبكة كما في المبدّلات.
كان لبحث بيران تأثير على لورنس روبرتس Lawrence Roberts مما جعله يتبنى التقنية التي وصفها بيران عندما اختاره روبرت تايلور Robert Taylor ليشرف على تطوير شبكة ARPANET، وهي أول شبكة تستخدم تحويل الطرود.
دونالد ديفيس
بحث دونالد ديفيس Donald Davis الذي قام به في المختبر الفيزيائي الوطني في المملكة المتحدة National Physical Laboratory (واختصاراً NPL) مشابه لبحث بيرن، ففي عام 1965 طور ديفيس مفهوم تحويل الطرود واقترح تطوير شبكة واسعة wide network للملكة المتحدة. وفي عام 1966و بعد قيامه بإلقاء محاضرة لشرح اقتراحه أخبره أحد موظفي وزارة الدفاع عن عمل بيران، وعلى إثرها التقى أحد أعضاء فريق ديفيس مع لورنس روبرتس عام 1967 في مؤتمر ACM لمبادئ نظم التشغيل ACM Symposium on Operating System Principles في عام 1970 بدأت شبكة نقل المعطيات في المختبر الفيزيائي الوطني NPL Data Communications Network بالعمل وذلك بعد 4 سنوات من العمل حيث اقترح ديفيس إنشاءها عام 1966 لتخدم حاجات المختبر، ولتبرهن على إمكانية تطبيق مفهوم تحويل الطرود.
ليونارد كلاينروك
أجرى ليونارد كلاينروك Leonard Klienrock أبحاثاً أولية في حقل تحويل الرسائل الرقمية digital message switching وساعد في بناء شبكة الـ ARPANET.
مبادئ توجيه الطرود
المعطيات ترسل على شكل طرود، ويكون الحد الأقصى لحجم الطرد غالباً 1000 بايت، فإذا كان حجم الرسالة التي يرغب المرسل بإرسالها أكبر من ذلك عندها تقسم إلى مجموعة من الطرود، وكل طرد يحوي جزء من الرسالة (المعطيات المراد ارسالها) بالإضافة إلى مجموعة من معلومات التحكم التي تسمح بإيصال الطرد إلى المستقبل كعنوان المستقبل وحجم الطرد وغيرها والتي توضع كمقدمة header. في كل عقدة يمر عليها الطرد قبل وصوله إلى المستقبل يتم تخزينه بشكل مؤقت ثم تمريره إلى العقدة التالية على الشبكة.
فوائد توجيه الطرود
- في شبكات تحويل الطرود يمكن أن يتصل جهازان لهما سرعتا نقل معطيات مختلفتان، وذلك لأن كل 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 عندما 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 ذو أولوية عالية أن يتجاوز رتل الانتظار ضمن عقدة الشبكة، ويرسل قبل الطرود الموجودة في الرتل.
أنواع توجيه الطرود
توجيه وحدات المعطيات Datagram Switching
في الشبكات التي تستخدم تحويل وحدات المعطيات يعامل كل طرد بشكل مستقل عن جميع الطرود الأخرى، حتى ولو كان ذلك الطرد جزءاً من مجموعة طرود تمثل المعطيات المرسلة. تسمى الطرود في هذا النوع وحدات معطيات datagrams.
يحتوي كل طرد على عنوان مرسل المعطيات وعنوان مستقبلها، ويصل الطرد إلى هدفه النهائي بمساعدة جداول التحويل routing tables، وهي جداول موجودة ضمن المبدلات تحتوي بشكل أساسي على عنوان المستقبل Destination Address، والمنفذ المقابل لذلك العنوان والذي سيتم إرسال الطرود الموجهة للمستقبل عليه. تتميز جداول التحويل بأنها متغيرة ويتم تحديثها بشكل دوري.
مبدأ العمل
عندما يستقبل المبّدل طرداً يقوم بفحص عنوان المستقبل – الموجود في مقدمة الطرد- ثم يبحث ضمن جدول التوجيه الخاص به عن عنوان المستقبل، وعندما يجده يفحص رقم المنفذ المقابل له والذي سيقوم بارسال الطرد عبره، وفي حال وجود أكثر من منفذ مقابل لنفس العنوان (أي هناك أكثر من مسار ممكن) عندها يختار المبّدل المسار الأقل ازدحاماً، وبالتالي قد تصل الطرود إلى المستقبل بغير الترتيب الذي أرسلت به فقد يرسل المبدل الطرد الأول عبر شبكة مزدحمة والطرد الثاني عبر شبكة أقل ازدحاماً من الأولى فيصل الطرد الثاني قبل الأول، والمسؤول عن إعادة ترتيب الطرود في توجيه وحدات المعطيات هو المستقبل النهائي للرسالة. يبقى عنوان المستقبل ضمن مقدمة الطرد ثابتاً لا يتغير حتى وصول الطرد إلى المستقبل.
يطلق على الشبكات التي تستخدم تحويل وحدات المعطيات اسم الشبكات التي لا تقيم رابطة Connectionless بمعنى أنها لا تحتفظ بمعلومات حول حالة الاتصال.
بعض بروتوكولات تحويل وحدات المعطيات: Ethernet, IP, and UDP
التحويل عبر الدارة الافتراضية Virtual Circuit Switching
هذا النوع من التحويل خليط بين التحويل عبر الدارة، وتحويل الطرود:
- كما في التحويل عبر الدارة فإن التحويل عبر الدارة الافتراضية:
- يحتوي على مرحلة لإنشاء الاتصال ومرحلة لإنهائه، بالإضافة لمرحلة نقل المعطيات.
