بررسی جامع لایه‌های شبکه

لایه‌های شبکه چهارچوبی را به وجود می‌آورد که در آن قادر به پردازش تعاملات پیچیده‌ای مانند درخواست‌ها، ارسال پیام‌ها و داده‌ها در بستر شبکه (network)، خواهیم بود. در کل دو مدل متداول برای ایجاد یک قالب به‌منظور انجام محاسباتی که در شبکه‌ها رخ می‌دهد، وجود دارد. مدل اول TCP/IP بوده و مدل دوم OSI یا Open Systems Interconnection است که هرکدام در شبکه‌های مختلفی استفاده می‌شوند.

برای مثال اینترنت مدرنی که الان در حال استفاده از آن هستیم، مبتنی بر مدل ساده‌تری از TCP/IP است. درحالی‌که برای اجرای شبکه‌های سازمانی از مدل OSI استفاده می‌شود. در این مقاله به بررسی و معرفی هر دو مدل به‌صورت کامل همراه با لایه‌های شبکه هرکدام پرداخته شده است. اگر کنجکاو هستید تا بیشتر با این مبحث آشنا شوید، پیشنهاد می‌شود تا انتهای مقاله ما را همراهی کنید.

منظور از لایه‌های شبکه چیست؟

در دنیای شبکه و نتورک برای ارسال و دریافت هر نوع درخواستی (برای مثال دانلود فایل یا آپلود فایل، ارسال اطلاعات برای ثبت‌نام در یک سایت، تماشای فیلم و…) نیاز به پردازش داده‌ها است که این پردازش در چهارچوب لایه‌های شبکه رخ می‌دهد. برای درک بهتر این موضوع مثال زیر را در نظر بگیرید.

فرض کنید که برای صدور گواهی‌نامه اقدام کرده‌اید. اگر به‌صورت ساده مراحل دریافت گواهی‌نامه را شرح دهیم شامل: ثبت‌نام، حضور در کلاس‌های آموزشی، امتحان (دو نوع امتحان یکی کتبی و دیگری عملی)،صدور مجوز و درنهایت صدور کارت گواهی‌نامه می‌شود. این 6 مرحله دقیقا همان network layers خواهد بود با این تفاوت که لایه‌های شبکه در نهایت منجر به ارسال و دریافت داده‌ها از طریق کامپیوتر‌ها می‌شود.

به لطف لایه‌های شبکه می‌توانیم به هر درخواستی در هر فاصله‌ای پاسخ دهیم .

همان‌طور که اشاره شد دو مدل برای لایه‌های نتورک وجود دارد. مدل اول OSI که مخفف Open Systems Interconnection بوده و دربرگیرنده 7 لایه است. مدل دوم نیز TCP/IP نام دارد که در 4 لایه متفاوت از هم پردازش درخواست‌های شبکه را انجام می‌دهد. لایه‌های مدل‌های نام‌برده عبارت‌اند از:

Open Systems Interconnection:

1. Physical
2. Data Link
3. Network
4. Transport
5. Session
6. Presentation
7. Application

TCP/IP:

1. Network Access
2. Internet
3. Transport
4. Application

برای به‌خاطر سپردن لایه‌های مدل اول (OSI) از جمله “Please Do Not Throw Sausage Pizza Away” که به معنای “لطفا پیتزای سوسیس را درو نریزید” است، استفاده می‌شود. همچنین برای حفظ کردن لایه‌های مدل دوم (TCP/IP) هم می‌توان از جمله “Armadillos Take In New Ants” استفاده کرد. در ادامه به بررسی هرکدام از این مدل‌ها و لایه‌های آن‌ها به همراه مقایسه‌ای از یکدیگر پرداخته‌ایم.

برای مطالعه بیشتر مقاله TCP/IP چیست را از دست ندهید.

