آشنایی با مفاهیم اولیه شبکه

 شبکه به طور کلی به معنای ارتباط و اشتراک اطلاعات بین چند فرد یا چند شیء است. در زمینه فناوری اطلاعات هم به ارتباط بین چند سیستم کامپیوتری، نرم افزار یا سخت افزار با وسایل ارتباطی مثل کابل یا تجهیزات بیسیم، شبکه می گویند.

اولین بار اواخر سال 1960 پروژه شبکه در وزارت دفاع امریکا در سطح نظامی مطرح شد که بعد ها به صورت عمومی در آمد و شرکت هایی آنرا توسعه دادند. در نهایت در سال 1984 سازمان ISO که استاندارد های بین المللی را تنظیم می کند، یک الگو و استاندارد برای ارتباط بین دو کامپیوتر مطرح کرد. این الگو OSI نام گرفت.

 در ادامه به آن خواهیم پرداخت.

مدل OSI دارای هفت لایه است که از پایین به بالا نام گزاری می شوند. (فرآیند عیب یابی در  شبکه هم به همین ترتیب انجام می شود.)

قبل از توضیح هر کدام از لایه ها چند مفهوم مهم شبکه را توضیح می دهیم:

✔ شبکه از لحاظ وسعت به طور کلی 3 حالت دارد:

• Lan 

LAN یا Local Area Network که به معنای شبکه محلی است شبکه ای نسبتا کوچک بین دستگاه های موجود در یک خانه ، محیط یک اداره یا حتی یک محله است.

• Man 

MANیا Metropolitan Area Network شبکه ای به وسعت یک شهر یا قسمتی بزرگ از یک شهر است. می توان شبکه بین چند شعبه بانکی درون یک شهر را نیز یک نوع از آن دانست.

• Wan 

WANیا Wide Area Network شبکه ای با وسعت زیاد که در واقع اتصال بین چند شبکه نسبتا کوچکتر محلی (LAN) است و برای آن نیاز به زیرساخت های مخابرات و router نیاز داریم.

 در توضیحات لایه 3 بیشتر به این موضوع خواهیم پرداخت.

✔ توپولوژی:

توپولوژی به شکل قرار گیری سیستم ها و اتصال سیم ها در شبکه می گویند که انواع مختلفی دارد:

• BUS 

یکی از اولین فن آوری های شبکه که به وجود آمد توپولوژی bus است. در این نوع تمام نود ها (دستگاه ها) به یک کابل مشترک وصل می شوند که به آن backbone می گویند. همه سیستم ها با یک کابل و T-connector به کابل اصلی وصل می شوند. مشکل این توپولوژی این است که احتمال ارسال همزمان داده و تصادف یا collision اطلاعات زیاد است و نیز اگر کابل اصلی خراب شود کل شبکه از کار می افتد یا به اصطلاح down میشود.

• RING 

در این توپولوژی همینطور که از اسمش معلوم است، نود ها مانند یک حلقه به هم وصل می شوند. در اینجا هم اگر یک سیم قطع شود کل شبکه از کار می افتد ولی مزیت آن شیوه مدیریت جریان و جلوگیری از collision  آن است که به آن token passing می گویند. در bus، نبودن ولتاژ به معنای خالی بودن شبکه بود ولی در اینجا اولین سیستم که روشن شود یک ولتاژ اولیه تولید می کند که به آن token میگویند و هر سیستمی که بخواهد بسته ای بفرستد باید این ولتاژ را دریافت کند و بفهمد که شبکه یا token خالی است. اگر سیستمی بخواهد یک بسته بفرستد مقدار ولتاژ خودش را القا می کند تا بسته به دست سیستم مقصد برسد و دوباره ولتاژ اولیه یا توکن خالی در شبکه بماند. 

•    STAR

در این نوع توپولوژی همه سیستم ها به یک hub یا switch مرکزی وصل میشوند. خوبی این شبکه این است که اگر سیمی قطع شود به کل شبکه آسیب نمی رسد ولی از آنجایی که هاب، مرکز شبکه است اگر مشکلی در آن پیش آید کل شبکه مختل می شود. این توپولوژی به نسبت بقیه نصب و عیب یابی آسان تری دارد.

• MESH

نوعی توپولوژی دیگر هم وجود دارد که در آن هر سیستم به تمام سیستم های دیگر بصورت یک به یک متصل می شود. در این صورت اگر سیمی قطع شود فقط ارتباط بین دو سیستم قطع میشود. در این حالت سرعت و امنیت شبکه بیشتر است چون هر سیم فقط ارتباط بین دو سیستم را برقرار میکند ولی طبیعتاً هزینه و دردسر نگهداری بیشتری دارد.

• می توان در انجام شبکه های بزرگ در سازمان ها یا ساختمان های اداری ، به نسبت شرایط از ترکیب چند نوع توپولوژی استفاده کرد یا آنها را گسترش داد. مثلا می توان در توپولوژی star اگر تعداد پورت کافی بر روی هاب نداشته باشیم یا اگر یک ساختمان چند طبقه داشته باشیم، میتوانیم در هر طبقه یک هاب بگذاریم و آنها را به یکدیگر یا با یک هاب مرکزی وصل کنیم.

