پروتکل‌ها درمدل شبکه  OSI و TCP/IP 

 

فصل اول: مقدمه‌ای بر شبکه و معماری پروتکل‌ها

1.1 تعریف شبکه و ضرورت استفاده از پروتکل‌ها

شبکه‌های کامپیوتری مجموعه‌ای از دستگاه‌ها (کامپیوترها، سرورها، روترها و غیره) هستند که به کمک رسانه‌های انتقال (کابل، امواج بی‌سیم و …) به یکدیگر متصل می‌شوند تا داده و منابع را به اشتراک بگذارند. برای اینکه این تبادل اطلاعات به شکل سازمان‌یافته، امن و قابل فهم برای همه دستگاه‌ها انجام شود، نیاز به مجموعه‌ای از قوانین و استانداردها داریم که به آن‌ها پروتکل گفته می‌شود. بدون وجود پروتکل‌ها، ارتباط میان تجهیزات شبکه یا غیرممکن خواهد بود یا با خطا و ناسازگاری همراه می‌شود.

1.2 معماری لایه‌ای در شبکه

به دلیل پیچیدگی‌های ارتباطی، طراحی شبکه‌ها به صورت لایه‌ای انجام می‌شود. در این معماری، هر لایه وظایف خاص خود را بر عهده دارد و با لایه‌های بالا و پایین خود در تعامل است. این تقسیم‌بندی باعث می‌شود:

• طراحی و توسعه پروتکل‌ها ساده‌تر شود.

• خطاها راحت‌تر شناسایی و رفع شوند.

• تغییر یا ارتقای یک لایه بدون تأثیر مستقیم بر سایر لایه‌ها امکان‌پذیر باشد.

1.3 معرفی مدل OSI

مدل OSI (Open Systems Interconnection) یک چارچوب مفهومی است که توسط سازمان ISO ارائه شد و ارتباطات شبکه را در 7 لایه تعریف می‌کند:

1. لایه فیزیکی

2. لایه پیوند داده

3. لایه شبکه

4. لایه انتقال

5. لایه جلسه

6. لایه ارائه

7. لایه کاربرد

این مدل بیشتر جنبه آموزشی و مفهومی دارد و کمک می‌کند تا بهتر نقش هر پروتکل و عملکرد آن در شبکه درک شود.

1.4 معرفی مدل TCP/IP

مدل TCP/IP که پایه و اساس اینترنت امروزی است، بر خلاف OSI بیشتر جنبه عملی و پیاده‌سازی دارد. این مدل دارای 4 لایه اصلی است:

1. لایه دسترسی به شبکه

2. لایه اینترنت

3. لایه انتقال

4. لایه کاربرد

پروتکل‌های کلیدی مانند IP، TCP، UDP، HTTP و DNS در این مدل تعریف شده‌اند و امروزه تقریباً تمام ارتباطات شبکه بر اساس این معماری انجام می‌شوند.

1.5 مقایسه مدل OSI و TCP/IP

• مدل OSI کامل‌تر و جزئی‌تر است (7 لایه) در حالی که مدل TCP/IP ساده‌تر و کاربردی‌تر است (4 لایه).

• OSI بیشتر در آموزش و تحلیل مفهومی کاربرد دارد، اما TCP/IP در عملیات واقعی شبکه‌ها و اینترنت مورد استفاده قرار می‌گیرد.

• در TCP/IP برخی از لایه‌های OSI (مثل جلسه و ارائه) در لایه کاربرد ادغام شده‌اند.

 

 

فصل دوم: پروتکل‌های لایه فیزیکی و لایه پیوند داده (OSI)

2.1 پروتکل Ethernet

اترنت (Ethernet) یکی از پرکاربردترین فناوری‌ها در شبکه‌های محلی (LAN) است. این پروتکل چارچوبی برای انتقال داده‌ها در قالب فریم‌ها فراهم می‌کند. هر دستگاه در شبکه اترنت با یک آدرس MAC منحصربه‌فرد شناخته می‌شود.

