التوجيه

التوجيه هو عملية اختيار مسار لحركة البيانات في شبكة واحدة أو بين شبكات متعددة أو عبرها. وبشكل عام، يتم تنفيذ التوجيه في أنواع عديدة من الشبكات، بما في ذلك الشبكات ذات التحويل الدائري ، مثل شبكة الهاتف العامة المحولة (PSTN)، وشبكات الحاسوب ، مثل الإنترنت .

في شبكات تبديل الحزم، يُعد التوجيه عملية اتخاذ القرار على مستوى أعلى، حيث يُوجّه حزم الشبكة من مصدرها إلى وجهتها عبر عُقد الشبكة الوسيطة باستخدام آليات توجيه حزم مُحددة. توجيه الحزم هو عملية نقل حزم الشبكة من واجهة شبكة إلى أخرى. عادةً ما تكون العُقد الوسيطة أجهزة شبكة مثل أجهزة التوجيه ، والبوابات ، وجدران الحماية ، والمُبدّلات . كما تقوم الحواسيب العامة بتوجيه الحزم وتنفيذ التوجيه، على الرغم من عدم امتلاكها أجهزة مُحسّنة خصيصًا لهذه المهمة.

تعتمد عملية التوجيه عادةً على جداول التوجيه . تحتفظ جداول التوجيه بسجل للمسارات إلى وجهات الشبكة المختلفة. يمكن تحديد جداول التوجيه من قِبل مسؤول النظام، أو استخلاصها من خلال مراقبة حركة مرور الشبكة، أو إنشاؤها بمساعدة بروتوكولات التوجيه .

يشير التوجيه، بمعناه الضيق، غالبًا إلى توجيه بروتوكول الإنترنت (IP) ويُقابله الربط . يفترض توجيه بروتوكول الإنترنت أن عناوين الشبكة مُهيكلة، وأن تشابه العناوين يدل على التقارب داخل الشبكة. تسمح العناوين المُهيكلة بتمثيل مسار مجموعة من الأجهزة في مدخل واحد في جدول التوجيه. في الشبكات الكبيرة، يتفوق التوجيه المُهيكل (بالمعنى الضيق) على التوجيه غير المُهيكل (الربط). أصبح التوجيه الشكل السائد للعنونة على الإنترنت، بينما لا يزال الربط شائع الاستخدام في الشبكات المحلية .

مخططات التوجيه
أحادي البث
إذاعة
البث المتعدد
Anycast

تختلف أنظمة التوجيه في كيفية توصيل الرسائل:

• يقوم الإرسال الأحادي بتسليم رسالة إلى عقدة محددة واحدة باستخدام ارتباط واحد لواحد بين المرسل والوجهة: يحدد كل عنوان وجهة بشكل فريد نقطة نهاية استقبال واحدة.
• تُرسل عملية البث رسالةً إلى جميع العُقد في الشبكة باستخدام ارتباط من واحد إلى الكل ؛ حيث يتم توجيه حزمة بيانات واحدة (أو حزمة بيانات ) من مُرسِل واحد إلى جميع نقاط النهاية المُحتملة المُرتبطة بعنوان البث . تقوم الشبكة تلقائيًا بنسخ حزم البيانات حسب الحاجة للوصول إلى جميع المُستلمين ضمن نطاق البث، والذي يكون عادةً شبكة فرعية كاملة .
• تُرسل تقنية البث المتعدد رسالةً إلى مجموعة من العُقد التي أبدت اهتمامًا باستلامها، وذلك باستخدام علاقة من واحد إلى متعدد من متعدد أو من متعدد إلى متعدد من متعدد ؛ حيث تُوجّه حزم البيانات في وقت واحد ضمن عملية إرسال واحدة إلى العديد من المُستلمين. ويختلف البث المتعدد عن البث العام في أن عنوان الوجهة يُحدد مجموعة فرعية، وليس بالضرورة جميع العُقد المُتاحة.
• تُرسل تقنية Anycast رسالةً إلى أي عقدة من مجموعة عقد، عادةً الأقرب إلى المصدر، باستخدام علاقة واحد إلى واحد من بين عدة عقد ^{[ 1 ]} ، حيث تُوجّه حزم البيانات إلى أي عضو من مجموعة من المستلمين المحتملين الذين يُعرّفون جميعًا بنفس عنوان الوجهة. وتختار خوارزمية التوجيه المستلم الوحيد من المجموعة بناءً على أقرب مستلم وفقًا لمقياس المسافة أو التكلفة.

