التوجيه في الشبكات 

• التوجيه:

التوجيه هو عملية تحديد المسار في أي شبكة، حيث تتكون شبكة الكمبيوتر من عدة أجهزة تسمى العُقد، ومسارات أو روابط تصل بين هذه العقد. يمكن أن يحدث الاتصال بين عُقدتين في شبكة مترابطة من خلال عدة مسارات مختلفة. وبذلك فإن التوجيه هو عبارة عن عملية اختيار أفضل مسار باستخدام بعض القواعد المحددة مسبقًا.

• أهمية التوجيه في الشبكات:

إن للتوجيه أهمية كبيرة في عالم الشبكات إذ يعمل على إنشاء كفاءة في اتصال الشبكة. فمثلاً يمكن أن يؤدي فشل اتصالات الشبكة إلى فترات انتظار طويلة لتحميل صفحات موقع الويب للمستخدمين، ويمكن أن يتسبب أيضًا في تعطل خوادم مواقع الويب لأنها لا تستطيع التعامل مع عدد كبير من المستخدمين، فبالتالي يساعد التوجيه على تقليل فشل الشبكة عن طريق إدارة حركة مرور البيانات بحيث يمكن للشبكة استخدام أكبر قدر ممكن من سعتها دون التسبب في الازدحام.

• جهاز التوجيه:

جهاز التوجيه (router) هو جهاز شبكة يربط أجهزة الكمبيوتر والشبكات بشبكات أخرى. تعمل أجهزة التوجيه بشكل أساسي على ثلاث وظائف رئيسي:

1. تحديد المسار: يحدد جهاز التوجيه (router) المسار الذي تسلكه البيانات عند انتقالها من مصدر إلى وجهة. يحاول العثور على أفضل مسار من خلال تحليل مقاييس الشبكة مثل التأخير والسعة والسرعة.

2. إعادة توجيه البيانات: يقوم جهاز التوجيه بإعادة توجيه البيانات إلى الجهاز التالي على المسار المحدد للوصول في النهاية إلى وجهته. قد يكون الجهاز وجهاز التوجيه على نفس الشبكة أو على شبكات مختلفة.

3. موازنة الأحمال: في بعض الأحيان قد يرسل جهاز التوجيه نسخًا من نفس حزمة البيانات باستخدام مسارات مختلفة متعددة. يقوم بذلك لتقليل الأخطاء الناتجة عن فقدان البيانات وإنشاء التكرار وإدارة حجم حركة المرور. 

• كيفية عمل جهاز التوجيه:

تتحرك البيانات على طول أي شبكة في شكل حزم بيانات. تحتوي كل حزمة بيانات على رأس يحتوي على معلومات حول الوجهة المقصودة للحزمة. أثناء انتقال الحزمة إلى وجهتها، قد تقوم عدة أجهزة توجيه بتوجيهها عدة مرات. تقوم أجهزة التوجيه بتنفيذ هذه العملية ملايين المرات كل ثانية بملايين الحزم، عند وصول حزمة بيانات، يبحث جهاز التوجيه أولاً عن عنوانه في جدول توجيه. هذا مشابه للركاب يستشير جدولًا زمنيًا للحافلات للعثور على أفضل طريق للحافلات إلى وجهتهم. ثم يقوم جهاز التوجيه بإعادة توجيه الحزمة أو نقلها إلى النقطة التالية في الشبكة.

على سبيل المثال، عند زيارة موقع ويب من جهاز كمبيوتر في شبكة مكتبك، تنتقل حزم البيانات أولاً إلى جهاز توجيه شبكة المكتب. يبحث جهاز التوجيه عن حزمة الرأس ويحدد وجهة الحزمة. ثم يبحث عن جدوله الداخلي ويعيد توجيه الحزمة إما إلى جهاز التوجيه التالي أو إلى جهاز آخر” مثل الطابعة داخل الشبكة نفسها.”