- يمكننا من حجز الموارد أثناء مرحلة إنشاء الاتصال.
- الطرود فيه تتبع نفس المسار حتى نهاية الإرسال.
- كما في تحويل الطرود فإن التحويل عبر الدارة الافتراضية:
- يتم فيه تقسيم المعطيات المراد إرسالها إلى طرود.
- يحتوي الطرد فيه على عنوان، ولكنّ هذا العنوان ليس عنوان المستقبل النهائي للرسالة بل هو عنوان العقدة التالية على الشبكة أو ما يسمى بالعنوان المحلي Local Address.
نفرق بين نوعين من العنونة التي يستخدمها التحويل عبر الدارة الافتراضية:
- العنوان العالمي Global Address وهو عنوان وحيد على الشبكة الموجود عليها الجهاز الذي يريد الإرسال ونفس الشيء بالنسبة للجهاز الذي يريد الاستقبال.
- العنوان المحلي Local Address أو مُعرِّف الدارة الافتراضية Virtual-Circuit Identifier واختصاراً vel، وهو رقم الجهاز ضمن مجال رؤية المبدل switch scope، ويستخدم لارسال الطرود بين المبدلات وهو الذي يتم وضعه ضمن مقدمة الطرد Header في شبكات التوجيه عبر الدارة الافتراضية.
بعض بروتوكولات التوجيه عبرالدارة الافتراضية: X.25، تنقيل الأطر، تي سي بي
إنشاء الاتصال في التوجيه عبر الدارة الافتراضية:
يرسل المرسل طرد تحكمٍ خاصاً يسمى طرد طلب-الاتصال Call Request packet يحوي العناوين العالمية للمرسل والمستقبل، فيستقبله المبدّل المتصل مع المرسل، ويختار هذا المبدّل إرسال طرد التحكم عبر منفذ معين ويحفظ رقم ذلك المنفذ عنده، ثم يرسل هذا الطرد عبر المنفذ الذي اختاره وقد يستقبله مبدل آخر وعندها تتكرر العملية السابقة وذلك حتى وصول طرد طلب الاتصال إلى المستقبل الذي يقوم بإرسال طرد قبول الاتصال Call-Accept في حال عدم انشغاله، ويعاد إرسال هذا الطرد عبر المبدلات السابقة التي مر عليها طرد طلب الاتصال حتى يصل إلى المرسل، وعندها تكون الرابطة قد أقيمت بين الجهازين ويمكن بدأ إرسال الطرود عبر المسار الذي تم تحديده، حيث يحتوي الطرد المرسل في مقدمته على العنوان المحلي الذي يدل على المبدل التالي الذي يجب إرسال الطرد إليه، وهذا المبدل بدوره يعلم إلى أين سيرسل الطرد. عند انتهاء الإرسال يرسل إحدى الجهازين إشارة أيقاف الاتصال Clear-Request packet. رغم أن الطرود تسلك مساراً واحداً في هذه التقنية إلا أنها مختلفة عن التحويل عبر الدارة حيث لا يتم حجز دارة فعلية للاتصال (لا يوجد عرض حزمة معطيات محجوز ولا زمن تأخير ثابت)، فالطرود المرسلة باستخدام التحويل عبر الدارة الافتراضية تنتظر في رتل الانتظار كغيرها، ومن ثم ترسل ولكن الفرق في أنها ترسل عبر المنفذ الذي حدد أثناء إنشاء الاتصال وبذلك تختلف عن تحويل وحدات المعطيات الذي يحدد المبدل فيه مسار كل طرد بشكل منفصل عن الطرود الأخرى.
استخدام توجيه الطرود في الشبكات
يستخدم تحويل الطرود في البروتوكول X.25 وهو بروتوكول من طبقة الشبكة طُوِّر عام 1976 ويحدد واجهة 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[2].
و يستخدم أيضاً تحويل الطرود في بروتوكول تنقيل الأطر frame relay الذي طور عن البروتوكول X.25 في نهاية الثمانينيات، وهو غير موثوق بعكس ال X.25. ينتشر هذا البروتوكول بكثرة في الشبكات الواسعة، إذ ترسل المعلومات باستخدامه في طرود عبر مسارات محددة مسبقا تعرف باسم الدارات الافتراضية الدائمة[2] (Permanent Virtual Circuits-PVC). أشهر مثال على الشبكات القائمة على تحويل الطرود هو شبكة 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 أن 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 أو متغير. | المعطيات المرسلة تقسم إلى طرود ذات حجم ثابت أو متغير. | المعطيات المرسلة غير مقطعة إلى أجزاء فالنقل على القناة الفيزيائية يكون بنقل البتات بشكل مستمر دون انقطاع (لكن قد توجد لحظات صمت بدون ارسال). |
| 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 أو معرّف 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 مرحلة ال setup أي حجز موارد الاتصال. |
| التأخير | التأخير ينتج عن انتظار الطرود عند كل مُبّدل switch وبما أن كل طرد قد يسلك طريقاً مختلفاً فزمن التأخير غير ثابت لجميع الطرود. | التأخير ليس ثابتاً وهو غالباً أكبر من التأخير في تحويل الطرود. | التأخير أثناء النقل أصغري وهو ذو قيمة 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 أن 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 |
المصادر
- ^ 1http://www.livinginternet.com/i/ii_rand.htm
- ^ أ ب 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. 7 Dec. 2009. <http://www.livinginternet.com>
Stallings, William A. "Data and Computer Communications." Upper Saddle River, New Jersey: Prentice Hall, 1997.