مستوى البيانات

الموسوعة الحرة
Cisco VIP 2-40، من جيل أقدم من أجهزة التوجيه
معالج توجيه عالي الأداء، من سلسلة Cisco 12000 المتطورة

في مجال التوجيه ، تُعرّف طبقة البيانات ، والتي تُسمى أحيانًا طبقة التوجيه أو طبقة المستخدم ، الجزء من بنية الموجّه المسؤول عن تحديد كيفية التعامل مع الحزم الواردة عبر واجهة الإدخال. ويُشير هذا المصطلح عادةً إلى جدول يبحث فيه الموجّه عن عنوان وجهة الحزمة الواردة، ويسترجع المعلومات اللازمة لتحديد المسار من عنصر الاستقبال، مرورًا ببنية التوجيه الداخلية للموجّه، وصولًا إلى واجهة (واجهات) الإخراج المناسبة.

في بعض الحالات، قد يُحدد الجدول أنه يجب تجاهل حزمة بيانات. في هذه الحالة، قد يُعيد الموجّه رسالة ICMP "الوجهة غير قابلة للوصول" أو رمزًا مناسبًا آخر. مع ذلك، تنص بعض سياسات الأمان على أن يقوم الموجّه بإسقاط الحزمة بصمت، حتى لا يكتشف أي مهاجم محتمل أن الهدف محمي.

سيقوم عنصر إعادة التوجيه الوارد أيضًا بتقليل قيمة حقل وقت البقاء (TTL) للحزمة، وإذا كانت القيمة الجديدة صفرًا، فسيتم تجاهل الحزمة. في حين أن مواصفات بروتوكول الإنترنت (IP) تشير إلى أنه يجب إرسال رسالة بروتوكول رسائل التحكم في الإنترنت (ICMP) تفيد بتجاوز وقت البقاء إلى مُنشئ الحزمة (أي العقدة المشار إليها بواسطة عنوان المصدر)، فقد يتم تكوين جهاز التوجيه لتجاهل الحزمة بصمت (وفقًا لسياسات الأمان).

بحسب تصميم جهاز التوجيه، قد يكون الجدول الذي يُبحث فيه عن عنوان الوجهة هو جدول التوجيه (المعروف أيضًا بقاعدة معلومات التوجيه، RIB)، أو قاعدة معلومات إعادة توجيه منفصلة (FIB) يتم ملؤها (أي تحميلها) بواسطة مستوى التحكم في التوجيه ، ولكن يستخدمها مستوى إعادة التوجيه للبحث بسرعات أعلى بكثير. قبل أو بعد فحص الوجهة، قد يتم الرجوع إلى جداول أخرى لتحديد كيفية التعامل مع الحزم بناءً على خصائص أخرى، مثل عنوان المصدر، أو حقل مُعرِّف بروتوكول الإنترنت (IP)، أو رقم منفذ بروتوكول التحكم في الإرسال (TCP) أو بروتوكول بيانات المستخدم (UDP).

تُنفَّذ وظائف مستوى التوجيه في عنصر التوجيه. [ 1 ] غالبًا ما تحتوي أجهزة التوجيه عالية الأداء على عناصر توجيه موزعة متعددة، مما يزيد من أداء جهاز التوجيه من خلال المعالجة المتوازية.

ستقوم واجهة الإرسال بتغليف الحزمة باستخدام بروتوكول ربط البيانات المناسب. وبحسب برنامج الموجه وإعداداته، قد تقوم الوظائف، التي تُنفذ عادةً على واجهة الإرسال، بتعيين حقول مختلفة للحزمة، مثل حقل DSCP المستخدم من قِبل الخدمات المُميزة .

بشكل عام، يُطلق على المسار الذي يمر مباشرةً من واجهة الإدخال إلى واجهة الإخراج، عبر بنية الشبكة مع الحد الأدنى من التعديلات عند واجهة الإخراج، اسم المسار السريع للموجّه. أما إذا كانت الحزمة تتطلب معالجة مكثفة، مثل التجزئة أو التشفير، فقد تسلك مسارًا أبطأ، يُسمى أحيانًا مستوى الخدمات للموجّه. يستطيع مستوى الخدمات اتخاذ قرارات التوجيه أو المعالجة بناءً على معلومات من طبقات أعلى، مثل عنوان URL لموقع ويب مُضمّن في حمولة الحزمة.

