پروتکل TCP/IP چیست؟

مدل TCP/IP یک چارچوب لایه‌ای در شبکه است که نحوه ارتباط داده‌ها میان دستگاه‌ها را در یک شبکه توضیح می‌دهد. این مدل با استفاده از پروتکل‌های استاندارد شده تضمین می‌کند که انتقال داده‌ها به‌صورت قابل اعتماد و کارآمد انجام شود.

معرفی مدل TCP/IP

مدل TCP/IP به‌عنوان یک معماری چهار لایه تعریف می‌شود که شامل لایه‌های زیر است:

• لایه کاربرد (Application)
• لایه انتقال (Transport)
• لایه اینترنت (Internet)
• لایه دسترسی شبکه (Network Access)

این مدل توسط RFC 1122 استاندارد شده و ساختار و رفتار آن در این سند تشریح شده است. مدل TCP/IP به‌دلیل سادگی بیشتر و عملی بودن، نسبت به مدل هفت‌لایه OSI ترجیح داده می‌شود و به‌عنوان چارچوب اصلی اینترنت و سیستم‌های شبکه مدرن شناخته می‌شود.

لایه‌های مدل TCP/IP

لایه کاربرد (Application Layer)

لایه کاربرد بالاترین لایه در مدل TCP/IP است و نزدیک‌ترین لایه به کاربر نهایی محسوب می‌شود. این لایه واسطی میان نرم‌افزارهای کاربر (مانند مرورگرهای وب، کلاینت‌های ایمیل، ابزارهای اشتراک فایل) و لایه‌های پایین‌تر شبکه فراهم می‌سازد.

وظایف اصلی این لایه عبارت‌اند از:

• فراهم آوردن پل ارتباطی میان نرم‌افزارهای کاربر و لایه‌های زیربنایی
• پشتیبانی از پروتکل‌هایی نظیر HTTP، FTP، SMTP و DNS
• مدیریت قالب‌بندی داده به‌گونه‌ای که اطلاعات برای فرستنده و گیرنده قابل فهم باشد
• ارائهٔ خدمات رمزنگاری برای ارتباطات امن
• مدیریت نشست‌ها (session management) برای ردیابی ارتباطات جاری

لایه انتقال (Transport Layer)

لایه انتقال مسئول اطمینان از تحویل قابل اعتماد و کارآمد داده‌ها میان دستگاه‌ها است و مدیریت وظایفی مثل تقسیم‌بندی داده‌ها، ترتیب‌دهی و باز ارسال بسته‌های از دست‌رفته را بر عهده دارد.

وظایف این لایه:

• تقسیم‌بندی و بازسازی: تقسیم پیام‌های بزرگ به بسته‌های کوچک‌تر و بازسازی آن‌ها در مقصد
• تحویل قابل اعتماد و مدیریت خطا: بررسی خطا و بازفرستادن داده‌های از دست‌رفته با استفاده از TCP
• ارتباط سریع: ارائهٔ تحویل بدون ارتباط و با تأخیر کم با استفاده از UDP
• کنترل جریان: جلوگیری از اشباع شدن گیرنده با تنظیم جریان داده‌ها
• چندجریان‌سازی (Multiplexing): استفاده از شمارهٔ پورت برای اشتراک‌گذاری شبکه توسط چند برنامه به‌طور همزمان

در این لایه دو پروتکل اساسی وجود دارد:
TCP (Transmission Control Protocol) که برای ارتباطات نیازمند دقت و اطمینان به‌کار می‌رود و ویژگی‌هایی مثل چک‌کردن خطا، بازفرستادن بسته‌های گم‌شده، تحویل ترتیبی و ارتباط‌گرا را فراهم می‌کند.
UDP (User Datagram Protocol) برای کاربردهایی که سرعت اهمیت بیشتری دارد استفاده می‌شود و نسبت به TCP ساده‌تر و سریع‌تر است، اما تحویل تضمینی ندارد.

لایه اینترنت (Internet Layer)

این لایه مسئول آدرس‌دهی منطقی، بسته‌بندی و مسیریابی بسته‌ها است، به‌گونه‌ای که داده‌ها بتوانند از طریق شبکه‌های مختلف به مقصد صحیح برسند.

وظایف اصلی این لایه عبارت‌اند از:

• آدرس‌دهی منطقی: تخصیص آدرس‌های IP برای شناسایی دستگاه‌های فرستنده و گیرنده
• مسیریابی بسته‌ها: تعیین بهترین مسیر برای حرکت داده‌ها در شبکه
• تکه‌تکه‌سازی و بازسازی: تقسیم بسته‌های بزرگ به بسته‌های کوچک‌تر و بازسازی آن‌ها در مقصد
• پشتیبانی پروتکل‌ها: استفاده از IP به‌عنوان پروتکل اصلی همراه با پروتکل‌های پشتیبان مثل ICMP و ARP

لایه دسترسی شبکه (Network Access Layer)

این لایه مسئول انتقال فیزیکی داده‌ها از طریق سخت‌افزار شبکه (کابل‌ها، سوئیچ‌ها، ارتباطات بی‌سیم) است. این لایه نحوهٔ قالب‌بندی داده‌ها برای رسانهٔ انتقال و تضمین رسیدن آن‌ها به دستگاه بعدی روی مسیر را مدیریت می‌کند.

