جهاز التوجيه (الحوسبة)

رف يحتوي على جهاز توجيه من فئة مزود الخدمة متصل بشبكات متعددة

جهاز توجيه منزلي مزود بإمكانيات لاسلكية؛ العديد من أجهزة التوجيه المنزلية مثل هذا المثال تجمع بين جهاز التوجيه ونقطة الوصول اللاسلكية والمحول والمودم في وحدة واحدة (انظر أيضًا بوابة سكنية ) .

جهاز التوجيه ^{( الراوتر )} هو جهاز حاسوب وشبكة يقوم بإعادة توجيه حزم البيانات بين شبكات الحاسوب ، بما في ذلك ^{الشبكات} المترابطة مثل الإنترنت العالمي . ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}

تؤدي أجهزة التوجيه وظائف توجيه حركة البيانات على الإنترنت. يتصل جهاز التوجيه بخطين أو أكثر من خطوط البيانات من شبكات IP مختلفة . عندما تصل حزمة بيانات إلى أحد الخطوط، يقرأ جهاز التوجيه عنوان الشبكة في رأس الحزمة لتحديد الوجهة النهائية. ثم، باستخدام المعلومات الموجودة في جدول التوجيه أو سياسة التوجيه ، يوجه الحزمة إلى الشبكة التالية في مسارها. تُعاد توجيه حزمة البيانات من جهاز توجيه إلى آخر عبر شبكة مترابطة حتى تصل إلى عقدة الوجهة . ^{[ 5 ]}

أكثر أنواع أجهزة توجيه بروتوكول الإنترنت شيوعًا هي أجهزة التوجيه المنزلية وأجهزة توجيه المكاتب الصغيرة التي تقوم بتوجيه حزم بروتوكول الإنترنت بين أجهزة الكمبيوتر المنزلية والإنترنت. أما أجهزة التوجيه الأكثر تطورًا، مثل أجهزة توجيه المؤسسات، فتربط شبكات الشركات الكبيرة أو شبكات مزودي خدمة الإنترنت بأجهزة توجيه أساسية قوية تقوم بتوجيه البيانات بسرعة عالية عبر خطوط الألياف الضوئية للعمود الفقري للإنترنت .

يمكن تصنيع أجهزة التوجيه من مكونات حاسوبية قياسية، ولكنها في الغالب عبارة عن حواسيب متخصصة مصممة لأغراض محددة ( أنظمة مضمنة ). استخدمت أجهزة التوجيه القديمة توجيهًا قائمًا على البرمجيات ، يعمل على وحدة المعالجة المركزية . أما الأجهزة الأكثر تطورًا فتستخدم دوائر متكاملة خاصة بالتطبيقات (ASICs) لزيادة الأداء أو إضافة وظائف ترشيح وجدار حماية متقدمة.

طُرحت فكرة عقدة التبديل التي تستخدم البرمجيات وحاسوب الواجهة لأول مرة من قِبل دونالد ديفيز عام 1966 لشبكة المختبر الفيزيائي الوطني (NPL) . ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} وفي العام التالي ، طوّر ويسلي كلارك الفكرة نفسها لاستخدامها في شبكة أربانت (ARPANET )، والتي سُميت بمعالجات رسائل الواجهة (IMPs). ^{[ 9 ]} نُفذ أول حاسوب واجهة في المختبر الفيزيائي الوطني بالمملكة المتحدة في أوائل عام 1969، وتلاه في وقت لاحق من ذلك العام معالجات رسائل الواجهة في جامعة كاليفورنيا، لوس أنجلوس ، ومعهد ستانفورد للأبحاث ، وجامعة كاليفورنيا، سانتا باربرا ، وكلية الحوسبة بجامعة يوتا في الولايات المتحدة. ^{[ 10 ] [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ]} بُنيت جميعها باستخدام معالج هانيويل 516. وكانت لهذه الحواسيب نفس وظائف جهاز التوجيه (الراوتر) الأساسية اليوم.