على النقيض من طائرة التحكم

مستوى البيانات هو جزء من البرنامج الذي يعالج طلبات البيانات. [ 2 ]  في المقابل، مستوى التحكم هو جزء من البرنامج الذي يقوم بتهيئة مستوى البيانات وإيقافه. [ 3 ]

لقد تمّ الفصل المفاهيمي بين مستوى البيانات ومستوى التحكم منذ سنوات. [ 3 ] ومن الأمثلة المبكرة على ذلك نظام يونكس ، حيث تتمثل عمليات الملفات الأساسية في فتح الملفات وإغلاقها بالنسبة لمستوى التحكم، وقراءتها وكتابتها بالنسبة لمستوى البيانات. [ 4 ]

أثبت الفصل المفاهيمي بين مستوى البيانات ومستوى التحكم في برمجة البرمجيات جدواه في مجال تحويل الحزم ، حيث نشأ. في الشبكات ، يُشار أحيانًا إلى مستوى البيانات باسم مستوى التوجيه، لأنه يفصل بين وظائف النظام: يُحسَّن مستوى البيانات لسرعة المعالجة، ولتبسيطها وانتظامها. أما مستوى التحكم، فيُحسَّن للسماح بالتكوين ، وإدارة السياسات، والتعامل مع الحالات الاستثنائية، وبشكل عام لتسهيل وتبسيط معالجة مستوى البيانات. [ 5 ] [ 6 ]

مشاكل في أداء إعادة توجيه جهاز التوجيه

يصمم الموردون أجهزة التوجيه (الراوتر) لأسواق محددة. ويُركز تصميم أجهزة التوجيه المخصصة للاستخدام المنزلي، والتي قد تدعم عدة أجهزة كمبيوتر وهاتف VoIP، على خفض التكلفة قدر الإمكان. في هذا النوع من أجهزة التوجيه، لا توجد بنية توجيه منفصلة، ​​بل مسار توجيه نشط واحد فقط: إلى المعالج الرئيسي ومنه.

تتحمل أجهزة التوجيه الخاصة بالتطبيقات الأكثر تطلبًا تكلفة وتعقيدًا أكبر للحصول على إنتاجية أعلى في مستويات التوجيه الخاصة بها.

تؤثر عدة عوامل تصميمية على أداء توجيه البيانات في جهاز التوجيه:

  • معالجة طبقة ربط البيانات واستخراج الحزمة
  • فك تشفير رأس الحزمة
  • البحث عن عنوان الوجهة في رأس الحزمة
  • تحليل الحقول الأخرى في الحزمة
  • إرسال الحزمة عبر "الشبكة" التي تربط واجهات الدخول والخروج
  • معالجة البيانات وتغليف وصلة البيانات عند واجهة الخروج

قد تحتوي أجهزة التوجيه على معالج واحد أو أكثر. في تصميم المعالج الأحادي، لا تتأثر معايير الأداء هذه بسرعة المعالج فحسب، بل بالمنافسة على المعالج أيضًا. تحتوي أجهزة التوجيه عالية الأداء دائمًا على عناصر معالجة متعددة، والتي قد تكون رقائق معالجات للأغراض العامة أو دوائر متكاملة خاصة بتطبيقات محددة (ASIC).

تحتوي المنتجات عالية الأداء على عناصر معالجة متعددة على كل بطاقة واجهة. في مثل هذه التصاميم، لا يشارك المعالج الرئيسي في توجيه البيانات، بل يقتصر دوره على معالجة مستوى التحكم والإدارة.

قياس الأداء

في فريق عمل هندسة الإنترنت ، يتولى فريقان عاملان في مجال العمليات والصيانة جوانب الأداء. ويركز فريق قياس أداء مزودي الخدمة (IPPM)، كما يوحي اسمه، على القياس التشغيلي للخدمات. أما قياسات الأداء على أجهزة التوجيه الفردية، أو أنظمة أجهزة التوجيه المحددة بدقة، فهي من اختصاص فريق عمل قياس الأداء المعياري (BMWG).

يُعد RFC 2544 الوثيقة الرئيسية لمجموعة BMWG. [ 7 ] يستخدم معيار RFC 2544 الكلاسيكي نصف منافذ جهاز التوجيه (أي الجهاز قيد الاختبار (DUT)) لإدخال حمل محدد، ويقيس الوقت الذي تظهر فيه المخرجات على منافذ الإخراج.

