ما هو الإنترنت وكيف يعمل وبروتوكولات نقل البيانات

إعتمدت الكثير من الإختراعات على محاكاة عناصر الطبيعة وإستلهمت منها طريقة عملها كالطائرات في محاكاة الطيور، والغواصات في محاكاة الحيتان إلى آخره وإختراع الحاسوب ليس إستثناءاً فهو يحاول محاكاة مخ الإنسان في إستقباله للمعلومات من مكوناته الكهربية مثلما يستقبل المخ الإشارات العصبية من أعضاء الجسم، ويحتفظ الحاسوب ببعض المعلومات لوقت قصير في ذاكرة الوصول العشوائية حتى تتم معالجتها وأخرى يحفظها بشكل دائم في الذاكرة الثانوية مثلما يحتفظ المخ ببعض المعلومات مؤقتاً في الذاكرة قصيرة المدى وأخرى في الذاكرة طويلة المدى وكانت محاكاة الحاسوب للإنسان تنتهي عند هذا الحد إلى أواخر ستينات القرن العشرين عندما بدأ تم العمل على توصيل الحواسيب بعضها ببعضاً كما يتواصل الإنسان مع أبتاء جنسه!

كان ذلك في التاسع والعشرين من أكتوبر  عام 1969 حينما عزمت وكالة مشاريع البحوث المتطورة Advanced Research Projects Agency  بأمـيركا على إنشاء شبكة لربط الحواسيب الخاصة بالأبحاث الأكاديمية ومشاركة المعلومات في حالات الطوارئ، فكان هذا مقتصراً في البداية على عدد ضئيل من الحواسيب فقط.

وكانت أنظمة الإتصالات المستخدمة في الهواتف آنذاك تعتمد على مبدأ تبديل الدائرة circuit switching الذي يعمل بواسطة إنشاء خط إتصال حصري بين الهاتف المصدر ووجهته، فمثلاً عندما يتصل الهاتف A بالهاتف B في الوضع التالي

فإن مراكز الإتصال الأربعة التي تصلهم لا تتمكن من خدمة الهواتف الأخرى إلى أن ينتهي الإتصال، هذا يعني أن على الهواتف الأخرى أن تجد مسار غير مستخدم لإتمام إتصالها وإلا فالإنتظار حتى إنتهاءه، فعملية الإتصال هنا تعد بمثابة تأجير للخط مما يفسر إرتفاع أسعار المكالمات الدولية حينها والتي كانت تتطلب “تأجير” قنوات إتصال أكثر.

تبديل الدارة يصلح للإستخدام في الهواتف لإرسال البيانات لحظياً صحيح قد تصبح الخطوط مشغوله فينتظر المتصلين بعض الوقت ولكن ما إن يبدأ الإتصال لا يحدث تأخير أثناء نقل البيانات لعد تزاحم بيانات متصلين آخرين، أما وكالة مشاريع البحوث المتطورة والتي تعرف إختصاراً بـ ARPA فلم تعتمد على مبدأ تبديل الدارة هذا لأنها أرادت توفير وصول رقمي للبيانات لا يهتم كثيراً بالسرعة القصوى للإتصال في مقابل إتاحة أفضل البيانات فنجحت في إبتكار بروتوكولات تعمل بمبدأ تبديل الحزم Packet Switching وعلى أساسه يتم تكوين شبكات محلية صغيرة تتكون من عشرات أو مئات الأجهزة ثم تتصل الشبكات المحلية ببعضها مكونة شبكات إقليمية والتي تتصل بشبكات أخرى وهكذا حتى تكونت شبكة كبيرة جداً تضم ملايين من الشبكات الأصغر التي تضم شبكات أصغر فأصغر وصولاً لشبكتك المنزلية التي تستخدمها الآن! وتلك الشبكة الأكبر التي تتدرج منها كل هذه الشبكات هي ما نطلق عليه الإنترنت وفيما يلي سنتعرف على آلية عمله بشيئ من التفصيل.

