A وحدة بيانات البروتوكول (PDU) يمثل وحدة واحدة من المعلومات. تنقل الشبكات هذه الوحدة بين كيانين نظيرين. إنه موجود في طبقة محددة من نموذج OSI. تقوم وحدة بيانات البروتوكول بتغليف البيانات ومعلومات التحكم. يعد هذا التغليف ضروريًا للاتصال في طبقته. إنه يتحول أثناء تحركه عبر مكدس الشبكة. وهذا يضمن نقل البيانات بنجاح عبر الشبكات.
الوجبات السريعة الرئيسية
- A وحدة بيانات البروتوكول (PDU) هي وحدة البيانات. يتغير في كل طبقة من نموذج OSI.
- تبدأ طبقة التطبيق رحلة البيانات. يقوم بتحويل بيانات المستخدم إلى وحدة PDU الأولى.
- تستخدم طبقة النقل شرائح للبيانات الموثوقة. ويستخدم مخططات البيانات للبيانات السريعة.
- تقوم طبقة الشبكة بتوجيه البيانات عبر الشبكات. ويستخدم عناوين IP للعثور على المسارات.
- تتعامل طبقة ارتباط البيانات مع التسليم المحلي. يستخدم عناوين MAC للأجهزة الموجودة على نفس الشبكة.
- ترسل الطبقة المادية البيانات على شكل بتات. تصبح هذه البتات إشارات كهربائية أو نبضات ضوئية.
- يضيف التغليف معلومات إلى ملف PDU . يحدث هذا عندما تتحرك البيانات إلى أسفل الطبقات.
- تعمل عملية إلغاء التغليف على إزالة المعلومات من وحدة PDU. يحدث هذا عندما تتحرك البيانات إلى أعلى الطبقات.
فهم وحدة بيانات البروتوكول: تحويل طبقة تلو الأخرى
نشأة وحدة بيانات البروتوكول: طبقة التطبيق (الطبقة 7)
تبدأ رحلة البيانات عبر الشبكة في طبقة التطبيق. تتفاعل هذه الطبقة مباشرة مع التطبيقات البرمجية. يبدأ المستخدمون الإجراءات هنا، مما يؤدي إلى إنشاء البيانات الأولية للإرسال.
تصبح بيانات المستخدم وحدة بيانات البروتوكول الأولية
عندما يرسل المستخدم بريدًا إلكترونيًا، أو يتصفح موقع ويب، أو ينقل ملفًا، يقوم التطبيق بإنشاء بيانات أولية. تصبح هذه البيانات الأولية هي الشكل الأول لـ a وحدة بيانات البروتوكول. وهو يمثل المعلومات التي ينوي المستخدم إرسالها. على سبيل المثال، في مركز البيانات، قد يقوم خادم التطبيق بإنشاء طلب إلى خادم قاعدة البيانات. يشكل هذا الطلب وحدة البيانات الأولية.
أمثلة على وحدات بيانات بروتوكول طبقة التطبيق
غالبًا ما تحمل وحدات PDU لطبقة التطبيق أسماء ذات معنى تتعلق بوظيفتها.
- بيانات HTTP : عندما يطلب متصفح الويب صفحة ويب، يكون طلب HTTP نفسه عبارة عن PDU لطبقة التطبيق.
- بيانات بروتوكول نقل الملفات: يستخدم بروتوكول نقل الملفات وحدات PDU لإدارة تحميلات الملفات وتنزيلاتها.
- بيانات SMTP : يقوم عملاء البريد الإلكتروني بإرسال واستقبال رسائل البريد الإلكتروني باستخدام وحدات SMTP PDU.
تنسيق وحدة بيانات البروتوكول: طبقة العرض (الطبقة 6)
تضمن طبقة العرض أن تكون البيانات من طبقة التطبيق بتنسيق يمكن للنظام المتلقي فهمه. يعمل كمترجم.
تحويل وحدة بيانات البروتوكول من أجل التشغيل البيني
تستخدم الأنظمة المختلفة تنسيقات بيانات مختلفة. تقوم طبقة العرض بتحويل وحدة بيانات البروتوكول لضمان إمكانية التشغيل البيني. يتيح هذا التحول للأنظمة المتنوعة التواصل بشكل فعال. تتضمن تنسيقات البيانات الشائعة المستخدمة لهذا الغرض:
- إديفاكت
- JSON
- XML
- مخازن البروتوكول
التشفير والضغط وتمثيل البيانات
تتعامل هذه الطبقة أيضًا مع الخدمات المهمة مثل التشفير والضغط. تعمل خوارزميات ضغط البيانات على تقليل حجم البيانات المرسلة . يؤدي هذا إلى تقليل حجم وحدة PDU بشكل مباشر، مما يؤدي إلى تحسين استخدام عرض النطاق الترددي وأوقات إرسال أسرع. وعلى العكس من ذلك، يقوم التشفير بتحويل النص العادي إلى نص مشفر. لا تؤدي هذه العملية إلى تغيير حجم وحدة PDU بطبيعتها. ومع ذلك، فإنه يقدم حملًا إضافيًا للمعالجة نظرًا لموارد وحدة المعالجة المركزية الإضافية والذاكرة المطلوبة للخوارزميات الرياضية وإدارة المفاتيح. يمكن أن يؤدي هذا الحمل إلى زيادة زمن الوصول، خاصة بالنسبة للتحويلات المعقدة.