• وظیفه اصلی: انتقال مطمئن داده در یک شبکه محلی.

• کاربرد در TCP/IP: در لایه دسترسی به شبکه (Network Access) قرار دارد و بسته‌های IP را حمل می‌کند.

2.2 پروتکل Wi-Fi (IEEE 802.11)

وای‌فای (Wi-Fi) مجموعه‌ای از استانداردهای IEEE 802.11 است که برای ارتباطات بی‌سیم استفاده می‌شود. این فناوری امکان اتصال دستگاه‌ها به شبکه را بدون نیاز به کابل فراهم می‌کند.

• وظیفه اصلی: ایجاد ارتباط بی‌سیم در محدوده محلی.

• کاربرد در TCP/IP: در لایه دسترسی به شبکه به عنوان جایگزین بی‌سیم اترنت عمل می‌کند.

2.3 پروتکل PPP (Point-to-Point Protocol)

PPP یک پروتکل ساده و قدیمی برای ارتباط نقطه به نقطه (مانند اتصال مودم‌ها) است. این پروتکل قابلیت پشتیبانی از چندین پروتکل لایه شبکه مانند IP و IPv6 را دارد.

• وظیفه اصلی: کپسوله‌سازی و انتقال داده بین دو نقطه.

• کاربرد در TCP/IP: بیشتر در ارتباطات WAN و لینک‌های مستقیم کاربرد داشته و در لایه دسترسی به شبکه قرار می‌گیرد.

2.4 پروتکل ARP و RARP

• ARP (Address Resolution Protocol): پروتکلی است که برای یافتن آدرس MAC متناظر با یک آدرس IP استفاده می‌شود.

• RARP (Reverse ARP): برعکس ARP عمل می‌کند؛ یعنی دستگاهی که فقط آدرس MAC خود را می‌داند، از طریق RARP می‌تواند آدرس IP خود را دریافت کند.

• کاربرد در TCP/IP: این دو پروتکل در لایه دسترسی به شبکه قرار می‌گیرند و نقش کلیدی در ارتباط بین لایه شبکه (IP) و لایه فیزیکی دارند.

2.5 کاربرد پروتکل‌ها در مدل TCP/IP

تمامی پروتکل‌های ذکرشده (Ethernet، Wi-Fi، PPP، ARP، RARP) در لایه دسترسی به شبکه (Network Access Layer) از مدل TCP/IP عمل می‌کنند. این لایه مسئولیت آماده‌سازی داده‌ها برای ارسال از طریق رسانه فیزیکی (کابل یا بی‌سیم) و تبدیل سیگنال‌ها را بر عهده دارد.

 

 

 

فصل سوم: پروتکل‌های لایه شبکه (OSI)

3.1 پروتکل IP (IPv4 و IPv6)

IP (Internet Protocol) مهم‌ترین پروتکل در لایه شبکه است که وظیفه آدرس‌دهی و مسیریابی بسته‌ها را بر عهده دارد.

• IPv4: نسخه چهارم IP است که از آدرس‌های 32 بیتی استفاده می‌کند (حدود 4.3 میلیارد آدرس).

• IPv6: نسخه جدیدتر با آدرس‌های 128 بیتی که ظرفیت بسیار بیشتری دارد و مشکلات کمبود آدرس IPv4 را رفع کرده است.
  کاربرد در TCP/IP: در لایه اینترنت عمل می‌کند و مسئول اصلی انتقال بسته‌ها بین شبکه‌ها است.

3.2 پروتکل ICMP و ICMPv6

ICMP (Internet Control Message Protocol) برای تبادل پیام‌های کنترلی و خطا میان دستگاه‌ها استفاده می‌شود. ابزاری مانند ping و traceroute از ICMP بهره می‌برند.

