بث متعدد

في الاتصالات وفي شبكات الحاسوب، البث المجموعاتي أو البثّ متعدد الوجهات (بالإنجليزية: Multicast) هو آليّة لتوجيه حركة البيانات  في الشبكة انطلاقاً من مصدر واحد نحو مجموعة من الطرفيات في نفس الوقت، تكون هذه الطرفيّات أعضاء في مجموعة محددة ومُميّزة بعنوان خاص، من فضاء عناوين البروتوكول المُوجّه المُستعمل.
بحسب نموذج الاتصال المعياري، فإنّ البث المجموعاتي هو من وظائف طبقة الشبكة، حيث تعمل بروتوكولات خاصّة على إنشاء وإلغاء مجموعات المُضيفين، كما تدير عملية انضمامهم إلى هذه المجموعات وخروجهم منها، مثل بروتوكول إدارة مجموعة الإنترنت، أمّا تشبيك أعضاء المجموعات عبر الشبكات المُختلفة فيتمّ عادةً باستخدام الأشجار المتفرعة، وتوجد عائلة خاصّة من بروتوكولات التوجيه، تضمّ العديد من البروتوكولات، مثل بروتوكول توجيه البث المجموعاتي بحسب شعاع المسافة  وعائلة بروتوكولات البث المجموعاتي المستقل عن بروتوكول التوجيه، أو إضافات داعمة لبروتوكولات التوجيه التقليدية، مثل إضافة البث المجموعاتي الخاصة ببروتوكول المسار الأقصر أولا (MOSPF)، وغيرها، تقوم بإنشاء هذه الأشجار، بحيث تصل إلى جميع أعضاء المجموعة بمسارات خالية من الحلقات .
شهدت تقنية البث المجموعاتي منذ اعتمادها كآلية لتوجيه الرزم العديد من الإضافات والتحسينات، وطوّرت لذلك العديد من التقنيات الرديفة مثل ميزة مراقبة بروتوكول إدارة مجموعة الإنترنت  والبث المجموعاتي محدد المصدر  كما أدخلت التعديلات على تقنيّات موجودة مُسبقاً لتخدم أغراض البث المجموعاتي مثل التوجيه بعكس المسار .

آلية العمل

يعتمد البث المجموعاتي على العمل المشترك لمجموعة من التقنيات والبروتوكولات التي تنجز الوظائف المُختلفة ضمن الشبكة وفي الطرفيات. في الطرفيات والشبكات المحلية، تنشط بروتوكولات إدارة المجموعات، التي تعتمد بشكلٍ مُباشر على عناوين مُميّزة للمجموعات، يُحدد فضائها البروتوكول المُوجّه المُستخدم، بالإضافة لذلك، لابد من وجود آليّة لبروتوكولات طبقة ربط البيانات، لتتمكّن من توليد عناوين خاصّة بها مُتوافقة مع عناوين البثّ المجموعاتي في المستعلة في طبقة الشبكة.
أمّا في النظام الوسيطي، الذي يربط بين الشبكات المحليّة، فتعمل بروتوكولات توجيه خاصّة على بناء طوبولوجيا خاصة من المسارات التي قد تأخذ شكل شجرة متفرعة، وهي الحالة الأكثر شيوعاً، تصل الشجرة إلى كل أعضاء المجموعة إما ضمن نطاق بث مجموعاتي واحد، أو تربط بين نطاقات مُختلفة، وقد تكون الطوبولوجيا متشابكة (بالإنجليزية: Meshed-based Topology)، تضم شبكة من المسارات المتقاطعة التي قد تمتد داخل نطاق واحد أو بين نطاقات مختلفة. لهذه البروتوكولات خوارزميّات عملٍ مُختلفة، ينتج عنها طُرقٌ مُتعددة لإنشاء الأشجار المتفرعة وأنواع مُختلفة لها. أخيراً، تربط خوارزمية توجيه كل المفاهيم والآليّات السابقة، فتُحدد في ضوء ذلك مسار رزمة البث المحموعاتي من مصدرها إلى جميع وجهاتها.

إدارة المجموعات

تشمل إدارة المجموعة كل النشاطات اللازمة لإقامة المجموعة في الشبكة المحلية وتعريف بروتوكول التوجيه الخاص بالبث المجموعاتي بوجود أعضاء ينتمون لهذه المجموعة في الشبكة المحلية. يجب أن يكون المضيفون قادرين على الانضمام بشكل آليّ إلى المجموعة ليصبحوا أعضاء فيها، كذلك الأمر بالنسبة للأعضاء الذين يرغبون بمغادرتها. بالإضافة لذلك، تشمل النشاطات نشر المعلومات الخاصة بالمجموعة عبر الشبكة، ومتابعة تحديثها أول بأول. وتقوم بروتوكولات إدارة مجموعات البث المجموعاتي مثل بروتوكول إدارة مجموعة الإنترنت بهذه المهمات.
بالإضافة لذلك يجب تعريف المُبدلات في الشبكة المحلية على المُخرج الافتراضي لرزم البث المجوعاتي، وهو منفذ لمُوجّه يُشغّل بروتوكول توجيه خاص بالبث المجموعاتي ويتصل مع الشبكة المحلية. إنّ هذ العملية هي قضية شائكة، نظراً لأنّ  المبدلات تعمل على مستوى الطبقة الثانية بحسب نموذج الاتصال المعياري، وهي لا تستطيع التمييز بشكلٍ تلقائي بين أطر البيانات وأطر التحكم الخاصة بالبث المجموعاتي، وفي هذه الحالة ستعامل أطر البث المجموعاتي كأطر البث العام، ويتم حلّ هذه المشكلة بواحدة من طريقتين، إمّا باستخدام بروتوكول خاص مثل بروتوكول سيسكو لإدارة المجموعات (CGMP) أو بتفعيل ميزات خاصة في المبدل، مثل ميزة مراقبة بروتوكول إدارة مجموعة الإنترنت .

شجرة البث المجموعاتي

شجرة البث المجوعاتي هي شجرة متفرعة مكونة من مجموعة من العقد والوصلات، تُمثّل العقد التجهيزات العاملة على مستوى الطبقة الثالثة في النظام الوسيطي، أمّا الوصلات فتمثل الوصلات الفيزيائية التي تربط بينها. يجب أن تكون شجرة البث المجموعاتي خالية من الحلقات ، وأن تصل إلى جميع أعضاء المجموعة بأقصر الطرق الممكنة، ولذلك، تُوصف شجرة البثّ المجموعاتي بأنها شجرة أقصر المسارات (بالإنجليزية: Shortes-Path Tree).

البنية

يختلف البث المجموعاتي عن البث المنفرد بشكل المسار، ففي حين يكون المسار خطاً وحيداً يصلُ بين مصدر الرزمة ووجهتها في البثّ المنفرد، فإنّه يأخذ شكلاً شجريّاً مُتفرعاً في البثّ المجموعاتي، وتُسمّى الشجرة الناتجة بشجرة البث المجموعاتي، وهي تمتد، بدون أن تشكّل حلقات، لتصل إلى جميع أفراد المجموعة.
تتألف شجرة البث المجموعاتي من مجموعة من العقد هي عقدة الجذر والعقد الوسيطية والعقد الأوراق. أمّا عقدة الجذر فهي أول عقدة في الشجرة، ومنها تبدأ عملية التفرع. عند توجيه الرزمة عبر الشجرة، تبدأ عملية مضاعفة الرزمة في العقدة الجذر، أي أنها العقدة التي يبدأ عندها تفرّع المسارات  نحو كل أعضاء المجموعة.
تتفرّع شجرة البثّ المجموعاتي انطلاقاً من عقدة الجذر، وتُشكّل حركة بيانات تسمى التيار الصاعد (بالإنجليزية: Upstream)، وينتشر هذا التيار الصاعد من الجذر إلى العُقد الأخرى في الشجرة. تُسمّى العقدة التي يسلكها التيار الصاعد نحو عقدة واحدة أو أكثر، بالعقدة الوسيطية، وهي العقد التي تستقبل التيار الصاعد من عقدة واحدة أو أكثر وتمرره نحو عقدة واحدة أو أكثر. أمّا إذا لم تكن العقدة تمتلك أي عقد جيران، إلا العقدة التي ورد منها التيار الصاعد، فإنها تسمى عقدة ورقة، لأنها لا تمرر التيار الصاعد محو أي عقد جديدة في الشجرة.
يتواجد أعضاء المجموعات في شبكات محليّة تتصل مع عقد الشجرة، سواء كانت عقدة الجذر أو عقداً وسيطية أو عقد أوراق. في البداية، يتمّ توجيه رزم البث المجموعاتي من أعضاء المجموعة نحو العقدة الجذر دوماً، ثُمّ تبدأ بعد ذلك عمليّة مُضاعفة الرزمة ونشرها عبر شجرة البث المجموعاتي. بما أن الشبكات المحليّة التي يتواجد فيها الأعضاء قد لا تتصل بشكل مباشر مع العقدة الجذر، بل عقدٍ أوراق أو مع عقد وسيطية، لذلك فإن بعض الرزم تتجه بشكل معاكس للتيار الصاعد،أي من العقد الأوراق أو الوسيطيّة نحو العقدة الجذر، ويسمى ذلك بالتيار الهابط (بالإنجليزية: Downstream).

نطاق التوجيه

نطاق التوجيه الخاصّ بالبث المجموعاتي (بالإنجليزية: Multicast Routing Domain) هو مجموعة من الطرفيات والأنظمة الوسيطيّة التي تعمل وفق نفس إجراءات التوجيه والموجودة ضمن نظام مستقل  واحد. يجب أن تكون بروتوكولات التوجيه المُستعملة وأوزانها  وآليات حسابها مُشتركة ضمن نطاق التوجيه الواحد.
في وثائق طلب التعليقات المتعلقة بالبث المجموعاتي، هناك تعاريف جزئية أو مشتقة من التعريف السابق لنطاق توجيه البث المجموعاتي مثل: "مجموعة جداول التوجيه التي تتضمن بنوداً عن البث المجموعاتي، والتي ترتبط مع بعضها البعض عبر الشبكة وهي قادرة على تبادل المعلومات فيما بينها،" أو "مجموعة من الموجهات المتجاورة التي تُشغّل نفس بروتوكول توجيه البث المجموعاتي وتعمل ضمن حدود معينة يُعرّفها مُوجّه حدودي يربط النطاق مع شبكة الإنترنت".
تعمل بروتوكولات توجيه رزم البث المجموعاتي داخل نطاق محدد فتوصف بأنها داخليّة أو  بين النطاقات المُختلفة فتوصف بأنها خارجية أو بينيّة، وبعضها يدعم النمطين. من حيث المبدأ، يقابل بروتوكول توجيه البث المجموعاتي العامل ضمن النطاق بروتوكول التوجيه المنفرد الداخلي الذي يعمل ضمن نظام مستقل واحد.

مجالات العنونة

البث المجموعاتي هو آليّة لتوجيه رزم البيانات عبر الشبكة، وبحسب نموذج الاتصال المعياري، فإن التوجيه يحصل على مستوى الطبقة الثالثة، ويتطلب مشاركة من الطبقة الثانية لإنجاح العملية، وهاتان الطبقان هما طبقة ربط البيانات وطبقة الشبكة بحسب بترتيب ورودهما في النموذج. لدعم البث المجموعاتي، يجب أن تدعم البروتوكولات المُوجّهة في هاتين الطبقتين فضاءاً من العناوين خاصّاً بالبث المجموعاتي، بالإضافة لضرورة وجود آليّة للمُطابقة بين العناوين في الطبقتين.

بروتوكولات البث المجموعاتي

يتطلب نجاح البث المجموعاتي عمل عائلتين من البروتوكولات معاً هما عائلة بروتوكولات إدارة مجموعات البث المجموعاتي وعائلة بروتوكولات التوجيه الخاصة بالبث المجموعاتي، تهتم العائلة الأولى بالعلاقات التي تربط الأعضاء بالمجموعة، مثل الانضمام إليها أو مغاردتها، ز كيفيو نشر المعلومات الخاصة بأعضاء المجموعة في الشبكة المحلية، أما العائلة الثانية فهي تهتم بإنشاء أشجار البث المجموعاتي، وتحديثها باستمرار، وتحدد هذه الأشجار مسار رزم البث المجموعاتي عبر النظام الوسيطي وصولاً من المصدر وصولاً إلى كل أعضاء المجموعة.
تنشط بروتوكولات إدارة المجموعة في الشبكات المحلية، وبالتحديد بين المضيفين وبين الموجهات، ويكون اهتمامها موجّهاً لبناء المجموعات والمحافظة عليها. أمّا بروتوكولات التوجيه فيكون نشاطها محصوراً داخل النظام الوسيطي وبين المُوجّهات فيه، ويكون اهتمامها مُنصباً على بناء شجرة البث المجموعاتي.

بروتوكولات إدارة المجموعات

هي مجموعة من البروتوكولات التي تنشط في الشبكة المحلية وتقوم بالإشراف على بالوظائف الخاصة بالمجموعة والتي تشمل انضمام الأعضاء إليها ومغاردتهم لها، بالإضافة إلى نشر المعلومات الخاصّة بأعضاء المجموعات لتصل إلى عتاد الشبكة المحلية.
أهم بروتوكولات إدراة المجموعات هي بروتوكول إدارة مجموعة الإنترنت الذي يدير مجموعات البث المجموعاتي الخاصّة بالإصدار الرابع  من بروتوكول الإنترنت، وبروتوكول اكتشاف مستمعي البث المجموعاتي  الذي يدير مجموعات الإصدار السادس من بروتوكول الإنترنت، بالإضافة لعدد من البروتوكولات التي التي تقوم بمهام محددة ترتبط بتوزيع رزم البث المجموعاتي داخل الشبكة المحليّة مثل بروتوكول سيسكو لإدارة المجموعة (CGMP) وبروتوكول سيسكو لإدارة المجموعة على منفذ الموجه (RGMP).

بروتوكول سيسكو لإدارة المجموعة

بروتوكول سيسكو لإدارة المجموعة (بالإنجليزية: Cisco Group Management Protocol اختصاراً CGMP) هو بروتوكول اتصال يعمل على مستوى طبقة ربط البيانات في الشبكات المحلية. طوّر هذا البروتوكول في العام 1996م، بساعد في إدارة مجموعات البث المجموعاتي، وهو مُلكية خاصّة لشركة سيسكو.
طوّر هذا البروتوكول بشكل أساسي لحل مشكلة ترتبط بالمبدلات التي تعمل على مستوى الطبقة الثانية، لا تستطيع هذه المبدلات التمييز بين رسائل البث المجموعاتي التي تحتوي على البيانات وتلك التي تحتوي على المعلومات الخاصّة بإدارة المجموعة، والسبب في ذلك هو كونها جميعاً مُوجّهة نحو عنوان المجموعة. نتيجة لذلك، لا تستطيع هذه المبدلات تمييز المنفذ الذي يتصل مع الموجه الذي يدعم البث المجموعاتي، لإرسال الرزم إليه، ويكون الحل بتعويم رزم البث المجموعاتي، أي إرسالها عبر كل المنافذ إلا المنفذ الذي وردت منه.
يقوم البروتوكول بإنشاء قاعدة بيانات للمجموعات الموجودة في شبكة محلية في مُوجّه أو مبدل متعدد الطبقات، ثُمّ يقوم بالتواصل مع المُبدلات العاملة على مستوى الطبقة الثانية في تلك الشبكة المحلية، مستخدماً مجموعة محددة من عناوين التحكّم بالنفاذ للوسط، ويسمح ذلك لهذه المبدلات بتمييز الرسائل، ثم الحصول على معلومات المجموعات وبتحديد المنفذ الذي يتصل مع الموجه أو المبدل متعدد الطبقات. يُمكن أن تقوم ميزة مراقبة بروتوكول إدارة مجموعة الإنترنت  بنفس الوظيفة إذا تم تفعيلها في مبدلات الطبقة الثانية.

بروتوكولات توجيه رزم البث المجموعاتي في الشبكات الثابتة

تُصنّف بروتوكولات توجيه البث المجموعاتي الخاصة بالشبكات الثابتة بحسب مصدر معلوماتها، فإمّا أن تعتمد على معلومات التوجيه المكتسبة عن طريق بروتوكول توجيه محدد للزرم فريدة الوجهة، أو أن تكون مُستقلة، أي تعمل مع أي بروتوكول توجيه للرزم فريدة الوجهة. كما تصنف البروتوكول بحسب النطاق الذي تمتد فيه الشجرة المتفرعة، سواء داخل نظاق واحد فقط فتسمى داخليّة أو بين عدة نطاقات فتُسمى خارجية أو بينيّة.
يمكن تشغيل أكثر من بروتوكول توجيه خاص برزم البث المجموعاتي في نفس الشبكة، وتصف الوثيقة (RFC 2715) عملية التشغيل المشترك والمشاكل والتحديات التي تواجهها.

توسيعة البث المجموعاتي لبروتوكول المسار الأقصر

توسيعة البث المجموعاتي لبروتوكول المسار الأقصر (بالإنجليزية:  Multicast Open Shortest Path First اختصاراً MOSPF) هي إضافة توسعيّة لبروتوكول المسار الأقصر متوافقة مع الإصدارات السابقة، أدخلت في العام 1994م، وهي تهدف إلى جعل البروتوكول قادراً على توجيه رزم البث المجموعاتي بالإضافة إلى الرزم المنفردة. وصفت التوسيعة في وثيقة طلب تعليقات (RFC 1584). لتحقيق ذلك، تقوم المُوجّهات التي تشغل البروتوكول بإضافة معلومات عن أعضاء المجموعات الذين يتصلون معها إلى إعلانات حالة الوصلة  التي يتمّ تبادلها بشكلٍ دوري. نتيجة لذلك، يقوم كل موجه بعد تطبيق خوارزمية ديكسترا ببناء جدول توجيه خاص بكل مجموعة.
بعد إضافة التوسيعة، يصبح البروتوكول قادراً على توجيه رزم البث المجموعاتي عن طريق بناء أشجار بحسب المصدر، وهو بروتوكول داخلي لأنه يعمل ضمن نطاق واحد، وغير مستقل لأنه يعتمد على بروتوكول المسار الأقصر لتأمين معلومات التوجيه، التي يستخدمها لبناء شجرة بث مجموعاتي أحادية الاتجاه بحسب المصدر. يُقسّم بروتوكول المسار الأقصر النظام المستقل  إلى عدد من المناطق. لقد سبب هذا التقسيم العديد من المشاكل التي رافقت إضافة التوسيعة، خاصّة في الحالات التي تمتد فيها شجرة البث المجموعاتي على أكثر من منطقة، وتمّ معالجة هذه المشاكل من خلال طرح مفاهيم إضافية مثل مُستقبل البث المجموعاتي العام (بالإنجليزية: Wild-card Multicast Receiver)، وهو مُوجّه يستقبل كل رزم البث المجموعاتي التي يتمّ توليدها في المنطقة، بمعزل عن عضوية المجموعات. لجعل شجرة البث المجموعاتي تمتد بين منطقتين، يجب أن تلعب كل الموجهات الحدودية دور مستقبل بث مجموعاتي عام.

البث المجموعاتي محدد المصدر

في الأصل، كانت تقنية البثّ المجموعاتي غير محددة المصدر (بالإنجليزية: Any-Source Multicast اختصاراً ASM)،  أي إن كل عضو في المجموعة يستقبل رزم البث المجموعاتي الموجهة لعنوان المجموعة، سواء كان المصدر عضواً فيها أم لم يكن. لاحقاً تم تطوير تقنية إضافية سمحت بجعل البث المجموعاتي محدد المصدر (بالإنجليزية: Specific-Source Multicast اختصاراً SSM)، وفيه يمكن لكل عضو في المجموعة أن يحدد المصادر التي يقبل استقبال رزم البث المجموعاتي منها، عوضاً عن استقبال كل الرزم المُوجّهة لعنوان المجموعة، وُصِفَتْ هذه الإضافة في وثيقة طلب التعليقات (RFC 4607).
لدعم هذه الميزة، يجب أن يتم تشغيل الإصدار الثالث من بروتوكول إدارة مجموعة الإنترنت (IGMPv3) في الشبكات التي تستخدم الإصدار الرابع من بروتوكول الإنترنت، أو الإصدار الثاني من بروتوكول اكتشاف مستعملي البث المجموعاتي (MLDv2) في الشبكات التي تشغل الإصدار السادس من بروتوكول الإنترنت. تمّ حجز فضاء العناوين (232.0.0.0/8) من أجل الإصدار الرابع، و(FF3X::/32) من أجل الإصدار السادس. لاستخدامهما في البث المجموعاتي مُحدد المصدر.