إدارة المحادثة: طبقة الجلسة (الطبقة 5)
تقوم طبقة الجلسة بإنشاء وإدارة وإنهاء جلسات الاتصال بين التطبيقات. ويضمن التبادل المنظم للبيانات.
وحدة بيانات البروتوكول مع معلومات التحكم في الجلسة
تتضمن وحدة PDU في هذه الطبقة معلومات التحكم في الجلسة. تساعد هذه المعلومات في إدارة الحوار بين تطبيقين متصلين. يضمن تدفق المحادثة بسلاسة.
إنشاء الجلسات وإدارتها وإنهائها
تستخدم طبقة الجلسة آليات قياسية للتحكم في الجلسة.
- التحكم في الحوار: تملي هذه الآلية الطرف الذي يمكنه إرسال البيانات في أي وقت. يدير المنعطفات بين الأطراف المتصلة لضمان تبادل البيانات بشكل منظم.
- التزامن: يتضمن ذلك إنشاء نقاط تنسيق، أو نقاط تفتيش، ضمن الحوار لأغراض التعافي. في حالة فشل الجلسة، يمكن استئناف الاتصال من آخر نقطة مزامنة بدلاً من إعادة التشغيل من البداية. يعد هذا أمرًا حيويًا لعمليات النقل الكبيرة، مثل النسخ الاحتياطي لقواعد البيانات الكبيرة في مركز البيانات.
- إدارة الرمز المميز: تستخدم هذه الآلية رموز التحكم التي يتم تمريرها بين التطبيقات للحفاظ على الاتصال المنظم. يتم منح التطبيق الذي يحمل الرمز المميز إذنًا لنقل البيانات ومنع التعارضات وضمان التدفق المنظم للبيانات.
وحدة بيانات بروتوكول طبقة النقل: المقاطع ومخططات البيانات
تعمل طبقة النقل كجسر حاسم. يأخذ البيانات من طبقة الجلسة ويعدها لنقل الشبكة. تقوم هذه الطبقة بتقسيم البيانات إلى وحدات أصغر يمكن التحكم فيها. كما أنه يضيف معلومات للتسليم الموثوق أو النقل السريع بدون اتصال. الوحدات الناتجة هي إما مقاطع (لـ TCP) أو مخططات بيانات (لـ UDP).
وحدة بيانات البروتوكول كقطعة (TCP)
يوفر بروتوكول التحكم في الإرسال (TCP) تسليمًا موثوقًا ومنظمًا ومدققًا في الأخطاء لتدفق البايتات. فهو يضمن وصول البيانات إلى وجهتها بشكل كامل وصحيح.
إضافة أرقام المنافذ ومعلومات التسلسل
تتضمن قطاعات TCP معلومات حيوية للتسليم السليم. يضيفون أرقام المنافذ. تحدد هذه الأرقام عملية التقديم المحددة على المضيف الوجهة. على سبيل المثال، يستمع خادم الويب في مركز البيانات على المنفذ 80 لطلبات HTTP. يقوم TCP أيضًا بتعيين أرقام تسلسلية لكل بايت من البيانات. تسمح هذه الأرقام لنظام الاستقبال بإعادة تجميع البيانات بالترتيب الصحيح. وهذا يضمن سلامة الرسالة الأصلية. الحد الأدنى لحجم رأس TCP هو 20 بايت . تتم إضافة هذا الحمل البالغ 20 بايت بواسطة TCP في طبقة النقل لكل كتلة بيانات.
ضمان تسليم موثوق للبيانات
يستخدم TCP عدة آليات لضمان تسليم البيانات بشكل موثوق:
- حزم الإقرار (ACK) : يرسل المتلقي ACK لكل حزمة تم استلامها بنجاح. يحتوي هذا ACK على الرقم التسلسلي للبايت المتوقع التالي. وهذا يسمح للمرسل بتتبع الحزم المستلمة.
- إعادة الإرسال: إذا لم يصل الإقرار خلال مهلة محددة، يقوم المرسل بإعادة إرسال الحزمة المفقودة. وهذا يضمن تسليم جميع البيانات، حتى مع وجود مشكلات في الشبكة.
- أرقام التسلسل : كل بايت في مقطع TCP له رقم تسلسلي فريد. وهذا يمكّن المتلقي من إعادة تجميع البيانات بالترتيب الصحيح. ويحدث هذا حتى في حالة وصول الحزم خارج التسلسل، مما يحافظ على سلامة البيانات ويمنع فقدانها أو تكرارها.
- اكتشاف الأخطاء (المجاميع الاختبارية) : يستخدم TCP المجاميع الاختبارية لتحديد المقاطع التالفة أثناء الإرسال. يتم تجاهل المقاطع التالفة، مما يؤدي إلى إعادة الإرسال.
- تسليم مضمون: يضمن نظام الإقرار وإعادة الإرسال وصول جميع البيانات إلى وجهتها. وبدلاً من ذلك، يتلقى المرسل إشعارًا بالفشل الدائم.
- منع التكرار: تمكن الأرقام التسلسلية أجهزة الاستقبال من تحديد الأجزاء المكررة والتخلص منها. قد تنشأ هذه من تأخيرات الشبكة أو عمليات إعادة الإرسال.
وحدة بيانات البروتوكول كمخطط بيانات (UDP)
يقدم بروتوكول مخطط بيانات المستخدم (UDP) خدمة أبسط وبدون اتصال. إنها تعطي الأولوية للسرعة على الموثوقية.