لایه‌های شبکه مدل OSI (Open Systems Interconnection)

قبل از هر چیزی بهتر است تا اشاره کنیم که تمامی فرمان‌های موجود در لایه‌ها به‌صورت پشت‌سرهم اجرا نمی‌شوند و اجرای تمامی لایه‌ها خطی نیست. منظور از خطی بودن اجرای لایه‌ها این است که تا زمان اتمام یک‌لایه، نمی‌توان لایه دیگر را اجرا کرد. مدل OSI در اجرا و پیاده‌سازی شبکه در سازمان‌ها، ارگان‌ها، شرکت‌ها و بیزینس‌های بزرگ و کوچک کاربرد دارد. برای تفسیر و توضیح لایه‌های این شبکه از لایه آخر یعنی Application شروع و به لایه اول یعنی Physical خواهیم رسید.

لایه هفتم (Application)

لایه آخر که با نام Application شناخته می‌شود در حقیقت همان برنامه‌های کاربردی است که با استفاده از آن‌ها کد‌های پیچیده کامپیوتری تبدیل به حالت‌هایی می‌شود که برای انسان‌ها و کاربران قابل‌درک است. برای مثال مرورگر‌های وب (chrome، mozilla firefox، opera) و برنامه‌های متصل به اینترنت (Outlook و Skype).

برنامه‌های نام‌برده هرکدام سیستم و پروتکل‌هایی برای اجرای درخواست‌ها و نمایش آن‌ها دارند. برای مثال مرورگر‌های اینترنت از پروتکل‌هایی نظیر HTTP (Hypertext Transfer Protocol)، FTP (File Transfer Protocol)، POP (Post Office Protocol)، DNS (Domain Name System) و انواعی دیگر استفاده می‌کند که تمامی این پروتکل‌ها توسط سازمان IETF تایید شده‌اند.

لایه ششم (Presentation)

قبل از اجرای لایه هفتم یعنی Application لایه‌ای به نام لایه ارائه یا Presentation Layer وجود دارد که پل ارتباطی میان قالب‌بندی شبکه و مهندسی برنامه‌هایی نظیر مرورگر‌ها است. برای مثال در زمان ارسال یک درخواست در سطح شبکه باید آن را رمزگذاری کرد تا از شنود و یا دست‌کاری توسط افراد غیرمجاز جلوگیری شود. همچنین فایل‌های رمزگذاری شده باید دوباره رمز‌گشایی شوند تا برای کامپیوتر خواندن درخواست‌ها مقدور باشد و بلعکس.

انجام این فرایند (درحقیقت همان ارائه داده) توسط لایه ششم یعنی Presentation Layer صورت می‌گیرد که همانند یک پل دو سمت شبکه و کاربر را به یکدیگر متصل می‌کند. به تعبیری دیگر برای ایجاد درکی متقابل میان لایه‌های دیگر از لایه ششم شبکه استفاده می‌شود.

لایه پنجم (Sessions)

Sessions در انگلیسی به معنای جلسات یا نشست‌ها است. وظیفه این لایه هم در ساختار شبکه برقراری نشست‌ها و جلسات به همراه تفکیک بسته‌ها بوده که تعیین می‌کند کدام بسته‌ها (متنی یا تصویری) به دنباله بسته‌های موجود تعلق دارد. برای مثال زمانی که یک فایل مثلا 10 مگابایتی را دانلود می‌کنید، کل فایل به تکه‌هایی کوچک برای ارسال تقسیم می‌شود. (برای مثال در نظر بگیرید که همین فایل به 10 تکه یک مگابایتی تقسیم شده است)

حال برای انجام پروسه دانلود در هر ارسال یکی از این تکه‌ها (همان بسته یا Packet) در یافت می‌شوند و در نهایت با کمک لایه پنجم (Sessions) کامپیوتر شما می‌فهمد که کدام بسته شماره 1، کدام بسته شماره 2، کدام بسته شماره 3 و … (به همین ترتیب تا انتها) است تا بتواند فایل اصلی را در رایانه شما درست کند.

لایه چهارم (Transport)

لایه ارسال یا Transport مسئولیت قسمت‌بندی داده‌ها و اطمینان از ارسال صحیح هر قسمت را برعهده دارد. در مثال قبلی گفته شد که یک داده مثلا 10 مگابایتی برای ارسال در سطح شبکه نیاز دارد تا به تکه‌های کوچک‌تری تقسیم شود. تقسیم‌بندی این فایل بر عهده لایه چهارم (Transport) بوده و همچنین این لایه اطمینان حاصل می‌کند که تمامی تکه‌ها با موفقیت به مقصد رسیده است یا نه.