✔ لایه های مدل OSI:

1. لایه 1 Physical layer لایه فیزیکی

در این لایه اطلاعات بصورت ولتاژ و بیت (صفر و یک) توسط media جا به جا می شود. مدیا راه ارتباطی بین سیستم ها است که می تواند کابل coaxial، فیبر نوری یا حتی امواج رادیویی و ماهواره ای باشد. کارت های شبکه و هاب هم دستگاه های لایه 1 می باشند.

2. لایه 2 Datalink layer لایه پیوند داده

وظیفه این لایه آدرس دهی فیزیکی و ایجاد ارتباط مطمئن و بدون مشکل بین نود ها است. این لایه مکانیزم های مختلف برای مقابله با collision ها و error ها دارد.

• یکی از کارهای این لایه addressing MAC یا physical addressing می باشد:

کارت های شبکه درون خود یک chipset دارند که توسط شرکت سازنده در آن یک آدرس فیزیکی منحصر به فرد به نام media access control (MAC) حک شده است. مک آدرس دارای 12 کاراکتر ترکیب رقم و حروف بین A-F  است. به عنوان مثال :  00:1B:44:11:3A:B7

هاب، یک دستگاه لایه 1 است که فقط ولتاژ را از یک پورت می گیرد و به بقیه پورت ها می دهد اما switch  یک دستگاه لایه 2 است و بسته را برای همه نمی فرستد بلکه mac table تشکیل می دهد که حاوی mac address تمام پورت ها است و بسته را فقط به مقصد مورد نظر می رساند.

هر بار که یک بسته به دست سوییچ می رسد مک مبدا آنرا نگاه میکند و آنرا به پورتی که از آن آمده ارتباط میدهد به این شیوه جدول خود را پر می کند.

3. لایه 3 Network layer لایه شبکه

لایه شبکه در واقع کار آدرس دهی منطقی و مسیریابی اطلاعات را انجام می دهد تمام مسیر های ممکن از مبدا تا مقصد را بررسی میکند و نسبت به شرایط شبکه سریعترین و ایمن ترین راه را انتخاب می کند. مهمترین پروتکل این لایه IP است.

IP address یک آدرس منطقی 32 بیتی است. هر سیستمی که به اینترنت متصل شود یک IP  دارد در واقع اولین معیار برقراری ارتباط سیستم ها IP است. این آدرس آی پی از دو قسمت  host ID و net ID  تشکیل شده است. host id  مثل نام سیستم و net id  مثل فامیلی آن است. در سیستم هایی که با یک سوییچ به هم شبکه (LAN) شده اند فقط آی پی های با net id  برابر می توانند ارتباط بگیرند. در اینجا یک دستگاه لایه سه به نام router یا مسیر یاب وجود دارد که چند زیر شبکه (subnet) را به یکدیگر وصل می کند. به این صورت شبکه wan از اتصال بین چند شبکه  lanتشکیل میشود و در واقع فرق اصلی lan و wan در همین است. 

از آنجایی که برای تمام سیستم های دنیا IP  با یک net id وجود ندارد و نمی توان همه را با lan  به یکدیگر وصل کرد، فرآیندی به نام subnetting انجام می شود که تعدادی از بیت های host id به net id قرض داده می شود تا بتوان زیر شبکه های بیشتر تولید کرد. router سوییچ هایی که net id متفاوتی دارند را باهم ارتباط میدهد و به نسبت IP مقصد بسته، آنرا در زیر شبکه مورد نظر قرار می دهد. 

در بسته نسبت به ip مبدا و مقصد، آدرس مک آنها را پیدا می کند. اگر آدرس مک سیستم مقصد در جدول سوییچ موجود نباشد بسته اصلی کنار می رود و ARP به میان می آید.

• ARP (Address Resolution Protocol)  یک پروتکل لایه 3 است. ARP به جای مک مقصد 12 تا F می گذارد و به سوییچ فرمان می دهد که مانند هاب عمل کند و بسته را به کل شبکه بفرستد. سیستم ها، بسته را باز می کنند و آنرا تا لایه 3 بالا می برند. و چون نوع آنARP  است، سیستم صاحب بسته آنرا پاسخ می دهد. در واقع به جای 12 تا F، مک خودش را میگذارد و جای مبدا و مقصد را عوض می کند به این شیوه مک آن سیستم به جدول سوییچ اضافه می شود. در شبکه های بزرگتر هم arp ،router های شبکه هایی را که به خودش مربوط نیست، عبور نمی دهد. 

    4. لایه 4 Transport layer لایه انتقال

مسئولیت اصلی این لایه ارتباط منطقی بین سیستم ها ،تعیین سرویس درخواستی و تحویل بی عیب و به ترتیب بسته ها است. در واقع به لایه های بالاتر اطمینان می دهد که بسته ها بین سیستم ها بدون هیچ مشکلی جا به جا می شوند. در لایه 4، دو پروتکل ارتباطی مهم وجود دارد:

• ارتباط اتصال گراConnection-Oriented: در این حالت به ازای ارسال هر بسته یکacknowledgement  که در واقع تایید دریافت بسته است بر می گردد. به این نوع ارتباط TCP (Transmission Control Protocol)  هم می گویند.
• ارتباط بدون اتصال Connection-less: در این روش بسته فقط ارسال می شود و منتظر جواب نمی ماند. به این نوع ارتباط UDP (User Datagram Protocol) می گویند.