نشأت فكرة جهاز التوجيه (الذي كان يُسمى آنذاك بوابة ) في البداية من خلال مجموعة دولية من باحثي شبكات الحاسوب تُعرف باسم المجموعة الدولية العاملة في مجال الشبكات (INWG). ^{[ 14 ]} وقد اختلفت أجهزة البوابة هذه عن معظم أنظمة تبديل الحزم السابقة من ناحيتين. أولاً، كانت تربط أنواعًا مختلفة من الشبكات، مثل خطوط الاتصال التسلسلي وشبكات المنطقة المحلية . ثانيًا، كانت أجهزة غير متصلة ، أي أنها لم تكن مسؤولة عن ضمان وصول البيانات بشكل موثوق، تاركةً هذه المهمة بالكامل للأجهزة المضيفة . ^{[ 15 ]} وقد وردت هذه الفكرة تحديدًا، وهي مبدأ الاتصال من طرف إلى طرف ، في أعمال دونالد ديفيز. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

تم استكشاف المفهوم عمليًا من قبل مجموعات مختلفة، بهدف إنتاج نظام عملي للربط الشبكي . وبرزت ثلاثة برامج معاصرة بارزة. كان أولها تطبيقًا لشبكة CYCLADES بإشراف لويس بوزان ، والذي صُمم وطُوّر خلال عامي 1972-1973. ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ]} أما الثاني فكان برنامجًا في مركز أبحاث زيروكس بارك لاستكشاف تقنيات الشبكات الجديدة، والذي أنتج نظام PARC Universal Packet . وبعد فترة من أوائل عام 1974، بدأت أولى أجهزة توجيه زيروكس بالعمل. ونظرًا لمخاوف تتعلق بالملكية الفكرية للشركة، لم يحظَ هذا النظام باهتمام يُذكر خارج زيروكس لسنوات. ^{[ 21 ] [ 22 ]} أما الثالث فكان برنامجًا أطلقته وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (DARPA) ، والذي بدأ خلال عامي 1973-1974. واستند هذا البرنامج إلى عمل البرنامجين السابقين، ^{[ 23 ]} وتوسع بشكل كبير، وأدى إلى إنشاء بنية TCP/IP المستخدمة اليوم. ^{[ 24 ] [ 25 ]} وفرت جامعة لندن (UCL) بوابة بين مجموعات البحث البريطانية وشبكة أربانت (ARPANET) من عام 1973 حتى أواخر الثمانينيات، واستخدمت في ذلك الوقت شبكة ساتنت (SATNET) . ^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]}

طُوِّر أول جهاز توجيه IP حقيقي بواسطة جيني ترافرز في شركة BBN ، كجزء من ذلك الجهد الذي أطلقته وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (DARPA)، خلال الفترة 1975-1976. ^{[ 29 ] [ 30 ]} وبحلول نهاية عام 1976، كانت ثلاثة أجهزة توجيه تعتمد على معالج PDP-11 قيد التشغيل في النموذج التجريبي للإنترنت. ^{[ 31 ]} حصل كل من مايك بريشيا وجيني ترافرز وبوب هيندن على جائزة IEEE للإنترنت عن أجهزة توجيه IP المبكرة في عام 2008. ^{[ 32 ]}

تم ابتكار أول أجهزة توجيه متعددة البروتوكولات بشكل مستقل من قبل باحثين في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا وجامعة ستانفورد عام 1981، وكلاهما كان يعتمد على معالجات PDP-11. قاد برنامج التوجيه في جامعة ستانفورد ويليام ييغر ، بينما قاد برنامج معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا نويل تشيبا . ^{[ 33 ] [ 34 ] [ 35 ] [ 36 ]} تستخدم جميع الشبكات تقريبًا بروتوكول TCP/IP، لكن أجهزة التوجيه متعددة البروتوكولات لا تزال تُصنّع. كانت هذه الأجهزة مهمة في المراحل الأولى لنمو شبكات الحاسوب عندما كانت بروتوكولات أخرى غير TCP/IP مستخدمة. تُعد أجهزة التوجيه الحديثة التي تدعم كلاً من IPv4 وIPv6 متعددة البروتوكولات، لكنها أبسط من تلك التي تعالج بروتوكولات AppleTalk وDECnet وIPX وXerox.