• ICMPv6: نسخه بهینه‌سازی‌شده برای IPv6 با قابلیت‌های بیشتر در مدیریت خطا و کشف همسایگی (Neighbor Discovery).
  کاربرد در TCP/IP: در لایه اینترنت قرار دارد و بیشتر برای عیب‌یابی و کنترل شبکه به کار می‌رود.

3.3 پروتکل IGMP

IGMP (Internet Group Management Protocol) برای مدیریت گروه‌های چندپخشی (Multicast) در شبکه‌های IPv4 استفاده می‌شود. این پروتکل مشخص می‌کند که چه دستگاه‌هایی عضو یک گروه چندپخشی هستند و باید بسته‌ها را دریافت کنند.
کاربرد در TCP/IP: در لایه اینترنت به کار می‌رود و به طور خاص برای برنامه‌های چندرسانه‌ای (پخش زنده، کنفرانس ویدئویی) کاربرد دارد.

3.4 پروتکل‌های مسیریابی (RIP، OSPF، BGP)

پروتکل‌های مسیریابی وظیفه دارند بهترین مسیر برای ارسال بسته‌ها را در شبکه مشخص کنند:

• RIP (Routing Information Protocol): یک پروتکل ساده مبتنی بر فاصله-جهت (Distance Vector) که برای شبکه‌های کوچک مناسب است.

• OSPF (Open Shortest Path First): پروتکلی پیشرفته‌تر مبتنی بر حالت لینک (Link State) که در شبکه‌های بزرگ کارایی بالایی دارد.

• BGP (Border Gateway Protocol): پروتکل اصلی مسیریابی بین شبکه‌های مختلف (اینترنت) است و به عنوان "ستون فقرات اینترنت" شناخته می‌شود.
  کاربرد در TCP/IP: همه این پروتکل‌ها در لایه اینترنت قرار دارند و مسیر مناسب انتقال بسته‌ها را تعیین می‌کنند.

3.5 جایگاه این پروتکل‌ها در مدل TCP/IP

• IP (IPv4/IPv6): اصلی‌ترین پروتکل لایه اینترنت.

• ICMP/ICMPv6: پروتکل کنترلی در لایه اینترنت.

• IGMP: پروتکل مدیریت گروه چندپخشی در لایه اینترنت.

• RIP، OSPF، BGP: پروتکل‌های مسیریابی در لایه اینترنت.

به طور خلاصه، تمامی پروتکل‌های لایه شبکه در مدل TCP/IP در لایه اینترنت (Internet Layer) قرار می‌گیرند و وظیفه مشترک آن‌ها تضمین رسیدن بسته‌ها از مبدأ به مقصد است.

 

 

فصل چهارم: پروتکل‌های لایه انتقال (OSI)

4.1 پروتکل TCP

TCP (Transmission Control Protocol) یکی از مهم‌ترین پروتکل‌های لایه انتقال است که ارتباطی مطمئن، اتصال‌گرا و جریان‌گرا میان دو دستگاه ایجاد می‌کند. این پروتکل تضمین می‌کند که همه بسته‌ها به درستی و به ترتیب صحیح به مقصد برسند.

• ویژگی‌ها: برقراری نشست (Handshake سه‌مرحله‌ای)، کنترل خطا، کنترل جریان، تقسیم داده به قطعات (Segment).

• کاربردها: وب (HTTP/HTTPS)، ایمیل (SMTP، IMAP، POP3)، انتقال فایل (FTP).
  جایگاه در TCP/IP: در لایه انتقال (Transport Layer).

4.2 پروتکل UDP

UDP (User Datagram Protocol) پروتکلی سبک و بدون اتصال است که داده‌ها را به صورت بسته‌های مستقل (Datagram) ارسال می‌کند و تضمینی برای رسیدن یا ترتیب صحیح آن‌ها وجود ندارد.

• ویژگی‌ها: سرعت بالا، عدم ایجاد بار اضافی ناشی از کنترل خطا و نشست.

• کاربردها: ویدئو و صدا به صورت زنده (Streaming)، بازی‌های آنلاین، پروتکل‌های زمان (NTP، DNS).
  جایگاه در TCP/IP: در لایه انتقال (Transport Layer).

4.3 پروتکل SCTP

SCTP (Stream Control Transmission Protocol) پروتکلی نسبتاً جدیدتر است که ویژگی‌های مثبت TCP و UDP را با هم ترکیب می‌کند. این پروتکل از چندجریانی (Multistreaming) و چندمسیره (Multihoming) پشتیبانی می‌کند.

• ویژگی‌ها: قابل‌اعتماد مانند TCP، پشتیبانی از چندین جریان داده به طور همزمان، مقاومت بیشتر در برابر قطع اتصال.

• کاربردها: سیستم‌های مخابراتی (مانند SS7)، ارتباطات بلادرنگ حساس.
  جایگاه در TCP/IP: در لایه انتقال.

4.4 مقایسه TCP و UDP

• TCP: مطمئن، اتصال‌گرا، کندتر، مناسب برای انتقال داده‌های حساس به صحت (وب، ایمیل، فایل).

• UDP: سریع، بدون اتصال، غیرمطمئن، مناسب برای کاربردهایی که سرعت مهم‌تر از صحت کامل داده است (پخش زنده، بازی آنلاین).

4.5 نگاشت پروتکل‌ها در TCP/IP

در مدل TCP/IP، پروتکل‌های TCP، UDP و SCTP همگی در لایه انتقال (Transport Layer) قرار می‌گیرند. این لایه وظیفه دارد داده‌های لایه کاربرد را به قطعات کوچک‌تر تقسیم کرده و آن‌ها را برای ارسال به لایه اینترنت آماده کند.

 

 

فصل پنجم: پروتکل‌های لایه جلسه، ارائه و کاربرد (OSI)

5.1 پروتکل DNS

DNS (Domain Name System) پروتکلی است که نام‌های دامنه (مانند www.example.com) را به آدرس‌های IP عددی تبدیل می‌کند. بدون DNS کاربران مجبور بودند آدرس‌های IP را به خاطر بسپارند.

• کاربرد: دسترسی آسان به سرویس‌ها و وب‌سایت‌ها با استفاده از نام دامنه.

• جایگاه در TCP/IP: لایه کاربرد.

5.2 پروتکل HTTP و HTTPS

• HTTP (HyperText Transfer Protocol): پروتکل اصلی برای انتقال صفحات وب در بستر اینترنت.

• HTTPS: نسخه امن HTTP است که با استفاده از SSL/TLS داده‌ها را رمزنگاری می‌کند.

• کاربرد: مرور وب، انتقال داده‌های وب‌سایت‌ها.

• جایگاه در TCP/IP: لایه کاربرد.

5.3 پروتکل FTP و SFTP

• FTP (File Transfer Protocol): پروتکلی برای انتقال فایل بین کلاینت و سرور.

• SFTP (Secure FTP): نسخه امن FTP است که بر پایه SSH عمل می‌کند و داده‌ها را رمزنگاری می‌کند.

• کاربرد: آپلود و دانلود فایل در سرورها.

• جایگاه در TCP/IP: لایه کاربرد.

5.4 پروتکل SMTP، POP3 و IMAP

• SMTP (Simple Mail Transfer Protocol): پروتکل اصلی برای ارسال ایمیل.

• POP3 (Post Office Protocol v3): برای دریافت ایمیل‌ها و ذخیره‌سازی آن‌ها به صورت محلی.

• IMAP (Internet Message Access Protocol): امکان مدیریت ایمیل‌ها روی سرور بدون نیاز به دانلود همه پیام‌ها را فراهم می‌کند.

• کاربرد: سیستم‌های ایمیل و پیام‌رسانی.

• جایگاه در TCP/IP: لایه کاربرد.

5.5 پروتکل SNMP

SNMP (Simple Network Management Protocol) برای مدیریت و نظارت بر دستگاه‌های شبکه (مانند روترها، سوئیچ‌ها، پرینترها) به کار می‌رود.

• کاربرد: جمع‌آوری اطلاعات، مانیتورینگ و مدیریت پیکربندی دستگاه‌ها.

• جایگاه در TCP/IP: لایه کاربرد.

5.6 پروتکل Telnet و SSH

• Telnet: پروتکلی قدیمی برای دسترسی از راه دور به دستگاه‌ها که داده‌ها را بدون رمزنگاری منتقل می‌کند.

• SSH (Secure Shell): جایگزین امن Telnet است که ارتباط را رمزنگاری می‌کند.

• کاربرد: مدیریت و پیکربندی دستگاه‌های شبکه از راه دور.

• جایگاه در TCP/IP: لایه کاربرد.

5.7 جایگاه این پروتکل‌ها در مدل TCP/IP

همه پروتکل‌های معرفی‌شده (DNS، HTTP/HTTPS، FTP/SFTP، SMTP/POP3/IMAP، SNMP، Telnet، SSH) در لایه کاربرد (Application Layer) از مدل TCP/IP قرار می‌گیرند. این لایه نزدیک‌ترین بخش به کاربر است و مستقیماً با نرم‌افزارها و سرویس‌های شبکه تعامل دارد.

 

 

فصل ششم: امنیت در پروتکل‌های شبکه

6.1 پروتکل SSL/TLS

SSL (Secure Sockets Layer) و TLS (Transport Layer Security) پروتکل‌هایی هستند که ارتباطات بین کلاینت و سرور را رمزنگاری می‌کنند. امروزه TLS جایگزین SSL شده و امنیت بیشتری دارد.

• وظیفه: رمزنگاری داده‌ها، تضمین محرمانگی و صحت اطلاعات، احراز هویت سرور (و در صورت نیاز کاربر).

• کاربرد: وب‌گردی امن (HTTPS)، ایمیل امن، انتقال فایل ایمن.

• جایگاه در مدل TCP/IP: در لایه انتقال و لایه کاربرد استفاده می‌شود.

6.2 پروتکل IPsec

IPsec (Internet Protocol Security) مجموعه‌ای از پروتکل‌ها برای تأمین امنیت ارتباطات در سطح شبکه است. این پروتکل در خود لایه اینترنت (IP Layer) عمل می‌کند.

• وظیفه: رمزنگاری بسته‌های IP، تضمین صحت و یکپارچگی داده‌ها، جلوگیری از شنود و جعل بسته‌ها.

• کاربرد: شبکه‌های خصوصی مجازی (VPN)، ارتباطات ایمن در WAN.

• جایگاه در مدل TCP/IP: در لایه اینترنت.

6.3 پروتکل Kerberos

Kerberos یک پروتکل احراز هویت است که بر اساس رمزنگاری کلید متقارن عمل می‌کند. این پروتکل برای محیط‌های سازمانی طراحی شده تا کاربر بتواند با یک بار ورود (Single Sign-On) به منابع مختلف شبکه دسترسی امن داشته باشد.

• وظیفه: احراز هویت کاربران و سرویس‌ها، جلوگیری از جعل هویت.

• کاربرد: سیستم‌های سازمانی، سرورهای ویندوز (Active Directory)، شبکه‌های دانشگاهی.

• جایگاه در مدل TCP/IP: در لایه کاربرد.

6.4 مکانیزم‌های امنیتی در TCP/IP

برای تقویت امنیت در شبکه‌های مبتنی بر TCP/IP، علاوه بر پروتکل‌های فوق از مکانیزم‌های متعددی استفاده می‌شود:

• فایروال‌ها (Firewall): کنترل ترافیک ورودی و خروجی.

• VPN (Virtual Private Network): ایجاد تونل امن بین شبکه‌ها.

• رمزنگاری انتها به انتها (End-to-End Encryption): تضمین امنیت داده‌ها در طول مسیر.

• احراز هویت چندمرحله‌ای (Multi-Factor Authentication): افزایش سطح امنیت کاربران.

• سیستم‌های تشخیص نفوذ (IDS/IPS): شناسایی و جلوگیری از حملات شبکه‌ای.

 

فصل هفتم: جمع‌بندی و کاربردهای عملی

7.1 نگاشت کامل پروتکل‌ها به لایه‌های OSI و TCP/IP

یکی از مهم‌ترین بخش‌های مطالعه پروتکل‌ها، درک ارتباط آن‌ها با مدل‌های مرجع OSI و TCP/IP است.

• در مدل OSI، پروتکل‌ها در هفت لایه (از فیزیکی تا کاربرد) تقسیم‌بندی می‌شوند.

• در مدل TCP/IP، این پروتکل‌ها به چهار لایه اصلی (دسترسی به شبکه، اینترنت، انتقال و کاربرد) نگاشت می‌شوند.

به عنوان نمونه:

• Ethernet و Wi-Fi → لایه فیزیکی و پیوند داده در OSI / لایه دسترسی به شبکه در TCP/IP.

• IP، ICMP، IGMP، پروتکل‌های مسیریابی → لایه شبکه در OSI / لایه اینترنت در TCP/IP.

• TCP، UDP، SCTP → لایه انتقال در هر دو مدل.

• DNS، HTTP، SMTP، FTP، SNMP، SSH → لایه‌های بالا در OSI / لایه کاربرد در TCP/IP.

این نگاشت کمک می‌کند تا دید دقیقی از جایگاه و نقش هر پروتکل در ارتباطات شبکه‌ای به دست آید.

7.2 مثال‌های کاربردی در دنیای واقعی

پروتکل‌ها نه‌تنها در محیط‌های آموزشی، بلکه در زندگی روزمره و زیرساخت‌های جهانی اینترنت نقش حیاتی دارند. چند مثال:

• مرور وب: کاربر آدرس وب‌سایتی را وارد می‌کند → DNS نام دامنه را به IP ترجمه می‌کند → HTTP/HTTPS داده‌ها را انتقال می‌دهد → TCP تضمین می‌کند که داده‌ها درست برسند → IP مسیر را مشخص می‌کند → Ethernet یا Wi-Fi بسته‌ها را جابه‌جا می‌کنند.

• ارسال ایمیل: SMTP برای ارسال پیام، IMAP یا POP3 برای دریافت، و TLS برای امنیت استفاده می‌شود.

• تماس تصویری و پخش زنده: پروتکل‌های UDP و RTP برای انتقال سریع صدا و تصویر به کار می‌روند.

• مدیریت شبکه: مدیر سیستم با استفاده از SSH به سرور متصل می‌شود و با SNMP وضعیت تجهیزات شبکه را بررسی می‌کند.

7.3 روندهای نوین در توسعه پروتکل‌های شبکه

با گسترش فناوری‌های نوین، پروتکل‌های شبکه نیز تکامل یافته‌اند تا پاسخگوی نیازهای جدید باشند:

• IPv6: برای حل مشکل کمبود آدرس‌های IPv4.

• QUIC (توسعه‌یافته توسط گوگل): جایگزینی مدرن برای TCP+TLS+HTTP/2 که سریع‌تر و امن‌تر است.

• HTTP/3: نسخه جدید پروتکل وب که بر پایه QUIC ساخته شده و سرعت و امنیت بالاتری دارد.

• پروتکل‌های امنیتی پیشرفته: مانند TLS 1.3 و روش‌های نوین رمزنگاری برای مقابله با حملات سایبری.

• پروتکل‌های اینترنت اشیا (IoT): مانند MQTT و CoAP که برای دستگاه‌های کم‌مصرف و شبکه‌های هوشمند طراحی شده‌اند.