يُعدّ البث الأحادي الشكل السائد لتوصيل الرسائل على الإنترنت. وتركز هذه المقالة على خوارزميات توجيه البث الأحادي.

في حالة التوجيه الثابت ، قد تستخدم الشبكات الصغيرة جداول توجيه مُهيأة يدويًا. أما الشبكات الأكبر حجمًا، فتتميز ببنية معقدة قابلة للتغيير السريع، مما يجعل إنشاء جداول التوجيه يدويًا أمرًا غير عملي. ومع ذلك، تستخدم معظم شبكات الهاتف العامة المُحولة (PSTN) جداول توجيه مُحسوبة مسبقًا، مع مسارات احتياطية في حال تعطل المسار المباشر (انظر التوجيه في شبكة الهاتف العامة المُحولة ).

تحاول تقنية التوجيه الديناميكي حل هذه المشكلة من خلال إنشاء جداول التوجيه تلقائيًا، استنادًا إلى المعلومات التي تحملها بروتوكولات التوجيه ، مما يسمح للشبكة بالعمل بشكل شبه مستقل لتجنب أعطال الشبكة وانقطاعاتها. يهيمن التوجيه الديناميكي على الإنترنت. ومن أمثلة بروتوكولات وخوارزميات التوجيه الديناميكي: بروتوكول معلومات التوجيه (RIP)، وبروتوكول فتح أقصر مسار أولًا (OSPF)، وبروتوكول توجيه البوابة الداخلية المحسّن (EIGRP).

تتضمن عملية اختيار المسار تطبيق مقياس توجيه على مسارات متعددة لاختيار (أو توقع) أفضل مسار. تستخدم معظم خوارزميات التوجيه مسار شبكة واحد فقط في كل مرة. أما التوجيه متعدد المسارات ، وتحديدًا تقنيات التوجيه متعدد المسارات متساوية التكلفة، فتتيح استخدام مسارات بديلة متعددة.

In computer networking, the metric is computed by a routing algorithm, and can cover information such as bandwidth, network delay, hop count, path cost, load, maximum transmission unit, reliability, and communication cost.^[4] The routing table stores only the best possible routes, while link-state or topological databases may store all other information as well.

In case of overlapping or equal routes, algorithms consider the following elements in priority order to decide which routes to install into the routing table:

1. Prefix length: A matching route table entry with a longer subnet mask is always preferred, as it specifies the destination more exactly.
2. Metric: When comparing routes learned via the same routing protocol, a lower metric is preferred. Metrics cannot be compared between routes learned from different routing protocols.
3. Administrative distance: When comparing route table entries from different sources, such as different routing protocols and static configuration, a lower administrative distance indicates a more reliable source and thus a preferred route.

Because a routing metric is specific to a given routing protocol, multi-protocol routers must use some external heuristic to select between routes learned from different routing protocols. Cisco routers, for example, attribute a value known as the administrative distance to each route, where smaller administrative distances indicate routes learned from a protocol assumed to be more reliable.

A local administrator can set up host-specific routes that provide more control over network usage, permit testing, and better overall security. This is useful for debugging network connections or routing tables.

In some small systems, a single central device decides ahead of time the complete path of every packet. In some other small systems, whichever edge device injects a packet into the network decides ahead of time the complete path of that particular packet. In either case, the route-planning device needs to know a lot of information about what devices are connected to the network and how they are connected to each other. Once it has this information, it can use an algorithm such as A* search algorithm to find the best path.

