طبقات+الشبكات

طبقة الشبكة Network Layer الوظيفة الأساسية لهذه الطبقة هي تقسيم الرسائل (المعلومات المراد إرسالها) القادمة من الطبقة الأعلى (طبقة النقل) إلى رزم Packets ذات أطوال محددة, إضافة حقول خاصة في كل رزمة لتسجيل العدد الكلي للرزم و رقم ترتيبها التسلسلي. كما توكل على هذه الطبقة عملية توزيع و تبادل الرزم Packet Switching المتراسلة بين الحواسب عبر الشبكة, حيث تقوم هذه الطبقة بإنشاء قنوات اتصال افتراضية virtual circuits لربط الحواسب ببعضها و إرسال الرزم عبر هذه القنوات , و يقصد بقناة الاتصال : الطريق الواصل بين جهة الإرسال و جهة الاستقبال و لا يشترط أن يكون الوصل مباشرا أو وحيدا إذ يمكن أن يتوفر أكثر من طريق يؤمن الوصل بين هاتين الجهتين عبر عقد اتصال و حواسي وسيطة في الشبكة. في حالة الاستقبال تقوم طبقة الشبكة بالتأكد من استقبال الرزم المشكلة للرسالة كاملة, و من ثم تسليمها إلى الطبقة الأعلى ( طبقة النقل ). تختلف مهام هذه الطبقة حسب وظيفة الاتصال التي تقوم بها, حيث تحدد هذه الطبقة الوظائف اللازمة لتأمين الترابط بين طرفية المعلومات Data Terminal Equipment (DTE) كالحاسب مثلا و طرفية الاتصالات DCE ( عقدة الاتصالات ) DTE-to-DCE كما تقوم هذه الطبقة بتحديد الوظائف اللازمة للاتصال بين عقدة اتصال وأخرى في الشبكة DCE-to-DCE و تختلف هذه الوظائف حسب نمط الاتصال المستخدم (Connection or Connectionless-Oriented). عند استخدام نمط الاتصال المعتمد على استقرار الوصل Connection Oriented فإن عملية الاتصال بين جهة و أخرى تمر بثلاثة أطوار هي :  طور إنشاء الاتصال Connection Establishment  طور تبادل المعلومات Data Exchange Phase  طور إنهاء الاتصال Connection Termination

طبقة النقل Transport Layer تقوم هذه الطبقة بالعديد من الوظائف منها تمييز الأخطاء و تصحيحها, حيث تقوم باكتشاف الأخطاء و تحديد الرزم التي قد أرسلت بتسلسل خاطئ و إعادة تنظيمها بشكل متسلسل , كما تقوم هذه الطبقة بمزج العديد من الرسائل لإرسالها عبر قناة اتصال واحدة One circuit , ومن ثم كتابة ترويسة للدلالة على الحلقة التي سترسل عبرها تلك الرسالة. كما تقوم طبقة النقل بتنظيم تدفق المعلومات و التحكم بحركة الرسائل.

طبقة جلسة الاتصال Session Layer تهتم هذه الطبقة بإدارة الشبكة إذ يتم من خلالها التحكم بالوصل أو إنهاء الوصل بشكل نظامي, حيث يقوم المستثمر بالاتصال مباشرة مع هذه الطبقة عند الرغبة في إنشاء جلسة اتصال مع جهة أخرى مرتبطة عبر الشبكة. كما تقوم هذه الطبقة بالتحقق من كلمة السر المدخلة من قبل المستثمر و السماح للمستثمر بتحويل الإرسال من النوع النصف المزدوج Half Duplex إلى النظام ثنائي الاتجاه Full Duplex. من مهام هذه الطبقة أيضا التعرف على الجهات المتخاطبة و تحديد الزمن المستغرق في الاتصال و التحكم بعبور المعطيات Data transfer, و مراقبة استخدام النظام و توليد و حساب الرسوم المترتبة على كل من المستثمرين لقاء استخدامهم الشبكة. كما تقوم في بعض الأحيان بتصحيح الأخطاء الناتجة عن توقف النظام System Crash.

