طبقة الشبكة والتوجيه

تنقل طبقة الشبكة الحزم من مضيف مصدر إلى مضيف وجهة عبر روابط وشبكات متعددة، وتجمع بين مستوى بيانات يقوم بإعادة توجيه كل حزمة عند كل موجه، ومستوى تحكم يحسب المسارات التي تتبعها تلك الحزم.

Definition

طبقة الشبكة هي طبقة البروتوكول المسؤولة عن تسليم الحزم من مضيف إلى مضيف عبر شبكة الإنترنت، وتوفر العنونة، وإعادة توجيه الحزم داخل الموجهات (مستوى البيانات)، وتحديد المسار عبر الشبكة (مستوى التحكم).

Scope

يغطي هذا المجال الربط الشبكي: بروتوكول الإنترنت (IP) وعنونته وإعادة توجيهه، وخوارزميات التوجيه (حالة الرابط ومتجه المسافة) التي تحسب المسارات، وتنظيم التوجيه إلى بروتوكولات داخل النطاق وبين النطاقات (بما في ذلك BGP بين الأنظمة المستقلة)، ونموذج الشبكات المعرفة بالبرمجيات الأحدث الذي يفصل مستوى التحكم إلى وحدات تحكم مركزية منطقياً. ويميز بين مستوى بيانات كل حزمة ومستوى التحكم الذي يحسب المسار، ويستبعد خدمات الطبقة الناقلة من طرف إلى طرف فوقها وتسليم الطبقة الرابطة من قفزة إلى قفزة تحتها.

Sub-topics

• بروتوكول الإنترنت والعنونة
• التوجيه داخل النطاق وبين النطاقات
• خوارزميات التوجيه
• الشبكات المعرفة بالبرمجيات

Core questions

• كيف يقوم الموجه بإعادة توجيه حزمة نحو وجهتها، وماذا يوجد في جدول إعادة التوجيه؟
• كيف يتم هيكلة وتخصيص عناوين IP، وكيف يعمل تقسيم الشبكة وCIDR؟
• كيف تحسب خوارزميات حالة الرابط ومتجه المسافة المسارات الأقل تكلفة؟
• لماذا يتم تقسيم التوجيه إلى بروتوكولات داخل النطاق وبروتوكول BGP بين النطاقات؟
• كيف تغير الشبكات المعرفة بالبرمجيات مكان وكيفية اتخاذ قرارات التوجيه؟

Key concepts

• بروتوكول الإنترنت (IP)
• عنونة IP، وتقسيم الشبكة، وCIDR
• جداول إعادة التوجيه ومطابقة أطول بادئة
• توجيه حالة الرابط
• توجيه متجه المسافة
• الأنظمة المستقلة
• بروتوكول بوابة الحدود (BGP)
• مستوى التحكم ومستوى البيانات
• الشبكات المعرفة بالبرمجيات
• ترجمة عنوان الشبكة (NAT)

Key theories

فصل مستوى البيانات عن مستوى التحكم

تتحلل طبقة الشبكة إلى مستوى بيانات سريع يقوم بإعادة توجيه كل حزمة واردة وفقًا لجدول إعادة التوجيه، ومستوى تحكم يحسب تلك الجداول عبر بروتوكولات التوجيه؛ وتذهب الشبكات المعرفة بالبرمجيات إلى أبعد من ذلك من خلال مركزية مستوى التحكم.

توجيه المسار الأقل تكلفة

تصمم خوارزميات التوجيه الشبكة كبيان مرجح وتحسب أقصر المسارات: تمنح خوارزميات حالة الرابط (دايكسترا) كل موجه رؤية كاملة للطبولوجيا، بينما تتبادل خوارزميات متجه المسافة (بيلمان-فورد) التقديرات مع الجيران وتتقارب بشكل تكراري.

التوجيه بين النطاقات القائم على السياسات

يُحكم التوجيه بين الأنظمة المستقلة المدارة بشكل مستقل بواسطة بروتوكول بوابة الحدود، الذي ينشر معلومات إمكانية الوصول ويسمح لكل شبكة بتطبيق تفضيلات العمل والسياسات بدلاً من مقاييس أقصر المسارات فقط.

Clinical relevance

طبقة الشبكة هي الطبقة التي تجعل الإنترنت العالمي نظامًا واحدًا يمكن الوصول إليه: يتم إعادة توجيه كل حزمة تعبر الإنترنت بواسطة موجهات IP، وتحدد قرارات BGP بين عشرات الآلاف من الأنظمة المستقلة الاتصال العالمي. تدعم الشبكات المعرفة بالبرمجيات الآن شبكات السحابة ومراكز البيانات الكبيرة، مما يتيح للمشغلين برمجة هندسة المرور والعزل مركزيًا. أدى استنفاد العناوين إلى الانتقال من IPv4 إلى IPv6.

History

تم تحديد بروتوكول الإنترنت في RFC 791 (1981) باعتباره النواة غير الموجهة، التي تبذل قصارى جهدها، لبنية TCP/IP. نمت بروتوكولات التوجيه الداخلية مثل RIP وOSPF والبروتوكول الخارجي BGP لإدارة التوجيه مع توسع الإنترنت. أطلق اقتراح OpenFlow لعام 2008 الشبكات المعرفة بالبرمجيات من خلال كشف جدول إعادة توجيه المحول لوحدة تحكم خارجية، مما أعاد تشكيل كيفية بناء الشبكات الكبيرة وإدارتها.

Debates

مستويات التحكم الموزعة مقابل التحكم المركزي في الشبكات المعرفة بالبرمجيات

يوزع التوجيه التقليدي حساب المسار عبر جميع الموجهات لتحقيق المتانة والاستقلالية، بينما تقوم الشبكات المعرفة بالبرمجيات بمركزية التحكم لتحقيق قابلية البرمجة والتحسين العالمي؛ ويستمر النقاش حول التوازن الصحيح بين المركزية وقابلية التوسع والمرونة.

Key figures

• Vinton Cerf
• Robert Kahn
• Jon Postel
• Nick McKeown
• Jennifer Rexford

Seminal works

• kurose2021
• rfc791
• mckeown2008

Frequently asked questions

ما الفرق بين إعادة التوجيه والتوجيه؟

إعادة التوجيه هي الإجراء المحلي، لكل حزمة، لنقل حزمة من منفذ إدخال إلى منفذ إخراج باستخدام جدول إعادة التوجيه، ويحدث ذلك بسرعة عالية في مستوى البيانات. التوجيه هو العملية على مستوى الشبكة لحساب محتويات جداول إعادة التوجيه هذه، ويتم ذلك بواسطة خوارزميات وبروتوكولات التوجيه في مستوى التحكم.

لماذا تم تقديم IPv6؟

أصبح نطاق عناوين IPv4 البالغ 32 بت، حوالي أربعة مليارات عنوان، غير كافٍ مع انتشار الأجهزة المتصلة بالإنترنت. يستخدم IPv6 عناوين 128 بت لتوفير مساحة أكبر بكثير، بالإضافة إلى تبسيطات للرأس ودعم مدمج لميزات مثل التكوين التلقائي.