ما هو البروتوكول؟

تتطلب الحواسيب مجموعة من القواعد والآليات التي تحكم تواصلها فيما بينها وإلا فالنتيجة أن حاسوب يرسل بعض البيانات لحاسوب آخر بشكل سليم ولكن يعجز الحاسوب الآخر عن فهمها تماماً كما لو كنت تجلس بين أشخاص يتحدثون بلغة لا تفهمها فيمكنك سماعهم جيداً ولكن بلا جدوى، لذلك يتم تطوير البروتوكولات التي توضح الصيغه التي ينبغي على الحاسوب إرسال وإستقبال البيانات بها، ولاحقاً عند تصنيع الحواسيب أو الموجهات يُأخذ بالإعتبار أن تكون متوافقة مع بروتوكولات الإتصال المتفق عليها مسبقاً لكي تتمكن من الإتصال بالشبكة، ونعم بإمكان كل جهة إصدار بروتوكول مختلف وتصمم حواسيبها للعمل وفقاً له فتتمكن الحواسيب في هذه الحالة من التواصل مع مثيلتها من نفس الجهة المصنعه فقط ولكن هذا ليس ما نريده لذلك تلتزم جميع الشبكات ببروتوكولات إتصال قياسية موحده، وتختلف البروتوكولات بحسب الغرض، أنت الآن على موقع عرب فيوتشر تستخدم بروتوكول https لعرض هذه الصفحة، وحين تستخدم برنامج filezilla مثلاً فأنت تستخدم بروتوكول ftp لنقل الملفات، في الواقع بمجرد إتصالك بالإنترنت فحسب يستخدم حاسوبك بروتوكولات مختلفة دون أن تعلم وما لم تكن ترغب بإنشاء تطبيق يتعامل مع بيانات الشبكة مباشرة فلست مضطراً لقراءة التوثيق الخاص بالبروتوكولات.

كيف يعمل؟

لإتمام الإتصال بالشبكة يتم إستخدام مجموعة من البروتوكولات تعرف بالـ TCP/IP وبالإعتماد على مبدأ Packet switching فإن هذه البروتوكولات تعمل عبر تقسيم الرسالة المطلوب نقلها من حاسوب لآخر إلى عدة حزم متفرقة حجم كل منها هو 1500 بايت فقط في المتوسط ثم يتم إضافه معلومات عنوان المصدر وعنوان الجهة المقصودة والترتيب في رأس كل حزمة (الـ header) ثم يتم إرسالها عبر الموجه (Router) المرتبط بالشبكة المصدر

وهنا يقوم الموجه الخاص بالحاسوب A بإيستقبال الحزم واحدة تلو الأخرى وإيجاد أفضل مسار لكل منها، فليس بالضرورة أن يتم إرسال كل الحزم خلال المسار نفسه.

لماذا قد يعطي الموجه مسار مختلف للحزم رغم توحد مصدرها ووجهتها؟

هذا لأن كل الموجهات ما هي إلا حواسيب أيضاً تم تهيئتها لتوجيه الحزم في الشبكة ولكل حاسوب قدرة معالجة محدودة، فإن كان أقصر مسار من a إلى b يمر عبر مُوجِه إستقبل كثير من الحزم مسبقاً أدت لخفض سرعته فقد يصبح هناك مسار آخر أطول من a إلى b ولكنه الأنسب للإستخدام لذلك يتم إرسال الحزم عبر مسارات مختلفة أحياناً

وينتج عن هذا أالنموذج أن بعض الحزم حينما تصل للمُوجِه يجد لها مساراً أسرع من التي تم إرسالها في البداية فتصل الحزمة الأخيره إلى الحاسوب B قبل الأولى مثلاً ولهذا تم ترقيم الحزم منذ البداية، فيعيد الحاسوب B ترتيب الحزم وفقاً للترقيم الموجود في أولها (الرأس أو الهيدر) بغض النظر عن توقيت إستقباله لأي منها.

