الطبقة الثالثة: طبقة الشبكة

ملاحظة: يسمى تنسيق الرسالة في هذه الطبقة بحزمة ⁦(Packet)⁩.

تعرفنا في الطبقة الثانية على العنونة الفيزيائية التي تساعد البيانات في التنقل داخل الشبكة المحلية، كذلك تحتاج هذه البيانات إلى نظام عنونة يعمل على التنقل بين الشبكات، هذا الدور تقوم به الطبقة الثالثة عن طريق العنونة المنطقية.

1. وكما هو معروف في أي نظام اتصالات يجب وجود عنوان فريد لكل جهاز على شبكة الاتصال ليمكنه من التواصل مع أقرانه عبر الشبكات.
2. مثال على ذلك عنوان صندوق البريد، رقم الهاتف، أما في شبكة الحاسوب فالعنونة المنطقية المستخدمة هي عنونة ما يسمى الـ ⁦IP⁩.

يجب أن يوجد لكل جهاز على شبكة الحاسوب عنوان ⁦IP⁩ يميزه عن غيره، ويستخدم هذا العنوان من قبل أجهزة الشبكات الأخرى من أجل الوصول إلى الجهاز.

من المهام الأخرى لهذه الطبقة توجيه الرسالة (الحزمة) من المصدر للهدف عبر الموجهات ⁦Routers⁩، حيث يقوم الموجه بتوجيه الرسالة عبر اقصر الطرق اعتماداً على عنوان ⁦IP⁩ الهدف الموجود في رأس الحزمة.

يتكون عنوان الـ ⁦IPv4⁩ من 32 بت يقسم إلى 4 خانات، في كل خانة 8 بت. عدد العناوين التي يدعمها ⁦IPv4⁩ هي $2^{32} = 4.294.967.296$ ما يقارب 4.3 مليار عنوان. يتم تمثيله بالنظام العشري، 4 خانات عشرية. كل خانة تمثل 8 بت. عند استخدام النظام العشري لتمثيل 8 بت ثنائي فإن احتمالات الرقم العشري تنحصر بين (0 عشري) الذي يمثل (0000 0000) ثنائي و (255) عشري والذي يمثل (1111 1111) ثنائي. ينقسم عنوان ⁦IP⁩ إلى قسمين: قسم يمثل عنوان الشبكة الموجود فيها الجهاز، والقسم الآخر يمثل عنوان الجهاز داخل الشبكة.

جميع الأجهزة داخل نفس الشبكة تتشابه في الجزء الخاص بعنوان الشبكة، وتختلف في الجزء الخاص بعنوان الجهاز.

ما الذي يحدد عدد خانات عنوان الشبكة وعدد خانات عنوان الجهاز في ⁦IP⁩؟

قناع الشبكة ⁦subnet mask⁩، حيث إن قناع الشبكة مكون من 4 خانات تماما كعنوان الـ ⁦IPv4⁩، ويتم استخدام هذا القناع من أجل التمييز بين الجزء الخاص بعنوان الجهاز والجزء الخاص بعنوان الشبكة. بنية قناع الشبكة: في العادة يتم استخدام الأرقام 255 في قناع الشبكة لتحديد الجزء الخاص بعنوان الشبكة والأرقام لتحديد الجزء الخاص بعنوان الجهاز.

سؤال: كم عنواناً موجوداً في شبكة قناعها

• أ. 255.255.255.0
• ب. 255.255.0.0
• ج. 255.0.0.0

قناع شبكة 255.255.255.0: في هذه الحالة فإن عدد خانات الجزء الخاص بالشبكة هو ثلاث خانات (24 بت)، وعدد خانات الجزء الخاص بعناوين الأجهزة واحده (8 بت). وعليه عدد العناوين في هذه الشبكة يساوي $2^8 = 256$ عنواناً. قناع شبكة 255.255.0.0: في هذه الحالة فإن عدد خانات الجزء الخاص بالشبكة هو خانتين (16 بت)، وعدد خانات الجزء الخاص بعناوين الأجهزة هو خانتين (16 بت). وعليه عدد العناوين في هذه الشبكة يساوي $2^{16} = 65.536$ عنواناً. قناع شبكة 255.0.0.0: في هذه الحالة فإن عدد خانات الجزء الخاص بالشبكة هو خانة واحدة (8 بت)، وعدد خانات الجزء الخاص بعناوين الأجهزة ثلاث خانات (24 بت). وعليه عدد العناوين في هذه الشبكة يساوي $2^{24} = 16.777.216$ عنواناً. استنادا لما سبق فان اختيار قناع الشبكة المناسب يعتمد على عدد العناوين التي نحتاجها داخل الشبكة.

