مفاهيم پروتکل TCP/IP در شبكه
مفاهيم پروتکل TCP/IP در شبكه
پروتکل TCP/IP TCP/IP ، يکی از مهمترين پروتکل های استفاده شده در شبکه های کامپيوتری است . اينترنت بعنوان بزرگترين شبکه موجود ، از پروتکل فوق بمنظور ارتباط دستگاه های متفاوت استفاده می نمايد. پروتکل ، مجموعه قوانين لازم بمنظور قانونمند نمودن نحوه ارتباطات در شبکه های کامپيوتری است .در مجموعه مقالاتی که ارائه خواهد شد به بررسی اين پروتکل خواهيم پرداخت . در اين بخش مواردی همچون : فرآيند انتقال اطلاعات ، معرفی و تشريح لايه های پروتکل TCP/IP و نحوه استفاده از سوکت برای ايجاد تمايز در ارتباطات ، تشريح می گردد. مقدمه امروزه اکثر شبکه های کامپيوتری بزرگ و اغلب سيستم های عامل موجود از پروتکل TCP/IP ، استفاده و حمايت می نمايند. TCP/IP ، امکانات لازم بمنظور ارتباط سيستم های غيرمشابه را فراهم می آورد.
از ويژگی های مهم پروتکل فوق ، می توان به مواردی همچون : قابليت اجراء بر روی محيط های متفاوت ، ضريب اطمينان بالا ،قابليت گسترش و توسعه آن ، اشاره کرد . از پروتکل فوق، بمنظور دستيابی به اينترنت و استفاده از سرويس های متنوع آن نظير وب و يا پست الکترونيکی استفاده می گردد. تنوع پروتکل های موجود در پشته TCP/IP و ارتباط منطقی و سيستماتيک آنها با يکديگر، امکان تحقق ارتباط در شبکه های کامپيوتری را با اهداف متفاوت ، فراهم می نمايد. فرآيند برقراری يک ارتباط ، شامل فعاليت های متعددی نظير : تبديل نام کامپيوتر به آدرس IP معادل ، مشخص نمودن موقعيت کامپيوتر مقصد ، بسته بندی اطلاعات ، آدرس دهی و روتينگ داده ها بمنظور ارسال موفقيت آميز به مقصد مورد نظر ، بوده که توسط مجموعه پروتکل های موجود در پشته TCP/IP انجام می گيرد. معرفی پروتکل TCP/IP TCP/IP ، پروتکلی استاندارد برای ارتباط کامپيوترهای موجود در يک شبکه مبتنی بر ويندوز 2000 است. از پروتکل فوق، بمنظور ارتباط در شبکه های بزرگ استفاده می گردد. برقراری ارتباط از طريق پروتکل های متعددی که در چهارلايه مجزا سازماندهی شده اند ، ميسر می گردد.
هر يک از پروتکل های موجود در پشته TCP/IP ، دارای وظيفه ای خاص در اين زمينه ( برقراری ارتباط) می باشند . در زمان ايجاد يک ارتباط ، ممکن است در يک لحظه تعداد زيادی از برنامه ها ، با يکديگر ارتباط برقرار نمايند. TCP/IP ، دارای قابليت تفکيک و تمايز يک برنامه موجود بر روی يک کامپيوتر با ساير برنامه ها بوده و پس از دريافت داده ها از يک برنامه ، آنها را برای برنامه متناظر موجود بر روی کامپيوتر ديگر ارسال می نمايد. نحوه ارسال داده توسط پروتکل TCP/IP از محلی به محل ديگر ، با فرآيند ارسال يک نامه از شهری به شهر، قابل مقايسه است . برقراری ارتباط مبتنی بر TCP/IP ، با فعال شدن يک برنامه بر روی کامپيوتر مبدا آغاز می گردد . برنامه فوق ،داده های مورد نظر جهت ارسال را بگونه ای آماده و فرمت می نمايد که برای کامپيوتر مقصد قابل خواندن و استفاده باشند. ( مشابه نوشتن نامه با زبانی که دريافت کننده ، قادر به مطالعه آن باشد) . در ادامه آدرس کامپيوتر مقصد ، به داده های مربوطه اضافه می گردد ( مشابه آدرس گيرنده که بر روی يک نامه مشخص می گردد) . پس از انجام عمليات فوق ، داده بهمراه اطلاعات اضافی ( درخواستی برای تائيد دريافت در مقصد ) ، در طول شبکه بحرکت درآمده تا به مقصد مورد نظر برسد.