إعطاء الأولوية للسرعة على الموثوقية
لا يقوم UDP بإنشاء اتصال قبل إرسال البيانات. كما أنه لا يضمن التسليم أو الطلب. وهذا يجعلها أسرع وأكثر كفاءة لتطبيقات معينة. يعد UDP بروتوكولًا مثاليًا لتطبيقات الشبكة حيث يكون زمن الوصول المتصور أمرًا بالغ الأهمية. يتضمن ذلك اتصالات الألعاب والصوت والفيديو. يمكن أن تتحمل هذه التطبيقات فقدان بعض البيانات دون التأثير بشكل كبير على الجودة المدركة. يعمل UDP على تسريع عمليات الإرسال من خلال تمكين نقل البيانات قبل أن يقدم الطرف المتلقي اتفاقية. وهذا يجعلها مفيدة للاتصالات الحساسة للوقت.
ضع في اعتبارك حالات الاستخدام المحددة هذه حيث تكون ميزة سرعة UDP أمرًا بالغ الأهمية:
- بث الفيديو (مثل YouTube وNetflix) : يُفضل استخدام UDP لأن إسقاط إطار واحد أفضل من إيقاف الدفق مؤقتًا لإعادة الإرسال. قد يلاحظ المستخدمون خللًا بسيطًا فقط.
- الألعاب عبر الإنترنت : فوائد UDP لأن تلقي معلومات قديمة بعض الشيء أفضل من وصول معلومات مثالية بعد فوات الأوان.
- بث الفيديو المباشر (بما في ذلك VoIP ومؤتمرات الفيديو) : يستفيد من انخفاض الحمل UDP والتسامح مع فقدان الحزمة، مما يقلل من زمن الوصول.
- نظام اسم النطاق (DNS) : عادةً ما يستخدم UDP للاستعلامات السريعة والخفيفة.
- أجهزة إنترنت الأشياء (IoT): غالبًا ما تستخدم UDP لإرسال حزم البيانات الصغيرة.
اتصالات بدون اتصال
تعني طبيعة UDP غير المتصلة أنه يرسل مخططات بيانات دون إعداد مسبق. ولا يحتفظ بمعلومات الحالة حول الاتصال. وهذا يقلل من الحمل والكمون. كل مخطط بيانات هو وحدة بيانات بروتوكول مستقلة. يقوم المرسل ببساطة بنقلها إلى الوجهة. يقوم المتلقي بمعالجتها عند الوصول. وهذا يجعل UDP مناسبًا للتطبيقات التي يكون فيها فقدان البيانات عرضيًا مقبولاً.
توجيه وحدة بيانات البروتوكول: طبقة الشبكة (الطبقة 3)
تتولى طبقة الشبكة المهمة الحاسمة المتمثلة في توجيه البيانات عبر شبكات مختلفة. في هذه المرحلة، وحدة بيانات البروتوكول يتحول إلى "حزمة". تضمن هذه الطبقة انتقال الحزم من المضيف المصدر إلى المضيف الوجهة، حتى لو كانت موجودة على شبكات منفصلة جغرافيًا.
وحدة بيانات البروتوكول كحزمة
العنونة المنطقية للوصول العالمي
تقدم طبقة الشبكة العنونة المنطقية، بشكل أساسي من خلال عناوين IP (بروتوكول الإنترنت). توفر هذه العناوين بنية هرمية، مما يسمح للأجهزة بالاتصال عالميًا. على سبيل المثال، يستخدم الخادم الموجود في مركز البيانات عنوان IP الخاص به لإرسال البيانات إلى العميل عبر الإنترنت.
عناوين IP هرمية. وهي تتكون من جزء الشبكة وجزء المضيف . تحدد هذه البنية المضيفين ضمن شبكات محددة. في الأصل، تم تصنيف عناوين IP إلى فئات مختلفة (الفئة A، B، C) ضمن طول عنوان 32 بت. أدى التوجيه بين المجالات بدون فئات (CIDR) لاحقًا إلى تحسين استخدام مساحة عنوان IPv4 ذات 32 بت . يسمح CIDR بشبكات ذات أحجام عشوائية ويعتمد على بادئات الشبكة. يبلغ طول عناوين IPv6 128 بت، مما يؤدي إلى توسيع مساحة العنوان بشكل كبير إلى حوالي 3.4 × 10^38 معرفًا فريدًا. يعالج هذا استنفاد IPv4. يدعم IPv4، بمساحة عنوانه 32 بت، ما يقرب من 4.3 مليار عنوان فريد. وقد ثبت أن هذا غير كاف لنمو الإنترنت الحديث. تعمل نطاقات العناوين الخاصة وترجمة عناوين الشبكة (NAT) على تخفيف هذه الندرة.
كيف تجد الحزم طريقها عبر الشبكات
تعمل أجهزة التوجيه في طبقة الشبكة. يقومون بفحص عنوان IP الوجهة في كل حزمة. تستخدم أجهزة التوجيه بعد ذلك جداول التوجيه لتحديد أفضل مسار للحزمة للوصول إلى وجهتها. تسمح هذه العملية للحزم باجتياز شبكات متعددة أو عبور القارات أو توصيل مراكز بيانات مختلفة.