بحث: ما هو ⁦IPv6⁩؟ ما هو حجمه؟ كم عنوانا يمكنه أن يخدم؟ وهل عدد هذه العناوين كافية؟

هناك طريقتان:

1. أن يقوم المستخدم بتكوين العنوان بشكل يدوي.
2. أن يحصل الجهاز على عنوان بطريقة تلقائية. و بهذه الطريقة يجب وجود جهاز في الشبكة يقدم هذه الخدمة (بروتوكول اعدادات المضيف الديناميكية) ⁦DHCP Dynamic Host Configuration Protocol⁩. حيث يكون لدى خادم مجموعة من العناوين يقوم بتوزيعها بشكل تلقائي على أجهزة الشبكة التي تطلب هذه الخدمة، وغالبا ما تكون هذه الخدمة موجودة في الموجه ⁦ROUTER⁩ الموجود في المؤسسة أو المنزل.

كيف نختار بين الطريقتين؟

إذا كانت طبيعة عمل الجهاز هي طلب الخدمة من الشبكة كتصفح الانترنت فإن الطريقة الثانية (التكوين التلقائي) هي المناسبة حيث توفر على مسؤول الشبكة عبء تكوين إعدادات العنوان يدوياً. أما إذا كانت طبيعة عمل الجهاز هي توفير خدمة على الشبكة كطابعة شبكة فإن الطريقة الأولى (التكوين اليدوي) هي الطريقة المناسبة، حيث يجب وجود عنوان ثابت على الجهاز ليتم استخدامه من قبل الأجهزة التي تريد طلب الخدمة من هذا الجهاز.

نشاط (١): في مختبر الحاسوب (تكوين عنوان ⁦IP⁩ في نظام التشغيل ⁦windows⁩)

اذهب لقائمة ⁦Start⁩، ثم اختر من القائمة بند لوحة التحكم ⁦control panel⁩.

من قائمة لوحة التحكم اختر بند مركز الشبكة والمشاركة ⁦Network and Sharing Center⁩.

من قائمة مركز الشبكة والمشاركة اختر بند تغيير إعدادات المحول ⁦Change Adapter setting⁩.

من قائمة تغيير إعدادات المحول ⁦Change Adapter⁩ اختر بند اتصال الشبكة المحلية.

يظهر على الشاشة نافذة اتصال الشبكة المحلية ⁦Local area Connection⁩ من هذا النافذة اذهب لخيار خصائص ⁦Properties⁩، و منه اختر بند (⁦Internet Protocol Version 4 (TCP/IPv4)⁩.

يظهر على الشاشة نافذة (⁦Internet Protocol Version 4 (TCP/IPv4)⁩ الاعدادات الافتراضية لنظام ⁦windows⁩ هو اعداد العنوان التلقائي ⁦Obtain IP address automatically⁩.

يمكنك اختيار الإعداد اليدوي ⁦Use the following IP address⁩ لتعيين عنوان ثابت.

نشاط (٢): معرفة عنوان ال ⁦IP⁩ لجهاز حاسوب.

١. تشغيل واجهة سطر الأوامر.

٢. من خلال كتابة الأمر ⁦ipconfig⁩ تظهر النافذة الآتية، والتي تظهر عنوان ⁦ip⁩ الجهاز.

10.0.0.30 هو عنوان ⁦IP⁩ الجهاز. 255.255.255.0 قناع الشبكة. 10.0.0.138 هو عنوان الموجه ⁦ROUTER⁩ الذي يعد البوابة الافتراضية للجهاز للخروج خارج الشبكة الداخلية والوصول لشبكة الإنترنت. يستخدم أمر ⁦ping⁩ في موجه الأوامر لفحص الاتصال مع عنوان ⁦IP⁩ على الشبكة.

نشاط (٣): فحص الاتصال مع عنوان ⁦IP⁩ البوابة الافتراضية.

