أساسيات الشبكات الروابط المباشرة (Direct Links) في الشبكات الحاسوبية

المشكلة: الاتصال بشبكة (Connecting to a Network)

تتكوّن الشبّكات الحاسوبيةّ من عُقدٍ (nodes) متّصلة عن طريق روابط (links) كما لاحظتَ في المقال الأوّل من هذه السلسلة، أساسيات الشبكات، فمن بين المشاكل الأساسيةّ التي يمكن مواجهتها هي كيفية توصيل عقدتين مع بعضهما، ولاحظت أيضًا تقديم تجريد السّحابة (cloud abstraction) لتمثيل الشّبكة دون كشف تعقيدات الشّبكة الدّاخلية، لذلك يجب أيضًا معالجة مشكلة مشابهة تتمثّل في توصيل مضيفٍ بسحابة، وهذه هي المشكلة التي يواجهها كلّ مزوّد خدمة إنترنت (Internet Service Provider ويختصَر إلى ISP) عندما يريد توصيل عميلٍ جديد بشبكته.

يجب معالجة مجموعة شائعة من المشاكل سواءً عند بناء شبكة بسيطة مؤلّفة من عقدتين ورابطٍ بينهما، أو عند توصيل المضيف المليار إلى شبكة موجودة مسبقًا مثل الإنترنت، حيث تحتاج أوّلًا إلى وسيط فيزيائي (physical medium) يمكنك إجراء الاتّصال من خلاله، فقد يكون هذا الوسيط عبارةً عن جزءٍ من سلك (wire)، أو قطعة من ألياف ضوئيّة (optical fiber) أو وسيطًا غير ملموس مثل الهواء الذي يمكن نقل الإشعاع الكهرومغناطيسي، مثل موجات الراديو، خلاله. وقد تغطّي هذه الشّبكة مساحةً صغيرةً، مثل: مبنى، أو مساحة واسعة مثل المساحة العابرة للقارّات (transcontinental).

لا يُعدّ توصيل عقدتين بوسيطٍ مناسبًا إلّا الخطوةَ الأولى، فيجب معالجة خمس مشكلات إضافية قبل تمكُّن العقد من تبادل الرّزم (packets) بنجاح، وستوفرّ معالجة هذه المشاكل اتصال الطّبقة 2 (L2)، باستخدام مصطلحات من معماريّة OSI. المشكلة الأولى هي ترميز (encoding) البتات ضمن وسيط الإرسال (transmission medium)، بحيث قد تفهمها عقدة الاستقبال (receiving node)؛ أمّا والمشكلة الثّانية، فهي مسألة تحديد سلسلة البتات المنقولة عبر الرّابط (link) ضمن رسائل كاملة يمكن تسليمها إلى العقدة النّهائية، حيث تدعى هذه المشكلة بالتّأطير (framing)، وتدعى الرّسائل التي يمكن توصيلها إلى المضيفين النهّائيين أحيانًا بالإطارات (frames)، وبالرّزم (packets) أحيانًا أخرى؛ بينما المشكلة الثالثة، ونظرًا لتعرّض الإطارات أحيانًا للتّلف أثناء الإرسال، فمن الضّروري اكتشاف هذه الأخطاء واتخاذ الإجراء المناسب، وهذه هي مشكلة كشف الأخطاء (error detection)؛ في حين تتمثّل المشكلة الرّابعة في ظهور الرّابط على أساس رابطٍ موثوق، على الرّغم من حقيقة إفساده للإطارات من وقتٍ لآخر. وفي المشكلة الخامسة والأخيرة وهي في الحالات التي يتشارك فيها مضيفون متعدّدون بنفس الرّابط، مثل الرّوابط اللاّسلكية (wireless links)، فمن الضّروري التوسّط في الوصول إلى هذا الرّابط، وهذه هي مشكلة التحّكم بالوصول إلى الوسائط (media access control).

