books slicing at the data link layer

في طبقة ربط البيانات، التقطيع هو تقسيم حمولة إطار البيانات إلى قطعتين أو أكثر، لينتج بعد عملية التغليف إطاري بيانات أو أكثر ذوو أطوال أقصر من إطار البيانات الأصلي الذي تمّ تقطيعه. يُحدد كل بروتوكول ربط وحدة نقل أعظمية كعتبة لا يتجاوزها طول أطر البيانات التي يولّدها. التقطيع ليس وظيفة إلزامية لبروتوكولات الربط، وإذا لم يدعم بروتوكول الربط عملية التقطيع، فيجب على بروتوكول الشبكة أن يُولّد رزم بيانات تتناسب مع وحدة النقل لأعظمية لبروتوكول الربط المستعمل.

يُمكن أن يستخدم التقطيع في طبقة الربط في الحالات التي يكون فيها التطبيق حساساً للتأخير الزمني، حيث يسبب طول إطار بيانات ما تأخيراً غير مُستحب لأُطر بيانات أخرى، ويكون الحل بتقطيع الإطار الطويل إلى قطع أصغر وإرسالها عبر وسط الاتصال، وبذلك يقل زمن التأخير وتقلقل الإرسال، وتسمى هذه الآلية التقطيع والتوزيع في طبقة الربط (بالإنجليزية: Link Fragmentation and Interleaving اختصاراً LFI)‏.

تحدد الشركات المُصنعة لعتاد الشبكة قيم وحدة النقل العظمى الافتراضية والعُظمى الخاصة ببروتوكولات الربط العاملة على منافذ تجهيزاتها، وترتبط عملية التقطيع في طبقة ربط البيانات بهذه القيم بشكلٍ مباشر.

التقطيع في بروتوكول الشبكات المحلية اللاسلكية

يُعرف معيار بروتوكول الشبكات المحلية اللاسلكية (بالإنجليزية: IEEE 802.11)‏ عملية التقطيع بأنها تجزيء وحدات بيانات البروتوكول الخاصة بطبقة التحكم بالوصول للوسط إلى أجزاء أصغر، بهدف زيادة الوثوقية، من خلال زيادة احتمال نجاح عملية نقل الإطار عبر قنوات الاتصال التي تبدي خواصها وثوقية محدودة لاستقبال الأطر ذات الأطوال الكبيرة.⁽⁴⁾ تسمى العملية المعاكسة للتقطيع بإعادة التجميع (بالإنجليزية: Defragmentation)‏ ويجب أن تحصل في الوجهة التالية للقطع الناتجة، سواء كانت وجهة نهائية أو وسيطية على المسار.

يتم التحكم بعملية التقطيع بواسطة مُحدد خاص اسمه عتبة التقطيع (بالإنجليزية: dot11FragmentThreshold)‏، وتسمح تطبيقات البروتوكول لمشرفي الشبكة بضبط هذه القيمة، وأي إطار بيانات يتجاوز طوله قيمة العتبة يجب تقطيعه، ولكن لا يوجد خوارزمية محددة للتقطيع ويترك أمر تحديد الطريقة لمن يقوم بتنفيذ البروتوكول.

وجدت دراسة لاحقة بأن عملية التقطيع تحسّن من أداء بروتوكول الشبكات المحلية اللاسلكية عند في حال التداخل الراديوي، فعند إنقاص قيمة عتبة التقطيع يتناقص معدل خطأ البت المحلي الخاص بالمستقبل الراديوي لنقطة الوصول ويتناقص العدد الكلي لمحاولات إعادة الإرسال وتزداد إنتاجية المستقبل الراديوي. أمّا عند زيادة قيمة عتبة التقطيع فيتناقص التأخير الكلي للوصول إلى الوسط، وأيضاً تقلقل الإرسال الكلي.

التقطيع في شبكات تبديل الأطر

إن الهدف الأساسي من التقطيع في شبكة تبديل الأطر هو دعم حركة البيانات الحساسة للتأخير عند حركتها عبر الشبكة، بحيث يتم تقطيع أطر البيانات ذات الأطوال الكبيرة إلى قطع صغيرة بحيث لا يسبب إرسالها تأخيراً كبيراً لبقية الأطر. تسمح هذه التقنية للأطر الحساسة وغير للتأخير الزمني بتشارك نفس القناة الافتراضية عبر نفس المنفذ. وُصفت محددات التقطيع بمعيار خاص تحت الاسم الرمزي (FRF.12).

