أساسيات الشبكات تأسيس الشبكات الحاسوبية والتعرف على تطبيقاتها

المشكلة: بناء شبكة (Building a Network)

لنفترض أنك ترغب في بناء شبكة حاسوبية يكون لديها القدرة على النموّ إلى أبعاد عالمية، وعلى دعم تطبيقات متنوعة مثل المؤتمرات عن بعد، والفيديو حسب الطلب، والتجارة الإلكترونية، والحوسبة الموزعة، والمكتبات الرقمية. فما هي التقنيات المتاحة التي ستكون بمثابة اللبنات الأساسية، وما هو نوع هندسة البرمجيات التي ستصمّمها لدمج كتل البناء هذه في خدمة اتصالات فعالة؟

إن الهدف الأساسي لهذا الكتاب هو الإجابة على هذا السؤال، وذلك من أجل وصف مواد البناء المتاحة ثم لتوضيح كيف يمكن استخدامها لبناء شبكةٍ من الأساس.

قبل أن نفهم كيفية تصميم الشبكة الحاسوبية، يجب أن نتفق أولًا على مفهوم الشبكة الحاسوبية بالتحديد. في وقت ما، كان مصطلح الشبكة يعني مجموعة الخطوط التسلسلية المستخدمة لربط الطرفيات الصامتة بأجهزة الحواسيب المركزية. وتشمل الشبكاتُ المهمة الأخرى شبكة الهاتف الصوتي وشبكة الكابلات التلفزيونية التي تستخدم لبث الإشارات السمعية البصرية. الأمور الرئيسية المشتركة بين هذه الشبكات هي أنها متخصّصة في معالجة نوع معيّن من البيانات (ضغطات المفاتيح أو الصوت أو الفيديو)، كما أنها في العادة تربط بين الأجهزة ذات الأغراض الخاصة (المحطات وأجهزة الاستقبال اليدوية وأجهزة التلفاز).

ما الذي يميز الشبكة الحاسوبية عن هذه الأنواع الأخرى من الشبكات؟ ربما تكون السمة الأهم في الشبكات الحاسوبية هي شموليتها. إذ تُنشَأ الشبكات الحاسوبية بصفة رئيسية من أجهزةٍ قابلة للبرمجة للأغراض العامة، ولا يكون تطويرها من أجل تطبيق معين فحسب، مثل إجراء مكالمات هاتفية أو توصيل إشارات تلفزيونية. وعوضًا عن ذلك، فهي قادرة على حمل أنواع مختلفة من البيانات، كما أنّها تدعم مجموعةً واسعة ومتنامية من التطبيقات.

تتولى الشبكات الحاسوبية اليوم الكثير من المهام التي كانت تُؤديها شبكات الاستخدام الواحد. ويبحث هذا الفصل في بعض التطبيقات النموذجية للشبكات الحاسوبية، ويناقش المتطلبات التي يجب أن يكون مصمّم الشبكة الذي يرغب في دعم هذه التطبيقات على علم بها.

وكيف يمكننا أن نمضي قدمًا بعد أن نفهم المتطلبات؟ لحسن الحظ، لن نكون بصدد بناء الشبكة الأولى. فهناك آخرون، أبرزهم مجتمع الباحثين المسؤولين عن شبكة الإنترنت، قد أنجزوا المهمة قبلنا. أي أنّنا سنستخدم ثروة الخبرة المتولّدة من الإنترنت لتوجيه تصميمنا. تتجسّد هذه التجربة في بنية الشبكة التي تحدّد مكونات الأجهزة والبرامج المتاحة وتوضّح كيف يمكن ترتيبها لتشكيل نظام شبكةٍ كاملٍ.

بالإضافة إلى فهم كيفية بناء الشبكات، تتزايد أهمّية فهم كيفية تشغيلها أو إدارتها وكيفية تطوير تطبيقات الشبكة. لدى جميعنا تقريبًا الآن شبكات حاسوبية في منازلنا ومكاتبنا، وفي بعض الحالات في سياراتنا، لذلك لم تعد شبكات التشغيل مسألة تهم عددًا قليلًا من المتخصصين فقط. ومع انتشار الهواتف الذكية، يطوّر الكثير من أبناء هذا الجيل تطبيقات شبكية أكثر من الماضي. لذلك نحن بحاجة إلى النظر في الشبكات من هذه المنظورات المتعددة: المنشئون (builders) والمشغلون (operators) ومطورو التطبيقات (application developers).