على الرّغم من إمكانيّة مناقشة هذه المشاكل الخمس، التّرميز (encoding)، والتّأطير (framing)، وكشف الأخطاء (error detection) والتّسليم الموثوق (reliable delivery)، وتوسّط الوصول (access mediation)، إلّا أنها تُعدّ مشاكلًا حقيقيّة تُعالَج بطرقٍ مختلفة باستخدام تقنيّات شبكيّة مختلفة، وسيتناول هذا المقال هذه المشاكل في سياق تقنيّات شبكيّة محدّدة، مثل روابط الألياف نقطةً لنقطة (point-to-point fiber links)، والمثال السّائد عنها شبكات SONET، وشبكات الوصول المتعدّد باستشعار الحامل (Carrier Sense Multiple Access واختصارًا CSMA)، والمثال الأشهر عنها شبكات إيثرنت (Ethernet)، والشّبكات اللّاسلكية (Wi-Fi) التّقليديّة، وتقنيّة ليف إلى المنزل (fiber-to-the home)، التي تَعدّ تقنية PON هي المعيار السّائد عنها، وشبكات الهاتف المحمول اللّاسلكية (mobile wireless)، حيث تتحوّل الآن شبكة 4G إلى شبكة 5G بسرعة.

الهدف من هذا المقال هو إجراء مسحٍ للتّقنيات المتاحة على مستوى الرّابط واكتشاف هذه المشاكل الخمس الأساسيّة، حيث سنختبر ما يتطلّبه الأمر لجعل مجموعة متنوّعة من الوسائط الفيزيائيّة المختلفة وتقنيّات الرّبط مفيدةً كلبناتٍ أساسيّة لبناء شبكات متينة وقابلة للتّوسع.

المخطط التقني (Technology Landscape)

من المفيد أوّلًا الحصول على موقعٍ على أرض الواقع قبل الخوض في التّحديات الموضّحة في عرض المشكلة في بداية هذا المقال، حيث يتضمّن هذا الموقع مصفوفةً واسعةً من تقنيّات الرّبط، وهذا يرجع جزئيًّا إلى الظّروف المتنوّعة التي يحاول المستخدمون توصيل أجهزتهم في ظلّها، ويجب على مشغّلي الشّبكات الذين يُنشئون شبكات عالميّة (global networks) في أحد طرفيّ الشّبكة، التّعامل مع الرّوابط (links) التي تمتدّ لمئات وآلاف الكيلومترات، والتي تربط موجّهاتٍ (routers) بحجم الثّلاجة؛ أمّا في الطّرف الآخر، فيستعمل المستخدم العاديّ الروابطَ غالبًا مثل وسيلةٍ لربط الحاسوب بالإنترنت الموجود، ويكون هذا الرّابط أحيانًا لاسلكيًّا (Wi-Fi) مثل الرّوابط الموجودة في المقاهي، ويكون أحيانًا رابط إيثرنت (Ethernet) مثل الرّوابط الموجودة في مبنى مكتبيّ، أو في الجامعة؛ أو قد يكون هاتفًا ذكيًا متّصلًا بشبكة خلويّة (cellular network)؛ كما قد يكون الراّبط أليافًا ضوئيّةً (fiber optic) يوفّرها مزوّد خدمة الانترنت ISP لشريحة كبيرة من النّاس، ويستخدم العديد من النّاس روابطًا ذات أسلاك نحاسيّة (copper wire) أو كابلات، وتوجد عدّة استراتيجيّات شائعة مستخدمة مع هذه الرّوابط المختلفة، بحيث يمكن جعلها موثوقةً ومفيدةً للطّبقات الأعلى من البروتوكول المستخدم، حيث سيشرح هذا المقال تلك الاستراتيجياّت جميعها.

