1. فصل پنجم
لایه شبکه

2. application
transport
network
data link
physical
network
data link
physical
application
transport
network
data link
physical

3. لايه شبكه در اينترنت
هنگامي كه بخواهيم بين LANهاي مختلف ارتباط برقرار كنيم وظايف لايه شبكه شروع مي‌شود.
هنگاميكه بسته‌هاي اطلاعاتي روي شبكه WAN منتشر مي‌شود بايد مكانيزمي براي هدايت بسته‌ها از مبدا به مقصد وجود داشته باشد تا ميان شبكه‌ها با توپولوژي‌ها و ساختارهاي مختلف بتوانند حركت كنند كه به اين عمل هدايت همان مسير‌يابي گفته مي‌شود

4. سوئیچینگ مداری منابع موجود در یک برای تماس رزرو میشوند. منابع
پهنای باند
بافر سوئیچ
منابع به قسمت های کوچیکتر تقسیم می شوند و هر قسمت کوچکتر به یک تماس اختصاص داده می شود.
TDM
FDM
منابع اختصاص یافته حتی اگر استفاده نشود در اختیار دیگران قرار نمی‌گیرد.
احتیاج به برقراری تماس وجود دارد. connection oriented

5. هر داده به بسته هایی تقسیم میشود.
سوئیچینگ بسته ای
هر داده به بسته هایی تقسیم میشود.
هر بسته از تمامی پهنای باند استفاده می کند.
منابع در صورتی که نیاز باشند مورد استفاده قرار می گیرند.
استفاده بهینه از منابع
احتیاجی به برقراری تماس نمی باشد. (Connectionless)
منابع به صورت on demand (بر اساس تقاضا) در اختیار کاربران قرار می گیرند.
امکان این وجود دارد که بعضی از پیغام ها مجبور باشند برای استفاده از منابع مثل کانال مدتی صبر کنند. (Delay)
تقسیم کانال
اختصاص به تماس خاص
رزرو منبع

6. سوئیچینگ بسته ای: تسهیم آماری
100 Mb/s
Ethernet C A
statistical multiplexing
1.5 Mb/s B
queue of packets
waiting for output
link D E
در اینترنت از سوئیچینگ بسته ای استفاده می شود.
سوال: دلیل این امر چیست؟

7. آدرس IP
آدرس جهاني و مشخص کننده ماشين به صورت يکتا و فارغ از ساختار شبکه‌اي
مسيرياب Router))
ماشيني با تعدادي ورودي و خروجي
دريافت بسته‌هاي اطلاعاتي از ورودي و هدايت و انتخاب کانال خروجي مناسب بر اساس آدرس مقصد
مسيرياب
مهر 85

8. لايه اينترنت (Network)
ستون فقرات ( Backbone) : خطوط ارتباطي با پهناي باند ( نرخ ارسال ) بسيار بالا و مسيريابهاي بسيار سريع و هوشمند در قسمت زيرشبکه
زيرشبکه (( Subnet : زير ساخت ارتباطي شبکه‌ها
مهر 85

9. قرارداد حمل و تردد بسته‌هاي اطلاعاتي
مديريت و سازماندهي مسيريابي صحيح بسته‌ها از مبدأ به مقصد
پروتکل IP:
واحد اطلاعات که به صورت يکجا از لايه IP به لايه انتقال تحويل داده مي‌شود يا بالعکس لايه شبکه آنرا جهت ارسال روي شبکه به لايه پیوند داده تحويل داده می شود.
ديتاگرام
مهر 85

10. بسته IP:

11. قالب سرایند بسته IP
مهر 85

12. مشخص کننده نسخه پروتکل IP
فيلد Version
چهار بيت
مشخص کننده نسخه پروتکل IP
نسخه شماره 4 پروتکل Version= IP
نسخه شماره 6 پروتکل IP
فيلد IHL (IP Header Length)
چهار بيتي
مشخص کننده طول کل سرآيند بسته بر مبناي کلمات 32 بيتي
حداقل مقدار فيلد IHP عدد 5
مهر 85

