مقدمة:

• بعدة نقرات على لوحة المفاتيح، يمكننا متابعة مقاطع الفيديو على منصة YouTube وقراءة المقالات من ويكيبيديا، طلب المستلزمات من أمازون، ودردشة فيديو مع الأصدقاء، ومعرفة كل شيء عن الطقس.

• لا شك أن القدرة على استخدام أجهزة الحاسوب وقدرة مستخدميه، في إرسال واستقبال المعلومات عبر شبكة اتصالات عالمية قد غير العالم إلى الأبد.

• قبل 150 عامًا، كان إرسال رسالة من لندن إلى كاليفورنيا يستغرق من أسبوعين إلى ثلاثة أسابيع، وذلك إذا قمت بالحصول على خدمة البريد السريع، اليوم يستغرق هذا البريد الإلكتروني جزءًا من الثانية.

• هذا التحسن الهائل في سرعة استجابة ارسال الرسائل شجع الاقتصاد العالمي لمساعدة العالم الحديث ليتحرك بسرعة الضوء من خلال كابلات الالياف الضوئية الممتدة في جميع انحاء العالم.

• قد يعتقد البعض أن أجهزة الحاسوب والشبكات كانتا دائما تعملان جنبا الى جنب ولكن في الواقع معظم أجهزة الحاسوب قبل عام 1970 كانت تعمل بمفردها.

• ومع ذلك، عندما بدأت أجهزة الحاسوب الكبيرة في الظهور في كل مكان، وبدأت الأجهزة منخفضة التكلفة في الظهور على المكاتب الشخصية، أصبح من المفيد بشكل متزايد مشاركة البيانات والموارد، وظهرت أولى شبكات أجهزة الحاسوب.

بداية ظهور الشبكات:

ظهرت أولى شبكات الحاسوب في الخمسينيات والستينيات وتم استخدامها بشكل عام داخل منظمة - مثل شركة أو معمل أبحاث - لتسهيل تبادل المعلومات بين مختلف الأشخاص وأجهزة الحاسوب وكان هذا أسرع وأكثر موثوقية من الطرق التقليدية المتمثلة في جعل شخص ما يمشي مع كومة من البطاقات المثقبة، أو بكرة من شريط مغناطيسي، إلى جهاز حاسوب على الجانب الآخر من المبنى والذي أطلق عليه لاحقًا اسم Sneakernet.

• كانت الفائدة الثانية للشبكات هي القدرة على مشاركة الموارد المادية على سبيل المثال بدلاً من أن يكون لكل حاسوب طابعة خاصة به، يمكن للجميع مشاركة واحدة متصلة بالشبكة وكان من الشائع أيضًا في الشبكات الأولية وجود محركات أقراص تخزين كبيرة ومشتركة، وهي محركات مكلفة للغاية بحيث لا يمكن توصيلها بكل جهاز.

• تسمى هذه الشبكات الصغيرة نسبيًا لأجهزة الحاسوب القريبة بشبكات المنطقة المحلية أو شبكات LAN.

• يمكن أن تكون الشبكة المحلية صغيرة مثل جهازين في نفس الغرفة، أو كبيرة مثل حرم جامعي به آلاف أجهزة الحاسوب.

شبكات Ethernet:

_ على الرغم من أن العديد من تقنيات LAN قد تم تطويرها ونشرها، إلا أن أكثرها شهرة ونجاحًا كانت Ethernet، التي تم تطويرها في أوائل السبعينيات في Xerox PARC، ولا يزال يستخدم على نطاق واسع حتى يومنا هذا. في أبسط أشكالها، يتم توصيل سلسلة من أجهزة الحاسوب بكابل إيثرنت واحد مشترك.

• عندما يريد الحاسوب نقل البيانات إلى حاسوب آخر، فإنه يكتب البيانات، كإشارة كهربائية، على الكابل ونظرًا لأن الكبل مشترك فإن كل حاسوب متصل بالشبكة يرى الإرسال، لكنه لا يعرف ما إذا كانت البيانات مخصصة له أو لجهاز حاسوب آخر.

