شبکه های کامپیوتری پیشرفته شبکه های کامپیوتری پیشرفته ارائه دهنده دکتر سيد امين حسيني hosseini@um.ac.ir E.mail: Home page: http://hosseini.staffcms.um.ac.ir

مروری بر اصول و مباني شبکه‌ها مروری بر اصول و مباني شبکه‌ها مهر 85 2 2

فهرست مطالب معماری شبکه پروتكل با ساختار سلسله مراتبي مقوله‌هاي طراحي در لايه‌ها خدمات اتصال‌گرا و خدمات بي‌اتصال توابع ابتدائي در سرويسها ربط بين سرويسها و پروتكلها چند نمونه از شبکه ها

مفاهيم کلي : لزوم طراحي لايه‌اي كاهش پيچيدگيهاي طراحي لا يه (Layer) : جهت کاهش پیچیدگی طراحی شبکه‌ها به شکل مجموعه ای از لایه ها سازماندهی می شوند.هدف هر لایه ارائه خدمات به لایه بالاتر خود هست و کاملا مستقل از لایه های دیگر پروتکل (Protocol) : مجموعه قواعد و قوانین بکار رفته در هر لایه که با لایه نظیر خود محاوره می کند. پردازشهای همتا(peer process) : تمام اجزاء موجود در لايه های یکسان در ماشینهای مختلف واسط (interface): بین هر دو لایه مجاور یک واسط هست که عملیات و خدمات پایه ای که لایه زیر ین به بالایی می دهد را تعریف می کند معماري شبكه (network architecture) : مجموعه پروتکلهای حاکم بر کل لایه و لایه ها

لايه‌ها، پروتکل‌ها و واسط‌ها معماري شبكه network architecture لايه‌ها، پروتکل‌ها و واسط‌ها

The philosopher-translator-secretary architecture.

ملاحظاتی در طراحی لایه ها نظام آدرس دهی و سازو کار برقراری یک اتصال(یک فرایند در مبدا باید تعین کند با چه فرایندی در مقصد می خواهد ارتباط بگیرد) قطع اتصال( قطع اتصالهایی که دیکر لازم نیستند) قواعد اتصال ( یک طرفه ، دو طرفه) کانال منطقی (پروتکل ارتباطی بایستی تعداد کانالهای منطقی برای هر اتصال مشخص کند.) کنترل خطا (کشف خطا و اطلاع آن به مبدا) کنترل جریان رعایت ترتیب بسته ها شکستن بسته ها و اسمبل کردن آنها مالتی پلکس مسیر یابی (انتخاب بهترین مسیر)

بر اساس سازمان استانداردهاي جهاني ISO مدلهاي مرجع بر اساس سازمان استانداردهاي جهاني ISO مدل مرجع OSI مدل مرجع TCP/IP مقايسه مدل OSI با مدل TCP/IP كاستيهاي مدل OSI و پروتكل‌ها كاستيهاي مدل مرجع TCP/IP 8 8

اصول مدل مرجع OSI( Open System Interconnection) يك لايه، زماني بايد ايجاد شود كه خدمت متفاوتي مورد نياز است. هر لايه بايد وظيفه مشخصي داشته باشد. وظيفه هر لايه بايستي با در نظر گرفتن قراردادهاي جهاني تعريف گردد. مرزهاي لايه بايد براي كم كردن جريان اطلاعات از طريق رابط لايه‌ها انتخاب شوند. تعداد لايه‌ها بايد به اندازه‌اي زياد باشد كه وظايف متمايز در يك لايه مشترك نباشد و به اندازه‌اي كم باشد كه معماري آنها نامناسب نگردد. 9

لايه‌هاي مدل مرجع OSI 10 10

لايه فيزيکي Physical layer وظيفه ارسال بيتهاي خام(پردازش نشده) بر روي کانال ارتباطي و حصول اطمينان از ارسال درست بيت مورد نظر(parity) سوالات مطرح چند ولت نشانگر 1 و یا 0 هست؟ تعداد پایه های اتصال دهنده؟ خط یک طرفه هست یا 2 طرفه؟ چگونه ارتباط بر قرار و قطع می شود؟

لايه پيوند داده‌ها Data link layer اين لايه وظيفه تبديل وسايل انتقال اطلاعات خام به كانال ارتباطي بدون خطا از ديد لايه شبكه را بر عهده دارد و حاوي زير لايه خاصي به نام زير لايه دستيابي شبکه MAC مي‌باشد. قاب بندی داده ها و قاب تصدیق Check sum Flow Control

لايه شبکه Network layer اين لايه وظيفه کنترل زير شبکه و همچنين چگونگي هدايت بسته‌هاي اطلاعاتي را از مبدأ به مقصد بر عهده دارد. مسیر یابی ایستا مسیر یابی پویا کنترل ازدحام (congestion) امکان اتصال شبکه های ناهمگن (متفاوت در طول بسته ها ، آدرس دهی ، پروتکل)

لايه انتقال Transport layer وظيفه اصلي اين لايه دريافت داده از لايه بالاتر و در صورت نياز شكستن آن به اندازه‌هاي كوچكتر، فرستادن آنها به لايه شبكه و اطمينان حاصل كردن از اينكه داده‌ها بطور صحيح به طرف مقابل مي‌رسد. اتصال مستقل بین پردازشهای متناظر میزبان مبدا و مقصد اگر ایجاد ونگهداری اتصالات در سطح لایه شبکه گران باشد لایه انتقال چند اتصال را از یک اتصال در لایه شبکه عبور می دهد اگر نیاز به بالا بردن توان عملیاتی باشد این لایه چند اتصال را در لایه شبکه ایجاد می کند تعیین نوع خدمات (اتصال گرا ، بدون اتصال) کنترل جریان بین میزبانها

لايه جلسه Session layer اين لايه به كاربران در ماشينهاي مختلف اجازه مي‌دهد كه جلساتي را بين خودشان برقرار كنند و خدمات گوناگوني مانند کنترل گفتگو و مديريت نشانه و همگام‌سازي را نيز ارائه مي‌دهد. مديريت کنترل گفتگو: چون امکان انتقال یک طرفه و یا 2 طرفه وجود دارد در صورتی که ترافیک فقط در یک جهت در هر زمان ممکن باشد این لایه جساب نوبت ها را نگه می دارد. مديريت نشانه: به اين معناست كه دو طرف يك عمل بحراني را در آن واحد انجام ندهند. همگام سازي: همگام سازي كمك مي‌كند كه در هنگام ارسال يک فايل بزرگ، پس از ازكار افتادن و بروز مشکل، انتقال دوباره از آخرين نقطه كنترلي، تكرار گردد.

اين لايه به قواعد و معناي اطلاعات فرستاده شده مربوط مي‌شود. لايه نمايش Presentation layer اين لايه به قواعد و معناي اطلاعات فرستاده شده مربوط مي‌شود. اطلاعاتی که در کامپیوترهای مختلف هست به شکل های مختلف ممکن است باشد(اسکی،ابسیدیک) برای ممکن سازی ارتباط بین آنها بایستی ساختار دادهای به شکل مجرد تعریف و براساس یک استاندارد کد گذاری به روی خط ارسال کرد. مدیریت تجرید ساختار دادهای و تبدیل نمادهای مورد استفاده یک کامپیوتر به نمادهای مورد استفاده شبکه بوسیله این لایه انجام می شود