تصميم قاعدة معلومات التوجيه

في الأصل، كان يتم البحث عن جميع الوجهات في جدول توجيه الشبكة (RIB). ولعل الخطوة الأولى في تسريع أجهزة التوجيه كانت وجود جدول توجيه وجدول معلومات منفصلين في الذاكرة الرئيسية، حيث يُنظّم جدول المعلومات، الذي يحتوي عادةً على عدد أقل من الإدخالات مقارنةً بجدول التوجيه، لتسهيل البحث السريع عن الوجهات. في المقابل، تم تحسين جدول التوجيه لضمان تحديثه بكفاءة بواسطة بروتوكولات التوجيه.

كانت أجهزة التوجيه أحادية المعالجة المبكرة تُنظم عادةً جدول توجيه البيانات (FIB) على شكل جدول تجزئة ، بينما قد يكون جدول توجيه السجلات (RIB) عبارة عن قائمة مرتبطة . وتبعًا للتنفيذ، قد يحتوي جدول توجيه البيانات على عدد أقل من المدخلات مقارنةً بجدول توجيه السجلات، أو على نفس العدد.

عندما بدأت أجهزة التوجيه بامتلاك معالجات توجيه منفصلة، ​​كانت ذاكرة هذه المعالجات عادةً أقل بكثير من ذاكرة المعالج الرئيسي، بحيث لا يستطيع معالج التوجيه تخزين سوى المسارات الأكثر استخدامًا. على سبيل المثال، في أجهزة Cisco AGS+ و7000 القديمة، كانت ذاكرة التخزين المؤقت لمعالج التوجيه تتسع لحوالي 1000 مسار. في المؤسسات، كان هذا كافيًا في كثير من الأحيان، نظرًا لوجود أقل من 1000 خادم أو شبكة فرعية أخرى شائعة الوجهة. مع ذلك، كانت هذه الذاكرة المؤقتة صغيرة جدًا لتوجيه الإنترنت بشكل عام. وقد اختلفت استجابة تصميمات أجهزة التوجيه المختلفة عندما لا تكون الوجهة موجودة في ذاكرة التخزين المؤقت.

مشاكل فقدان البيانات في ذاكرة التخزين المؤقت

قد يؤدي عدم العثور على البيانات في ذاكرة التخزين المؤقت إلى إعادة إرسال الحزمة إلى المعالج الرئيسي، ليتم البحث عنها في مسار بطيء يتيح الوصول إلى جدول التوجيه الكامل. وبحسب تصميم الموجه، قد يتسبب عدم العثور على البيانات في ذاكرة التخزين المؤقت في تحديث ذاكرة التخزين المؤقت السريعة للأجهزة أو ذاكرة التخزين المؤقت السريعة في الذاكرة الرئيسية. في بعض التصاميم، كان من الأنسب إبطال صلاحية ذاكرة التخزين المؤقت السريعة عند حدوث عدم العثور على البيانات، ثم إرسال الحزمة التي تسببت في ذلك عبر المعالج الرئيسي، ثم إعادة ملء ذاكرة التخزين المؤقت بجدول جديد يتضمن الوجهة التي تسببت في عدم العثور على البيانات. يشبه هذا الأسلوب نظام تشغيل يستخدم الذاكرة الافتراضية ، حيث يحتفظ بالمعلومات المستخدمة مؤخرًا في الذاكرة الفعلية.

مع انخفاض تكاليف الذاكرة وارتفاع متطلبات الأداء، ظهرت جداول توجيه البيانات (FIBs) التي تحتوي على نفس عدد مسارات التوجيه الموجودة في جدول توجيه البيانات (RIB)، ولكنها مصممة للبحث السريع بدلاً من التحديث السريع. فعندما يتغير أي مدخل في جدول توجيه البيانات (RIB)، يقوم الموجه بتغيير المدخل المقابل في جدول توجيه البيانات (FIB).

بدائل تصميم FIB

تحقق أجهزة FIB عالية الأداء سرعتها من خلال مجموعات خاصة بالتنفيذ من الخوارزميات والأجهزة المتخصصة.

