نموذج OSI ودور طبقة ربط البيانات

مقدمة عامة حول نموذج OSI ودور طبقة ربط البيانات

تُعدّ شبكات الحاسوب من أبرز الابتكارات التقنية التي ساهمت في إحداث نقلة نوعية في كيفية تبادل المعلومات والبيانات بين الأجهزة حول العالم، وأصبحت البنية التحتية المتكاملة التي تعتمد على وسائل الاتصال الحديثة عنصرًا جوهريًا لتشغيل مختلف مجالات الحياة العصرية كالاقتصاد، والتعليم، والصحة، والإعلام. وفي ظل هذا التطور الواسع ظهرت الحاجة إلى وضع معايير وقواعد عالمية تضمن توافقًا وانسجامًا بين أجهزة مختلفة من حيث مواصفاتها، وأنظمتها التشغيلية، وطُرق تبادل البيانات فيما بينها.

ومن أجل تنظيم عملية الاتصال على نحو تفصيلي وواضح، برز نموذج الربط البيني للأنظمة المفتوحة المعروف اختصارًا باسم نموذج OSI (Open Systems Interconnection). هذا النموذج من تطوير المنظمة الدولية للمعايير ISO، ويُعدُّ أداةً مرجعيةً مفاهيميةً لتقسيم عملية الاتصال الشبكي إلى سبع طبقات متميّزة، بحيث تؤدي كل طبقة مجموعة من الوظائف المحددة، وتتفاعل مع الطبقات المجاورة لها وفق بروتوكولات وضوابط تتعلق بمسؤولياتها وحدود نطاقها.

في هذا السياق، تُعدّ طبقة ربط البيانات (Data Link Layer) الطبقة الثانية من نموذج OSI، وتأتي بعد الطبقة المادية (Physical Layer) مباشرة. ويناط بها إدارة عملية نقل البيانات في النطاق المحلي أو عبر وسائط الاتصال المباشرة، مع ضمان سلامة الإطار (Frame) الذي يُنقَل من عقدة إلى أخرى على الشبكة. يُنظر عادةً إلى طبقة ربط البيانات بوصفها الحلقة المسؤولة عن توفير عنوان فيزيائي للأجهزة المتصلة، بالإضافة إلى إدارة الأخطاء التي قد تنشأ في أثناء إرسال واستقبال البيانات على المستوى المنخفض. تستند هذه الطبقة إلى خواص محددة مرتبطة بتقنيات التهيئة، والتحكم في التدفق، والكشف عن الأخطاء وتصحيحها، ووسائل النفاذ إلى وسط النقل.

يهدف هذا المقال المطوّل إلى تسليط الضوء بشمولية على طبقة ربط البيانات في نموذج OSI، واستعراض وظائفها التفصيلية، وآلياتها المختلفة، وتأثيرها الكبير في عالم الاتصالات والشبكات. سيتم تناول تكوينها الداخلي، وطبيعة عملها، وارتباطها بالطبقات الأخرى، بالإضافة إلى تسليط الضوء على أبرز البروتوكولات والتقنيات المستخدمة فيها، مع تقديم عرضٍ وافٍ للتحديات والتطورات التي طرأت عليها. يُفترض أن يعزز هذا المحتوى الفهم العميق لكيفية عمل طبقة ربط البيانات، ويساعد في تشكيل صورة واضحة لدى القرّاء من المختصين والمهتمين بمجال الشبكات وتقنية المعلومات.

---

نظرة شاملة على نموذج OSI

نموذج OSI ليس بروتوكولًا في حدّ ذاته، بل هو إطار نظري يحدد الكيفية التي تتفاعل بها الوظائف المختلفة للشبكة. فالغرض الأساسي منه هو توفير مرجع يشير إليه مصممو ومطوّرو بروتوكولات الشبكات للتأكد من التوافقية وتحديد المهام بدقة. ينقسم نموذج OSI إلى سبع طبقات، وهي بالترتيب من الأدنى إلى الأعلى:

• الطبقة المادية (Physical Layer): تختص بتوصيل البتات عبر وسط النقل المادي كالأسلاك النحاسية أو الألياف الضوئية أو الاتصال اللاسلكي.
• طبقة ربط البيانات (Data Link Layer): تضمن نقل البيانات بصورة موثوقة بين العُقد المترابطة مباشرة، مع تحقيق التهيئة وإدارة الأخطاء.
• طبقة الشبكة (Network Layer): مسؤولة عن التوجيه (Routing) وعنونة الحزم وضبطها للوصول إلى الهدف النهائي عبر الشبكات الواسعة.
• طبقة النقل (Transport Layer): تضمن التوصيل الموثوق وإدارة الاتصالات من طرف إلى طرف.
• طبقة الجلسة (Session Layer): تدير إنشاء الجلسات بين التطبيقات والتحكم فيها وإنهاءها.
• طبقة العرض (Presentation Layer): مسؤولة عن تنسيق البيانات وتمثيلها (مثل التشفير والضغط) قبل تسليمها للتطبيق.
• طبقة التطبيقات (Application Layer): طبقة التفاعل مع المستخدم النهائي، حيث تعمل تطبيقات الشبكة المختلفة.

تعمل هذه الطبقات وفق مبدأ التراصف (Layered Architecture)؛ إذ تعتمد كل طبقة على خدمات الطبقات السفلية وتقدم خدماتها الخاصة للطبقات العليا. ويُستخدم مصطلح حزمة البيانات (Packet) كمفهوم عام، ولكنه يختلف اسمه عند كل طبقة: ففي الطبقة المادية ينحصر الحديث في الإشارات (Bits)، وفي طبقة ربط البيانات نتحدث عن الإطارات (Frames)، وفي طبقة الشبكة نتحدث عن الحزم (Packets)، وفي طبقة النقل نتحدث عن القطع (Segments) أو البيانات (Data) حسب نوع البروتوكول، وهكذا.