لايه کاربرد Application layer اين لايه شامل پروتکل هاي گوناگوني مي‌باشد كه مورد نياز عموم ‌كاربران است. از آنجا که در کل شبکه پایانه های ناسازگار زیادی وجود دارند و از طرفی اگر همه آنها با یک نرم افزار مثلا یک ویراستار کار کنند ناسازگاری های عمیقی بوجود خواهد آمد. برای رفع این ناسازگاری پایانه مجازی شبکه تعریف می شود که همه کاربران شبکه با آن پایانه مجازی کار می کنند. نرم افزارهای لازم برای کار با این پایانه های مجازی در این لایه می باشد. از دیگر اعمال این لایه انتقال پرونده هاست. از آنجا که قراردادها ی مختلف نام گذاری در سیستمهای مختلف وجود دارد، انتقال پرونده نیازمند برسی اولیه سیستم های مبدا و مقصد است که در این لایه انجام می شود از ديگر قراردادهاي اين لايه، مي‌توان از پست الكترونيكي و اخبار شبكه و... نام برد.

نگاهی انتقادی به مدل OSI لایه ها با هم یکسان نیستند. لایه 5 و6 خالی ولی لایه های 3و4 شامل چند زیر لایه. مدل 7 لایه ای با خدمات و پروتکلهای آن خیلی پیچیده است و پیاده سازی آن خیلی مشکل. آدرس دهی، کنترل جریان، کنترل خطا بارها در لایه ها تکرار می شود. در نسخه های اولیه پروتکل عیر مبتنی بر اتصال نادیده کرفته شده بود 18

نمونه‌اي از جريان اطلاعات كه از ارتباط مجازي لايه 5 پشتيباني مي‌نمايد سلسله مراتب در پروتكل نمونه‌اي از جريان اطلاعات كه از ارتباط مجازي لايه 5 پشتيباني مي‌نمايد 19 19

رابطه سرویس و پروتکل سرویس پروتکل رابطه سرویس و پروتکل سرویس مجموعه عملکردهای پایه که یک لایه در اختیار لایه بالاتر از خود قرار می دهد. پروتکل مجموعه قواعد حاکم بر فرمت، مفهوم ونحوه تبادل بسته ها و پیام ها بین دو لایه همتا

رابطه بین سرویس و پروتکل رابطه سرویس وپروتکل رابطه بین سرویس و پروتکل

سرویس های اتصال گرا و غیر مبتنی اتصال سرویس های اتصال گرا و غیر مبتنی اتصال مبتنی بر اتصال مانند خدمات ارائه شده توسط سیستم های تلفن غیر مبتنی بر اتصال مانند خدمات سیستم پستی

کیفیت سرویس های مبتنی بر اتصال سرویس قابل اطمینان : هیچگاه داده از دست نمی رود تصدیق پیام تاخیر دارد ولی ارزشمند است بسیار مناسب برای انتقال فایل

سرویس مبتنی بر اتصال قابل اطمینان جریان پیامها محدوده 2 پیام حفظ می شود (2 پیام ارسال ،2 پیام دریافت می شود و نه 1 پیام که ترکیب 2 تا باشد) مثلا برای ارسال صفحات کتاب برای چابخانه خوبست جریان با یت ها محدوده ندارد (راه تشخیصی نیست که بایت های دریافتی مربوط به پیامی با چه طولی هست. مثلا برای استفاده از پردازشگر راه دور خوبست.

سرویس های غیر مبتنی اتصال نیازی به برقراری اتصال از قبل نیست (ایمیل) بنا بر شباهت با تلگراف آن را داده گرام نامند. عیر قابل اعتماد مانند سرویس داده گرام قابل اعتماد مانند سرویس داده گرام با تصدیق مانند بسته پستی سفارشی خدمات درخواست و پاسخ (یک داده گرام حاوی درخواست ارسال و پاسخی دریافت می کند) کار با بانک های اطلاعاتی

چند نمونه از انواع خدمات لايه‌ها: مثال سرويس چند صفحه متوالي استريم پيام قابل اعتماد ورود از راه دور به کامپیوتر استريم بايت قابل اعتماد صداي ديجيتالي اتصال غير قابل اعتماد زباله‌هاي پستي الكترونيكي ديتاگرام غير قابل اعتماد ايميل ثبت شده ديتاگرام تصديق شده جستجوي پايگاه داده درخواست- پاسخ اتصال‌گرا غير اتصال‌گرا 26