در TCP  آنچه اهمیت دارد دقت و سلامت ارسال بسته است نه سرعت آن. مثل دانلود یک فایل که هرچقدر هم طول بکشد اولویت ما کامل بودن فایل است.UDP  برعکس است و سرعت مهم تر است مثل پخش زنده فوتبال که در صورت ضعیف بودن اینترنت ممکن است موجب packet loss  هم بشود در این صورت تصویر شطرنجی می شود، به این دلیل که یکسری بسته ها آسیب می بینند یا به مقصد نمی رسند.

در ارتباط دو سیستم، برای اجرای سرویس درخواستی، یک port  (با پورت فیزیکی فرق دارد) که یک حفره منطقی در قسمت نرم افزار سیستم است، باید باز شود. پورت مورد نظر با یک عدد بین 0 و 65535 مشخص می شود. معمولا هر سرویس خاصی یک port number مخصوص دارد که اگر باز نباشد یا درگیر سرویس دیگری باشد، کار نمی کند.

کار دیگری که در TCP  برای ایجاد یک ارتباط مطمئن و ایمن انجام می شود 3-way-handshake   است که ابتدا سیستم A یک درخواست هماهنگی می فرستد که بتواند روی یک پورت سرویس بگیرد و سپس جواب آن از سیستم B  می آید که اجازه داده میشود سپس دوباره A  جواب می دهد که در پورت مورد نظر به حالت listening آمده و منتظر سرویس است بدین صورت ارتباط برقرار (establish) می شود.

5. لایه 5 Session layer لایه نشست

بعد از انجام 3wayhandshake و آمادگی دو سیستم برای تبادل، نوبت این لایه می شود که وظیفه ایجاد، نظارت و پایان ارتباط و تبادل اطلاعات بین برنامه های دو سیستم را دارد. در واقع این لایه تعیین می کند که چه بسته هایی می خواهد رد و بدل شود، ترتیب بسته ها و موضوع داده ها چگونه است و در نهایت آنرا را مرتب می کند و داده نهایی تشکیل می شود. فرآیند احراز هویت در این لایه انجام می شود. وقتی ما در سایتی login میکنیم و احراز هویت می شویم session باز می شود و تا وقتی session  باز باشد ما شناخته شده ایم.  

6. لایه 6 Presentation layer لایه نمایش

کار اصلی این لایه تبدیل فرمت اطلاعات برای لایه های بالا و پایین خود است. این لایه اطلاعاتی را که از شبکه می آید، تبدیل می کند که برای لایه بالاتر و سیستم عامل قابل فهم باشد و همچنین برعکس ، داده سیستم را به فرمت قابل درک در شبکه تبدیل میکند. همچنین فرآیند های فشرده سازی، رمز نگاری و رمزگشایی داده در این لایه انجام می شود.

7. لایه 7 Application layer لایه کاربرد

این لایه، رابط کاربری است و توسط مرورگر با کاربر ارتباط دارد. در اینجا سرویس ها و اپلیکیشن های درخواستی توسط کاربر مشخص شود. از جمله سرویس های پست الکترونیکی، انتقال فایل (FTP)، ریموت دسکتاپ، مانیتورینگ شبکه و لاگین از راه دور .(telnet)

وظایف دیگر آن تشخیص خطاها و بازگردانی فایل های از دست رفته، کنترل جریان داده و قطعه قطعه کردن داده برای ارسال و سرهم بندی آن در سیستم دیگر است.

این لایه پروتکل های مهمی مثل HTTP و DNS دارد که ما برای باز کردن یک صفحه وب به آنها نیاز داریم.

• HTTP یک پروتکل برای تبادل اسناد html  بین مرورگر و سرور ها می باشد.
• DNS (Domain Name System)  : یک پروتکل برای تبدیل اسم و آدرس سایت ها به IP address  است. هر دستگاه در شبکه، یک آی پی دارد اما با استفاده از DNS می توان با وارد کردن آدرس و دامنه سایت به سیستم مورد نظر وصل شد به طوری که آدرس را می گیرد و در cache مرورگر یا dns server ها آی پی مربوط به آنرا پیدا می کند و به آن متصل می شود.

بدین صورت یک مدل برای درک بهتر از ارتباط بین دو سیستم در شبکه تعریف میشود. در هر سیستم داده توسط کاربر در لایه هفت گذاشته می شود سپس بسته تا لایه یک پایین می آید و بصورت بیت وارد مدیا می شود و به سمت سیستم بعدی حرکت می کند و آنجا دوباره از مدیا گرفته می شود و تا لایه هفتم بالا می رود و کاربر اطلاعات را مشاهده می کند. البته سر راه بسته، دستگاه هایی مثل switch و router وجود دارند که هرکدام بسته را تا لایه 2 و 3 بالا می برند.