13. P2 P1 P0 D T R - فيلد Type of sevice فيلد 8 بيتي
مشخص کننده درخواست سرويس ويژه‌اي توسط ماشين ميزبان از مجموعه زيرشبکه براي ارسال ديتاگرام
تعيين کننده اولويت بسته IP
بخشهاي فيلد: P2 P1 P0 D T R -
تقدم بسته
تأخير
توان خروحي
قابليت اطمينان
بلااستفاده
قراردادن عدد 1 توسط ماشين ميزبان در اين بيتها جهت انتخاب مسير مناسب توسط مسيريابها
مهر 85

14. مشخص کننده طول کل بسته IP ( مجموع اندازه سرآيند و ناحيه داده)
فيلد Total Length
فيلد 16 بيتي
مشخص کننده طول کل بسته IP ( مجموع اندازه سرآيند و ناحيه داده)
حداکثر طول کل بسته IP بايت
فيلد Identification
فيلد 16 بيتي
مشخص کننده شماره يک ديتاگرام واحد در صورتی که قطعه قطعه شده باشد
مهر 85

15. الف) بيت DF (( Don’t Fragment:
فيلد Fragment Offset
الف) بيت DF (( Don’t Fragment:
با يک شدن اين بيت در يک بستهIP هيچ مسيريابي اجازه قطعه قطعه نمودن بسته را ندارد
ب) بيت MF (More Fragment ):
MF=0 : مشخص کننده آخرين قطعه IP از يک ديتاگرام
MF=1 : وجود قطعات بعدي از يک ديتاگرام
ج) Fragment offset
13 بيتي
نشان دهنده شماره ترتيب هر قطعه ازيک ديتاگرام شکسته شده
حداکثرتعداد قطعات يک ديتاگرام 8192
مهر 85

16. مشخص کننده طول عمر بسته IP حداکثر طول عمر بسته IP = 255
فيلد Time To Live
فيلد 8 بيتي
مشخص کننده طول عمر بسته IP
حداکثر طول عمر بسته IP = 255
فيلد پروتکل
نشان دهنده شماره پروتکل لايه بالاتر متقاضي ارسال ديتاگرام
مهر 85

17. کشف خطاهاي احتمالي در سرآيند هر بسته IP
فيلد Header Ckecksum
فيلد 16 بيتي
کشف خطاهاي احتمالي در سرآيند هر بسته IP
روش محاسبه كد كشف خطا:
Header Checksum
مهر 85

18. مشخص کننده آدرس ماشين مبدأ
فيلد Source Address
فيلد 32 بيتي
مشخص کننده آدرس ماشين مبدأ
فيلد Destination Address
فيلد 32 بيتي
مشخص کننده آدرس IP ماشين مقصد
مهر 85

19. محتوي اطلاعات جهت يافتن مسير مناسب توسط مسيريابها
فيلد اختياري Option
حداکثر 40 بايت
محتوي اطلاعات جهت يافتن مسير مناسب توسط مسيريابها
مهر 85

20. آدرسها در اينترنت و اينترانت
شناسايي تمام ابزار شبکه (ماشينهاي ميزبان, مسيريابها, چاپگرهاي شبکه ) در اينترنت با يک آدرس IP
آدرس IP
32 بيتي
نوشتن آدرسهاي IP به صورت چهار عدد دهدهي که با نقطه از هم جدا شده اند جهت سادگي نمايش
مهر 85

21. آدرس ماشين/ آدرس زيرشبکه/ آدرس شبکه
کلاس A
کلاسهاي آدرس IP
کلاس E
کلاس D
کلاس C
کلاس B
تقسيم 32 بيت آدرس IP به قسمتهاي :
آدرس ماشين/ آدرس زيرشبکه/ آدرس شبکه
مهر 85