وظایف این لایه شامل موارد زیر است:

• انتقال فیزیکی: ارسال و دریافت بیت‌های خام روی رسانه‌های فیزیکی مانند کابل اترنت، فیبر نوری یا وای‌فای
• چارچوب‌بندی (Framing): سازماندهی داده‌ها در قالب فریم برای انتقال صحیح
• تشخیص خطا: شناسایی خطاهای انتقال با استفاده از چک‌سام یا CRC
• آدرس‌دهی MAC: استفاده از آدرس‌های سخت‌افزاری برای شناسایی دستگاه‌ها در یک بخش شبکه
• کنترل دسترسی: مدیریت نحوهٔ اشتراک‌گذاری رسانهٔ انتقال میان چند دستگاه

نحوه عملکرد مدل TCP/IP

هنگام ارسال داده (از فرستنده به گیرنده)

در مدل TCP/IP، زمانی که داده‌ای ارسال می‌شود:

1. لایه کاربرد: نرم‌افزار مربوطه داده را ایجاد و به لایهٔ بعدی تحویل می‌دهد.
2. لایه انتقال: داده به بخش‌های کوچک‌تر تقسیم شده و TCP/UDP اطلاعات کنترلی لازم را اضافه می‌کند.
3. لایه اینترنت: هر بخش در بسته‌هایی با آدرس‌های IP قرار می‌گیرد تا مسیریابی شود.
4. لایه دسترسی شبکه: بسته‌ها به فریم‌هایی مناسب برای رسانهٔ فیزیکی تبدیل و منتقل می‌شوند.

هنگام دریافت داده (در مقصد)

وقتی داده در مقصد دریافت می‌شود:

1. لایه دسترسی شبکه: فریم‌ها از رسانهٔ فیزیکی دریافت و خطا بررسی می‌شود.
2. لایه اینترنت: فریم‌ها باز شده و بسته‌ها با استفاده از آدرس IP به لایهٔ بالاتر فرستاده می‌شوند.
3. لایه انتقال: بخش‌ها بازسازی می‌شوند و در صورت استفاده از TCP، خطاها تصحیح می‌گردند.
4. لایه کاربرد: دادهٔ کامل به نرم‌افزار مناسب تحویل داده می‌شود.

مزایای مدل TCP/IP

مدل TCP/IP دارای مزایای زیر است:

• کاربرد گسترده: اساس اینترنت و شبکه‌های مدرن را تشکیل می‌دهد.
• مستقل از پلتفرم: روی سخت‌افزار و سیستم‌عامل‌های مختلف قابل اجراست.
• ارتباط قابل اعتماد: TCP بررسی خطا، تأیید تحویل و یکپارچگی داده را فراهم می‌کند.
• مقیاس‌پذیر: از شبکه‌های کوچک تا اینترنت جهانی را پشتیبانی می‌کند.
• استاندارد باز: استفاده از آن آزاد است و تحت کنترل یک سازمان منفرد نیست.

محدودیت‌های مدل TCP/IP

برخی محدودیت‌های این مدل عبارت‌اند از:

• پیچیدگی برای مبتدیان: درک کامل تمام پروتکل‌ها دشوار است.
• عدم مرزبندی دقیق لایه‌ها: برخلاف مدل OSI، در TCP/IP مرزبندی لایه‌ها سختگیرانه نیست.
• سربار داده: ویژگی‌های قابل اعتماد TCP ممکن است سربار اضافه ایجاد کند.
• محدودیت‌های امنیتی: طراحی اولیهٔ مدل امنیت قوی نداشته و نیاز به پروتکل‌های اضافی دارد.
• پشتیبانی محدود از چندرسانه‌ای: طراحی اولیه برای داده بود نه بهینه‌شدن برای ویدیو/صدا.

دلیل استفاده از TCP/IP نسبت به مدل OSI

TCP/IP به‌دلیل سادگی، کاربرد عملی و پیاده‌سازی گسترده در شبکه‌های واقعی و اینترنت نسبت به مدل OSI ترجیح داده می‌شود. تفاوت‌های کلیدی شامل:

• ساختار ساده‌تر: TCP/IP شامل ۴ لایه است در مقابل ۷ لایه در OSI.
• طراحی مبتنی بر پروتکل: TCP/IP بر اساس پروتکل‌های واقعی ساخته شده است، در حالی‌که OSI بیشتر یک چارچوب نظری است.
• انعطاف‌پذیری و استحکام: TCP/IP در سخت‌افزارها و شبکه‌های مختلف به‌خوبی عمل می‌کند.
• استاندارد باز: TCP/IP آزاد و بدون کنترل سازمان واحد است.
• کاربرد واقعی در مقابل مدل مفهومی: OSI بیشتر آموزشی است، در حالی‌که TCP/IP در عمل به‌کار گرفته می‌شود.