فصل 1: مقدمه ای بر شبکه

فصل 1: مقدمه

• هدف از این فصل آشنایی کلی با اصطلاحات و مفاهیم شبکه است
• مفاهیم عمیق تر در طول دوره بررسی می شوند

نقشه راه / نمای کلی فصل

• اینترنت چیست؟
• پروتکل چیست؟
• لبه شبکه، شامل میزبان ها، شبکه دسترسی، و رسانه فیزیکی
• هسته شبکه، شامل سوئیچینگ بسته ای/ مداری و ساختار اینترنت
• عملکرد شبکه، شامل میزان از دست دادن داده، تاخیر و توان گذردهی
• لایه های پروتکل و مدل های سرویس
• امنیت
• تاریخچه

اجزای اینترنت از دیدگاه "پیچ و مهره"

• اینترنت از میلیاردها دستگاه محاسباتی متصل تشکیل شده است
• به طور خاص هوست(hosts) ها سیستم های انتهایی (end systems) در لبه اینترنت هستند که برنامه های شبکه را اجرا می کنند
• سوئیچ های بسته ای (Packet switches) بسته ها (chunks of data) ی داده را به جلو هدایت می کنند
• مسیریاب ها (routers) و سوئیچ ها (switches) انواع اساسی سوئیچ های بسته ای هستند
• لینک های ارتباطی از فیبر, مس, امواج رادیویی و ماهواره ها تشکیل شده اند
• پهنای باند (bandwidth) نرخ انتقال داده را مشخص می کند
• شبکه مجموعه ای از دستگاه ها , مسیریاب ها و لینک هاست که توسط یک نهاد سازماندهی و مدیریت می شود

نقش اینترنت از دیدگاه نوع سرویس

• زیرساخت هایی دارد که سرویس های مختلفی را به اپلیکیشن ها ارائه می دهند
• این سرویس ها شامل برنامه های وب / multimedia / انتقال تصویر کنفرانس / email و بازی ها می شوند
• رابط برنامه نویسی شده برای برنامه های توزیع شده فراهم می کند
• به اپلیکیشن ها "قلاب" متصل می کند و به آن ها اجازه استفاده از سرویس های انتقال داده را می دهد
• گزینه های سرویس , مانند یک سرویس پستی ارائه می کند

پروتکل ها

• پروتکل های انسان: "ساعت چنده؟"، "من یه سوال دارم"، معرفی ها
• درمقابل, پروتکل های شبکه برای ارتباط بین دستگاه ها طراحی شده اند
• پروتکل ها تعیین می کنند که:
  • قالب های پیام های ارسالی و دریافتی چگونه باشند
  • چه ترتیبی برای ارسال پیام ها رعایت شود
  • پس از دریافت پیام, چه اقداماتی انجام شود

لبه شبکه

• لبه شبکه از هوست ها (مشتری / خدمت دهنده) تشکیل شده است
• هوست ها اغلب در دیتا سنتر ها قرار دارند

رسانه های فیزیکی

• شامل لینک های ارتباطی با سیم و بی سیم

هسته شبکه

• از مسیریاب های Interconnected درست شده است
• خود هسته، یک شبکه از شبکه هاست

نحوه اتصال دستگاه های انتهایی به روتر لبه (edge router)

• شبکه های دسترسی مسکونی
• (شبکه های سازمانی / تحصیلی (مدرسه, شرکت
• شبکه های دسترسی موبایل (WiFi, 4G/5G)

شبکه های دسترسی مبتنی بر کابل

• با استفاده از روش تسهیم فرکانس (frequency division multiplexing (FDM)) , کانال های مختلف در باندهای فرکانسی متفاوتی منتقل می شوند
• HFC (hybrid fiber coax) یک نوع کواکسی ترکیبی است
  • نوع نامتقارن آن دارای نرخ انتقال پایین دستی 40 مگابیت بر ثانیه تا 1.2 گیگابیت بر ثانیه و نرخ انتقال بالادستی 30 تا 100 مگابیت بر ثانیه است
• در این نوع شبکه منازل از طریق کابل / فیبر نوری به مسیریاب های ISP متصل می شوند
  • خانه ها در یک access network با یکدیگر به اشتراک گذاشته شده و به مرکز کابل متصل هستند

خطوط مشترک دیجیتال (DSL)

• از یک خط تلفن به یک دفتر مرکزی DSLAM استفاده می کند
  • در این نوع، داده ها از طریق اتصال DSL به اینترنت منتقل می شوند
  • ارتباطات صوتی از طریق اتصال DSL به سیستم تلفن منتقل می شوند
• نرخ انتقال اختصاصی پایین دستی 24 تا 52 مگابیت بر ثانیه و نرخ انتقال بالادستی 3.5 تا 16 مگابیت بر ثانیه دارد

شبکه های بی سیم

• در این نوع شبکه ها از ایستگاه پایه به عنوان "نقطه دسترسی" به عنوان اتصال استفاده می شود
• شبکه های محلی بی سیم (WLAN) درون یک محدوده (~100ft) کار می کنند
  • آن ها معمولاً از استاندارد های 802.11b/g/n (WiFi) برای نرخ انتقال 11 ,54, و 450 مگابیت بر ثانیه استفاده می کنند
• شبکه های دسترسی سلولی (Wide-area cellular access networks) توسط اپراتور های شبکه تلفن همراه ارائه می شوند
  • در محدوده 10 کیلومتر و با سرعت 10 مگابیت در ثانیه در دسترس هستند
  • و از شبکه های 4G و / یا 5G استفاده می کنند

شبکه های شرکتی (Enterprise Networks)

• شرکت ها, دانشگاه ها و بقیه نهاد ها از این نوع شبکه ها استفاده می کنند
• از تکنولوژی های wire و wireless استفاده می کنند; و سوئیچ ها و روتر ها را به هم متصل می کنند
  • اتصالات با سیم از استاندارد ی Ethernet از 100 مگابیت تا 10 گیگابیت بر ثانیه استفاده می کنند
  • نقاط اتصال بی سیم با استفاده از WiFi؛ 11 تا 450 مگابیت در ثانیه در دسترس هستند

انتقال بسته

• برای ارسال یک پیام:
  • پیام برنامه به قسمت های کوچک تری به طول L تقسیم می شود (بسته)
  • بسته در شبکه در نرخ انتقال R انتقال داده می شود packet transmission delay = L (bits) / R (bits/sec) -

رسانه های فیزیکی (Physical Media)

• بیت به صورت جفت بین فرستنده و گیرنده منتشر می شود
• نوع اتصال فیزیکی: از دو سیم مسی عایق برای انتقال دیتا استفاده می شود(Twisted pair)
  • (دسته 5: 100 مگابیت بر ثانیه, 1 گیگابیت بر ثانیه؛ دسته 6: 10 گیگابیت بر ثانیه)
• لینک کواکسیال (coaxial) از دو لایه مس متحد المرکز استفاده می کند
  • دوطرفه است و به عنوان پهنای باند انتقال استفاده می شود
  • کانال های فرکانسی متعددی دارد (100 مگابیت بر ثانیه به ازای هر کانال)
• لینک های فیبر نوری از پالس های نور بر پایه فیبر استفاده می کند
  • و از انتقال سرعت بالا (10 تا 100 گیگابیت بر ثانیه) با خطای کم پشتیبانی می کند
    • همچنین در مقابل نویز مقاوم است (پالس های الکترومغناطیسی بر آن اثر نمی گذارند) و نیازی به تکرار کننده در فواصل کم ندارد
• لینک های رادیویی بی سیم:
  • امواج رادیویی در باندهای فرکانسی مختلف با اثرات انتشار گوناگون دارد
  • شبکه های LAN بی سیم، از 10 تا 100 مگابیت در ثانیه؛ طیف 10 متری انتشار دارد
• شبکه های WANبی سیم 10 مگابیت در ثانیه از 4G و / یا 5G پشتیبانی می کند - Bluetooth برای جایگزینی کابل در فواصل کوتاه با نرخ محدود مناسب است - ماکروویو های زمینی (45 مگابیت بر ثانیه) اتصال نقطه به نقطه فراهم می کنند - ماهواره ها تا 100 مگابیت بر ثانیه (Starlink) انتقال پایین دست و تاخیر 270 میلی ثانیه در شبکه های ثابت فراهم می کنند,

هسته شبکه

• شامل Mesh متصل از روترهااست
• سوئیچینگ بسته ای (packet switching) : پیامها به بسته های کوچک تر تقسیم می شوند ـ- این بسته ها از یک روتر، به روتر بعدی ارسال می شوند تا به مقصد برسند

عملکرد های هسته شبکه

• فورواردینگ (Forwarding) که به معنای جابجایی بسته ها به پورت صحیح است
• مسیریابی (Routing) به تعیین مسیر درست برای رسیدن بسته به مقصد اشاره دارد

فرایند سوئیچینگ بسته ای

• از روش "ذخیره و ارسال" استفاده می شود:
  • برای ارسال بسته به طول L از یک لنگ با پهنای باند R: L/R ثانیه صرف می شود
  • تمام بسته باید قبل از ارسال به روتر بعدی وارد شده باشد/ دریافت شده باشد
• صف بندی در سوئیچینگ بسته ای

سوئیچینگ مداری (Circuit Switching)

• منابع پایانی به یک "تماس" (call) بین مقصدی از قبل اختصاص داده شده است - هر یک از لینک ها دارای چند مدار هستند
  • دارای منابع اختصاصی / کارایی ضمانت شده است -اگر در حال استفاده نباشد, سگمنت مدار بیکار می ماند
• در شبکه های تلفن سنتی به کار می رود
• هر تماس یک جایگاه دوره ای دارد تا فرکانس را انتقال دهد Time Division / Frequency Division multiplexing -

سوئیچینگ بسته ای در مقابل مداری

• سوئیچینگ بسته ای (packet switching): یک راه حل برای داده‌ های ناهموار (bursty) مناسب است و نیازی به تنظیمات قبلی ندارد
  • با این حال, ممکن است ازدحام بیش از حد وجود داشته باشد که باعث از دست دادن داده شود و نیاز به تعریف پروتکل هایی برای انتقال قابل اعتماد دارد
• سوئیچینگ مداری (circuit switching) : روشی است که منابع مدار اختصاص داده می شود و از ازدحام جلوگیری می‌شود

ساختار اینترنت به شکل "شبکه ای از شبکه ها"

• هاست ها از طریق ISP به اینترنت متصل می شوند
• ISP ها به نوبه خود باید با هم مرتبط باشند تا هر هوستی بتواند بسته ای را به هر هاست دیگری بفرستد

ساختار کنونی اینترنت

• (اتصال به ISP های جهانی برای اتصال به شبکه های محلی، "اتصال مستقیم و غیر مستقیم")
  • روش N*N برای اتصال، به خوبی مقیاس نمی شود
  • هر ISP، به یک ISP گذرا و ترانزیت جهانی وصل می شود
• یک ساختار رقیابتی توسط ISP ها درست می شود و به آنها اجازه می دهد تا در نقاط تبادلات اینترنت(IXP) به هم متصل شوند
• اینترنت به ISP های منطقه ای و ملی و همچنین شبکه تحویل محتوا اجازه می دهد که خدمات/بسته را به کاربران پایانی برسانند
• در راس امور: تعداد انگشت شماری شبکه بسیار بزرگ با پوشش ملی و بین‌المللی وجود دارد

تاخیر و از دست دادن بسته چگونه رخ می دهد؟

• بسته ها , قبل از انتقال, در صف буфери ها در مسیریاب منتظر می مانند
  • اگر میزان رسیدن بیش از میزان ظرفیت انتقال باشد, طول صف بیشتر می شود

چهار چشمه تاخیر بسته

• تاخیر پردازش گره (Nodal processing delay): بیت های درون بسته را چک می کند و لینک خروجی را تعیین می کند
• تاخیر در صف بندی (Queueing delay): مدت زمان انتظار بسته در صف خروجی، وابسته به میزان ازدحام روتر است
• تاخیر انتقال (Transmission delay): زمان لازم برای "هل دادن" بسته به داخل لینک خروجی
• تاخیر انتشار (Propagation delay): مدت زمان لازم برای انتشار سیگنال در طول لینک فیزیکی

"Real" Internet delays و مسیرها

• دستور traceroute به کاربر اجازه می دهد, مسیر و زمان تاخیر های بین مسیریاب ها را trace کنند
  • با فرستادن چند بسته به هر روتر در مسیر و ثبت زمان رفت و برگشت

فرآیند از دست دادن بسته

• صف (بافر) قبل از هر لینک گنجایش محدودی دارد
• بنابر این ممکن است, بسته های ورودی در صف های پر حذف شوند
  • این بسته های حذف شده ممکن است مجددا توسط محل خطا یا توسط سیستم مقصد ارسال شوند یا اصلا ارسال نشوند

گذردهی (Throughput)

• "نرخ گذردهی" نرخ انتقال بیت از sender به receiver است
• نرخ لحظه ای نرخ انتقال بیت در یک لحظه است
• نرخ میانگین میزان گذردهی طولانی مدت تر را نشان می دهد