في الأنظمة عالية السرعة، يُرسل عدد هائل من الحزم كل ثانية، ما يجعل من المستحيل عمليًا على جهاز واحد حساب المسار الكامل لكل حزمة. عالجت الأنظمة عالية السرعة القديمة هذه المشكلة بتقنية تبديل الدوائر ، حيث يتم إنشاء مسار واحد للحزمة الأولى بين مصدر ووجهة محددين؛ وتستمر الحزم اللاحقة بين المصدر والوجهة نفسيهما في اتباع المسار نفسه دون إعادة حسابه حتى انتهاء عمل الدائرة . أما الأنظمة عالية السرعة الحديثة، فتقوم بحقن الحزم في الشبكة دون أن يقوم أي جهاز بحساب المسار الكامل لها.

في الأنظمة الكبيرة، تتعدد الاتصالات بين الأجهزة وتتغير هذه الاتصالات باستمرار، ما يجعل من المستحيل عمليًا على أي جهاز معرفة كيفية اتصال جميع الأجهزة ببعضها، فضلًا عن حساب مسار كامل بينها. تستخدم هذه الأنظمة عادةً توجيه القفزة التالية .

تستخدم معظم الأنظمة خوارزمية توجيه ديناميكية حتمية . فعندما يختار جهاز مسارًا إلى وجهة نهائية معينة، فإنه يختار دائمًا نفس المسار إلى تلك الوجهة حتى يتلقى معلومات تجعله يعتقد أن هناك مسارًا آخر أفضل.

لا تستخدم بعض خوارزميات التوجيه خوارزمية حتمية لإيجاد أفضل مسار لحزمة بيانات من مصدرها الأصلي إلى وجهتها النهائية. بدلاً من ذلك، ولتجنب نقاط الازدحام في أنظمة حزم البيانات، تستخدم بعض الخوارزميات خوارزمية عشوائية - نموذج فاليانت - تُوجّه مسارًا إلى وجهة وسيطة مختارة عشوائيًا، ومن هناك إلى وجهتها النهائية الحقيقية. ^{[ 5 ] [ 6 ]} في العديد من مقاسم الهاتف القديمة، كان يُستخدم مُولِّد عشوائي غالبًا لاختيار بداية المسار عبر بنية تبديل متعددة المراحل .

تختلف المقاييس المستخدمة باختلاف التطبيق الذي يُجرى من أجله اختيار المسار. فعلى سبيل المثال، بالنسبة لطلبات الويب، يمكن استخدام المسارات ذات زمن الاستجابة الأدنى لتقليل وقت تحميل صفحات الويب، أو بالنسبة لعمليات نقل البيانات الضخمة، يمكن اختيار المسار الأقل استخدامًا لتحقيق توازن الحمل على الشبكة وزيادة الإنتاجية. ومن الأهداف الشائعة لاختيار المسار تقليل متوسط ​​أوقات إتمام تدفقات البيانات واستهلاك عرض النطاق الترددي للشبكة. وقد اقتُرح مؤخرًا مقياس لاختيار المسار يحسب إجمالي عدد البايتات المُجدولة على حواف كل مسار كمقياس للاختيار. ^{[ 7 ]} وقد نُشر تحليل تجريبي لعدة مقاييس لاختيار المسار، بما في ذلك هذا المقترح الجديد. ^{[ 8 ]}

في بعض الشبكات، يصبح التوجيه معقدًا نظرًا لعدم وجود جهة واحدة مسؤولة عن اختيار المسارات؛ بل تشارك جهات متعددة في اختيار المسارات أو حتى أجزاء من مسار واحد. وقد ينتج عن ذلك تعقيدات أو عدم كفاءة إذا اختارت هذه الجهات مسارات لتحقيق أهدافها الخاصة، مما قد يتعارض مع أهداف المشاركين الآخرين.