عمليات فوق ، ارتباطی به محيط انتقال شبکه بمنظور انتقال اطلاعات نداشته ، و تحقق عمليات فوق با رويکردی مستقل نسبت به محيط انتقال ، انجام خواهد شد . لايه های پروتکل TCP/IP TCP/IP ، فرآيندهای لازم بمنظور برقراری ارتباط را سازماندهی و در اين راستا از پروتکل های متعددی در پشته TCP/IP استفاده می گردد. بمنظور افزايش کارآئی در تحقق فرآيند های مورد نظر، پروتکل ها در لايه های متفاوتی، سازماندهی شده اند . اطلاعات مربوط به آدرس دهی در انتها قرار گرفته و بدين ترتيب کامپيوترهای موجود در شبکه قادر به بررسی آن با سرعت مطلوب خواهند بود. در اين راستا، صرفا" کامپيوتری که بعنوان کامپيوتر مقصد معرفی شده است ، امکان باز نمودن بسته اطلاعاتی و انجام پردازش های لازم بر روی آن را دارا خواهد بود. TCP/IP ، از يک مدل ارتباطی چهار لايه بمنظور ارسال اطلاعات از محلی به محل ديگر استفاده می نمايد: Application ,Transport ,Internet و Network Interface ، لايه های موجود در پروتکل TCP/IP می باشند.
هر يک از پروتکل های وابسته به پشته TCP/IP ، با توجه به رسالت خود ، در يکی از لايه های فوق، قرار می گيرند. لايه Application لايه Application ، بالاترين لايه در پشته TCP/IP است .تمامی برنامه و ابزارهای کاربردی در اين لايه ، با استفاده از لايه فوق، قادر به دستتيابی به شبکه خواهند بود. پروتکل های موجود در اين لايه بمنظور فرمت دهی و مبادله اطلاعات کاربران استفاده می گردند . HTTP و FTP دو نمونه از پروتکل ها ی موجود در اين لايه می باشند .
پروتکل HTTP)Hypertext Transfer Protocol) . از پروتکل فوق ، بمنظور ارسال فايل های صفحات وب مربوط به وب ، استفاده می گردد . پروتکل FTP)File Transfer Protocol) . از پروتکل فوق برای ارسال و دريافت فايل، استفاده می گردد . لايه Transport لايه " حمل " ، قابليت ايجاد نظم و ترتيب و تضمين ارتباط بين کامپيوترها و ارسال داده به لايه Application ( لايه بالای خود) و يا لايه اينترنت ( لايه پايين خود) را بر عهده دارد. لايه فوق ، همچنين مشخصه منحصربفردی از برنامه ای که داده را عرضه نموده است ، مشخص می نمايد. اين لايه دارای دو پروتکل اساسی است که نحوه توزيع داده را کنترل می نمايند. TCP)Transmission Control Protocol) . پروتکل فوق ، مسئول تضمين صحت توزيع اطلاعات است . UDP)User Datagram Protocol) . پروتکل فوق ، امکان عرضه سريع اطلاعات بدون پذيرفتن مسئوليتی در رابطه با تضمين صحت توزيع اطلاعات را برعهده دارد . لايه اينترنت لايه "اينترنت"، مسئول آدرس دهی ، بسته بندی و روتينگ داده ها ، است.
