التوجيه في الشبكات الحاسوبية

التوجيه في الشبكات الحاسوبية

• مقدمة:
• التوجيه يحدد المسارات داخل الشبكات ويُدير حركة مرور البيانات.
• تُنفذ عمليات التوجيه بواسطة أجهزة في الطبقة الثالثة من نموذج OSI لتسليم الحزم واختيار الأمثل لها.
• يقيّم الموجه المسارات المتاحة إلى وجهة معينة ويُحدد أفضل معالجة للرزمة، مع مراعاة معلومات حول طبيعة الشبكة وطوبولوجياها.
• عند توجيه الحزم بين شبكات مستقلة (Autonomous Systems - AS)، تظهر تحديات إضافية مثل إدارة تدفقات المرور بين الشبكات.

مستوى البيانات ومستوى التحكم

• تنقسم الوظائف إلى البيانات والتحكم والإدارة، ولكل منها نوع مختلف من حركة المرور.
• مستوى البيانات ينقل بيانات المستخدم ويهتم بالعمليات المحلية للموجه.
• مستوى التحكم ينقل حركة مرور الإشارات، ويهتم بمنطق الشبكة.
• يتم إنجاز مستوى التحكم بطريقتين: خوارزميات التوجيه التقليدية (في الموجهات) والشبكات المعرفة برمجياً (SDN).

وظائف الموجه ومكوناته

• يقوم الموجّه بربط وصلات مختلفة ويستخدم جدول التوجيه لتحديد مسارات الحزم.
• للموجه وظيفتان رئيسيتان:
• إعادة التوجيه (Forwarding): تحديد منفذ الخرج بناءً على عنوان الوجهة.
• التوجيه (Routing): اتخاذ القرار بشأن الطرق التي يجب استخدامها لبناء جدول التوجيه.
• تشمل مكونات الموجه منافذ الدخل، نسيج التبديل، منافذ الخرج، ومعالج الموجه.

منافذ الدخل

• منافذ الدخل تؤدي وظائف تتعلق بالطبقة الفيزيائية وطبقة وصلة المعطيات.
• أهم وظائفها هي البحث عن منفذ الخرج الملائم في جدول التوجيه وتوجيه حزم التحكم إلى معالج الموجه.

نسيج التبديل

• نسيج التبديل يربط منافذ الدخل بمنافذ الخرج.
• مقياس معدل التبديل هو معدل نقل الحزم من الدخل إلى الخرج.

منافذ الخرج

• تقوم بتخزين الحزم المستلمة من نسيج التبديل ونقلها على الوصلة الصادرة.
• تعتمد معالجة منفذ الخرج على نقل الحزم المخزنة في ذاكرة منفذ الخرج ونقلها إلى واجهة الخرج، وتتضمن عملية الاختيار (الجدولة).

معالج الموجه

• يقوم بوظائف مستوى التحكم، ويحافظ على جداول التوجيه، ويُحدثها في أجهزة SDN.
• يعالج التوجيه الاتصال بالمتحكم البعيد لتلقي إدخالات جدول التوجيه.

تنفيذ التوجيه في الموجهات

• تتضمن جداول التوجيه عناوين الإنترنت وأقنعة الشبكة الفرعية للوجهة، بالإضافة إلى عناوين الموجهات المجاورة ومعلومات الواجهة.
• تتعلم الموجهات كيفية الوصول إلى الشبكات البعيدة عبر تبادل المعلومات مع الموجهات الجارة، وتشكيل جداول التوجيه.

تصنيف التوجيه

• يُصنّف التوجيه إلى ثلاثة أنواع:
• التوجيه الثابت (Static Routing): تغذية المسارات يدوياً من قبل مدير الشبكة، ولا يتم تحديثها تلقائياً.
• التوجيه الافتراضي (Default Routing): توجيه جميع الحزم نحو جهاز توجيه واحد (القفزة التالية)، بغض النظر عن الشبكة التي تنتمي إليها الحزمة.
• التوجيه الديناميكي (Dynamic Routing): إنشاء جداول التوجيه وفقاً لبروتوكولات التوجيه، وتستخدم فيه البروتوكولات والخوارزميات لنشر معلومات التوجيه تلقائياُ

التوجيه باستخدام الشبكات المعرفة برمجياً

• يقوم المتحكم البعيد بحساب وتوزيع جداول التوجيه على الموجهات، ويقتصر دور الموجه على إعادة التوجيه.
• يستخدم المتحكم البعيد عملية المطابقة مع بعض البارومترات (مثل عنوان الوجهة) لتحديد الإجراء المطلوب.

نمذجة الشبكة

• تمثَّل الشبكة كبيان (Graph)، حيث تمثل العقد الأجهزة وتمثل الحواف الوصلات.
• تتلخص مسألة التوجيه في إيجاد المسار الأقل تكلفة بين عقدتين في البيان.
• يتم تصنيف كل عقدة بناءً على المسافة من العقدة المصدر على طول المسار الأكثر شهرة.
• توفّر بروتوكولات التوجيه طريقة ديناميكية وموزعة لحل مشكلة إيجاد المسار الأقل تكلفة في حال وجود فشل في الوصلات.