وحدة PDU للشبكة تختلف أحجام (الحمولة) لحركة المرور الشائعة على الإنترنت:
| جزء الإطار | الحد الأدنى للحجم (بايت) | الحد الأقصى للحجم (بايت) |
|---|---|---|
| شبكة PDU (الحمولة) | 46 | 1,500 |
تتراوح الأحجام النموذجية لوحدات PDU (الحزم) لطبقة الشبكة لحركة مرور الإنترنت الشائعة، كما تمثلها حمولة إطار Ethernet، من الحد الأدنى 46 بايت بحد أقصى 1500 بايت . يعتمد الحد الأدنى للحمولة الصافية البالغة 46 بايت على وقت فتحة Ethernet، في حين أن الحد الأقصى للحمولة النافعة البالغ 1500 بايت هو المعيار القياسي، دون مراعاة "إطارات جامبو" الأكبر حجمًا.
دور IP في توجيه وحدة بيانات البروتوكول
عناوين IP المصدر والوجهة
تحمل كل حزمة عنوان IP المصدر وعنوان IP الوجهة. يحدد عنوان IP المصدر المرسل، بينما يحدد عنوان IP الوجهة المستلم المقصود. تستخدم أجهزة التوجيه هذه العناوين لاتخاذ قرارات إعادة التوجيه. يقومون بتوجيه حزمة الحزمة بالقفزة حتى تصل إلى وجهتها النهائية.
تجزئة وإعادة تجميع وحدات بيانات البروتوكول
في بعض الأحيان، تكون الحزمة كبيرة جدًا بالنسبة لارتباط شبكة معين. يحدث هذا عندما يتجاوز حجم الحزمة الحد الأقصى لوحدة الإرسال (MTU) لذلك الارتباط. عندما يحدث هذا، تقوم تجزئة IP بتقسيم الحزمة إلى أجزاء أصغر .
تجزئة IP هي عملية بروتوكول إنترنت حيث يتم تقسيم الحزم إلى أجزاء أصغر. يحدث هذا عندما يكون حجم الحزمة الأصلية أكبر من الحد الأقصى لوحدة الإرسال (MTU) للارتباط الذي تحتاج إلى المرور عبره. وهذا يسمح للقطع الصغيرة الناتجة باجتياز هذا الرابط. ضمن IPv4، إذا تلقى جهاز التوجيه حزمة شبكة أكبر من وحدة الإرسال الكبرى (MTU) للقفزة التالية، فسيكون لديه خياران. يمكنه إما إسقاط الحزمة وإرسال رسالة ICMP "التجزئة مطلوبة" إذا تم تعيين علامة "عدم التجزئة" (DF). وبدلاً من ذلك، يمكنه تجزئة الحزمة وإرسالها عبر الارتباط مع وحدة الإرسال الكبرى الأصغر.
يمكن أن يؤدي التجزئة إلى الحمل والكمون. يجب على المضيف المتلقي إعادة تجميع كافة الأجزاء لإعادة بناء الحزمة الأصلية. تعتبر هذه العملية ضرورية لضمان تسليم البيانات عبر البنى التحتية المتنوعة للشبكة، بما في ذلك أنفاق WAN أو VPN المختلفة التي تربط مراكز البيانات.
التسليم المحلي لوحدة بيانات البروتوكول: طبقة ربط البيانات (الطبقة 2)
تقوم طبقة الشبكة بتوجيه الحزم عبر شبكات مختلفة. ثم تتولى طبقة ارتباط البيانات مهمة التسليم المحلي. تضمن هذه الطبقة نقل البيانات بشكل موثوق بين الأجهزة المتصلة مباشرة. يقوم بتحويل حزمة طبقة الشبكة إلى "frame."
وحدة بيانات البروتوكول كإطار
في طبقة وصلة البيانات، وحدة بيانات البروتوكول يصبح الإطار. يقوم هذا الإطار بإعداد البيانات للإرسال الفعلي عبر مقطع الشبكة المحلية. على سبيل المثال، يقوم إطار Ethernet بتغليف حزمة IP كحمولة. وهو يتضمن رؤوسًا محددة، ومقطورة، وعناوين التحكم في الوصول إلى الوسائط (MAC) المصدر والوجهة. تحدد عناوين MAC هذه بطاقات واجهة الشبكة (NIC) الخاصة بأجهزة الاتصال، مثل الخادم وأقرب جهاز توجيه داخل مركز البيانات. تستخدم شبكات Wi-Fi أيضًا الإطارات، وتصنفها إلى إطارات الإدارة والتحكم والبيانات . حجم إطار Ethernet الأساسي هو 1518 بايت. قام معيار أحدث بتوسيع حجم إطار Ethernet إلى 2000 بايت. تدعم تنسيقات الإطارات عادةً الإطارات ذات الطول المتغير، مع الحد الأعلى المعروف باسم وحدة الإرسال القصوى (MTU).
العنونة الفعلية مع عناوين MAC
توفر عناوين MAC العنونة الفعلية. تحتوي كل بطاقة واجهة شبكة على عنوان MAC فريد. يسمح هذا العنوان للأجهزة الموجودة على نفس قطعة الشبكة المحلية بالاتصال مباشرة. تستخدم أجهزة التوجيه عناوين MAC لإعادة توجيه الإطارات إلى الجهاز الصحيح داخل الشبكة المحلية.