منذ منتصف سبعينيات القرن الماضي وحتى ثمانينياته، استُخدمت الحواسيب الصغيرة متعددة الأغراض كأجهزة توجيه. أما أجهزة التوجيه الحديثة عالية السرعة فهي عبارة عن معالجات شبكية أو حواسيب متخصصة للغاية مزودة بتسريع إضافي للأجهزة لتسريع وظائف التوجيه الشائعة، مثل إعادة توجيه الحزم، ووظائف متخصصة مثل تشفير IPsec . ويُستخدم على نطاق واسع أجهزة تعمل ببرمجيات لينكس ويونكس ، وتُشغّل برامج توجيه مفتوحة المصدر ، لأغراض البحث والتطبيقات الأخرى. وقد صُمم نظام التشغيل Cisco IOS بشكل مستقل. أما أنظمة تشغيل أجهزة التوجيه الرئيسية، مثل Junos و NX-OS ، فهي نسخ مُعدّلة بشكل كبير من برمجيات يونكس.

عند استخدام عدة أجهزة توجيه في الشبكات المترابطة، يمكن لهذه الأجهزة تبادل معلومات حول عناوين الوجهة باستخدام بروتوكول توجيه . يقوم كل جهاز توجيه بإنشاء جدول توجيه ، وهو عبارة عن قائمة بالمسارات، بين نظامي حاسوب على الشبكات المترابطة. ^{[ 37 ] [ 38 ]}

يتكون البرنامج الذي يشغل جهاز التوجيه من وحدتي معالجة وظيفيتين تعملان في وقت واحد، وتسمى هذه الوحدات بالمستويات : ^{[ 39 ]}

• مستوى التحكم : يحتفظ جهاز التوجيه بجدول توجيه يُحدد المسار الأمثل لتوجيه حزمة البيانات، وعبر أي اتصال فعلي. ويتم ذلك باستخدام توجيهات داخلية مُعدة مسبقًا، تُسمى المسارات الثابتة ، أو عن طريق تعلم المسارات ديناميكيًا باستخدام بروتوكول توجيه. تُخزن المسارات الثابتة والديناميكية في جدول التوجيه. ثم يقوم منطق مستوى التحكم بإزالة التوجيهات غير الضرورية من الجدول، ويُنشئ قاعدة معلومات التوجيه (FIB) لاستخدامها من قِبل مستوى التوجيه.
• وحدة التوجيه : تقوم هذه الوحدة بتوجيه حزم البيانات بين اتصالات الواجهة الواردة والصادرة. تقرأ رأس كل حزمة عند وصولها، وتطابق الوجهة مع المدخلات الموجودة في جدول توجيه الحزم (FIB) المُقدم من مستوى التحكم، وتوجه الحزمة إلى الشبكة الصادرة المحددة في جدول توجيه الحزم.

قد يحتوي جهاز التوجيه على منافذ لأنواع متعددة من اتصالات الطبقة الفيزيائية ، مثل كابلات النحاس، والألياف الضوئية ، أو الإرسال اللاسلكي . كما يدعم معايير نقل متعددة على مستوى الشبكة . تُستخدم كل منفذ شبكة لتمكين إعادة توجيه حزم البيانات من نظام نقل إلى آخر. ويمكن أيضًا استخدام أجهزة التوجيه لربط مجموعتين أو أكثر من مجموعات أجهزة الكمبيوتر المنطقية المعروفة باسم الشبكات الفرعية ، ولكل منها بادئة شبكة فريدة .

قد توفر أجهزة التوجيه الاتصال داخل المؤسسات، أو بين المؤسسات والإنترنت، أو بين شبكات مزودي خدمة الإنترنت ؛ كما أنها مسؤولة عن توجيه البيانات بين الشبكات المختلفة. ^{[ 40 ]} تربط أجهزة التوجيه الأكبر حجمًا (مثل Cisco CRS-1 أو Juniper PTX) بين مختلف مزودي خدمة الإنترنت، أو قد تُستخدم في شبكات المؤسسات الكبيرة. ^{[ 41 ]} أما أجهزة التوجيه الأصغر حجمًا، فتُستخدم عادةً لتوفير الاتصال لشبكات المنازل والمكاتب النموذجية.