مبدأ الاستمثال Optimality Principle

• ينص على أنه إذا كان الموجه j يقع على المسار الأمثل بين العقدتين k ,a ، فان المسار الأمثل من الموجه j إلى k هو أيضاً يقع على ذات المسار.
• كنتيجة مباشرة لمبدأ الاستمثال، تشكل مجموعة المسارات المثلى من جميع المصادر إلى وجهة معينة شجرة مصب (Sink Tree).

الفيضان/ الإغراق Flooding

• توزّع تحديثات بروتوكولات التوجيه بسرعة على كل عقدة في الشبكة.
• يتم اتخاذ عددًا من الإجراءات للحد من عدد الحزم في الفيضان، بما في ذلك استخدام عداد للقفزات أو تذكر هوية الحزم التي تم إرسالها.
• يحدث الإغراق عندما يتم إرسال حزم المصدر إلى جميع عقد الشبكة المرفقة.

تصنيف بروتوكولات التوجيه الديناميكي

• يمكن تصنيفها إلى:
• بروتوكولات توجيه البوابة الداخلية والخارجية.
• متجه المسافة ومتجه المسار.
• توجيه حالة الوصلة.
• مخططات توزيع بروتوكول الإنترنت المصنف أو غير المصنف.

توجيه متجه المسافة (Distance Vector Routing - DVR)

• يعتمد على خوارزمية Bellman-Ford.
• يحتفظ كل موجه بجدول توجيه مفهرس (جدول متجه المسافات) يحتوي على المسافة بينه وبين جميع عقد الوجهة الممكنة.
• يعرف الموجه "المسافة" لكل من جيرانه، وإذا كان المقياس عبارة عن قفزات، تكون المسافة هي قفزة واحدة فقط.
• تستخدم علاقة Bellman Ford لحساب المسافة.

Bellman Ford

• تقوم الموجهات بتبادل جداول التوجيه بشكل دوري مع كل من الأجهزة المجاورة لها.
• يستقبل كل موجه جداول التوجيه ويحفظ أحدث متجه مسافة تم تلقيه من كل من جيرانه.
• يقارن الموجه التأخير في جدوله المحلي مع التأخير في جدول الجار وتكلفة الوصول إلى ذلك الجار.

بروتوكول معلومات التوجيه Routing Information Protocol -RIP

• هو من أشهر البروتوكولات التي تستخدم توجيه متجه المسافة.
• ترسل الموجهات التي تشغل RIP إعلاناتها كل 30 ثانية وبشكل دوري.
• يعتمد هذا البروتوكول على عدد القفزات، والمسافة الإدارية 120.
• يدعم RIP حوالي 15 قفزة.

تسميم الطريق Route Poisoning

• عندما يفشل طريق ما تنشر بروتوكولات متجه المسافة الأخبار السيئة حول فشل الطريق.
• يعلن عن هذا الطريق، ولكن بقيمة مترية خاصة تسمى اللانهاية Poison Pill

تقسيم الأفق Split Horizon

• طريقة تستخدمها بروتوكولات متجه المسافة لمنع حلقات توجيه الشبكة.
• لا تقوم الموجهات أبدًا بإرسال معلومات التوجيه مرة أخرى في الاتجاه الذي تم استلامها منه.

توجيه حالة الوصلة

• كل عقدة قادرة على معرفة حالة الوصلة بجيرانها، ومعرفة بالاتجاهين من وإلى تكلفة كل من الوصلات.
• ينفّذ بروتوكول حالة الوصلة كل عقدة تبديل موجودة في الشبكة.
• تنشئ كل عقدة خريطة للاتصال بالشبكة، على شكل بيان يوضح العقد المتصلة بأي عقد أخرى
• يتكون من :
• معرف العقدة التي أنشأت LSP
• قائمة بالجيران المرتبطين مباشرة بتلك العقدة، مع تكلفة الرابط لكل منهم
• رقم تسلسلي
• زمن حياة لهذه الحزمة

خوارزمية عمل بروتوكول حالة الوصلة

• تعتمد على قيام كل موجه بالخطوات التالية :
• 1-اكتشاف جيرانه والتعرف على عناوين شبكاتهم
• 2-القيام بتعيين المسافة ومقياس التكلفة لجيرانهم
• 3- إنشاء حزمة (LSP) يعلم بها الجميع بالمعلومات الحديثة المتوافر لديه
• 4- إرسال هذه الحزمة إلى ، واستقبال هذه الحزم من كافة الموجهات الأخرى
• 5- حساب المسار الأقصر (Shortest path) لكل موجه آخر.

هرمية OSPF

• تستخدم سلسلة هرمية لتنظيم الشبكات الكبيرة.
• يقسم مزودو خدمة الإنترنت شبكة الإنترنت إلى أنظمة مستقلة مختلفة لسهولة الإدارة.
• يقسم بروتوكول OSPF الأنظمة المستقلة إلى مناطق.

خطوات OSPF

• 1-إقامة علاقة جيرة وتصبح الموجهات جيراناً لـ OSPF.
• 2-تبادل معلومات قاعدة البيانات.
• 3-اختيار أفضل طريق وإضافته إلى جدول التوجيه بناءً على حساب الطريق الأقصر أولا .(SPF).