آليات اكتشاف الأخطاء وتصحيحها
تضمن طبقة ارتباط البيانات سلامة البيانات أثناء النقل المحلي. يوفر تسلسل فحص الإطار (FCS) اكتشاف الأخطاء باستخدام فحص التكرار الدوري (CRC). يقوم المرسل بحساب المجموع الاختباري بناءً على محتويات الإطار. يتضمن هذا المجموع الاختباري في المقطورة. يقوم المتلقي بإعادة حساب المجموع الاختباري ومقارنته مع FCS المستلم. إذا تطابق المجموع الاختباري، فمن المحتمل أن يصل الإطار بدون أخطاء. إذا اختلفوا، يتجاهل المتلقي الإطار التالف. تتضمن تقنيات اكتشاف الأخطاء الأخرى بتات التكافؤ والمجاميع الاختبارية. تسمح طرق تصحيح الأخطاء، مثل تصحيح الأخطاء للأمام، لجهاز الاستقبال بتصحيح الأخطاء دون إعادة الإرسال.
تأطير وحدة بيانات البروتوكول للإرسال عبر الشبكة
محددات إطار البداية والنهاية
يستخدم الإطار أنماط بت محددة في بدايته ونهايته. تُعرف هذه بمحددات الإطار. إنها تساعد جهاز الاستقبال على تحديد مكان بدء الإطار وانتهاءه. وهذا يضمن أن المتلقي يفسر البيانات الموجودة داخل الإطار بشكل صحيح.
التحكم في التدفق في طبقة ارتباط البيانات
يمنع التحكم في التدفق المرسل السريع من إرباك جهاز الاستقبال الأبطأ. وهذا يضمن نقل البيانات بكفاءة. يعد بروتوكول التوقف والانتظار آلية أساسية. يرسل المرسل إطارًا واحدًا وينتظر إقرارًا من جهاز الاستقبال قبل إرسال الإطار التالي. يعد بروتوكول النافذة المنزلقة إصدارًا متقدمًا. يعمل على تحسين كفاءة نقل البيانات من خلال السماح بإرسال إطارات متعددة قبل استلام الإقرارات. وهذا يقلل من وقت الخمول ويحسن استخدام الشبكة.
وحدة بيانات البروتوكول المادي: البتات الموجودة على السلك (الطبقة 1)
رحلة أ وحدة بيانات البروتوكول ويبلغ ذروته في الطبقة المادية. تمثل هذه الطبقة النقل الفعلي لبتات البيانات الأولية عبر وسيط مادي. يقوم بتحويل إطار طبقة ارتباط البيانات إلى إشارات كهربائية أو نبضات ضوئية أو موجات راديو.
تحويل وحدة بيانات البروتوكول إلى بتات
تحويل الإطارات إلى إشارات كهربائية أو نبضات ضوئية
في هذه الطبقة الأساسية، يخضع الإطار من الطبقة الثانية للتحويل إلى دفق من البتات. ثم تتحول هذه البتات إلى إشارة مادية. على سبيل المثال، تقوم بطاقة واجهة الشبكة (NIC) الموجودة في خادم مركز البيانات بتحويل البيانات الرقمية إلى إشارات كهربائية لنقلها عبر الكابلات النحاسية. يمثل كل بت مستوى جهد محدد. وبدلاً من ذلك، بالنسبة لكابلات الألياف الضوئية، يتم نقل البيانات على شكل نبضات ضوئية. تنقل الوسائط اللاسلكية، مثل شبكة Wi-Fi، البيانات عبر موجات الراديو. يستخدم المهندسون تقنيات تعديل مختلفة لتحسين عرض النطاق الترددي ومعدل البيانات. وتشمل هذه تعديل السعة التربيعية (QAM)، ومفتاح إزاحة الطور (PSK)، ومفتاح إزاحة التردد (FSK) . على سبيل المثال، في تقنيات المودم الأقدم، تمثل البتة الواحدة الصوت، وتمثل البتة الصفر الصمت (تعديل AM). استخدم FSK صوتًا عالي الطبقة لبت واحد وصوتًا منخفض الطبقة لصفر بت. يستخدم تشفير الطور طور الإشارة، مما يسمح لكل باود بتشفير بتات متعددة. غالبًا ما تجمع أجهزة المودم الحديثة بين هذه الأساليب للحصول على سرعات أعلى.
وسيلة النقل الخام
تستخدم الطبقة المادية وسائط نقل مختلفة. وتشمل هذه كابلات إيثرنت وموجات راديو Wi-Fi واتصالات USB . تحمل هذه الوسائط الإشارات المحولة. الطبقة المادية مسؤولة عن النقل الفعلي لبتات البيانات الأولية عبر هذه الوسيلة المادية. يعالج الخصائص الفيزيائية لوسط النقل. يتضمن ذلك مستويات الجهد وتوقيت التغييرات والموصلات المادية.
الرحلة غير المرئية لوحدة بيانات البروتوكول المادي
تقنيات التشفير وفك التشفير
تعتبر تقنيات التشفير حاسمة لنقل البيانات بشكل موثوق. يقومون بتحويل البيانات الرقمية إلى تنسيق مناسب للوسيط المادي. على سبيل المثال، يقوم ترميز الخط بتحويل البيانات إلى تقلبات كهربائية . تضمن هذه العملية تدفق البيانات بشكل فعال. ثم يقوم جهاز الاستقبال بفك تشفير هذه الإشارات مرة أخرى إلى وحدات بت رقمية. وهذا يضمن سلامة البيانات المرسلة.
