با شبکه‌های کامپیوتری و رایج‌ترین توپولوژی‌های شبکه آشنا شوید

شبکه‌ی کامپیوتری به گروهی از کامپیوترها و سایر قطعات مانند پرینتر، اسکنر، منابع ذخیره‌سازی و… که از طریق یک رسانه‌ی انتقال (کابل، وای‌فای، فیبر نوری و …) به یکدیگر متصل هستند اطلاق می‌شود. بخش‌های مختلف شبکه با استفاده از رسانه‌ی انتقال با یکدیگر تبادل اطلاعات می‌کنند؛ شکل زیر یک شبکه ساده‌ی محلی و نحوه اشتراک‌گذاری منابع را نمایش می‌دهد.

ایده‌ی آرپانت (ARPANET)، یکی از اولین شبکه‌های رایانه‌ای، در سال ۱۹۶۱ توسط لئونارد کلینروک در مقاله‌ای با عنوان “جریان اطلاعات در شبکه‌های ارتباطی بزرگ” مطرح شد. سپس اصطلاح “بسته” توسط دونالد دیویس در سال ۱۹۶۵ ابداع شد، تا داده‌های ارسال شده بین رایانه‌ها از طریق یک شبکه را توصیف کند. آرپانت یکی از اولین شبکه‌های کامپیوتری بود که از سوئیچینگ بسته استفاده کرد.

پروسه تکمیل شبکه اینترنت چیزی نزدیک به ۶۰ سال به طول انجامیده و توسعه و بهبود آن همچنان ادامه دارد. اکنون شاهد دنیای بزرگ و پیشرفته‌ای از ارتباطات شبکه‌ای هستیم اما شاید سال‌ها بعد نسل بسیار متفاوتی از پروتکل‌ها، استانداردهای رمزگذاری، انتقال فایل و… را تجربه کنیم که تکنولوژی این روزها برایمان ساده و ابتدایی به نظر بیاید!

اجزای اصلی شبکه

مهم‌ترین قسمت‌های یک شبکه که در حقیقت پایه و اساس آن را تشکیل می‌دهند، شامل چند ماژول نرم‌افزاری و سخت‌افزاری هستند که در ادامه به توضیح و بررسی هرکدام می‌پردازیم:

سیستم کامپیوتری (Computer Systems)

به این سیستم‌ها گره (Node) یا میزبان (Host) در یک شبکه گفته می‌شود، این سیستم‌ها می‌توانند شامل کلاینت یا سرور باشند که در ادامه بیشتر با این دو مورد آشنا خواهیم شد.

رسانه انتقال (Transmission Media)

مسیری است که برای انتقال داده‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد، این مسیر می‌تواند به صورت کابلی یا بی‌سیم باشد.

کارت شبکه (Network Interface Card)

کارت شبکه واسطی است بین کامپیوتر و شبکه؛ به بیانی ساده‌تر کارت شبکه به سیستم کمک می‌کند که در یک شبکه قرار بگیرد.

پروتکل (Protocol)

مانند زبان صحبت برای برقراری ارتباط که به آن در اصطلاح پروتکل گفته می‌شود، به عنوان مثال SSH نوعی پروتکل برای برقراری ارتباط از راه دور با یک کامپیوتر است، قوانین و استانداردهایی که نحوه‌ی ارتباط و تبادل داده بین سیستم‌ها را تعیین می‌کنند پروتکل‌های ارتباطی نامیده می‌شوند، به عنوان مثال برای ارتباط با یک شخص خارج از کشور باید از زبان بین‌المللی انگلیسی که یک زبان مشترک و قابل فهم برای هر دو طرف است، استفاده کنید، وگرنه صحبت‌های یکدیگر را متوجه نخواهید شد.

ستون فقرات شبکه (Backbone)

بخش اصلی در شبکه که کابل‌ها و دستگاه‌ها (مانند روترها، سوییچ‌ها و سرورها) به آن متصل هستند (البته Backbone در شبکه‌های بزرگ معنا پیدا می کند. اینطور که برای مبادله اطلاعات بین شبکه‌های محلی و زیرشبکه‌های مختلف قطعه‌های مختلف شبکه را به هم وصل می‌کند)

چرا از شبکه‌ی کامپیوتری استفاده می‌کنیم؟

شبکه‌های کامپیوتری به وجود آمدند،‌ تا زندگی و ارتباطات ما را تا حد امکان ساده کرده و با به‌اشتراک‌گذای منابع در زمان و هزینه‌های ما صرفه‌جویی کنند، اما برخی از کاربردهای مهم و دلایل استفاده از شبکه‌های کامپیوتری به شرح زیر است:

اشتراک منابع

مهم‌ترین دلیل استفاده از شبکه‌های کامپیوتری اشتراک منابعی مانند پرینتر و فضای ذخیره سازی است، بدین ترتیب تنها با استفاده از یک منبع سخت‌افزاری امکان سرویس‌دهی به چندین کامپیوتر (Client) امکان‌پذیر خواهد بود.

