ما هي قائمة انتظار الحزم وإسقاطها في أجهزة التوجيه في شبكات الحاسوب

الموجهات هي معدات شبكات مهمة تتحكم في تدفق البيانات عبر الشبكة، وتحتوي أجهزة التوجيه على واجهة إدخال وإخراج واحدة أو أكثر يتم من خلالها استلام الحزم وإرسالها.

مبدأ قائمة انتظار الحزم وإسقاطها في أجهزة التوجيه

نظراً لأنّ ذاكرة جهاز التوجيه محدودة فقد يتعذر عليه التعامل مع الحزم الواردة حديثاً، ويحدث هذا عندما تتجاوز سرعة وصول الحزم المعدل الذي تغادر به الحزم ذاكرة جهاز التوجيه، ويتم تجاهل الحزم الجديدة في هذه الحالة بينما يتم تجاهل الحزم القديمة، كما يجب أن تنفذ أجهزة التوجيه نوعاً من الانضباط في قائمة الانتظار كجزء من خوارزميات تخصيص الموارد الخاصة بها، من أجل تنظيم كيفية تخزين الحزم أو التخلص منها حسب الحاجة.

ونظراً لمحدودية ذاكرة التخزين المؤقت المتاحة لقوائم انتظار أجهزة التوجيه، فهي عرضة للازدحام، حيث يحدث الازدحام عندما تتجاوز سرعة حركة الإدخال الكمية، والتي يمكن إرسالها على ارتباط الإخراج والأسباب المحتملة لمثل هذا الموقف:

• معدل حركة المرور الواردة يتجاوز معدل حركة المرور المغادرة.

• يتم تجاوز سعة الإخراج بالكامل بواسطة حركة المرور المجمعة من كافة واجهات الإدخال.

• معالج جهاز التوجيه غير قادر على التعامل مع حجم جدول إعادة التوجيه لتحديد مسارات التوجيه.

ما هي أنظمة انتظام الطابور والازدحام في قائمة انتظار الحزم

قد تتبع أجهزة التوجيه أنظمة مختلفة لتحديد الحزم التي يجب الاحتفاظ بها والحزم التي يجب إسقاطها في أوقات الازدحام هذه للتحكم في تخصيص ذاكرة جهاز التوجيه للحزم، ونتيجةً لذلك تحتوي أجهزة التوجيه على أنظمة قائمة الانتظار الرئيسية التالية:

1- قائمة الانتظار FIFO

تستخدم معظم أجهزة التوجيه “FIFO” كطريقة انتظار افتراضية، وعلى الخادم يحتاج هذا عادةً إلى القليل من الإعداد أو بدونه، وفي “FIFO” تتم خدمة جميع الحزم بالترتيب الذي تصل به إلى جهاز التوجيه ويتم تجاهل الحزم الجديدة التي تحاول الدخول إلى جهاز التوجيه عندما تصبح الذاكرة مشبعة أي انخفاض النهاية.

ومع ذلك فإنّ مثل هذا النظام غير مناسب للتطبيقات في الوقت الفعلي ولا سيما في المناطق المزدحمة، ومن خلال فترات الازدحام قد يحتاج تطبيق في الوقت الفعلي مثل “VoIP” والذي يرسل حزماً باستمرار ويفقد كل حزمه.

• “FIFO” هي اختصار لـ “first in, first out”.

• “VoIP” هي اختصار لـ “Voice over Internet Protocol”.

2- تحديد أولويات قائمة الانتظار PQ

بدلاً من استخدام قائمة انتظار واحدة يقسم جهاز التوجيه الذاكرة إلى العديد من قوائم الانتظار بناءً على بعض معايير الأولوية في قائمة انتظار الأولوية، وبعد ذلك يتم التعامل مع كل قائمة انتظار بطريقة “FIFO” حيث يتم تدوير كل قائمة انتظار واحدة تلو الأخرى، ووفقاً للأولوية يتم تصنيف قوائم الانتظار على أنّها عالية أو متوسطة أو منخفضة، وتتم دائماً معالجة حزم قائمة الانتظار العالية قبل حزم قائمة الانتظار المتوسطة.

في قائمة انتظار الأولوية يقسم جهاز التوجيه الذاكرة إلى قوائم انتظار متعددة بناءً على بعض مقاييس الأولوية بدلاً من استخدام قائمة انتظار واحدة، وبعد ذلك يتم التعامل مع كل قائمة انتظار بطريقة ما يرد أولاً يصرف أولاً “FIFO”، حيث يتم تدوير كل قائمة انتظار واحدة تلو الأخرى ويتم تصنيف قوائم الانتظار على أنّها عالية أو متوسطة أو منخفضة بناءً على أولويتها، وتتم دائماً معالجة الحزم الموجودة في قائمة الانتظار العالية أولاً.

• “PQ” هي اختصار لـ “Priority Queuing”.

3- قائمة الانتظار الموزونة العادلة WFQ

ينشئ “WFQ” قوائم انتظار استناداً إلى تدفقات حركة المرور ويوزع النطاق الترددي عليها وفقاً للأولوية ويتم تعيين عرض النطاق الترددي لقوائم الانتظار الفرعية ديناميكياً، كما أنّ هناك ثلاثة قوائم انتظار لكل منها نسبة عرض نطاق ترددي “20%” و”30%” و”50%” بينما تكون جميعها نشطة.