فحص الاتصال مع عنوان ⁦IP⁩ غير متصل بالشبكة.

من أهم أجهزة الشبكة التي تعمل في الطبقة الثالثة (طبقة الشبكة) جهاز الموجه ⁦Router⁩.

لمعرفة كم موجه يقوم بتوجيه رسالتي وصولاً لموقع ⁦google⁩؟ نقوم بكتابة الأمر ⁦tracert www.google.com⁩ على موجه سطر الأوامر.

حيث تعمل خدمة ⁦(DNS)⁩ على إعطائنا عنوان ⁦(IP 216.58.214.132)⁩ للإسم ⁦(www.google.com)⁩.

نستنتج أن الموجه يقوم بتحويل الرسالة بين الشبكات اعتماداً على عنوان ⁦IP⁩ الموجود في الرسالة (الحزمة) وصولاً للهدف، وكما هو واضح بالمثال؛ فإن رسالتنا وجهت من قبل 10 موجهات وصولاً لموقع ⁦www.google.com⁩.

لماذا نحتاج لكل من العنونة الفيزيائية والمنطقية؟

يمكن أيضاً الحصول على نفس النتيجة، ولكن بواجهة رسومية بالاستعانة بإحدى التطبيقات، مثل ⁦www.visualroute.com⁩ وكما تعلمت فإن الطبقة الثانية توفر نظام العنونة الفيزيائي، وهو عنوان محلي والطبقة الثالثة توفر نظام العنونة المنطقي الذي يساعدنا في توجيه الرسالة بين الشبكات، ولكن لماذا نحتاج لنظامي عنونة (فيزيائي ومنطقي)؟ مثال: أنت من قرية في محافظة جنين، وتريد أن تزور صديقاً لك من قرية في محافظة الخليل. فما هي العناوين التي تحتاجها من أجل الوصول إلى صديقك؟ بداية أنت بحاجة لعنوان صديقك الكامل (محافظة الخليل، قرية أ، حي ب، منزل ج). هذا العنوان يسمى بالعنوان المنطقي. ولكن إذا أردت أن تستخدم المواصلات العامة فأنت بحاجة للتنقل بين عدة محطات؛ لتصل لصديقك. وبالتالي أنت بحاجة هذه المحطات خلال سفرك، وهذه العناوين تسمى العناوين الفيزيائية.

نظام عنونة منطقي (محافظة الخليل، قرية أ، حي ب، منزل ج) حيث يتم استخدامه عند الوصول لكل محطة من أجل تحديد الاتجاه المناسب للخطوة التالية، وهو عنوان ثابت لا يتغير على طول المسار بين المصدر والهدف. نظام عنونة فيزيائي (محطة المواصلات العامة بقريتك، محطة رام الله، محطة الخليل، محطة القرية، الحي، المنزل) وهو عنوان يتغير بين كل مرحلة وأخرى، ويدل على العنوان التالي في الطريق. وكذلك في الشبكة فإذا أردت الوصول من أحد أجهزة مدرستك لموقع جوجل - كما في المثال السابق- فإن لموقع جوجل عنواناً منطقياً ⁦(172.217.21.100) IP⁩ الذي لا يتغير طول المسار، ويتم استخدامه عند كل محطة (والمحطة في حالتنا هذه الموجه ⁦ROUTER⁩)، من أجل تحديد الاتجاه المناسب، ولكن العنوان الفيزيائي يتغير عند الانتقال من موجه لآخر: عند انطلاق الرسالة من جهازك يكون العنوان الهدف الفيزيائي ⁦MAC⁩ ليس عنوان جوجل، وإنما العنوان الفيزيائي للمحطة التالية وهو في حالتنا هذه عنوان ⁦MAC⁩ الموجه ⁦ROUTER⁩ والموجود في مدرستك. عند خروج الرسالة من موجه مدرستك لموجه شركة تزويد الإنترنت تحافظ الرسالة على نفس عنوان الهدف المنطقي ⁦IP⁩ لجوجل، ولكن يتغير عنوان الهدف الفيزيائي من عنوان الموجه الخاص بالمدرسة إلى العنوان الفيزيائي للمحطة التالية وهو في حالتنا هذه الموجه الخاص بمزود الإنترنت. هكذا يتم تغيير العنوان الفيزيائي من موجه لموجه مع بقاء العنوان المنطقي ثابتاً لا يتغير حتى الوصول إلى موقع جوجل.

