الطبقة الرابعة: طبقة النقل

بعد التعرف على مهام الطبقات الثلاث الأولى في نموذج ⁦OSI⁩ نتطرق في هذا الدرس لمهام الطبقة الرابعة حيث تقوم هذه الطبقة بتقسيم البيانات لقطع عند الإرسال وإعادة تجميعها عند الاستقبال إضافة لذلك تقوم هذه الشبكة بإدخال نوع عنونة جديد، وهو عنونة المنفذ ⁦Port addressing⁩ بالإضافة لمهام اضافية تساعد على تنسيق الاتصال بين طرفيه.

ملاحظة: يسمى تنسيق الرسالة في هذه الطبقة بقطعة ⁦(Segment)⁩.

تقوم طبقة النقل باستلام البيانات الجاهزة للإرسال من الطبقات العليا، وتقسيمها لقطع لتسهيل نقلها عبر الشبكة، وتقوم هذه الطبقة عند المستقبل بإعادة تجميع القطع لتجهيزها للعرض في المستقبل؛ لأن أجهزة الشبكة (المحولات و الموجهات) لديها قدرة استيعاب محدودة لحجم البيانات لذا يتوجب تقطيع البيانات ليكون بمقدور أجهزة الشبكة حملها من المرسل إلى المستقبل.

يستطيع المستخدم لجهاز الحاسوب أن يفتح أكثر من تطبيق شبكي على نفس الجهاز، وفي نفس الوقت، (بريد إلكتروني، تصفح الويب، تنزيل ملف).

جميع هذه التطبيقات تستقبل بياناتها على نفس عنوان الـ ⁦IP⁩، ولكن كيف يتسنى لنظام الحاسوب فصل هذه البيانات وإرسالها للتطبيق المناسب؟

هذا يتطلب عنونة إضافية تدل على التطبيق، وهي عنونة المنفذ. (عنوان الـ ⁦IP⁩ يدل على الجهاز، أما عنوان المنفذ فيدل على التطبيق داخل الجهاز)، بفضل عنونة المنفذ يستطيع المستخدم تشغيل أكثر من تطبيق شبكي على نفس الجهاز وفي نفس الوقت. يتكون عنوان المنفذ من 16 بت بحيث يكون الرقم متسلسل من رقم 0 وحتى ⁦65535. TCP⁩: ⁦Transmition Control Protocol⁩ يقوم بمهام تقسيم البيانات وعنونة المنفذ كل من بروتوكولات:

بروتوكول ⁦TCP⁩ يضيف مهام إضافية لها علاقة بتنسيق الاتصال بين المرسل والمستقبل، منها: إعادة ترتيب قطع البيانات بنفس الترتيب التي أرسلت به.

كما تعلمنا في الدرس السابق فأن الموجه يقوم بتوجيه الرسالة بين المصدر والهدف اعتماداً على أقصر طريق بينهما، وعليه فقد تختلف الطريق من وقت لآخر اعتماداً على حالة الشبكة، مما قد يؤدي إلى انتقال قطع نفس الرسالة من طرق مختلفة؛ مما قد يسبب عدم وصول هذه القطع بنفس الترتيب التي صدرت به.

يقوم بروتوكول ⁦TCP⁩ بحل هذه المشكلة باستخدام نظام ترقيم للقطع بحيث يقوم المرسل بإعطاء كل قطعة رقم تسلسلي يتم استخدامه من قبل المستقبل لإعادة ترتيب القطع بالشكل السليم.

يقوم بروتوكول الـ ⁦TCP⁩ على طرفي الاتصال بتتبع قطع البيانات بين المرسل والمستقبل عن طريق إرسال إشعار بين طرفي الاتصال حيث ينتظر المرسل رسالة إقرار ⁦(Ack)⁩ من المستقبل تؤكد وصول المجموعة من القطع التي تم ارسالها قبل إرسال مجموعة القطع التي تليها وفي حالة عدم إستلام الاقرار يقوم المرسل بإعادة إرسال نفس مجموعة القطع مرة اخرى.

تقوم هذه الطبقة بإنشاء الاتصال بين طرفي الاتصال عند الحاجة لإرسال بيانات عن طريق مصافحة الأيدي بثلاثة اتجاهات ⁦three-way hand shake⁩:

يقوم ببدء الاتصال أحد الطرفين، ويسمى في حالتنا العميل ⁦client⁩، فيقوم بإرسال رسالة مزامنة ⁦(syn)⁩ يطلب فيها الإذن ببدء الاتصال. يقوم الطرف الثاني المتلقي لطلب الاتصال (ويسمى الخادم ⁦server⁩) بإرسال رسالة فيها إقرار استقبال طلب الاتصال ⁦(Ack)⁩ وإعطاء الموافقة عليه ⁦(syn)⁩. يرد الطرف الأول (العميل ⁦client⁩) بإقرار استلام الموافقة على الطلب ⁦(Ack)⁩، ويتم إنشاء الاتصال، لاحظ الشكل (1)، ولإنهاء الاتصال يتم تبادل الرسائل التالية حسب الشكل (2).

يعد بروتوكول ⁦TCP⁩ بروتوكولاً موثوقاً، يشكل عبئاً على الشبكة، لذلك يتم استخدامه في التطبيقات التي لا تقبل أي نسبة خطأ خلال نقل البيانات حتى لو كان ذلك على حساب تأخر الرسالة، المهم ان تصل الرسالة دون تغيير، مثال على هذه التطبيقات: تصفح الويب، البريد الإلكتروني، التحويلات المالية عبر الشبكة. في المقابل بروتوكول ⁦UDP⁩ هو بروتوكول غير موثوق حيث من الممكن أن تضيع بعض قطع الرسالة في الطريق ولا يقوم البروتوكول بإعادة إرسالها، ولكن في المقابل عبء هذا البروتوكول أقل بكثير من بروتوكول ⁦TCP⁩، وعليه تستخدمه التطبيقات التي تريد إيصال الرسالة دون تأخير مع تقبل نسبة معينة من الأخطاء مثال على هذه التطبيقات: الاتصال الهاتفي عبر الشبكة ⁦VOIP⁩، بث الفيديو عبر الشبكة ⁦Video Streaming⁩.

نشاط (1):

استخدام الامر ⁦netstat⁩ يمكنك استخدام الأمر ⁦netstat -n⁩ من موجه سطر الأوامر؛ لمعرفة عدد الاتصالات المفتوحة على جهازك بتفاصيلها (البروتوكول المستخدم ⁦TCP⁩ أو ⁦UDP⁩) عناوين الـ ⁦IP⁩ والمنفذ ⁦Port⁩ المستخدمة.

نشاط (2):

استعراض الرسائل بين جهازك وخادم ⁦google⁩ أثناء تصفحك الموقع. تنزيل و تنصيب برنامج مراقبة الشبكة ⁦wireshark⁩ من موقع الويب التالي: ⁦https⁩://⁦www.wireshark.org/download.html⁩

تشغيل البرنامج واختيار بطاقة الشبكة المراد مراقبة تدفق البيانات عليها.

في حالتنا هذه نختار فلتر ⁦TCP only⁩ وذلك لتسهيل متابعة الرسائل مع خادم ⁦google⁩.

1. ثم نضغط على زر ⁦start⁩.
2. ننتقل إلى متصفح الإنترنت، ونفتح صفحة ⁦google⁩.
3. ننتقل إلى تطبيق ⁦wireshark⁩، ثم نضغط على زر ⁦stop⁩.
4. نستعرض النتائج ونناقشها.

كرر هذا التمرين، ولكن بتصفحك مواقع أخرى غير ⁦google⁩. ماذا يحدث لكل من عنوان الـ ⁦MAC⁩ والـ ⁦IP⁩ و ⁦port⁩؟

دون النتائج في الجدول:

ستجد أن كلاً من عناوين ⁦MAC⁩ و ⁦IP⁩ المصدر لا تتغير؛ لأننا نرسل الرسالة من نفس الجهاز. ستجد أن العنوان المنطقي ⁦IP⁩ الهدف يختلف باختلاف الموقع، فلكل موقع على الإنترنت عنوان مختلف. ولكن العنوان الفيزيائي الهدف سيكون نفسه مهما تغير الموقع الذي نتصفحه؛ لأن العنوان الفيزيائي كما تم شرحه في الدرس السابق- هو عنوان يدل على الخطوة التالية في طريقنا إلى الهدف، وهو في جميع حالاتنا. يكون هو عنوان ⁦MAC⁩ الموجه في مدرستنا؛ إذ إن جهاز الحاسوب يلجأ دائماً إليه كخطوة أولى في طريقه لتصفح أي موقع على الإنترنت. أما بخصوص عنوان المنفذ فعنوان المصدر يختلف عند فتح أية صفحة جديدة على مستعرض الانترنت؛ وذلك لتمييز هذه الصفحه برقم المنفذ هذا، وبالتالي عدم تداخل المعلومات المستقبلة مع الصفحات الأخرى حيث إن لكل صفحة رقم منفذ يميزها. اما عنوان المنفذ الهدف فقد يتشابه، أو يختلف اعتماداً على البروتوكول الذي يستخدمه خادم الموقع. مثال منفذ 80 يستخدم لتصفح الإنترنت غير الآمن، ولكن منفذ 443 يستخدم لتصفح الإنترنت الآمن.

1. كم عدد الخانات الثنائية التي يتكون منها عنوان المنفذ؟
2. ما الفائدة من وجود عنوان المنفذ؟
3. كيف يقوم بروتوكول ⁦(TCP)⁩ الموجود على العميل ⁦(Client)⁩ من التأكد من وجود الطرف الآخر الخادم ⁦(Server)⁩ قبل إنشاء الاتصال معه؟
4. ما الطريقة التي يستخدمها بروتوكول ⁦(TCP)⁩ لإعادة ترتيب قطع الرسالة عند المستقبل بنفس الترتيب التي صدرت به من الموصل؟
5. كيف يختار مصمم تطبيق شبكي بين ⁦(TCP)⁩ و⁦(UDP)⁩ لدعم اتصال تطبيقه على الشبكة؟