شبكات الحاسوب: أسئلة تدريبية مع الشرح

1ما هي شبكة الحاسوب

الشبكة مجموعة أجهزة تتبادل البيانات: حواسيب محمولة وهواتف وخوادم وطابعات. وتسمى الأجهزة عليها مضيفين (hosts).

الشبكة داخل مبنى واحد أو حرم جامعي هي LAN (شبكة محلية). والشبكة عبر المدن أو الدول هي WAN (شبكة واسعة النطاق). ويربط الإنترنت ملايين الشبكات.

لا تنتقل البيانات كتدفق طويل واحد. بل تُقطَّع إلى قطع صغيرة تسمى حزمًا (packets)، وتجد كل حزمة طريقها بنفسها إلى الوجهة.

لا تفهم الأجهزة بعضها إلا إذا اتبعت القواعد نفسها. ومجموعة القواعد هذه لصيغة الرسائل وترتيبها هي بروتوكول. TCP وIP وHTTP بروتوكولات.

تتبع معظم الخدمات نموذج العميل–الخادم: يرسل العميل، مثل متصفحك، طلبًا، ويعيد الخادم الجواب.

كلمتان تصفان سرعة الاتصال. عرض النطاق (bandwidth) هو أقصى معدل للبيانات، مثل 100 Mbit/s. وزمن الاستجابة (latency) هو التأخير قبل وصول البيانات، ويُقاس بالميلي ثانية.

2الطبقات والتغليف

تُقسَّم الشبكات إلى طبقات. تحلّ كل طبقة مشكلة واحدة وتستخدم الطبقة التي تحتها. ونموذج OSI له 7 طبقات؛ أما نموذج TCP/IP المستخدم على الإنترنت فيجمعها في 4 أو 5.

• 1 المادية: ترسل البتات الخام كإشارات كهربائية أو ضوئية أو لاسلكية عبر الكابلات والهواء.
• 2 ربط البيانات: تسلّم الإطارات بين الأجهزة في الشبكة المحلية نفسها، باستخدام عناوين MAC. ويقع هنا Ethernet وWi-Fi.
• 3 الشبكة: تسلّم الحزم عبر الشبكات، باستخدام عناوين IP. وتعمل هنا الموجِّهات (routers).
• 4 النقل: تسلّم البيانات بين البرامج، باستخدام أرقام المنافذ. يرسل TCP مقاطع (segments)؛ ويرسل UDP حزم بيانات (datagrams).
• 5–7 الجلسة والعرض والتطبيق: الخدمات التي يستخدمها الناس، مثل HTTP للويب وDNS للأسماء وSMTP للبريد الإلكتروني.

عند إرسال البيانات تضيف كل طبقة ترويستها (header) أمام بيانات الطبقة التي فوقها. وهذا يسمى التغليف (encapsulation). ويزيل المستقبِل الترويسات بالترتيب العكسي.

يقيم TCP اتصالًا أولًا (المصافحة الثلاثية SYN وSYN-ACK وACK). ويرقّم البيانات وينتظر الإقرارات ويعيد إرسال ما ضاع. وهو موثوق ومرتّب.

يرسل UDP دون اتصال ودون إعادة إرسال. وهو أسرع ويُستخدم حيث يهم التأخير أكثر من ضياع حزمة: البث المباشر للفيديو والألعاب واستعلامات DNS القصيرة.

3العناوين والأجهزة والبروتوكولات المساعدة

ثلاثة أنواع من العناوين تعمل معًا، واحد لكل طبقة:

• عنوان MAC (الطبقة 2): عنوان عتادي من 48 بتًا لبطاقة الشبكة. ويُستخدم داخل الشبكة المحلية فقط.
• عنوان IP (الطبقة 3): عنوان IPv4 من 32 بتًا وعنوان IPv6 من 128 بتًا. وهو يبيّن مكان المضيف على الإنترنت.
• رقم المنفذ (الطبقة 4): يحدد البرنامج على المضيف. والمنافذ المعروفة من 0 إلى 1023: HTTP 80 وHTTPS 443 وSSH 22 وDNS 53 وSMTP 25.