برمجة

استُخدمت خوارزميات بحث متنوعة للبحث في جداول معلومات الطيران (FIB). في حين استُخدمت في البداية هياكل بيانات عامة معروفة، مثل جداول التجزئة ، فقد ظهرت خوارزميات متخصصة مُحسَّنة لعناوين IP. وتشمل هذه الخوارزميات ما يلي:

تُستخدم بنية المعالجات متعددة النوى بشكل شائع لتنفيذ أنظمة الشبكات عالية الأداء. تُسهّل هذه المنصات استخدام بنية برمجية تُنفّذ فيها معالجة الحزم عالية الأداء ضمن بيئة مسار سريع على نوى مخصصة، وذلك لزيادة إنتاجية النظام إلى أقصى حد. ويُقلّل نموذج التشغيل حتى الاكتمال من الحمل الزائد على نظام التشغيل وزمن الاستجابة. [ 9 ]

الأجهزة

استُخدمت أنواع مختلفة من ذاكرة الوصول العشوائي السريعة، وفي النهاية ذاكرة الوصول العشوائي الأساسية القابلة للعنونة بالمحتوى (CAM)، لتسريع عملية البحث. على الرغم من فائدة ذاكرة CAM في محولات الطبقة الثانية التي تحتاج إلى البحث عن عدد قليل نسبيًا من عناوين MAC ذات الطول الثابت ، إلا أن فائدتها كانت محدودة مع عناوين IP التي تحتوي على بادئات توجيه متغيرة الطول (انظر التوجيه بين النطاقات بدون فئات ). أما ذاكرة CAM الثلاثية (CAM)، على الرغم من تكلفتها العالية، فهي مناسبة لعمليات البحث عن البادئات متغيرة الطول. [ 10 ]

يتمثل أحد تحديات تصميم البحث الأمامي في تقليل كمية الذاكرة المتخصصة المطلوبة، وبشكل متزايد، تقليل الطاقة التي تستهلكها الذاكرة. [ 11 ]

إعادة التوجيه الموزع

تمثلت الخطوة التالية في تسريع أجهزة التوجيه في وجود معالج توجيه متخصص منفصل عن المعالج الرئيسي. بقي المسار واحدًا، لكن لم يعد التوجيه يتنافس مع التحكم في معالج واحد. عادةً ما يحتوي معالج التوجيه السريع على جدول توجيه صغير (FIB)، مع ذاكرة مادية (مثل ذاكرة الوصول العشوائي الثابتة (SRAM)) أسرع وأكثر تكلفة من جدول التوجيه في الذاكرة الرئيسية. كانت الذاكرة الرئيسية عمومًا ذاكرة وصول عشوائي ديناميكية (DRAM).

إعادة توجيه التوزيع المبكر

بعد ذلك، بدأت أجهزة التوجيه تحتوي على عناصر توجيه متعددة، تتواصل عبر ناقل مشترك عالي السرعة [ 12 ] أو عبر ذاكرة مشتركة . [ 13 ] استخدمت سيسكو النواقل المشتركة حتى وصلت إلى أقصى طاقتها، بينما فضّلت جونيبر الذاكرة المشتركة. [ 14 ]

كان لكل عنصر توجيه جدول توجيه خاص به. انظر، على سبيل المثال، معالج الواجهة متعدد الاستخدامات في جهاز سيسكو 7500 [ 15 ]

في نهاية المطاف، أصبح المورد المشترك عائقاً، حيث بلغت سرعة ناقل البيانات المشترك حوالي مليوني حزمة في الثانية. وقد تغلبت تقنية الشبكات المتقاطعة على هذا العائق.

تتحول المسارات المشتركة إلى اختناقات مرورية

مع ازدياد عرض نطاق إعادة التوجيه، حتى مع التخلص من عبء فقدان البيانات في ذاكرة التخزين المؤقت، حدّت المسارات المشتركة من الإنتاجية. فبينما قد يحتوي جهاز التوجيه على 16 محرك إعادة توجيه، إذا كان هناك ناقل واحد فقط، فلن يكون من الممكن نقل سوى حزمة واحدة في كل مرة. وفي بعض الحالات الخاصة، قد يجد محرك إعادة التوجيه أن واجهة الإخراج هي إحدى الواجهات المنطقية أو الفيزيائية الموجودة على بطاقة إعادة التوجيه، بحيث يكون تدفق الحزمة بالكامل داخل جهاز إعادة التوجيه. ومع ذلك، كان من الأسهل في كثير من الأحيان، حتى في هذه الحالة الخاصة، إرسال الحزمة عبر الناقل واستلامها منه.