يستخدم التقطيع في شبكة تبديل الأطر كجزء من آلية التقطيع والتوزيع في طبقة الربط (LFI). لا يوجد طول مُحدد مُلزم لوحدة النقل الأعظمي، ولكن من الأفضل أن يكون الطول المُختار متناسباً مع معدل الساعة للقناة الفيزيائية ومعدل التقل عبر القنوات الافتراضية. تُستخدم خوارزمية التقطيع الخاصّة ببروتوكول الربط بين نقطتين مُتعدد الوصلات.

أنماط التقطيع

يُعرّف معيار التقطيع في شبكات تبديل الأطر ثلاث أنماط من التقطيع:

• التقطيع بين المُستخدم والشبكة (بالإنجليزية: UNI Fragmentation)‏: ويحصل بين جهاز اتصال بيانات (DCE) وجهاز بيانات طرفي (DTE) بهدف السماح لأطر البيانات الحساسة وغير الحساسة للتأخير بتشارك نفس المنفذ الذي يصل بين المستخدم والشبكة، والذي غالباً ما يكون ذو معدل نقل منخفض. في هذا النمط، يتم تجميع الإطار مجدداً قبل دخوله شبكة تبديل الإطار، ويُرسل كاملاً عبرها.
• التقطيع داخل الشبكة (بالإنجليزية: NNI Fragmentation)‏: ويكون هذا التقطيع غير مرئي بالنسبة للطرفيات حيث تحصل عمليتي التقطيع والتجميع داخل شبكة تبديل الأطر، وهو يهدف للسماح لأطر البيانات الحساسة وغير الحساسة للتأخير بتشارك نفس القناة الافتراضية. إن عمليتي التقطيع بين المستخدم والشبكة، والتقطيع داخل الشبكة متطابقتين من حيث الينية والخوارزمية المستعملة، وتُستخدمان في القنوات الافتراضية الدائمة SVC و المبدلة SVC.
• التقطيع بين الطرفيات (بالإنجليزية: End-to-End Fragmentation)‏: ويحصل هذا التقطيع بين الطرفيات، وتحديداً بين جهازي بيانات طرفيين، ويكون غير مرئي بالنسبة لشبكة تبديل الأطر، ولا يُستخدم إلا في القنوات الافتراضية الدائمة.

ترويسة القطعة

يجري تقطيع حمولة الإطار الأصلي إلى قطعتين أو أكثر، وتضاف ترويسة بروتوكول تبديل الأطر إلى كل القطع، وهي بطول 2 بايت، وأيضاً ترويسة التقطيع، وهي بطول 2 بايت أيضاً، وفي حالة التقطيع بين الطرفيات يضاف مُعرف بروتوكول طبقة الشبكة (بالإنجليزية: Network Layer Protocol ID اختصاراً NLPID)‏ وهو بطول 1 بايت، ويضبط إلى القيمة ₁₆(1B) في حالة التقطيع. أما ترتيب الإضافة عند التغليف فيكون بالشكل التالي:

• في التقطيع بين المستخدم والشبكة، وفي التقطيع داخل الشبكة، تضاف ترويسة البروتوكول أولاً، ثم تضاف ترويسة التقطيع.
• في التقطيع بين الطرفيات، تضاف ترويسة التقطيع أولاً، ثُمّ مُعرف بروتوكول طبقة الشبكة، ثم بايت محجوز يضبط إلى القيمة ₁₆(03)، وأخيراً ترويسة بروتوكول تبديل الأطر.

يضاف مُلحق بطول 2 بايت لكل القطع، يحتوي على ناتج تطبيق خوارزمية خوارزمية تتابع فحص الإطار .

يبلغ طول ترويسة القطعة 2 بايت، وهي تتكون من الحقول التالية بحسب ترتيب ورودها:

• بت قطعة البداية (بالإنجليزية: Beginning fragment bit)‏: وهو علم يشير إلى القطعة الأولى الناتجة عن التقطيع، يتم ضبطه إلى القيمة 1 في القطعة الأولى وإلى 0 في باقي القطع.
• بت قطعة النهاية (بالإنجليزية: Ending fragment bit)‏: وهو علم يشير إلى القطعة الأخيرة، يتم ضبطه إلى القيمة 1 في القطعة الأخيرة وإلى 0 في باقي القطع.
• بت التحكم (بالإنجليزية: Control bit)‏: محجوز لاستخدامات مستقبلية، يُضبط دائماً إلى القيمة 0.
• الجزء العلوي من حقل التتابع: طوله 4 بت، ويضم الجزء العلوي من حقل التتابع، وتزداد قيمة حقل التتابع بمقدار 1 مع كل قطعة جديدة يتم توليدها، بمعزل عن انتهاء إطار ما والبدء بتقطيع إطار جديد، أي إذا كانت قيمة الحقل N في آخر قطعة نتجت عن تقطيع إطار ما، فإن قيمة التتابع في القطعة الأولى التي ستنتج عن الإطار التالي الذي يتم تقطيع ستكون N+1. تضبط قيمة حقل التتابع بشكل اختياري لكل قناة افتراضية إلى قيمة ما، ثم تزداد بعد ذلك بقيمة واحد مع كل قطعة جديدة يتم تغليفها، يساعد هذا الحقل في إنجاز عملية التجميع من خلال تحديد الرزم القطع التي تنتمي لنفس الإطار الأصلي، وتحديد إزاحتها عن بدايته.
• بت محجوز: قيمته دوماً هي 1.
• الجزء السفلي من حقل التتابع طوله 8 بت، ويضم الجزء السغلي من حقل التتابع.