لحل هذه المشكلة، تتطلب Ethernet أن يكون لكل حاسوب عنوان فريد للتحكم في الوصول إلى الوسائط أو عنوان MAC.

- يتم وضع هذا العنوان الفريد في الرأس ويسبق أي بيانات يتم إرسالها عبر الشبكة لذلك تنصت أجهزة الحاسوب ببساطة إلى كابل إيثرنت، وتعالج البيانات فقط عندما ترى عنوانها في الرأس.

المصطلح العام لهذا النهج هو Carrier Sense Multi Access أو CSMA.

يأتي كل حاسوب مصنوع اليوم بعنوان MAC الفريد الخاص به لكل من Ethernet وWi-Fi.

"الناقل" هو أي وسيط إرسال مشترك الذي يحمل البيانات، في حالة الإيثرنت Ethernet يحمل السلك النحاسي البيانات والهواء يحمل موجات الراديو لشبكة Wi-Fi.

- يمكن للعديد من أجهزة الحاسوب أن تشعر بالناقل في وقت واحد، ومن هنا " Sense " و " Multi Access"، والمعدل الذي يمكن أن ينقل به الناقل البيانات يسمى النطاق الترددي الخاص به Bandwidth.

لسوء الحظ، فإن استخدام الناقل المشترك له عيب واحد كبير عندما تكون حركة مرور الشبكة خفيفة، يمكن لأجهزة الحاسوب ببساطة الانتظار من اجل الناقل ثم نقل بياناتها ولكن مع زيادة حركة مرور الشبكة تزداد أيضًا احتمالية محاولة جهازي حاسوب كتابة البيانات في نفس الوقت يسمى هذا تصادمًا Collision ويتم تشويه جميع البيانات، مثل محاولة شخصين التحدث على الهاتف في نفس الوقت و لحسن الحظ يمكن لأجهزة الحاسوب اكتشاف هذه التصادمات من خلال الاستماع إلى الإشارة الموجودة على السلك لكن الحل الأكثر وضوحًا هو توقف أجهزة الحاسوب عن الإرسال، والانتظار ثم المحاولة مرة أخرى

المشكلة هي أن الحاسوب الآخر سيحاول ذلك أيضًا، وستحاول أجهزة الحاسوب الأخرى على الشبكة التي كانت تنتظر أن يصبح الناقل صامتًا القفز أثناء أي توقف مؤقت. هذا يؤدي فقط إلى المزيد والمزيد من الاصطدامات.

- كان للإيثرنت إصلاح بسيط وفعال بشكل مدهش، عندما تكتشف أجهزة الحاسوب حدوث تصادم فإنها تنتظر لفترة وجيزة قبل محاولة إعادة الإرسال كمثال دعنا نقول ثانية واحدة. بالطبع، هذا لا يعمل إذا كانت جميع أجهزة الحاسوب تستخدم نفس مدة الانتظار التي ستصطدم بها مرة أخرى بعد ثانية واحدة لذلك تمت إضافة فترة عشوائية، قد ينتظر أحد أجهزة الحاسوب 1.3 ثانية، بينما ينتظر آخر 1.5 ثانية، سيستيقظ الحاسوب الذي انتظر 1.3 ثانية، ويجد الناقل صامتًا، ويبدأ في الإرسال. عندما يستيقظ الحاسوب الذي تبلغ مدته 1.5 ثانية بعد لحظة سيرى الناقل قيد الاستخدام وسينتظر انتهاء الحاسوب الآخر.