• مقاييس التوجيه:

مقياس التوجيه هو القيمة التي تسمح لأجهزة التوجيه بتحديد أفضل مسار لحزمة البيانات

مقاييس التوجيه المختلفة هي:

• القفزات
• عرض النطاق الترددي
• الحمل
• التكلفة
• الموثوقية
• أنواع التوجيه:

هناك نوعان مختلفان من التوجيه، يعتمدان على كيفية قيام جهاز التوجيه بإنشاء جداول التوجيه الخاصة به:

1. التوجيه الثابت: في التوجيه الثابت، يستخدم مسؤول الشبكة الجداول الثابتة لتكوين مسارات الشبكة وتحديدها يدويًا. يكون التوجيه الثابت مفيدًا في المواقف التي يُتوقع أن يظل فيها تصميم الشبكة أو المعلمات ثابتة.

تأتي الطبيعة الثابتة لتقنية التوجيه هذه مع عيوب متوقعة، مثل ازدحام الشبكة. بينما يمكن للمسؤولين تكوين مسارات احتياطية في حالة فشل الارتباط، فإن التوجيه الثابت يقلل بشكل عام من قابلية التكيف والمرونة للشبكات، مما يؤدي إلى أداء محدود للشبكة.

2. التوجيه الديناميكي: في التوجيه الديناميكي، تقوم أجهزة التوجيه بإنشاء وتحديث جداول التوجيه في وقت التشغيل بناءً على ظروف الشبكة الفعلية. وهي تحاول العثور على أسرع مسار من المصدر إلى الوجهة باستخدام بروتوكول توجيه ديناميكي، وهو عبارة عن مجموعة من القواعد التي تنشئ جدول التوجيه الديناميكي وتحافظ عليه وتحدثه.

أكبر ميزة للتوجيه الديناميكي هي أنه يتكيف مع ظروف الشبكة المتغيرة، بما في ذلك حجم حركة المرور وعرض النطاق الترددي وفشل الشبكة.

• خوارزميات التوجيه:

خوارزميات التوجيه هي برامج تقوم بتنفيذ بروتوكولات توجيه مختلفة. وهي تعمل عن طريق تعيين رقم تكلفة لكل رابط؛ ويتم حساب رقم التكلفة باستخدام مقاييس الشبكة المختلفة. يحاول كل جهاز توجيه إعادة توجيه حزمة البيانات إلى أفضل ارتباط تالي بأقل تكلفة.

فيما يلي بعض الأمثلة:

1. توجيه متجه المسافات: تتطلب خوارزمية توجيه متجه المسافات أن تقوم جميع أجهزة التوجيه بتحديث بعضها البعض بشكل دوري حول أفضل معلومات المسار التي عثرت عليها. يرسل كل جهاز توجيه معلومات حول التقييم الحالي للتكلفة الإجمالية إلى جميع الوجهات المعروفة. في النهاية، يكتشف كل جهاز توجيه في الشبكة أفضل معلومات المسار لجميع الوجهات الممكنة.
2. توجيه حالة الارتباط: تتخذ بروتوكولات حالة الارتباط أسلوباً فريداً للبحث عن أفضل مسار للتوجيه، وفي هذا البروتوكول يتم حساب المسار بناءً على سرعة المسار إلى الوجهة وتكلفة الموارد. حيث في توجيه حالة الارتباط، يكتشف كل جهاز توجيه جميع أجهزة التوجيه الأخرى في الشبكة. باستخدام هذه المعلومات، يقوم جهاز التوجيه بإنشاء خريطة للشبكة الكاملة ثم يقوم بحساب أقصر مسار لأي حزمة بيانات.

• بروتوكولات التوجيه:

هي مجموعة من القواعد المحددة التي تستخدمها أجهزة التوجيه للتواصل بين المصدر والوجهة. فهي لا تنقل المعلومات من المصدر إلى الوجهة، ولكنها تقوم فقط بتحديث جدول التوجيه الذي يحتوي على المعلومات.

تساعدك بروتوكولات موجه الشبكة على تحديد طريقة تواصل أجهزة التوجيه مع بعضها البعض. يسمح للشبكة بتحديد المسارات بين أي عقدتين على شبكة الكمبيوتر. 

