שיעור מפורט: מודל OSI – שכבת רשת (Network Layer)

שכבת הרשת (Network Layer) היא השכבה השלישית במודל OSI, והיא אחראית על ניתוב (Routing) והעברת חבילות נתונים (Packets) בין רשתות שונות. בשכבה זו מתבצע תהליך קבלת החלטות בנוגע לנתיב שבו יועברו החבילות, תוך שימוש בכתובות לוגיות (IP). בשיעור זה נלמד לעומק על תפקידי השכבה, הפרוטוקולים המרכזיים, תהליכי הניתוב, ודוגמאות מעשיות.

מטרות השיעור

1. להבין את תפקידה של שכבת הרשת במודל OSI.
2. להכיר את מבנה כתובות IP (IPv4 ו-IPv6) ואת תפקידי פרוטוקולי הרשת.
3. ללמוד על ניתוב ותהליכי מעבר חבילות ברשתות מורכבות.
4. ליישם תהליכי ניתוב והגדרות ברשת סימולציה.

תוכן השיעור

מהי שכבת הרשת?

שכבת הרשת אחראית על תהליך העברת חבילות נתונים בין רשתות שונות. היא מגדירה את הכתובות הלוגיות של המכשירים ברשת, מחליטה על הנתיב האופטימלי לחבילה ומנהלת את הניתוב. שכבה זו פועלת על בסיס כתובות IP ולא כתובות MAC (שייכות לשכבת קישור הנתונים).

תפקידי שכבת הרשת

1. כתובת לוגית וניהול כתובות IP:

   • כל מכשיר בשכבת הרשת מזוהה על ידי כתובת IP ייחודית.
   • כתובת IP מורכבת משני חלקים:
     • Network ID: מזהה את הרשת.
     • Host ID: מזהה את המכשיר בתוך הרשת.
   • דוגמה: כתובת IP 192.168.1.5, שבה "192.168.1" הוא ה-Network ID ו-"5" הוא ה-Host ID.

2. ניתוב (Routing):

   • תהליך של בחירת הנתיב הטוב ביותר להעברת החבילה ליעד.
   • הנתבים (Routers) משתמשים בטבלאות ניתוב כדי לקבל החלטות.
   • ניתוב מתבצע על בסיס כתובות IP.

3. חלוקת חבילות (Packet Switching):

   • שכבת הרשת מחלקת את הנתונים לחבילות קטנות יותר במידת הצורך, כדי להקל על ההעברה.

4. מעבר בין רשתות שונות (Internetworking):

   • שכבת הרשת מאפשרת מעבר חבילות בין רשתות עם טכנולוגיות שונות (לדוגמה, מעבר מ-LAN ל-WAN).

פרוטוקולים מרכזיים בשכבת הרשת

1. IP (Internet Protocol):

   • IPv4: פורמט כתובת 32 ביט (למשל, 192.168.1.1).
   • IPv6: פורמט כתובת 128 ביט (למשל, 2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334).
   • אחראי על ניתוב, מיסוך נתונים (Fragmentation) ואימות שלמות החבילה.

2. ICMP (Internet Control Message Protocol):

   • פרוטוקול המשמש להעברת הודעות שגיאה ובדיקה (Ping, Traceroute).

3. ARP (Address Resolution Protocol):

   • ממפה כתובות IP לכתובות MAC בשכבה התחתונה.

4. NAT (Network Address Translation):

   • מאפשר למכשירים ברשת מקומית להשתמש בכתובת IP משותפת לגישה לאינטרנט.

תהליכי ניתוב

1. סטטי (Static Routing):

   • ניתוב ידני שנקבע על ידי מנהל הרשת.
   • מתאים לרשתות קטנות ויציבות.

2. דינמי (Dynamic Routing):

   • ניתוב שמתעדכן אוטומטית באמצעות פרוטוקולים כמו RIP, OSPF, ו-EIGRP.
   • מתאים לרשתות גדולות ודינמיות.

דוגמאות מעשיות

1. נתב ביתי:

   • הנתב מקבל כתובת IP ציבורית מספק האינטרנט ומקצה כתובות IP פרטיות למכשירים בבית.
   • כאשר מחשב בבית גולש לאתר, הנתב מנתב את החבילה דרך ספק האינטרנט לשרת היעד.

2. חיבור בין משרדים:

   • שני משרדים המחוברים דרך VPN משתמשים בפרוטוקולי ניתוב דינמיים כמו OSPF כדי להבטיח שהחבילות יגיעו ליעדן גם אם יש תקלה בקו הראשי.

3. סימולציה ב-Cisco Packet Tracer:

   • יצירת רשת עם מספר נתבים, תתי-רשתות, וכתובות IP שונות.
   • שימוש בפקודת ping לבדיקת קישוריות.
   • הגדרת ניתוב סטטי ודינמי בין הנתבים.

פעילויות מעשיות

1. תרגול מעשי:

   • תכנון רשת עם 3 תתי-רשתות וחיבורן באמצעות נתבים.
   • הגדרת ניתוב סטטי בין הנתבים ובדיקה באמצעות Ping.

2. חישובי ניתוב:

   • חישוב טווח כתובות IP לכל תת-רשת.
   • מציאת ה-Network ID, Broadcast Address ו-Range של כתובות IP.

3. בדיקת קישוריות:

   • שימוש ב-Cisco Packet Tracer לביצוע Traceroute ובדיקת מעבר חבילות בין רשתות.

סיכום

שכבת הרשת היא קריטית להבטחת תקשורת תקינה בין רשתות שונות. היא אחראית על ניתוב חבילות, ניהול כתובות לוגיות, ותיאום בין פרוטוקולים. הבנת תפקיד השכבה ותפקודה תסייע לתלמידים לתכנן רשתות מורכבות, לאתר בעיות ולייעל את הביצועים. באמצעות הדוגמאות המעשיות והתרגולים בשיעור זה, התלמידים יקבלו בסיס חזק למעבר לנושאים מתקדמים יותר.