טכנולוגיות תקשורת ואינטרנט

פרוטוקול הוא סט כללים לכיצה מכשירים תקשרים. לשני הקצוות יש לנהוג באותם כללים, אחרת אותות הצד האחד יהיו חסרי משמעות עבור הצד השני. פרוטוקולים מגדירים את הפורמט של הנתונים (איפה נמצאות הכתובות והעומס), את הסדר של הודעות (מי מדבר ראשון, מתי לאמת), את המשמעות של כל הודעה, את התזמון (השהיית זמן, משלוח מחודש), ומה לעשות במקרה של שגיאה. ללא פרוטוקול הסכמה, תקשורת תכשל – כמו שני אנשים המדברים שפות שונות ללא מתרגם.

"הסבר מדוע פרוטוקולים חיוניים לתקשורת בין מחשבים" (3 נקודות). (1) פרוטוקול הוא סט כללים שהוסכם על ידי השולח והקולט; (2) ללאו המחשבים היו מפרשים את הנתונים בצורה שונה (פורמט, סדר, משמעות של כל חלק), ולכן ההודעה לא תובן; (3) הוא מאפשר למחשבים של סוגים ויצרנים שונים לתקשרות, כי כולם ממיישמים את אותו סטנדרט. יש לציין מה הכללים מכסים: פורמט הנתונים, סדר ההודעות, זיהוי ושחזור שגיאות, ומהירות או תזמון.

רשתות מורכבות, ולכן הן מחולקות לשכבות, כל אחת עם משימה ממוקדת, המדברת רק עם השכבה מעליה ותחתונה. יתרונות: מודולריות (החלפת שכבה אחת – למשל אתרנט עם Wi-Fi – ללא מגע בשאר), סטנדרטיזציה (התאמה הדדית של ספקים), וה abstraction (התעלמות פרטים מטופלים elsewhere). האינטרנט משתמש בחבילת פרוטוקולי TCP/IP (4 שכבות).

המטרה של כל שכבה, כפי שהיא מנוסחת בתוכנית הבחינה. שכבת יישום: מספקת את הפרוטוקולים שמשתמשים בהם יישומי המשתמש (HTTP עבור האינטרנט, SMTP עבור דוא"ל) ואת הממשק בין היישום לרשת; היא מייצרת את הנתונים לשליחה ומעבירה אותם לשכבת התובלה. שכבת תובלה: מקימה את החיבור מקצה לקצה, מפצלת את הנתונים לחבילות (סיגמנטים) ומוסיפה מספרי פורטים ומספרי תור; בעת הקבלה היא מואחדת את החבילות בסדר ומבקשת כל אחת שלא הגיעה (TCP), או שולחת ללא הבטחות אלו (UDP). שכבת האינטרנט: מוסיפה את כתובות ה-IP של המקור ושל היעד כדי ליצור חבילות IP (datagrams) ומנתבת אותן عبر הרשתות באמצעות נתבים; היא אינה מבטיחה אספקה. שכבת הקישור: מוסיפה את כתובות ה-MAC וביטי בדיקת שגיאות כדי ליצור מסגרת ומעבירה את הביטים דרך הרשת המקומית הפיזית (Ethernet או Wi-Fi) באמצעות כרטיס הממשק ברשת. "השלמת הערימה" מתכוונת לארבע שכבות אלו, בסדר זה, מהמעלה: יישום, תובלה, אינטרנט, קישור.

"תיארו כיצד סדרת הפרוטוקולים TCP/IP מיושמת כאשר הודעה נשלחת מארח אחד לאחר" (חמישה נקודות). בקרב השולח ההודעה עוברת למטה בערימה: (1) שכבת היישום מייצרת את הנתונים באמצעות פרוטוקול כמו HTTP או SMTP; (2) שכבת התובלה מפצלת אותה לחבילות ומוסיפה ראש עם מספרי הפורטים ומספר תור; (3) שכבת האינטרנט מוסיפה ראש עם כתובות ה-IP של המקור ושל היעד ובוחנת את הדרך; (4) שכבת הקישור מוסיפה את כתובות ה-MAC של המכשיר הבא ושולחת את המסגרת דרך הקישור הפיזי. נתבים לאורך הדרך קוראים את ראש שכבת האינטרנט ומעבירים כל חבילה. בקרב הקבלן המסגרת עולה למעלה בערימה: כל שכבה מסירה ופעלת לפי הראש שלה, שכבת התובלה מאחדת את החבילות בסדר מספרי התור ובוקשת כל אחת שלא הגיעה, ושכבת היישום מציגה את ההודעה. אותו פרוטוקול בכל שכבה בשני הקצוות הוא מה שהופך את החילופין לעבודה.

