هندسة الشبكات والتقسيم الطبقي
هندسة الشبكات هي تنظيم نظام اتصالات إلى طبقات من البروتوكولات، حيث تقدم كل طبقة خدمات للطبقة التي فوقها وتعتمد على الطبقة التي تحتها، بحيث يتم تقسيم المشكلة المعقدة المتمثلة في نقل البيانات بين المضيفين إلى أجزاء قابلة للإدارة ومحددة جيدًا.
Definition
هندسة الشبكة هي مجموعة منظمة من الطبقات والبروتوكولات، بالإضافة إلى الخدمات التي تقدمها كل طبقة والواجهات بين الطبقات، والتي تحدد معًا كيفية نقل البيانات عبر الشبكة.
Scope
يغطي هذا المجال المبادئ الهيكلية لشبكات الحاسوب: مكدسات البروتوكولات الطبقية (نموذج OSI المرجعي ذو الطبقات السبع ونموذج الإنترنت/TCP-IP ذو الطبقات الخمس)، والتمييز بين حافة الشبكة (المضيفين وشبكات الوصول) ونواة الشبكة (المحولات والموجهات)، واستراتيجيتي التبديل الأساسيتين وهما تبديل الرزم وتبديل الدوائر، والمقاييس المستخدمة لتوصيف أداء الشبكة مثل الإنتاجية والتأخير وفقدان الرزم. يتعامل هذا المجال مع الهندسة كإطار سياقي لجميع الآليات ذات الطبقات الدنيا والعليا التي تغطيها المجالات الشقيقة، بدلاً من الآليات التفصيلية نفسها.
Sub-topics
Core questions
- لماذا يتم تنظيم وظائف الشبكة في طبقات، وما هي تكاليف وفوائد هذا التقسيم الطبقي؟
- كيف يختلف نموذج OSI ذو الطبقات السبع عن نموذج الإنترنت ذي الطبقات الخمس، ولماذا ساد نموذج الإنترنت عمليًا؟
- ما الذي يميز حافة الشبكة عن نواة الشبكة؟
- كيف يختلف تبديل الرزم وتبديل الدوائر في مشاركة الموارد والتأخير والموثوقية؟
- ما هي المقاييس — الإنتاجية، الكمون، التذبذب، والفقدان — التي تميز الأداء الذي تقدمه الشبكة؟
Key concepts
- طبقات البروتوكول
- نموذج OSI المرجعي
- نموذج TCP/IP (الإنترنت)
- التغليف
- حافة ونواة الشبكة
- تبديل الرزم
- تبديل الدوائر
- التجميع الإحصائي
- الإنتاجية، التأخير، والفقدان
- حجة من طرف إلى طرف
Key theories
- التقسيم الطبقي للبروتوكولات وتجريد واجهة الخدمة
- تُنظم الشبكات كمكدس من الطبقات حيث تقدم كل طبقة خدمة محددة للطبقة التي فوقها عبر واجهة، مع إخفاء التنفيذ في الطبقات السفلية؛ تتيح هذه المعيارية تطور الطبقات بشكل مستقل طالما تم الحفاظ على الواجهات.
- حجة من طرف إلى طرف
- من الأفضل تنفيذ وظائف مثل التسليم الموثوق والأمان في المضيفين النهائيين المتصلين بدلاً من نواة الشبكة، لأن النواة غالبًا لا تستطيع إكمالها بشكل صحيح وستفرض تكلفة على التدفقات التي لا تحتاج إليها؛ وقد شكل هذا المبدأ تصميم الإنترنت.
- التجميع الإحصائي في تبديل الرزم
- يشارك تبديل الرزم سعة الوصلة عند الطلب بين العديد من التدفقات، مما يحقق استخدامًا عاليًا عندما تكون حركة المرور متقطعة، على حساب تأخير طابور متغير وفقدان محتمل — على عكس السعة المحجوزة ولكن المحتمل أن تكون خاملة في تبديل الدوائر.
Clinical relevance
تُعد الهندسة الطبقية المبدأ التنظيمي وراء جميع الشبكات الحديثة تقريبًا: فهي تسمح لمتصفح الويب ومحول Wi-Fi ووصلة الألياف الضوئية البحرية بالعمل معًا دون أن يعرف أي مكون التفاصيل الداخلية للمكونات الأخرى. يُعد فهم التمييز بين الحافة والنواة، وتبديل الرزم مقابل تبديل الدوائر، أمرًا أساسيًا لتخطيط السعة، وتصميم مراكز بيانات السحابة، والتفكير في التطبيقات الحساسة للتأخير مثل مؤتمرات الفيديو والألعاب عبر الإنترنت.
History
تجسدت هندسة الاتصالات الطبقية في سبعينيات القرن الماضي مع شبكة ARPANET والتطوير الموازي لنموذج OSI المرجعي، الذي قام بتوثيقه زيمرمان في عام 1980. وقد أدت مجموعة بروتوكولات TCP/IP التي وضعها سيرف وكان، وفلسفة التصميم التي صاغها كلارك في عام 1988، إلى إنشاء نموذج الإنترنت الأبسط الذي ساد في نهاية المطاف. وقد حدد التوتر بين مكدس OSI الشامل ومكدس TCP/IP العملي الكثير من النقاش التكويني لشبكات الحاسوب.
Debates
- نموذج OSI ذو الطبقات السبع مقابل نموذج TCP/IP
- يُعد نموذج OSI مرجعًا تعليميًا أكثر ثراءً مع طبقات جلسة وعرض مميزة، لكن نموذج TCP/IP ذو الطبقات الخمس الأكثر بساطة تطابق مع تطبيقات الإنترنت الحقيقية وساد عمليًا؛ ولا تزال الكتب المدرسية تدرس كلاهما لأن OSI يوضح الوظائف التي يدمجها مكدس الإنترنت.
Key figures
- Hubert Zimmermann
- David D. Clark
- Vinton Cerf
- Robert Kahn
- Andrew S. Tanenbaum
Related topics
Seminal works
- kurose2021
- tanenbaum2010
- clark1988
Frequently asked questions
- لماذا تُبنى الشبكات في طبقات بدلاً من نظام متجانس واحد؟
- يقوم التقسيم الطبقي بتحليل مشكلة صعبة إلى مشكلات أصغر ذات واجهات واضحة، بحيث يمكن تصميم كل طبقة وتنفيذها واستبدالها بشكل مستقل. يمكن إضافة وسيط مادي جديد دون تغيير التطبيقات، ويمكن تشغيل تطبيق جديد عبر أي شبكة توفر خدمات الطبقة السفلية المتوقعة.
- هل الإنترنت يعتمد على تبديل الرزم أم تبديل الدوائر؟
- الإنترنت يعتمد بشكل أساسي على تبديل الرزم: يتم تقسيم البيانات إلى رزم يتم توجيهها قفزة بعد قفزة وتشارك سعة الوصلة إحصائيًا. تحاكي بعض تقنيات الوصول والنقل الدوائر أو تحجز الموارد، لكن طبقة IP الأساسية تستخدم تبديل الرزم.