تزامن تدفقات البت
التزامن أمر حيوي في الطبقة المادية. فهو يضمن أن يقوم جهاز الاستقبال بتفسير تدفق البتات الواردة بشكل صحيح. يتم تحقيق مزامنة البت باستخدام ساعة قياسية . ترسل إحدى الحواف البيانات، وتستقبلها الحافة المتأخرة. غالبًا ما تقوم الساعة المشتركة بتشغيل كلا الواجهتين. تعد مزامنة الطبقة المادية طريقة أساسية لمزامنة التردد في الشبكات. ويستخدم عادةً استرداد ساعة الطبقة المادية في كل من أنظمة النقل الرقمية التقليدية والحديثة. آليات استعادة الساعة استخراج معلومات التوقيت مباشرة من الإشارة المستقبلة. تقوم بعض طرق التشفير بدمج إشارات الساعة داخل تدفق البيانات نفسه. تنقل الأنظمة الأخرى إشارات الساعة بشكل مستقل إلى جانب البيانات. تُستخدم أنماط بتات الديباجة أيضًا لمزامنة الإطارات. تساعد هذه الأنماط الخاصة أجهزة الاستقبال على قفل الإشارات الواردة وتحديد التوقيت المناسب.
عملية التغليف: كيف تنزل وحدة بيانات البروتوكول من المكدس
تتضمن رحلة وحدة بيانات البروتوكول (PDU) من طبقة التطبيق إلى الطبقة المادية عملية حاسمة تسمى التغليف. تقوم هذه العملية بإعداد البيانات لإرسالها في نهاية المطاف عبر الشبكة.
إضافة رؤوس ومقطورات إلى وحدة بيانات البروتوكول
أثناء تحرك وحدة PDU إلى أسفل مكدس OSI، تضيف كل طبقة طبقة خاصة بها معلومات التحكم. تضمن هذه المعلومات المعالجة والتسليم المناسبين في تلك الطبقة المحددة.
تتم إضافة المعلومات الخاصة بالطبقة في كل خطوة
تُلحق كل طبقة رأسًا بوحدة PDU التي تتلقاها من الطبقة أعلاه. في بعض الأحيان، تضيف الطبقة أيضًا مقطعًا دعائيًا. تحتوي هذه الإضافات تعليمات حيوية للطبقة النظيرة على الطرف المتلقي. على سبيل المثال، تضيف طبقة النقل أرقام المنافذ لتحديد التطبيق. تضيف طبقة الشبكة عناوين IP للتوجيه. تضيف طبقة ارتباط البيانات عناوين MAC للتسليم المحلي. تضمن هذه الإضافة المنهجية للمعلومات أن تؤدي كل طبقة وظيفتها بشكل صحيح.
"تغليف" البيانات أثناء نزولها
يمكن للمرء أن يتصور التغليف على أنه عملية "تغليف". تصبح PDU لطبقة التطبيق حمولة البيانات لطبقة العرض. تضيف طبقة العرض بعد ذلك رأسها، مما يؤدي إلى إنشاء وحدة PDU جديدة. تصبح وحدة PDU الجديدة هذه بعد ذلك الحمولة لطبقة الجلسة، وهكذا. تقوم كل طبقة بتغليف PDU بشكل فعال من الطبقة أعلاه بمعلومات التحكم الخاصة بها. يؤدي هذا إلى إنشاء بنية متداخلة، تشبه إلى حد كبير الدمى الروسية، حيث تحتوي كل وحدة PDU لكل طبقة على وحدة PDU من الطبقة أعلاه.
التأثير التراكمي على وحدة بيانات البروتوكول
للتغليف تأثير مباشر على حجم وحدة بيانات البروتوكول وسلامتها. يساهم كل رأس أو مقطع دعائي مضاف في الحجم الإجمالي.
زيادة الحجم مع كل طبقة علوية
ومع إضافة كل طبقة لرأسها وأحيانًا مقطورة، يزداد حجم وحدة PDU. ويعني هذا التأثير التراكمي أن وحدة PDU تصبح أكبر عند نزولها إلى المكدس. على سبيل المثال، يؤدي تغليف IPSec عادةً إلى زيادة حجم الحزمة بمقدار 40-60 بايت لكل حزمة . تحدث هذه الزيادة بسبب إضافة رأس IP جديد، ورؤوس الأمان مثل ESP أو AH، وحشوة لخوارزميات التشفير. في أسوأ السيناريوهات، كما هو الحال مع AES-CBC وHMAC-SHA1-96 في وضع نفق ESP، يمكن أن يؤدي تغليف IPSec إلى اقتراب إجمالي الحمل 73 بايت . يتضمن هذا الحمل رؤوس IP النفقية ورؤوس ESP ومتجهات التهيئة والحشو وحقول المقطورة وقيم التحقق من التكامل. على سبيل المثال، يمكن لحزمة IPv4 للنص العادي ذات 31 بايت أن تصبح 104 بايت بعد تغليف ESP، مع 73 بايت من الحمل. يعد هذا الحمل تكلفة ضرورية لوظائف الشبكة وأمانها.
