مدخل إلى شبكات الحواسيب: مصطلحات وفهم طبقات الشبكة

سنناقش في هذا الدرس أهمَّ المفاهيم الأساسيَّة حول شبكات الحواسيب؛ سنستعرض أهمَّ المصطلحات، ونتعرَّف على آلية التواصل بين الأجهزة بفهم طبقات الشبكة ونستعرض البروتوكولات شائعة الاستخدام.

مصطلحات

يجب - قبل خوض غمار عالم الشبكات - البدء بتعريف بعض المصطلحات التي ستجدها في طريقك كلما توسعت في هذا المجال سواء في شهادة CompTIA A+‎ أو إن أكملت طريقك نحو عالم الشبكات. وهذه المصطلحات والتعاريف هي:

• الشبكة: هي مجموعة من الأجهزة المتصلة مع بعضها بهدف تبادل ومشاركة الملفات والمعلومات.
• الاتصال: هو مجموعة العمليات والإجراءات اللازمة لنقل البيانات بين جهازين متصلين عبر الشبكة وعند الانتهاء من عملية النقل يُقطع الاتصال بينهما.
• شبكة المنطقة المحليَّة LAN: يشير الاختصار LAN إلى العبارة "Local Area Network" وهي شبكة صغيرة موجودة ضمن مكان محدود أو جزء من شبكة غير كبيرة، ومثالٌ عليها الشبكة في المنزل أو ضمن المكتب أو الشركة.
• شبكة المدينة MAN: يشير الاختصار MAN إلى "Metropolitan Area Network" وهي الشبكة التي تصل بين الأجهزة الموجودة في منطقة جغرافية واحدة فهي أكبر من شبكة المنطقة المحليَّة مثل الشبكة التي تربط أجزاء المدينة مع بعضها.
• الشبكة الواسعة WAN: يشير الاختصار WAN إلى "Wide Area Network" وهي الشبكة الأكبر من النوعين السابقين، أي تشير إلى الشبكات الكبيرة التي تربط بين الدول والقارات ومثال عليها شبكة الإنترنت.
• الرزم Packets: تُجزَّأ البيانات عند نقلها عبر الشبكة إلى أجزاء متعدِّدة بحسب حجمها، وتدعى هذه الأجزاء بالرزم؛ أي هي وحدات المعلومات التي تنتقل عبر الشبكة. لكلِّ رزمة هيكل مؤلف من ترويسة وتذييل وجسم، توضع معلومات الرزمة مثل عنوان المصدر والوجهة والوقت وطول الرزمة وغيرها في الترويسة والتذييل وتوضع البيانات في جسم الرزمة.
• واجهة الشبكة Network Interface: تشير واجهة الشبكة إلى عتاد الشبكة الصلب، فإذا كان أحد الحواسيب يحتوي على بطاقتي شبكة فيمكن التحكم بكل شبكة وضبطها على حدة باستخدام واجهة الشبكة.
• المضيف Host: هو الحاسوب المتصل بالشبكة أو الإنترنت.
• الخادوم Server: هو حاسوب يتمتع بقدرات ومزايا عالية يعمل على إدارة الشبكة وتأمين جميع الخدمات للمضيفين، ويعمل بنظام تشغيل مختلف عن أنظمة التشغيل العادية مثل Windows server 2012.
• شبكة الند للندPeer to peer network: هي شبكة تتألف من حاسوبين أو أكثر تتصل مع بعضها دون وجود خادوم. كلُّ جهاز في هذه الشبكة مسؤولٌ عن نفسه ويتشارك موارده مع الآخرين ويستخدم مواردهم أيضًا. مستوى الحماية فيها منخفض وهي غير مكلفة ويمكن إنشاؤها ضمن المنزل أو المكتب أو المدرسة بحيث لا يكون عدد الأجهزة كبيرًا.
• شبكة الخادوم والعميلClient/server network: هي شبكة تحتوي على خادوم مركزي يعمل على إدارة وتنظيم الشبكة بين العملاء. توفِّر هذه الشبكة مستوى عاليًّا من الحماية وهي أكثر تنظيمًا من النوع السابق وأكثر كلفةً أيضًا وتحتاج إلى أشخاص ذوي خبرة لإدارتها، وتستعمل عند وجود عدد كبير من الأجهزة المتصلة بالشبكة.
• البروتوكول: هو مجموعة من القواعد والعمليات التي تستخدمها الأجهزة للاتصال والتخاطب فيما بينها. يوجد عدد واسع من البروتوكولات مثل بروتوكول TCP وبروتوكول HTTP والتي سنناقشها لاحقًا.
• المنفذ Port: هو بنية منطقية يشير إلى عملية أو خدمة محدَّدة ضمن الشبكة حيث يكون آخر عقدة في عملية الاتصال ويكمل عنوان الرزم لتوجيهها إلى الموقع المطلوب. لكلِّ منفذ رقم مميز لا يتكرر يشير إلى تلك الخدمة، ويوضع رقم المنفذ ضمن معلومات الرزم في الترويسة.
• الجدار الناري Firewall: هو تطبيق يملك الصلاحيات بالسماح للبيانات بالمرور أو منعها بحسب القواعد والقوانين التي بُني عليها هذا التطبيق. كما يعمل الجدار الناري على إيقاف المنافذ غير المستخدمة للحماية من القراصنة والمتطفلين.