توجد أجهزة التوجيه بجميع أحجامها داخل المؤسسات. ^{[ 42 ]} عادةً ما توجد أجهزة التوجيه الأقوى في شركات تزويد خدمات الإنترنت، والمؤسسات الأكاديمية والبحثية. وقد تحتاج الشركات الكبيرة أيضًا إلى أجهزة توجيه أكثر قوة لمواكبة الطلب المتزايد باستمرار على حركة بيانات الشبكة الداخلية . ويُستخدم نموذج الربط الشبكي الهرمي لربط أجهزة التوجيه في الشبكات الكبيرة بشكل شائع. ^{[ 43 ]} يمكن لبعض أجهزة التوجيه الاتصال بوحدات خدمة البيانات لاتصالات T1 ^{[ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]} عبر المنافذ التسلسلية. ^{[ 47 ] [ 48 ]}

الوصول والأساس والتوزيع

يقسم نموذج الربط الشبكي الهرمي شبكات المؤسسات إلى ثلاث طبقات: الطبقة الأساسية، وطبقة التوزيع، وطبقة الوصول.

تُستخدم أجهزة توجيه الوصول، بما في ذلك طرازات المكاتب الصغيرة/المكاتب المنزلية (SOHO)، في المنازل ومواقع العملاء مثل الفروع التي لا تحتاج إلى توجيه هرمي خاص بها. وعادةً ما تُصمم هذه الأجهزة لتكون منخفضة التكلفة. بعض أجهزة توجيه SOHO قادرة على تشغيل برامج ثابتة بديلة مجانية مبنية على نظام لينكس مثل Tomato و OpenWrt و DD-WRT . ^{[ 49 ]}

تقوم أجهزة توجيه التوزيع بتجميع حركة البيانات من عدة أجهزة توجيه وصول. وغالبًا ما تكون هذه الأجهزة مسؤولة عن ضمان جودة الخدمة عبر شبكة واسعة النطاق (WAN)، لذا قد تحتوي على ذاكرة كبيرة، ووصلات متعددة لواجهة WAN، ووحدات معالجة بيانات داخلية متطورة. كما قد توفر أيضًا إمكانية الاتصال بمجموعات من خوادم الملفات أو شبكات خارجية أخرى. ^{[ 50 ]}

في المؤسسات، قد يوفر جهاز التوجيه الأساسي بنية أساسية مدمجة تربط أجهزة التوجيه الموزعة من مبانٍ متعددة في الحرم الجامعي، أو مواقع المؤسسة الكبيرة. وعادةً ما تكون هذه الأجهزة مُحسَّنة لعرض نطاق ترددي عالٍ، لكنها تفتقر إلى بعض ميزات أجهزة التوجيه الطرفية. ^{[ 51 ]}

يتمثل الغرض الرئيسي من جهاز التوجيه في ربط شبكات متعددة وتوجيه الحزم المتجهة إما إلى الشبكات المتصلة مباشرةً أو إلى شبكات أبعد. يُعتبر جهاز التوجيه جهازًا من الطبقة الثالثة لأن قرار التوجيه الأساسي لديه يعتمد على المعلومات الموجودة في حزمة بروتوكول الإنترنت (IP) من الطبقة الثالثة، وتحديدًا عنوان IP الوجهة. عندما يستقبل جهاز التوجيه حزمة، فإنه يبحث في جدول التوجيه الخاص به للعثور على أفضل تطابق بين عنوان IP الوجهة للحزمة وأحد العناوين الموجودة في جدول التوجيه. بمجرد العثور على تطابق، يتم تغليف الحزمة في إطار ربط البيانات من الطبقة الثانية للواجهة الصادرة المشار إليها في مدخل الجدول. عادةً لا ينظر جهاز التوجيه إلى حمولة الحزمة، ^{[ 62 ]} بل ينظر فقط إلى عناوين الطبقة الثالثة لاتخاذ قرار التوجيه، بالإضافة إلى معلومات أخرى اختيارية في رأس الحزمة للحصول على تلميحات حول، على سبيل المثال، جودة الخدمة (QoS). بالنسبة لتوجيه بروتوكول الإنترنت (IP) البحت، يُصمم جهاز التوجيه لتقليل معلومات الحالة المرتبطة بالحزم الفردية. ^{[ 63 ]} بمجرد توجيه الحزمة، لا يحتفظ جهاز التوجيه بأي معلومات تاريخية عنها. ^{[ ب ]}