بينما جربت بعض التصاميم استخدام عدة حافلات مشتركة، كان النهج النهائي هو تكييف نموذج مفتاح التبديل المتقاطع من مقاسم الهاتف، حيث يمتلك كل محرك توجيه مسارًا ماديًا إلى كل محرك توجيه آخر. مع عدد قليل من محركات التوجيه، تُعدّ شبكات التوجيه المتقاطع عملية وفعّالة للتوجيه عالي الأداء. توجد تصاميم متعددة المراحل لأنظمة التوجيه المتقاطع، مثل شبكات كلوز .

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ إطار عمل فصل عناصر التوجيه والتحكم (ForCES) ، RFC 3746، مجموعة عمل الشبكة، أبريل 2004
  2. ↑ كونران، مات (25 فبراير 2019). "شبكات البيانات المسماة: طبقة توجيه ذات حالة لتسليم حزم البيانات" . عالم الشبكات . تم الاسترجاع في 15 أكتوبر 2019 .
  3. 1 2 دو، ترونغ شوان؛ كيم، يونغهان (2017-06-01). "بنية فصل مستوى التحكم ومستوى البيانات لدعم مستمعي البث المتعدد عبر إدارة التنقل الموزعة" . مجلة ICT Express . 3 (2): 90-95 . doi : 10.1016/j.icte.2017.06.001 . ISSN 2405-9595 . 
  4. ↑ باخ، موريس ج. (1986). تصميم نظام التشغيل يونكس . برنتيس هول. رمز Bibcode : 1986duos.book.....B . ISBN 9780132017992.
  5. ↑ أحمد، إعجاز؛ نمال، سونيت؛ يليانتيلا، ميكا؛ جورتوز، أندريه (2015). "الأمن في الشبكات المعرفة بالبرمجيات: دراسة استقصائية" (ملف PDF) . مجلة IEEE للبحوث والدراسات في مجال الاتصالات . 17 (4): 2317-2342 . doi : 10.1109/COMST.2015.2474118 . S2CID 2138863 . 
  6. ↑ شيا، و.؛ وين، ي.؛ فوه، تش.؛ نياتو، د.؛ شي، هـ. (2015). "دراسة استقصائية حول الشبكات المعرفة بالبرمجيات" . مجلة IEEE للمسح والدروس التعليمية في مجال الاتصالات . 17 (1): 27-51 . doi : 10.1109/COMST.2014.2330903 .
  7. ↑ منهجية أجهزة الربط الشبكي ، RFC 2544، إس. برادنر وج. ماكويد، مارس 1999
  8. ↑ التوجيه على أطول البادئات المطابقة ، المعرف، دبليو. دورينجر وآخرون، معاملات IEEE/ACM في الشبكات، فبراير 1996
  9. ↑ "وحدات برمجيات 6WINDGate" . 6WIND . تم الاطلاع عليه بتاريخ 14 أغسطس 2015 .
  10. ↑ رسم خرائط فعال لمصنف المدى في ذاكرة الوصول العشوائي الثلاثية (Ternary-CAM) ، ندوة IEEE حول الوصلات البينية عالية السرعة، هـ. ليو، أغسطس 2002
  11. ↑ تقليل استهلاك الطاقة في ذاكرة الوصول العشوائي للتيار المتردد (TCAM) وزيادة الإنتاجية ، ندوة IEEE حول الوصلات البينية عالية السرعة، آر بانيغراهي وإس. شارما، أغسطس 2002
  12. ↑ إعادة توجيه بروتوكول الإنترنت عالي الأداء باستخدام نظير واجهة المضيف ، ج. تاتش وآخرون ، وقائع ورشة عمل IEEE التاسعة حول الشبكات المحلية وشبكات المناطق الحضرية (LANMAN)، مايو 1998
  13. ↑ بنى المعالجات المتعددة ذات الذاكرة المشتركة لموجهات بروتوكول الإنترنت البرمجية ، بقلم واي . لو وآخرون ، معاملات IEEE للأنظمة المتوازية والموزعة، 2003
  14. ↑ بنية موجهات جونيبر نتوركس ، دليل مرجعي من جونيبر نتوركس: توجيه JUNOS، وتكوينه، وبنيته ، تي. توماس، أديسون-ويسلي بروفيشنال، 2003
  15. ↑ بنية الأجهزة لجهاز التوجيه Cisco 7500 ، بنية برمجيات Cisco IOS الداخلية (تطوير محترف CCIE ، V. Bollapragada وآخرون ، Cisco Press، 2000)