يوضّح الشّكل السّابق أنواع الرّوابط المختلفة التي يمكن وجودها ضمن شبكة الإنترنت اليوم، فتجد يسار الشّكل السّابق مجموعةً متنوّعةً من أجهزة المستخدم النّهائي (end-user) التي تتراوح من الهواتف الذّكية (smartphones) إلى الأجهزة اللّوحيّة (tablets)، وحتّى أجهزة الحاسوب الكاملة (full-fledged computers) المتّصلة بمزوّد خدمة الانترنت عبر وسائل مختلفة. قد تستخدم هذه الرّوابط تقنيّات مختلفة ولكنّها تبدو متشابهةً مع الشّكل السّابق، إذ يربط خطٌ مستقيم الجهاز بموجّه، وتوجد روابط تربط الموجّهات مع بعضها البعض داخل مزوّد خدمة الإنترنت، بالإضافة إلى وجود روابط تربط مزوّد خدمة الانترنت مع بقيةّ شبكة الانترنت (rest of the Internet) التي تتكون من الكثير من مزوّدي خدمة الإنترنت الآخرين، والمضيفين الذين يتّصلون بهم. تبدو جميع هذه الرّوابط متشابهةً، وهذا ليس فقط لأننا لسنا فنانين جيّدين جدًّا، بل لأن جزءًا من دور معماريّة الشّبكة هو توفير تجريدٍ مشترك لشيء معقّد ومتنّوع مثل الرّوابط (links)، فلا يجب على حاسوبك المحمول أو هاتفك الذّكي الاهتمام بنوع الرّابط المتصّل به، والشّيء الوحيد المهم هو امتلاكه لرابط بشبكة الإنترنت، ولا يتعيّن على الموجّه (router) أيضًا الاهتمام بنوع الرّابط الذي يربطه مع الموجهات الأخرى، حيث قد يرسل الموجّه رزمةً عبر الرّابط مع توقّعٍ جيّد بأن الرّزمة ستصل إلى الطّرف الآخر من الرّابط، لكن كيف يمكن جعل جميع هذه الأنواع المختلفة من الرّوابط متشابهةً بدرجة كافية للمستخدمين النّهائيين والموجّهات؟

يجب أوّلًا التّعامل مع جميع قيود الرّوابط الفيزيائيّة ونقاط ضعفها الموجودة في العالم الحقيقي، حيث أظهرت فقرة المشكلة في بداية هذا المقال بعضًا من هذه المشاكل، ولكن يجب أوّلًا تقديم بعضٍ من الفيزياء البسيطة قبل مناقشتها. تُصنع جميع هذه الرّوابط من بعض المواد الفيزيائيةّ التي يمكنها نشر الإشارات، مثل: الأمواج الراديويّة، أو أنواع أخرى من الإشعاع الكهرومغناطيسي. ولكنّ ما تحتاجه حقًّا هو إرسال البِتّات. سترى كيفية تشفير البتّات لإرسالها، من خلال وسيط فيزيائي في الأقسام اللّاحقة من هذا المقال وبعض المشاكل الأخرى ثم ستفهم كيفيّة إرسال رزمٍ كاملة عبر أيّ نوع من الرّوابط بنهاية هذا المقال بغضّ النّظر عن الوسيط الفيزيائيّ المُستخدَم. تتمثّل إحدى طرق توصيف الرّوابط في الوسيط (medium) الذي تستخدمه عادةً، مثل: الأسلاك النحاسيّة (copper wire)، ومنها مثلا: السّلك المزدوج الملتوي (twisted pair) الذي تستخدمه بعض شبكات الإيثرنت والهواتف الأرضيّة، أو السّلك المحوري (coaxial) الذي يستخدمه الكابل (cable)؛ أو مثل الألياف الضّوئية (optical fiber) التي تستخدمها تقنيّة ليف إلى منزل (fiber-to-the-home)، والعديد من الرّوابط بعيدة المدى ضمن بنية شبكة الإنترنت الأساسيّة (Internet’s backbone)؛ أو مثل الهواء (air)، أو الفراغ (free space) الذي تستخدمه الرّوابط اللّاسلكية (wireless links).

يُعدّ التّردّد (frequency) من خصائص الرّوابط المهمّة الأخرى الذي يُقاس بوحدة الهرتز (hertz)، والذي تهتزّ به الموجات الكهرومغناطيسيّة، وتسمّى المسافة بين زوجٍ من حدود الموجة القصوى أو الصغرى المتجاورة بطول الموجة الموجيّ (wavelength) ويُقاس بالمتر. تنتقل جميع الموجات الكهرومغناطيسيّة بسرعة الضّوء، والتي تعتمد بدورها على الوسيط (medium)، حيث يساوي الطّول الموجيّ السّرعةَ مقسومةً على تردّد الموجة، فيحمل خطّ الهاتف للدّرجة الصّوتية (voice-grade telephone line) إشاراتٍ كهرومغناطيسيّة مستمرةً تتراوح بين 300 هرتز، و3300 هرتز، وقد يكون للموجة ذات التّردّد 300 هرتز التي تنتقل عبر النّحاس طولًا موجيًّا يساوي سرعة الضّوء في النّحاس مقسومةً على التّردد، بحيث يساوي:

= 2/3 × 3 × 108 / 300 = 667 × 103 متر

تمتدّ الموجات الكهرومغناطيسيّة على نطاق أوسع بكثير من التّرددات بدءًا بالموجات الراديويّة، ثم ضوء الأشعّة تحت الحمراء (infrared light)، ثم الضّوء المرئيّ (visible light)، ثم الأشعّة السّينيّة (x-rays)، وأشعّة جاما (gamma rays)، ويبيّن الشّكل التاّلي الطّيف الكهرومغناطيسي، ويوضح الوسائط الشّائعة المستخدمة لحمل نطاقات التّردد:

لا يُظهر الشّكل السّابق المكانَ المناسب للشّبكة الخلويّة، فهذا أمر معقّد بعض الشّيء لأن نطاقات التّردد المحدّدة المرخَّصة للشّبكات الخلويّة تختلف حول العالم، وهو أمرٌ أعقد من حقيقة أن مشغّلي الشّبكات غالبًا يدعمون التّقنيات القديمة، أو السّابقة وتقنيّات الجيل الجديد أو التالي، حيث يشغَل كلّ منها نطاقَ تردّد مختلفًا. ويمكننا القول باختصار أنّ التّقنيات الخلويّة التّقليديّة تتراوح بين 700 ميجاهرتز إلى 2400 ميجاهرتز مع تخصيصاتٍ متوسّطة الطّيف وجديدةٍ تحدث عند 6 جيجاهرتز الآن، وتخصيصات الموجة المليمتريّة (millimeter-wave وتُختصر إلى mmWave) المفتوحة فوق 24 جيجاهرتز، حيث من المحتمل أن يصبح نطاق الموجة المليمتريّة هذا جزءًا مهمًّا من شبكة الهاتف المحمول 5G.

يمكن فهم الرّابط على أنّه وسيط فيزيائي يحمل إشارات على شكل موجات كهرومغناطيسيّة، وتوفّر هذه الرّوابط أساس إرسال جميع أنواع المعلومات بما في ذلك نوع البيانات التي نهتمّ بنقلها، والتي هي البيانات الثّنائيّة (أصفار وواحدات)، ويمكن القول بأنّ البيانات الثنائية مشفّرةٌ في الإشارة، فمشكلة تشفير البيانات الثّنائية على الإشارات الكهرومغناطيسيّة موضوعٌ معقّد، ويمكن جعل ذلك أكثر قابليّةً للإدارة من خلال التّفكير في تشفير البيانات الثّنائية على أنّه مقسَّم إلى طبقتين، حيث تُعنى الطّبقة السّفلية بالتعّديل (modulation)، أيّ تغيير تردّد (frequency)، أو سعة (amplitude)، أو طور (phase) الإشارة للتّأثير على إرسال المعلومات، فتغيير قدرة (power) أو سعة (amplitude) طولٍ موجيّ هو مثالٌ بسيط عن التّعديل (modulation)، وهذا يكافئ تشغيل وإطفاء النور، فمسألة التّعديل ثانويّةً بالنّسبة للرّوابط التي تُعَد لبنةً أساسيّةً في الشّبكات الحاسوبيّة، لذلك يمكن الافتراض ببساطة أنّه من الممكن إرسال زوج من الإشارات القابلة للتمّييز، حيث يمكن عَد زوج الإشارات كإشارة مرتفعة (high signal)، وأخرى منخفضة (low)؛ أمّا الطّبقة العلويّة، وهي الطّبقة التي تهمّنا الآن، فتهتم بالمشكلة الأبسط بكثير وهي تشفير البيانات الثّنائية على هاتين الإشارتين.