هذه المصطلحات ليست شاملة بل يوجد الكثير منها والتي ستتعرف عليها كلما توسعت في مجال الشبكات.

فهم طريقة التواصل بين الأجهزة في الشبكة (طبقات الشبكة)

تحتوي الشبكات على أجهزة مختلفة غير متشابهة بالعتاد ولا بأنظمة التشغيل وهنا يتبادر إلى أذهاننا السؤال: كيف تتواصل تلك الأجهزة مع بعضها عبر الشبكة؟ إن عملية الاتصال ونقل البيانات عبر الشبكة قد تكون بضغطة زر ولكن العمليات التي تُجرى لأداء ذلك معقدةٌ بعض الشيء لذا سنحتاج في هذه الأثناء إلى تقسيم عناصر ومكونات الشبكة إلى طبقات لفهم هذه العملية.

نموذج الشبكة الطبقي OSI Model

ابتكرت هذه الطريقة المنظمة العالمية للمعايير القياسية ISO في عام 1984 لشرح كيفية الاتصال الشبكي، ويقسم هذا النموذج OSI‏ (Open Systems Interconnection) عملية التواصل الشبكي إلى سبعة طبقات وهي:

1. التطبيق Application: هي أقرب طبقة إلى المستخدم وفيها تتفاعل تطبيقات المستخدم والمستخدمين مع بعضهم؛ وأمثلة عن هذه الطبقة هي: البريد الإلكتروني، ونقل الملفات، والاتصال الهاتفي ...إلخ.
2. العرض Presentation: تعمل هذه الطبقة على تنسيق البيانات وتهيئتها للانتقال عبر الشبكة، وفي هذه الطبقة تُضغَط البيانات وتُشفَّر.
3. الجلسة Session: تتحكم هذه الطبقة بعملية الاتصال إذ تعمل على إنشاء وإدارة وإنهاء الاتصال بين المستخدمين.
4. النقل Transport: هي أول طبقة تتعامل مع النقل الفعلي للبيانات فهي تمثل حدًّا فاصلًا عن الطبقات السابقة التي هي أقرب للمستخدم، وهي مسؤولة عن إنشاء اتصال آمن وموثوق، والتأكد من نقل البيانات وتسليمها دون حدوث أي خطأ وفي حال حدوثه يعاد إرسال البيانات، ومسؤولة أيضًا عن تجزئة البيانات كبيرة الحجم إلى أجزاء صغيرة.
5. الشبكة Network: تعمل هذه الطبقة على توجيه الرزم بين مختلف العقد في الشبكة واختيار أفضل طريق لتوصيل البيانات، وتستخدم العناوين المنطقية (عنوان IP) للإشارة إلى عنوان الجهاز المصدر والوجهة.
6. وصل البيانات Data link: تُعرِّف هذه الطبقة طُرقًا موثوقة للوصل بين مختلف العقد أو الأجهزة على الشبكة باستخدام العناوين الفيزيائية (عنوان MAC). بروتوكول إيثرنت Ethernet مثال على البروتوكول المستخدم في هذه الطبقة.
7. الفيزيائية Physical: هي الطبقة المسؤولة عن تسليم الرزم إلى الأجهزة والوسائط الفيزيائية المُستخدَمة للاتصال بين الأجهزة، ومن هذه الأجهزة والوسائط هي الأكبال والوصلات وبطاقة الشبكة ...إلخ.

تنتقل البيانات رأسيًا عبر الطبقات إذ تضيف كلُّ طبقة بعض المعلومات المتعلقة بها كترويسة أو تذييل وهذه العملية تدعى "تحزيم" أو "تغليف" (Encapsulation) البيانات وهنا تتشكل لدينا الرزم، أما القطع والإطارات في مشابهة للرزم ولكن بتسميات مختلفة بحسب الطبقات. أمثلة عن المعلومات المغلَّفة هي: صيغة البيانات (فيديو أو نصوص ...إلخ) في طبقة العرض، والعنوان المنطقي IP في طبقة الشبكة.

