طبقة النقل

في مجال شبكات الحاسوب ، تُعدّ طبقة النقل طبقة تجريدية ضمن مجموعة بروتوكولات الإنترنت ونموذج OSI . توفر بروتوكولات هذه الطبقة خدمات اتصال شاملة للتطبيقات. ^{[ 1 ] : §1.1.3} ويمكنها توفير خدمات مثل الاتصال الموجه ، والموثوقية ، والتحكم في التدفق ، وتعدد الإرسال .

تختلف تفاصيل تنفيذ ودلالات طبقة النقل في مجموعة بروتوكولات الإنترنت ^{[ 1 ]} ، التي تُعدّ أساس الإنترنت ، عن نموذج OSI للشبكات العامة. جميع البروتوكولات المستخدمة حاليًا في هذه الطبقة للإنترنت نشأت من تطوير بروتوكول TCP/IP. في نموذج OSI، يُشار إلى طبقة النقل غالبًا بالطبقة الرابعة ( L4 ) ^{[ 2 ]} ، بينما لا تُستخدم الطبقات المرقمة في TCP/IP.

يُعدّ بروتوكول التحكم بالنقل (TCP) أشهر بروتوكولات النقل ضمن مجموعة بروتوكولات الإنترنت . يُستخدم هذا البروتوكول في عمليات النقل الموجهة بالاتصال، بينما يُستخدم بروتوكول بيانات المستخدم (UDP) غير الموجه للاتصال في عمليات نقل الرسائل الأبسط. يُعتبر TCP بروتوكولًا أكثر تعقيدًا نظرًا لتصميمه الذي يعتمد على الحالة ، والذي يتضمن خدمات نقل موثوقة وخدمات تدفق البيانات. يُشكّل TCP وUDP معًا غالبية حركة البيانات على الإنترنت، وهما البروتوكولان الوحيدان المُطبّقان في جميع أنظمة التشغيل الرئيسية. تشمل بروتوكولات طبقة النقل الإضافية التي تم تعريفها وتطبيقها بروتوكول التحكم في ازدحام البيانات (DCCP) وبروتوكول التحكم في نقل التدفق (SCTP).

تُنقل خدمات طبقة النقل إلى التطبيق عبر واجهة برمجة تطبيقات لبروتوكولات طبقة النقل. وقد تتضمن هذه الخدمات الميزات التالية: ^{[ 4 ]}