يقوم هذا الفصل بأربعة أشياء من أجل الانطلاق على طريق فهم كيفية بناء شبكةٍ وتشغيلها وبرمجتها. في البداية، يستكشف المتطلبات التي تضعها التطبيقات المختلفة والمجتمعات المختلفة من الأشخاص على الشبكة. ثانيًا، يقدّم فكرة بنية الشبكة، التي تضع الأساس لبقية الكتاب. ثالثًا، يقدّم بعض العناصر الرئيسية في تنفيذ الشبكات الحاسوبية. وأخيرًا، يحدّد المقاييس الرئيسية المستخدمة لتقييم أداء الشبكات الحاسوبية.

تطبيقات (Applications) شبكة الإنترنت

يعرف معظم الناس الإنترنت من خلال تطبيقاته، ونذكر منها على سبيل المثال لا الحصر شبكة الويب العالمية، والبريد الإلكتروني، ووسائل التواصل الاجتماعي، وتدفّق بيانات الموسيقى أو الأفلام، وعقد مؤتمرات الفيديو، والرسائل الفورية، ومشاركة الملفات. وهذا يعني أننا نتفاعل مع الإنترنت كمستخدِمين للشبكة. يمثل مستخدمو الإنترنت أكبر فئة من الأشخاص الذين يتفاعلون مع الإنترنت بطريقة ما، ولكن هناك العديد من الفئات المهمة الأخرى.

فهناك مجموعة من الأشخاص الذين يعملون على إنشاء التطبيقات، وهي مجموعة توسعت بصورةٍ كبيرة في السنوات الأخيرة، إذ أنّ منصات البرمجة القوية والأجهزة الجديدة مثل الهواتف الذكية خلقت فرصًا جديدة لتطوير التطبيقات بسرعة وتقديمها إلى سوق كبيرٍ. ثم هناك من يُشغّلون أو يديرون الشبكات، وهي في الغالب وظيفةٌ تُؤدّى من خلف الكواليس، ولكنها مهمّة حرجة وغالبًا ما تكون معقّدة للغاية. مع انتشار الشبكات المنزلية، أصبح المزيد والمزيد من الناس مشغلين للشبكات، ولو على نحوٍ بسيطٍ. وفي الأخير، هناك من يصمّمون ويبنون الأجهزة والبروتوكولات التي تشكّلُ بأجمعها شبكةَ الإنترنت.

تمثل هذه المجموعة النهائية الهدفَ التقليدي للكتب المدرسية الخاصة بموضوع الشبكات، وكذلك حتى بالنسبة لهذا الكتاب، كما أنها ستظل محور تركيزنا الرئيسي. ومع ذلك، سنبحث في هذا الكتاب أيضًا في وجهات نظر مطوري التطبيقات ومشغلي الشبكات. سوف يتيح لنا الاطّلاع على وجهات النظر هذه أن نفهم المتطلبات المتنوعة التي يجب أن تلبيها الشبكة بصورة أفضل. كما سيتيح هذا لمطوري التطبيقات أيضًا أن يجعلوا التطبيقات تعمل بصورةٍ أفضل إذا فهموا كيف تعمل هذه التكنولوجيا الأساسية وكيف تتفاعل مع التطبيقات. لذا، قبل أن نبدأ في اكتشاف كيفية إنشاء شبكة، دعنا ننظر عن كثب إلى أنواع التطبيقات التي تدعمها الشبكات في الوقت الحالي.¦

فئات التطبيقات

إنّ شبكة الويب العالمية هي تطبيق الإنترنت الذي حوّل الإنترنت من أداة غامضة إلى حدٍ ما يستخدمها في الغالب العلماء والمهندسون إلى ظاهرة التيار السائد كما هي اليوم. لقد أصبح الويب نفسه نظامًا أساسيًا قويًا لدرجة أن الكثير من الناس يخلطونه مع الإنترنت، وقد يكون من المبالغة قليلًا أن نقول أن الويب هو تطبيق واحد.