שכבת יישום

השכבת היישום מספקת שירותים לתוכניות משתמש ומגדירה את הפרוטוקולים שהן מדברות (HTTP עבור האינטרנט, SMTP עבור דוא"ל). כאן שומר-תוכנה עובד לרוב.

שכבת תובלה

השכבת התובלה ממשיכה נתונים מקצה לקצה בין תהליכים, המזוהים על ידי מספרי פורטים. שני פרוטוקולים:

• TCP — ממוקד חיבור: מקים חיבור, מבטיח שהכל נתונים מגיעים בסדר, מועיל מחדש חבילות שאבדו, שולט בזרימה. אמין אך עם עלות. משמש על ידי HTTP, HTTPS, SMTP, FTP.
• UDP — ללא חיבור: שולחת ושוכחת, ללא אישורים או סדר. עלות נמוכה, ללא הבטחות. משמש לזרימת מדיה, DNS ומשחקים, שבהם מהירות חשובה יותר מאמין.

שכבת אינטרנט

השכבת האינטרנט מעבירה חבילות בין ארחים באמצעות IP. לכל חבילה יש כתובת IP של מקור ושל יעד, ונתבים מעבירים אותה קדימה. היא אינה מבטיחה אספקה — זו משימתו של TCP.

נתב ביתי עושה את המשימה הזו עבור הבית שלך: הוא קורא את כתובת היעד של כל חבילה ושולח אותה קדימה אל האינטרנט, וחזרה למכשיר הנכון.

לפני שהנתב מגיע לאינטרנט הרחב, מודם מחבר את הבית לספק האינטרנט דרך הכבל או קו הטלפון שלו. נוריותיו מציינות שהקישור פעיל והמכשיר מקוון.

*מודם כבל מחבר רשת ביתית לספק האינטרנט

שכבת הקישור

שכבת הקישור שולחת ביטים דרך קישור פיזי אחד (Ethernet, Wi-Fi). היא מוסיפה ראש מסגרת עם כתובות MAC ומטפל בגישה לתווך (למשל CSMA/CD ב- Ethernet).

*חלקי מסגרת Ethernet אופיינית

ברשת מקומית חוטית, מתג מחבר מספר התקנים יחד. כל התקן מחובר לפורט באמצעות כבל Ethernet (תקע RJ45), והמתג משתמש בכתובות MAC בכל מסגרת כדי לשלוח אותה רק לפורט הנכון.

*מתג רשת מחבר מספר התקנים חוטיים ברשת מקומית

הקישור הפיזי יכול להיות חוט נחושת, אות רדיו (Wi-Fi) או כבל סיבי אופטי. בכבל סיבי אופטי, הביטים נעים כהבזקי אור דרך סיבי זכוכית דקים מאוד, מה שמאפשר העברה מהירה ונשיאת נתונים למרחק רב.

*כבל סיבי אופטי: הנתונים נעים כאור דרך סיבי זכוכית דקים

קישור רדיו יכול להגיע למרחק רב יותר. צלחת לוויין שולחת ומקבלת אותות רדיו ללוויין ולהחזרה, ומעבירה נתונים למקומות שאליהם קישורים חוטיים אינם מגיעים בקלות.

*צלחת לוויין שולחת ומקבלת נתונים ברדיו במרחק רב

• HTTP — דפדפנים מושחים דפי אינטרנט ממשרתים (על TCP, פורט 80). HTTPS הוא HTTP על TLS — מוצפן, פורט 443.
• FTP — העברת קבצים בין לקוח למשרת.
• SMTP — שולח דוא"ל בין לקוח למשרת, ובין משרתים. קבלה נעשית באמצעות POP3 או IMAP.
• POP3 — מוריד דוא"ל ומוחק אותו לרוב מהמשרת. IMAP — משאיר את הדוא"ל על המשרת ומסנכרן אותו בין מכשירים, כך שהתיבה הנכנסת זהה בכל מקום.
• BitTorrent — פרוטוקול מעמית-לעמית; קובץ מחולק לחלקים המורדים ממספר עמיתים בו-זמנית, כך שאף משרת יחיד לא נושא בעומס כולו.

