العلاقة بين تبديل الحزم والتأخيرات في شبكة الحاسوب

يستخدم تبديل الحزم تقنية “Store and Forward” أثناء تبديل الحزم وأثناء إعادة توجيه الحزمة، حيث تقوم كل قفزة أولاً بتخزين تلك الحزمة ثم إعادة توجيهها، وهذه التقنية مفيدة جداً لأنّه قد يتم التخلص من الحزم في أي نقلة بين الحزم لسبب ما، وأكثر من مسار ممكن بين زوج من المصادر والوجهات.

ما هو تبديل الحزم

تبديل الحزم: هو طريقة لنقل البيانات إلى شبكة في شكل حزم، ومن أجل نقل الملف بسرعة وكفاءة عبر الشبكة وتقليل زمن انتقال الإرسال يتم تقسيم البيانات إلى أجزاء صغيرة متغيرة الطول تسمى “Packet”، وفي الوجهة يجب إعادة تجميع كل هذه الأجزاء الصغيرة أي الحزم، بحيث تنتمي إلى نفس الملف، كما تتكون الحزمة من الحمولة ومعلومات التحكم المختلفة ولا يلزم الإعداد المسبق أو حجز الموارد.

أساسيات تبديل الحزم

تحتوي كل حزمة على عنوان المصدر والوجهة الذي يستخدمونه للسفر بشكل مستقل عبر الشبكة، كما قد تنتقل أو لا تنتقل الحزم التي تنتمي إلى نفس الملف عبر نفس المسار، حيث إذا كان هناك ازدحام في بعض المسارات فيُسمح للحزم باختيار مسارات مختلفة ممكنة عبر شبكة موجودة، كما تم تصميم شبكات تبديل الحزم للتغلب على نقاط الضعف في شبكات تبديل الدوائر نظراً لأنّ شبكات تبديل الدارات لم تكن فعالة جداً للرسائل الصغيرة.

مزايا تبديل الحزم

• أكثر كفاءة من حيث عرض النطاق الترددي، لأن مفهوم حجز الدائرة ليس موجوداً.

• الحد الأدنى من زمن انتقال الإرسال.

• أكثر موثوقية كوجهة يمكن أن تكتشف الحزمة المفقودة.

• أكثر تحملاً للخطأ لأنّ الحزم قد تتبع مساراً مختلفاً في حالة تعطل أي ارتباط على عكس تبديل الدائرة.

• فعالة من حيث التكلفة وأرخص نسبياً في التنفيذ.

عيوب تبديل الحزم

• لا يعطي تبديل الحزم الحزم بالترتيب، بينما يوفر تبديل الدارة تسليماً مرتباً للحزم لأنّ جميع الحزم تتبع نفس المسار.

• نظراً لأنّ الحزم غير مرتبة هناك حاجة إلى توفير أرقام تسلسلية لكل حزمة.

• التعقيد هو أكثر في كل عقدة بسبب سهولة اتباع مسارات متعددة.

• تأخير الإرسال أكثر بسبب إعادة التوجيه.

• يعد تبديل الحزم مفيداً فقط للرسائل الصغيرة ولكن بالنسبة للبيانات المتقطعة أي الرسائل الكبيرة يكون تبديل الدارة أفضل.

طرق تبديل الحزم

1- تبديل الحزمة المهيأ للاتصال

قبل بدء الإرسال فإنّه ينشئ مساراً منطقياً أو اتصالاً افتراضياً باستخدام بروتوكول الإشارة بين المرسل والمستقبل وستتبع جميع الحزم التي تنتمي إلى هذا التدفق هذا المسار المحدد مسبقاً، كما يتم توفير معرف الدائرة الظاهرية بواسطة المفاتيح أو أجهزة التوجيه لتعريف هذا الاتصال الظاهري بشكل فريد.

كما يتم تقسيم البيانات إلى وحدات صغيرة ويتم إلحاق كل هذه الوحدات الصغيرة بمساعدة الأرقام التسلسلية، كما تتم ثلاث مراحل هي مرحلة الإعداد ونقل البيانات والتفكيك، ويتم نقل جميع معلومات العنوان فقط أثناء مرحلة الإعداد، وبمجرد اكتشاف المسار إلى الوجهة تتم إضافة الإدخال إلى جدول التبديل لكل عقدة وسيطة.

وأثناء نقل البيانات قد يحتوي رأس الحزمة أي الرأس المحلي على معلومات مثل الطول والطابع الزمني ورقم التسلسل، ويعد التبديل الموجه للاتصال مفيداً جداً في “WAN” المحول وبعض البروتوكولات الشائعة التي تستخدم نهج تبديل الدائرة الافتراضية هي “X.25″ و”Frame-Relay” و”ATM” و”MPLS“.

