För den som studerar nätverk är förståelsen för nätverksskiktet avgörande. Det är här de viktigaste protokollen lever – IPv4, IPv6, OSPF och ICMP – och det är här grunden till hur nätverk egentligen fungerar blir tydlig. När man felsöker, planerar eller bygger nätverk måste man kunna tolka IP-adresser, förstå hur datapaket dirigeras och följa deras väg fram till destinationen.
När Applikationsskiktet har genererat data, till exempel en webbsida eller ett e-postmeddelande, skickas detta vidare till Transportskiktet. Transportskiktet delar upp datan i segment (med TCP) eller datagram (med UDP) och lägger till styrinformation i form av portnummer och sekvensnummer i sin header. Dessa segment eller datagram skickas sedan vidare neråt, där nätverksskiktet tar över ansvaret.
Nätverksskiktets protokoll utför fyra centrala funktioner:
- Adressering – Enheter får IP-adresser som gör dem identifierbara över flera nätverk.
- Inkapsling (Encapsulation)– Transportskiktets segment kapslas in i paket med en IP-header.
- Routing – Routrar läser av destinationsadressen och skickar vidare paketen hop för hop. Längs vägen kan MAC-adresser bytas ut och paket fragmenteras, men IP-adresserna förblir desamma.
- Avkapsling (Decapsulation) – När paketet når sin destination tas IP-headern bort och segmentet levereras uppåt till transportskiktet.
Skillnaden mellan Transport- och Nätverksskiktet blir här tydlig. Transportskiktet hanterar kommunikationen mellan program och processer, medan nätverksskiktet ansvarar för kommunikationen mellan själva nätverksenheter (t. e. datorer). Det spelar ingen roll om innehållet är text, video eller en filöverföring – nätverksskiktet ser bara till att paketen levereras.
En användbar liknelse är att se nätverksskiktet som ett globalt postsystem. IP fungerar som adressystemet, OSPF som tjänsten som optimerar rutterna, och ICMP som meddelandet du får om ett brev inte kunde levereras. Tillsammans gör dessa protokoll det möjligt att skicka data från en dator till en annan, oavsett hur många nätverk som ligger mellan.
IP som förbindelselöst protokoll
Det dominerande protokollet på nätverksskiktet är IP, och det kallas för förbindelselöst (connectionless). Detta innebär att IP inte upprättar någon förbindelse mellan avsändare och mottagare innan data skickas.
Varje paket behandlas oberoende av de andra, och routrar längs vägen fattar beslut för varje paket separat. Det gör att paketen kan ta olika vägar, anlända i en annan ordning än de skickades eller till och med tappas bort. IP försöker leverera varje enskilt paket så gott det går, men det finns ingen garanti.
En bra jämförelse är att skicka flera vykort med posten. Varje kort läggs på brevlådan och kan ta olika vägar genom postsystemet. Vissa kommer fram snabbt, andra långsammare, och något kan försvinna helt. Ingen posttjänst garanterar att mottagaren fått alla kort, och ingen etablerar en ”förbindelse” i förväg.
Det är detta som menas med connectionless: ingen etablerad, garanterad end-to-end-förbindelse finns mellan avsändare och mottagare. För att hantera ordning, pålitlighet och felkontroll behövs istället transportskiktet. Där används till exempel TCP, som är connection-oriented och ser till att kommunikationen sker tillförlitligt och i rätt ordning.
IP-inkapsling
IP:s viktigaste uppgift är att kapsla in Transportskiktets segment i paket genom att lägga till en IP-header. Det är denna header som används för att leverera paketet till rätt destination.
Inkapslings processen, där data bäddas in lager för lager, gör det möjligt för varje lager i modellen att utvecklas oberoende av de andra. Transportskiktets segment kan därför enkelt kapslas in av både IPv4 och IPv6, eller av framtida protokoll som kan komma att utvecklas.
IP-headern analyseras av lager 3-enheter som routrar och lager 3-switchar när paketet färdas genom nätverket. En viktig detalj är att adressinformationen i headern förblir densamma från avsändare till mottagare, förutom när enheten passerar en router som utför NAT (Network Address Translation) i IPv4.
Routrar använder routing-protokoll för att bestämma bästa väg mellan nätverk. Detta sker genom att de undersöker Nätverksskiktets header. Själva datainnehållet – det inkapslade segmentet eller annan information – lämnas alltid oförändrat.
IP:s egenskaper
IP är utvecklat för att vara ett enkelt protokoll med låg overhead. Det innehåller endast de funktioner som är nödvändiga för att leverera paket från en källa till en destination över ett nätverk. Mer avancerade funktioner som flödeskontroll eller spårning av paket hanteras av andra protokoll på andra lager, främst av TCP på lager 4.
De viktigaste egenskaperna hos IP är:
- Connectionless (förbindelselöst): Ingen anslutning etableras i förväg innan paketen skickas.
- Best Effort (bästa möjliga leverans): IP ger ingen garanti för leverans; paket kan tappas bort.
- Mediaoberoende: IP fungerar oavsett om datan transporteras via kopparkabel, fiber eller trådlöst nät.
Best Effort
Eftersom IP inte skapar någon förbindelse krävs inga extra fält i headern för att hålla reda på anslutningen. Det minskar overheaden men gör också att avsändaren inte vet om mottagaren finns tillgänglig, om paketet kom fram eller om mottagaren kan läsa det. Som ett opålitligt nätverksskiktsprotokoll lämnar IP dessa uppgifter åt andra protokoll, framför allt TCP.
IP styrka och begränsningar
IP-protokollets styrka är att det är enkelt och effektivt, men det innebär också vissa begränsningar. Eftersom IP är ett så kallat ”best effort”-protokoll kan det inte garantera att paket når fram i rätt skick. Ett IP-paket bär på adressinformation som gör att det kan styras mot rätt mottagare, men det innehåller ingen funktion för att meddela avsändaren om mottagaren verkligen fick det. Därför kan paket gå förlorade, komma fram i fel ordning eller bli skadade på vägen.
Detta är inte ett fel i sig, utan en medveten designprincip. IP överlåter istället ansvaret för ordning och tillförlitlighet till högre lager. I TCP/IP-modellen är det till exempel TCP i Transportskiktet som kan spåra sekvenser, be om omsändning av förlorade paket och se till att mottagaren får en komplett och korrekt dataström. Detta gör att IP kan förbli snabbt och enkelt, utan onödig overhead.
En annan viktig egenskap är att IP är mediaoberoende. Det spelar ingen roll om paketet färdas över en kopparkabel, via ljus i en fiber eller som radiovågor i ett trådlöst nätverk – IP fungerar på alla dessa medier. Det är Datalänkskiktets uppgift att anpassa paketet till det fysiska mediet och se till att det kan skickas framåt.
Däremot finns en begränsning som nätverksskiktet måste ta hänsyn till: den maximala storleken på ett paket som kan skickas i ett visst medium, det vill säga MTU (Maximum Transmission Unit). Om ett paket är större än MTU måste det delas upp i mindre delar, en process som kallas fragmentering. Detta görs oftast av routrar när de skickar vidare paket mellan olika nät. Fragmentering leder till extra fördröjning eftersom mottagaren måste pussla ihop bitarna igen. Därför är det något man helst undviker.
Det är också viktigt att känna till skillnaden mellan IPv4 och IPv6 här: IPv4-paket kan fragmenteras av routrar längs vägen, medan IPv6 inte tillåter detta. I IPv6 måste det redan vid källan bestämmas hur stort paketet kan vara, baserat på MTU längs vägen.