היעד של כל פרוטוקול, במונחים שמיינים נקודות.

כאשר מבוקשים שני פרוטוקולי הדוא"ל, ציין SMTP לשליחה ו-POP3 או IMAP לקבלה; כאשר מבקשים לתאר את IMAP, אמור שההודעות נשארות על המשרת ומתסנכרנות בין מכשירים, זו ההתנגדות ל-POP3.

"תאר כיצד קבצים משתפים באמצעות פרוטוקול BitTorrent (ארבע נקודות)." (1) הקובץ מחולק לחלקים (בדרך כלל בגודל 256 KB כל אחד), וקובץ טורנט קטן מתאר אותם (את ה-hashes שלהם) ומצין מתעקב. (2) עמית הרוצה בקובץ פונה למתעקב, שמחזיק רשימה של העמיתים בלהקה המשתפים כרגע בקובץ זה. (3) העמית מורידחלקים שונים ממספר עמיתים בו-זמנית, וכך שיש לו חלק הואמעלה אותו לאחרים; עמית שיש לו את כל הקובץ הוא זרע, ואחד שעדיין מוריד הוא תולעת. (4) כשהכל חלקים נמצאים, הם מורכבים מחדש ונבדקים מול ה-hashes. "הסבר מה משמעות שיתוף קבצים מעמית-לעמית": אין משרת מרכזי המחזיק את הקובץ; כל מחשב הוא גם לקוח וגם משרת, מוריד ומעלה לאחרים, כך שהעומס והרוחב הפסגה מפוזרים בלהקה וככל שיש יותר עמיתים, כך זה מהיר יותר.

החלפת מעגלים

נבנה מסלול ייעודי בין שני הקצוות לפני שנתון כל נתון (החלפת מעגלים), שמיועד לכל השיחה, ולאחר מכן משוחרר. זה מספק רוחב פס שמור ומסירה בסדר, אך הוא בלתי יעיל בשקטים ואיטי בהקמה. דוגמה קלאסית: רשת הטלפונים המסורתית.

"תאר את החלפת מעגלים כשיטת העברת נתונים" (שלוש נקודות). (1) מסלול מיוחד (מעגל) מוקם בין השולח והנעדר לפני שישלח כל נתון; (2) כל ההודעה נשלחת לאורך המסלול, בסדר, כזרם רציף אחד; (3) המעגל שמור למשך הזמן של התקשורת ומשוחרר לאחר מכן.

יתרונות וחסרונות. יתרונות: רוחב הפס המלא של המעגל זמין ומובטח; הנתונים מגיעים בסדר ללא הצרכה מחדש וללא עיכוב ברגע שהמעגל פעיל; המסלול אינו משתנה, ולכן הזמנים צפויים (טוב לקול ואוויר בזמן אמת). חסרונות: זמן מושקע בהקמת המעגל לפני שמשלח כל דבר; המעגל שמור גם כאשר אין נתונים זורמים, ולכן רוחב פס מבוזבז ואין לשאף להשתותף בו; שני הקצוות חייבים להיות פנויים באותו זמן; כשל בכל מקום במסלול מקלקל את כל השיחה, ואין מסלול חלופי אוטומטי. מתי מתאים: שיחת טלפון או קישור אוויר חי, שבה זרם יציב ללא הפסקה חשוב יותר מאשר יעילות.

החלפת חבילות

הנתונים מחולקים ל-חבילות, שכל אחת נשלחת ב-נפרד (החלפת חבילות). לכל חבילה יש כתובת יעד; הנתבים מקבלים החלטות לפי חבילה, ולכן חבילות עשויות לעבור מסלולים שונים ולהגיע בלתי-סדירות, והיעד מבצע את ההצרכה. זה יעיל (קישור אחד מוחלף בין הרבה שיחות), חזק (הסחת מסלול סביב כשל), אך יש לו שהייה משתנה ואפשרות לאובדן (TCP מטפל באמינות). משמש על ידי האינטרנט.

