السويتش: وظائفه وتعلم العناوين

ما هو السويتش Switch ووظائفه وكيف يتعلم العناوين ويمنع دوران البيانات؟

السويتش (Switch) هو جهاز شبكي أساسي في بنية شبكات الكمبيوتر الحديثة، ويُستخدم لتوجيه البيانات بين الأجهزة داخل شبكة محلية (LAN). في هذا المقال، سنغطي العديد من جوانب السويتش، بما في ذلك تعريفه، وظائفه، كيفية تعلم العناوين (MAC Addresses)، وآلية منع دوران البيانات (Broadcast Storms).

1. تعريف السويتش Switch

السويتش هو جهاز شبكي يعمل على توجيه البيانات بين الأجهزة المختلفة داخل الشبكة المحلية. عند إرسال جهاز بيانات إلى جهاز آخر داخل نفس الشبكة، يقوم السويتش بفحص العنوان المادي (MAC Address) للجهاز المرسل والجهاز المستقبل، ويقوم بإرسال البيانات فقط إلى الجهاز المقصود.

السويتش يشبه جهاز “المفتاح” الذي يربط بين مجموعة من الأجهزة في شبكة محلية، ولكنه يختلف عن “الموزع” (Hub) في طريقة التعامل مع البيانات. ففي حين أن الموزع يرسل البيانات إلى كافة الأجهزة في الشبكة (مما يؤدي إلى زيادة حمل الشبكة وتداخل البيانات)، يقوم السويتش بتوجيه البيانات إلى الجهاز المستهدف فقط، مما يقلل من التداخل ويزيد من كفاءة الشبكة.

2. وظائف السويتش

السويتش هو جهاز متعدد الوظائف يمكنه أداء العديد من المهام في الشبكة المحلية. من أهم وظائف السويتش:

أ. التوجيه الموجه للبيانات (Forwarding)

السويتش يعمل على إرسال البيانات فقط إلى الجهاز المستهدف في الشبكة. عندما يتلقى السويتش بيانات من جهاز معين، يقوم بفحص العنوان المادي (MAC Address) للبيانات ثم يحيلها إلى المنفذ (Port) الذي يتصل به الجهاز المقصود. هذه العملية تسمى التوجيه الموجه للبيانات (Forwarding)، وهي إحدى الخصائص الأساسية للسويتش.

ب. التعلم التلقائي للعناوين (Learning)

السويتش يستخدم عملية تعلم العناوين للتأكد من معرفة مكان كل جهاز متصل بالشبكة. كلما تلقى السويتش بيانات من جهاز معين، يقوم بتخزين عنوان MAC الخاص به ورقم المنفذ الذي تم الاتصال من خلاله في جدول يسمى “جدول التوجيه” أو “جدول العناوين” (MAC Address Table).

يتم تحديث هذا الجدول تلقائيًا مع مرور الوقت حيث يتم إضافة الأجهزة الجديدة إلى الجدول كلما يتم إرسال بيانات منها. هذا يتيح للسويتش معرفة أي منفذ يرسل البيانات إلى كل جهاز داخل الشبكة.

ج. التحكم في تدفق البيانات (Flow Control)

يساعد السويتش في تحسين تدفق البيانات بين الأجهزة في الشبكة. في حال وجود ازدحام أو تحميل زائد على أحد المنافذ، يمكن للسويتش التحكم في تدفق البيانات لتقليل التأخير وضمان الكفاءة في نقل البيانات.

د. الفصل بين الشبكات (Segmentation)

السويتش يتيح إنشاء شبكات فرعية داخل الشبكة المحلية. باستخدام VLANs (الشبكات المحلية الافتراضية)، يمكن تقسيم الشبكة إلى عدة شبكات صغيرة بحيث تتمكن الأجهزة في الشبكات الفرعية المختلفة من التواصل دون التأثير على أداء الشبكة بأكملها.

3. كيفية تعلم السويتش العناوين MAC Addresses

عملية تعلم العناوين هي جزء أساسي من وظائف السويتش. يقوم السويتش بتحديث جدول MAC Address مع كل حركة للبيانات عبر الشبكة. عندما يتلقى السويتش إطارًا (Frame) من جهاز معين، فإنه يتبع الخطوات التالية:

أ. التحقق من العنوان MAC في جدول السويتش

أولاً، يفحص السويتش جدول MAC Address الخاص به للتحقق مما إذا كان العنوان موجودًا أم لا. إذا كان العنوان موجودًا في الجدول، يقوم السويتش بتوجيه الإطار مباشرة إلى المنفذ المرتبط بالجهاز.

ب. إذا لم يكن العنوان موجودًا

إذا لم يكن العنوان موجودًا في الجدول، يقوم السويتش ببث الإطار إلى جميع المنافذ ما عدا المنفذ الذي جاء منه الإطار، في محاولة لتحديد الجهاز المستهدف.

