آشنایی با لایه ها و پروتکل‌های رایج به کار گرفته شده در اینترنت و شبکه‌های کامپیوتری

لایه پیوند

لایه پیوند یا لایه واسط شبکه پایین‌ترین لایه در پشته پروتکل اینترنت است و ساختار معماری شبکه‌بندی اینترنت را شکل می‌دهد. این لایه مجموعه‌ای از متدها و پروتکل‌ها است که تنها در بخش رابط میزبان عمل می‌کند. پروتکل لایه پیوند تنها بین گره‌های مجاور در یک شبکه محلی (LAN) یا یک شبکه گسترده (WAN) استفاده می‌شود. علیرغم تعاریف گوناگون لایه‌بندی در مدل‌های TCP/IP و OSI، لایه پیوند را عمدتا ترکیبی از دو لایه پیوند داده (لایه ۲) و فیزیکی (لایه ۱) در مدل مرجع اتصال داخلی سیستم‌های باز توصیف می‌کنند. با این وجود، لایه‌های TCP/IP بیشتر در حوزه‌های عملیاتی (کاربرد، میزبان-به-میزبان)، شبکه و پیوند عمل می‌کنند. استاندارد RFC 1122 توصیف می‌کند که پروتکل‌های شبکه‌های محلی نظیر اترنت و IEEE 802 و نیز پروتکل‌های فریم‌بندی نظیر پروتکل نقطه-به-نقطه (PPP) متعلق به لایه پیوند هستند.

پروتکل‌های لایه پیوند

پروتکل‌های اصلی لایه پیوند که توسط کارگروه (IETF) تعریف شده‌اند پروتکل تفکیک آدرس Address Resolution Protocol،  پروتکل تفکیک آدرس معکوس Reverse Address Resolution Protocol  و پروتکل کشف همسایه Neighbor Discovery Protocol که پروتکلی مشابه ARP در پروتکل اینترنت نسخه ۶ است را شامل می‌شوند. پروتکل سیستم میانی به سیستم میانی IS-IS پروتکل مسیریابی حالت لینک دیگری است که با در نظرگرفتن مدل TCP/IP می‌توان آن‌را در این لایه قرار داد، هر چند این پروتکل در داخل مدل مرجع OSI توسعه داده شده بود. لایه پیوند همچنین شامل تمام متدهای واسط مختص به سخت افزار است که از آن جمله می‌توان به اترنت و طرح‌های کپسوله‌سازی IEEE 802 اشاره کرد.

لایه پیوند در مدل TCP/IP اغلب به‌طور مستقیم با لایه پیوند داده و لایه فیزیکی در مدل مرجع اتصال داخلی سیستم‌های باز مورد مقایسه قرار می‌گیرد. اگرچه این دو لایه وجه اشتراکی با هم دارند و موضوعاتی را هم‌پوشانی می‌کنند، اما متدهای دسته‌بندی متفاوتی را به نمایش می‌گذارند. لایه پیوند در مدل TCP/IP هنوز هم در حوزه اجرایی گسترده‌تر است، اما در زمینه قوانین و اصول استاندارد کلاس‌بندی دارای نواقصی هستند. این نواقص زمانی نمایان می‌شوند که پروتکل‌های خاصی نظیر پروتکل تفکیک آدرس (ARP) که در مدل TCP/IP در لایه پیوند است، در مدل مرجع OSI در جایی بین لایه پیوند داده و لایه شبکه قرار می‌گیرد. به همین دلیل بهتر است از مقایسه دقیق این دو مدل دوری کرد. واژه دیگری که گاهی اوقات با آن روبرو می‌شویم لایه دسترسی شبکه است که سعی دارد این موضوع را نشان دهد که این لایه ارتباط نزدیکی با شبکه فیزیکی دارد. با این وجود، این نوع کاربرد اشتباه و غیر استاندارد است، زیرا لایه پیوند به محتوی متدها و عملیاتی اشاره دارد که از سطح صرفاً دسترسی به شبکه فراتر عمل می‌کند. به‌طور مثال، پروتکل‌های عمده لایه پیوند برای بررسی توپولوژی شبکه محلی، یافتن روترها و میزبان‌های همسایه به کار می‌رود، عملیاتی که فراتر از دسترسی به شبکه می‌باشد.