برای درک مسئولیت دوم در نظر بگیرید که در پروسه دانلود همان فایل 10 مگابایتی ممکن است لحظه‌ای اینترنت شما قطع و دوباره وصل شود. برای افزایش سرعت شبکه، بسته‌ها (همان تکه‌های فایل) پشت‌سرهم و به‌صورت مرتب ارسال نمی‌شوند از همین رو اگر قطع و وصل لحظه‌ای اینترنت موجب ازدست‌رفتن یک بسته شود، لایه چهارم باید دوباره همان بسته را ارسال کند.

لایه سوم (Network)

در این لایه اتفاقاتی مانند نحوه ارسال داده‌ها، مسئولیت ارسال داده‌ها و مسیریابی اتفاق می‌افتد. یعنی وظیفه لایه سوم (نتورک یا شبکه) این است که تشخیص دهد یک داده چگونه، از چه طریق و به چه مقصدی باید ارسال شود. همان مثال قبلی (دانلود فایل 10 مگابایتی) را در نظر بگیرید. از کجا باید فهمید که هر بسته به کدام مقصد باید ارسال شود؟

در سطح شبکه‌ها دستگاه‌های متعددی وجود دارد که در سطح اینترنت تعداد دستگاه‌ها به بیش از میلیارد‌ها می‌رسد. همانند پیداکردن یک‌خانه از طریق در اختیار داشتن آدرس آن، لایه سوم شبکه نیز با در اختیار داشتن IP (Internet Protocol addresses) که همان آدرس دستگاه‌ها است، می‌تواند بفهمد که درخواست از کجا صادر شده و پاسخ آن به کجا باید ارسال شود.

ipsec چیست و نحوه کارکرد آن چگونه است؟

لایه دوم (Data Link)

وظیفه این لایه، همان‌طور که از نامش نیز پیداست، برقراری ارتباط میان داده‌ها بوده و از دو قسمت تشکیل شده است. بخش اول Logical Link Control (LLC) بوده و بخش دوم نیز Media Access Control (MAC) نام دارد. وظیفه LLC بررسی خطا‌ها، شناسایی پروتکل‌ها و همگام‌سازی فریم‌ها بوده و وظیفه MAC تعریف مجوز‌ها برای انتقال و دریافت داده‌ها است.

کامپیوتر‌ها از زبان باینری استفاده می‌کنند و سیم‌هایی که به کامپیوتر‌ها متصل می‌شوند وظیفه انتقال داده‌ها به‌صورت سیگنال را دارند. ازاین‌رو نیاز است تا داده‌ای از سیگنال به زبان باینری و از زبان باینری به سیگنال تبدیل شود. وظیفه این تبدیلات و برقراری ارتباط میان داده‌ها برعهده لایه دوم است.

لایه اول (Physical)

لایه فیزیکی که دربرگیرنده تمامی وسایل و تجهیزات واقعی و فیزیکی است و وظیفه برقراری اتصال میان دستگاه‌ها و شبکه‌ها، به‌منظور ارسال و دریافت داده‌ها را برعهده دارد. مانند کابل شبکه، کانکتور‌ها، کابل‌های برق، مودم‌ها، روتر‌ها، هاب، سوئیچ و… .

سیر تا پیاز آشنایی با تجهیزات شبکه را از دست ندهید.

لایه فیزیکی ستون فقرات شبکه است و بدون آن ارتباطی وجود نخواهد داشت. مانند این‌که شما نامه‌ای برای ارسال داشته باشید ولی وسیله یا پستی برای ارسال آن وجود نداشته باشد. با پیشرفت تکنولوژی لایه اول دستخوش تغییرات می‌شود ولی ماهیت خود را همچنان حفظ کرده است.

