تمثل مخططات البيانات أحد اللبنات الأساسية لبروتوكولات اتصالات الشبكة. وهي توفر تنسيقًا منظمًا لنقل حزم البيانات، مما يسهل تبادل البيانات بكفاءة ومرونة عبر تقنيات الشبكات المختلفة.
أصل والذكر الأول من Datagram
يمكن إرجاع مفهوم مخطط البيانات إلى الأيام الأولى لشبكات الكمبيوتر. تمت صياغة مصطلح "مخطط البيانات" لأول مرة في عام 1970 من قبل عالم الكمبيوتر الفرنسي لويس بوزين. قدم بوزين مخطط البيانات في تصميم شبكة CYCLADES، وهو مشروع فرنسي رائد أثر في تطور الإنترنت.
كانت شبكة CYCLADES مهمة لأنها كانت واحدة من أولى الشبكات التي طبقت مبدأ النهاية إلى النهاية وطبقة الشبكة غير المتصلة. سمحت هذه الشبكة بإرسال الحزم أو مخططات البيانات بشكل فردي، بحيث يجد كل منها مساره الخاص من المصدر إلى الوجهة.
مخطط البيانات: نظرة فاحصة
في مجال شبكات الكمبيوتر، مخطط البيانات عبارة عن حزمة مستقلة من البيانات التي تحمل معلومات كافية ليتم توجيهها من المصدر إلى الوجهة دون الاعتماد على التبادلات السابقة بين أجهزة الكمبيوتر المصدر والوجهة. وبعبارة أخرى، فإن مخططات البيانات عبارة عن حزم مستقلة من البيانات، يتم إرسال كل منها على حدة.
تعد مخططات البيانات مكونًا أساسيًا لبروتوكول الإنترنت (IP)، وهو بروتوكول يستخدم لنقل البيانات عبر شبكة تبديل الحزم. لا يتضمن كل مخطط بيانات IP الحمولة (البيانات الفعلية) فحسب، بل يشمل أيضًا معلومات الرأس مثل عناوين IP المصدر والوجهة.
تجدر الإشارة إلى أن مخططات البيانات تُستخدم في وضع اتصالات غير متصل، يُعرف باسم نموذج خدمة مخطط البيانات. في هذا النموذج، يتم التعامل مع كل رسالة بشكل مستقل عن الرسائل الأخرى. ليست هناك حاجة لإنشاء مسار مخصص قبل الإرسال، على عكس نموذج الخدمة الموجهة للاتصال حيث يتم إنشاء مسار مخصص بين المصدر والوجهة قبل بدء نقل البيانات.
فهم هيكل ووظيفة مخطط البيانات
يتكون مخطط بيانات IP من مكونين رئيسيين:
- رأس مخطط البيانات: يتضمن معلومات التحكم المختلفة مثل عناوين IP المصدر والوجهة، والبروتوكول المستخدم (TCP، UDP، وما إلى ذلك)، والطول الإجمالي لمخطط البيانات، والأعلام الأخرى للتحكم في التجزئة وإعادة التجميع.
- الحمولة: هذه هي البيانات الفعلية التي يحملها مخطط البيانات. عادةً ما يكون هذا جزءًا مغلفًا من بيانات طبقة النقل.
عندما يتم إرسال مخطط بيانات عبر شبكة، يتم استقباله بواسطة طبقة واجهة الشبكة في الوجهة. هنا، يتم فحص رأس IP لتحديد مكان إعادة توجيه مخطط البيانات بعد ذلك. بمجرد وصول مخطط البيانات إلى الوجهة النهائية، يتم استخراج الحمولة وإرسالها إلى الطبقات العليا لنموذج OSI لمزيد من المعالجة.
الميزات الرئيسية لمخطط البيانات
يأتي نهج مخطط البيانات مع العديد من الميزات المحددة:
- استقلال: كل مخطط بيانات مستقل عن الآخرين. وهذا يعني أنه يمكن إرسالها واستلامها بأي ترتيب.
- مكتفية ذاتيا: تحمل مخططات البيانات جميع المعلومات اللازمة للتوجيه من الأصل إلى الوجهة.
- لا يوجد مسار محدد مسبقًا: في شبكة مخططات البيانات، ليست هناك حاجة لإنشاء مسار قبل إرسال البيانات.
- مرن: نظرًا لأن كل مخطط بيانات يمكنه اختيار مساره الخاص، يمكن أن يكون هذا النموذج أكثر قوة وقدرة على التكيف مع فشل الشبكة أو الازدحام.
- لا يوجد تسليم مضمون: لا توفر شبكات مخططات البيانات تسليمًا مضمونًا أو إخطارًا بفشل التسليم.
