به نام خدا

1. به نام خدا 2شبكه هاي كامپيوتري زهره زرین قلمی Email: Zarringhalami_z@yahoo.com

2. فصل پنجم: لایه شبکه

3. پروتکل های لایه شبکه پروتکل اصلی لایه شبکه (لایه اینترنت درTCP/IP) پروتکل IP یا پروتکل اینترنت(Internet Protocol) است که وظیفه تحویل بسته های IP (داده گرام) از کامپیوتر مبدا به کامپیوتر مقصد را دارد. اگر چه IPبه سرویس ها و پروتکل های دیگری نظیر ARP، RARP ICMP و ... نیز نیاز دارد که بایستی معرفی شوند.

4. ARPوRARP پروتکل تحلیل آدرس(Address Resolution Protocol)و پروتکل تحلیل آدرس معکوس (Reverse Address Resolution Protocol ) اینترنت ترکیبی از شبکه های فیزیکی متفاوت است که توسط دستگاه هایی به نام مسیریاب به یکدیگر متصل شده اند. یک بسته IP از کامپیوتر مبدا ارسال شده و از چندین شبکه فیزیکی مختلف عبور می کند تا به کامپیوتر مقصد برسد. کامپیوترها و مسیریاب ها در سطح شبکه با آدرس IP منحصر به فرد جهانی شان مشخص شده اند و هر پروتکل که برای اتصال شبکه ای به اینترنت به کار می رود نیاز به داشتن آدرس IPدارد. با وجودی که بسته های IP از شبکه های محلی عبور می کنند اما کامپیوتر ها و مسیریاب ها در شبکه های محلی با آدرس MACشناخته می شوند.

5. آدرسMAC آدرسMAC یک آدرس محلی و منحصر به فرد است که در حوزه آن شبکه محلی شناخته می شود. آدرس های MACو IP دو شناسه منحصر به فرد متفاوت هستند که برای یک کامپیوتر تعریف می شوند اما هر دو لازم هستند زیرا یک کامپیوتر در یک زمان هم دارای پروتکل IP (برای دسترسی به اینترنت) و هم اترنت یا توکن رینگ (برای دسترسی به شبکه محلی) است. آدرس IP، آدرس منطقی کامپیوتر و آدرس MACآدرس فیزیکی کامپیوتر است بنابراین تحویل یک بسته به یک کامپیوتر یا مسیریاب در یک شبکه محلی نیاز به دو سطح آدرس دهی یعنی آدرس های MACو IP دارد و یک آدرس IP بایستی به صورت مناسب به یک آدرس MAC نگاشت شود و بالعکس.

6. عملکرد مسیریاب هر مسیریاب بسته IP کپسوله شده در فریم شبکه متصل به آن (مثلا اترنت) را دریافت نموده روی آن پردازش نموده و دوباره آن را به صورت فریم دیگر شبکه متصل به آن (مثلا توکن رینگ) کپسوله نموده و ارسال می کند. عملکرد مسیریاب برای اتصال دو شبکه اترنت و توکن رینگ

7. روش های نگاشت آدرس IP به آدرس MAC 1- نگاشت ایستا: در این روش، یک جدول شامل آدرس هایIPایستگاه های درون شبکه و همچنین نگاشت آدرس MACآن ها در هر ایستگاه درون شبکه ذخیره شده است. این جدول بایستی در فواصل زمانی منظم به روز شده بنابراین موجب سرباری و ترافیک شبکه می شود. 2- نگاشت پویا: در این روش، زمانی که هر ایستگاه یکی از دو آدرس IP یا MACخود را بداند می تواند توسط یک پروتکل ARP یا RARPدیگری را نیز به دست آورد. ARPبرای نگاشت یک آدرس IPبه آدرس MAC وRARP نیز برای نگاشت آدرس MACبه یک آدرسIP است.

8. ARPپروتکل تحلیل آدرس(Address Resolution Protocol) • هر زمان یک ایستگاه نیاز به دانستن آدرس MAC یک ایستگاه دیگر درون شبکه داشته باشد • ابتدا یک بسته درخواستی ARP را برای کل شبکه پخش همگانی می کند. • در این بسته درخواستی، آدرس IP و آدرس MAC کامپیوتر مبدا و آدرس IP کامپیوتر مقصد قرار دارد زیرا کامپیوتر مبدا آدرس MAC مقصد را ندارد. • تمامی ایستگاه های درون شبکه که بسته درخواستی ARP را دریافت می کنند، آدرس IP مقصد آن را با آدرس IP خودشان مقایسه می کنند در صورتی که کامپیوتری یافت شود یک بسته پاسخ ARP برای ایستگاه درخواست کننده ارسال می کند و در این بسته آدرس IP و آدرس MAC خود را قرار می دهد.

9. نمایش مراحل انجام پروتکل ARP شکل زیر نمایش مراحل انجام پروتکل ARP است که در آن کامپیوترA نیاز به دانستن آدرس MAC کامپیوتری دارای آدرس IP با مقدار 141.23.56.33 دارد زیرا A می خواهد بسته IP را به لایه پیوند داده تحویل دهد تا عمل انتقال را در شبکه محلی انجام دهد و لایه پیوند داده فقط آدرس MAC را می شناسد. یک بسته ARP مستقیما در یک فریم لایه پیوند داده مثلا اترنت کپسوله می شود فیلد typeمشخص می کند که این فریم از نوع کنترلی و درخواست ARP است.

10. پروتکل تحلیل آدرس معکوس (Reverse Address Resolution Protocol ) پروتکل RARP برای به دست آوردن آدرس IP یک ایستگاه است در حالی که آدرس MAC آن ایستگاه مشخص است. به طور مثال ایستگاه هایی که بدون دیسک هستند و از طریق Server بوت می شوند از این دسته هستند. مراحل انجام پروتکل RARP شبیهARP است فقط دربسته درخواستی RARP به جای قرار دادن آدرس IP مقصد آدرس MAC قرار می گیرد تا ایستگاهی که آدرس MAC خود را در بسته درخواستی ببیند در پاسخ به آن یک بسته پاسخRARP به همراه آدرس IP خودش برای ایستگاه درخواست کننده ارسال کند.

11. پروتکل IP(Internet Protocol) • وظفیه ایجاد بسته های IP(داده گرام) و انتقال آنها از کامپیوتر مبدا به مقصد • پروتکلی با سرویس بدون اتصال و غیر قابل اطمینان برای یک شبکه سوئیچینگ بسته ای است ولی سرویس آن بهترین سعی برای تحویل بسته ها به مقصد را ارائه می دهد. • یعنی هر بسته IP بصورت مستقل دیده می شود و توسط سوئیچ ها ( مسیریابها) به صورت مستقل از دیگر بسته ها مسیریابی می شود. • بنابراین بسته ها ممکن است از مسیرهای مختلفی به دست مقصد برسند و ترتیب دریافت آنها حفظ نشود و • حتی ممکن است بعضی از بسته ها گم شده و یا خراب شوند و پروتکل IP هیچگونه کنترل خطا و یا کنترل جریانی انجام نمی دهد و • فقط دارای مکانیزم کشف خطا است و در صورت کشف خرابی در یک بسته آن را دور می اندازد • ولی پروتکل IP نهایت سعی خود را برای تحویل بسته به مقصد انجام می دهد اگرچه تحویل صد در صد آنرا تضمین نمی کند. • اگر سرویس اتصال گرا و نیز قابلیت اطمینان مهم باشد، کنترل به لایه بالاتر یعنی لایه انتقال و پروتکل موجود در آن یعنی TCP سپرده می شود. TCP یک پروتکل قابل اطمینان است.

12. قالب بسته IP نسخه چهار(IPv4) هر بسته IP دارای طول متغیر و شامل دو قسمت سرفصل و داده است. سرفصل شامل اطلاعات اصلی برای مسیریابی و تحویل بسته به مقصد است. برای نمایش سر فصل از قسمت های چهار بایتی استفاده می شود.

13. مشخصات فیلد های سر فصل IPv4 فیلد ver: این فیلد 4 بیتی شماره نسخه IP را مشخص می کند که برای بسته IP نسخه چهار برابر(0100) باینری است. نسخه جدیدی از بسته IP با شماره شش تهیه شده است که آن را با IPv6 یا (IP next generation) IPng نشان می دهند. فیلد طول سر فصل(Header Length) HLEN : این فیلد نیز 4 بیتی است که طول سر فصل را مشخص می کند. به علت وجود فیلد اختیاری(option) طول سر فصل متغیر است. عدد درون فیلد طول سر فصل برحسب چهار بایت را مشخص می کند. طول قسمت اجباری سر فصل 20 بایت است پس حد اقل عدد درون این فیلد برابر پنج یا(0101) باینری است(20=4*5) اگرچه حداکثر طول سرفصل می تواند 60 بایت باشد یعنی مقدار 15 یا 1111باینری (60=4*15).

14. مشخصات فیلد های سر فصل IPv4 فیلد نوع سرویس(Type of service): این فیلد 8 بیتی است و کیفیت سرویس مورد نظر برای پروتکل و سرویس لایه بالاتر در بسته IP را مشخص می کند. دارای بیت های (Re liability)R قابلیت اطمینان، (Delay)D تاخیر و (Throughput)T گذر دهی و همچنین سه بیت اولویت(Precedence)و دو بیت بدون استفاده است. با یک شدن بیت ها نوع سرویسی که مسیر یاب بایستی برای انتخاب مسیر انجام دهد مشخص می شود. مثلا اگر بیت D یک شود یعنی مسیریاب بایستی حتی الا مکان مسیر بعدی بسته را خطوط پرتاخیر نظیر ماهواره انتخاب نکند. اگر سه بیت الویت صفر باشد، بسته دارای کمترین اولویت است واگر سه بیت یک باشد، بسته دارای بالاترین اولویت است. مسیریاب با دریافت بسته هایی با اولویت های متفاوت ابتدا آن ها را در صف قرار داده و سپس بسته هایی دارای اولویت بیش تررا زودتر پردازش و مسیریابی می کند. البته اکثر مسیریاب ها فیلد نوع سرویس را نادیده می گیرند و به آن اهمیتی نمی دهند.

15. مشخصات فیلد های سر فصل IPv4 فیلد طول کلی(Total lenght) : در این فیلد 16 بیتی طول کلی بسته IP (طول داده+طول سر فصل) قرار می گیرند.عدد درون فیلد بر حسب بایت است وحداکثر آن 65635 (KB64) می تواند باشد. فیلد شناسایی (Identification):این فیلد 16 بیتی است ودر بعضی مواقع مسیر یاب ها یا کامپیوترها بایستی یک بسته IP را به قطعات کوچک تر تقسیم نمایند بنابراین برای تمامی بسته های قطعه شده یک عدد شناسایی در این فیلد قرار میگیرد تا مقصد متوجه شود که تمام آن قطعات مربوط به یک بسته IPبوده است. قطعات تقسیم شده هر کدام دارای یک شماره ترتیبی افزایش هستند. فیلد پرچم(flag): این فیلد سه بیتی دارای دو بیت (Don’t Fragment)DFو(More Fragment)MF و یک بیت بدون استفاده است. اگر فرستنده DF را یک نماید هیچ مسیریابی حق قطعه قطعه کردن بسته را ندارد. بیت MFاگر صفر باشد مشخص می کند که بسته IP دریافتی اخرین قطعه از یک بسته IP(با شماره شناسایی یکسان) است وگرنه مقدار آن یک است. فیلد افست(Offset):این فیلد 13 بیتی شماره ترتیبی افزایشی قطعه در یک بسته IP بزرگ تکه تکه شده با یک شماره شناسایی یکسان است.

16. مشخصات فیلد های سر فصل IPv4 • فیلد زمان زنده ماندن(Time to live):این فیلد 8 بیتی برای تعیین حداکثر طول عمریک بسته IPاست و توسط فرستنده مقدار دهی می شود تا از چرخش نامحدود یک بسته IP سرگردان جلوگیری شود. • با عبور یک بسته از یک مسیریاب (یک پرش یاhop ) یک واحد از این فیلد توسط مسیریاب کم می شود. • اگرمسیریابی یک واحد کم نمود و مقدار فیلد صفر شد یعنی عمر بسته به پایان رسیده است و توسط مسیریاب حذف می شود(برای مسیر یاب دیگری ارسال نمی شود). • در بعضی از مواقع مسیریاب به ازاء تاخیر یک ثانیه، یک واحد از این فیلد کم می کند. • فیلد پروتکل(Protocol): این فیلد 8بیتی پروتکل لایه بالاتر(انتقال) را که از سرویس بسته IP استفاده می کند مشخص می کند. • بعضی از پروتکل های لایه بالاتر عبارتند ازTCP، UDPوIGMP که هر کدام یک شماره منحصر به فرد 8بیتی دارند. • فیلد جمع مقابله ای سر فصل (Header checksum):این فیلد 16 بیتی فقط مکانیزم کشف خطا برای سر فصل است و مکانیزم کشف خطا برای داده در لایه بالاتر قرار می گیرد. • به علت اینکه مسیر یاب ها ممکن است فیلد های زمان زنده ماندن و افست و پرچم را تغییردهند بنابراین بایستی یک بار دیگر جمع مقابله ای توسط مسیر یاب محاسبه شده و در بسته IP قرار گیرد.

17. مشخصات فیلد های سر فصل IPv4 فیلد های آدرس مبدا ومقصد:هر دو فیلد 32 بیتی بوده که آدرس IP منحصر به فرد وجهانی کامپیوتر مبدا و مقصد رامشخص می کند. فیلد اختیاری(Options): فیلد اختیاری حداکثر 40 بایت می تواند باشد و در آن در گزینه هایی نظیر امنیت بسته، تعیین مسیر توسط بسته به صورت ناقص یا کامل، ثبت مسیر توسط مسیریابها( هر مسیریاب آدرس خود را در فیلد اختیاری بسته قرار می دهد و سپس به سمت مسیریاب بعدی ارسال می کند)، ثبت مسیر همراه با مهر زمان(مسیر یاب علاوه برآدرس، زمان دریافت بسته را نیز در بسته قرار می دهد)وجود دارد.

18. قالب بسته IP نسخه 6 یا IPV6 یا IPv6(IP next generation) • برای افزایش رشد و قابلیت انعطاف بسته IPv4 تصمیم گرفته شد IPv6 با قابلیت های زیر ارائه شود تا به مرور جایگزین IPv4 در اینترنت شود. • به جای 32 بیت آدرس و232 آدرس IP مختلف در IPv4 ،درIPv6 از آدرس های 128 بیتی و2128 آدرس IP مختلف استفاده می شود. • قالب سرفصل بسته IPv6 ساده تر شده است. بنابراین سرعت پردازش مسیر یاب ها روی بسته ها افزایش یافته است. • IPv6 قابلیت بر چسب زدن جریان (Flow labeling) را دارا است. بنابراین کاربرد هایی نظیر کاربرد بلادرنگ که نیاز به کیفیت خدمات (QOS) پیش گزیده ندارند از کاربردهایی نظیر email جدا می شوند. • ایجاد امنیت بیشتر درIPv6 • قابلیت انعطاف بیشتر در مقابل تغییرات در آینده با قرار دادن فیلد گزینه و سرفصل بعدی در IPv6

19. قالب بسته IP نسخه 6 یا IPV6 یا IPv6(IP next generation) سرفصل IPv6 به صورت شکل زیر است:

20. قالب بسته IP نسخه 6 یا IPV6 یا IPv6(IP next generation) فیلد ver :این فیلد 4بیتی شماره نسخه بسته IP را مشخص می کند که همواره (0110) باینری یعنی شش است. درهنگام جایگزینی IPv4 با IPv6 که زمانی طول می کشد مسیر یاب ها با بررسی این فیلد تفاوت دو بسته را تشخیص می دهند و هر یک را به صورت جداگانه و متناسب پردازش می نمایند. فیلد الویت:برای بسته ها اولویت قرار می دهد. این فیلد 4 بیتی است پس 16 الویت مختلف از (0000) تا (1111) برای یک بسته ممکن است وجود داشته باشد. فیلد برچسب جریان: این فیلد 24 بیت است و به صورت آزمایشی است و اجازه ارتباط بین مبدا و مقصد با خواص و نیازمندی ویژه را فراهم میکند. فیلد طول ظرفیت: این فیلد 16 بیتی تعداد بایت های بعد از سر فصل را مشخص می کند. سر فصل دقیقا 40 بایت است. فیلد سر فصل بعدی:این فیلد 8بیتی تعیین می کند که سر فصل های توسعه در ادامه می آیند یا نه؟ فیلد زمان زنده ماندن:این فیلد 8 بیتی نشان دهنده طول عمر بسته ها و همانند فیلد موجود در IPv4 است. آدرس مبدا ومقصد 128 بیتی:آدرس مبدا ومقصد در بسته IPv6 را مشخص می کند.

21. (Internet control message protocol)ICMP پروتکل پیغام کنترلی اینترتت • IPیک پروتکل بدون اتصال وغیر قابل اطمینان است وهیچ گونه مکانیزم گزارش خطا برای ایستگاه فرستنده ندارد، بنابراین در صورت رخداد خطا چه اتفاقی می افتد. • ICMP برای جبران نقص فوق طراحی شده است. بر اساس نوع خطای رخ داده، مسیریاب گزارش خطا را در قالب یک پیغام ICMPکه درون یک بسته IP کپسوله می شود، برای فرستنده ارسال می کند. • گزارش های خطا می تواند به صورت زیر باشند: • عدم تشخیص آدرس مقصد توسط مسیریاب • حذف بسته به علت منقضی شدن طول عمر یک بسته (فیلد زمان زنده ماندن صفر می شود) • وجود یک مقدار نا معتبر در سرفصل بسته IP • تقاضای کاهش نرخ ارسال بسته ها به علت وقوع ازدحام وترافیک • گزارش خطا در صورتی که یک مسیریاب بسته دریافتی را در مسیر صحیح احساس نکند.

22. (Internet control message protocol)ICMP پروتکل پیغام کنترلی اینترتت ICMPعلاوه بر گزارش خطا برای فرستنده، دارای قابلیت Echo یعنی ارسال درخواست (Request) یک ایستگاه (مسیر یاب یا کامپیوتر) و دریافت پاسخ(Reply) از ایستگاه دیگر به دو صورت زیر می باشد: 1-درخواست یک ایستگاه از یک ایستگاه دیگر که آیا در شبکه وجود دارد یا نه؟ 2- همانند حالت قبل است اما ایستگاه پاسخ دهنده زمان دریافت ارسال بسته را نیز در پیغام پاسخ قرار می دهد. یک مسیریاب با درخواست از مسیریاب دیگر می تواند جدول مسیر یابی خود را تغییر دهد و همچنین کارایی کانال هایش را نیز تخمین بزند. از طرف دیگر اگر چندین کامپیوتر از یک IP مشترک در یک شبکه محلی استفاده نمایند باICMP می توانند از آدرس IP خود با اطلاع شوند.