من الأمثلة الكلاسيكية على ذلك حركة المرور في شبكة الطرق، حيث يختار كل سائق مسارًا يقلل من وقت سفره. مع هذا النوع من التوجيه، قد تكون مسارات التوازن أطول من المسارات المثلى لجميع السائقين. وعلى وجه الخصوص، تُظهر مفارقة برايس أن إضافة طريق جديد قد تُطيل أوقات السفر لجميع السائقين.

في نموذج الوكيل الواحد المستخدم، على سبيل المثال، لتوجيه المركبات الموجهة آلياً (AGVs) في محطة طرفية، يتم حجز مساحة لكل مركبة لمنع الاستخدام المتزامن لنفس جزء البنية التحتية. ويُشار إلى هذا النهج أيضاً باسم التوجيه الواعي بالسياق. ^{[ 9 ]}

ينقسم الإنترنت إلى أنظمة مستقلة (ASs) مثل مزودي خدمة الإنترنت (ISPs)، حيث يتحكم كل منها في المسارات التي تمر عبر شبكته. ويتم التوجيه على مستويات متعددة. أولًا، تُختار المسارات على مستوى النظام المستقل (AS) عبر بروتوكول BGP الذي يُنشئ سلسلة من الأنظمة المستقلة التي تتدفق عبرها الحزم. قد يمتلك كل نظام مستقل مسارات متعددة، تُقدمها الأنظمة المستقلة المجاورة، للاختيار من بينها. غالبًا ما ترتبط قرارات التوجيه هذه بالعلاقات التجارية مع هذه الأنظمة المستقلة المجاورة، ^{[ 10 ]} والتي قد لا تكون مرتبطة بجودة المسار أو زمن الاستجابة. ثانيًا، بمجرد اختيار مسار على مستوى النظام المستقل، غالبًا ما تتوفر مسارات متعددة مقابلة على مستوى الموجه للاختيار من بينها. ويرجع ذلك جزئيًا إلى إمكانية اتصال مزودي خدمة الإنترنت عبر اتصالات متعددة. عند اختيار المسار الوحيد على مستوى الموجه، من الممارسات الشائعة لكل مزود خدمة إنترنت استخدام توجيه "البطاطا الساخنة" : إرسال حركة البيانات على طول المسار الذي يُقلل المسافة عبر شبكة مزود خدمة الإنترنت الخاصة به - حتى لو أدى ذلك المسار إلى زيادة المسافة الإجمالية إلى الوجهة.

على سبيل المثال، لنفترض وجود مزودي خدمة إنترنت، أ و ب . لكل منهما وجود في نيويورك ، ويرتبطان برابط سريع ذي زمن استجابة منخفض.5 مللي ثانية  - ولكل منهما وجود في لندن متصل برابط مدته 5  مللي ثانية. لنفترض أن مزودي خدمة الإنترنت لديهم روابط عبر الأطلسي تربط شبكتيهما، ولكن Aيبلغ زمن استجابة الرابط 100  مللي ثانية و Bيبلغ زمن الاستجابة 120  مللي ثانية. عند توجيه رسالة من مصدر في Aشبكة لندن إلى وجهة في Bفي شبكة نيويورك، قد يختار المستخدم (أ) إرسال الرسالة فورًا إلى المستخدم (ب) في لندن. يوفر هذا على (أ) عناء إرسالها عبر رابط مكلف عبر المحيط الأطلسي، ولكنه يتسبب في تأخير الرسالة بمقدار 125  مللي ثانية، بينما كان المسار الآخر  أسرع بمقدار 20 مللي ثانية.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن ملاحظة تحدٍّ مماثل في توجيه البيانات في الشبكات الخلوية، حيث تُوجَّه حزم بيانات مختلفة إلى نقاط نهاية متنوعة، ويُظهر كل رابط كفاءة طيفية متفاوتة. في هذا السياق، يتضمن اختيار المسار الأمثل مراعاة زمن الاستجابة ومعدل خطأ الحزم. ولمعالجة هذا الأمر، تلعب كيانات مستقلة متعددة، كيان واحد لكل محطة أساسية، دورًا حاسمًا في اختيار المسار مع السعي لتحسين أداء الشبكة بشكل عام. ^{[ 11 ]}