عناوين الشبكة

ذكرنا أن الموجهات تنظر لرأس كل حزمة لتعرف عنوان وجهتها فتمررها إليه عبر أفضل مسار، ولكن ما هو عنوان الحاسوب وكيف يحدد المُوجِه أي المسارات تؤدي إليه؟ هذا ما يجيب عنه الـ IP وهو الـ Internet protocol والذي يعطي عنوان لكل حاسوب متصل بالإنترنت، والذي هو مكون من أربعه خانات مفصولة بنقاط مثل 127.0.0.1 (عنوان خاص يشير إلى حاسوبك فقط يعرف بالـ loop back) وأقصى رقم لكل من هذه الخانات الأربعة هو 255 لأنها تحفظ بإستخدام 8 bits على الحاسوب، وهذه الصيغه هي الإصدار الرابع من بروتوكول الإنترنت IPV4 والذي يجري إستبداله حالياً بـ IPV6 لأن عناوين IPV4 أوشكت على النفاذ فعدد الbits المستخدم فيها إجمالاً هو 32 مما يعطينا 2³² عنوان محتمل أي 4,294,967,296 ولكن عملياً هذا ليس عدد العناوين التي يمكن حجزها بإستخدام IPV4 لأن الجزء الأيسر من العنوان يعبر عن عنوان الشبكة بينما يعبر الجزء الآخر عن عنوان الحاسوب على تلك الشبكة وهذا ما يمكن المُوجِه من معرفة أي المسارات تؤدي إلى الوجهة.

أما بروتوكول الإنترنت الإصدار السادس IPv6 فيستخدم 128 بت بدلا من 32 فقط مثل : 2001:1234:5678:9:1:2:3:4 وهو ما يعطي وفرة من العناوين التي تناسب عدد الأجهزة المتصلة بالإنترنت في يومنا هذا!

ملاحظات:

– يمكنك رؤية عنوانك على الإنترنت وموقعك الجغرافي التقريبي من خلال هذا الموقع، يمكن لأي موقع رؤية عنوان الإنترنت الخاص بك وذلك لأن الحزم التي ترسلها لتصفح الموقع تحتوى على عنوانك كمصدر الإرسال لتتمكن تلك المواقع من الرد على حاسوبك من خلال ذلك العنوان، وما يحدث عند إستخدامك لخادم وكيل أو إتصال في بي إن أو شبكة تور هو أن هذه الخدمات تقوم بإرسال الطلب النهائي فيظهر عنوانها بدلاً عنك ولكن عنوانك الحقيقي يتم إرساله لتك الخدمات لتتمكن من الرد عليك.

– يمكنك إستخدام الأمر traceroute لتتبع المسار الذي تمر منه البيانات عند الإتصال بخادم معين ويكتب على سطرية أوامر ويندوز tracert متبوعاً بعنوان الخادم أو tracert6 إن كنت ستستخدم عنوان IPv6 أيضاً يمكن وضع إسم نطاق وسيتم ترجمته عبر الـ DNS

ويعمل أمر tracert بإستخدام خاصية TTL وهي إختصار time to live وتعني تحديد عدد الموجهات التي ترغب أن تمر عليها، فعند تنفيذ الأمر يتم إرسال حزمة من البيانات العشوائيه بها ttl يساوي واحد، فعندما تصل الحزمة للموجه الأول يرسل رد لنا بأن ttl قد إنتهى فمن خلال الرد نعلم عنوان الموجه الأول، ثم تكرر العملية مع ttl يساوي إثنان فيمرر الموجه الأول الحزمة للثاني بعد أن ينقص الttl بمقدار واحد لأنها مرت عليه أما الثاني فعند إنقاص الttl يصبح صفر فيرد برسالة خطأ نعلم منها عنوانه وهكذا إلى أن يختفي الرد برسالة الخطأ فهذا يعني أنه لا يوجد المزيد من الموجهات التي نمر عليها، ولكن أحياناً يتم تعطيل الرد على الـ ttl في بعض الموجهات فيتعذر الحصول على نتائج دقيقة.

إقرأ أيضاً: ما تحتاج معرفته عن شبكة تور || البروكسي والفي بي إن.