• الاتصال الموجه نحو الاتصال : ^{[ 5 ]} عادة ما يكون من الأسهل على التطبيق تفسير الاتصال على أنه تدفق بيانات بدلاً من الاضطرار إلى التعامل مع النماذج الأساسية غير المتصلة، مثل نموذج مخطط البيانات لبروتوكول مخطط بيانات المستخدم (UDP) وبروتوكول الإنترنت (IP).
• تسليم البيانات بنفس الترتيب: لا تضمن طبقة الشبكة عادةً وصول حزم البيانات بنفس ترتيب إرسالها، ولكن غالبًا ما تكون هذه ميزة مرغوبة. ويتم ذلك عادةً باستخدام ترقيم الأجزاء، حيث يقوم المُستقبِل بتمريرها إلى التطبيق بالترتيب. وقد يؤدي ذلك إلى حجب رأس الطابور .
• الموثوقية : قد تُفقد الحزم أثناء النقل نتيجةً لازدحام الشبكة والأخطاء. باستخدام رمز كشف الأخطاء ، مثل مجموع التحقق ، يمكن لبروتوكول النقل التحقق من سلامة البيانات، والتأكد من استلامها بشكل صحيح عن طريق إرسال رسالة تأكيد (ACK) أو رفض (NACK) إلى المُرسِل. يمكن استخدام آليات إعادة الإرسال التلقائية لإعادة إرسال البيانات المفقودة أو التالفة.
• التحكم في التدفق : يجب أحيانًا إدارة معدل نقل البيانات بين عقدتين لمنع المرسل السريع من إرسال بيانات أكثر مما يستطيع مخزن البيانات المستقبل استيعابه ، مما يؤدي إلى تجاوز سعة المخزن. ويمكن استخدام ذلك أيضًا لتحسين الكفاءة عن طريق تقليل نقص البيانات في المخزن .
• تجنب الازدحام : يُمكن للتحكم في الازدحام تنظيم حركة البيانات الداخلة إلى شبكة الاتصالات، وذلك لتجنب انهيارها نتيجة الازدحام، من خلال محاولة تجنب إرهاق موارد المعالجة أو الربط في العقد والشبكات الوسيطة، واتخاذ خطوات لتقليل استهلاك الموارد، مثل خفض معدل إرسال الحزم . على سبيل المثال، قد تُبقي طلبات التكرار التلقائية الشبكة في حالة ازدحام؛ ويمكن تجنب هذه الحالة بإضافة آلية تجنب الازدحام إلى التحكم في التدفق، بما في ذلك بدء التشغيل البطيء . يُحافظ هذا على استهلاك النطاق الترددي عند مستوى منخفض في بداية الإرسال، أو بعد إعادة إرسال الحزم.
• تعدد الإرسال : يمكن للمنافذ توفير نقاط نهاية متعددة على عقدة واحدة. على سبيل المثال، يُعدّ الاسم الموجود في العنوان البريدي نوعًا من تعدد الإرسال، حيث يُميّز بين مُستلمي الرسائل المختلفين في الموقع نفسه. تستمع تطبيقات الحاسوب، كلٌّ منها، إلى المعلومات على منافذها الخاصة، مما يُتيح استخدام أكثر من خدمة شبكة في الوقت نفسه. يُعدّ تعدد الإرسال جزءًا من طبقة النقل في نموذج TCP/IP ، ولكنه جزء من طبقة الجلسة في نموذج OSI.

في مجموعة بروتوكولات الإنترنت، توفر بروتوكولات طبقة النقل الاتصال بين برامج التطبيقات التي تعمل على مضيفات مختلفة. يستخدم بروتوكول TCP أرقام المنافذ لتحديد خدمات التطبيقات ودمج تدفقات البيانات المختلفة بين المضيفات؛ وبالمثل، يُحدد بروتوكول UDP حقول منافذ المصدر والوجهة، حيث يُفسر منفذ الوجهة في سياق عنوان وجهة إنترنت محدد. ^{[ 6 ] [ 7 ]} يجمع عنوان المقبس بين عنوان إنترنت ومنفذ طبقة النقل؛ في بروتوكول TCP، يُحدد الاتصال بواسطة زوج من المقابس. ^{[ 8 ]}

يوفر بروتوكول TCP خدمة تدفق بيانات بايتات موثوقة ومرتبة، تعتمد على الاتصال. يُنقل تدفق بيانات التطبيق عبر الشبكة في مقاطع TCP، يُرسل كل منها كحزمة بيانات IP. وتعتمد موثوقية TCP على أرقام التسلسل، ومجاميع التحقق، وإشعارات الاستلام، وإعادة إرسال المقاطع المفقودة أو التالفة. ^{[ 6 ] [ 9 ]} كما يتضمن TCP آليات للتحكم في التدفق تعتمد على النوافذ المُعلنة، ويُشترط على نقاط نهاية TCP تطبيق خوارزميات أساسية للتحكم في الازدحام، مثل البدء البطيء، وتجنب الازدحام، والتراجع الأسي لمهلات إعادة الإرسال. ^{[ 10 ]}