• “WFQ” هي اختصار لـ “Weighted fair queueing”.

أساسيات قائمة انتظار الحزم

بغض النظر عن مدى بساطة أو مدى تعقيد بقية آلية تخصيص الموارد يجب على كل جهاز توجيه تنفيذ بعض أنظمة قائمة الانتظار التي تحكم كيفية تخزين الحزم مؤقتاً أثناء انتظار الإرسال، ويمكن اعتبار خوارزمية قائمة الانتظار على أنّها تخصيص كل من النطاق الترددي والذي يتم إرسال الحزم ومساحة التخزين المؤقت والتي يتم تجاهل الحزم.

كما أنّه يؤثر بشكل مباشر على زمن الانتقال الذي تواجهه الحزمة من خلال تحديد المدة التي تنتظر الحزمة إرسالها، وإنّ فكرة قائمة انتظار “FIFO” والتي تسمى أيضاً قائمة انتظار من يأتي أولاً يخدم أولاً “FCFS” بسيطة، حيث أنّ الحزمة الأولى التي تصل إلى جهاز توجيه هي الحزمة الأولى التي يتم إرسالها.

وبالنظر إلى أنّ مقدار مساحة المخزن المؤقت في كل جهاز توجيه محدود إذا وصلت حزمة وكانت قائمة الانتظار أي مساحة المخزن المؤقت ممتلئة، فإنّ جهاز التوجيه يتجاهل هذه الحزمة ويتم ذلك بغض النظر عن التدفق الذي تنتمي إليه الحزمة أو مدى أهمية الحزمة، ويسمى هذا أحياناً إسقاط الذيل، حيث يتم إسقاط الحزم التي تصل إلى نهاية “FIFO”.

كما أنّ إسقاط الذيل و”FIFO” هما فكرتان منفصلتان، و”FIFO” هو نظام جدولة ويحدد الترتيب الذي يتم إرسال الحزم به، وإسقاط الذيل هو سياسة إسقاط وهي تحدد الحزم التي يتم إسقاطها ونظراً لأنّ “FIFO” وإسقاط الذيل همّا أبسط أمثلة لجدولة الانضباط وسياسة الإفلات على التوالي، يُنظر إليهما أحياناً على أنّهما حزمة تنفيذ قائمة انتظار الحزم.

وغالباً ما يشار إلى الحزمة ببساطة على أنها قائمة انتظار “FIFO”، عندما يجب أن تُسمى بشكل أكثر دقة “FIFO” مع انخفاض الذيل، ولتحديد موعد إسقاط الحزم يمكن استخدام سياسة الإسقاط هذه مع “FIFO” أو مع أنظمة جدولة أكثر تعقيداً.

“FIFO” مع انخفاض الذيل باعتباره أبسط خوارزميات قائمة الانتظار هو الأكثر استخداماً في أجهزة توجيه الإنترنت، ويدفع هذا النهج البسيط للاصطفاف كامل المسؤولية عن التحكم في الازدحام وتخصيص الموارد إلى أطراف الشبكة، وبالتالي فإنّ الشكل السائد للتحكم في الازدحام في الإنترنت لا يفترض حالياً أي مساعدة من أجهزة التوجيه، ويتحمل “TCP” مسؤولية اكتشاف الازدحام والاستجابة له.

والاختلاف البسيط في قائمة انتظار “FIFO” الأساسية هو قائمة الانتظار ذات الأولوية، والفكرة هي تحديد كل حزمة بأولوية، ويمكن حمل العلامة على سبيل المثال في عنوان “IP” وكما تقوم أجهزة التوجيه بعد ذلك بتنفيذ قوائم انتظار متعددة “FIFO” واحدة لكل فئة أولوية، كما يرسل جهاز التوجيه دائماً الحزم خارج قائمة الانتظار ذات الأولوية القصوى إذا كانت قائمة الانتظار هذه غير فارغة قبل الانتقال إلى قائمة انتظار الأولوية التالية.

وضمن كل أولوية لا تزال الحزم تُدار بطريقة ما يرد أولاً يصرف أولاً “FIFO” وهذه الفكرة هي خروج صغير عن نموذج تقديم أفضل جهد، لكنّها لا تذهب إلى حد تقديم ضمانات لأي فئة أولوية معينة وإنّه يسمح فقط للحزم ذات الأولوية العالية بالقطع في مقدمة السطر، ومشكلة قائمة الانتظار ذات الأولوية بطبيعة الحال هي أنّ قائمة الانتظار ذات الأولوية العالية يمكن أن تجويع جميع قوائم الانتظار الأخرى.

وهذا يعني أنّه طالما أن هناك حزمة واحدة على الأقل ذات أولوية عالية في قائمة الانتظار ذات الأولوية العالية فلن يتم تقديم قوائم الانتظار ذات الأولوية المنخفضة، ولكي يكون هذا قابلاً للتطبيق يجب أن تكون هناك قيود صارمة على مقدار حركة المرور ذات الأولوية العالية التي يتم إدراجها في قائمة الانتظار، ويجب أن يكون واضحاً على الفور أنّه لا يمكن السماح للمستخدمين بتعيين الحزم الخاصة بهم على أولوية عالية بطريقة لا يمكن التحكم فيها.

• “FCFS” هي اختصار لـ “First Come First Serve”.

• “TCP” هي اختصار لـ “Transmission Control Protocol”.

• “IP” هي اختصار لـ “Internet Protocol”.