نگاهی به مهم‌ترین ویژگی‌های مدل OSI

برای آشنایی بیشتر با ماهیت مدل OSI، برخی از ویژگی‌های مهم آن عبارت‌اند از:

• درک آسان‌تر ارتباطات در شبکه‌های گسترده به لطف معماری مدل مرجع OSI
• کسب جزئیات بیشتر و درک بهتر نرم افزار و سخت‌افزار
• راحت‌تر بودن عیب‌یابی خطاها؛ چراکه شبکه در ۷ لایه توزیع شده است. از آنجا که هر لایه عملکرد خاص خود را دارد، تشخیص مشکل آسان‌تر و سریع‌تر خواهد بود.
• درک فناوری‌های جدید به کمک مدل OSI آسان‌تر و سازگاری با آنها راحت‌تر خواهد بود.

لایه‌های شبکه مدل TCP/IP

اشاره کردیم که اینترنت (بزرگ‌ترین شبکه موجود) از مدل ساده‌تر TCP/IP برای برقراری ارتباط استفاده می‌کند. دلیل این موضوع هم شاید سرعت بالای استفاده از این مدل (چون لایه‌های کمی دارد) است. اما در راه‌اندازی شبکه‌های سازمانی کمی شاهد استفاده از مدل TCP/IP هستیم.

• لایه اول یا Layer Network Access که وظیفه برقراری رابطه و پیوند شبکه را برعهده دارد. در مدل TCP/IP لایه اول ترکیب شده لایه‌های 1 و 2 مدل OSI است.
• لایه دوم یا Internet Layer وظیفه‌ای دقیقا مشابه با لایه 3 مدل OSI را اجرا می‌کند.
• لایه سوم یا Transport Layer که با نام Host-to-Host layer نیز شناخته می‌شود وظیفه لایه 4 در مدل OSI را اجرا می‌کند.
• لایه چهارم یا Application Layer که آخرین لایه مدل TCP/IP بوده و همه وظایف لایه‌های هفتم، ششم و پنجم مدل OSI را یکجا در خود اجرا می‌کند.

شاید در نگاه اول تصور کنید که این دو مدل به دلیل ترکیب‌شدن برخی لایه‌ها با یکدیگر و تشکیل یک‌لایه واحد در مدل OSI، با هم تفاوتی ندارند. اما باید گفت که این‌طور نیست و در کل ماهیت آن‌ها (برقراری شبکه برای ارسال و دریافت داده‌ها) یکسان است. در ادامه به بررسی تفاوت‌های این دو مدل پرداخته‌ایم.

نگاهی به مهم‌ترین ویژگی‌های مدل TCP/IP

برای آشنایی بیشتر با ماهیت مدل TCP/IP، برخی از ویژگی‌های مهم آن عبارت‌اند از:

• ارائه یک چارچوب TCP/IP سازگار
• امکان افزودن دستگاه‌های بیشتر برای ادغام با شبکه
• فعال ماندن شبکه TCP/IP تا زمانی که منبع و دستگاه‌های مقصد درست عمل کنند.
• پروتکل اتصال‌گرا
• برخورداری از قابلیت اطمینان و امنیت ورود داده‌ها
• مجوز اعمال کنترل جریان

تفاوت مدل OSI و مدل TCP/IP در چیست؟

پروتکل کنترل انتقال/پروتکل اینترنت (TCP/IP) قدیمی‌تر و ساده‌تر از مدل OSI است؛ چراکه چندین لایه OSI را در تعداد لایه‌های کمتری جمع و خلاصه می‌کند.

• در مدل TCP/IP لایه‌های ۵، ۶ و ۷ مدل OSI روی یک لایه کاربرد با هم ترکیب می‌شوند؛
• لایه‌های ۱و ۲ روی لایه دسترسی با هم ادغام می‌شوند؛ TCP/IP مسئولیت توالی‌بندی و توابع تأیید را بر عهده نمی‌گیرد و آنها را به لایه انتقال واگذار می‌کند.

سایر تفاوت‌های مهم:

• TCP/IP یک مدل کاربردی است که برای حل برخی مشکلات ارتباطی خاص طراحی شده و بر اساس پروتکل‌های استاندارد و خاصی عمل می‌کند. OSI در قالب یک مدل عمومی و مستقل، برای توصیف تمام اشکال ارتباطات شبکه در نظر گرفته شده است.
• در TCP/IP، اکثر برنامه ها از تمام لایه‌ها استفاده می‌کنند؛ در حالی که در مدل OSI برنامه‌های ساده‌تر از هر هفت لایه استفاده نمی‌کنند. فقط لایه‌های 1، 2 و 3 برای فعال‌سازی ارتباطات میان داده‌ها حتما استفاده می‌شوند.