طبقة تمثيل المعلومات Presentation Layer تهتم هذه الطبقة بتمثيل المحارف و الأرقام والأدلة و غيرها من المعلومات بطرق مختلفة كنظام ASCII أو ASMO الخ. كما تقوم هذه الطبقة بدور المترجم بين المحطات وتعيين الصيغة التي يجب أن تمثل بها المعلومات في كل محطة. كما تقوم ببعض الأمور المتعلقة بأمن و سرية الشبكة و كذلك نقل الملفات file transfer.

طبقة التطبيقات Application Layer تشكل هذه الطبقة كل من نظام تشغيل الشبكة و برمجيات التطبيقات التي تعمل معه, و بما أن البرمجيات المستخدمة تكون حسب حاجة المستثمر فلا يمكن وضع بروتوكول محدد لهذه الطبقة و إنما يمكن القول أنها الطبقة العليا التي يقوم المستثمر من خلالها باستخدام التطبيقات التي يحتاجها و ذلك حسب مواصفات و طريقة عمل تلك التطبيقات , كالبريد الإلكتروني و قواعد البيانات المشتركة و غيرها من التطبيقات. نلاحظ أن بنية إطار HDLC في هذا المعيار قد حققت وظائف التغليف و التحكم في التدفق و اكتشاف الخطأ و كذلك التحكم بالوصل بين محطتين تشتركان في خط اتصال واحد. كما أن الطبقة الثالثة في هذا المعيار قد صممت لتحقيق عملية التقسيم و التجميع و عمليات التحكم بالإقرارات و كشف الخطأ الذي قد يحدث عند انتقال الرزمة من المرسل إلى المستقبل و كذلك وفر تصميم هذه الطبقة عملية المزج للعديد من الأقنية الوهمية في قناة فيزيائية واحدة و غيرها من العمليات الأساسية الواجب توفرها في بروتوكول الشبكة الحاسوبية أما الطبقة الرابعة –النقل- فقد حققت عمليات التوجيه للرسائل و التحقق من الأخطاء الناتجة عن التكرار في وصول الرزم أو تسلسلها و غيرها من العمليات الهامة.

بنية الإطار Frame Structure لقد وضعت منظمة ISO الصيغة العامة لبروتوكول الطبقة الثانية و الذي أطلق عليه اسم بروتوكول وصلة المعطيات ذو المستوى العالي High-Level Data Link Control Protocol (HDLC). الشكل التالي يبين البنية العامة لهذا البروتوكول :

نهاية Stop حقل الاختبار FCS حقل المعطيات Data Unit حقل التحكم Control حقل العنوان بداية Star

البنية العامة للإطار HDLC Structure

نلاحظ من الشكل السابق أن خمسة حقول تحكم قد تم إضافتها لوحدة PDU من قبل طبقة وصلة المعطيات هي : • البداية والنهاية Start & Stop : و هما حقلان كل منهما مؤلف من ثمانية خانات 8bit للدلالة على بداية و نهاية الإطار. كل منهما يحوي القيمة 01111110 أو 7E (في نظام العد السداسي عشر). • حقل العنوان Address : و يستخدم فقط في حال استخدام الوصل متعدد النقاط Multi-Point, حيث يوضع به عنوان المحطة الثانوية التي يتم التخاطب معها. طول هذا الحقل 8bit قابل للتوسع. • حقل اختبار الخطأ Frame Check Sequence(FSC) : ويبلغ طول هذا الحقل 16bit أو 32bit حيث تخزن به نتيجة الاختبار التي نفذت على حقل المعلومات قبل إرساله. • حقل التحكم Control : ويبلغ طول هذا الحقل 8bit أو 16bit و تنسب إليه بمجموعة من الوظائف التحكمية في طبقة المعطيات. حيث يتم من خلاله تحديد ثلاثة أنواع من الأطر هي : o أطر المعلومات Information Frame : و هي الأطر التي تحمل المعلومات الفعلية المتبادلة. o أطر المراقبة Supervisory Frame : و هي أطر التحكم بالخطأ و بتدفق المعلومات بين الأطراف المشتركة في الخط حيث تستخدم لتبادل الإقرارات في حال عدم استخدام الاتصال المزدوج أو عدم وجود تدفق للمعلومات في الاتجاه المعاكس, كما تعتبر أيضا المسئولة عن إيقاف تدفق المعلومات بشكل مؤقت عند حدوث ضخ كبير لها من جهة لأخرى. o الأطر غير المرقمة Unnumbered Frames : هي الأطر التي تستخدم في التحكم بحالة خط الاتصال, و خاصة عند حدوث مشكلة على الخط. تحدد الخانة الأولى أو الخانتين الأولى و الثانية معا نوع الإطار, كما هو مبين في الشكل التالي :