از مهم‌ترین عملیاتی که لایه پیوند پشتیبانی می‌کند به مواردی همچون روش‌های شبکه‌بندی پیوندهای منطقی، کپسوله‌سازی بسته‌های IP در داخل فریم‌ها، همزمان‌سازی فریم، شناساسی خطا از طریق حذف بسته‌های دارای خطا، زیرلایه کنترل منطقی پیوند (Logical Link Control)، شناسایی خطا و درخواست تکرار خودکار بسته‌های خطادار برای ارتباط گره به گره، کنترل جریان گره به گره، تصحیح خطای رو به جلو، زیرلایه کنترل دسترسی رسانه یا همان مک‌آدرس، پروتکل‌های با دسترسی چندگانه، آدرس‌دهی فیزیکی (MAC Addressing)، سوئیچینگ بسته شامل فیلترینگ MAC و پروتکل درخت پوشا، سوئیچینگ ذخیره و هدایت، صف‌بندی بسته‌های اطلاعاتی یا الگوریتم‌های زمانبندی اشاره کرد.

پروتکل تفکیک آدرس

پروتکل تفکیک آدرس Address Resolution Protocol  که به نام (ARP شهرت دارد یک پروتکل ارتباطی برای یافتن آدرس لایه پیوند، مانند آدرس مک، و ارتباطش با آدرس لایه شبکه است. این پروتکل یکی از مولفه‌های کلیدی در مجموعه پروتکل اینترنت است.

لایه شبکه

لایه شبکه  (Network layer) سومین لایه از لایه‌های هفت‌گانه مدل اتصال متقابل سامانه‌های باز (OSI) است. لایه شبکه مسئولیت ارسال بسته شامل مسیریابی از طریق روترهای واسط را بر عهده دارد. از مهم‌ترین وظایف این لایه می‌توان به کنترل عملکرد زیر شبکه، مسیریابی، کنترل گلوگاه‌ها، کیفیت سرویس‌دهی و به پیوستن شبکه‌های ناهمگن اشاره کرد. به بیان دقیق‌تر وظیفه لایه شبکه این است که چگونگی رسیدن داده‌ها به مقصد را تعیین کند. این لایه وظایفی از قبیل آدرس‌دهی، مسیریابی و پروتکل‌های منطقی را عهده‌دار است. لایه شبکه مسیرهای منطقی (Logical Path) بین مبدأ و مقصد ایجاد می‌کند که مدارهای مجازی (Virtual Circuits) نام دارند. این مدارها باعث می‌شوند که هر بسته اطلاعاتی بتواند راهی برای رسیدن به مقصدش پیدا کند. لایه شبکه همچنین وظیفه مدیریت خطا در لایه خود، ترتیب‌دهی بسته‌های اطلاعاتی و کنترل ازدحام را بر عهده دارد. ترتیب بسته‌های اطلاعاتی مهم است، زیرا هر پروتکلی برای خود یک حداکثر اندازه بسته اطلاعاتی تعریف کرده‌است. برخی اوقات پیش می‌آید که بسته‌های اطلاعاتی از این حجم تعریف شده بیشتر می‌شوند و به ناچار این‌گونه بسته‌های به بسته‌های کوچکتری تقسیم می‌شوند و برای هر کدام از این بسته‌های اطلاعاتی یک نوبت (Sequence) تعیین می‌شود تا مشخص شود کدام بسته اول، کدام بسته دوم تا این‌که بسته‌ها به طور کامل به مقصد برسند. وقتی بسته‌های اطلاعاتی در مقصد دریافت شدند، در لایه شبکه شماره بسته‌ها (Sequence Number) بررسی می‌شوند. به واسطه همین Sequence Number است که اطلاعات به حالت اولیه بازمی‌گردند و تبدیل به اطلاعات اولیه می‌شوند. در صورتی‌که یکی از این بسته‌های به درستی دریافت نشود در همان لایه شبکه از طریق چک کردن این عدد مشخص می‌شود که کدام بسته اطلاعاتی دریافت نشده‌ و دومرتبه درخواست دریافت داده‌ها ارسال می‌شود.

لایه انتقال

لایه انتقال وظیفه نگهداری و کنترل ریزش اطلاعات (Flow Control) را بر عهده دارد. سیستم‌عامل‌ها به کاربران اجازه می‌دهند هم‌زمان از چند نرم‌افزار استفاده کنند. همین کار در شبکه نیز انجام می‌شود. چند نرم‌افزار روی سیستم‌عامل تصمیم می‌گیرند که به صورت هم‌زمان روی شبکه اطلاعات خود را منتقل کنند. لایه انتقال اطلاعات مربوط به هر نرم‌افزار در سیستم عامل را دریافت و آن‌ها را در قالب یک رشته تکی درمی‌آورد. همچنین این لایه وظیفه کنترل خطا و همچنین تصحیح خطا در هنگام ارسال اطلاعات بر روی شبکه را نیز بر عهده دارد. به صورت خلاصه وظیفه لایه انتقال این است که از رسیدن درست اطلاعات از مبدأ به مقصد اطمینان حاصل کند، انواع پروتکل‌های اتصال گرا (Connection Oriented) و غیر اتصال‌گرا (Connection Less) در این لایه فعالیت می‌کنند.

لایه جلسه

وقتی داده‌ها به شکلی قابل درک برای ارسال توسط شبکه درآمدند، ماشین ارسال‌کننده بایستی یک Session با ماشین مقصد ایجاد کند. منظور از Session دقیقاً شبیه ارتباطی است که از طریق تلفن انجام می‌شود، شما برای ارسال اطلاعات از طریق تلفن حتماً بایستی با شخص مورد نظرتان تماس برقرار کنید. اینجا زمانی است که لایه نشست وارد کار می‌شود، این لایه وظیفه ایجاد، مدیریت و نگهداری و در نهایت خاتمه یک Session را با کامپیوتر مقصد بر عهده دارد. نکته جالب در خصوص لایه نشست این است که بیشتر با لایه کاربرد مرتبط است تا لایه فیزیکی، شاید فکر کنید که بیشتر Sessionها بین سخت‌افزارها و از طریق لینک‌های شبکه ایجاد می‌شوند اما در اصل این نرم‌افزارهای کاربردی هستند که برای خود Session با نرم‌افزار مقصد ایجاد می‌کنند. اگر کاربری از تعدادی نرم‌افزار کاربردی استفاده می‌کند، هر کدام از این نرم افزاها به خودی خود می‌توانند یک Session با نرم‌افزار مقصد خود برقرار کنند که هر کدام از این Sessionها برای خود یک سری منابع منحصر به فرد دارد.

لایه نمایش

فعالیت لایه نمایش یا Presentation تا حدی پیچیده است اما همه کارهایی که این لایه انجام می‌دهد را می‌توان در یک جمله خلاصه کرد، لایه نمایش اطلاعات را از لایه کاربرد دریافت می‌کند و در قالبی درمی‌آورد که برای لایه‌های پایینتر قابل درک باشد. همچنین برعکس این عمل را نیز انجام می‌دهد یعنی زمانی که اطلاعاتی از لایه نشست یا Session به این لایه وارد می‌شود، این اطلاعات را به گونه‌ای تبدیل می‌کند که لایه کاربرد بتواند آن‌ها را درک کرده و متوجه شود. دلیل اهمیت این لایه این است که نرم‌افزارها اطلاعات را به شیوه‌ها و اشکال مختلفی نسبت به یکدیگر بر روی شبکه ارسال می‌کنند. برای اینکه ارتباطات در سطح شبکه‌ها بتوانند برقرار شوند و به درستی برقرار شوند شما بایستی اطلاعات را به گونه‌ای ساختار دهی کنید که برای همه انواع شبکه‌ها استاندارد و قابل فهم باشد. بطور خلاصه وظیفه اصلی این لایه قالب بندی اطلاعات یا Formatting اطلاعات است. معمولاً فعالیت‌هایی نظیر رمزنگاری و فشرده سازی از وظایف اصلی این لایه محسوب می‌شود.