مزایای مدل OSI برای کاربران و اپراتورهای شبکه‌های کامپیوتری

کاربران و استفاده‌کنندگان از شبکه‌های کامپیوتری با استفاده از مدل OSI می‌توانند سخت‌افزار و نرم‌افزار‌های موردنیاز برای شبکه خود را تعیین کنند. به دلیل باز‌تر بودن لایه‌های این مدل نسبت به لایه‌های شبکه مدل TCP/IP، یک کاربر و اپراتور شبکه راحت‌تر می‌تواند تشخیص دهد که از چه سخت‌افزار و نرم‌افزاری باید استفاده کند.

همچنین فرایندهای در جریان بهتر قابل‌درک است. زیرا ترکیب‌شدن برخی لایه‌ها در یک‌لایه (مدل TCP/IP) باعث می‌شود تا درک آن‌ها سخت‌تر و شاید ناممکن شود. از‌این‌رو یکی دیگر از مزایای مدل OSI نسبت به مدل دیگر قابل‌درک بودن آن است.

دلیل دیگری که استفاده از مدل OSI را برای کاربران شبکه‌های سازمانی ترغیب می‌کند، عیب‌یابی ساده‌تر در لایه‌های شبکه این مدل است. یعنی در زمان وقوع یک مشکل در ساختار شبکه، با تفکیک بهتر لایه‌ها می‌توان عیب‌یابی ساده‌تری داشت.

مزایای مدل OSI برای سازندگان و فروشندگان دستگاه‌های شبکه

لایه‌های شبکه در مدل Open Systems Interconnection (OSI) علاوه بر مزیت‌هایی که برای استفاده‌کنندگان از نتورک دارد، برای سازندگان تجهیزات و دستگاه‌های network این امکان را فراهم می‌کند که دستگاه‌های تولید شده برای استفاده و ترکیب با تجهیزات تولیدکنندگان دیگر، هیچ محدودیتی نداشته باشند.

همچنین تولیدات خود را می‌توانند به‌صورت کاملا مجزا از سایر قطعات مدیریت کنند. یعنی سازنده یک قطعه می‌تواند تشخیص دهد که محصول خود در چه لایه‌ای کار خواهد کرد. ازاین‌رو نیاز نیست تا تولید قطعات دیگر که ممکن است در لایه‌های متفاوتی کار کنند را باهم و در راستای هم مدیریت کند.

از دیگر تفاوت‌های مدل OSI و TCP/IP می‌توان گفت که OSI یک مدل عمومی است و به‌گونه‌ای طراحی شده که هرکسی به‌راحتی می‌تواند از آن استفاده کند اما مدل TCP/IP کاربردی‌تر است. در مدل TCP/IP اکثر برنامه‌ها از تمامی 4 لایه استفاده می‌کنند ولی در مدل OSI این‌گونه نیست و برای راه‌اندازی شبکه تنها استفاده از 3 لایه اول ضروری خواهد بود.

نکته دیگری که وجود دارد، مدل TCP/IP نسبت به OSI قدیمی‌تر بوده و توسط وزارت دفاع ایالت متحده اختراع شده و تفاوت اصلی این دو مدل در ترکیب‌شدن برخی لایه‌ها در یک‌لایه واحد است.

مدل osi چه معایبی دارد؟

علاوه بر مزیت‌های فوق، مدل OSI معایبی هم دارد که عبارت‌اند از:

• صرفا یک مدل نظری است که دسترسی فناوری‌های جدید را در نظر نمی‌گیرد و همین مسئله اجرای عملی آن را محدود می‌کند.
• اجرای مدل OSI پیچیده‌، دست‌و‌پاگیر، زمان‌بر و پرهزینه است.
• خدماتی مانند آدرس‌دهی، کنترل جریان و کنترل خطا روی چند لایه ارائه می‌شوند.
• استانداردهای مدل OSI تئوری هستند و راه حل های مناسبی برای پیاده‌سازی عملی شبکه ارائه نمی‌دهند.