 بروتوكولات نقل البيانات

أحياناً لا تصل بعض الحزم لمسارها لأسباب مختلفة منها فرط الحمولة على المُوجِهات أو لإنقطاع الأسلاك الموصله في أحد المسارات المستخدمة أو حدوث أي خلل غير متوقع، وهنا يأتي دور البروتوكول المستخدم في الإتصال فكما ذكرنا الـ TCP/IP ليس بروتوكول بل مجموعة بروتوكولات تعمل معاً لتمكين الإتصال، ما تطرقنا له من كيفية تقسيم البيانات إلى حزم وإضافة معلوماتها في الهيدر وإرسالها عبر الموجهات كان ذلك البروتوكول الفيزيائي وبروتوكول الشبكة من مجموعة بروتوكولات TCP/IP، أما على مستوى عملية نقل البيانات فتستخدم بروتوكولي tcp و udp.

–        tcp

هو إختصار لـ transmission control protocol أي بروتوكول التحكم في النقل، ويتميز بالدقة حيث يتم إرسال الحزم كما وضحنا في المرحلة الفيزيائية ولكن إضافة إلى ذلك فإنه ينتظر تأكيد من الحاسوب المستقبل عن كل حزمة تم إرسالها، لذلك في المثال السابق عند حدوث أي خلل غير متوقع فلم تصل حزمة معينة من الحزم المرسلة فبالتالي لن يستقبل الحاسوب المرسل رسالة تأكيد الإستلام فسيعيد إرسال الحزمه تلقائياً حتى تصله رسالة التأكيد.

–        Udp

وهو إختصار user datagram protocol ويمكنك أن تنظر إليه بإعتباره بروتوكول نقل البيانات الخام فهو لا يحتوي على أي من إضافات الـ tcp ولذلك يتم إستخدامه من قبل الشركات في تصميم بروتوكولات خاصة تعمل على مستوى التطبيقات مثل بروتوكول quic التابع لشركة جوجل، أيضاً يتمتع الـ udp بالسرعة لعدم إنتظاره لرسائل تأكيد الإستلام فهو يقبل الفقد الجزئي للبيانات ويستخدم في المكالمات على الإنترنت لذلك ربما تعاني أحياناً من فقدان الإشاره الصوتيه ولن تتم إعادة إرسالها ومع ذلك فتطور تقنيات VOIP و QoS جعل مكالمات الإنترنت ذات جودة يمكن الإعتماد عليها.

إذا كنت تستضيف خادم ويب وخادم نقل ملفات على حاسوبك فإن كل منهما يتنصت على منفذ معين للإستقبال حتى لا تختلط البيانات الواردة لحاسوبك ولا يمكن إستخدام المنفذ الواحد لأكثر من عملية على الحاسوب في نفس الوقت، لذلك عند إستخدام كلاً من udp او tcp يتم تضمين المنفذ الخاص بالمصدر والوجهة لفصل بيانات التطبيقات المختلفة.

هذه القائمة تشمل أرقام المنافذ الإفتراضية لخدمات الإنترنت ولكن يمكن لأي خدمة العمل على منافذ أخرى.

ملاحظات:

– رقم المنفذ يتم تخزينه في 16 بت لذلك فهو يترواح من 0 إلى 65535، في بروتوكول tcp المنفذ صفر محجوز لا يمكن إستخدامه، وفي بروتوكول udp المنفذ المصدر هو خيار ثانوي لأن udp بشكل إفتراضي لا يرد على الطلب، والمنفذ صفر فيه يعني لا يوجد منفذ.

– يمكن للحواسيب إعاده توجيه منافذ الإتصال إلى حواسيب أخرى داخل الشبكة أو لأنظمة وهمية لذلك عند فحص عنوان IP وإيجاد بعض المنافذ المفتوحة هذا لا يعني أن كل تلك الخدمات تعمل على ذلك العنوان، ربما جميعها تتم إعادة توجيهها.