الحفاظ على سلامة البيانات أثناء التغليف
وعلى الرغم من زيادة الحجم، تتضمن عملية التغليف أيضًا آليات للحفاظ على سلامة البيانات. تتضمن وحدات PDU حقولًا محددة لاكتشاف الأخطاء وتصحيحها . غالبًا ما تحتوي المقطورات، خاصة في طبقة ارتباط البيانات، على معلومات التحقق من الأخطاء مثل بيانات فحص التكرار الدوري (CRC) أو بيانات تسلسل فحص الإطار (FCS). . تتضمن هذه التقنيات إنشاء قيمة بناءً على محتوى البيانات. يقوم المرسل بتضمين هذه القيمة مع البيانات. يقوم جهاز الاستقبال بإعادة حساب هذه القيمة ومقارنتها. يشير عدم التطابق إلى وجود خطأ، مما قد يؤدي إلى إعادة الإرسال. تحمل الرؤوس أيضًا معلومات التحكم مثل التسلسل والأعلام. تساعد هذه الميزات في اكتشاف الأخطاء وتصحيحها، مما يضمن وصول الحمولة سليمة في وجهتها.
عملية إلغاء التغليف: كيف تصعد وحدة بيانات البروتوكول إلى المكدس
بعد أ وحدة بيانات البروتوكول يكمل (PDU) رحلته عبر الشبكة، ويصل إلى الجهاز الوجهة. وهنا تبدأ عملية فك التغليف. تعمل هذه العملية على عكس التغليف، مما يسمح لجهاز الاستقبال باستخراج البيانات الأصلية. تقوم كل طبقة على الطرف المتلقي بمعالجة وحدة PDU، وإزالة معلومات التحكم المحددة الخاصة بها.
إزالة الرؤوس والمقطورات من وحدة بيانات البروتوكول
تعمل عملية إلغاء التغليف على فك البيانات بشكل منهجي. تقوم كل طبقة بإزالة الرأس والمقطورة التي تضيفها الطبقة النظيرة لها على جهاز الإرسال.
فك تغليف البيانات أثناء صعودها
عندما تصعد وحدة PDU إلى مكدس OSI، تقوم كل طبقة بإزالة معلومات التحكم ذات الصلة بوظيفتها. يكشف هذا الإلغاء عن وحدة PDU من الطبقة الموجودة أدناه. على سبيل المثال، عندما يصل الإطار إلى طبقة ارتباط البيانات، فإنه يزيل رأس الطبقة الثانية والمقطورة، بما في ذلك تسلسل فحص الإطار. تقوم طبقة الشبكة بعد ذلك بمعالجة الحزمة الناتجة، وإزالة رأس IP. وأخيرًا، تقوم طبقة النقل بإزالة رأس TCP. لا تقوم الطبقات العليا (جلسة العمل، والعرض التقديمي، والتطبيق) بإزالة المزيد من الرؤوس أو المقاطع الدعائية. إنهم ببساطة يعالجون البيانات التي يتلقونها. تضمن هذه الإزالة المنهجية ظهور بيانات التطبيق الأصلية سليمة.
| طبقة OSI | تمت إزالة الرأس/المقطورة |
|---|---|
| طبقة ربط البيانات | رأس الطبقة الثانية والمقطورة (بما في ذلك تسلسل فحص الإطار) |
| طبقة الشبكة | رأس IP |
| طبقة النقل | رأس TCP |
| الطبقات العليا (الجلسة، العرض التقديمي، التطبيق) | لم تتم إزالة أي رؤوس أو مقطورات أخرى |
التحقق وفحص الأخطاء في كل طبقة
تقوم كل طبقة بإجراء عملية تحقق مهمة وفحص الأخطاء أثناء عملية فك التغليف. وهذا يضمن سلامة البيانات والمعالجة السليمة. في الطبقة المادية، تكتشف الأجهزة مشكلات مثل 8B/10B أخطاء فك التشفير أو فقدان الإشارة (LOS) . تشير هذه الإنذارات إلى وجود مشاكل في تدفق البتات الخام. تستخدم طبقة ارتباط البيانات فحص التكرار الدوري (CRC) في مقطورة الإطار لتحديد الإطارات التالفة. فهو يتجاهل أي إطار يفشل في هذا الفحص. كما أنه يتحقق من عناوين MAC للتسليم المحلي الصحيح.
تعمل طبقة الشبكة على تقليل حقل مدة البقاء (TTL). إذا وصلت TTL إلى الصفر، فسيتم تجاهل الحزمة، مما يمنع الحلقات التي لا نهاية لها. كما أنه يتحقق من المجموع الاختباري للرأس لاكتشاف الفساد في رأس IPv4. يتم تجاهل الحزم غير الصالحة. يتم اكتشاف التجزئة من خلال فحص حقول محددة في رؤوس IPv4. في طبقة النقل، بالنسبة لحزم TCP، يقوم النظام بفحصها أرقام التسلسل وأرقام الإقرار وأحجام النوافذ . تتضمن معالجة UDP التحقق من صحة الرأس الأساسي. تتحقق كل طبقة من صحة رأسها وحمولتها باستخدام المجاميع الاختبارية أو طرق التحقق الأخرى. فهو يتجاهل الحزم التي تفشل في التحقق من الصحة وقد يرسل إعلامات بالخطأ.
إعادة بناء وحدة بيانات البروتوكول الأصلية
بعد التحقق بنجاح وإزالة كافة المعلومات الخاصة بالطبقة، يقوم النظام بإعادة بناء البيانات الأصلية.
تسليم البيانات إلى التطبيق الصحيح
ال تقوم عملية إلغاء التغليف في النهاية بتسليم البيانات الأصلية إلى التطبيق المقصود . تحتوي وحدات PDU أو المقاطع الخاصة بطبقة النقل على أرقام منافذ المصدر والوجهة. تعتبر هذه الأرقام ضرورية لتحديد تطبيقات الإرسال والاستقبال المحددة. تحمل الرؤوس، وهي مكونات متكاملة لوحدة PDU، معلومات التحكم مثل عناوين المصدر والوجهة وأكواد التحقق من الأخطاء وتفاصيل التسلسل. وهذا يضمن الترتيب الصحيح للبيانات. تتضمن عملية إلغاء التغليف في الجهاز الوجهة إزالة الرؤوس والمقطورات التي تضيفها كل طبقة. يؤدي هذا إلى تسليم البيانات الأصلية إلى التطبيق الصحيح.
النموذج النهائي لوحدة بيانات بروتوكول طبقة التطبيقات
بمجرد أن تقوم طبقة النقل بتمرير البيانات إلى طبقة الجلسة، ثم من خلال طبقة العرض، تعود وحدة PDU أخيرًا إلى شكلها الأصلي. يصبح طبقة التطبيق PDU. هذه هي البيانات التي أرسلها المستخدم أو التطبيق في البداية. على سبيل المثال، يتم تسليم رسالة بريد إلكتروني أو محتوى صفحة ويب، بعد إعادة بنائها بالكامل، إلى عميل البريد الإلكتروني أو متصفح الويب. تنتهي رحلة وحدة PDU بالتسليم الناجح لبيانات التطبيق.
توضح رحلة وحدة بيانات البروتوكول، من بيانات التطبيق إلى البتات الموجودة على السلك، قوة نموذج OSI. يعد تحويل كل طبقة أمرًا حيويًا لاتصالات البيانات الناجحة والموثوقة عبر الشبكات المعقدة. تضمن هذه العملية المنهجية سلامة البيانات وتسليمها بشكل سليم.
يعد فهم وحدات PDU أمرًا بالغ الأهمية لمحترفي الشبكات وعشاقها . إنه يساعدهم استكشاف المشكلات وإصلاحها، مثل فقدان الحزمة في مراكز البيانات، من خلال تحليل الأرقام التسلسلية. تساعد هذه المعرفة أيضًا في مراقبة حركة المرور واكتشاف الحالات الشاذة. إن نمطية وكفاءة نموذج OSI، التي تم تمكينها بواسطة تحويلات PDU هذه، تسمح بعمليات شبكة قوية وقابلة للتكيف.
التعليمات
ما هي وحدة بيانات البروتوكول (PDU)؟
PDU هي وحدة البيانات تنتقل بين الطبقات النظيرة في نموذج OSI. أنه يحتوي على البيانات ومعلومات التحكم. تقوم كل طبقة بتحويل وحدة PDU، مما يضيف تفاصيل محددة للاتصال.
لماذا تقوم وحدة PDU بتغيير اسمها في طبقات OSI المختلفة؟
تغير وحدة PDU اسمها لتعكس معلومات التحكم المضافة أو المحذوفة في كل طبقة. ويساعد هذا في تحديد شكلها ووظيفتها المحددة داخل تلك الطبقة. على سبيل المثال، هو جزء في طبقة النقل.
ما هو التغليف في سياق وحدات PDU؟
التغليف هو العملية التي تضيف فيها كل طبقة OSI رأسها الخاص (وأحيانًا مقطعًا) إلى وحدة PDU المستلمة من الطبقة أعلاه. يؤدي هذا إلى "التفاف" البيانات بمعلومات التحكم الخاصة بالطبقة أثناء نزولها إلى المكدس.
كيف يعمل فك التغليف؟
Decapsulation هو عكس التغليف. عندما تصعد وحدة PDU إلى مكدس OSI على جهاز الاستقبال، تقوم كل طبقة بإزالة الرأس والمقطورة الخاصة بها. يؤدي هذا إلى إلغاء تغليف بيانات التطبيق الأصلية للتسليم.
ما هو الفرق الرئيسي بين مقطع TCP ومخطط بيانات UDP؟
يوفر مقطع TCP تسليمًا موثوقًا ومنظمًا مع التحقق من الأخطاء والإقرارات. يعطي مخطط بيانات UDP الأولوية للسرعة على الموثوقية، مما يوفر نقلًا أسرع بدون اتصال وبدون ضمانات.
كيف تختلف عناوين IP وعناوين MAC في توجيه PDU؟
توفر عناوين IP عنوانًا منطقيًا للتوجيه العالمي عبر الشبكات. توفر عناوين MAC عنونة فعلية للتسليم المحلي بين الأجهزة الموجودة على نفس قطاع الشبكة. تستخدم أجهزة التوجيه كليهما.
لماذا يعتبر التحقق من الأخطاء مهمًا لوحدات PDU؟
يضمن فحص الأخطاء سلامة البيانات أثناء النقل. تقوم آليات مثل المجموع الاختباري ومراكز CRC بالكشف عن البيانات التالفة. ويؤدي هذا إلى إعادة الإرسال أو التخلص من وحدات PDU المعيبة، مما يضمن دقة المعلومات التي يتم تسليمها.
ماذا يحدث لوحدة PDU في الطبقة المادية؟
في الطبقة المادية، تتحول وحدة PDU إلى بتات خام. تتحول هذه البتات إلى إشارات كهربائية أو نبضات ضوئية أو موجات راديو. ثم يقوم الوسيط المادي بنقل هذه الإشارات عبر الشبكة.