عندما يستلم المستقبل البيانات تبدأ عملية إزالة التغليف وهي عملية معاكسة للعملية السابقة فتبدأ في كلِّ طبقة إزالة التغليف وقراءة معلومات الترويسة والتذييل واتخاذ الإجراءات المناسبة ثمَّ الانتقال إلى الطبقة الأعلى.

تشبه هذه العملية إرسال رسالة في البريد العادي؛ يكتب أحمد رسالة ويضعها في ظرف ويكتب في الترويسة الاسم والعنوان ثمَّ يرسلها إلى البريد الذي يغلف تلك الرسالة بظرف أكبر ويضيف إليها عنوان البلد أو المدينة أو أي معلومات يفهمها العاملون في البريد لإيصال الرسالة إلى المستلم.

نموذج بروتوكول TCP/IP Model

يعرف أيضًا باسم "تجميعة بروتوكول IP"‏ (Internet protocol suite)، طوِّر في أثناء فترة تطوير نموذج OSI وهو أبسط منه وانتشر على نطاق واسع إلى أن أصبح الطريقة المبدئية للتواصل والاتصال بالإنترنت. تقسم عملية التواصل الشبكي في هذا النموذج إلى أربعة طبقات وظيفتها مشابهة لنموذج OSI وهي:

1. التطبيقات: تدمج الطبقات من 5 إلى 7 في نموذج OSI ضمن هذه الطبقة.
2. النقل: مشابهة لطبقة النقل في نموذج OSI كما أنها توفر اتصالاتٍ ذات وثوقية جيدة أو لا توفر ذلك اعتمادًا على نوع البروتوكول المستخدم.
3. الإنترنت: تتعامل مع التوجيه واختيار الطريق وإضافة العناوين المنطقية (عناوين IP).
4. الوصول للشبكة Network access: تتعامل مع الوصول الفيزيائي إلى الأجهزة والوسائط بالإضافة إلى طريقة الوصول إليها وإرسال البيانات مع إضافة العناوين الفيزيائية.

البروتوكولات

سبق تعريف البروتوكول بأنَّه مجموعة القواعد التي تتخاطب بها الأجهزة مع بعضها، وسنستعرض بعضًا من البروتوكولات المستخدمة في عملية التواصل.

Media Access Control

العنوان الفيزيائي MAC هو أحد بروتوكولات الاتصال التي تُستخدم لتمييز الأجهزة؛ يُعطى كلُّ جهاز عنوانًا من قبل الشركة الصانعة أثناء تصنعيه والتي تميزه عن غيره من الأجهزة أثناء الاتصال إلى الشبكة.

يبقى هذا العنوان ثابتًا لا يمكن تغييره حتى لو تغير اسم الجهاز عبر نظام التشغيل أو أي عملية لذا يمكن الإشارة إلى هذا الجهاز تحديدًا دون غيره بمعرفة عنوانه الفيزيائي MAC.

يتألف العنوان الفيزيائي من سلسلة من 48 بت وينقسم إلى جزأين؛ الجزء الأول 24 بت ويُعطى من قبل معهد مهندسي الكهرباء والإلكترون IEEE للشركة الصانعة أي أنَّ كلَّ شركة تُزوَّد بعنوان ثابت، والجزء الثاني 24 بت تُزوِّده الشركة الصانعة للجهاز وهي مسؤولة عنه.

Internet Protocol

بروتوكول IP هو من أهمِّ البروتوكولات الأساسيَّة لعمل الإنترنت، وهو عنوان منطقي فريد تُعنون به جميع الشبكات والأجهزة المتصلة بها. يُزوَّد هذا العنوان في طبقة الإنترنت ضمن نموذج بروتوكول TCP/IP.

يمكن بمعرفة هذا العنوان توجيه البيانات عبر الشبكة لكي تصل إلى وجهتها وعن طريقه يحدَّد الطريق الأفضل للجهاز المستلم واختياره.

يتألف عنوان IP من سلسلة من 32 بتًا أي 0 و 1 مقسَّمة إلى أربعة بايتات (كل بايت هو ثمانية بتات) يفصل بينها بنقطة ويحوَّل كلُّ بايت إلى الصيغة العشرية. مثالٌ على عنوان IP هو "192.168.1.19".

تُقسم العناوين إلى فئات (A و B و C) حيث تُحدِّد الفئة عدد البتات المخصَّصة لمعرِّف الشبكة وعدد البتات المخصَّصة لمعرِّف المضيف. تحجز فئة العناوين A أول ثمانية بتات لمعرِّف الشبكة ويكون أول بت فيها 0 في أول ثمانية، والبتات الثمانية الثانية والثالثة والرابعة لمعرِّف المضيف. تناسب هذه الفئة عددًا قليلًا من الشبكات وعددًا كبيرًا من المضيفين. تُعرَف عناوين الفئة B بوجود واحد وصفر في أول بتَّين من أول ثمانية؛ ويُحجز أول بايتين للشبكة وآخر بايتين للمضيف. تبدأ الفئة C أول ثمانية بتات بالسلسلة 110 ويُحجز أول ثلاثة بايتات للشبكة، والبايت الأخير للمضيف.