يوفر بروتوكول UDP خدمة نقل رسائل بسيطة وغير متصلة. يصف RFC 768 بروتوكول UDP بأنه يوفر إجراءً لبرامج التطبيقات لإرسال الرسائل بأقل قدر من آليات البروتوكول، دون ضمانات للتسليم أو الحماية من التكرار؛ أما التطبيقات التي تتطلب تدفقات بيانات منظمة وموثوقة، فيُنصح باستخدام بروتوكول TCP بدلاً منه. ^{[ 7 ]} وبالمثل، يصف RFC 8085 بروتوكول UDP بأنه خدمة نقل رسائل بسيطة وغير موثوقة، تعتمد على بذل قصارى الجهد، ويشير إلى أن التطبيقات التي تستخدم UDP قد تحتاج إلى تطبيق آليات إضافية لضمان الموثوقية، والتحكم في الازدحام، وحساب المجاميع الاختبارية، أو وظائف أخرى حسب حالة استخدامها. ^{[ 11 ]}  

يُستخدم بروتوكول UDP بشكل شائع في تطبيقات البث المتعدد والبث العام، إلا أن هذه الاستخدامات تُعقّد التحكم في الازدحام، والتحكم في التدفق، والموثوقية، لأن المُرسِل قد يُرسل إلى العديد من المُستقبِلين عبر مسارات مُتباينة. وقد حددت فرقة عمل هندسة الإنترنت (IETF) أُطر عمل ووحدات بناء موثوقة للبث المتعدد، لذا فإن الموثوقية ليست مُستحيلة في تطبيقات البث المتعدد؛ بل إنها لا تُوفّرها بروتوكولات UDP نفسها، ويجب أن تُوفّرها التطبيقات أو بروتوكولات إضافية. ^{[ 12 ]}

تحدد مواصفات بروتوكول النقل في نمط الاتصال في نموذج OSI خمس فئات من بروتوكولات النقل، مصنفة من الفئة 0 (TP0) إلى الفئة 4 (TP4). لا توفر الفئة 0 أي آلية لاستعادة الأخطاء، وقد صُممت للاستخدام عبر خدمات الشبكة التي توفر اتصالات خالية من الأخطاء، بينما تتضمن الفئة 4 آلية استعادة الأخطاء ويمكنها العمل عبر خدمات شبكة أقل موثوقية. ^{[ 13 ]}

بسبب جمود البروتوكولات ، يُعتبر بروتوكولا TCP وUDP البروتوكولين الوحيدين واسعي الاستخدام على الإنترنت. ولتجنب عدم تحمل أجهزة الوسيط ، قد تُحاكي بروتوكولات النقل الجديدة بنية بروتوكول مُعتمد، أو تُغلّف في UDP مع قبول بعض النفقات الإضافية. ^{[ 14 ]} يتبع بروتوكول QUIC النهج الأخير: إذ تُعرّفه مواصفاته كبروتوكول نقل قائم على UDP، حيث تُنقل حزم البيانات في مخططات بيانات UDP، بينما يوفر QUIC نفسه الاتصالات، والتدفقات، والتسليم الموثوق، والتحكم في التدفق، والتحكم في الازدحام. ^{[ 15 ]}

تُظهر هذه القائمة بعض البروتوكولات التي يتم وضعها بشكل شائع في طبقات النقل لمجموعة بروتوكولات الإنترنت ، ومجموعة بروتوكولات OSI ، و IPX/SPX الخاصة بـ NetWare ، و AppleTalk ، و Fibre Channel .

• كوربيت ، جوناثان (29 يناير 2018). "QUIC كحل لتعظم البروتوكول" . LWN.net .
• باباستيرجيو، جيورجوس؛ فيرهيرست، جوري؛ روس، ديفيد؛ برونستروم، آنا؛ جرينيمو، كارل يوهان؛ هورتيج، بير؛ خادمي، نعيم؛ توكسن، مايكل؛ ويلزل، مايكل؛ داميانوفيتش، دراغانا؛ مانجيانتي، سيمون (2017). "تبسيط طبقة نقل الإنترنت: دراسة استقصائية وآفاق مستقبلية". مجلة IEEE للبحوث والدراسات في مجال الاتصالات . 19 : 619-639 . doi : 10.1109/COMST.2016.2626780 . hdl : 2164/8317 . S2CID 1846371 .