لايه فوق ، شامل چهار پروتکل اساسی است : IP)Internet Protocol) . پروتکل فوق ، مسئول آدرسی داده ها بمنظور ارسال به مقصد مورد نظر است . ARP)Address Resoulation Protocol) . پروتکل فوق ، مسئول مشخص نمودن آدرس MAC)Media Access Control) آداپتور شبکه بر روی کامپيوتر مقصد است. ICMP)Internet Control Message Protocol) . پروتکل فوق ، مسئول ارائه توابع عيب يابی و گزارش خطاء در صورت عدم توزيع صحيح اطلاعات است . IGMP)Internet Group Managemant Protocol) . پروتکل فوق ، مسئول مديريت Multicasting در TCP/IP را برعهده دارد. لايه Network Interface لايه " اينترفيس شبکه " ، مسئول استقرار داده بر روی محيط انتقال شبکه و دريافت داده از محيط انتقال شبکه است . لايه فوق ، شامل دستگاه های فيزيکی نظير کابل شبکه و آداپتورهای شبکه است . کارت شبکه ( آداپتور) دارای يک عدد دوازده رقمی مبنای شانزده ( نظير : B5-50-04-22-D4-66 ) بوده که آدرس MAC ، ناميده می شود. لايه " اينترفيس شبکه " ، شامل پروتکل های مبتنی بر نرم افزار مشابه لايه های قبل ، نمی باشد. پروتکل های Ethernet و ATM)Asynchronous Transfer Mode) ، نمونه هائی از پروتکل های موجود در اين لايه می باشند . پروتکل های فوق ، نحوه ارسال داده در شبکه را مشخص می نمايند. مشخص نمودن برنامه ها در شبکه های کامپيوتری ، برنامه ها ی متعددی در يک زمان با يکديگر مرتبط می گردند.
زمانيکه چندين برنامه بر روی يک کامپيوتر فعال می گردند ، TCP/IP ، می بايست از روشی بمنظور تمايز يک برنامه از برنامه ديگر، استفاده نمايد. بدين منظور ، از يک سوکت ( Socket) بمنظور مشخص نمودن يک برنامه خاص ، استفاده می گردد. آدرس IP برقراری ارتباط در يک شبکه ، مستلزم مشخص شدن آدرس کامپيوترهای مبداء و مقصد است ( شرط اوليه بمنظور برقراری ارتباط بين دو نقطه ، مشخص بودن آدرس نقاط درگير در ارتباط است ) . آدرس هر يک از دستگاه های درگير در فرآيند ارتباط ، توسط يک عدد منحصربفرد که IP ناميده می شود ، مشخص می گردند. آدرس فوق به هريک از کامپيوترهای موجود در شبکه نسبت داده می شود . IP : 10. 10.1.1 ، نمونه ای در اين زمينه است . پورت TCP/UDP پورت مشخصه ای برای يک برنامه و در يک کامپيوتر خاص است .پورت با يکی از پروتکل های لايه "حمل" ( TCP و يا UDP ) مرتبط و پورت TCP و يا پورت UDP ، ناميده می شود.
پورت می تواند عددی بين صفر تا 65535 را شامل شود. پورت ها برای برنامه های TCP/IP سمت سرويس دهنده ، بعنوان پورت های "شناخته شده " ناميده شده و به اعداد کمتر از 1024 ختم و رزو می شوند تا هيچگونه تعارض و برخوردی با ساير برنامه ها بوجود نيايد. مثلا" برنامه سرويس دهنده FTP از پورت TCP بيست و يا بيست ويک استفاده می نمايد. سوکت (Socket) سوکت ، ترکيبی از يک آدرس IP و پورت TCP ويا پورت UDP است . يک برنامه ، سوکتی را با مشخص نمودن آدرس IP مربوط به کامپيوتر و نوع سرويس ( TCP برای تضمين توزيع اطلاعات و يا UDP) و پورتی که نشاندهنده برنامه است، مشخص می نمايد. آدرس IP موجود در سوکت ، امکان آدرس دهی کامپيوتر مقصد را فراهم و پورت مربوطه ، برنامه ای را که داده ها برای آن ارسال می گردد را مشخص می نمايد. در بخش دوم اين مقاله به تشريح هر يک از پروتکل های موجود در پشته TCP/IP، خواهيم پرداخت . TCP/IP ،شامل شش پروتکل اساسی( TCP,UDP,IP,ICMP,IGMP ،ARP ) و مجموعه ای از برنامه های کاربردی است. پروتکل های فوق، مجموعه ای از استادنداردها ی لازم بمنظور ارتباط بين کامپيوترها و دستگاهها را در شبکه ، فراهم می نمايد.
تمامی برنامه ها و ساير پروتکل ها ی موجود در پروتکل TCP/IP ، به پروتکل های شش گانه فوق مرتبط و از خدمات ارائه شده توسط آنان استفاده می نمايند . در ادامه به تشريح عملکرد و جايگاه هر يک از پروتکل های اشاره شده ، خواهيم پرداخت . پروتکل TCP : لايه Transport TCP) Transmission Control Protocol) ، يکی از پروتکل های استاندارد TCP/IP است که امکان توزيع و عرضه اطلاعات ( سرويس ها) بين صرفا" دو کامپيوتر ، با ضريب اعتماد بالا را فراهم می نمايد. چنين ارتباطی ( صرفا" بين دو نقطه ) ، Unicast ناميده می شود . در ارتباطات با رويکرد اتصال گرا ، می بايست قبل از ارسال داده ، ارتباط بين دو کامپيوتر برقرار گردد .
پس از برقراری ارتباط ، امکان ارسال اطلاعات برای صرفا" اتصال ايجاد شده ، فراهم می گردد . ارتباطات از اين نوع ، بسيار مطمئن می باشند ، علت اين امر به تضمين توزيع اطلاعات برای مقصد مورد نظر برمی گردد . بر روی کامپيوتر مبداء ، TCP داده هائی که می بايست ارسال گردند را در بسته های اطلاعاتی (Packet) سازماندهی می نمايد. در کامپيوتر مقصد ، TCP ، بسته های اطلاعاتی را تشخيص و داده های اوليه را مجددا" ايجاد خواهد کرد . ارسال اطلاعات با استفاده از TCP TCP ، بمنظور افزايش کارائی ، بسته های اطلاعاتی را بصورت گروهی ارسال می نمايد . TCP ، يک عدد سريال ( موقعيت يک بسته اطلاعاتی نسبت به تمام بسته اطلاعاتی ارسالی ) را به هريک از بسته ها نسبت داده و از Acknowledgment بمنظور اطمينان از دريافت گروهی از بسته های اطلاعاتی ارسال شده ، استفاده می نمايد. در صورتيکه کامپيوتر مقصد ، در مدت زمان مشخصی نسبت به اعلام وصول بسته های اطلاعاتی ، اقدام ننمايد ، کامپيوتر مبداء ، مجددا" اقدام به ارسال اطلاعات می نمايد.
علاوه برافزودن يک دنباله عددی و Acknowledgment به يک بسته اطلاعاتی ، TCP اطلاعات مربوط به پورت مرتبط با برنامه ها ی مبداء و مقصد را نيز به بسته اطلاعاتی اضافه می نمايد. کامپيوتر مبداء ، از پورت کامپيوتر مقصد بمنظور هدايت صحيح بسته های اطلاعاتی به برنامه مناسب بر روی کامپيوتر مقصد ، استفاده می نمايد. کامپيوتر مقصد از پورت کامپيوتر مبداء بمنظور برگرداندن اطلاعات به برنامه ارسال کننده در کامپيوتر مبداء ، استفاده خواهد کرد . هر يک از کامپيوترهائی که تمايل به استفاده از پروتکل TCP بمنظور ارسال اطلاعات دارند ، می بايست قبل از مبادله اطلاعات ، يک اتصال بين خود ايجاد نمايند .
اتصال فوق ، از نوع مجازی بوده و Session ناميده می شود .دو کامپيوتر درگير در ارتباط ، با استفاده از TCP و بکمک فرآيندی با نام : Three-Way handshake ، با يکديگر مرتبط و هر يک پايبند به رعايت اصول مشخص شده در الگوريتم مربوطه خواهند بود . فرآيند فوق ، در سه مرحله صورت می پذيرد : مرحله اول : کامپيوتر مبداء ، اتصال مربوطه را از طريق ارسال اطلاعات مربوط به Session ، مقداردهی اوليه می نمايد ( عدد مربوط به موقعيت يک بسته اطلاعاتی بين تمام بسته های اطلاعاتی و اندازه مربوط به بسته اطلاعاتی ) مرحله دوم : کامپيوتر مقصد ، به اطلاعات Session ارسال شده ، پاسخ مناسب را خواهد داد . کامپيوتر مبداء ، از شرح واقعه بکمک Acknowledgment ارسال شده توسط کامپيوتر مقصد ، آگاهی پيدا خواهد کرد .
پروتکل UDP : لايه Transport UDP) User Datagram Protocol ) ، پروتکلی در سطح لايه "حمل" بوده که برنامه مقصد در شبکه را مشخص نموده و از نوع بدون اتصال است . پروتکل فوق، امکان توزيع اطلاعات با سرعت مناسب را ارائه ولی در رابطه با تضمين صحت ارسال اطلاعات ، سطح مطلوبی از اطمينان را بوجود نمی آورد . UDP در رابطه با داده های دريافتی توسط مقصد ، به Acknowledgment نيازی نداشته و در صورت بروز اشکال و يا خرابی در داده های ارسال شده ، تلاش مضاعفی بمنظور ارسال مجدد داده ها ، انجام نخواهد شد . اين بدان معنی است که داده هائی کمتر ارسال می گردد ولی هيچيک از داده های دريافتی و صحت تسلسل بسته های اطلاعاتی ، تضمين نمی گردد .از پروتکل فوق ، بمنظور انتقال اطلاعات به چندين کامپيوتر با استفاده از Broadcast و يا Multicast ، استفاده بعمل می آيد . پروتکل UDP ، در موارديکه حجم اندکی از اطلاعات ارسال و يا اطلاعات دارای اهميت بالائی نمی بانشد ، نيز استفاده می گردد. استفاده از پروتکل UDP در مواردی همچون Multicasting Streaming media ، (نظير يک ويدئو کنفرانس زنده) و يا انتشار ليستی از اسامی کامپيوترها که بمنظور ارتباطات محلی استفاده می گردند ، متداول است .
بمنظور استفاده از UDP ، برنامه مبداء می بايست پورت UDP خود را مشخص نمايد دقيقا" مشابه عملياتی که می بايست کامپيوتر مقصد انجام دهد . لازم به يادآوری است که پورت های UDP از پورت های TCP مجزا و متمايز می باشند (حتی اگر دارای شماره پورت يکسان باشند ).
پروتکل IP : لايه Internet IP) Internet Protocol ) ، امکان مشخص نمودن محل کامپيوتر مقصد در يک شبکه ارتباطی را فراهم می نمايد. IP ، يک پروتکل بدون اتصال و غيرمطمئن بوده که اولين مسئوليت آن آدرس دهی بسته های اطلاعاتی و روتينگ بين کامپيوترهای موجود در شبکه است . با اينکه IP همواره سعی در توزيع يک بسته اطلاعاتی می نمايد ، ممکن است يک بسته اطلاعاتی در زمان ارسال گرفتار مسائل متعددی نظير : گم شدن ، خرابی ، عدم توزيع با اولويت مناسب ، تکرار در ارسال و يا تاخير، گردند.در چنين مواردی ، پروتکل IP تلاشی بمنظور حل مشکلات فوق را انجام نخواهد داد ( ارسال مجدد اطلاعات درخواستی ) .
آگاهی از وصول بسته اطلاعاتی در مقصد و بازيافت بسته های اطلاعاتی گم شده ، مسئوليتی است که بر عهده يک لايه بالاتر نظير TCP و يا برنامه ارسال کننده اطلاعات ، واگذار می گردد . عمليات انجام شده توسط IP می توان IP را بعنوان مکانی در نظر گرفت که عمليات مرتب سازی و توزيع بسته های اطلاعاتی در آن محل ، صورت می پذيرد .بسته ها ی اطلاعاتی توسط يکی از پروتکل های لايه حمل ( TCP و يا UDP) و يا از طريق لايه " ايترفيس شبکه " ، برای IP ارسال می گردند . اولين وظيفه IP ، روتينگ بسته های اطلاعاتی بمنظور ارسال به مقصد نهائی است . هر بسته اطلاعاتی ، شامل آدرس IP مبداء ( فرستنده ) و آدرس IP مقصد ( گيرنده ) می باشد. در صورتيکه IP ، آدرس مقصدی را مشخص نمايد که در همان سگمنت موجود باشد ، بسته اطلاعاتی مستقيما" برای کامپيوتر مورد نظر ارسال می گردد .
در صورتيکه آدرس مقصد در همان سگمنت نباشد ، IP ، می بايست از يک روتر استفاده و اطلاعات را برای آن ارسال نمايد.يکی ديگر از وظايف IP ، ايجاد اطمينان از عدم وجود يک بسته اطلاعاتی ( بلاتکليف ! ) در شبکه است . بدين منظور محدوديت زمانی خاصی در رابطه با مدت زمان حرکت بسته اطلاعاتی در طول شبکه ، در نظر گرفته می شود .عمليات فوق، توسط نسبت دادن يک مقدار TTL)Time To Live) به هر يک از بسته های اطلاعاتی صورت می پذيرد. TTL ، حداکثر مدت زمانی را که بسته اطلاعاتی قادر به حرکت در طول شبکه است را مشخص می نمايد( قبل از اينکه بسته اطلاعاتی کنار گذاشته شود) . پروتکل ICMP : لايه Internet ICMP) Internet Control Message Protocol) ، امکانات لازم در خصوص اشکال زدائی و گزارش خطاء در رابطه با بسته های اطلاعاتی غيرقابل توزيع را فراهم می نمايد.
با استفاده از ICMP ، کامپيوترها و روترها که از IP بمنظور ارتباطات استفاده می نمايند ، قادر به گزارش خطاء و مبادله اطلاعاتی محدود در رابطه وضعيت بوجود آمده می باشند. مثلا" در صورتيکه IP ، قادر به توزيع يک بسته اطلاعاتی به مقصد مورد نظر نباشد ، ICMP يک پيام مبتنی بر غيرقابل دسترس بودن را برای کامپيوتر مبداء ارسال می دارد . با اينکه پروتکل IP بمنظور انتقال داده بين روترهای متعدد استفاده می گردد ، ولی ICMP به نمايندگی از TCP/IP ، مسئول ارائه گزارش خطاء و يا پيام های کنترلی است . تلاش ICMP ، در اين جهت نيست که پروتکل IP را بعنوان يک پروتکل مطمئن مطرح نمايد ، چون پيام های ICMP دارای هيچگونه محتوياتی مبنی بر اعلام وصول پيام (Acknowledgment ) بسته اطلاعاتی نمی باشند . ICMP ، صرفا" سعی در گزارش خطاء و ارائه فيدبک های لازم در رابطه با تحقق يک وضعيت خاص را می نمايد .
پروتکل IGMP : لايه Internet IGMP) Internet Group Managment Protocol) ، پروتکلی است که مديريت ليست اعضاء برای IP Multicasting ، در يک شبکه TCP/IP را بر عهده دارد . IP Multicasting، فرآيندی است که بر اساس آن يک پيام برای گروهی انتخاب شده از گيرندگان که گروه multicat ناميده می شوند ؛ ارسال می گردد . IGMP ليست اعضاء را نگهداری می نمايد .
پروتکل ARP : لايه Internet ARP) Address Resolution Protocol) ، پروتکلی است که مسئوليت مسئله " نام به آدرس" را در رابطه با بسته های اطلاعاتی خروجی (Outgoing) ، برعهده دارد . ماحصل فرآيند فوق ، Mapping آدرس IP به آدرسMAC )Media Access Control) ، مربوطه است . کارت شبکه از آدرس MAC ، بمنظور تشخيص تعلق يک بسته اطلاعاتی به کامپيوتر مربوطه ، استفاده می نمايند . بدون آدرس های MAC ، کارت های شبکه ، دانش لازم در خصوص ارسال بسته های اطلاعاتی به لايه بالاتر بمنظور پردازش های مربوطه را دارا نخواهند بود .
همزمان با رسيدن بسته های اطلاعاتی به لايه IP بمنظور ارسال در شبکه ، آدرس های MAC مبداء و مقصد به آن اضافه می گردد . ARP ، از جدولی خاص بمنظور ذخيره سازی آدرس های IP و MAC مربوطه ، استفاده می نمايد. محلی از حافظه که جدول فوق در آنجا ذخيره می گردد ، ARP Cache ناميده می شود. ARP Cache هر کامپيوتر شامل mapping لازم برای کامپيوترها و روترهائی است که صرفا" بر روی يک سگمنت مشابه قرار دارند.