يمكن أن يحتوي جدول التوجيه نفسه على معلومات مستمدة من مصادر متنوعة، مثل المسارات الافتراضية أو الثابتة التي يتم تكوينها يدويًا، أو الإدخالات الديناميكية من بروتوكولات التوجيه حيث يتعلم الموجه المسارات من موجهات أخرى. المسار الافتراضي هو المسار المستخدم لتوجيه جميع حركة البيانات التي لا تظهر وجهتها في جدول التوجيه؛ وهو شائع  - بل ضروري  - في الشبكات الصغيرة، مثل المنازل أو الشركات الصغيرة، حيث يرسل المسار الافتراضي ببساطة جميع حركة البيانات غير المحلية إلى مزود خدمة الإنترنت . يمكن تكوين المسار الافتراضي يدويًا (كمسار ثابت)؛ أو تعلمه بواسطة بروتوكولات التوجيه الديناميكية؛ أو الحصول عليه من خلال بروتوكول DHCP . ^{[ ج ] [ 64 ]}

يمكن لجهاز التوجيه تشغيل أكثر من بروتوكول توجيه واحد في الوقت نفسه، لا سيما إذا كان يعمل كجهاز توجيه حدودي مستقل بين أجزاء الشبكة التي تشغل بروتوكولات توجيه مختلفة؛ وفي هذه الحالة، يمكن استخدام إعادة التوزيع (عادةً بشكل انتقائي) لتبادل المعلومات بين البروتوكولات المختلفة التي تعمل على جهاز التوجيه نفسه. ^{[ 65 ]}

إلى جانب تحديد الواجهة التي تُوجَّه إليها الحزمة، وهو ما يُدار بشكل أساسي عبر جدول التوجيه، يتعين على الموجه أيضًا إدارة الازدحام عندما تصل الحزم بمعدل يفوق قدرته على المعالجة. ثلاث سياسات شائعة الاستخدام هي: إسقاط الحزم المتأخرة ، والكشف المبكر العشوائي (RED)، والكشف المبكر العشوائي الموزون (WRED). إسقاط الحزم المتأخرة هو الأبسط والأسهل تطبيقًا: إذ يقوم الموجه ببساطة بإسقاط الحزم الواردة الجديدة بمجرد امتلاء مساحة التخزين المؤقت لديه. أما الكشف المبكر العشوائي (RED) فيقوم بإسقاط حزم البيانات مبكرًا بشكل احتمالي عندما يتجاوز حجم قائمة الانتظار جزءًا محددًا مسبقًا من مساحة التخزين المؤقت، حتى يصل إلى حد أقصى محدد مسبقًا، وعندها يقوم بإسقاط جميع الحزم الواردة، وبالتالي يعود إلى إسقاط الحزم المتأخرة. ويمكن تهيئة الكشف المبكر العشوائي الموزون (WRED) لإسقاط الحزم بسهولة أكبر اعتمادًا على نوع حركة البيانات.

من الوظائف الأخرى التي يؤديها جهاز التوجيه تصنيف حركة البيانات وتحديد أي حزمة بيانات يجب معالجتها أولاً. تتم إدارة ذلك من خلال جودة الخدمة (QoS) ، وهو أمر بالغ الأهمية عند نشر تقنية الصوت عبر بروتوكول الإنترنت (VoIP) ، وذلك لتجنب زيادة زمن الاستجابة بشكل مفرط . ^{[ 66 ]}

ومن الوظائف الأخرى التي يؤديها جهاز التوجيه ما يسمى بالتوجيه القائم على السياسات ، حيث يتم إنشاء قواعد خاصة لتجاوز القواعد المستمدة من جدول التوجيه عند اتخاذ قرار إعادة توجيه الحزمة. ^{[ 67 ]}

قد تُنفَّذ بعض الوظائف عبر دائرة متكاملة خاصة بالتطبيق (ASIC) لتجنب عبء جدولة وقت وحدة المعالجة المركزية لمعالجة الحزم. بينما قد يتعين تنفيذ وظائف أخرى عبر وحدة المعالجة المركزية لأن هذه الحزم تتطلب عناية خاصة لا تستطيع الدائرة المتكاملة الخاصة بالتطبيق (ASIC) التعامل معها. ^{[ 68 ]}

• مودم النطاق العريض المتنقل
• مودم
• بوابة سكنية
• واجهة التبديل الافتراضية
• جهاز توجيه لاسلكي