שיטות הפצה בתקשורת נתונים

בתקשורת נתונים ישנן מספר שיטות להפצה של חבילות נתונים ממקור הנתונים אל היעד. שימוש בשיטות הפצה שונות מאפשר לרשת התקשורת לעשות שימוש יעיל יותר במשאבים העומדים לרשותה, ולשרת בצורה טובה יותר את המטרות של שליחת כל מסר ומסר.

רקע

הצורך בשיטות הפצה שונות עולה מאופי התכנים השונים שנדרש להעביר בתקשורת נתונים. אדם אשר גולש בין אתרים באינטרנט, מבצע תקשורת ישירה מול השרת של כל אתר ומקבל ממנו באופן אישי את התכנים שבהם הוא מעוניין. לעומתם, כאשר מבצעים חיפוש של משאבים ברשת, ניתן לבצע תשאול אישי של כל צומת וצומת ברשת, ובדיקה אם המשאב הרצוי נמצא שם. תשאול אישי שכזה יכול לארוך זמן רב, ואינו יעיל בגלל החזרות הרבות. פעולה יותר יעילה היא "פרסום" יחיד של בקשת חיפוש, בכל הרשת. לבקשה זו יענו רק גורמים ברשת אשר יש להם את המשאב הרצוי, ובכך יחסך התשאול האישי מכל הגורמים ברשת, בין אם יש או אין להם את המשאב הרצוי. דוגמה נוספת לצורך בשיטת הפצה היא תחנת טלוויזיה המפיצה את שידוריה באינטרנט. תחנה שכזאת יכולה לפעול בצורה לא יעילה ולשלוח את אותו השידור באופן אישי לכל צופה וצופה. שיטה זו מהווה כפילות, שיוצרת עומס על שרתי האינטרנט של התחנה. ניתן להימנע מעומס זה על ידי שליחה אחת של השידור, ופיצול של האות שנשלח אל הצופים השונים, רק בנקודת הפיצול הקרובה ביותר אליהם. הפיצול יתבצע כך שהשידור יגיע רק אל הצופים המעוניינים בכך, ולא אל כל המכשירים האפשריים ברשת.

לצורך ניהול, הגדלת יעילות ושליטה באופן העיבוד והעברה של חבילות נתונים בהתקני רשת פותחה שפת תכנות מיוחדת P4.

שיטות הפצה

חד-נתיב

הפצת נתונים ב-Unicast

בשיטת החד-נתיב (Unicast), הנתונים נשלחים באופן אישי לכל צומת ברשת. שיטה זו נהוגה בגלישה באינטרנט, בשימוש בדואר אלקטרוני, בשליחה וקבלה של קבצים, וגם בשירותי VOD. היכולת לתקשר באופן אישי הוא היתרון בשיטה זו, אך החסרון הוא חוסר היעילות בהפצה של נתונים לכמות צמתים גדולה.

רחב-נתיב

ערך מורחב – רחב-נתיב

הפצת נתונים ב-Broadcast

בדומה לתחנת רדיו המשדרת מאנטנה אחת אל כלל מקלטי הרדיו של המאזינים, גם שיטת הרחב-נתיב (Broadcast) מבצעת שליחה יחידה, אשר מגיעה אל כלל הצמתים ברשת. היתרון בשיטה זו הוא היעילות בהפצה של אותם הנתונים אל כמות גדולה יחסית של צמתים ברשת. אך החסרון הוא חוסר הפרטיות בשליחה כזאת, והעומסים שעלולים לנבוע ממנה. עומסים עלולים להיווצר כאשר מספר מכשירים מבצעים בו זמנית שידור Broadcast. במצב זה הרשת עסוקה בהעברת כל חבילה אל כל אחד מחברי הרשת, והעומס עלול אף לגרום לקריסת הרשת. תופעה שכזו היא סוג של התקפת מניעת שירות הנקראת "סערת Broadcast" (מאנגלית: "Broadcast Storm") או "הפצצת Broadcast". שיטה זו הייתה יכולה להקשות על קיומה של רשת האינטרנט, שבה פועלים מיליוני משתמשים. הפצצת Broadcast מכמות קטנה יחסית של מכשירים אל כלל האינטרנט הייתה עלולה להביא לשיתוק הרשת כולה. על מנת למנוע תופעות שכאלו, הודעות ה-Broadcast לא מופצות לכלל ההיקף של הרשת, אלא מופצות רק בתוך אזור מצומצם של הרשת הנקרא מתחם שידור.

שיטת ה-Broadcast נהוגה בפרוטוקולים ARP ו-DHCP.