22. آدرسهاي کلاس A Host ID مقدرا پرارزشترين بيت = 0
7 بيت از يک بايت اول = مشخصه آدرس IP شبکه
3 بايت باقيمانده مشخص‌کننده آدرس ماشين ميزبان
بايت پرارزش در محدوده صفر تا 127
در کل آدرس برای آدرس شبکه وجود دارد (چرا؟)
Network ID = 7 Bit 15
Network
Host ID
32 bits
مهر 85

23. کلاس B Host ID Host ID مقدار دو بيت پرارزش = 10
مقدار دو بيت پرارزش = 10
14 بيت از دو بايت سمت چپ = آدرس شبکه
دو بايت اول از سمت راست = آدرس ماشين ميزبان
Network ID = 14 Bit
Host ID
Network ID 10
32 bits
Host ID
Network
مهر 85

24. کلاس C Host ID مناسب‌ترين و پرکاربرد‌ترين کلاس از آدرسهاي IP
مقدار سه بيت پرارزش = 110
21 بيت از سه بايت سمت چپ = مشخص‌کننده آدرس شبکه
8 بيت سمت چپ = آدرس ماشين ميزبان
Network ID
Host ID
110
32 bits
مهر 85

25. کلاس D Multicast Address مقدار چهار بيت پرارزش = 1110
28 بيت = تعيين آدرسهاي چند مقصده ( آدرسهاي گروهي )
کاربرد = عمليات رسانه‌اي و چند پخشي
1110
Multicast Address
32 bits
مهر 85

26. کلاس E Unused Address Space مقدار پنج بيت پرارزش = 11110 11110 32 bits
مهر 85

27. آدرسهاي خاص آدرس خاص آدرس 255 NetID. آدرس 0.0.0.0
در بين تمام کلاسهاي آدرس IP با پنج گروه از آدرسها نمي توان يک شبکه خاص را تعريف و آدرس‌دهي نمود.
آدرس
آدرس خاص
آدرس 255 NetID.
آدرس
آدرس .XX.YY.ZZ127
آدرس 0. HostID
مهر 85

28. آدرس :
هر ماشين ميزبان كه از آدرس IP خودش مطلع نيست اين آدرس را بعنوان آدرس خودش فرض مي‌كند.
آدرس 0. HostID :
اين آدرس زماني به كار مي‌رود كه ماشين ميزبان ، آدرس مشخصة شبكه‌اي كه بدان متعلق است را نداند. در اين حالت در قسمت NetID مقدار صفر و در قسمت HostID شمارة مشخصة ماشين خود را قرار مي‌دهد.
مهر 85

29. آدرس :
جهت ارسال پيامهاي فراگير براي تمامي ماشينهاي ميزبان بر روي شبكة محلي كه ماشين ارسال‌كننده به آن متعلق است .
آدرس 255 NetID. :
جهت ارسال پيامهاي فراگير براي تمامي ماشينهاي يك شبكة راه دور كه ماشين ميزبان فعلي متعلق به آن نيست .
آدرس 127.xx.yy.zz :
اين آدرس بعنوان “آدرس بازگشت” شناخته مي‌شود و آدرس بسيار مفيدي براي اشكالزدايي از نرم افزار مي‌باشد .
مهر 85

30. Subnet یا زیرشبکه آدرس IP: قسمت subnet: بیتهای با درجه بالا (سمت چپ)
قسمت host: بیتهای با درجه پایین (سمت راست)
Subnet چیست؟
واسط دستگاههایی که قسمت subnet درون آدرس IP آنها یکی می‌باشد.
بدون مداخله هیچ روتری می‌توانند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند.
LAN
شبکه‌ای شامل سه subnet

31. Subnet یا زیرشبکه subnetها: 223.1.1.0/24 223.1.2.0/24 223.1.3.0/24
subnetها:
/24
/24
/24
/24
/24
/24

32. کلاسهای آدرس IP
در آدرس دهی با استفاده از کلاسها تعداد بیتهای subnet می‌بایست 8، 16 و یا 24 باشد.
مشکلات:
به عنوان مثال اگر از کلاس C استفاده شود تعداد host ها در یک شبکه بسیار محدود می‌شود.
اگر از کلاس B استفاده شود برای سازمانهایی که تعداد hostهای نه چندان زیادی دارند تعداد زیادی آدرس IP بلااستفاده می‌ماند.
به عنوان مثال برای شبکه ای با 2000 host کلاس C کافی نیست و در کلاس Bحدود آدرس خالی می‌ماند.