ج. تحديث الجدول

عندما يتلقى السويتش الرد من الجهاز المستهدف، يقوم بتحديث جدول MAC Address بإضافة العنوان MAC الخاص بالجهاز ورقم المنفذ الذي تم من خلاله تلقي البيانات. هذه العملية تساعد السويتش في التعرف على أجهزة الشبكة الأخرى بشكل أكثر دقة في المستقبل.

د. تخزين العناوين مؤقتًا

يتم تخزين العناوين في جدول السويتش لمدة زمنية معينة تُسمى “مدة الحياة” (Age Time). إذا لم يتم تلقي أي بيانات من الجهاز بعد فترة معينة، يتم إزالة عنوان MAC من الجدول.

4. منع دوران البيانات (Broadcast Storms)

دوران البيانات أو “Storm” هو حالة تحدث عندما يبدأ السويتش في بث البيانات إلى جميع الأجهزة بشكل متكرر أو بدون الحاجة، مما يؤدي إلى ازدحام الشبكة بشكل مفرط. على الرغم من أن السويتش يقوم عادةً بتوجيه البيانات إلى الأجهزة المستهدفة فقط، إلا أن بعض المواقف قد تؤدي إلى حدوث دوران في البيانات.

أ. مسببات دوران البيانات

من أهم المسببات التي تؤدي إلى دوران البيانات هي الحلقات الدائرية (Loop). تحدث هذه الحلقات عندما يتم توصيل السويتشات ببعضها بطريقة تجعل الإطارات تتنقل بشكل دائري عبر الشبكة دون أن تصل إلى وجهتها. يمكن أن يحدث هذا بسبب أخطاء في التصميم الشبكي أو توصيلات غير صحيحة بين الأجهزة.

ب. آلية منع الحلقات

لحل مشكلة الحلقات الدائرية، يستخدم السويتش بروتوكول STP (Spanning Tree Protocol). هذا البروتوكول يعمل على تحديد الحلقات الدائرية في الشبكة وإيقافها عن طريق تعطيل بعض الروابط أو المنافذ. باستخدام STP، يتم ضمان أن تدفق البيانات يتم بشكل خطي، مما يمنع الحلقات ويقلل من خطر دوران البيانات.

ج. إدارة البث (Broadcast Management)

بالإضافة إلى منع الحلقات، يمكن للسويتشات الحديثة إدارة تدفق البث عبر الشبكة بشكل أفضل باستخدام تقنيات مثل Storm Control. هذا يسمح للسويتش بمراقبة حركة البيانات البثية (Broadcast Traffic) وتحديد عتبات يمكن عندها إيقاف أو تقليل البث لتجنب حدوث دوران.

د. استخدام VLANs لتقليل البث

من الوسائل الفعّالة للحد من دوران البيانات هي تقسيم الشبكة إلى عدة VLANs. الشبكات المحلية الافتراضية (VLANs) تحد من نطاق البيانات المرسلة بين الأجهزة. بدلاً من إرسال البيانات إلى جميع المنافذ في الشبكة، يقوم السويتش بإرسالها فقط إلى الأجهزة داخل نفس VLAN، مما يقلل من كمية البث داخل الشبكة.

5. أنواع السويتشات

يوجد العديد من أنواع السويتشات التي يمكن استخدامها في الشبكات بناءً على احتياجات الشبكة وأهداف الأداء. الأنواع الرئيسية للسويتشات هي:

أ. سويتشات Layer 2 (Data Link Layer)

هذه السويتشات تعمل في طبقة ربط البيانات (Layer 2) من نموذج OSI. وهي تقوم بمعالجة العناوين المادية (MAC Addresses) لتوجيه البيانات بين الأجهزة داخل نفس الشبكة المحلية.

ب. سويتشات Layer 3 (Network Layer)

سويتشات Layer 3 تحتوي على قدرات التوجيه (Routing) وتعمل في طبقة الشبكة. هذه السويتشات يمكنها توجيه البيانات بين الشبكات المختلفة، مثل ربط الشبكات المحلية (LAN) مع الشبكات الواسعة (WAN).

ج. سويتشات Managed vs. Unmanaged

السويتشات managed تتيح للمستخدم التحكم الكامل في إعدادات الشبكة، مثل تكوين VLANs، التحكم في تدفق البيانات، أو تطبيق سياسات أمان مختلفة. بينما السويتشات unmanaged تكون أقل مرونة وتستخدم عادة في الشبكات البسيطة حيث لا تحتاج إلى تعديلات أو إدارة.

6. خاتمة

السويتش هو أداة حيوية في أي شبكة محلية، سواء كانت شبكة منزلية أو شبكة كبيرة على مستوى المؤسسة. من خلال تحسين كفاءة توجيه البيانات، تقليل التداخل بين الأجهزة، وتقديم تقنيات متقدمة مثل VLANs، يلعب السويتش دورًا أساسيًا في تصميم الشبكات الحديثة. مع تطور الشبكات، تواصل السويتشات تقديم حلول مبتكرة لتلبية احتياجات الأمان والأداء وتحقيق استقرار الشبكة، وهو ما يجعلها عنصرًا أساسيًا في بنية الشبكات الحديثة.