• أسباب استخدام بروتوكولات التوجيه:
• يسمح بتحديد المسار الأمثل.
• يقدم التوجيه الخالي من الحلقات.
• تقليل حركة المرور والتحديث.
• سهل التكوين.
• يتكيف مع التغييرات.
• المقاييس بحجم كبير.
• متوافق مع الأجهزة المضيفة وأجهزة التوجيه الحالية.

• أنواع بروتوكولات التوجيه:

1. بروتوكولات التوجيه الثابت: هي بروتوكولات يتم استخدامها عندما يقوم المسؤول يدوياً بتعيين المسار من المصدر إلى الشبكة الوجهة، ويوفر مزيداً من الأمان للشبكة.

• مزايا البروتوكولات الثابت:

1. لا يوجد حمل على وحدة المعالجة المركزية لجهاز التوجيه.
2. لا يوجد نطاق ترددي غير مستخدم بين الروابط.
3. المسؤول فقط هو القادر على إضافة المسارات.

• عيوب بروتوكولات التوجيه الثابت:

1. يجب أن يعرف المسؤول كيفية توصيل كل جهاز توجيه.
2. ليس خياراً مثالياً للشبكات الكبيرة لأنّه يستغرق وقتاً طويلاً.
3. كلما فشل الارتباط تنقطع الشبكة بالكامل وهو أمر غير ممكن في الشبكات الصغيرة.

2. بروتوكولات التوجيه الديناميكي: هي نوع مهم آخر من بروتوكول التوجيه، ويساعد أجهزة التوجيه على إضافة معلومات إلى جداول التوجيه الخاصة بها من أجهزة التوجيه المتصلة تلقائياً، كما ترسل هذه الأنواع من البروتوكولات أيضاً تحديثات الهيكل كلما تغيرت الشبكة الهيكل الطوبولوجي.

• ميزات بروتوكولات التوجيه الديناميكي:

1. أسهل في التهيئة حتى على الشبكات الأكبر.
2. سيكون قادراً ديناميكياً على اختيار مسار مختلف في حالة تعطل الرابط.
3. يساعدك على القيام بموازنة التحميل بين الروابط المتعددة.

• عيوب بروتوكولات التوجيه الديناميكي:

4. تتم مشاركة التحديثات بين أجهزة التوجيه، لذا فهي تستهلك عرض النطاق الترددي.
5. تضع بروتوكولات التوجيه عبئاً إضافياً على وحدة المعالجة المركزية “CPU” أو ذاكرة الوصول العشوائي “RAM” لجهاز التوجيه.

• بعض أنواع بروتوكولات التوجيه الثابت:

1. بروتوكول معلومات التوجيه ” RIP”: يستعمل “RIP” في كل من شبكات “LAN” و”WAN“، ويتم اعتماده أيضاً على طبقة “Application” الخاصة بنموذج “OSI”، ويتضمن نسختان من “RIP” هما:

• RIPv1
• RIPv2

2. بروتوكول توجيه البوابة الداخلية المحسن “EIGRP”: هو اختصاراً ل ” Enhanced-Interior-Gateway-Routing-Protocol”، وهو بروتوكول توجيه مختلط يوفر بروتوكولات التوجيه ومتجه المسافات وبروتوكولات توجيه حالة الارتباط، وسيقوم بتوجيه نفس البروتوكولات التي يوجهها “IGRP” باستخدام نفس المقاييس المركبة مثل “IGRP”، ممّا يساعد الشبكة على تحديد أفضل وجهة مسار.

3. بروتوكول “IGRP”:  هو اختصار لـ “Interior-Gateway-Routing-Protocol”هو نوع فرعي من بروتوكول البوابة الداخلية لمتجه المسافات الذي طورته شركة “CISCO” وتم تقديمه للتغلب على قيود “RIP“، والمقاييس المستخدمة هي التحميل وعرض النطاق الترددي والتأخير و”MTU” والموثوقية، ويتم استخدامه على نطاق واسع بواسطة أجهزة التوجيه لتبادل بيانات التوجيه داخل نظام مستقل.