وتتبع الأجهزة الطبقات نفسها. الموزّع (hub، الطبقة 1) ينسخ كل إشارة إلى كل المنافذ. والمحوّل (switch، الطبقة 2) يرسل الإطار فقط إلى منفذ عنوان MAC الوجهة. والموجِّه (router، الطبقة 3) يمرّر الحزم بين الشبكات.

بضعة بروتوكولات مساعدة تجعل هذا يعمل:

• يعطي DHCP المضيف عنوان IP والقناع والبوابة الافتراضية وخادم DNS عند انضمامه إلى الشبكة.
• يترجم DNS اسمًا مثل example.com إلى عنوان IP، مثل دليل الهاتف.
• يجد ARP عنوان MAC الذي يعود إلى عنوان IP على الشبكة المحلية.
• ينقل ICMP رسائل الأخطاء والاختبار. ويستخدم الأمر ping طلبات صدى ICMP.
• يتيح NAT لأجهزة كثيرة ذات عناوين خاصة (10.x و172,16–31.x و192,168.x) أن تتشارك عنوانًا عامًا واحدًا.

البوابة الافتراضية هي الموجِّه الذي يرسل إليه المضيف كل حزمة عندما تكون الوجهة خارج شبكته الفرعية.

4الطريقة خطوة بخطوة

يمكن الإجابة عن معظم الأسئلة، من التعريفات إلى حالات استكشاف الأعطال، بالخطوات نفسها.

1. حدّد الطبقة. هل السؤال عن الإشارات، أو الإطارات وعناوين MAC، أو الحزم وعناوين IP، أو المنافذ والاتصالات، أو تطبيق؟
2. سمِّ الجهاز أو البروتوكول الذي يعمل في تلك الطبقة: موزّع أو محوّل أو موجِّه؛ Ethernet أو IP أو TCP أو UDP؛ DNS أو DHCP أو HTTP.
3. في العطل، اذكر ما لا يزال يعمل وما يفشل. فما يعمل يثبت أن كل طبقة تحته سليمة.
4. ابحث عن أدنى طبقة يمكن أن تفسّر كل ما يفشل. هذا هو السبب الأرجح.
5. تحقّق من جوابك بالحقائق الأخرى في السؤال: يجب أن يفسّرها كلها.

للحسابات القصيرة: تأخير الإرسال هو حجم الحزمة مقسومًا على معدل الرابط، وتأخير الانتشار هو المسافة مقسومة على سرعة الإشارة.

5مثال محلول

تابع كل خطوة. حاول أن تتوقّع الخطوة التالية قبل أن تفتحها.

6أخطاء شائعة

• الخلط بين DNS وDHCP. DNS يترجم الأسماء إلى عناوين؛ وDHCP يوزّع العناوين.
• الخلط بين المحوّل والموجِّه. المحوّل يستخدم عناوين MAC داخل شبكة واحدة؛ والموجِّه يستخدم عناوين IP بين الشبكات.
• الظن أن UDP هو «TCP سيئ». إنه يُختار عمدًا عندما يهم التأخير القصير أكثر من إعادة إرسال البيانات الضائعة.
• الخلط بين عرض النطاق (السعة) وزمن الاستجابة (التأخير).
• وضع أرقام المنافذ في طبقة الشبكة. المنافذ تنتمي إلى طبقة النقل؛ وعناوين IP إلى طبقة الشبكة.
• نسيان البوابة الافتراضية. بدونها يصل المضيف إلى شبكته الفرعية ولا يصل إلى ما وراءها.

7كيف تبدو أسئلة الامتحان

• سهل: المصطلحات والحقائق. عدد طبقات OSI، وما يفعله DNS أو DHCP، وأرقام المنافذ الافتراضية، وحجم عنوان IPv4.
• متوسط: تطبيق المفاهيم. طبقة جهاز، ولماذا يُختار بروتوكول، وما يفعله ARP أو NAT أو مصافحة TCP، وحسابات صغيرة للشبكات الفرعية والتأخير.
• صعب: الحالات والتحليل. سيناريوهات استكشاف الأعطال، وسلوك TCP عند الفقد والازدحام، وبروتوكولات التوجيه، وهجمات مثل انتحال ARP وطوفان SYN، وTLS.

لكل سؤال أربعة خيارات. استبعد أولًا الخيارات التي تنتمي إلى الطبقة الخطأ؛ فغالبًا لا يبقى إلا واحد.