Next P/F Sequence 0

Next P/F Type 0 1

Modifier P/F Type 1 1

الشكل يبين خانات حقل التحكم في بنية الإطار و ذلك حسب نوعه

الشكل الأول :I-Frame الشكل الثاني : S-Frame الشكل الثالث : U-Frame

يتميز إطار المعلومات I-Frame بوجود القيمة صفر ( 0 ) في الخانة الأولى من خانات حقل التحكم و يحوي حقل التحكم أيضا الحقل الجزئي Sequence الذي يتضمن الرقم التسلسلي لإطار المعلومات المرسل ضمن نافذة الإرسال (يقصد بنافذة الإرسال Window Size عدد الأطر التي يسمح النظام بإرسالها قبل استلام أي إقرار من الجهة المقابلة )، كما يحوي حقل التحكم الحقل الجزئي next و الذي يستخدم للإقرار للجهة الأخرى عن رقم الإطار المستلم بشكل صحيح و الوارد من تلك المحطة. إن عملية تحميل معلومات الإقرار ضمن إطار المعلومات تدعى Piggy-Back Acknowledgment. بتميز إطار المراقبة S-Frame بوجود القيمة (1) في الخانة الأولى من حقل التحكم و القيمة (0 ) في الخانة الثانية, لا يحوي هذا الإطار معلومات فعلية متبادلة و إنما أوامر يمكن تميزها حسب القيمة المتضمنة في خانات النوع Type في حقل التحكم لهذا الإطار. و أوامر هذا النوع هي : RNR Receive Not Ready الحاسب المستقبل غير جاهز لاستقبال الأطر و يرسل الحاسب هذا الإطار عندما يصبح مشغولا و لا يستطيع استقبال أطر إضافية, لذلك عندما يصل المراقبة هذا إلى الجهة المرسلة تقوم بالتوقف عن الإرسال بشكل مؤقت إلى أن تستلم من الجهة الأخرى إطار مراقبة يدل على جاهزية ذلك الطرف للاستقبال RR : Receive Ready :أمر الجاهزية للاستقبال وترسله المحطة للأخرى لتبليغها بإمكانية متابعة الإرسال بعد أن توقف بأمر RNR. REG : Reject هذا الأمر يدل على الإقرار السلبي و الذي يتم فيه تبليغ الطرف الآخر بإعادة إرسال الأطر من جديد بسبب عدم استلامها بشكل سليم. SREJ : Selective Reject أمر الرفض الانتقائي و الذي يتم من خلاله طلب إعادة إرسال أطر معينة قد تم إرسالها لكن الجهة المستقبلة قد اكتشفت خطأ ما فيها. تستخدم الأطر غير المرقمة U-Frames لعمليات إنشاء الاتصال و التفاهم على نمط الاتصال و تحديد خصائص الاتصال و كذلك لإجراء عمليات الاختبار و إعطاء أوامر إنهاء الاتصال أو إعادة إقلاع المحطة الثانوية البعيدة و من هنا أطلق عليه اسم الأطر غير المرقمة إذ لكل إطار وظيفة محددة لا تتعلق بالإطار السابق أو اللاحق و كذلك لا توجد أهمية لنقل الإقرارات و أرقامها التسلسلية لأن معظم الأوامر هذه تتطلب إنشاء اتصال جديد أو فصل اتصال. نلاحظ أن جميع أنواع الأطر تمتلك في حقل التحكم خانة تعرف باسم Poll/Final أي الانتخاب أو النهاية, و تختلف وظيفة هذه الخانة حسب نمط الإرسال فإذا كان النمط متعدد النقاط Multi-Point , تقوم المحطة الأولية بوضع القيمة 1 في هذه الخانة Poll في إطار المعلومات للسماح للمحطات الثانوية بالإرسال , كما تضع المحطات الثانوية القيمة 1 فيها Final عند الانتهاء من إرسالها.