"תאר כיצד החלפת חבילות משמשת להעברת הודעות ברשת" (ארבע נקודות). (1) ההודעה מתחלקת לחבילות בגודל מקסימלי קבוע; (2) לכל חבילה מוענק ראש המכיל את כתובות המקור והיעד, מספר סידור ובדיקת טעות; (3) כל חבילה נשלחת ב-נפרד ועשויה לעבור מסלול שונה, שנבחר על ידי הנתבים שעובר עליהם; (4) ביעד החבילות מצטרכות בסדר באמצעות מספרי הסידור, וחבילה חסרה מבוקשת שוב. אם השאלה אינה כוללת בדיקה ושליחה מחדש, יש להוציא את המשפט האחרון.

"תאר את תפקיד הנתב בהחלפת חבילות" (שלוש נקודות). נתב מקבל חבילה, קורא את כתובת ה-IP של היעד בראשה, ומתייעץ בטבלת הניווט שלו כדי להחליט את הקפיצה הבאה הטובה ביותר לכיוון היעד, תוך התחשבות בתנועה (עומס) בקישורים שכושלים; הוא אז ממשיך את החבילה אל הקישור הזה. חבילות מאותה הודעה עשויות לצאת במסלולים שונים; הנתב מחזיק חבילות בתור כשהקישור עמוס.

"תאר שתי דרכים שבהן החלפת חבילות מבטיחה קבלת ההודעה בשלמותה." (1) לכל חבילה יש מספר סידור, כך שהנעדר יכול לסדר את החבילות בסדר ולזהות אחת חסרה; (2) הנעדר שולח הודעת אישור עבור חבילות שהגיעו; חבילה שלא קיבלה אישור בתוך זמן מוגדר נשלחת מחדש על ידי השולח. בדיקת תקינות בכל חבילה מאפשרת לנעדר לזהות חבילה פגומה ולדחות אותה, מה שגורם למשדר לשלוח מחדש.

יתרונות וחסרונות. יתרונות: אין צורך להקים מעגל; קישורי הרשת מוחלפים על ידי הרבה הודעות, ולכן רוחב פס מושקע ביעילות; חבילות יכולות להוסת מסלול סביב קישור כושל או עמוס, ולכן השידור חזק; חבילה אבודה או פגומה פירונית רק שליחת החבילה עצמה מחדש, ולא כל ההודעה. חסרונות: חבילות עשויות להגיע בלתי-סדירות וצריך להצטרך אותן, וחלקן עשויות להיאבד או להעיכב; הראשים מוסיפים עומס; השהייה המשתנה הופכת זאת לפחות מתאים לקול ואוויר בזמן אמת ללא צעדים נוספים; רשת עמוסה מורידה חבילות. מתי מתאים: דוא"ל, דפי אתר, הורדת קבצים וכל תנועה "במרוץ", והאינטרנט בכלל.

רשתות מודרניות משתמשות בהחלפת חבילות בגלל היעילות והעמידות שלה.

ארבע הבדלים, מוצגים כזוגות. (1) החלפת מעגלים מייצרת מסלול מיוחד לפני השליחה; החלפת חבילות שולחת ללא הקמת מסלול. (2) בהחלפת מעגלים כל ההודעה עוברת במסלול אחד; בהחלפת חבילות החבילות עשויות לעבור מסלולים שונים. (3) החלפת מעגלים מוסרת את הנתונים בסדר ללא הצרכה; החלפת חבילות זקוקה למספרי סידור כדי להצטרך אותה. (4) החלפת מעגלים שומרת רוחב פס לשיחה אחת גם כשהיא שקטה; החלפת חבילות משתתפת בקישורים בין הרבה הודעות. (גם מקובל: קישור כושל מקרקע מעגל אך חבילות מוסחות; החלפת מעגלים מתאימה לזרמים בזמן אמת, החלפת חבילות מתאימה לנתונים במרוץ.) יש לכתוב כל הבדל כ-שני החלקים; צד אחד בלבד לא זוכה לנקודות.

תיאור סריקת חבילות במספר משפטים

תשובה טובה לבחינה: "ההודעה מתפרקת לחבילות קטנות. כל חבילה כולכת את כתובות המקור והיעד ומספר רצף. כל חבילה עוברת דרך הרשת באופן עצמאי, כאשר נתבי הברירה בוחנים את הקפיצה הבאה לכל חבילה. החבילות עשויות לקחת מסלולים שונים ולהגיע בסדר לא נכון. היעד משתמש במספרי הרצף כדי להרכיב מחדש את ההודעה, וחבילות שאינן הגיעו יכולות להתבקש מחדש."

דוגמה מוצגת. שיחת טלפון והורדת קובץ גדול משתפים ברשת. איזו שיטת מעבר מתאימה לכל אחת ולמה? שיחת טלפון זקוקה לזרם יציב עם השהיה נמוכה, והיא תסבל מאוד אם חלקים יגיעו מאוחר או בסדר לא נכון – לכן מעבר מעגלי מתאים לה: מסלול ייעודי נוצר לכל אורך השיחה וקיבולתה שמורה לאורך כל התקופה. הורדת קובץ אינה דואגת לזמן או לסדר ההגעה, מכיוון שהמקבל מרכיב אותו מחדש, והוא נהנה משימוש בקיבולת העומדת פנויה – לכן סריקת חבילות מתאימה לו: הקובץ מחולק לחבילות שעוברות בעצמאות, כל אחת כוללת כתובות מקור ויעד ומספר רצף, כאשר נתבי הברירה בוחרים קפיצה בואה לכל חבילה. ציין את ה-תכונה של התנועה שקובעת זאת: קיבולת שמורה והשהיה נמוכה לשיחה, יעילות ועמידות להורדה.

שאלת הגדרה מוקדמת לפי טקסט קבוע. לימודן במדויק, ותן תשובה אחת בלבד.

• מדוע פרוטוקולים: כללים משותפים, פרשנות זהה, כל סוג של מחשב. מדוע שכבות: לשכבה יש משימה אחת וניתן לשנות אותה באופן עצמאי.
• ארבע השכבות בסדר, למעלה למטה: אפליקציה, הובלה, אינטרנט, קישור. תן משימה אחת בשורה לכל שכבה, ותן תשובת "ההודעה מהמארחת למארחת" כטיול בערימה ובחזרה.
• מטרות פרוטוקולים בשורה אחת: HTTP דפי אתר, FTP קבצים, SMTP שליחת דוא"ל, POP3 הורדת דוא"ל, IMAP דוא"ל שנשמר בשרת, BitTorrent חלוקה נקודה-לנקודה ממערך.
• מעבר מעגלי: מסלול ייעודי תחילה, כל ההודעה, שמור לאורך כל התקופה. סריקת חבילות: מתפרק, ראש עם כתובות ומספר רצף, מסלולים עצמאיים, הרכבה מחדש. יתרונות וחסרונות מגיעים בזוגות של ניגודים.
• נתב קורא את כתובת היעד, בודק בטבלת הניווט שלו, מעביר לאורך המסלול הטוב ביותר; זו שאלת סריקת החבילות שהבחינה שואלת הכי הרבה.
• "כשמתאים": מעבר מעגלי לשיחת טלפון או שיחת וידאו חיה; סריקת חבילות לדוא"ל, האינטרנט ולהורדות.

טעויות נפוצות

• הגדרת פרוטוקול כ"שפה" או כ"תוכנה"; מדובר במאגר כללים.
• הנחת השכבות בסדר הלא נכון, או הצגת שבע השכבות של OSI במקום ארבע השכבות של TCP/IP.
• תיאור שכבת ההעברה כ"ניווט" או שכבת האינטרנט כ"פירוק לחבילות"; פורטים ופירוק הם בתחום ההעברה, בעוד כתובות IP וניווט הם בתחום האינטרנט.
• בלבול בין POP3 לבין IMAP, או טענה כי SMTP מקבל דואר אלקטרוני.
• תיאור חילוק חבילות ללא הראש (כתובות ומספר סדרה) או ללא הרכבה מחדש.
• טענה שהנתב "שולח את החבילה לכל עבר"; הוא בחר יעד הבא אחד מתוך טבלת הניווט שלו.
• ציון יתרון של חילוק חבילות כחסר של רכיבת מעגל ללא ציון צד רכיבת המעגל; לכל הבדל יש לשתי הצדדים.
• טענה שחילוק חבילות מבטיח אספקה באופן עצמאי; מספרי הסדרה והאישורים בשכבת ההעשה עושים זאת.