تجزئة الشبكة

تجزئة الشبكة أو تجزئة فضاء العناوين (بالإنجليزية: Subnetting) هي عملية رياضية تُقسّم فضاء عناوين خاص ببروتوكول تشبيك إلى فضاءَي عناوين أو أكثر، متساوية الحجم وأصغر من فضاء العناوين الأصلي وقابلة للتمايز رياضياً. يكون لكل فضاء عناوين جزئي ناتج عنوان مميز وقناع شبكة يمثلان كامل الفضاء الجزئي. وتستخدم العناوين المأخوذة من الأفضية الجزئية لعنونة شبكات مختلفة.
يحتاج مصممو الشبكات إلى تجزئة شبكاتهم، إما بهدف الوصول إلى عدد محدد من الشبكات الجزئية أو الشُبيكات، أو بهدف تحديد عدد العناوين (حجم فضاء العنونة) الذي سيتاح للإستخدام ضمن أي من الشبكات الجزئية، أو كلا الهدفين معاً. يمكن تجزئة فضاءات العنونة التي تستخدم عناوين الإصدار الرابع من بروتوكول الإنترنت بشكلين، أحدهما محكوم بالصنف القياسي للشبكة، وهو جزء من معياري من الإصدار الرابع من بروتوكول الإنترنت  والثاني مبني على العنونة غير القياسية والتي ابتُدعت عام 1993م لتخفيف هدر العناوين في أصناف العنونة القياسية، أمّا الإصدار السادس من بروتوكول الإنترنت فيدعم التجزئة المبنيّة على العنونة غير القياسية فقط .
تشكل عملية التجزئة آلية رئيسية يعتمد عليها التوجيه غير القياسي بين النطاقات (CIDR)، واستخدام الأقنعة مختلفة الطول (VLSM)، ويؤدي تجزئة فضاء العناوين بشكل غير صحيح أو استخدام الأفضية الجزئية بشكل غير مناسب إلى ظهور مشاكل في الشبكة ترتبط بالعنونة وبالتوجيه.

نظرة عامة

تجزئة فضاء العناوين هي عملية رياضية يتم فيها تقسيم فضاء عناوين إلى فضاءَين أو أكثر ذوي أحجام أصغر من الفضاء الأصلي. يجري التمييز بين أفضية العنونة الجزئية الناتجة رياضياً باستعمال عدد خاص يُسمّى قناع الشبكات الجزئية. إن مفهوم التجزئة مدعوم في الإصدارين الرابع والسادس من بروتوكول الإنترنت.
بشكل عام، تتكون بنية عناوين المضيفين من قسمين، هما مُعرّف الشبكة (بالإنجليزية: Network identifier اختصاراً NID) ومُعرّف المضيف (بالإنجليزية: Host identifier اختصاراً HID)، ويقاس طول المُعرفين بالبت. يكون مُعرّف الشبكة مُشتركاً بين جميع العناوين التي تنتمي إلى نفس الفضاء، أما مُعرّف المضيف، فهو يستخدم لتمييز المضيفين، وتختلف قيمته من مضيف إلى آخر، ويُحدد طوله عدد العناوين الموجودة ضمن الفضاء، فإذا كان طول مُعرّف المضيف هو () بت، فإن عدد العناوين الموجودة في الفضاء سيكون ()، أمّا عدد العناوين المتاحة لعنونة المضيفين فقد يكون ()، لأن أصغر عنوان في الفضاء يكون محجوزاً دائماً ليمثّل كامل الفضاء، أما أكبر عنوان فيه فيمثل عنوان البث العام الخاص بالفضاء، إن كان البث العام مدعوماً، وإلا فإنّ عدد العناوين الموجودة في الفضاء يكون () عنواناً.
عند تجزئة الشبكة يتم اقتطاع جزء من مُعرّف المضيف، وتشكيل قسم جديد هو مُعرّف الشبكة الجزئيّة (بالإنجليزية: Subnet identifier اختصاراً SID)، في حين يبقى طول مُعرّف الشبكة ثابتاً. من أجل كل فضاء جزئي ناتج عن التجزئة، يكون هذا القسم مشتركاً بين جميع العناوين فيه، ويحدد طوله عدد الشبكات الجزئية الناتجة عن التجزئة، فإذا تمّ اقتطاع () بت من مُعرّف المضيف، فإنّ طول معرّف المضيف الجديد سيكون ()، ويكون عدد الشبكات الجزئية الناتجة هو () شبكة جزئية، يغطي كل منها فضاء يضمّ () عنواناً.
في العنونة القياسية الخاصة بالإصدار الرابع من بروتوكول الإنترنت، يكون الحد الفاصل بين مُعرّف الشبكة ومُعرّف المضيف عند المراتب التي تشكّل حدود البايتات في العنوان، ويحصل المشترك على بادئة قياسية بطول (1) أو(2) أو(3) بايت، تُمثّل فضاء عنونة جزئي من صنف ما يتحدد بطول البادئة، التي نتجت عن عملية تجزئة سابقة لفضاء العناوين الكلي من قبل الجهة المانحة، ويمكن أن يقوم مدير الشبكة بتجزئة الفضاء مجدداً حسب الحاجة. أمّا في العنونة غير القياسية، ويشمل ذلك الإصدارين الرابع والسادس، فإن الحد الفاصل بين مُعرّف الشبكة ومُعرّف المضيف، يمكن أن يكون في أي مرتبة ضمن العنوان، ولكن ليس هناك قواعد أصناف تحدد طولها، ويجرى توليد البادئة بحسب هرمية خاصّة تعتمد على موقع المشترك، وتُمثّل البادئة فضاءً جزئياً مُقتطعاً من فضاء العناوين الكلي، ويُمكن إعادة تجزئته مُجدداً حسب الحاجة.
تشرف هيئة عناوين وأرقام الإنترنت على عملية منح بادئات الإصدارين الرابع والسادس من بروتوكول الإنترنت.