هذا النوع من بروتوكول التوجيه هو الأنسب بالنسبة لحجم الشبكة الأكبر؛ لأنّه يبث بعد كل “90 ثانية” ويبلغ الحد الأقصى لعدد القفزات “255”، وهو يساعدك في الحفاظ على شبكات أكبر مقارنةً بـ “RIP” ويستعمل “IGRP” أيضاً على نطاق كبير؛ لأنّه يقاوم حلقة التوجيه ولأنّه يقوم بتحديث نفسه تلقائياً عند حدوث تغييرات المسار داخل الشبكة المحددة، كما يتم منحه خياراً لتحميل حركة مرور الرصيد عبر مسارات تكلفة قياس متساوية أو غير متساوية.

4. بروتوكول OSPF: هو اختصار لـ “Open-Shortest-Path-Firs ” وهو عبارة عن بروتوكول “IGP” لحالة الارتباط مصمم خصيصاً لشبكات “IP” باستخدام طريقة أقصر مسار أولاً “SPF”، ويسمح بالحفاظ على قواعد البيانات التي تقدم معلومات تفصيلية حول الهيكل المحيط بالشبكة، كما أنّه يستخدم خوارزمية أقصر مسار “Dijkstra” لإعادة حساب مسارات الشبكة عندما يتغير هيكلها، وهذا البروتوكول آمن للغاية أيضاً، حيث يمكنه مصادقة تغييرات البروتوكول للحفاظ على أمان البيانات. الميزة الرئيسية لبروتوكول توجيه حالة الارتباط مثل “OSPF” هي أن المعرفة الكاملة بالطوبولوجيا تسمح لأجهزة التوجيه بحساب المسارات التي تفي بمعايير معينة، كما يمكن أن يكون هذا مفيداً لأغراض هندسة المرور، حيث يمكن تقييد الطرق لتلبية متطلبات جودة الخدمة الخاصة، والعيب الرئيسي لبروتوكول توجيه حالة الارتباط هو أنّه لا يتسع بشكل جيد، حيث تتم إضافة المزيد من أجهزة التوجيه إلى مجال التوجيه.

تؤدي زيادة عدد أجهزة التوجيه إلى زيادة حجم تحديثات الهيكل وتكرارها وكذلك طول الوقت الذي يستغرقه حساب المسارات من طرف إلى طرف، كما يعني هذا النقص في قابلية التوسع أنّ بروتوكول توجيه حالة الارتباط غير مناسب للتوجيه عبر الإنترنت بشكل عام.

• مزايا بروتوكول OSPF:

• بالمقارنة مع بروتوكولات توجيه متجه المسافات مثل بروتوكول معلومات التوجيه “RIP” فإنّ “OSPF” أكثر ملاءمة لخدمة أعمال الإنترنت الكبيرة غير المتجانسة، كما يمكن لـ “OSPF” إعادة حساب المسارات في فترة زمنية قصيرة عندما يتغير هيكل الشبكة.
• باستخدام “OSPF” يمكنك تقسيم النظام الذاتي “AS” إلى مناطق والاحتفاظ ببنيات المنطقة منفصلة لتقليل حركة مرور التوجيه “OSPF” وحجم قاعدة بيانات حالة الارتباط لكل منطقة.
• يوفر “OSPF” توجيهاً متعدد المسارات بتكلفة متساوية.
• يمكنك إضافة مسارات مكررة إلى بروتوكول “TCP” باستخدام القفزات التالية المختلفة.