---

موقع طبقة ربط البيانات ضمن نموذج OSI

تُصنّف طبقة ربط البيانات (Layer 2) ضمن نموذج OSI بوصفها طبقة وسيطة بين الطبقة المادية (Layer 1) وطبقة الشبكة (Layer 3). بعد أن تقوم الطبقة المادية بتحويل تدفق البتات إلى إشارات كهربائية أو ضوئية أو لاسلكية على وسط النقل، يأتي دور طبقة ربط البيانات للتعامل مع تلك البيانات المرسلة واستقبالها على شكل وحدات تُعرف باسم الإطارات (Frames). يتمحور دور طبقة ربط البيانات حول:

• بناء الإطار (Framing): تقسيم تدفق البتات الواردة من الطبقة المادية إلى إطارات ذات بنية محددة تحتوي على العنوان الفيزيائي ومعلومات التحكم والأخطاء وغير ذلك.
• إدارة الأخطاء: تتضمن رصد الأخطاء التي قد تحدث في أثناء الإرسال وإصلاحها أو طلب إعادة الإرسال.
• التحكم في التدفق: تنظيم عملية إرسال البيانات بما يتناسب مع قدرة المستقبل على الاستقبال، لتفادي فقدان البيانات أو تراكمها.
• التنظيم في الوصول إلى وسط النقل: يشمل ذلك بروتوكولات تحكم النفاذ المتعدد مثل CSMA/CD في الشبكات المحلية.
• توفير العناوين الفيزيائية: عبر استخدام عناوين MAC (Media Access Control) في الشبكات المحلية (LAN) مثلاً.

ما يميز طبقة ربط البيانات أنها نقطة التماس المباشر مع الأجزاء الفيزيائية للشبكة، إذ تعتمد على جودة الإشارة وعلى قابلية التوصيل في الوسط المادي، وفي الوقت ذاته تهيئ البيانات لكي تكون صالحة للتمرير إلى طبقة الشبكة التي تتعامل مع الجانب المنطقي والتوجيهي (IP addressing، تخطيط المسارات، إلخ). بهذا الصدد، تُعتبر هذه الطبقة عنصرًا مهمًا في تأمين إرسال موثوق للإطارات.

---

بنية الطبقة الثانية: طبقة ربط البيانات

تنقسم طبقة ربط البيانات في العديد من المعايير إلى مستويين فرعيين (Sublayers) أساسيين، هما:

1. طبقة التحكم بالارتباط المنطقي (LLC – Logical Link Control): وهي الطبقة الفرعية الأعلى في طبقة ربط البيانات، مسؤولة عن توفير واجهة للطبقة الثالثة (طبقة الشبكة)، وعن تنفيذ أساليب التحكم في التدفق وضبط الأخطاء. غالبًا ما يُشار إليها بالبروتوكول IEEE 802.2 في شبكات الإيثرنت التقليدية.
2. طبقة تحكم الوصول إلى الوسط (MAC – Media Access Control): وهي الطبقة الفرعية الأدنى في طبقة ربط البيانات، تُعنى بتنظيم عملية الوصول إلى الوسط المادي (الكابل أو موجات الراديو في الشبكات اللاسلكية) وتتخذ إجراءات لتحديد متى وكيف يمكن للبيانات أن تُرسل وتُستقبل. تتضمن هذه الطبقة معالجة العناوين الفيزيائية (MAC Addresses) التي تشبه البصمة الخاصة بكل بطاقة شبكة.

يكفل هذا التقسيم إمكان فصل آلية الوصول إلى الوسط المادي (والتي قد تتغير حسب نوع التقنية: إيثرنت، واي فاي، توكن رينغ، إلخ) عن الخدمات المنطقية العامة مثل التحكم بالاتصال والضبط العام للأخطاء. يتيح هذا الفصل درجة من المرونة في إضافة وسائل نقل مختلفة ضمن نفس الإطار العام للتعامل مع الطبقات الأعلى.

---

مفاهيم أساسية في طبقة ربط البيانات

1. الإطارات (Frames)

تُعدّ عملية بناء الإطار (Framing) من أهم المسؤوليات في طبقة ربط البيانات. يتم تقسيم سلسلة البتات المستقبلة من الطبقة المادية إلى كتلة بيانات محددة البنية تُسمى إطارًا. يحوي الإطار مجموعة من الحقول الأساسية التي تشمل:

• حقول العناوين: تشمل عنوان المصدر وعنوان الوجهة على مستوى الطبقة الثانية (MAC Address)، وتُحدد العقدة التي يُفترض بها أن تتلقى الإطار والعقدة التي أرسلته.
• حقل النوع أو البروتوكول: قد يحدد نوع البروتوكول الأعلى (مثل IP أو ARP أو غيره)، أو قد يشير إلى طول الإطار.
• حقل البيانات (Payload): يتضمن الحمولة المفيدة أو الجزء الذي يحمل البيانات من الطبقة الأعلى.
• حقل فحص الأخطاء (FCS – Frame Check Sequence): يحتوي غالبًا على قيمة محسوبة باستخدام خوارزميات كشف الأخطاء (مثل CRC – Cyclic Redundancy Check) للتحقق من صحة الإطار.

يمكن أن تختلف البنية التفصيلية للإطار حسب البروتوكول المستخدم في طبقة ربط البيانات (مثل IEEE 802.3 في إيثرنت، أو IEEE 802.11 في الشبكات اللاسلكية). إلا أنّ جميع هذه الأنواع تشترك في المبدأ العام لبناء الإطار الذي يشمل عنوان المصدر وعنوان الوجهة وحقل الحمولة وحقل التحقق من الخطأ.

2. عناوين MAC

يأتي مصطلح MAC اختصارًا لـ Media Access Control Address، وهو عنوان فريد تُخصصه الشركة المصنعة لواجهة الشبكة (Network Interface Card) أو بطاقة الشبكة على الجهاز. يتم تمثيل MAC Address غالبًا بصيغة ستة بايتات (48 بتًا) موزعة على هيئة أرقام سداسية عشرية (Hexadecimal)، بحيث يكون النصف الأول من العنوان (24 بتًا) معرف الشركة المصنعة (OUI – Organizationally Unique Identifier)، والنصف الثاني يُخصصه المصنع لتميز كل واجهة شبكية على حدة.

يستخدم MAC Address بشكل أساسي في الطبقة الثانية لتمكين أجهزة الشبكة (مثل المبدّلات (Switches) والجسور (Bridges)) من معرفة الوجهة الفيزيائية التي يتعين عليها إعادة توجيه الإطار إليها. هذا العنوان ثابت عادةً على البطاقة الشبكية، إلا أن بعض الأنظمة تسمح بتغييره برمجيًا لأغراض خاصة كاختبار الشبكات أو تكوين خدمات معينة.

3. التحكم بالوصول إلى الوسط (Media Access Control)

يشير مصطلح تحكم الوصول إلى الوسط إلى مجموعة القواعد والآليات التي تحدد كيفية مشاركة أجهزة متعددة لنفس الوسط المادي في الشبكات المحلية (مثل الإيثرنت السلكي أو اللاسلكي). على سبيل المثال:

• CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection): بروتوكول استخدم قديمًا في إيثرنت بالحالة النصف مزدوجة (Half-Duplex). يعتمد على استشعار الناقل قبل الإرسال، فإذا اكتشف جهاز اصطدامًا أثناء إرسال الإشارة، يتوقف ويعيد الإرسال بعد فترة عشوائية.
• CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance): يُستعمل في شبكات IEEE 802.11 اللاسلكية (Wi-Fi)، حيث تعمل الأجهزة على تفادي التصادم عن طريق استشعار القناة وتجنّب الإرسال إذا كانت مشغولة، مع استخدام آلية طلب الإذن RTS/CTS في بعض الأحيان.
• Token Passing: يُستخدم في شبكات Token Ring أو FDDI، حيث تنتقل رموز تحكم (Token) بين العقد، ويسمح امتلاك الـ Token بالحق في إرسال البيانات.

يهدف التحكم بالوصول إلى الوسط إلى تعزيز كفاءة الاستخدام في حال تواجد أجهزة عدة تحتاج إلى الولوج إلى نفس الوسط، مع التخفيف من احتمالية التصادم والاختناق.

4. التحكم في التدفق (Flow Control)

بالإضافة إلى إدارة الوصول إلى الوسط، يتعين على طبقة ربط البيانات إتاحة وسيلة للتحكم في التدفق (Flow Control)، أي تنظيم معدل إرسال الإطارات بما يتناسب مع قدرة المستقبل على المعالجة والاستقبال. إذا أرسل المرسل البيانات بسرعة عالية تفوق طاقة المستقبل على المعالجة أو التخزين المؤقت، قد يحدث فقد للإطارات أو ازدحام في الشبكة. لذلك تُستخدم آليات مثل:

• Sliding Window Protocol: بروتوكول النافذة المنزلقة؛ يقوم المرسل بإرسال عدد محدد من الإطارات في وقت واحد بناءً على حجم النافذة، وينتظر تأكيد (Acknowledgment) من المستقبل قبل المتابعة.
• Stop-and-Wait ARQ: يتوقف المرسل بعد إرسال إطار واحد وينتظر الإقرار قبل إرسال الإطار التالي.

5. إدارة الأخطاء (Error Control)

تتعامل طبقة ربط البيانات مع الأخطاء ذات المصدر الفيزيائي كالتداخل الكهربائي أو ضعف الإشارة أو تغير قيم البتات أثناء الإرسال. يتم كشف هذه الأخطاء عادةً عبر حساب قيمة CRC أو ما يشابهها عند الإرسال وإرفاقها في حقل مخصص بالإطار، ثم يعاد حسابها عند الاستقبال ومقارنتها بالقيمة المضمنة في الإطار. إذا اختلفت القيمتان، يُعرف أن الإطار تالف ويتم إسقاطه أو طلب إعادة إرساله وفق آلية البروتوكول.

قد تكتفي بعض بروتوكولات الطبقة الثانية بالكشف عن الخطأ فقط، فيما تتكفل طبقات عليا بتصحيحه. وهناك بروتوكولات توفر ميزة تصحيح الخطأ على نحو أولي (مثل تصحيح الخطأ الأمامي FEC في بعض البيئات اللاسلكية) كوسيلة لتقليل الحاجة إلى إعادة الإرسال.

---

العلاقة مع الطبقة المادية (Physical Layer)

ترتبط طبقة ربط البيانات ارتباطًا وثيقًا بالطبقة المادية (Layer 1) في نموذج OSI. إذ أنّ الطبقة المادية هي المسؤولة عن تمثيل البيانات على هيئة إشارات كهربائية أو ضوئية أو لاسلكية ونقلها عبر وسائط مختلفة (كالكابلات النحاسية أو الألياف البصرية أو موجات الراديو). بعد إرسال هذه الإشارات، تلتقط أجهزة الاستقبال الإشارات وتحولها إلى سلاسل من البتات. هنا تبدأ مسؤولة طبقة ربط البيانات في تجميع هذه البتات وتشكيل الإطارات والتحقق من سلامتها.

إن تداخل الوظائف بين الطبقتين الأولى والثانية يجعلنا ندرك أنّ الاختلافات في نوع الوسط الفيزيائي أو معدّل نقل البيانات أو نوع الترميز (Encoding) تؤثر مباشرةً في آليات طبقة ربط البيانات، لا سيما في جانب التحكم بالوصول إلى الوسط واكتشاف الأخطاء. فعلى سبيل المثال، الشبكات ذات السرعات العالية (مثل 10 جيجابت إيثرنت) تتطلب آليات مناسبة للتصدي للمشكلات المحتملة في التزامن أو التأخير (Latency) وهكذا.

---

التفاعل مع طبقة الشبكة (Network Layer)

بعد إعداد الإطار على نحو صحيح في طبقة ربط البيانات والتأكد من سلامته، يُمّرر الإطار إلى الطبقة الثالثة (طبقة الشبكة). بصفة أساسية، تُعنى طبقة الشبكة بمسائل أكبر، مثل تعيين المسارات وتجزئة البيانات على شكل حزم (Packets) تحمل عنوانًا منطقيًا (IP Address). لكن لكي تصل هذه الحزمة إلى مرساها الفيزيائي، تحتاج إلى إضافة رأسية (Header) خاصة بطبقة ربط البيانات تحتوي العنوان الفيزيائي للمستقبل أو للبوابة التالية في مسار التوجيه.

تعدّ هذه المنهجية مبدأ رئيسًا من مبادئ النماذج المتراصّة، إذ يبقى عنوان IP منطقيًا ويستخدم على نطاق واسع للشبكات، بينما يبقى عنوان MAC قاصرًا على نطاق الشبكة المحلية في الطبقة الثانية. عندما تنتقل الحزمة بين أكثر من شبكة، يجري تحديث عنوان MAC في كل خطوة (Hop) من القفزة الشبكية التالية وفق الجهاز الذي يتولى إعادة التوجيه (Router أو Switch).

---

أبرز بروتوكولات وتقنيات طبقة ربط البيانات

ثمة حزمة واسعة من البروتوكولات والتقنيات التي تندرج تحت مسؤولية طبقة ربط البيانات. بعضها مرتبط بالبنية التقليدية للشبكات المحلية السلكية، وبعضها بالاتصالات اللاسلكية، وبعضها الآخر يظهر في تطبيقات متخصصة. فيما يلي نظرة عامة على أكثرها شيوعًا.

1. بروتوكول إيثرنت (Ethernet)

يعدّ إيثرنت أحد أشهر وأهم التقنيات المستخدمة في الشبكات المحلية السلكية (LAN). ظهر لأول مرة في السبعينيات، وشهد تطورًا كبيرًا في السرعات والتقنيات مع مرور الوقت. يدعم في إصداراته الحديثة سرعات تصل إلى 400 جيجابت في الثانية (400GbE) وربما أكثر. يعتمد غالبًا على بنية نجمية (Star Topology) مع وجود مبدِّل (Switch) في الوسط، ويستخدم CSMA/CD في وضع النصف مزدوج (Half-Duplex)، بينما في الوضع الكامل المزدوج (Full-Duplex) يقل الاعتماد على الكشف عن التصادم لأن القناة تكون مقسمة ماديًا للإرسال والاستقبال.

تُضبط عناوين MAC في الإيثرنت داخل رأس الإطار، ويتضمن الإطار حقولًا محددة مثل عنوان الوجهة، وعنوان المصدر، وحقل النوع/الطول، وحقل الحمولة (Payload)، وحقل الـ CRC. هناك إصدارات مختلفة لإيثرنت من حيث طول الإطار الأدنى والأقصى، مثل Ethernet II، وIEEE 802.3، وغيرهما.

2. بروتوكولات IEEE 802.11 (Wi-Fi)

تندرج شبكات واي فاي (Wi-Fi) تحت معيار IEEE 802.11. وهي تقنية لاسلكية تعتمد على موجات الراديو وتعمل غالبًا في ترددات 2.4 جيجاهرتز أو 5 جيجاهرتز، مع بعض الامتدادات الحديثة لحيز 6 جيجاهرتز (Wi-Fi 6E). تختلف آلية التحكم في الوصول إلى الوسط هنا، إذ تُستخدم CSMA/CA بدلاً من CSMA/CD لتفادي التصادمات قدر الإمكان في الوسط اللاسلكي. وتختلف أيضًا بنية الإطار اللاسلكي عن الإطار السلكي، بإضافة حقول ضرورية لإدارة الارتباط (Association) وتحديد الـBSSID (Basic Service Set Identifier) وقوائم التحكم في الوصول من خلال عناوين الـMAC، فضلاً عن متغيرات الأمان مثل WPA2/WPA3.

3. بروتوكول Point-to-Point (PPP)

يستخدم بروتوكول PPP عادةً في الوصلات المخصصة نقطة-لنقطة، مثل الاتصال عبر خطوط الهاتف القديمة (Dial-up) أو بعض الخطوط الرقمية (مثل خطوط PPPoE في اتصالات الإنترنت المنزلي). وهو بروتوكول بسيط يوفر أساسًا عمليات التغليف (Encapsulation) للبيانات، والتحقق من صحة الإطار، وخدمات اختيارية للتحقق من هوية المستخدم (Authentication) وضغط البيانات.

4. بروتوكول HDLC (High-Level Data Link Control)

ظهر HDLC كبروتوكول تحكم عالي المستوى في ربط البيانات، وقد طورته IBM، ويعدّ من الأسس التي بُني عليها PPP. يوفر آلية تأطير متينة ومرونة في التعامل مع الاتصالات التسلسلية (Serial Links)، مع إمكانات للتحكم في الأخطاء والتدفق.

5. بروتوكول Frame Relay

كان Frame Relay في الماضي تقنيةً مستخدمةً على نطاق واسع في الشبكات الواسعة (WANs)، ويستند إلى نقل الإطارات بكلفة منخفضة وفعّالة عبر شبكة تبديل الحزم. اعتمد كثيرًا على وسائط الخطوط المؤجرة، ووفّر واجهةً طبقية بين المواقع المختلفة قبل أن تحل محله تقنيات أحدث مثل MPLS.

6. بروتوكول ATM (Asynchronous Transfer Mode)

اعتمد ATM على حُزم ثابتة الطول تُعرف باسم الخلايا (Cells)، وكانت تُستخدم في تطبيقات الصوت والفيديو والبيانات في الشبكات الواسعة. اعتُبر في زمنه ثورة لتوحيد بنية النقل لخدمات مختلفة (الصوت والبيانات والفيديو) في حزمة موحدة، وإن كان معقدًا نسبيًا في التطبيق.

7. تقنيات أخرى

هناك العديد من البروتوكولات والتقنيات التي تتبع لطبقة ربط البيانات أو تتفاعل معها، مثل Token Ring، وFDDI (Fiber Distributed Data Interface)، وWireless PAN (مثل Bluetooth)، وتقنيات أخرى. كلّها توفر وسائل تأطير وتحكم في الوصول للوسط وطرقًا لإدارة الأخطاء بما يتناسب مع طبيعة الوسط والأغراض المرادة من الشبكة.

---

دور المبدِّلات (Switches) والجسور (Bridges) في طبقة ربط البيانات

تتخصص بعض أجهزة الشبكة في معالجة البيانات على مستوى الطبقة الثانية، وأبرز هذه الأجهزة هي المبدلات (Switches) والجسور (Bridges). يُعرَف المبدل أحيانًا باسم جسر متعدد المنافذ، إذ يعتمد كلاهما على استخدام عناوين MAC لتوجيه الإطارات داخل الشبكة المحلية.

المبدلات (Switches)

في بيئة الإيثرنت الحديثة، تُعدّ المبدلات العنصر المحوري لربط الأجهزة داخل الشبكة المحلية. تعمل المبدلات على تقليل التصادمات مقارنةً بأيام المجمعات (Hubs) التي ترسل أي إطار يُستقبل على جميع المنافذ الأخرى. إذ يحتفظ المبدل بجدول ترجمة (MAC Address Table) يربط بين عنوان MAC والمنفذ الذي يتصل به هذا العنوان، وبهذا يرسل الإطارات فقط إلى المنفذ المقصود بدلًا من تعميم الإطار على كل المنافذ.

كما يدعم العديد من المبدلات ميزات متقدمة مثل إنشاء شبكات افتراضية VLANs، ودعم بروتوكول الشجرة المتفرعة STP لمنع التشعبات (Loops)، ودعم تقنيات التجميع (Link Aggregation) للتحكم في سعة النطاق. هذه الميزات كلها تأتي في إطار توسيع وظائف طبقة ربط البيانات لضبط بنية الشبكة وضمان موثوقيتها.

الجسور (Bridges)

تعتبر الجسور شكلاً أبسط من المبدلات، إذ هي جهاز شبكة يعمل على الربط بين مقاطع الشبكة المختلفة (Network Segments) على مستوى الطبقة الثانية. قد يُستخدم جسر لربط شبكتين محليتين سلكيتين أو شبكة سلكية مع شبكة لاسلكية. يمكن اعتبار المبدِّلات تطويرًا للجسور مع توسيع عدد المنافذ والقدرة على التعلّم التلقائي لعناوين MAC على نطاق أكبر.

---

الشبكات المحلية الافتراضية (VLANs) في طبقة ربط البيانات

تُمكّن VLANs مسؤولي الشبكات من تقسيم الشبكة المادية الواحدة إلى عدة شبكات منطقية معزولة على مستوى الطبقة الثانية، حتى لو كانت جميع الأجهزة متصلة بالمبدِّل نفسه. بهذه الآلية، يمكن تجميع الأجهزة في مجموعات عمل (Workgroups) أو أقسام (Departments) منفصلة تحليًا بالأمن وإدارة المرور بكفاءة أعلى.

عند تفعيل VLANs، يُحدد عادةً لكل منفذ في المبدّل قيمة رقم VLAN معين، وتتبع الإطارات الصادرة منه تلك الـVLAN. أما في حالة نقل الإطار عبر وصلات الجذع (Trunk Links) بين المبدلات، يُضاف Tag في الإطار (وفق معيار IEEE 802.1Q) يحدد هوية الـVLAN التابع لها هذا الإطار. عندما يصل الإطار إلى مبدّل آخر، يعرف المبدّل أي VLAN ينتمي إليه الإطار بناءً على العلامة المضمنة، ويعيد توجيه الإطار إلى المنافذ المنتمية لتلك الـVLAN فقط.

هذه العملية تجري على مستوى طبقة ربط البيانات، وذلك بإضافة حقول إضافية في إطار إيثرنت الأساسي لتمييز الـVLAN. من خلال هذه الميزة، تُدار الشبكة بصورة أكثر مرونة وفعالية، فلا يحتاج مدير الشبكة إلى إعادة توصيل الأسلاك ماديًا لإنشاء مجموعات شبكية مختلفة.

---

بروتوكولات الشجرة المتفرعة (Spanning Tree Protocol – STP)

في شبكات الإيثرنت الممتدة، من الشائع وجود مسارات متعددة تصل بين نفس أجزاء الشبكة، وذلك لتحقيق التوافرية العالية (High Availability) والتصدي لانقطاع أحد الروابط. لكن هذه الروابط المتعددة قد تؤدي إلى حلقات (Loops) في الطبقة الثانية؛ إذ قد تتسبب الحلقة في تكرار الإطارات إلى ما لا نهاية في الشبكة.

لمنع تشكّل الحلقات، يعتمد المبدلات على بروتوكول الشجرة المتفرعة STP الذي يفعّل خوارزميةً لاختيار مبدّل جذري (Root Bridge) ومن ثم يعطّل (أو يضع في حالة Blocking) بعض المنافذ وفق تشكيلة محددة تمنع الحلقات، لتعمل الشبكة كـ “شجرة” ليس فيها إلا مسار واحد نشط لكل جزء من الشبكة. بمجرد حدوث انقطاع في الوصلة، يتفاعل البروتوكول ويعيد ضبط المنافذ لفتح مسار بديل حتى تبقى الشبكة فعّالة.

تتفرع عن STP عدد من الإصدارات المحسّنة، مثل RSTP (Rapid Spanning Tree Protocol) وMSTP (Multiple Spanning Tree Protocol)، والتي تسعى لتقليل وقت إعادة حساب الشجرة وتحسين التوافق مع شبكات VLAN.

---

الضبط الآمن في طبقة ربط البيانات

لا تقتصر مسؤولية طبقة ربط البيانات على إرسال الإطارات فحسب؛ فقد تشتمل على إجراءات لتوفير حماية من بعض الهجمات التي تُشنّ على مستوى الطبقة الثانية. من أمثلة هذه التهديدات:

• MAC Flooding: يعمل المخترق على إرسال كميات كبيرة من الإطارات بعناوين MAC مزيفة حتى يمتلئ جدول المبدِّل، مما يجعله يتحول لطور البث العام (Flooding Mode) وإرسال كل حركة مرور إلى جميع المنافذ.
• VLAN Hopping: محاولة غير مشروعة لاختراق VLAN من VLAN أخرى عبر استغلال بعض الثغرات في بروتوكول الإطار الوسم (Tagging Protocol).
• ARP Spoofing: يعدّ هذا الهجوم متعلقًا بشكل خاص بترجمة العناوين بين الطبقتين الثالثة والثانية (بروتوكول ARP)، لكنه يشكّل خطرًا على المستوى التحتي للشبكة. يتم عبر إرسال ردود ARP مزورة، مما يؤدي إلى تحويل حركة مرور الأجهزة إلى وجهة خاطئة (مثل جهاز المهاجم).

لمواجهة هذه الهجمات، قد توفر المبدلات خيارات مثل تقييد عدد العناوين MAC لكل منفذ (Port Security)، وDHCP Snooping، وDynamic ARP Inspection (DAI)، وغيرها من آليات الحماية التي تُنفَّذ كلها على مستوى طبقة ربط البيانات.

---

أساليب ترميز البيانات والتوافق مع الطبقة الأولى

تؤثر الأساليب المستخدمة في ترميز البيانات (Encoding) على مستوى الطبقة المادية تأثيرًا مباشرًا في سلوك طبقة ربط البيانات. على سبيل المثال، في تقنيات إيثرنت، تختلف طريقة الترميز حسب السرعة والنوع (10BASE-T، 100BASE-TX، 1000BASE-T، 10GBASE-T، إلخ)، إذ يتطور البروتوكول ليدعم معدلات أعلى للبيانات وإشارات مختلفة، وقد يتطلب هذا تعديل آليات اكتشاف التصادم ونمط إرسال الإطارات.

أيضًا، يبرز الجانب المادي في البيئات اللاسلكية؛ حيث يختلف الترميز والتعديل (Modulation) في 802.11a/b/g/n/ac/ax بهدف التكيّف مع معدلات نقل أعلى أو توفير تقنيات أفضل لتجاوز التداخل وإدارة الطيف الترددي المتاح. يتمثل دور طبقة ربط البيانات في الاستفادة من تلك التطورات الفيزيائية، كتحسين أساليب التحكم في التدفق واكتشاف الأخطاء مع ازدياد احتمال الخطأ في الوسط اللاسلكي مقارنةً بالأسلاك.

---

الازدواجية (Duplexing) في طبقة ربط البيانات

يُقصد بـHalf-Duplex إمكانية إرسال واستقبال البيانات لكن ليس في الوقت ذاته، بينما يُقصد بـFull-Duplex القدرة على الإرسال والاستقبال بالتوازي. على الرغم من أن الازدواجية تتصل بالطبقة المادية من ناحية تصميم الواجهة، إلا أن إعدادات الطبقة الثانية تتأثر بذلك. في وضع النصف المزدوج يجري CSMA/CD أو آليات تجنب التصادم في الوسط اللاسلكي، بينما في الوضع الكامل المزدوج يصبح التصادم أمرًا غير متوقع في الظروف الطبيعية، إذ توجد قناة مستقلة للإرسال وأخرى للاستقبال.

---

التجزئة والتجميع (Fragmentation and Segmentation) في الطبقة الثانية

عادةً ما تُجرى عمليات التجزئة والتجميع (Segmentation and Reassembly) على مستوى أعلى، وخاصة طبقة النقل أو طبقة الشبكة. ومع هذا، قد تقدم طبقة ربط البيانات في بعض التقنيات خيارات تجزئة حجم الإطار نفسه. على سبيل المثال، في شبكات Wi-Fi اللاسلكية يمكن أن يحدث ما يُعرف بتجزئة الإطار (Fragmentation) للمساعدة في تقليل احتمالية فقدان إطار كبير بسبب ضوضاء القناة أو التشويش. كما يمكن في بعض الحالات ضبط حجم MTU (Maximum Transmission Unit) على مستوى طبقة ربط البيانات للاستفادة من الظروف أو لتقليل الأخطاء.

---

تقنيات نقل البيانات على نطاق واسع في الطبقة الثانية

في حال رُغِبَ في تمديد نطاق شبكات الطبقة الثانية، خاصة في مراكز البيانات، توجد تقنيات متنوعة مثل VXLAN (Virtual Extensible LAN) التي تعمل فوق طبقة UDP في طبقة النقل (نظريًا تُسمى طبقة 2.5 أو 3)، لكنها في جوهرها تُحاكي تمديد مساحة عنوان MAC عبر شبكة ذات نطاق واسع أو شبكة مُجمَّعة. تهدف هذه التقنيات إلى تسهيل نقل الأجهزة الافتراضية بين خوادم مختلفة (VM Mobility) مع الحفاظ على العناوين MAC دون تغيير.

إن هذه التطورات تشير إلى أن دور الطبقة الثانية لم يعد مقتصرًا على نطاق الشبكة المحلية التقليدية، بل يمكن بوسائل المحاكاة والتغليف (Encapsulation) أن يمتد على نطاق جغرافي واسع.

---

تطورات مستقبلية وتحديات طبقة ربط البيانات

مع الارتفاع المضطرد في سرعات الشبكات وتزايد الاعتماد على الحلول اللاسلكية، تواجه طبقة ربط البيانات تحديات كبيرة لتوفير آليات أكثر تطورًا للتعامل مع الأخطاء، والتحكم في التدفق، وضمان أمان نقل الإطارات. ناهيك عن التعقيد المتزايد في الشبكات الافتراضية وبيئات الحوسبة السحابية ومراكز البيانات الضخمة. فيما يلي بعض آفاق التطوير والتحديات:

• النطاق العريض اللاسلكي: يُتوقع في المستقبل دعم سرعات لاسلكية أعلى بكثير، وهذا يتطلب تطوير بروتوكولات تحكّم بالوصول إلى الوسط أكثر كفاءة، وأقل تأخيرًا، وأقدر على التعامل مع الضوضاء.
• أتمتة الشبكات: مع ظهور Software-Defined Networking (SDN) أصبح التحكم في طبقة ربط البيانات أكثر سلاسة ومرونة عبر أنظمة البرمجيات المركزية. غير أن هذا يتطلب بروتوكولات قياسية وآمنة تتيح إدارة ومراقبة الطبقة الثانية عن بُعد.
• أمان الطبقة الثانية: مع زيادة المخاطر الأمنية، يتعيّن تطوير آليات أقوى لمنع الانتحال (Spoofing) وتسرب VLAN وتأمين الجسور الافتراضية، إضافةً إلى تحسين آليات المصادقة على مستوى الطبقة الثانية مثل 802.1X.
• التكامل مع إنترنت الأشياء (IoT): بسبب النمو الكبير في أجهزة إنترنت الأشياء، أصبحت كفاءة بروتوكولات الطبقة الثانية وإدارة الطيف اللاسلكي أمرًا حاسمًا، خاصةً مع وجود أعداد هائلة من العقد ذات قدرات مختلفة واحتياجات طاقة محدودة.
• تقليل وقت الاستجابة (Latency): مع تسارع الاعتماد على تطبيقات الزمن الحقيقي، كالألعاب السحابية والتحكم الصناعي عن بعد، يزداد تركيز مطوري بروتوكولات الطبقة الثانية على تقليل زمن الوصول في الإرسال والاستقبال.

---

إضافة تفصيلية: آليات كشف الخطأ وتصحيحه في طبقة ربط البيانات

تعتمد معظم بروتوكولات الطبقة الثانية على استراتيجيات متعددة لاكتشاف الأخطاء (Error Detection)، وفي بعض الأحيان تصحيحها (Error Correction) عندما يكون الوسط عرضة كثيرًا للتشويش. أشهر آليات كشف الأخطاء:

• Checksum: آلية بسيطة تعتمد جمع قيم البتات أو بايتات البيانات لتكوين قيمة تمثل المجموع الكلي، ثم تُرسل هذه القيمة مع الإطار للتحقق عند الاستقبال.
• CRC (Cyclic Redundancy Check): خوارزمية واسعة الاستخدام في الإيثرنت والعديد من البروتوكولات الأخرى. توفر قدرة عالية على اكتشاف أنواع شتى من الأخطاء (انقلاب البتات، فقدان بتات، الاندماج … إلخ). تتمثل بإجراء عمليات حسابية متعددة الحدود على البيانات، ثم يُحفظ الناتج في حقل الـFCS.
• Parity Check: قد تُستخدم في بعض الأنظمة القديمة أو في الحالات البسيطة، لكنها ليست فعالة مثل CRC.

أما بالنسبة لتصحيح الأخطاء (Forward Error Correction – FEC)، فهو أقل شيوعًا في الطبقة الثانية التقليدية للإيثرنت، لكنه مستخدم في بعض أنظمة الاتصالات اللاسلكية أو الأقمار الصناعية حيث يكون التأخير المرتفع لإعادة الإرسال غير مرغوب. إذ تُرسل البيانات إلى جانب رموز تصحيحية تساعد المستقبل على إصلاح الأخطاء المحدودة دون الحاجة لإعادة الإرسال.