أنواع مخططات البيانات
يمكن تصنيف مخططات البيانات على نطاق واسع بناءً على البروتوكول المرتبط بها. النوعان الأكثر شيوعًا هما:
- مخطط بيانات IP: تُستخدم مخططات البيانات هذه في بروتوكول الإنترنت، وتشكل تنسيق الحزمة الأساسي لنقل البيانات عبر الإنترنت. يتم استخدامها بواسطة كل من TCP (بروتوكول التحكم في الإرسال) وUDP (بروتوكول مخطط بيانات المستخدم) لتسليم البيانات.
- مخطط بيانات UDP: تعد مخططات البيانات هذه جزءًا من بروتوكول مخطط بيانات المستخدم. يوفر UDP طريقة بسيطة ولكنها سريعة لتبادل البيانات عبر شبكات IP. إنه يفتقر إلى التعقيد والنفقات العامة لـ TCP، ولكنه أيضًا لا يضمن التسليم أو الطلب أو التحقق من الأخطاء.
استخدام مخطط البيانات والتحديات والحلول
تُستخدم مخططات البيانات عبر العديد من التطبيقات في شبكات الكمبيوتر. وهي مفيدة بشكل خاص في السيناريوهات التي تكون فيها السرعة أمرًا بالغ الأهمية، ويكون فقدان البيانات عرضيًا مقبولاً، مثل البث المباشر ومؤتمرات الفيديو والألعاب عبر الإنترنت.
ومع ذلك، فإن استخدام مخططات البيانات يطرح أيضًا بعض التحديات. نظرًا لأنها لا تضمن تسليم الحزم أو الحفاظ على ترتيبها، فقد تضيع بعض مخططات البيانات أو تصل خارج الترتيب. تتم إدارة ذلك عادةً في طبقة التطبيق، حيث تضمن البروتوكولات مثل TCP التسليم المنظم والموثوق.
على سبيل المثال، إذا كنت تستخدم UDP لإرسال مخططات البيانات، فيمكنك إنشاء منطق إضافي في التطبيق الخاص بك لتأكيد استلام مخططات البيانات أو لإعادة ترتيبها عند وصولها.
مخطط البيانات مقابل مصطلحات الشبكات المشابهة
- مخطط البيانات مقابل الحزمة: مخطط البيانات هو نوع من الحزم، وهو على وجه التحديد كيان مستقل ومكتفي بذاته من البيانات يحمل معلومات كافية ليتم توجيهها من المصدر إلى الوجهة.
- مخطط البيانات مقابل الإطار: الإطار هو وحدة نقل البيانات الرقمية في شبكات الكمبيوتر. وعلى النقيض من مخطط البيانات، يتضمن الإطار معلومات المزامنة والتحقق من الأخطاء وبيانات التحكم، مما يتيح نقلها بشكل موثوق إلى عقدة الشبكة التالية المتصلة مباشرة.
مستقبل مخططات البيانات والتقنيات الناشئة
مع تطور تكنولوجيا الشبكات، لا يزال مفهوم مخططات البيانات ذا أهمية، خاصة مع نمو التقنيات مثل إنترنت الأشياء (IoT) والحوسبة المتطورة، والتي تتطلب نقل بيانات فعال ومرن.
علاوة على ذلك، فإن تطوير طبقة نقل بيانات البيانات (DTLS) يوضح الاهتمام المتزايد بالتطبيقات الآمنة المعتمدة على مخططات البيانات. يوفر DTLS نفس ضمانات الأمان التي يوفرها TLS (المستخدم في تصفح الويب الآمن) ولكن لبروتوكولات مخططات البيانات مثل UDP.
الخوادم الوكيلة ومخطط البيانات
يمكن للخوادم الوكيلة التعامل مع مخططات البيانات، والعمل كوسيط للطلبات المقدمة من العملاء الذين يبحثون عن موارد من خوادم أخرى. يمكنهم توفير وظائف مختلفة، بما في ذلك الأمان والخصوصية وضغط البيانات.
على سبيل المثال، يمكن للخادم الوكيل أن يسمح للعميل بإجراء اتصال شبكة غير مباشر بخدمات الشبكة الأخرى. يتصل العميل بالخادم الوكيل، ويطلب اتصالاً أو ملفًا أو موارد أخرى متاحة على خادم مختلف. يوفر الخادم الوكيل المورد، ربما عن طريق الاتصال بالخادم المحدد أو تقديمه من ذاكرة التخزين المؤقت.
فيما يتعلق بمخططات البيانات، يمكن للخادم الوكيل اعتراضها وقراءة البيانات وتفسيرها، ثم تنفيذ مهام مختلفة بناءً على محتوى مخطط البيانات. قد يتضمن ذلك إعادة توجيه مخطط البيانات، أو تعديل البيانات، أو حتى حظرها تمامًا.
روابط ذات علاقة
لمزيد من المعلومات حول مخططات البيانات والمفاهيم ذات الصلة، خذ بعين الاعتبار الموارد التالية:
