ما هو Bit Stuffing في شبكات الحاسوب

في نموذج “OSI” تقسم طبقة ارتباط البيانات البيانات المستلمة من الطبقة المادية إلى إطارات البيانات حيث يُصنف إطار البيانات إلى فئتين، هُما إطار بيانات ثابت الطول أو إطار بيانات متغير الطول وفي الإطارات متغيرة الطول قد يختلف حجم إطارات البيانات، وفي مثل هذه الحالات يكون من الصعب جداً اكتشاف نهاية وبداية إطار، ومن ثم يتم استخدام حشو البتات لتمييز نهاية وبداية الإطارات أثناء نقل إطار البيانات متغير الطول.

ما هو حشو البت Bit Stuffing

حشو البتات “Bit Stuffing”: هو آلية إدخال بت أو أكثر من غير المعلومات في رسالة ليتم إرسالها لتفريق تسلسل الرسالة ولغرض المزامنة، وهو عملية إدخال بتات غير معلوماتية في البيانات المراد نقلها ويكسر تسلسل البيانات ويساعد في المزامنة.

• “OSI” هي اختصار لـ “Open Systems Interconnection”.

أسباب استخدام حشو البتات Bit Stuffing

في طبقة ارتباط البيانات يتم تقسيم تدفق البتات من الطبقة المادية إلى إطارات بيانات، كما يمكن أن تكون إطارات البيانات ذات طول ثابت أو متغير الطول، حيث في الإطارات ذات الطول المتغير قد يختلف حجم كل رتل يتم إرساله، لذلك يتم استخدام نمط البتات كمحدد لتمييز نهاية إطار واحد وبداية الإطار التالي ومع ذلك إذا حدث النمط في الرسالة، فيجب عندئذٍ دمج الآليات بحيث يتم تجنب هذا الموقف والنهجان الشائعان هما:

• حشو البايت، حيث يتم حشو البايت في الرسالة للتمييز عن المحدد، وهذا ما يسمى أيضاً بالتأطير الموجه نحو الحرف.

• حشو  البت، حيث يتم حشو نمط من البتات ذات الطول التعسفي في الرسالة للتمييز عن المحدد، وهذا ما يسمى أيضاً بتأطير البتات.

إطار البت في بروتوكول Bit – Oriented Protocol

في البروتوكولات الموجهة نحو البتات يتم ترميز الرسالة كسلسلة من البتات والتي يتم تفسيرها في الطبقات العليا على أنّها نصوص ورسومات وصوت وفيديو وما إلى ذلك، ويتكون الإطار من الأجزاء التالية:

• رأس الإطار، يحتوي على عناوين المصدر والوجهة للإطار.

• حقل الحمولة، يحتوي على الرسالة المراد تسليمها.

• مقطورة، تحتوي على بتات اكتشاف الأخطاء وتصحيح الأخطاء.

• الإشارات، نمط بت يحدد بتات البداية والنهاية في إطار، وهو بشكل عام من “8 بتات” وتستخدم معظم البروتوكولات نموذج “8 بت” لـ “01111110” كعلامة.

آلية عمل حشو البت Bit Stuffing

في إطار ارتباط البيانات يضمن تسلسل علم التحديد بشكل عام على ستة أو أكثر من “1s” متتالية، ومن أجل التمييز بين الرسالة والعلم في حالة نفس التسلسل يتم حشو بت واحد في الرسالة، وعندما يتبع “0 بت” خمس بتات واحدة متعاقبة في الرسالة يتم حشو “0 بت” إضافي في نهاية الآحاد الخمسة، أمّا عندما يستلم المتلقي الرسالة فإنّه يحذف الأصفار المحشوة بعد كل تسلسل من خمسة “1 ثانية” ثم يتم إرسال الرسالة غير المحشوة إلى الطبقات العليا.

أساسيات حشو البت Bit Stuffing

البت هو وحدة قياس معلومات وكل رقم “0” أو “1” من البيانات الثنائية أو الكود يسمى “بت” وهو أصغر وحدة لمعلومات الكمبيوتر، كما يعني حشو البتات أنّه عندما لا يتم استخدام كل بتات البيانات المشغولة بالبيانات يتم استخدام “0” أو “1” لملء بتات البيانات غير المستخدمة، وفي أجهزة الكمبيوتر ترتبط قواعد الحشو الرقمي عموماً برمز الجهاز الخاص بالرقم.

يشير حشو البتات ببساطة إلى ملء وحدات ثنائية غير مستخدمة من البيانات بـ “0” أو “1”، وفي جهاز الكمبيوتر لا يمكن لجميع البيانات استخدام جميع وحدات البت الثنائية بشكل كامل، وعلى سبيل المثال 1 هي بيانات عدد صحيح وفي الكمبيوتر يتم تخصيص الذاكرة بحجم “32 بت”، وفي الواقع “1” تحتل بت واحد فقط ولكي يتم التعرف على 1 على أنّها بيانات عدد صحيح، ويجب ملء البتات المتبقية بالبتات وفي شبكات الكمبيوتر يسمى حشو البتات.