---

المقارنة بين بعض بروتوكولات طبقة ربط البيانات (جدول توضيحي)

قد يفيدنا الاطلاع على جدول يوضح أبرز الفروقات بين عدد من بروتوكولات طبقة ربط البيانات من حيث الاستخدام وآلية التحكم في الوصول إلى الوسط وغيرها من العوامل:

البروتوكول	الوسط المادي	طريقة الوصول	كشف الأخطاء	الاستخدام النموذجي
Ethernet (IEEE 802.3)	سلكي (أزواج ملتوية، ألياف ضوئية)	CSMA/CD (عند النصف مزدوج)، متغيرات أخرى عند الكامل المزدوج	CRC-32	الشبكات المحلية السلكية، مراكز البيانات
Wi-Fi (IEEE 802.11)	لاسلكي (2.4GHz، 5GHz، 6GHz …)	CSMA/CA	CRC-32 على الأطر	الشبكات المحلية اللاسلكية
PPP	وصلات تسلسلية، خطوط هاتف، PPPoE	نقطة إلى نقطة (لا حاجة لتنظيم نفاذ متعدد)	CRC-16 أو CRC-32	الاتصال عبر مزودي الإنترنت، الوصلات التسلسلية المخصصة
HDLC	وصلات تسلسلية	نقطة إلى نقطة	CRC-16 أو CRC-32	بيئات الاتصال التسلسلي عالية الاعتمادية
Frame Relay	وصلات تسلسلية (بنية WAN)	نقطة إلى نقطة/متعددة النقاط في بيئة تبديل الحزم	FCS (غالبًا CRC)	الشبكات الواسعة (قبل MPLS)

---

تطبيقات عملية واستعمالات حقيقية

عند تشغيل شبكة منزلية أو مكتب صغير، فإن الموجه (Router) عادةً ما يشمل مبدلًا (Switch) في منافذه المحلية ويوفر منافذ سلكية تعمل وفق Ethernet وواجهة لاسلكية تعمل وفق 802.11. تقوم طبقة ربط البيانات هنا بضبط العناوين MAC، وتحدد الإطار المناسب لكل تقنية.

في المؤسسات الكبيرة، نجد أن طيفًا واسعًا من المبدلات الاحترافية يشكِّل عمود فقري (Backbone) على مستوى طبقة ربط البيانات لتوصيل مئات أو آلاف الأجهزة. قد يُقسم الموظفون حسب أقسامهم في VLANs مختلفة، ويشترك كل قسم في مبدلات متعددة متصلة فيما بينها ببروتوكول الشجرة المتفرعة STP لتفادي الحلقات.

في بيئات مراكز البيانات الحديثة، تُستعمل شبكات إيثرنت سريعة بتقنيات 10G/25G/40G/100G للربط بين الخوادم وأجهزة التخزين والمبدلات المركزية، وتتطلب تنظيمًا معقدًا على مستوى الطبقة الثانية (مثل VLANs، وLink Aggregation، وSpanning Tree، وVXLAN) لضمان إنتاجية عالية وموثوقية مع توفير أتمتة واسعة.

---

الخلاصة والأهمية الاستراتيجية لطبقة ربط البيانات

تتبدى أهمية طبقة ربط البيانات جليّة في كونها الطبقة المسؤولة عن تحويل البتات إلى إطارات لها معنى سياقي، مع ضمان موثوقية أساسية في الاتصال في النطاق المحلي أو الرابط المباشر بين جهتين. إذ قد لا تكون هذه الطبقة مرئية للمستخدم النهائي بوضوح، لكنها حجر الزاوية في بناء البنى التحتية للشبكات، ولا يمكن فهم آلية عمل أي شبكة دون إدراك دورها.

رغم بساطة التعريف بهذا الدور، إلا أن عمق التفاصيل في ما يتعلق بالتقنيات والبرتوكولات والآليات المتاحة في هذه الطبقة هائل. يكفي أن نشير إلى أنّ الغالبية العظمى من حركة الإنترنت العالمية تمر، في نقطة ما، عبر إيثرنت أو Wi-Fi، وهما بروتوكولان يضطلعان بمسؤوليات طبقة ربط البيانات. إن أي خطأ في التكوين أو خلل في فهم معايير هذه الطبقة يمكن أن يعطل شبكة بأكملها أو يُعرّضها للتهديدات الأمنية.

من الضروري لمهندسي الشبكات والمختصين في مجال تكنولوجيا المعلومات امتلاك خلفية متينة حول وظائف طبقة ربط البيانات، وكيفية ضبط بروتوكولاتها، وتقييم أدائها، وحل المشكلات التي قد تنشأ على هذا المستوى. إن تطور الشبكات في المستقبل سيسير بالتوازي مع التطورات في هذه الطبقة ولا شك، خصوصًا مع الصعود المتسارع لتقنيات الشبكات اللاسلكية واتجاهات التقارب بين الشبكات السلكية واللاسلكية، فضلًا عن اتساع نطاق الحوسبة الموزعة والحاجة إلى إدارة فعالة للبنى الافتراضية الضخمة.

---

 

المزيد من المعلومات

مصادر ومراجع

• Tanenbaum, A. S., & Wetherall, D. (2010). Computer Networks (5th Edition). Pearson.
• Stallings, W. (2020). Data and Computer Communications (10th Edition). Pearson.
• Forouzan, B. A. (2006). Data Communications and Networking (4th Edition). McGraw-Hill.
• IEEE. (2020). IEEE 802.3 Ethernet Working Group. [معايير الإيثرنت السلكية]
• IEEE. (2021). IEEE 802.11 Wireless LAN Working Group. [معايير الشبكات اللاسلكية]
• Cisco Systems. (n.d.). Switching, VLANs, and STP Configuration Guides. [وثائق متنوعة من Cisco]
• Official PPP RFCs: RFC 1661, RFC 2516 وغيرها. [مواصفات بروتوكول PPP]

تُعدّ هذه المصادر مرجعًا أساسيًا لفهم التفاصيل الدقيقة لطبقة ربط البيانات، وتمثل أساسًا علميًا يمكن الاستزادة منه عند الرغبة في التعمّق أكثر في الجوانب التقنية والتطبيقية.

---