يقدّم الويب في شكله الأساسي واجهةً بسيطة على نحوٍ بديهيٍّ تمامًا. إذ يستعرض المستخدمون صفحات مليئة بالكائنات النصية والرسوم البيانية وينقرون على الكائنات التي يريدون معرفة المزيد عنها، وتظهر صفحة جديدة مرافقة. يدرك معظم الأشخاص أيضًا أنّه، أسفل الأغلفةِ، يكون كلُّ كائنٍ قابلٍ للتحديد في صفحةٍ مرتبطًا بمُعرِّفٍ للصفحة أو الكائن التالي الذي سيُعرَض. هذا المُعرِّف يسمى مُعرِّف الموارد الموحّد (Uniform Resource Locator أو اختصارًا URL)، ويوفر طريقةً لتحديد جميع الكائنات المحتملة التي يمكن عرضها من متصفح الويب.

فمثلًا:

http://www.cs.princeton.edu/llp/index.html

هذا عنوان URL لصفحةٍ تُقدّم معلومات حول أحد مؤلفي هذا الكتاب: تشير السلسلة http إلى أنه يجب استخدام بروتوكول نقل النصوص الترابطية (Hypertext Transfer Protocol أو اختصارًا HTTP) لتحميل الصفحة، www.cs.princeton.edu هو اسم جهاز الخادوم الذي يوفّر الصفحة، ويعرّف الجزء ‎/llp/index.html صفحة لاري الرئيسية بشكل فريد في موقع الويب هذا.

ومع ذلك، فإن ما لا يدركه معظم مستخدمي الويب هو أنه من خلال النقر على عنوان URL واحد فقط، هناك عشرات الرسائل يمكن تبادلها عبر الإنترنت، وأكثر من ذلك بكثير إذا كانت صفحة الويب تتشكّل من الكثير من الكائنات المضمّنة. يشتمل تبادل الرسائل هذا على ما يصل إلى ست رسائلٍ لترجمة اسم الخادوم (www.cs.princeton.edu) إلى عنوان IP أي بروتوكول الإنترنت (128.112.136.35)، وثلاث رسائل لإعداد بروتوكول التحكّم بالإرسال ( Transmission Control Protocol أو اختصارًا TCP) بين المتصفّح وهذا الخادوم، وأربع رسائل للمتصفّح من أجل إرسال طلب HTTP من الفئة GET وكذلك للخادوم من أجل الرد على الطلب مع إرفاق الصفحة المطلوبة (دون نسيان الإفادة باستلام الرسالة من كلا الطرفين)، وأربع رسائل لإنهاء اتصال TCP. وبطبيعة الحال، هذا لا يشمل الملايين من الرسائل التي تتبادلها عُقَد شبكة الإنترنت على مدار اليوم، فقط لكي يُعلِم بعضها بعضًا بوجوده واستعداده لتوفير صفحات الويب، وترجمة الأسماء إلى عناوين، وإعادة توجيه الرسائل نحو وِجهاتها النهائية.

هناك فئة أخرى من التطبيقات واسعة الانتشار على الإنترنت وهي توصيل تدفّقات الصوت والفيديو. وتُستخدَم هذه التقنية في بعض الخدمات مثل الفيديو وفق الطلب والراديو على الإنترنت. ورغم أنّ جلسة البث تبدأ غالبًا في موقع ويب، إلا أن توصيل الصوت والفيديو له بعض الاختلافات المهمة عن جلب صفحة ويب بسيطة من النصوص والصور. على سبيل المثال، لا يرغب الزائر في الغالب تحميل ملف فيديو بالكامل، وهي عملية قد تستغرق بضع دقائق، قبل مشاهدة المشهد الأول. يتطلّب تدفّق الصوت والفيديو نقل الرسائل في الوقت المناسب من المرسل إلى المستقبل، ويعرض هذا الأخير الفيديو أو يشغّل الصوت تمامًا عند وصوله.

يكمن الفرق بين تطبيقات البث والتوصيل التقليدي للنص والرسومات والصور في أن المستخدِم يستهلك تدفقات الصوت والفيديو بصفة مستمرة، وأن أيّ انقطاع، قد يتمثّل في تخطّي بعض الأصوات أو توقف الفيديو، أمرٌ غير مقبول. وعلى العكس، يمكن توصيل صفحة عادية (غير متدفقة) وقراءتها في أجزاء وقطع. ويؤثر هذا الاختلاف على كيفية دعم الشبكة لهذه الفئات المختلفة من التطبيقات.