التقطيع في بروتوكول الربط بين نقطتين متعدد الوصلات

يُعرّف مُحدد بروتوكول الربط بين نقطتين (PPP) البرتوكول بأنه بروتوكول ربط يصل بين نقطتين هما طرفا الاتصال، ويمكن أن يقوم بتغليف رزم بيانات لبروتوكولات شبكة مختلفة. لاحقاً أضيفت توسيعة لهذا البروتوكول تسمح بتجميع أكثر من خط نقل فيزيائي يمثل كل منها قناة اتصال مستقلة ضمن خط نقل افتراضي واحد يجمع هذه القنوات، وسميت هذه التوسيعة ببروتوكول النقل متعدد الوصلات بين نقطتين، ووصفت في وثيقة طلب التعليقات (RFC 1990). كما قد يُستخدم التقطيع كجزء من آلية التقطيع والتوزيع في طبقة الربط (LFI).

تُعرّف التوسيعة طبقة فرعية في نموذج الاتصال المعياري، تشغل الجزء العلوي من طبقة ربط البيانات، وتعمل فيها وحدة توسيعة البروتوكول، فترتبط مع وحدة بروتوكول طبقة الشبكة من جهة، ومع وحدتين أو أكثر من وحدات بروتوكول الربط بين نقطتين من جهة أخرى، التي تشغل طبقة فرعية أخرى تُشكل الجزء الأدنى من طبقة ربط البيانات.

من أجل توزيع الحمل بين خطوط التقل التي تشكل الوسط الفيزيائي، تقوم توسيعة البروتوكول بتقطيع رزمة البيانات الواردة من طبقة الشبكة إلى عدد من القطع، ثم تضيف ترويسة خاصة تُسمى ترويسة القطعة لكل قطعة ناتجة، وتمرر القطع وفق سياسة توزيع محددة إلى وحدات بروتوكول الربط بين نقطتين، التي تقوم كل منها بدورها بإضافة ترويسة وملحق خاصين ببروتوكول الربط بين نقطتين، ويجري تغليف القطعة بهما، ثم يُمرر الناتج إلى الطبقة المادية، وتعاد هذه المراحل بترتيب معكوس في المستقبل، من أجل إعادة توليد رزمة البيانات الأصلية.

تضاف ترويسة التوسيعة لكل قطعة ناتجة، ثم تُضاف ترويسة البروتوكول التقليدية والمُلحق بعملية التغليف. يكون طول ترويسة التوسيعة إمّا (2) أو (4) بايت، وفي كلا الحالتين تتألف الترويسة من 4 حقول هي:

• بت قطعة البداية (Beginning fragment bit): وهو علم يشير إلى القطعة الأولى، يتم ضبطه إلى القيمة (1) في أول قطعة تنتج عن عملية التقطيع، و(0) في بقية القطع.
• بت قطعة النهاية (Ending fragment bit): وهو علم يشير إلى القطعة الأخيرة، يتم ضبطه إلى القيمة (1) في آخر قطعة تنتج عن عملية التقطيع، و(0) في بقية القطع.
• حقل رقم التتابع (Sequence number): ويدل على ترتيب القطعة بالنسبة لبقية القطع، يضبط في البداية إلى قيمة ابتدائية، ثُم تجري زيادتها بمقدار (1) في كل قطعة جديدة يتم تغليفها، قد يكون الحقل بطول (12) بت، ويُسمّى عندها التتابع القصير (بالإنجليزية: Short Sequence)‏ أو بطول (24) بت، ويُسمّى عندها التتابع الطويل (بالإنجليزية: Long Sequence)‏.
• بتات محجوزة: تُوجد بين العلمين ورقم التتابع، تُضبط إلى القيمة (0)، وعددها (2) إذا استخدم التتابع القصير أو (6) إذا استخدم التتابع الطويل.