- هذا بالتأكيد يساعد ، لكنه ليس الحل الأمثل للمشكلة، لذلك يتم استخدام خدعة إضافية إذا اكتشف الحاسوب اصطدام أثناء الإرسال ، فإنه سينتظر ثانية واحدة ، بالإضافة إلى بعض الوقت الإضافي العشوائي ومع ذلك إذا تصادمت مرة أخرى مما يشير إلى ازدحام الشبكة فبدلاً من الانتظار ثانية واحدة أخرى هذه المرة سوف تنتظر ثانيتين إذا اصطدمت مرة أخرى فسوف تنتظر 4 ثوان ، ثم 8 ، ثم 16 ، وهكذا ، حتى تنجح ومع تراجع أجهزة الحاسوب ، ينخفض معدل التصادمات ، وتبدأ البيانات في التحرك مرة أخرى ، مما يؤدي إلى تحرير الشبكة.

يُطلق على سلوك "التراجع" باستخدام وقت انتظار متزايد بشكل كبير اسم " Exponential Backoff " الذي يستخدمه كل من Ethernet وWi-Fi، بالإضافة الى العديد من بروتوكولات الإرسال.

ولكن حتى مع الحيل الذكية مثل Exponential Backoff، لا يمكن الحصول على القيمة والفائدة الكاملة لحواسيب الشبكة المشتركة على كبل اثرنت واحد، ولتقليل الاصطدامات وتحسين الكفاءة، نحتاج إلى تقليص عدد الأجهزة على أي شركة نقل مشتركة معينة ما يسمى "مجال التصادم" "Collision Domain".

مجال التصادم (Collision Domain):

لدينا ستة أجهزة حاسوب على كابل مشترك واحد هذا يعرف باسم مجال تصادم واحد ولتقليل احتمالية حدوث تصادمات، يمكننا تقسيم هذه الشبكة إلى مجالي تصادم باستخدام محول الشبكة. إنه يقع بين شبكتين أصغر حجمًا لدينا، ويمرر البيانات بينهما فقط إذا لزم الأمر ويقوم بذلك عن طريق الاحتفاظ بقائمة بعناوين MAC الموجودة على أي جانب من الشبكة.

• لذلك إذا أراد A الإرسال إلى C، فلن يقوم المحول بإعادة توجيه البيانات إلى الشبكة الأخرى، فلا داعي لذلك، هذا يعني أنه إذا أراد E الإرسال إلى F في نفس الوقت، فإن الشبكة مفتوحة على مصراعيها، ويمكن أن يحدث عمليتا إرسال في وقت واحد، ولكن إذا أراد F إرسال البيانات إلى A، فإن المحول يمررها عبرها، وتكون الشبكتان مشغولتين لفترة وجيزة.

• هذه هي الطريقة التي يتم بها بناء شبكات الحاسوب الكبيرة، بما في ذلك أكبر شبكة على الإطلاق - الإنترنت - التي تربط حرفياً مجموعة من الشبكات الأصغر، مما يسمح بالاتصال بين الشبكات.

• الأمر المثير للاهتمام في هذه الشبكات الكبيرة هو أنه غالبًا ما تكون هناك مسارات متعددة للحصول على البيانات من موقع إلى آخر. وهذا يقودنا إلى موضوع أساسي آخر للشبكات، وهو التوجيه.

• التوجيه (Routing):

إن أبسط طريقة لتوصيل جهازي حاسوب أو شبكتين بعيدتين هي عن طريق تخصيص خط اتصال لاستخدامهما الحصري، هذه هي الطريقة التي عملت بها أنظمة الهاتف في وقت مبكر.

على سبيل المثال قد يكون هناك خمس خطوط هاتفية تعمل بين مدينتي إنديانا بوليس ومسولا إذا التقط جون الهاتف الذي يريد الاتصال بهانك، في عام 1910، فسيخبر جون عامل التشغيل البشري بالمكان الذي يريد الاتصال به، وسيقومون فعليًا بتوصيل خط هاتف جون بخط غير مستخدم يمتد إلى مدينة مسولا، بالنسبة إلى طول المكالمة كان هذا الخط مشغولاً وإذا كانت جميع الخطوط الخمسة قيد الاستخدام بالفعل، فسيتعين على جون الانتظار حتى يصبح الخط شاغرا.