– الشبكات المنزلية اليوم تستعمل تقنية NAT والتي تجعل الحواسيب على الشبكة المنزلية غير معرضة للإنترنت مباشرة، فمثلاً عندما تستخدم خدمات معرفة عنوان الإنترنت من حاسوبك ومن هاتفك المتصلان على الشبكة المنزلية فكلاهما سيعرض نفس عنوان IP ونحن نعلم أن العنوان يجب أن يكون موحد لا يستخدمه أكثر من حاسوبين في نفس الوقت، والتفسيرأن العنوان الذي يظهر لك ليس عنوان حاسوبك أو هاتفك بل عنوان المًوجِه لأنه الوحيد المعرض للإنترنت مباشرة أما الأجهزة الداخلية فيتم إعادة توجيه المنافذ لها من الموجه لتستقبل الإتصالات وارده على الخوادم الداخلية، أما الإتصالات الصادرة فتتلقى الرد من الشبكة الخارجية تلقائياً لأنه كما ذكرنا يتم تضمين المنفذ المصدر في رأس الحزم فيسجلها الموجه لمده مؤقته لحين إستقبال الرد فيعيد توجيهه للحاسوب الذي أصدر طلب الإتصال وتعرف هذه العملية بالـ port triggering  وهي صيغة ديناميكية لإعادة توجيه المنافذ تستخدم بشكل مؤقت لكل إتصال فليس من المنطقي إستخدام إعدادات الموجه لفتح منفذ يدوياً لكل إتصال صادر ينتظر الرد خاصة أن عناوين المنافذ المستخدمة في الإتصالات الصادرة يتم إختيارها عشوائياً دون عرضها للمستخدم.

مخططات الشبكات

–        النجمة

الأكثر شيوعاً اليوم وهو ما تستخدمه في الشبكة المنزلية حيث تتصل كل الحواسيب بالswitch او router أو hub وهذه الأجهزة تعمل على تحويل البيانات بين الأجهزة بإختلاف طبقة عمل كل منها فتصبح كل الحواسيب متصلة معاً بشكل غير مباشر، مخطط سهل الإعداد ولكن عند تأثر النقطة المركزية بخلل تصاب به الشبكة كلها دفعة واحدة.

–        الحافلة أو الممر Bus

يستخدم موصل واحد للمرور على كل عقد الإتصال وتتمكن جميعها من رؤية البيانات، سهلة الإعداد والمتابعة.

–        الدمج | Mesh

في هذا المخطط تتصل كافة عقد الإتصال ببعضها بحيث لا توجد نقطة مركزية تتحكم في الإتصال، مثل هذا المخطط لا يصلح في الشبكات كبيرة الحجم لأن عدد الإتصالات يتضاعف بشكل يصعب تنفيذه عملياً، إلا أن هذا النوع يصلح في الشبكات اللاسلكية في الأماكن المفتوحة حيث يمكنك من مراسلة شخص مجاور عبر تقنية الوايفاي بدون إستخدام إتصال إنترنت عبر الشركات، بعض المجموعات المتظاهرة في بلدان مختلفة تستخدم التطبيقات التي تعمل بناءاً على هذا المخطط مثل FireChat في التواصل أثناء المظاهرات عند حظر الحكومات لمواقع التواصل.

شاهد المزيد من مخططات الشبكات من هنا.

موصلات الشبكات

تستخدم الشبكات المنزلية موجات الراديو في الإتصال بالمًوجِه، ويتصل المًوجِه عبر خطوط الهاتف بمراكز الإتصال الخاصة بمزودي خدمة الإنترنت ويتصل مزود خدمة الإنترنت بالشبكات الدولية عبر الألياف الضوئية التي تمر تحت المحيطات، فالإنترنت يستخدم وسائط التوصيل المختلفة خلال الإتصال الواحد.

أيضاً في الإنترنت الهوائي الخاص بشركات المحمول يتصل الهاتف بأبراج الشبكة الموزعة على مستوى المناطق السكنية لتعطي تغطية هوائية شاملة ثم تتصل الأبراج سلكياً بمراكز مزود الخدمة التي تتصل بدورها بباقي الأبراج فتستطيع إرسال مكالمة أو إستقبالها بإستخدام خليط من الإتصال السلكي واللاسلكي والضوئي عبر المسافات البعيدة.

شاهد أيضاً: 2008 submarinecable disruption

ملاحظة:

تستخدم جميع أجهزة الشبكات المزامنة للتعرف على معدل إستقبال البيانات، فعند إرسال القيمة الثنائية 00111111 لا يستطيع الحاسوب المستقبل تمييز عدد مرات تكرار الجهد المرتفع والمنخفض إلا بمزامنة التوقيت لضبط معدل نقل البت، راجع آلية تخزين البيانات في الحاسوب للإيضاح.