الإصدار السادس

يكتب عنوان الإصدار السادس من بروتوكول الإنترنت باستخدام نظامي العد الثنائي أو الست عشري، وهو بطول (128) بت، أو (32) مرتبة ستة عشرية. من غير المستحب تمثيل العنوان بنظام العد الثنائي  بسبب طوله مما يجعلُه صعباً للقراءة أو للكتابة. أمّا عند تمثيل العنوان بنظام العد الست عشري، فإنّ العدد يُقسّم إلى ثماني مجموعات متتالية، في كل منها أربع مراتب، ويفصل بين كل مجموعتين متتاليتين الرمز (::)، تقع المرتبة الأعلى قيمةً في أقصى يسار العدد والأقل قيمةً في أقصى يمينه. على سبيل المثال، العنوان (1111::2222::3333::4444::AAAA::BBBB::CCCC::DDDD) هو عنوان من الإصدار السادس من بروتوكول الإنترنت. هناك آليات إضافية لاختصار العنوان المكتوب بنظام العد الست عشري، لتسهيل قراءته أو كتابته.
بشكل مشابه للإصدار الرابع، يستخدم قناع الشبكة في الإصدار السادس من بروتوكول الإنترنت لتحديد طول مُعرّف الشبكة في العنوان، وقناع الإصدار السادس هو عدد ثنائي طوله (128) بت مُكوّن من تتابع مستمر من الوحدان يليه تتابع مستمر من الأصفار، لكنّه لا يُكتب إلا بتدوين البادئة، حيث يكتب عدد الوحدان فيه بعد محرف الشريط المائلة (/). مثلاً اللاحقة (64/) تعني قناعاً مكوّن من (64) رقم (1) متتالي، يليه (64) صفراً متتالياً.

التجزئة متعددة المستويات واستعمال الأقنعة مختلفة الطول (VLSM)

التجزئة متعددة المستويات (بالإنجليزية:  Multi-level Subnetting) هي تقسيم فضاء عناوين ما أكثر من مرة اعتماداً على مُعرفات شبكة جزئية مختلفة الطول لإنتاج أفضية عناوين جزئية ذات أحجام مختلفة، ويمكن استخدام التجزئة المتعددة على فضاء عناوين قياسي أو على بادئة غير قياسية. يتطلب استخدام التجزئة المتعددة تخطيطاً مسبقاً ومهارات رياضية، ويتيح عند استخدامه بشكل سليم خيارات أكثر مرونة في تجزئة الشبكة من التجزئة أحادية المستوى (بالإنجليزية: Single-level Subnetting).
إذا تمت التجزئة متعددة المستويات على صنف عنوان قياسي للإصدار الرابع من بروتوكول الإنترنت، فستنتج أفضية جزئية مختلفة الأحجام يكون لها أقنعة شبكات جزئية مُختلفة الطول (بالإنجليزية: Variable Length Subnet Mask اختصاراً VLSM)، يستخدم هذا الإصطلاح عادة للإشارة إلى استعمال شبكات جزئية ناتجة عن التجزئة المتعددة لفضاء واحد من صنف قياسي ما، وهي ذات أطوال أقنعة مختلفة في عنونة نطاقات البث العام، لأن أطوال الأقتعة مختلفة فإن لهذه الشبكات أحجام مختلفة.
إنّ تراكب أفضية العناوين هو مشكلة شائعة عند استعمال الأقنعة مختلفة الطول، وهو خطأ في العنونة، ناجم عن تجزئة شبكة غير صحيحة، وفيه يكون جزء من فضاء العناوين الأصلي مشتركاً بين فضاءَين جزئيين، ويسبب ذلك مشكلة عند التوجيه. بالإضافة لذلك، يكون استعمال بروتوكول توجيه غير قياسي مُتطلباً أساسياً عند استعمال الأقنعة مختلفة الطول، فبدون الإعلان عن أقنعة الشبكات لا يكون بإمكان الموجهات تمييز حدود أفضية العناوين ولا أحجامها.
ينتج عن استعمال الأقنعة مختلفة الطول زيادة في عدد الشبكات الجزئية، ويسبب ذلك زيادة في أحجام جدول التوجيه في الموجهات، حيث يضاف بند في الجدول من أجل كل شبكة جزئية. يتيح التوجيه غير القياسي بين النطاقات (CIDR) إمكانية لتجميع عناوين عدد من الأفضية الجزئية لتشكيل عنوان وحيد يمثل فضاء واحداً يشمل جميع الأفضية الجزئية، ويحلّ محلها في جدول التوجيه، ولكن استعمال تقنية كهذه يتطلب تصميماً دقيقاً ومسبقاً للشبكة.

تجزئة فضاء غير قياسي

تجزئة فضاء عناوين غير قياسية هي تقسيم فضاء عناوين غير قياسي إلى فضاءي عناوين أو أكثر أصغر بالحجم. تعتمد هذه التجزئة على العنونة غير القياسية حيث لا يوجد أصناف قياسيّة ولا أقنعة شبكة قياسيّة، ولا يوجد أيضاً طول ثابت لمُعرّف الشبكة، ويتمّ تحصيص فضاء العناوين الإجمالي بحسب الحاجة، ويمكن أن يبدأ معرّف الشبكة الجزئية في أي موقع في العنوان. تقوم الجهات الناظمة لعملية التحصيص مثل هيئة منح عناوين وأرقام الإنترنت أو سجلات الإنترنت الإقليمية بعرض  بادئات ذات أطوال مختلفة على المستخدمين أو على المواقع الطرفية، تصفّ كل بادئة فضاء عناوين ذو حجم مختلف، ويختار المستخدم حجم فضاء العناوين بحسب حاجته.
يمكن للمستخدمين بعد ذلك تجزئة فضاء العناوين الممنوح لهم حسب حاجتهم، وذلك لإنتاج أفضية عناوين جزئية أصغر، ويحدد المستخدم طول مُعرّف المضيف وطول معرّف الشبكة الجزئية بناءاً على عدد عناوين المضيفين المرغوب في كل فضاء أو على عدد الأفضية الجزئية الإجمالي أو على الاثنين معاً، وتجري تجزئة الشبكة بشكل مُشابه لتجزئة الشبكة القياسية، فالاختلاف الأساسي بين التجزئة القياسية وغير القياسية هو في الطريقة التي يتم على أساسها منح فضاء العناوين للمستخدمين وليس في آليّة التجزئة.

أمثلة

تجزئة فضاء عناوين قياسي للإصدار الرابع من بروتوكول الإنترنت 
الصنف (A)
الصنف (B)
الصنف (C)
استعمال الأقنعة مختلفة الطول (VLSM)
التجزئة غير القياسية لفضاء عناوين للإصدار الرابع من بروتوكول الإنترنت 
 تجزئة فضاء عناوين للإصدار السادس من بروتوكول الإنترنت

تراكب أفضية العناوين

تراكب أفضية العناوين (بالإنجليزية: Address Space Overlapping) هو وجود مجموعة عناوين مشتركة في فضاءي عناوين أو أكثر قيد الاستخدام. إن تراكب الأفضية هي ظاهرة غير مرغوبة تحصل نتيحة خطأ في تصميم الشبكة، وهي شائعة عند استعمال الأقنعة مختلفة الطول (VLSM). على الرغم من أن التراكب هو نتيجة خطأ في العنونة، فإنّ المشكلة المترتبة على ذلك تظهر في التوجيه، حيث لا يمكن بلوغ مجموعة واحدة أو أكثر من المجموعات المتراكبة.
من الأمثلة على ظاهرة تراكب أفضية العناوين استعمال فضاءي الإصدار الرابع (10.1.2.0/23) و (10.1.3.248/30) لعنونة مضيفين في نفس الشبكة. يحتوي الفضاء الأول على (512) عنوان ويمتد الفضاء الأول بين العنوانين (10.1.2.0) و (10.1.3.255') في حين يحتوي الفضاء الثاني على (4) عناوين فقط ويمتد بين العنوانين (10.1.3.248) و (10.1.3.252)، إنّ الفضاء الثاني محتوى بالكامل ضمن الفضاء الأول.
يمكن استخدام نفس فضاء العناوين أو جزء منه أكثر من مرة في نفس الشبكة باستعمال تقنية ترجمة عنوان الشبكة (NAT)، وغالباً ما تستخدم أفضية العناوين الخاصة من أجل ذلك.

إهدار العناوين في الشبكات الجزئية الصغيرة

تحتاج بعض بروتوكولات الربط، مثل بروتوكول الربط بين نقطتين، إلى أفضية عناوين صغيرة جداً، تحتوي على عنوانين فقط، لكن تجزئة فضاء عناوين للإصدار الرابع من بروتوكول الإنترنت محدود بطول أصغري لمُعرّف المضيف هو (2) بت، ويعني ذلك وجود (4) عناوين في الفضاء الجزئي الناتج، يكون اثنان منها محجوزين لعنوان الشبكة وعنوان البث العام فيها، ويظل اثنان متاحين لعنونة المضيفين. إذا تمّت التجزئة على أساس معرف مضيف بطول (1) بت فقط، وتكون الأفضية الجزئية الناتجة محددة بقناع الشبكة (31/)، فإنّ عدد العناوين في الفضاء هو (2) فقط، وهما محجوزان سلفاً، أي لا يوجد أي عنوان متاح لعنونة المضيفين.
إنّ التقسيم السابق يعني هدر ما قيمته (50%) تقريباً من عدد العناوين المتاحة للمضيفين لصالح قضايا تتعلق بالتوجيه. فمثلاً إذا تمت تجزئة فضاء عناوين قياسي من الصنف (C) بحسب القناع (30/)، فسينتج ذلك (64) شبكة جزئية في كل منها (4) عناوين فقط، اثنان منها متاحان للعنونة، أي ما مجمله (128) عنواناً فقط، في مقابل (254) عنواناً متاحاً للمضيفين في الفضاء القياسي قبل التجزئة.
اقترحت وثيقة طلب التعليقات (RFC 3021) حلاً لهذه المشكلة من خلال إيجاد آلية لاستعمال الأفضية ذات الأقنعة (31/)، حيث يُستخدم عنوانا الشبكة والبث العام كعنواني مضيفين، ولكنّها اشترطت استخدام بروتوكول الربط بين نقطتين لنجاح ذلك.

تجميع المسارات غير المناسب

تجميع المسارات هو آلية رياضية لاختزال عدد من المسارات نحو أفضية جزئية ناتجة عن تجزئة فضاء أصلي واحد، وإنتاج مسار واحد يشمل المسارات نحو تلك الأفضية. تستعمل هذه الآلية لإنقاص حجم جداول التوجيه وبالتالي توفير وقت المعالجة، وتقليل استهلاك عرض النطاق عند إرسال تحديثات، وأيضاً للحفاظ على ثبات جداول التوجيه، فعند استخدام هذه الآلية لا تؤثر عدم صلاحية مسار يصل لشبكة جزئية ما على المسار المُختزل الناتج عن عملية التجميع، والموجود في جدول التوجيه.
يتطلب إنجاز تجميع المسارات بشكل صحيح تخطيطاً مسبقاً لعملية العنونة، بحيث يتم توزيع الأفضية الجزئية بطريقة تسمح باختزالها لاحقاً عند إنجاز التوجيه. ويسبب غياب التخطيط أو إنجاز عملية التجميع بشكل غير متوافق مع طوبولوجيا الشبكة مُشكلة التجميع غير المُناسب، وفيها يتم توليد مسار مُختزل لا يمثل كل المسارات نحو الأفضية الجزئية، أو توليد مسار مختزل يمثل بالإضافة للمسارات المطلوبة عدداً من المسارات الإضافية الأخرى، وتُسبب هذه الحالات جميعاً مشاكل مُرتبطة بالتوجيه، وبشكلٍ أساسي تعذّر الوصول إلى شبكة جزئية أو أكثر.

هوامش

1. في أنظمة العد ذات الأساس الثابت تكون القيمة المقابلة لكل مرتبة هي جداء قيمة الرقم الموجود فيها مع أساس نظام العد مرفوعاً إلى فهرس المرتبة، على أن تبدأ فهرسة المراتب  من الصفر، وتكون قيمة كل عدد هي مجموع القيم المقابلة للمراتب، مثلاً العدد 115₁₀ في المثال السابق، يكتب بالشكل: 5x10⁰+1x10¹+1x10²=115.
2. فضاء العناوين (0.0.0.0/8) محجوز بالكامل، ولا يستعمل في عنونة المُضيفين إلا كجزء من عملية التهيئة الآلية، وأيضاً الفضاء (127.0.0.0/8) محجوز لأغراض الحلقة المحلية ولا يستخدم في عنونة المضيفين.
3. الصنف (D) محجوز للبث المجموعاتي.
4. الصنف (E) محجوز لاستخدامات مستقبلية، أما وجود العدد (255₁₀) في المرتبة الأكثر أهمية فهو يقتصر على استخدامات خاصة للبث العام، ولا استخدامات للفضاء (255.0.0.0/8) في عنونة المُضيفين.
5. المقصود بالبادئة هو قسم الشبكة في العنوان، وسمي بالبادئة لأنه يبدأ العنوان دائماً. في تدوين البادئة يتم ذكر طول هذا القسم بشكل مباشر، بواحدة هي البت، أمّا في الشبكات ذات الأصناف القياسية، فإنّ طول البادئة، أو طول قسم الشبكة، يتحدد بصنف العنوان.
6. الترتيب (3) ثم (4) ذو مغزى في هذا السياق، لأن مُعرّف الشبكة الجزئية ينمو من الخاتة الأكثر أهمية نحو الخانة الأقل الأهمية.
7. لإنجاز الحساب يستخدم اللوغاريتم ذو الأساس الثنائي، أي (..log₂(25)=4.6438) ثم يُقرّب الناتج إلى أعلى عدد صحيح فينتج (5).
8. نظرياً، من الممكن اختيار طول مُعرّف المضيف في الإصدار الرابع من بروتوكول الإنترنت ليكون مُساوياً للقيمة (1)، وسينتج عن ذلك شبكات جزئية تحتوي على (2¹=2) عنوان فقط، يكون أحدهما هو عنوان الشبكة والآخر هو عنوان البث العام، ولا يبقى أي عنوان مُتاح لعنونة المضيفين، لذلك، وعند تجزئة فضاء عناوين من الإصدار الرابع  يجب التمييز بين عدد العناوين الإجمالي في الفضاء الجزئي الناتج، وعدد العناوين المتاحة للمضيفين في الفضاء الجزئي الناتج، وهو أقل بعنوانين من عدد العناوين الإجمالي.
9. الأصل في حساب عدد الأفضية هو طرح (2) من عدد الأفضية الجزئية الإجمالي، ويعود السبب في ذلك إلى الفترة التي استُخدمت فيها بروتوكولات التوجيه غير القياسيّة، أي تلك التي لا تقوم بالإعلان عن أقنعة الشبكات، حيث لم يكن بالإمكان التمييز بين الشبكة القياسية وأي شبكة أخرى تتوافق معها من حيث بنية العنوان، ولكنها تختلف عنها بالقناع، مثلاً (192.168.1.0/24) و(192.168.1.0/26). بالإضافة لما سبق، فإنّ الشبكة الأخيرة التي تنتج عن التجزئة تملك عنوان بث عام، يشابه، من حيث البنية، عنوان البث العام للشبكة الأصلية. لذلك كانت هذه الشبكات تُستثنى دائماً في عمليات التجزئة، ولكن استعمال بروتوكولات توجيه غير قياسية حلّ هذا الإشكال.
10. أفضية العناوين الخاصة في الإصدار الرابع من بروتوكول الإنترنت هي (10.0.0.0/8) و (172.168.0.0/12) و (192.168.0.0/16)، أمّا في الإصدار السادس فهي من الفضاءFC00::/7.
11. يستثنى البت رقم (0) من المرتبة الستة عشرية الأولى، ولذلك فحدود نهاية معرّف الشبكة الجزئية الخاصة بها تضمّ البتات ذات الفهارس {1،2} فقط، والسبب في ذلك أن استعماله يعني بادئة شبكة بطول (0) بت، وهي حالة مستحيلة.
12. النص الأصلي كما ورد في الوثيقة (RFC 1338) هو: (بالإنجليزية: Growth of routing tables in Internet routers beyond the ability of current software (and people) to effectively manage.) أمّا النص المُعدّل كما ورد في الوثيقة (RFC 4632) فهو: (بالإنجليزية: Growth of routing tables in Internet routers beyond the ability of current software, hardware, and people to effectively manage.)