2- تبديل الحزمة بدون اتصال

على عكس تبديل الحزمة الموجه للاتصال في تبديل الحزمة بدون اتصال تتضمن كل حزمة على جميع معلومات العنونة المناسبة مثل عنوان المصدر “Source address” وعنوان الوجهة وأرقام المنافذ، وفي تبديل حزم مخططات البيانات يتم التعامل مع كل حزمة بشكل مستقل، وقد تتخذ الحزم التي تنتمي إلى تدفق واحد مسارات مختلفة لأنّ قرارات التوجيه يتم اتخاذها ديناميكياً لذلك قد تكون الحزم التي وصلت إلى الوجهة معطلة.

ليس لديه إعداد اتصال ومرحلة تفكيك مثل الدوائر الافتراضية، كما لا يتم ضمان تسليم الحزم في تبديل الحزمة بدون اتصال، لذلك يجب توفير التسليم الموثوق به بواسطة الأنظمة النهائية باستخدام بروتوكولات إضافية.

العلاقة بين التأخير والفقد في شبكات تبديل الحزم

إنّ الحزمة تبدأ في مضيف أي المصدر وتمر عبر سلسلة من أجهزة التوجيه وتنهي رحلتها في مضيف آخر أي الوجهة، ونظراً لأنّ الحزمة تنتقل من عقدة واحدة أي مضيف أو جهاز توجيه إلى العقدة اللاحقة أي المضيف أو جهاز التوجيه على طول هذا المسار، فإنّ الحزمة تعاني من عدة أنواع مختلفة من التأخيرات في كل عقدة على طول المسار.

وأهم هذه التأخيرات هي تأخير المعالجة العقدي وتأخر الاصطفاف وتأخر الإرسال وتأخر الانتشار، حيث تتراكم هذه التأخيرات لتعطي تأخيراً عقدياً كلياً، ومن أجل الحصول على فهم عميق لتبديل الحزم وشبكات الكمبيوتر يجب أن نفهم طبيعة وأهمية هذه التأخيرات، وكجزء من مساره من طرف إلى طرف بين المصدر والوجهة يتم إرسال حزمة من عقدة المنبع من خلال جهاز التوجيه “A” إلى جهاز التوجيه “B”.

والهدف هو توصيف التأخير العقدي في جهاز التوجيه “A”، حيث أنّ جهاز التوجيه “A” لديه ثلاثة الروابط الصادرة أحدها يؤدي إلى جهاز التوجيه “B”، والآخر يؤدي إلى جهاز التوجيه “C” والآخر يؤدي إلى جهاز التوجيه “D”، ويسبق كل ارتباط قائمة انتظار تُعرف أيضاً باسم المخزن المؤقت وعندما تصل الحزمة إلى جهاز التوجيه “A”، يفحص جهاز التوجيه A رأس الحزمة لتحديد الارتباط الصادر المناسب للحزمة ثم يوجه الحزمة إلى الارتباط.

وفي هذا المثال يكون الرابط الصادر للحزمة هو الرابط الذي يؤدي إلى جهاز التوجيه “B” ولا يمكن إرسال الحزمة إلّا على ارتباط إذا لم تكن هناك حزمة أخرى يتم إرسالها حالياً على الرابط، وإذا لم تكن هناك حزم أخرى تسبقها في الطابور إذا كان الارتباط مشغولاً حالياً أو إذا كانت هناك حزم أخرى في قائمة الانتظار بالفعل للارتباط، فإنّ الحزمة التي وصلت حديثاً ستنضم إلى قائمة الانتظار.

الوقت اللازم لفحص رأس الحزمة وتحديد مكان توجيه الحزمة هو جزء من تأخير المعالجة، ويمكن أن يشمل تأخير المعالجة أيضاً عوامل أخرى، مثل الوقت اللازم للتحقق من أخطاء مستوى البت في الحزمة التي حدثت في إرسال بتات الحزمة من جهاز التوجيه الرئيسي إلى جهاز التوجيه “A”، وبعد هذه المعالجة العقدية يوجه جهاز التوجيه الحزمة إلى قائمة الانتظار التي تسبق الارتباط بالموجه “B”.

وفي قائمة الانتظار تواجه الحزمة تأخيراً في قائمة الانتظار، حيث تنتظر إرسالها إلى الارتباط، كما سيعتمد التأخير في اصطفاف رزمة معينة على عدد الحزم الأخرى التي وصلت مبكراً، والتي تم وضعها في قائمة الانتظار وتنتظر الإرسال عبر الوصلة، كما يمكن أن يختلف تأخير حزمة معينة بشكل كبير من حزمة إلى أخرى.

وإذا كانت قائمة الانتظار فارغة ولم يتم إرسال أي حزمة أخرى حالياً، فإنّ تأخير قائمة انتظار الحزمة هما هو صفر، ومن ناحية أخرى إذا كانت حركة المرور كثيفة وتنتظر العديد من الحزم الأخرى إرسالها فسيكون تأخير الانتظار طويلاً، كما أنّ عدد الحزم التي قد تتوقع الحزمة القادمة العثور عليها عند الوصول بشكل غير رسمي متوسط ​​عدد الحزم في قائمة الانتظار، والذي يتناسب مع متوسط ​​التأخير الذي تعاني منه الحزم هو دالة لشدة وطبيعة وصول حركة المرور إلى قائمة الانتظار.