33. آدرس دهی بدون کلاس یا CIDR
CIDR: Classless InterDomain Routing یا مسیریابی بین دامنه‌ای بدون کلاس
قسمت subnet در آدرس IP برخلاف آدرس دهی با کلاس، می‌تواند هر طول دلخواهی داشته باشد.
فرمت آدرس: a.b.c.d/x که x تعداد بیتهایی است که مربوط به قسمت subnet می‌باشد.
subnet
part
host
/23

34. چگونه IP بدست می آوریم؟
پاسخ: شبکه قسمتی از آدرس را که مربوط به فضای آدرس ISP او است را بدست می‌آورد.
ISP's block /20
Organization /23
Organization /23
Organization /23
… … ….
Organization /23

35. مسير‌يابي
وظيفه اصلي لايه شبكه مسير يابي و هدايت بسته ها از منبع به مقصد مي باشد . در بيشتر زير شبكه ها بسته ها براي آنكه به مقصد برسند نياز دارند كه چند پرش انجام دهند.
الگوریتم مسیریابی
الگوريتم مسير يابي بخشي از نرم افزار لايه شبكه است كه تعيين مي كند بسته ورودي به كدام خط خروجي بايد منتقل شود.

36. الگوريتم مسيريابي یک الگوریتم مسیریابی می بایست دارای موارد زیر باشد:
صحت
سادگی
تحمل عیب
پایداری
عدالت و بهینگی

37. انواع الگوريتمهاي مسيريابي
ايستا
الف) از ديدگاه روش تصميم‌گيري و ميزان هوشمندي الگوريتم
پويا
ب) از ديدگاه چگونگي جمع‌آوري و پردازش طلاعات زيرساخت ارتباطي شبكه
سراسري / متمركز
غيرمتمركز

38. عدم توجه به شرايط توپولوژيكي و ترافيك لحظه‌اي شبكه
الگوريتم ايستا
عدم توجه به شرايط توپولوژيكي و ترافيك لحظه‌اي شبكه
جداول ثابت مسيريابي هر مسيرياب در طول زمان
الگوريتم‌هاي سريع
تنظيم جداول مسيريابي به طور دستي در صورت تغيير توپولوژي زيرساخت شبكه
تغيير مسيرها به کندي در اثناي زمان
الگوريتم پويا
به هنگام سازي جداول مسيريابي به صورت دوره‌اي بر اساس آخرين وضعيت توپولوژيكي و ترافيك شبكه
تغيير سريع مسيرها
تصميم‌گيري بر اساس وضعيت فعلي شبكه جهت انتخاب بهترين مسير
ايجاد تأخيرهاي بحراني هنگام تصميم‌گيري بهترين مسير به جهت پيچيدگي الگوريتم

39. اطلاع كامل تمام مسيريابها از همبندي شبکه و هزينه هر خط
الگوريتم سراسري
اطلاع كامل تمام مسيريابها از همبندي شبکه و هزينه هر خط
الگوريتم‌هاي Link State (LS)
الگوريتم غير متمركز
محاسبه و ارزيابي هزينه ارتباط با مسيريابهاي همسايه (مسيريابهايي كه به صورت مستقيم و فيزيكي با آن در ارتباط هستند)
ارسال جداول مسيريابي توسط هر مسيرياب در فواصل زماني منظم براي مسيريابهاي مجاور
پيچيدگي زماني كم
الگوريتم‌هاي Distance Vector

40. Routing and Forwarding1 2 3
0111
value in arriving
packet’s header
routing algorithm
local forwarding table
header value
output link
0100
0101
1001
Network Layer