جهاز بعنوان (192.168.3.1) يود إرسال رسالة لجهاز بعنوان (192.168.4.2) قناع الشبكة لكلا الجهازين (255.255.255.0). هل الجهازان موجودان في نفس الشبكة؟ الجواب: لا، بناءً على قناع الشبكة أول 3 خانات تمثل عنوان الشبكة، وعليه لدى الجهازين جزء عنوان الشبكة مختلف.

وعليه الجهازان بحاجة لموجه لتوجيه الرسالة بين الشبكتين حيث يحتوي الموجه على منفذين أحدهما ينتمي إلى الشبكة الأولى بعنوان (192.168.3.2) والآخر ينتمي إلى الشبكة الثانية بعنوان 192.168.4.1 بحيث يكون هذان العنوانان البوابة الافتراضية لجميع الأجهزة كل في شبكته.

يتم إرسال الرسالة من الجهاز الأول إلى واجهة الموجه المحلية بحيث يكون عنوان الـ ⁦IP⁩ المصدر هو عنوان ⁦IP⁩ الجهاز الأول 192.168.3.1 وعنوان الـ ⁦IP⁩ الهدف هو عنوان الجهاز الثاني 192.168.4.2. أما بخصوص عناوين الـ ⁦MAC⁩ فيكون عنوان الـ ⁦MAC⁩ في هذه المرحلة هو عنوان ⁦MAC⁩ الجهاز الأول 0800:0222:2222 حيث يعد هذا العنوان هو عنوان المحطات التي صدرت منها الرسالة. وعنوان الـ ⁦MAC⁩ الهدف هو عنوان ⁦MAC⁩ منفذ الموجه في هذه الشبكة 0800:0333:2222، حيث يعد هذا العنوان عنوان المحطات التالية للرسالة. لاحظ الشكل.

يتفحص الموجه عنوان ⁦IP⁩ الهدف في الرسالة؛ و يجد أنه ينتمي إلى الشبكة 192.168.4 وعليه ياخذ القرار بتوجيه الرسالة للمنفذ الثاني؛ لأن هذا المنفذ ينتمي إلى هذه الشبكة 192.168.4.1.

يتم إرسال الرسالة من الواجهة الثانية بحيث لا يتغير عنوان الـ ⁦IP⁩ المصدر و الهدف بحيث يكون عنوان الـ ⁦IP⁩ المصدر هو عنوان ⁦IP⁩ الجهاز الأول 192.168.3.1 وعنوان الـ ⁦IP⁩ الهدف هو عنوان الجهاز الثاني 192.168.4.2. أما بخصوص عناوين الـ ⁦MAC⁩ فيكون عنوان الـ ⁦MAC⁩ في هذه المرحلة هو عنوان ⁦MAC⁩ منفذ الموجه الثاني 0800:0333:1111 حيث يعد هذا العنوان هو عنوان المحطات التي صدرت منها الرسالة.

عنوان الـ ⁦MAC⁩ الهدف هو عنوان ⁦MAC⁩ الجهاز الثاني 0800:0222:1111، حيث يعد هذا العنوان هو عنوان المحطات التالية للرسالة.

أسئلة الدرس

1. كم عدد الخانات الثنائية التي يتكون منها كل من ⁦IPv4⁩ و ⁦IPv6⁩؟
2. كيف يتم التمييز بين جزء عنوان الشبكة و جزء الجهاز في عنوان الـ ⁦IP⁩؟ دعم إجاباتك بأمثلة.
3. خلال مسار الرسالة بين المرسل والمستقبل ما هي العناوين التي تبقى ثابتة داخل الرسالة؟ و ما هي العناوين التي تتغير بالانتقال من موجه لآخر؟
4. ما الفرق بين العنوان المنطقي و العنوان الفيزيائي؟
5. ما الجهاز الذي يتم استخدامه لتوجيه الرسائل بين الأجهزة التي تنتمي لشبكات مختلفة؟
6. اي عنوان داخل الرسالة يستخدمه الموجه لأخذ القرار إلى أي منفذ يجب توجيه الرسالة؟