ساختار اینترنت

• در سال های اولیه ساخت، اینترنت به امنیت توجه چندانی نداشت

• در طرح اولیه اینترنت, تمام کاربران مورد اعتماد بودند

  • طراحان پروتکل در حال تعقیب "مسائل امنیتی" بودند

• امروز به مسائل امنیتی در تمام لایه ها توجه می شود

• ما باید فکر کنیم که ادم های بد چگونه به کامپیوتر حمله می کنند

  • چگونه شبکه را درمقابل این حملات مقاوم‌سازی کنیم؟
  • معماری‌های ایمن در برابر حملات را چگونه طراحی کنیم؟
  • packet sniffing (بسته بویی): روتر های مختلف در حال خواندن رمز عبور و یا data ها دزدیده می شود
  • جعل هویت IP: وارد کردن بسته با آدرس جعلی
  • حمله منع سرویس: مهاجم برای استفاده ترافیک, با جعل منبع ترافیک

• خطوط دفاع - دفاع ها اثبات می کنند چه کسی هستند

  • مخابرات سلولی هویت ها را از طریق SIM card میسر می کنند – این ویژگی در اینترنت وجود ندارد
  • رمزگذاری : در این راهکار, امضا های دیجیتال جلوی دستکاری کردن داده ها را می گیرند
  • فایروال ها: فیلتر ترافیک, برنامه های کاربردی برای واکنش به DOS

مدل های پروتکل

• شبکه ها پیچیده هستند. شامل هاست ها, رو ترها, لینک ها, برنامه های کاربردی, پروتکل ها و hardware و software هستند
• هدف از مدل های پروتکل ساده سازی طراحی و ارتباط بین شبکه هاست
• شبکه هر لایه سرویس را برای لایه بعدی پیاده سازی می کند
• هر لایه اعمال داخلی دارد و به سرویس های لایه پایین تر متکی است
• مدل اینترنت 5 لایه دارد
  • لایه فیزیکی
  • لینک دیتا
  • لایه شبکه
• لایه transport
• لایه app

مدل ISO/OSI

• مدلی هفت لایه که شامل لایه ارائه برای تفسیر مفهوم داده ها است
  • رمزگذاری, فشرده‌سازی, کنوانسیون ‌های وابسته به ماشین
  • جلسه : هماهنگ سازی و چک کردن و بازیابی
• 5 لایه ISOSI لایه اینترنت است
• این لایه ها missing هستند اما این لایه ها اگر لازم بود توسط برنامه پیاده‌سازی می شود

خدمات

• لایه بندی و کپسوله سازی. App: تبادل پیام, - transport :انتقال
• شبکه; پروتکل انتقال لایه شبکه انتقال های قطعه [M|Ht ]ازیک هاست به بقه باسروس های لایه لینک

کپسوله سازی

• کپسوله کردن اطلاعات

تاریخچه اینترنت

اصول early سال های 1961 تا 1972

• 1961: مدل های صف نشان داد بسته های سوئیچینگ موثر هستند
• 1964 ایجاد سوئیچینگ بسته در شبکه های نظامی
• 1967: آرپانت توسعه یافت با سازمان های research و پروژه های پیشرفته 1969، آرپانت ارگانایزر شد

سال های 1972 تا 1980

اینتر نت شبکه new and proprietary مدار آلوها نت : 1970 که از و شبکه ماهواره ای در هاوایی آغاز 1974 - cerf و kahn. معراری که به شبکه اجازه connect می دهد 1979:200 آرسانت ایجاد شد Cerf and Kahn's internetworking principles: - minimalism و autonomy تغییر و تحول برای شبکه لازم نیست - بهترین ارایه سروس و stateless بودن و dencentrialed کردن را از اصول می باشد

سال های 1980_1990ترویج شبکه ها

• در سال 1983 TCP/IP دیپلوی شد
• در سال 1982 پروتکل email تعریف شد در سال 1983 DNS برای آدرس NAME Ip تعریف شد
• در سال 1958 پروتکل FTP تعریف گردید د ر سال 1988 TCP مدیریت ازدحام رو شروع نمود شبکه ای جدید در سطح ملی : csnet, nsfnet, Bivinet

سال 1990 الی 2000 توسعه و تجاری‌سازی:

1990 - Arpanet از بین رفت 1991 . محدودیت نسفهت باعث شد استفاده های تجاری پدید اید 1990: ا وب - html - http که توسط بر نیز لی معرفی شد د 1990 : اوایل : پیدایش برنرسل اواخر: 1990 بیشتر از 50 میلیون هاست و 100 +میلیون کاربر و به کار گیری لینک و backbone