41. گراف شبکه z x u y w v 5 2 3 1 Graph: G = (N,E)
N = روترها= { u, v, w, x, y, z }
E = کانالها یا لینکها={ (u,v), (u,x), (v,x), (v,w), (x,w), (x,y), (w,y), (w,z), (y,z) }
Network Layer

42. گراف شبکه: هزینه‌ها u y x w v z 2 1 3 5
c(x,x’) = هزینه کانال (x,x’)
مثال : c(u,w)=5
هزینه هر کانال می تواند همواره 1 باشد و یا با
پهنای باند و میزان ازدحام کانال مرتبط باشد.
Cost of path (x1, x2, x3,…, xp) = c(x1,x2) + c(x2,x3) + … + c(xp-1,xp)
سوال: کم هزینه ترین مسیر بین روتر u و روتر z چیست؟
الگوریتم مسیریابی: الگوریتمی که کم هزینه ترین مسیر را انتخاب می کند.
Network Layer

43. الگوریتم مسیریابی سیل آسا (Flooding)
هر روتر بسته را به همه روترهای مجاور خود ارسال می‌کند.
سريعترين الگوريتم براي ارسال اطلاعات به مقصد در شبكه
جهت ارسال بسته‌هاي فراگير و كنترلي مانند اعلام جداول مسيريابي
مشکل
ايجاد حلقه بينهايت و از كارافتادن شبكه

44. الگوریتم سیل آسا راه حل رفع مشكل حلقه بينهايت
قراردادن شماره شناسايي براي هر بسته Selective Flooding
قراردادن طول عمر براي بسته‌ها B A C E D

45. الگوریتم حالت لینک (Link State)
الگوریتم دیکسترا (Dijkstra):
همه نودها از توپولوژی شبکه و هزینه لینکها با خبر می شوند.
توسط ارسال همگانی بسته های حالت لینک
همه نودها دارای اطلاعات یکسان می باشند
هر نود به صورت جداگانه هزینه خود را تا دیگر نودهای شبکه محاسبه می کند.
بدین وسیله جدول forwarding خود را می سازد.
تکراری (iterative): بعد از k تکرار نود کوتاهترین مسیر خود تا k نود را محاسبه می نماید.
C(x,y): هزینه لینک از نود x به نود y. در صورتی که نودهای x و y همسایه نباشند ∞ است.
D(v): هزینه فعلی مسیر از مبدا به مقصد v
P(v): نود ماقبل در مسیر مبدا تا نود v
N‘: مجموعه نودهایی که کوتاهترین مسیر تا آنها محاسبه شده است.
Network Layer

46. Dijsktra’s Algorithm 1 Initialization: 2 N' = {u} 3 for all nodes v
if v adjacent to u
then D(v) = c(u,v)
else D(v) = ∞ 7
8 Loop
9 find w not in N' such that D(w) is a minimum
10 add w to N'
11 update D(v) for all v adjacent to w and not in N' :
D(v) = min( D(v), D(w) + c(w,v) )
13 /* new cost to v is either old cost to v or known
shortest path cost to w plus cost from w to v */
15 until all nodes in N'
Network Layer

47. Dijkstra’s algorithm: example
Step 1 2 3 4 5 N' u ux
uxy
uxyv
uxyvw
uxyvwz
D(v),p(v)
2,u
D(w),p(w)
5,u
4,x
3,y
D(x),p(x)
1,u
D(y),p(y) ∞
2,x
D(z),p(z) ∞
4,y u y x w v z 2 1 3 5
Network Layer

48. Dijkstra’s algorithm: example (2)
Resulting shortest-path tree from u: u y x w v z
Resulting forwarding table in u: v x y w z
(u,v)
(u,x)
destination
link
Network Layer

49. تمرین (Link State) مبدا نود A
Network Layer

50. الگوریتم بردار فاصله معادله بلمن- فورد:
dx(y): هزینه کمترین مسیر از نود x به نود y
آنگاه
dx(y) = min {c(x,v) + dv(y) }
مینیمم بر روی تمامی نودهای v که با x همسایه می باشند اعمال می شود. v
Network Layer