مزایای مدل TCP/IP چیست؟

لایه‌های شبکه در مدل TCP/IP نیز مزیت‌های قابل توجهی دارند که باعث شده پابه‌پای مدل osi حرکت کرده و طرف‌داران خود را داشته باشند. این پروتکل برای برقراری ارتباط بین دو کامپیوتر عالی عمل می کند؛ چرا که راحت‌تر می‌تواند انواع مختلف دستگاه‌ها یا رایانه‌ها را به هم وصل کند. از طرفی تضمین می‌کند تمام دستگاه‌هایی که از اینترنت بازدید می‌کنند قابل تشخیص باشند؛ چون برای تک‌تک آنها یک آدرس IP منحصر‌به‌فرد در نظر می‌گیرد. این عملیات کاملا مستقل از سیستم عامل اجرا می‌شود و یک چارچوب فوق‌العاده مقیاس‌پذیر کلاینت‌-‌سروری دارد. ‌سازمان‌ها به کمک این مدل می‌توانند شبکه‌های داخلی بسازند و بخش اینترنتی کسب و کار را راه‌اندازی کنند.

برای مطالعه بیشتری کلاینت چیست را ازدست ندهید.

معایب مدل TCP/IP چیست؟

در کنار مزیت‌هایی که نام بردیم، لایه‌های شبکه مدل TCP/IP معایبی هم دارد که نباید نادیده گرفته شوند. اولین مشکل اینکه این مدل به تنظیمات بیشتری نیاز دارد و مدیریت آن کمی پیچیده است. در واقع این مدل در ابتدا برای توسعه شبکه‌های گسترده معرفی شد و برای سازمان‌هایی که از شبکه‌های محلی استفاده می‌کنند، چندان مناسب نیست. همچنین لایه انتقال مسئولیتی در قبال تحویل بسته‌ها ندارد، فرآیند جایگزینی پروتکل با استفاده از مدل TCP/IP آسان نیست و هیچ مرزی وجود ندارد که سرویس‌ها، رابط‌ها و پروتکل‌ها را در این مدل تعریف کند.

پروتکل‌های مورد استفاده در لایه شبکه

پروتکل‌ها روش‌های موافقت‌شده برای قالب‌بندی داده‌ها هستند؛ به طوری که دو یا چند دستگاه قادر به برقراری ارتباط و درک یکدیگر باشند. پروتکل‌های مختلف نظیر IP، IPsec، ICMP، IGMP و GRE اتصال، آزمایش، مسیریابی و رمزگذاری را در لایه شبکه ممکن می‌سازند.

جمع‌بندی

کاربرانی که از اینترنت و شبکه‌هایی نظیر فیسبوک، اینستاگرام، تلگرام استفاده می‌کنند و یا حتی یک جستجوی ساده در گوگل را انجام می‌دهند، از پشته پرده ماجرا‌هایی که رخ می‌دهد تا یک درخواست انجام شود خبر ندارند. شاید نیاز باشد تا میلیون‌ها محاسبه برای نمایش نتیجه درخواستی مثل “سلام”، در مرورگر رخ دهد که این محاسبات در لایه‌های شبکه انجام می‌گیرد.

در حالت کلی دو نوع مدل برای network layers وجود دارد. OSI و TCP/IP. اینترنت مدرنی که الان در حال استفاده از آن برای خواندن این مقاله هستید، از مدل TCO/IP استفاده می‌کند. درحالی‌که به دلیل برخی مزایای مدل OSI، برای راه‌اندازی شبکه‌های سازمانی استفاده بیشتری دارد. در این مقاله سعی شد تا هر دو مدل از لایه‌های نتورک را شرح دهیم و به‌صورت جدا‌گانه به بررسی تک‌تک لایه‌های آن‌ها نیز بپردازیم. امید است تا با مطالعه این مقاله درک بهتری از نحوه کارکرد شبکه‌های سازمانی و اینترنت به دست آورید.