لایه شبکه (Network Layer) - مبانی شبکه قسمت سوم

در این درس، ما لایه سوم مدل OSI را که لایه شبکه نامیده می‌شود، بررسی می‌کنیم. برخلاف سایر لایه‌های OSI که پروتکل‌های متعددی دارند، لایه ۳ عمدتاً به یک پروتکل وابسته است—پروتکل اینترنت (IP)، که به دو نسخه اصلی توسعه یافته است:

لینک آموزش قسمت دوم: https://vrgl.ir/wUBrb

• IPv4 از آدرس‌های ۳۲ بیتی استفاده می‌کند و حدود ۴.۳ میلیارد آدرس IP منحصربه‌فرد را پشتیبانی می‌نماید.

• IPv6 از آدرس‌های ۱۲۸ بیتی استفاده می‌کند، که امکان تعداد بسیار بیشتری از آدرس‌های IP و بهبود کارایی شبکه را فراهم می‌آورد.

اجازه دهید ابتدا هدر (Header) هر پروتکل را بررسی کنیم و سپس تفاوت‌های بین این دو را مطالعه نماییم.

پروتکل اینترنت (IP)

در چند درس گذشته، به تفصیل درباره لایه‌های کاربرد و انتقال بحث کردیم. دیدیم که لایه کاربرد پروتکل‌های زیادی مانند HTTP، FTP، SSH و DNS دارد. لایه انتقال پروتکل‌های کمتری دارد که دو مورد رایج آن‌ها TCP و UDP هستند. با این حال، لایه شبکه عمدتاً از یک پروتکل استفاده می‌کند—پروتکل اینترنت (IP)، همانطور که در نمودار زیر نشان داده شده است. به همین دلیل، لایه شبکه اغلب لایه IP نامیده می‌شود.

لایه شبکه دو مسئولیت اصلی دارد:

1. قرار دادن آدرس‌دهی منطقی در پیام به شکل آدرس‌های IP منبع و مقصد.

2. تحویل پیام به گیرنده مورد نظر بر اساس آدرس IP مقصد.

بیایید تمثیل خود را با خدمات پستی دوباره مرور کنیم تا نحوه عملکرد لایه شبکه و تعامل آن با لایه انتقال را توضیح دهیم.

لایه شبکه در برابر خدمات پستی

تصور کنید دوباره می‌خواهید نامه‌ای برای دوستی که در شهر یا حتی کشور دیگری زندگی می‌کند، ارسال کنید. چه کاری انجام می‌دهید؟ شما فقط نامه را می‌نویسید، آن را در یک پاکت با نام و آدرس فرستنده و گیرنده می‌گذارید و در صندوق پستی خود می‌اندازید. سپس انتظار دارید نامه توسط خدمات پستی به آدرس دوست شما تحویل داده شود. شما نیازی ندارید که مسیر دقیق حرکت نامه را بدانید.

از طرف دیگر، خدمات پستی نمی‌داند محتوای داخل پاکت چیست—وظیفه آن تنها تحویل نامه به آدرس گیرنده صحیح است. این سرویس باید بداند که چگونه نامه را از طریق کوتاه‌ترین مسیر به آدرس مقصد مسیریابی کند.

حال بیایید روی تفاوت بین شخصی که نامه را می‌فرستد و خدمات پستی تمرکز کنیم. شما به وضوح می‌توانید ببینید که هر کدام نقش و مسئولیت‌های جداگانه‌ای دارند:

• شخص فرستنده نامه محتوای داخل پاکت را می‌داند. نام فرستنده و گیرنده را می‌داند. با این حال، مسیری را که نامه باید طی کند تا به گیرنده برسد، نمی‌داند. او فقط پاکت را در صندوق پستی می‌اندازد و انتظار دارد خدمات پستی آن را تحویل دهد.

• خدمات پستی محتوای داخل پاکت را نمی‌داند. فقط آدرس‌های فرستنده و گیرنده را می‌داند. فقط نامه‌ها را می‌پذیرد و آن‌ها را به آدرس مقصدشان تحویل می‌دهد. این سرویس مسیر رسیدن به هر آدرس و کد پستی داخل کشور را می‌داند و همچنین می‌داند نامه‌هایی را که برای کشورهای خارجی هستند، به کجا ارسال کند.