بنية الرزمة Packet Structure يمكن تصنيف الرزم packet المشكلة في طبقة الشبكة إلى ثلاثة أصناف أساسية هي :  رزم طلب إنشاء اتصال Call Request/Call Accept Packet  رزم تبادل المعطيات Data Packet  رزم التحكم Control Packet

لكل من هذه الأنواع بنية معينة تتناسب و الوظيفة التي يقوم بها وتتألف رزمة طلب إنشاء الاتصال من الحقول التالية:  المجموعة و القناة Group& Channel : و هما حقلان يشكلان بمجموعهما 16 خانة و يتم من خلالهما تحديد رقم القناة الافتراضية التي ستعتمد لهذا الوصل.  النوع Type : و طوله 8bit تحدد القيمة 1 في الخانة الأولى من هذا الحقل – تدعى بخانة التحكم Control Bit- أن هذه الرزمة هي رزمة تحكم, أما الخانات السبعة المتبقية في هذا الحقل فتحدد نوع رزمة التحكم.  حقلين كل منهما بطول 4bits :و يحوي أحدهما طول عنوان المرسل Calling Address Length و الآخر طول عنوان المستقبل Called Address Length. وتقاس وحدة قيمة الطول المسجلة في هذه الحقول بالبايت Byte.  حقل عنوان المرسل Calling Address : و هو يحوي عنوان الجهة المرسلة و يحدد طوله حسب القيمة المثبتة في حقل طول عنوان المرسل.  حقل عنوان المستقبل Called Address : و يحوي عنوان الجهة المستقبلة للمعلومات, و طوله يحدد حسب القيمة المسجلة في حقل طول عنوان المستقبل.  التسهيلات Facility : و هو حقل يمكن من خلاله تضمين رزمة إنشاء الاتصال بعض الأوامر و المعلومات المساعدة في تسهيل إنشاء الاتصال ( وهو حقل اختياري). يحدد طول هذا الحقل خلال القيمة التي توضع في الحقل الخاص بذلك (حقل طول حقل التسهيلات facilities length ). بعد استقرار الوصل و التفهم بين الطرفين على تحديد رقم القناة الافتراضية الخاصة لنقل معلومات التخاطب فيما بينهما, لا توجد حاجة خلال عمليات التخاطب لإرسال العناوين في كل رزمة معلومات متبادلة و إنما يكفي ذكر رقم القناة الافتراضية في الرزمة لتأمين وصول المعلومات إلى الجهة الأخرى, لذلك نلاحظ أن حقول رزمة المعلومات قد اقتصرت على الحقول التالية :  المجموعة و القناة Group & Channel : و هما حقلان يشكلان بمجموعهما 16 خانة ثنائية و الذي يحدد من خلالهما رقم القناة الافتراضية التي اعتمدت لنقل المعلومات خلال هذا الوصل.  النوع Type : و طوله 8bit حيث تحدد القيمة 0 في الخانة الأولى منه أن نوع هذه الرزمة هي رزمة معلومات و بالتالي تقسم الخانات السبعة المتبقية إلى : 3 خانات للرقم التسلسلي للرزمة Sequence, و 3 خانات لرقم الإقرار المرسل ضمن رزمة المعلومات Piggy-back و خانة تدعى More تحوي القيمة 0 إذا كانت هذه الرزمة هي الأخيرة أو القيمة 1 إذا كان هناك المزيد من الرزم المتعلقة بالرسالة  حقل المعطيات Data Field : و هو الحقل الذي يحوي المعلومات الفعلية المتبادلة خلال عملية الاتصال.