پنج عملکرد پایه برای سرویس اتصال گرا پنج عملکرد پایه برای سرویس اتصال گرا انتظار برای دریافت اتصال برقراری ارتباط با همتای متناظر ارسال پیام به همتا پایان اتصال

پنج جزء براي فراهم كردن يك سرويس ساده اتصال‌گرا اجزاء سرويس پنج جزء براي فراهم كردن يك سرويس ساده اتصال‌گرا 28 28

بسته‌هاي ارسالي در يك تعامل ساده كلاينت-سرور در شبكه اتصال‌گرا اجزاء سرويس بسته‌هاي ارسالي در يك تعامل ساده كلاينت-سرور در شبكه اتصال‌گرا 29 29

لايه‌هاي مدل مرجع TCP/IP

لايه کاربرد Application layer لايه كاربرد در بالاي لايه انتقال قرار دارد و شامل تمام قراردادهاي لايه بالاتر مي‌باشد. مدلهاي اوليه، شامل پايانه مجازي (telnet) و انتقال فايل (ftp) و پست الكترونيكي (SMTP) بوده‌اند.

لايه انتقال Transport layer اين لايه شامل دو پروتکل به شرح زير مي‌باشد: TCP (پروتکل كنترل انتقال): پروتکل قابل اعتماد و اتصالگرايي است كه اجازه مي‌دهد رشته‌اي از بايتهايي که از يک ماشين شروع به حرکت مي‌کنند، بدون خطا به ماشين ديگري در لايه اينترنت تحويل شوند. UDP (پروتکل داده گرام كاربر): يك پروتکل غير قابل اعتماد و بي اتصال براي كاربردهايي كه در آن تحويل سريع مهمتر از تحويل صحيح مي‌باشد بطور گسترده مورد استفاده قرار مي‌گيرد. اين پروتکل این موارد را تضمین می کند: تحویل دادن، نگهداری ترتیب، حفاظت در مقابل تکرار

لا يه اينترنت Internet layer وظيفه اصلي اين لايه دريافت داده از لايه بالاتر و در صورت نياز شكستن آن به اندازه‌هاي كوچكتر، فرستادن آنها به لايه شبكه و اطمينان حاصل كردن از اينكه داده‌ها بطور صحيح به طرف مقابل مي‌رسد. (سوئیچینگ بسته، مسیریابی )

لايه ميزبان به شبکه (Network Interface) فقط بيان مي‌كند كه ميزبان با استفاده از بعضي از قراردادها به شبكه متصل شود. بنابراين مي‌تواند بسته‌هاي IP را از طريق آن ارسال كند. اين قرارداد از ميزبان به ميزبان تعريف شده است.

پروتكلها در مدل اوليه TCP/IP

مقايسه مدلهاي مرجع OSI و TCP/IP هر دو بر اساس مفهوم پشته‌اي از قراردادهاي مستقل پايه‌گذاري شده‌اند. عملکرد لايه‌ها در آنها مشابه به هم مي‌باشد. در هر دو مدل لايه بالاي لايه انتقال لايه کاربران بر اساس کاربرد مربوط به خدمات انتقال قرار دارد. مدل OSI هر دو ارتباط اتصالگرا و بي‌اتصال را در لايه شبكه و فقط اتصالگرا را در لايه انتقال پشتيباني مي‌كند. و مدل TCP/IP در لايه شبكه فقط از ارتباط بي اتصال و از هردو ارتباط در لايه انتقال پشتيباني مي‌كند.