این یک تمثیل بسیار نزدیک به تعامل بین لایه‌های انتقال و شبکه مدل OSI است. لایه انتقال مانند فردی است که نامه را می‌فرستد. آن شماره پورت‌های منبع و مقصد را در پیام قرار می‌دهد و آن را برای تحویل به لایه شبکه می‌سپارد. لایه شبکه مسئول جابجایی بسته (Packet) از مسیریاب (Router) به مسیریاب دیگر است تا زمانی که به مقصد برسد. هر مسیریاب مانند یک اداره پست عمل می‌کند، به آدرس مقصد نگاه می‌کند و بسته را هدایت می‌نماید.

می‌توانید ببینید که چگونه هر یک از این دو لایه (انتقال و شبکه) نقش و مسئولیت متمایز خود را دارند:

• لایه انتقال مانند فردی است که نامه را می‌فرستد. نیازی به دانستن نحوه حرکت داده‌ها ندارد—فقط به لایه شبکه اعتماد می‌کند که آن را تحویل خواهد داد.

• لایه شبکه مانند اداره پست است. با تأیید آدرس‌ها و انتخاب کارآمدترین مسیر، از تحویل بسته اطمینان حاصل می‌کند.

هدر IP

پروتکل اینترنت (IP) از طریق دو نسخه اصلی تکامل یافته است—IPv4 و IPv6. فعلاً، ما فقط در مورد پروتکل IPv4 صحبت خواهیم کرد، که هنوز هم بیشتر از IPv6 مورد پذیرش است. بیشتر مفاهیم به طور مساوی برای نسخه ۶ نیز اعمال می‌شوند. با این حال، تفاوت‌هایی بین این دو وجود دارد که در دوره آموزشی IPv6 ما درباره آن‌ها بحث می‌کنیم.

هدر IPv4 بین ۲۰ تا ۶۰ بایت طول دارد و حاوی اطلاعات کلیدی برای مسیریابی و تحویل بسته‌ها است. همانطور که در نمودار زیر نشان داده شده است، شامل ۱۴ فیلد است. هر یک نقش خاصی دارد و اطلاعات مهمی را در طول مسیر به دستگاه‌های شبکه ارائه می‌دهد.

به فیلدهای آدرس IP منبع و مقصد توجه ویژه‌ای داشته باشید. آن‌ها مهم‌ترین فیلدهای این هدر هستند. آن‌ها همان نقش آدرس خیابان روی یک نامه را دارند. آن‌ها به شبکه می‌گویند بسته را به کجا تحویل دهد.

آدرس‌های IP چه هستند؟

هر دستگاه در شبکه باید یک آدرس IP منحصربه‌فرد داشته باشد، درست مانند هر خانه در یک شهر که آدرس خیابان منحصربه‌فرد خود را دارد. آدرس IP مکان یک دستگاه را شناسایی می‌کند و امکان ارسال و دریافت داده‌ها را به آن و از آن فراهم می‌نماید، مانند یک آدرس خیابان برای کامپیوترها.

در هدر لایه ۳ بسته‌ها، دو نوع آدرس IP وجود دارد: منبع و مقصد.

• آدرس IP مقصد به شبکه می‌گوید بسته به کجا باید برود.

• آدرس IP منبع به شبکه می‌گوید چه کسی بسته را ایجاد کرده است.

آدرس‌های IP را می‌توان در بلوک‌هایی گروه‌بندی کرد، شبیه به نحوه گروه‌بندی آدرس‌های خیابان و کد پستی در محله‌ها، شهرها، ایالت‌ها و کشورها. این گروه‌بندی به مسیریاب‌ها کمک می‌کند تا ترافیک را به طور کارآمدتری مدیریت و هدایت کنند، درست مانند نحوه دسته‌بندی نامه‌ها توسط خدمات پستی بر اساس منطقه به جای هر خانه به صورت جداگانه.

مسیریابی IP (IP Routing) چیست؟

مسیریاب‌ها از آدرس‌های IP موجود در هدر IP برای هدایت بسته‌ها به مقصد استفاده می‌کنند. این فرآیند مسیریابی IP نامیده می‌شود و مشابه نحوه عملکرد خدمات پستی است.

بیایید به مثال ارسال نامه‌هایمان برگردیم. یک اداره پست در نیویورک نیازی به دانستن آدرس هر خیابان و هر خانه در کالیفرنیا ندارد. به سادگی نیاز دارد که بداند نامه‌ای که مقصد آن لس آنجلس است، باید به اداره پست مرکزی لس آنجلس ارسال شود، که آن اداره می‌داند خیابان و کد پستی دقیق در منطقه آن‌ها کجاست.