يوضح الجدول التالي قيمة الثمانية الأولى التي تُصنِّف فئات الشبكات بالصيغة العشرية لأنَّه لا يمكن بالطبع حفظ أو تذكر القيمة الثنائية.

إنَّ عنوان IP السابق الذي شرحناه هو للإصدار الرابع IPv4 وهو المستخدم حاليًا، وبسبب وجود عددٍ هائلٍ من الأجهزة في الشبكة العامة فلم يعد 32 بتًا كافيًا، لذا طُور الإصدار السادس منه IPv6 والذي بدأ بالانتشار والاستخدام.

ICMP

إنَّ بروتوكول ICMP هو اختصارًا للعبارة (Internet Control Message Protocol)؛ يُستخدم هذا البروتوكول لإرسال رسائل بين الأجهزة للتأكد من توافرها على الشبكة أو عدم اتصالها. يُستخدم هذا البروتوكول في برامج فحص وتشخيص الشبكة مثل الأمر "ping" والأمر "traceroute".

TCP

يُحدَّد بروتوكول TCP‏ (Transmission Control Protocol) في طبقة النقل ضمن نموذج بروتوكول TCP/IP، ويستطيع تأمين اتصالاتٍ موثوقة. يعمل بروتوكول TCP على تغليف البيانات ضمن رزمٍ ونقلها عبر الطبقات الأدنى، ثمَّ التأكد من أنَّ البيانات قد استُلِمت دون أخطاءٍ عبر انتظار تقريرٍ من المستلم. يعتبر هذا البروتوكول هو الأشهر والأكثر استخدامًا في الإنترنت.

UDP

إنَّ بروتوكول UDP‏ (User Datagram Protocol) مشابه لبروتوكول TCP ويُحدَّد ضمن طبقة النقل أيضًا؛ الفرق بينهما هو أنَّ بروتوكول UDP يؤمِّن اتصالاتٍ غير موثوقة فلا يعمل على التأكد من تسليم البيانات دون أخطاءٍ إلى وجهتها لذا يتميز هذا البروتوكول بسرعة نقلٍ كبيرة.

HTTP

يُستخدم بروتوكول نقل النصوص الفائقة HTTP‏ (Hypertext Transfer Protocol) في طبقة التطبيقات وهو الأساس في عملية التواصل على الويب إذ يعمل على نقل وتبادل النصوص. يستخدم هذا البروتوكول رقم المنفذ 80.

FTP

يُحدَّد بروتوكول نقل الملفات FTP‏ (File Transfer Protocol) ضمن طبقة النقل، ويعمل على نقل الملفات من مضيف إلى آخر عبر الشبكة. هذا البروتوكول غير آمن لذا يستخدم في عملية تنزيل الملفات العامة فقط. يستخدم هذا البروتوكول رقم المنفذ 21.

DNS

يُستخدم بروتوكول DNS‏ (Domain Name System) في طبقة التطبيقات ويعمل على تحويل أسماء المضيفين إلى عناوين IP. فإذا أردت الاتصال بأحد المواقع فليس عليك تذكر عنوان IP له وما عليك سوى كتابة عنوان URL في متصفحك، مثل academy.hsoub.com، وسيبحث جهازك على خادم DNS في الشبكة ويطلب منه تحويل الاسم إلى عنوان IP، ثمَّ يستخدم العنوان الذي حصل عليه في عملية الاتصال. يستخدم هذا البروتوكول رقم المنفذ 53.

SSH

يُستخدم بروتوكول SSH‏ (Secure Shell) في طبقة التطبيقات، وهو بروتوكول مشفَّر وآمن يستطيع الاتصال بالخادم البعيد والتحكم به. يستخدم هذا البروتوكول رقم المنفذ 22.

توجد الكثير من البروتوكولات لم تُشمل في هذا الدرس وهي مساوية في الأهمية للبروتوكولات السابقة، ولكنَّّ ذلك كافٍ لتتشكل لديك نظرة عامة حول التقنيات الأساسيَّة المستخدمة في الشبكات والإنترنت.

الخلاصة

بعد هذا الدرس، يُفترض أنَّك قد أحطت ببعض مصطلحات الشبكة الأساسيَّة، وتعرفت على آلية التواصل بين مختلف المكونات مع بعضها. سيساعدك هذا الدرس على فهم الدروس الأخرى المتعلقة بمجال الشبكات. يمكنك التوسع في هذا المجال بقراءة سلسلة دروسٍ حول شهادة CCNA من CISCO.