5. بروتوكول “EGP”: هو اختصار لـ “Exterior-Gateway-Protocol”وهو بروتوكول يستخدم لتبادل البيانات بين مضيفي البوابة الذين هم جيران مع بعضهم البعض داخل أنظمة مستقلة، ويوفر بروتوكول التوجيه هذا منتدى لأجهزة التوجيه لمشاركة المعلومات عبر مجالات مختلفة، ويتضمن البروتوكول أجهزة التوجيه أو عناوين الشبكة أو تكاليف المسار أو الأجهزة المجاورة المعروفة.
6. بروتوكول توجيه “ISIS CISCO”:  هو اختصار لـ “Intermediate-System-to-Intermediate-System”وهو بروتوكول يستعمل على الإنترنت لإرسال معلومات توجيه “IP” ويتضمن من مجموعة من المكونات، بما في ذلك الأنظمة النهائية والأنظمة الوسيطة والمناطق والمجالات.
7. بروتوكول “BGP”: هو اختصار لـ “Border-Gateway-Protocol”وهو بروتوكول التوجيه الأخير للإنترنت والذي تم تصنيفه على أنّه بروتوكول متجه مسار المسافة “DPVP”، ويرسل هذا النوع من بروتوكول التوجيه بيانات جدول جهاز التوجيه المحدثة عند إجراء التغييرات، لذلك لا يوجد اكتشاف تلقائي لتغييرات الهيكل ممّا يعني أنّ المستخدم يحتاج إلى تكوين “BGP” يدوياً.

8. بروتوكول “IP”: بروتوكول الإنترنت “IP” هو بروتوكول اتصال أساسي يتيح نقل البيانات بين الأجهزة المختلفة على الإنترنت. وهي مسؤولة عن توجيه حزم البيانات عبر الشبكات والتأكد من وصولها إلى الوجهات المقصودة. حيث يحدد الأصل والوجهة لكل حزمة بيانات. وتقوم أجهزة التوجيه بفحص رأس IP الخاص بكل حزمة لتحديد مكان إرسالها. هذا البروتوكول يعمل على طبقة الشبكة ” Network Layer ” الخاصة بنموذج OSI ويستخدم بالاقتران مع البروتوكولات الأخرى مثل TCP وUDP، يوفر TCP “بروتوكول التحكم في التراسل” تسليمًا موثوقًا ومرتبًا ومدققًا للأخطاء البيانات، بينما يوفر UDP “بروتوكول مخطط بيانات المستخدم” خدمة غير موثوقة وغير متصلة بمخططات البيانات. تُستخدم عناوين IP لتحديد الأجهزة على الإنترنت ويتم تعيينها بواسطة مزودي خدمة الإنترنت (ISPs). IPv4 هو الإصدار الأكثر استخدامًا من البروتوكول ويستخدم مساحة عنوان 32 بت ، مما يسمح بحد أقصى يصل إلى 4.3 مليار عنوان فريد تقريبًا. ومع ذلك، مع نمو الإنترنت، أصبحت مساحة العنوان هذه مستنفدة بشكل متزايد، مما أدى إلى تطوير IPv6. يستخدم IPv6 مساحة عنوان 128 بت، مما يوفر عددًا كبيرًا من العناوين الفريدة ويسمح بالنمو المستمر للإنترنت. بينما كان اعتماد IPv6 بطيئًا، فقد أصبح مدعومًا على نطاق واسع من قبل الأجهزة والشبكات.

• جداول بروتوكولات التوجيه:

1. جدول الجوار: يحتوي هذا الجدول على معلومات حول الأجهزة القريب من جهاز التوجيه فقط، فعلى سبيل المثال تم تشكيل الجوار.
2. جدول الهيكل: يخزن هذا الجدول معلومات حول الهيكل بأكمله، وعلى سبيل المثال يحتوي على أفضل المسارات والاحتياطية لشبكة معينة معلن عنها.
3. جدول التوجيه: يحتوي هذا النوع من الجداول على أفضل المسارات إلى الشبكة المُعلن عنها.

• مزايا جداول بروتوكول التوجيه:

1. يحتفظ هذا البروتوكول بجداول منفصلة لكل من المسار الأفضل والمسارات الاحتياطية، لذا فهو يستطيع معرفة أكبر بالشبكات الداخلية، وأكثر من أي بروتوكول توجيه متجه مسافات آخر.
2. يتم استخدام مفهوم التحديثات المشغلة، لذلك لا يستهلك أي نطاق ترددي غير ضروري.
3. سيتم تشغيل التحديثات الجزئية عندما يكون هناك تعديل في الهيكل، لذلك لا يحتاج إلى تحديث مكان تبادل جدول التوجيه بالكامل.

المرجع:

1. موقع Amazon.
2. موقع guru99.com.
3. موقع e3arabi.
4. موقع Cisco.