آدرس‌های IP مانند کد پستی و آدرس‌های خیابان عمل می‌کنند. یک مسیریاب در یک قسمت از شبکه نیازی به دانستن مکان هر آدرس جداگانه ندارد. تنها باید بداند که بلوک‌های فضای آدرس در کجا قرار دارند. به عنوان مثال، R1 می‌داند که بسته‌هایی که مقصدشان آدرس‌های IP با شروع 1.*.*.* است، باید به R4 ارسال شوند، همانطور که در نمودار زیر نشان داده شده است.

هر مسیریاب سهم خود را انجام می‌دهد، درست مانند هر اداره پست. R1 نیازی به دانستن کل مسیر ندارد، درست مانند فردی که نامه‌ای را می‌فرستد که نیازی به دانستن نحوه حرکت نامه او از طریق پست ندارد.

به طور خلاصه، IP و لایه شبکه مسئول تحویل داده‌ها بین دستگاه‌ها در شبکه‌ها هستند، با استفاده از آدرس‌ها و مسیریابی، درست مانند نحوه تحویل نامه‌ها توسط سیستم پستی.

مسیریاب (Router) چیست؟

اغلب با این توضیح روبرو خواهید شد که مسیریاب یک دستگاه شبکه است که در لایه ۳ مدل OSI فعالیت می‌کند. اما این دقیقاً به چه معناست که مسیریاب‌ها در لایه شبکه کار می‌کنند؟

این بدان معناست که مسیریاب‌ها هدر لایه ۳ بسته‌ها را می‌خوانند و بر اساس آن اطلاعات تصمیمات هدایت (Forwarding Decisions) می‌گیرند، همانطور که در نمودار زیر نشان داده شده است. به همین دلیل است که می‌گوییم آن‌ها در لایه ۳ فعالیت می‌کنند.

مسیریاب‌ها شبکه‌های IP مختلف را به هم متصل می‌کنند و بسته‌ها را بین آن‌ها جابجا می‌کنند. آن‌ها آدرس IP مقصد را در هر بسته می‌خوانند و تصمیم می‌گیرند که آن را به کجا ارسال کنند. با استفاده از جداول مسیریابی (Routing Tables)، آن‌ها بهترین مسیر را انتخاب می‌کنند و بسته را به سمت مقصد هدایت می‌نمایند.

نکات کلیدی

• لایه شبکه (لایه ۳) مدل OSI عمدتاً مسئول مسیریابی و تحویل بسته‌ها در سراسر شبکه‌ها با استفاده از آدرس‌های IP است.

• برخلاف سایر لایه‌ها که از پروتکل‌های زیادی استفاده می‌کنند، لایه ۳ در درجه اول از یک پروتکل استفاده می‌کند – IP (پروتکل اینترنت)، که دو نسخه دارد: IPv4 و IPv6.

  • IPv4 از آدرس‌های ۳۲ بیتی استفاده می‌کند و حدود ۴.۳ میلیارد آدرس IP منحصربه‌فرد را پشتیبانی می‌نماید.

  • IPv6 از آدرس‌های ۱۲۸ بیتی استفاده می‌کند، که امکان تعداد بسیار بیشتری از دستگاه‌ها و کارایی بهتر در مسیریابی را فراهم می‌کند.

• هدر IP حاوی اطلاعات حیاتی از جمله آدرس‌های IP منبع و مقصد است، که مانند آدرس‌های خیابان روی یک نامه هستند—بسته را به مقصد هدایت می‌کنند.

• هر دستگاه در یک شبکه باید یک آدرس IP منحصربه‌فرد داشته باشد، درست مانند هر خانه در یک شهر که آدرس خیابان منحصربه‌فردی دارد.

• آدرس‌های IP به بلوک‌ها (زیرشبکه‌ها) گروه‌بندی می‌شوند، شبیه به نحوه گروه‌بندی آدرس‌های خیابان و کد پستی در محله‌ها و شهرها. این کار به مسیریاب‌ها کمک می‌کند تا ترافیک را به طور کارآمد هدایت کنند.

• مسیریاب‌ها (Routers) مانند ادارات پست عمل می‌کنند. آن‌ها نیازی به دانستن آدرس نهایی ندارند—فقط بر اساس بلوک‌های آدرس می‌دانند که بسته‌ها را در مرحله بعد به کجا ارسال کنند.

• مسیریابی IP فرآیند هدایت بسته‌ها بر اساس آدرس IP مقصد آن‌ها و انتخاب بهترین مسیر از طریق مسیریاب‌ها است.

• لایه انتقال (مانند فرستنده یک نامه) داده‌ها و پورت‌ها را مدیریت می‌کند اما برای تحویل آن به لایه شبکه (مانند سیستم پستی) متکی است.
  
  حمید رضا اسفندیاری _ کارشناس شبکه و فناوری اطلاعات**