مقايسه مدلهاي مرجع OSI و TCP/IP مدل OSI قبل از اختراع پروتکلهای آن طراحی و ابداع شد این بدان معناست که مدل OSI وابستگی و تمایل خاصی به هیچ پروتکلی ندارد. در مورد TCP/IP وضع برعکس بود اول پروتکلها اختراع و توسعه داده شدند سپس مدلی برای توصیف آنها ساخته شد. مدل OSI هفت لایه دارد و مدل TCP/IP چهار لایه . 37 37

سه مفهوم اساسي در مدل مرجع OSI در مدل OSI سه مفهوم محوری وجود دارد : • سرویس(service ) • واسط (interface ) • پروتکل(protocol ) شاید بزرگترین دستاورد مدل OSI روشن ساختن مفاهیم فوق (و تفکیک آنها) باشد . 38

چرا مدل OSI محبوبیت جهانی نیافت؟ زمان نامناسب (اولین عامل شکست این مدل زمان نامناسب بود زمانی که یک استاندارد وضع می شد اهمیت حیاتی در موفقیت یا عدم موفقیت آن دارد. (استاندارد گذاری در زمان مناسبی انجام نشد)) تکنولوژی نامناسب (مدل ها و پروتکل های آن ناقص و معیوب است، پیاده سازی آن دشوار و غیر قابل فهم است و عملکرد ها در لایه های مختلف تکرار شده .  ) پیاده سازی نامناسب (با توجه به پیچیدگی بیش از حد مدل OSI و پروتکلهای آن جای تعجب نبود که اولین پیاده سازی آن حجیم ،سنگین و کند باشد. سیاست های نامناسب (این پیش فکر وجود داشت که OSI استانداردی دولتی است. بسیاری از افراد (بویژه در محیط های دانشگاهی ) تصور می کردند که TCP/IPجزئی از یونیکس است که در آن دوران محبوبیتی فوق العاده داشت

نگاهی انتقادی به مدل OSI و پروتکل های آن (زمان نامناسب) فرضیه ملاقات فیل ها.

فرضیه ملاقات فیل ها این شکل میزان فعالیت های حول یک موضوع جدید را نشان می دهد. وقتی موضوعی برای اولین بار کشف می شود، گرداگرد آن سیلی از فعالیت های تحقیقی ( به شکل بحث، مقاله و سخنرانی) فرا می گیرد.بعد از مدتی این فروکش می کند بعد از اینکه صنعت به این موضوع علاقه مند شد، موج سرمایه گذاری ها از پی می آید. بسیار مهم است که در محل تلاقی این دو فیل ( موج تحقیق و موج سرمایه گذری) استانداردها به طور کامل وضع شوند.

فرضیه ملاقات فیل ها اگر استاندارد زودتر از موعد( قبل از پایان تحقیقات) نوشته شود، خطر آن هست که موضوع به درستی درک نشده باشد و استاندارد ضعیف از آب در آید. اگر استاندارد دیرتر از موعد(بعد از شروع موج سرمایه گذاری) نوشته شود، شرکتهای بسیاری قبلا –از مسیرهای مختلف- در آن سرمایه گذاری کرده اند،و این خطر هست که استانداردهای آنها را نادیده بگیرد. اگر فاصله این دو فیل خیلی کم باشد (همه عجله داشته باشند که کار را زودتر شروع کنند)، خطر آن هست که استاندارد نویسان بین آنها له شوند.

اکنون معلوم شده است که پروتکل های استاندارد OSI بین فیل ها له شده اند. فرضیه ملاقات فیل ها اکنون معلوم شده است که پروتکل های استاندارد OSI بین فیل ها له شده اند. وقتی که پروتکل های OSI پا به عرصه وجود گذاشتند، پروتکل های رقیب (TCP/IP ) مدت ها بود که در مراکز تحقیقاتی و دانشگاه ها پذیرفته شده بودند. با اینکه هنوز موج سرمایه گذاری صنعتی در TCP/IP شروع نشده بود.اما بازار آکادمیک آنقدر بزرگ بود که شرکتهای بسیاری را تشویق به تولید محصولات TCP/IP کند. وقتی OSI بالاخره از راه رسید، کسی نبود که داوطلبانه از آن پشتیبانی کند.همه منتظر بودند دیگری قدم اول را بر دارد.، قدمی که هرگز برداشته نشد و OSI در نطفه خفه شد.