لایه کاربرد

بالاترین لایه در مدل مرجع OSI لایه کاربرد (Application) است. اولین نکته‌ای که در خصوص لایه کاربرد یا Application باید بدانید این است که به هیچ عنوان این لایه با نرم‌افزارهای کاربردی ارتباطی ندارد و صرفاً یک تشابه اسمی است. در عوض این لایه محیطی را ایجاد می‌کند که نرم‌افزارهای کاربردی بتوانند از طریق آن با شبکه ارتباط برقرار کنند. برای اینکه درک بهتری از لایه کاربرد داشته باشید فرض کنید که یک کاربر با استفاده از نرم‌افزار Internet Explorer قصد دارد از طریق پروتکل FTP یک فایل را در شبکه منتقل کند. در این مورد لایه کاربرد به وظیفه برقراری ارتباط با پروتکل FTP برای انتقال فایل را بر عهده دارد. این پروتکل به صورت مستقیم برای کاربران قابل دسترسی نیست، کاربر بایستی با استفاده از یک نرم‌افزار رابط مانند Internet Explorer برای برقراری ارتباط با پروتکل مورد نظر استفاده کند. به صورت خلاصه در تعریف کارایی این لایه می‌توان گفت که این لایه رابط بین کاربر و شبکه است و تنها قسمتی از این مدل هفت لایه‌ای است که کاربر تا حدی می‌تواند با آن ارتباط برقرار کند.

لایه فیزیکی

لایه فیزیکی پایین‌ترین لایه در مدل مرجع ارتباط سامانه‌های باز (OSI) است. این لایه وظیفه انتقال بیت‌ها از طریق کانال مخابراتی را بر عهده دارد. مسائل طراحی در این لایه عمدتاً از نوع فیزیکی، الکتریکی، تایمینگ و رسانه فیزیکی انتقال است. در لایه فیزیکی بسته‌ها از طریق رسانه‌های هدایت‌پذیر یا هدایت‌ناپذیر انتقال پیدا می‌کنند. زوج تابیده یکی از با قدیمی‌ترین رسانه‌های انتقال است که بر پایه انتقال ولتاژ یا آمپراژ عمل می‌کند. زوج تابیده، دو رشته سیم مسی یا آلومنیومی به هم تابیده ‌است که توسط روکشی عایق پوشانده شده‌اند. دومین مکانیزم انتقال فیبرنوری است. فیبر نوری از پالس‌های نور برای انتقال داده‌ها از طریق تارهای سیلکون بهره می‌گیرد. یک کابل فیبر نوری که کمتر از یک اینچ قطر دارد می‌تواند صدها هزار مکالمه صوتی را حمل کند. فیبرهای نوری تجاری ظرفیت ۲٫۵ تا ۱۰ گیگابایت در ثانیه را فراهم می‌سازند. فیبرنوری از چندین لایه ساخته می‌شود. درونی‌ترین لایه را هسته می‌نامند. هسته شامل یک تار کاملاً بازتاب‌کننده از شیشه خالص (معمولاً) است. هسته در بعضی از کابل‌ها از پلاستیک کاملاً بازتابنده ساخته می‌شود، که هزینه ساخت را پایین می‌آورد. با این حال، یک هسته پلاستیکی معمولاً کیفیت شیشه را ندارد و بیشتر برای حمل داده‌ها در فواصل کوتاه به کار می‌رود. فیبرنوری به دو گروه فیبر تک حالتی (یک سیگنال نوری را در هر زمان انتشار می‌دهد) و فیبر چند حالتی (صدها حالت نور را به‌طور هم‌زمان انتقال می‌دهد) تقسیم می‌شود.