51. مثال بلمن - فورد می دانیم: dv(z) = 5, dx(z) = 3, dw(z) = 3 zu y x w v z 2 1 3 5
می دانیم:
dv(z) = 5, dx(z) = 3, dw(z) = 3
معادله بلمن – فورد:
du(z) = min { c(u,v) + dv(z),
c(u,x) + dx(z),
c(u,w) + dw(z) }
= min {2 + 5,
1 + 3,
5 + 3} = 4
در نتیجه نود x به عنوان next-hop در مسیر رسیدن به نود z
در جدول forwarding نود u ثبت می شود.
Network Layer

52. الگوریتم بردار فاصله Dx(y): کمترین هزینه مسیر از x به y
:c(x,v) نود x هزینه تا نودهای مجاورش را می داند.
نود x بردار فاصله را در خود نگهداری می کند.
Dx = [Dx(y): y є N ]
نود x همچنین بردار فاصله نودهای مجاورش را نیز نگهداری می کند.
برای هر نود v که در مجاورت x قرار دارد بردار فاصله زیر را نگه می دارد: Dv = [Dv(y): y є N ]
Network Layer

53. الگوریتم بردار فاصله ایده اصلی:
در طی زمان هر نود بردار فاصله خود را برای همسایگانش می فرستد.
هنگامی که نود x بردار فاصله جدیدی را از همسایه اش دریافت می کند، بردار فاصله خود را با استفاده از معادله بلمن- فورد به روز می نماید.
Dx(y) ← minv{c(x,v) + Dv(y)} for each node y ∊ N
در طول مدت زمان و ارسالهای متوالی بردارهای فاصله، تقریب هر نود از فاصله اش تا نودهای دیگر به کوتاهترین فاصله همگرا می شود.
Network Layer

54. Distance Vector Algorithm (5)
به صورت تکراری
غیر همزمان: هر تکرار در نود در اثر:
تغییر هزینه کانالهای متصل به نود
دریافت یک بردار فاصله جدید از همسایگان
می تواند اتفاق بیفتد.
توزیع شده:
هر نود تنها زمانی بردار فاصله اش را برای همسایگانش می فرستد که تغییری در آن ایجاد شده باشد.
Each node:
wait for (change in local link cost or msg from neighbor)
recompute estimates
if DV to any dest has changed, notify neighbors
Network Layer

55. z y x Dx(z) = min{c(x,y) + Dy(z), c(x,z) + Dz(z)} = min{2+1 , 7+0} = 3
Dx(y) = min{c(x,y) + Dy(y), c(x,z) + Dz(y)} = min{2+0 , 7+1} = 2
node x table
x y z x y z ∞
from
cost to
cost to
x y z x 2 3
from y z
node y table
cost to x z 1 2 7 y
x y z x ∞ ∞ ∞ y
from z ∞ ∞ ∞
node z table
cost to
x y z x
∞ ∞ ∞
from y ∞ ∞ ∞ z 7 1
time
Network Layer

56. z y x Dx(z) = min{c(x,y) + Dy(z), c(x,z) + Dz(z)} = min{2+1 , 7+0} = 3
Dx(y) = min{c(x,y) + Dy(y), c(x,z) + Dz(y)} = min{2+0 , 7+1} = 2
node x table
x y z x y z ∞
from
cost to
cost to
cost to
x y z
x y z x x
from y
from y z z
node y table
cost to
cost to
cost to x z 1 2 7 y
x y z
x y z
x y z x ∞ ∞ x ∞ x y
from y
from
from y z z ∞ ∞ ∞ z
node z table
cost to
cost to
cost to
x y z
x y z
x y z x x x
∞ ∞ ∞
from y
from y
from y ∞ ∞ ∞ z z z 7 1
time
Network Layer

57. تمرین: Distance Vector
Network Layer