يمكن تصنيف الرّوابط بطريقة أخرى وذلك من حيث طريقة استخدامها، حيث تميل الأمور الاقتصاديّة وقضايا النّشر المختلفة إلى التّأثير على مكان وجود أنواع روابط مختلفة، فيتفاعل معظم المستخدمين مع الإنترنت إمّا من خلال الشّبكات اللّاسلكية الموجودة في المقاهي، والمطارات، والجامعات وما إلى ذلك؛ أو من خلال ما يسمى روابط الميل الأخير (last-mile links)؛ أو شبكات الوصول (access networks) بدلًا من ذلك، والتي يوفّرها مزود خدمة الإنترنت. لُخّصت أنواع هذه الرّوابط في الجدول الآتي، وقد اختيرت هذه الأنواع لأنها طرق فعّالة من حيث التّكلفة للوصول إلى ملايين المستخدمين، فتقنيّة خطّ المشترك الرّقمي (Digital Subscriber Line واختصارها DSL) على سبيل المثال هي تقنية قديمة نُشرت على الأسلاك النّحاسية المزدوجة الملتوية الموجودة مسبقًا لخدمات الهاتف القديمة العاديّة؛ أمّا تقنيّة G.Fast، فهي تقنيّة قائمة على النّحاس تُستخدم عادةً في المباني السّكنية متعدّدة المساكن، وتقنيّة الشّبكة الضّوئية السّلبية (Passive Optical Network واختصارها PON) هي تقنيّة أحدث تُستخدم عادةً لربط المنازل والشّركات عبر الألياف التي نُشرت مؤخّرًا.

ويوجد أيضًا شبكة الهاتف المحمول (mobile) أو الشّبكة الخلويّة (cellular)، حيث يشار إليها باسم 4G ولكنّها تتطوّر بسرعة إلى شبكة 5G في وقت ترجمة هذه السلسلة، التي تربط أجهزة الهاتف المحمولة بالإنترنت، حيث يمكن لهذه التقّنية أيضًا العمل مثل وصلة الإنترنت الوحيدة في المنازل أو المكاتب، ولكنّها تأتي مع ميزة إضافية تتمثّل في السّماح بالحفاظ على الاتّصال بالإنترنت أثناء الانتقال من مكان إلى آخر. تُعدّ هذه التّقنيات خيارات شائعة لاتّصال الميل الأخير بمنزلك أو عملك، ولكنّها ليست كافيةً لبناء شبكة كاملة من البداية، لذلك ستحتاج أيضًا إلى بعض الرّوابط الأساسيّة أو روابط شبكة العمود الفقري بعيدة المدى (long-distance backbone links) لتوصيل المدن، فالرّوابط الأساسية الحديثة هي عبارة عن ألياف فقط تقريبًا اليوم، والتي تستخدم عادةً تقنيّةً تسمّى الشّبكة الضّوئية المتزامنة (Synchronous Optical Network وتختصر إلى SONET)، والتي طُوّرت في الأصل لتلبية المتطلّبات ذات الإدارة الصّعبة لشركات الهاتف. ويوجد، بالإضافة إلى روابط الميل الأخير (last-mile) والرّوابط الأساسيّة (backbone) وروابط شبكة الهاتف المحمول (mobile links)، روابطٌ تجدها داخل مبنى أو داخل جامعة ويشار إليها عمومًا باسم الشّبكات المحلّية (local area networks وتختصر إلى LANs)، حيث تُعَد تقنيّة الإيثرنت والتّقنية اللّاسلكية (Wi-Fi) من التّقنيات المهيمنة في هذا المجال.

ليس هذا الاستطلاع لأنواع الرّوابط شاملًا، ولكن لابد له من منحك لمحةً عن تنوّع أنواع الرّوابط الموجودة وأسباب هذا التّنوع، سترى في الأقسام القادمة كيف يمكن لبروتوكولات الشّبكات الاستفادة من هذا التّنوع وتقديم رؤية مستقرّة للشّبكة للطّبقات الأعلى على الرّغم من كل التعّقيدات والعوامل الاقتصاديّة منخفضة المستوى.

ترجمة -وبتصرّف- للقسم Technology Landscape من فصل Direct Links من كتاب Computer Networks: A Systems Approach