نگاهی انتقادی به مدل TCP/IP و پروتکل های آن در اين مدل مفاهيم خدمات، رابطه و و پروتکل بطور واضح قابل تفكيك نيست. مدل TCP/IP يك مدل عمومي‌ نيست و براي تشريح هر پشته‌اي از قراردادها به جز TCP/IP مفيد نيست. لايه ميزبان شبكه كه در مورد پروتکلهاي لايه‌اي وجود داشت، بعنوان يك لايه محسوب نمي‌شود و تنها به عنوان يك رابط (بين لايه شبكه و پيوند داده) عمل مي‌کند. در مدل TCP/IP تمايزي بين لايه‌هاي فيزيكي و پيوند داده‌ها نيست. در صورتيکه اين دو لايه کاملاً از هم متمايز هستند. 44

مدل هيبريد كه در كتاب از آن استفاده شده است مدل هيبريد كه در كتاب از آن استفاده شده است

شبکه هاي نمونه 1- اينترنت 2- شبکه هاي اتصال-گرا: x.25 ،Frame Relay و ATM 3- اترنت 4- شبکه هاي محلي بيسيم

اینترنت تعریف از گذشته تا به امروز آرپانت آزمایشگاه ملی فیزیک وNLP شبکه آزمایشی (UCSB، UCLA، SRI و یوتا) آزمایشگاه ملی فیزیک وNLP دانشگاه کالیفرنیا در برکلی NSFNET

آرپانت (a) ساختار شبکه تلفن (b) طرح بارن برای یک سیستم سوئیچینگ توزیع شده

كاربري اينترنت 1- ايميل: نوشتن، اريال و دريافت نامه هاي پست الکترونيک كاربري اينترنت 1- ايميل: نوشتن، اريال و دريافت نامه هاي پست الکترونيک 2- اخبار: گروه خبري يک محفل اختصاص يافته براي تبادل پيام در يک زمينه خاص است 3-ورود از راه دور: هر روز هزاران نفر در سراسر دنيا براي ورود به کامپيوترهاي ديگر از طريق اينترنت از برنامه هايي مانند telnet، rlogin يا ssh استفاده مي کنند 4- انتقال فايل: با استفاده از برنامه هاي FTP ، کار بران اينترنت مي توانند فايلهاي خود را از يک ماشين به ماشين ديگر گپي کنند.

Overview of the Internet. معماري اينترنت Overview of the Internet.

ATM مدار مجازي A virtual circuit

ATM مدار مجازي An ATM cell

مدل مرجع ATM

لايه‌ها، زيرلايه‌ها و توابع هر يك از آنها در مدل ATM

اترنت معماري در اترنت ساده

استانداردهاي IEEE 802 * مهمترين استانداردها استانداردهاي رو به افول * مهمترين استانداردها استانداردهاي رو به افول † استانداردهاي كهنه و منسوخ

سازمانهاي استاندارد در زمينه شبكه سازمانهاي استاندارد در زمينه شبكه يك سازمان خصوصي و غيرانتفاعي مي‌باشد كه وظيفه توسعه و هماهنگ سازي استانداردهاي ملي را داراست. ANSI IEEE ISO IEC IAB مسئول تعريف و تدوين استانداردهاي مخابراتي و ارتباطات داده‌اي است. تمام موارد بجز موارد الكتريكي و الكترونيكي را پوشش مي‌دهد. استانداردهاي آن با سرنام ISO شناخته مي‌شوند. تمام استانداردهاي بين‌المللي براي موارد الكتريكي و الكترونيكي تعريف مي‌كند. توسعه اينترنت را كنترل مي‌كند كه شامل دو كميته IETF و IRTF مي‌باشد. American National Standard institute (ANSI) Institute of Electrical and Electronic Engineer (IEEE) International standard Organization (ISO) International Electrotechnical Commission (IEC) Internet Activities Board (IAB)