معماری شبکه و لایه‌بندی

معماری شبکه عبارت است از سازماندهی یک سیستم ارتباطی به لایه‌هایی از پروتکل‌ها، که هر لایه خدماتی را به لایه بالاتر ارائه می‌دهد و بر اساس لایه زیرین بنا شده است، به طوری که مشکل پیچیده انتقال داده‌ها بین میزبان‌ها به قطعات قابل مدیریت و خوش‌تعریف تجزیه می‌شود.

Definition

معماری شبکه مجموعه‌ای ساختاریافته از لایه‌ها و پروتکل‌ها است، به همراه خدماتی که هر لایه ارائه می‌دهد و رابط‌های بین لایه‌ها، که در مجموع نحوه ارتباط داده‌ها در یک شبکه را تعریف می‌کنند.

Scope

این حوزه اصول ساختاری شبکه‌های کامپیوتری را پوشش می‌دهد: پشته‌های پروتکل لایه‌ای (مدل مرجع هفت لایه‌ای OSI و مدل پنج لایه‌ای اینترنت/TCP-IP)، تمایز بین لبه شبکه (میزبان‌ها و شبکه‌های دسترسی) و هسته شبکه (سوئیچ‌ها و مسیریاب‌ها)، دو استراتژی اساسی سوئیچینگ بسته‌ای و سوئیچینگ مداری، و معیارهای مورد استفاده برای توصیف عملکرد شبکه مانند توان عملیاتی، تأخیر و از دست دادن بسته. این حوزه معماری را به عنوان چارچوب زمینه‌ای برای تمام مکانیزم‌های لایه‌های پایین‌تر و بالاتر که در حوزه‌های مرتبط پوشش داده شده‌اند، در نظر می‌گیرد، نه خود مکانیزم‌های جزئی.

Sub-topics

• لبه و هسته شبکه
• معیارهای عملکرد شبکه
• سوئیچینگ بسته‌ای و سوئیچینگ مداری
• لایه بندی پروتکل و مدل‌های مرجع

Core questions

• چرا عملکرد شبکه به صورت لایه‌ای سازماندهی می‌شود و هزینه‌ها و مزایای لایه‌بندی چیست؟
• مدل هفت لایه‌ای OSI و مدل پنج لایه‌ای اینترنت چه تفاوتی دارند و چرا مدل اینترنت در عمل غالب شد؟
• چه چیزی لبه شبکه را از هسته شبکه متمایز می‌کند؟
• سوئیچینگ بسته‌ای و سوئیچینگ مداری در اشتراک منابع، تأخیر و قابلیت اطمینان چه تفاوتی دارند؟
• چه معیارهایی — توان عملیاتی، تأخیر، لرزش (jitter) و از دست دادن بسته — عملکردی را که یک شبکه ارائه می‌دهد، مشخص می‌کنند؟

Key concepts

• لایه‌های پروتکل
• مدل مرجع OSI
• مدل TCP/IP (اینترنت)
• کپسوله‌سازی
• لبه و هسته شبکه
• سوئیچینگ بسته‌ای
• سوئیچینگ مداری
• مالتی‌پلکسینگ آماری
• توان عملیاتی، تأخیر و از دست دادن بسته
• استدلال سرتاسری

Key theories

لایه‌بندی پروتکل و انتزاع سرویس-رابط

شبکه‌ها به صورت پشته‌ای از لایه‌ها سازماندهی می‌شوند که در آن هر لایه از طریق یک رابط، سرویس تعریف‌شده‌ای را به لایه بالاتر ارائه می‌دهد و پیاده‌سازی زیرین را پنهان می‌کند؛ این ماژولار بودن به لایه‌ها اجازه می‌دهد تا مادامی که رابط‌ها حفظ شوند، به طور مستقل تکامل یابند.

استدلال سرتاسری

توابعی مانند تحویل قابل اعتماد و امنیت بهتر است در میزبان‌های نهایی ارتباط‌گیرنده پیاده‌سازی شوند تا در هسته شبکه، زیرا هسته اغلب نمی‌تواند آنها را به درستی تکمیل کند و هزینه‌ای را بر جریان‌هایی که به آنها نیاز ندارند تحمیل می‌کند؛ این اصل طراحی اینترنت را شکل داد.

مالتی‌پلکسینگ آماری در سوئیچینگ بسته‌ای

سوئیچینگ بسته‌ای ظرفیت لینک را بر اساس تقاضا بین جریان‌های متعدد به اشتراک می‌گذارد و در زمانی که ترافیک ناگهانی است، به بهره‌وری بالایی دست می‌یابد، به قیمت تأخیر صف‌بندی متغیر و از دست دادن احتمالی — برخلاف ظرفیت رزرو شده اما بالقوه بیکار سوئیچینگ مداری.

Clinical relevance

معماری لایه‌ای اصل سازمان‌دهنده تقریباً تمام شبکه‌های مدرن است: این امکان را فراهم می‌کند که یک مرورگر وب، یک آداپتور Wi-Fi و یک لینک فیبر زیردریایی بدون اینکه هیچ یک از اجزا از جزئیات داخلی دیگری آگاه باشد، با یکدیگر همکاری کنند. درک تمایز بین لبه و هسته و سوئیچینگ بسته‌ای در مقابل سوئیچینگ مداری برای برنامه‌ریزی ظرفیت، طراحی مراکز داده ابری و استدلال در مورد برنامه‌های حساس به تأخیر مانند کنفرانس ویدیویی و بازی آنلاین اساسی است.

History

معماری ارتباطی لایه‌ای در دهه ۱۹۷۰ با ARPANET و توسعه موازی مدل مرجع OSI، که توسط زیمرمن در سال ۱۹۸۰ رسمی شد، شکل گرفت. مجموعه پروتکل TCP/IP سرف و کان، و فلسفه طراحی که توسط کلارک در سال ۱۹۸۸ بیان شد، مدل ساده‌تر اینترنت را ایجاد کرد که در نهایت غالب شد. تنش بین پشته جامع OSI و پشته عمل‌گرای TCP/IP بخش عمده‌ای از بحث‌های شکل‌گیری شبکه را تعریف کرد.

Debates

مدل هفت لایه‌ای OSI در مقابل مدل TCP/IP

مدل OSI یک مرجع آموزشی غنی‌تر با لایه‌های مجزای نشست و ارائه است، اما مدل پنج لایه‌ای TCP/IP با پیاده‌سازی‌های واقعی اینترنت مطابقت داشت و در عمل غالب شد؛ کتاب‌های درسی هنوز هر دو را آموزش می‌دهند زیرا OSI عملکردهایی را که پشته اینترنت ادغام می‌کند، روشن می‌سازد.

Key figures

• Hubert Zimmermann
• David D. Clark
• Vinton Cerf
• Robert Kahn
• Andrew S. Tanenbaum

Seminal works

• kurose2021
• tanenbaum2010
• clark1988

Frequently asked questions

چرا شبکه‌ها به صورت لایه‌ای ساخته می‌شوند به جای اینکه یک سیستم یکپارچه باشند؟

لایه‌بندی یک مشکل دشوار را به مشکلات کوچکتر با رابط‌های تمیز تجزیه می‌کند، بنابراین هر لایه می‌تواند به طور مستقل طراحی، پیاده‌سازی و جایگزین شود. یک رسانه فیزیکی جدید می‌تواند بدون تغییر برنامه‌ها اضافه شود، و یک برنامه جدید می‌تواند بر روی هر شبکه‌ای که خدمات لایه پایین‌تر مورد انتظار را ارائه می‌دهد، اجرا شود.

آیا اینترنت سوئیچینگ بسته‌ای است یا سوئیچینگ مداری؟

اینترنت اساساً سوئیچینگ بسته‌ای است: داده‌ها به بسته‌هایی تقسیم می‌شوند که گام به گام ارسال می‌شوند و ظرفیت لینک را به صورت آماری به اشتراک می‌گذارند. برخی از فناوری‌های دسترسی و انتقال، مدارها را شبیه‌سازی می‌کنند یا منابع را رزرو می‌کنند، اما لایه اصلی IP از سوئیچینگ بسته‌ای استفاده می‌کند.