وهناك فئة من التطبيقات مختلفة اختلافًا دقيقًا، وهي تقنية الصوت والفيديو في الزمن الحقيقي (real-time audio and video). ولهذه التطبيقات قيود أكثر تشددًا من تطبيقات البث فيما يخصّ التوقيت. يجب أن تكون التفاعلات بين المشاركين في الوقت المناسب، عند استخدام الصوت عبر بروتوكول الإنترنت مثل تطبيق سكايب أو تطبيق المؤتمرات عبر الفيديو. عندما يقوم شخص ما بإيماءةٍ، يجب أن يُعرض هذا الإجراء في الجانب الآخر بأسرع ما يمكن. ليس تمامًا "في أقرب وقت ممكن". . . تشير أبحاث العوامل البشرية إلى أن 300 ميلي ثانية هي حدّ أعلى معقولٌ لمقدار التأخير ذهابًا وإيابًا الذي يمكن تحمّله في مكالمة هاتفية دون أن تكون هناك شكوى، ويبدو أن التأخير البالغ 100 مللي ثانية جيد جدًا.

عندما يحاول أحدهم مقاطعة شخص آخر، يحتاج هذا الأخير إلى سماع ذلك في أقرب وقت ممكن ويقرر ما إذا كان سيسمح بالمقاطعة أو الاستمرار في التحدّث. إن التأخير الشديد في هذا النوع من البيئة يجعل النظام غير قابل للاستخدام. وبالموازنة بين هذا النظام والفيديو عند الطلب، إذا استغرق الأمر عدّة ثوانٍ من وقت بدء المستخدم للفيديو حتى عرض الصورة الأولى، فلا تزال الخدمة تُعدّ مرضية. وكذلك، تستلزم التطبيقات التفاعلية عادة تدفق الصوت و/أو الفيديو في كلا الاتجاهين، بينما يُرسل تطبيق البث في الغالب الفيديو أو الصوت في اتجاهٍ واحدٍ فقط.

إنّ أدوات مؤتمرات الفيديو التي تعمل على الإنترنت موجودة الآن منذ أوائل التسعينات، ولكنها حققت استخدامًا واسع النطاق في السنوات القليلة الماضية في ظلّ وجود العديد من المنتجات التجارية في السوق. يظهر مثال على أحد هذه الأنظمة في الوثيقة التالي. وتمامًا مثلما ينطوي تحميل صفحة الويب على أكثر قليلًا مما تُشاهده العين، يحدث الشيء نفسه مع تطبيقات الفيديو. إنّ تضمين محتوى الفيديو في شبكة ذات نطاق تردّدي منخفض نسبيًا، على سبيل المثال، أو التأكد من أن الفيديو والصوت لا يزالان متزامنين ويصلان في الوقت المناسب للحصول على تجربة مستخدم جيدة، كلّها مشاكل يجب على مصممي الشبكات والبروتوكولات القلق بشأنها. سنلقي نظرة على هذه الأمور والعديد من المشكلات الأخرى المتعلقة بتطبيقات الوسائط المتعددة لاحقًا في الكتاب.

رغم أنّهما مثالان فقط، إلا أن تحميل الصفحات من الويب والمشاركة في مؤتمر بالفيديو يوضّحان تنوع التطبيقات التي يمكن بناؤها على الإنترنت ويشيران إلى تعقيد تصميم هذه الشبكة العنكبوتية. في جزء لاحق من الكتاب، سوف نعرض تصنيفًا أكثر اكتمالًا لأنواع التطبيقات للمساعدة في توجيه مناقشتنا للقرارات الرئيسية الخاصّة بالتصميم في سعينا لبناء وتشغيل واستخدام الشبكات التي تحتوي على مجموعةٍ واسعة من التطبيقات. يُختتم الكتاب بإعادة النظر في هذين التطبيقين بالتّحديد، بالإضافة إلى العديد من التطبيقات الأخرى التي تبرز اتساع ما هو ممكن على الإنترنت اليوم.

في الوقت الحالي، تكفي هذه النظرة السريعة على عددٍ قليل من التطبيقات النموذجية لتمكيننا من بدء البحث في المشكلات التي ينبغي معالجتها إذا أردنا إنشاء شبكةٍ تدعم هذا التنوع في التطبيقات.

ترجمة -وبتصرّف- للقسم Applications من فصل Foundation من كتاب Computer Networks: A Systems Approach