רב-נתיב

ערך מורחב – רב-נתיב

הפצת נתונים ב-Multicast

החצים הירוקים מסמנים את הפצת הנתונים ב-Multicast אל המחשבים השונים

בשיטת הרב-נתיב (Multicast), הפצת הנתונים מתבצעת בו-זמנית ממקור יחיד אל קבוצה של יעדים, תוך שאיפה ליעילות מרבית בשימוש במשאבי הרשת. באופן ספציפי, היעילות מתבטאת בכך שעל כל קו תקשורת יועבר רק עותק אחד של הנתונים, והם יפוצלו בנקודה הקרובה ביותר אל היעדים.

באינטרנט וברשתות IP אחרות, הצירוף וההסרה של תחנות מקבוצות Multicast מתבצע באמצעות פרוטוקול IGMP, אך בגלל המורכבות במימוש הטכני של ה-Multicast, השימוש ב-Multicast לא נפוץ באינטרנט אפילו במקרים שבהם הוא יותר יעיל משיטות אחרות.

יתרונות שיטת ה-Multicast באים לביטוי בעיקר בהפצה של מולטימדיה כגון שידורי טלוויזיה באינטרנט ושידורי רדיו באינטרנט.

כל-נתיב

הפצת נתונים ב-Anycast

בשיטת הכל-נתיב (Anycast), הנתונים נשלחים אל היעד הקרוב ביותר או הטוב ביותר (על פי מדד מסוים) מתוך מספר יעדים אפשריים.

ההשפעה של טכנולוגיית הרשת

לטכנולוגיות תקשורת שונות יש תמיכה טבעית בשיטות הפצה שונות. לדוגמה, קו תקשורת מסיב אופטי או זוג שזור מהווה חיבור ישיר בין מכשיר אחד למשנהו, ולכן ה-Unicast הוא טבעי לחיבור שכזה והנתונים הנשלחים ממכשיר יחיד קצה אחד מתקבלים על ידי מכשיר בקצה השני. אולם, גם בקווי תקשורת ניתן לממש את שיטות ההפצה האחרות, על ידי העברה של הנתונים ממכשיר למכשיר. באופן דומה, רשתות Ethernet המבוססות על 10BASE-2 ו-10BASE-5 (אך לא 10BASE-T ומעלה) - הן רשתות Broadcast טבעיות, שכן כל הצמתים מחוברים לקו תקשורת יחיד, העובר בין כל הצמתים, והנתונים המשודרים על ידי כל צומת, מגיעים לכל שאר הצמתים ברשת. גם תקשורת אלחוטית ה-Broadcast הוא טבעי, שכן כל שידור אלחוטי מגיע לשאר המכשירים ברשת. כאשר מדובר על טווח קליטה מצומצם, אזי ה-Multicast הוא טבעי, שכן רק חלק מהמכשירים מקבלים את הנתונים המשודרים. כאשר מבוצעת תעבורת Unicast ברשת אלחוטית, כלל התחנות קולטות את הנתונים, אך רובן מתעלמות מנתונים שלא מיועדים עבורן, ורק התחנה שאליה מיועד ה-Unicast אכן מעבדת את הנתונים שהתקבלו.

ריבוי קישורים

במכשירים שיש להם יותר מקישור אחד לרשת (לדוגמה: נתבים, מחשבים עם 2 כרטיסי רשת, מכשירים ניידים עם Wi-Fi ורשת דור 3), הבחירה באיזה מהקישורים יש להעביר את הנתונים דורשת יכולת של עיבוד נתונים מהירה, על מנת לקבל את החלטת הניתוב הנכונה. בעוד שהעיקרון מאחורי החלטות אלו הוא פשוט, המימוש והביצוע של תהליכי קבלת ההחלטה הוא מורכב, מכיוון שההחלטה צריכה להתקבל באופן פרטני עבור כל חבילת נתונים ובאופן מצטבר, עלול להיווצר צוואר בקבוק בהעברת הנתונים. צוואר בקבוק זה יכול להוות מגבלה עיקרית על הביצועים הכוללים של רשת התקשורת. בפיתוח מתגים ונתבים חדשים, רוב תשומת הלב מושקעת בשיפור המהירות של קבלת ההחלטות וביצוען, על מנת להתמודד עם נפחי תקשורת הולכים וגדלים.

כתובת הרשת של כל מכשיר מרמזת במידה מסוימת על מיקומו הפיזי ברשת, ועל דרכים אפשריות לאתר מכשיר מסוים מתוך כלל הרשת. מתוך הרצון להקטין את תפוצת הודעות ה-Broadcast, על מנת לחסוך בעומסים ברשת, נתבים (שלרוב היוו את הגבול של מתחמי השידור) הפכו לגורם מוביל ברשתות גדולות, כדוגמת האינטרנט. לעומתם, השימוש בגשרים יכול להתאים לרשתות קטנות יחסית, בהן Broadcast המיועד לאיתור יעד מסוים אינו מהווה עומס מהותי המשפיע על ביצועי הרשת, או כאשר הרשת הקטנה מהווה מתחם שידור נפרד, והיא חלק מתוך רשת גדולה יותר.