أظهرت دراسة قياس مسارات الإنترنت التي أُجريت عام ٢٠٠٣ أن أكثر من ٣٠٪ من المسارات بين أزواج من مزودي خدمة الإنترنت المتجاورين تعاني من زيادة في زمن الاستجابة نتيجةً لبروتوكول التوجيه السريع (Hot-potato)، حيث تأخرت ٥٪ من المسارات بما لا يقل عن ١٢  مللي ثانية. وعلى الرغم من أن الزيادة في زمن الاستجابة الناتجة عن اختيار المسار على مستوى نظام التوجيه المستقل (AS) كبيرة، إلا أنها تُعزى في المقام الأول إلى افتقار بروتوكول BGP لآلية تُحسّن زمن الاستجابة بشكل مباشر، وليس إلى سياسات التوجيه الأنانية. كما أشارت الدراسة إلى أنه في حال وجود آلية مناسبة، فإن مزودي خدمة الإنترنت سيكونون على استعداد للتعاون لتقليل زمن الاستجابة بدلاً من استخدام بروتوكول التوجيه السريع. ^{[ ١٢ ]} وقد نشر المؤلفون أنفسهم هذه الآلية لاحقًا، أولاً لحالة مزودي خدمة إنترنت اثنين ^{[ ١٣ ]} ثم للحالة العالمية. ^{[ ١٤ ]}

مع ازدياد أهمية الإنترنت وشبكات بروتوكول الإنترنت كأدوات أساسية في الأعمال، ازداد الاهتمام بتقنيات وأساليب مراقبة حالة التوجيه في الشبكات. فالتوجيه غير الصحيح أو مشاكل التوجيه تتسبب في تدهور غير مرغوب فيه في الأداء، وتقلبات في الاتصال ، أو انقطاع الخدمة. وتُستخدم أدوات وتقنيات تحليل التوجيه لمراقبة التوجيه في الشبكة. ^{[ 15 ]}

في الشبكات التي تتوفر فيها إمكانية التحكم المركزي المنطقي في حالة التوجيه، كما هو الحال في الشبكات المعرفة بالبرمجيات ، يمكن استخدام تقنيات التوجيه التي تهدف إلى تحسين مقاييس الأداء العالمية وعلى مستوى الشبكة ككل. وقد استخدمت هذه التقنيات شركات الإنترنت الكبرى التي تدير العديد من مراكز البيانات في مواقع جغرافية مختلفة متصلة عبر وصلات بصرية خاصة، ومن أمثلتها شبكة مايكروسوفت العالمية الواسعة (Global WAN) ^{[ 16 ]} ، وشبكة فيسبوك إكسبريس باكبون (Express Backbone) ^{[ 17 ]} ، وشبكة جوجل بي 4 (B4) ^{[ 18 ] .}

تشمل مقاييس الأداء العالمية التي يجب تحسينها: زيادة استخدام الشبكة إلى أقصى حد، وتقليل أوقات إتمام تدفق البيانات، وزيادة حجم البيانات المُسلّمة قبل المواعيد النهائية المحددة، وتقليل أوقات إتمام التدفقات. ^{[ 19 ]} تتناول دراسة لاحقة عبر شبكة WAN خاصة نمذجة التوجيه كمشكلة تحسين للرسم البياني عن طريق دفع جميع البيانات المُنتظرة في قائمة الانتظار إلى نقاط النهاية. كما يقترح الباحثون طريقة استدلالية لحل المشكلة بكفاءة مع التضحية بأداء ضئيل. ^{[ 20 ]}

• مسألة العد إلى ما لا نهاية
• "ميزات الاستقرار" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 25-09-2015.طرق لتجنب مشكلة العد إلى ما لا نهاية
• دراسات حالة تقنية المعلومات من سيسكو حول التوجيه والتحويل
• "توجيه بروتوكول الإنترنت والشبكات الفرعية" . www.eventhelix.com . تاريخ الاسترجاع: 28 أبريل 2018 .