يُطلق على هذا الأسلوب اسم تبديل الدوائر (Circle Switching)، لأنك تقوم حرفياً بتبديل الدوائر بأكملها لتوجيه حركة المرور إلى الوجهة الصحيحة. إنها تعمل بشكل جيد، لكنها غير مرنة ومكلفة نسبيًا، نظرًا لوجود سعة غير مستخدمة غالبًا.

الجانب الإيجابي بمجرد أن يكون لديك خط لنفسك - أو إذا كان لديك المال لشراء واحد لاستخدامك الخاص - يمكنك استخدامه بكامل طاقته، دون الحاجة إلى المشاركة.

لهذا السبب، لا يزال الجيش والبنوك والعمليات الأخرى ذات الأهمية العالية تشتري دوائر مخصصة لربط مراكز البيانات الخاصة بهم، وهناك طريقة أخرى للحصول على البيانات من مكان إلى آخر وهي تبديل الرسائل (Message Switching)، والتي تشبه إلى حد ما كيفية عمل النظام البريدي. بدلاً من المسار المخصص من A إلى B يتم تمرير الرسائل عبر عدة محطات.

لذلك إذا كتب جون رسالة إلى هانك، فقد تذهب من إنديانا بوليس إلى شيكاغو، ثم إلى مينيا بوليس، ثم بيلينغز، ثم أخيرًا إلى مسولا.

تعرف كل محطة توقف مكان الارسال التالي لأنها تحتفظ بجدول خاص بمكان تمرير الأحرف مع إعطاء عنوان الوجهة.

الأمر الرائع في تبديل الرسائل هو أنه يمكن أن يستخدم طرقًا مختلفة، مما يجعل الاتصال أكثر موثوقية وتسامحًا مع الأخطاء.

بالأخذ بمثالنا البريدي السابق، إذا كانت هناك عاصفة ثلجية في مينيا بوليس تؤدي إلى توقف الأشياء، يمكن لمركز بريد شيكاغو أن يقرر توجيه الرسالة عبر أوماها بدلاً من ذلك.

في مثالنا، تعمل المدن مثل أجهزة توجيه الشبكة ويُطلق على عدد القفزات التي تتخذها الرسالة على طول المسار ((HOP COUNT

عدد القفزات HOP COUNT

- يعد تتبع عدد القفزات مفيدًا لأنه يمكن أن يساعد في تحديد مشكلات التوجيه على سبيل المثال، لنفترض أن شيكاغو تعتقد أن أسرع طريق إلى مسولا يمر عبر أوماها، لكن أوماها يعتقد أن أسرع طريق يمر عبر شيكاغو هذا سيء، لأن كلا المدينتين تسير للنظر إلى عنوان الوجهة، مسولا، وينتهي الأمر بتمرير الرسالة ذهابًا وإيابًا بينهما، إلى ما لا نهاية.

لا يقتصر الأمر على هدر النطاق الترددي فحسب، بل إنه خطأ توجيه يحتاج إلى إصلاح!

يمكن اكتشاف هذا النوع من الأخطاء لأنه يتم تخزين عدد القفزات مع الرسالة وتحديثها طوال رحلتها.

إذا بدأت في رؤية رسائل ذات أعداد قفزات عالية، فيمكنك المراهنة على أن شيئًا ما قد انحرف في التوجيه!

هذه العتبة هي حد القفزة (Hop Limit).

عيب تبديل الرسائل هو أن الرسائل تكون كبيرة في بعض الأحيان لذلك يمكن أن تسد الشبكة، لأن الرسالة بأكملها يجب أن تنتقل من محطة إلى أخرى قبل الاستمرار في طريقها.