في نظام الأرقام الثنائية يتم اختصار وحدات البت إلى b وتسمى أيضاً بتات وكل رقم ثنائي هو 0 أو 1 قليلاً والبت هي أصغر وحدة لتخزين البيانات وتسمى 8 بتات منها بايت، وفي بنية إطار “HDLC” تسمح طريقة علامة الرأس والذيل مع بتات الحشو لإطار البيانات باحتواء أي عدد من البتات، كما تسمح أيضاً بتشفير كل حرف لاحتواء أي عدد من البتات، وهي تعتمد تنسيق إطار موحد وتستخدم تسلسل بتات محددًا لمزامنة الإطار وتعيين حدوده.

ومبدأ العمل لطريقة علم الرأس والذيل مع بتات الحشو هو أنّ كل إطار يستخدم نمط بت خاص، وبالتحديد “01111110” كبايتات علم البداية والنهاية، وعندما تواجه طبقة ارتباط بيانات الإرسال “5 ثوان” متتالية في البيانات فإنّها تقوم تلقائياً بإدراج 0 في تدفق بتات الإخراج بعد ذلك، وهذا ما يسمى تقنية الحشو قليلا وعندما يرى جهاز الاستقبال خمسة متتالية متبوعة بصفر.

عندما تكون إشارة البيانات المتزامنة غير متزامنة مع ساعة محطة البيانات يمكن استخدام ذاكرة التخزين المؤقت لمزامنة إشارات الإدخال والإخراج، كما يتمثل المبدأ في تعدد إرسال إشارات بيانات متعددة أولاً في مجموعة أولية، ثم إرسال إشارة بيانات إدخال المجموعة الأولية إلى المخزن المؤقت بمعدل النبض وعندما يكون معدل الإدخال أبطأ قليلاً من معدل قراءة ذاكرة التخزين المؤقت، ستكون هناك مواقف يجب فيها قراءة الإشارة قبل وصولها.

في هذا الوقت يتم إدخال نبضة ملء ويتم نقل معلومات نبض التعبئة إلى الطرف المستقبل، وبعد تلقي معلومات تعليمات التعبئة يمسح الطرف المستقبل مفتاح دائرة الملء ويملأ النبض، ثم ينشر النبض في فترة زمنية معينة وبالتالي يستعيد إشارة البيانات الأصلية وتقتصر هذه الطريقة على إرسال إشارات البيانات المتزامنة.

• “HDLC” هي اختصار لـ “High-level Data Link Control”.

1- بت حشو شفرة المصدر

تمثيل رقم في جهاز كمبيوتر الكتروني، زشكل الكود الأصلي للرقم هو نفس شكل القيمة المطلقة للرقم الأصلي باستثناء بت الإشارة وباستثناء أن علامة الرقم يتم تمثيلها بـ “0” و “1” على التوالي، وعلى سبيل المثال يتم تمثيل الكود الثنائي “+46” على أنّه “00100110” ويتم تمثيل الكود الثنائي “-46” على أنّه “10100110” والبتة الأولى هي بت الإشارة.

والقيمة “0” لها نوعان من تمثيل الكود الأصلي هما “+0” هو “00000000” و”-0″ يساوي “10000000” وتمثيل الكود الأصلي مناسب جدًا لضرب الأعداد وقسمتها، ولكنّه أكثر تعقيداً عند الجمع والطرح وعند إضافة وطرح رقمين، تحتاج إلى تحديد علامتهما وقيمتهما المطلقة لتحديد علاقة العملية ونوع العملية ومن أجل تبسيط عملية الجمع والطرح للمعالج، نادراً ما يتم استخدام تمثيل الكود الأصلي ولكن يتم تمثيل البيانات بمكمل اثنين أو اثنين.

2- بت حشو مكمل

تمثيل رقم في جهاز كمبيوتر وفي نظام عد الجذر يتم طرح كل رقم لرقم معين من الجذر ثم يتم إضافته إلى 1، وبالنسبة للأرقام الموجبة يكون التمثيل التكميلي للاثنين هو نفس الرمز الأصلي وبالنسبة للأرقام السالبة، يتم الحصول على التعبير التكميلي للاثنين عن طريق إضافة واحد إلى الجزء الأقل أهمية من مكمله.

كما يُعد الترميز التكميلي مناسباً جداً لجمع وطرح الأرقام الموجبة والسالبة، حيث يمكن أن يؤدي استخدام مكملين اثنين إلى تحويل عملية الطرح إلى عملية إضافة، بحيث يمكن استخدام “adder” في الكمبيوتر لعمليات الجمع والطرح.

3- بت حشو ناقص

يُطلق عليه أيضاً قاعدة ناقص مكمل واحد، وأحد تمثيلات الأرقام في الكمبيوتر هو الرقم الذي تم الحصول عليه بطرح كل رقم من الجذر في نظام عد الجذر، وبالنسبة للأرقام الموجبة يكون التعبير العكسي الثنائي هو نفسه الرمز الأصلي، وبالنسبة للأرقام السالبة فإنّ التعبير العكسي الثنائي هو تغيير 0 في التعبير الرقمي الثنائي إلى 1، من 1 إلى 0 ثم استخدام الرقم السالب 1، والرمز العكسي “00101110” لا يزال “00101110” والكود العكسي “10101110” هو “11010001”.