أثناء نقل ملف كبير، يتم تقييد هذا الرابط بأكمله، حتى إذا كان لديك بريد إلكتروني صغير بحجم كيلوبايت واحد يحاول الوصول إليه، فعليه إما انتظار انتهاء نقل الملفات الكبيرة أو اتخاذ مسار أقل كفاءة. هذا سيء.

الحل هو تقطيع الإرسالات الكبيرة إلى العديد من القطع الصغيرة، تسمى الحزم (Packets).

تمامًا كما هو الحال مع تبديل الرسائل، تحتوي كل حزمة على عنوان وجهة على الشبكة، لذلك تعرف أجهزة التوجيه مكان إعادة توجيهها.

يتم تعريف هذا التنسيق بواسطة "بروتوكول الإنترنت"، أو IP، وهو معيار تم إنشاؤه في السبعينيات

يحصل كل حاسوب متصل بشبكة على عنوان IP.

ربما تكون قد رأيت هذه الأرقام على هيئة أربعة أرقام مكونة من 8 بتات مكتوبة بنقاط بينهما.

على سبيل المثال، 172.217.7.238 هو عنوان IP لأحد خوادم Google.

- مع وجود الملايين من أجهزة الحاسوب على الإنترنت، يمكن أن تظهر جميع البيانات المتبادلة والاختناقات وتختفي في أجزاء من الثانية

- تحاول أجهزة توجيه الشبكة باستمرار موازنة الحمل عبر أي طرق يعرفونها لضمان التسليم السريع والموثوق، وهو ما يسمى التحكم في الازدحام وأحيانًا تتخذ الحزم المختلفة من نفس الرسالة طرقًا مختلفة عبر الشبكة، هذا يفتح إمكانية وصول الحزم إلى وجهتها خارج الترتيب، وهو ما يمثل مشكلة لبعض التطبيقات، لحسن الحظ هناك بروتوكولات تعمل فوق IP، مثل TCP / IP، تعالج هذه المشكلة.

-يعد تقطيع البيانات إلى حزم صغيرة، وتمريرها عبر طرق مرنة ذات سعة احتياطية، أمرًا فعالاً للغاية ومتسامحًا مع الأخطاء، وهو ما يعمل عليه الإنترنت بالكامل اليوم، يُطلق على نهج التوجيه هذا اسم تبديل الحزم.

كما أن لها خاصية جيدة تتمثل في كونها لا مركزية، بدون سلطة مركزية أو نقطة فشل واحدة.

في الواقع، فإن التهديد بهجوم نووي هو سبب تطوير تبديل الحزم خلال الحرب الباردة!

-اليوم، تعمل أجهزة التوجيه في جميع أنحاء العالم بشكل تعاوني للعثور على مسارات فعالة، وتبادل المعلومات مع بعضها البعض باستخدام بروتوكولات خاصة، مثل بروتوكول رسائل التحكم في الإنترنت (ICMP) وبروتوكول بوابة الحدود (BGP)

كانت شبكة ARPANET هي أول شبكة مبدلة للحزم في العالم، وسلف الإنترنت الحديث، والتي سميت على اسم الوكالة الأمريكية التي مولتها، وهي وكالة مشاريع الأبحاث المتقدمة. هذا هو شكل ARPANET بالكامل في عام 1974.

كل دائرة أصغر عبارة عن موقع، مثل جامعة أو معمل أبحاث، يقوم بتشغيل جهاز توجيه.

تم توصيلهم أيضًا بجهاز حاسوب واحد أو أكثر - يمكنك مشاهدة PDP-1 وIBM System 360s وحتى ATLAS في لندن متصل عبر رابط القمر الصناعي.

- اليوم، بدلاً من بضع عشرات من أجهزة الحاسوب على الإنترنت، يُقدَّر أنها تقترب من 10 مليارات. ويستمر في النمو بسرعة، خاصة مع ظهور ثلاجات متصلة بشبكة wife وغيرها من الأجهزة الذكية، مما يشكل "إنترنت الأشياء".