صرفه جویی در زمان و هزینه

در دسترس بودن فایل‌ها در شبکه کمک شایانی به سرعت انجام کار افراد می‌کند، (فکر کنید برای هر اشتراک فایل مجبور باشید از فلش مموری یا حتی فضای مجازی که خود نیز یک شبکه است استفاده کنید! کار زمانی طاقت‌فرسا می شود که فایل بعد از ارسال و کپی نیاز به چند ویرایش کوچک داشته باشد) علاوه‌بر آن به‌اشتراک‌گذاری منابع سخت‌افزاری (مانند پرینتر، اسکنر و…) بین چندین کامپیوتر می‌تواند صرفه‌جویی قابل توجهی در هزینه‌های یک سازمان یا شرکت داشته باشد.

نظارت و مدیریت مرکزی

یکی دیگر از مزایای شبکه‌های کامپیوتری امکان مدیریت و کنترل مرکزی چندین سیستم در آن واحد و از یک نقطه است، به عنوان مثال مدیریت و نصب نرم‌افزار روی همه‌ی سیستم‌ها از طریق سیستم مرکزی یا سرور امکان‌پذیر است.

انواع شبکه کامپیوتری

شبکه‌ها را می‌توان از جهات مختلفی مورد بررسی قرار داد؛ اما دو تقسیم بندی مشهور در شبکه وجود دارد:

شبکه‌های نظیر به نظیر (P2P)

در یک شبکه‌ی نظیر به نظیر هر کامپیوتر به صورت مستقیم با کامپیوتر دیگر ارتباط دارد. هیچ کامپیوتری نسبت به کامپیوتر دیگر قدرت و دسترسی بالاتری ندارد. در حقیقت هر کامپیوتر ممکن است همزمان که به کامپیوتر دیگری سرویس می‌دهد از سرویس دیگران نیز استفاده کند (به عنوان مثال یک کامپیوتر که اسکنرش را به اشتراک گذاشته از پرینتر یک سیستم دیگر استفاده کند)

پیاده‌سازی آسان و ارزان و به‌صرفه بودن، از جمله مزایای شبکه‌های P2P هستند، اما از سوی دیگر نقاط ضعفی نیز گریبان‌گیر این نوع از شبکه‌هاست،‌به عنوان مثال:

• خیلی قابل توسعه نیستند: در صورت توسعه مدیریت و رفع مشکل آن‌ها سخت و طاقت‌فرسا می‌شود.
• امنیت پایین: هر سیستم به منابع اشتراک تمام سیستم های دیگر دسترسی دارد. (ممکن است کسی داده یکی از سیستم‌ها را پاک کند)
• نبود منبع ذخیره سازی متمرکز: برای دسترسی به هر فایل ممکن است نیاز باشد به چندین سیستم مراجعه کنید.

اما نوع دیگری از شبکه‌های کامپیوتری نیز وجود دارند، که اصطلاحا آن‌ها را شبکه‌های کلاینت/سرور می‌نامند، در ادامه بیشتر با این نوع از شبکه‌ها آشنا می‌شویم.

شبکه‌های کلاینت/سرور (C/S)

در این شبکه‌ها یک کامپیوتر مرکزی به عنوان سرور (Server) وجود دارد که به بقیه سیستم‌ها که در این نوع شبکه به عنوان کلاینت (Client) شناخته می‌شوند سرویس می‌دهد. این سیستم برای مدیریت و اشتراک گذاری راحت‌تر فایل‌ها به کلاینت‌ها به کار گرفته می‌شود.

• در این شبکه‌ها، کلاینت‌ها سیستم معمولی یا همان PC هستند که به‌نام ایستگاه کاری یا Workstation شناخته می‌شوند.
• سرورها ممکن است از لحاظ سخت افزاری فرقی با کلاینت‌ها نداشته باشند ولی از نظر نرم افزاری حتما متفاوت هستند. تفاوت اصلی آن‌ها در سیستم عامل سرور است.
• در این نوع از شبکه کلاینت‌ها به صورت مستقیم به منابع یکدیگر ارتباط ندارند و تمامی کارها از طریق سرور انجام می‌شود، در شبکه های پیشرفته‌ی کلاینت/سرور سیستم‌هایی مختص اشتراک فایل وجود دارند که به آن‌ها فایل سرور (File Server) گفته می‌شود.
• سرورها معمولا قدرت پردازش، هارد دیسک و حافظه بیشتری نسبت به سایر سیستم‌ها دارند.
• به سیستم عامل سرور در این شبکه NOS یا Network Operating System گفته می‌شود، که وظیفه مدیریت داده‌ها و منابع، سطح دسترسی کاربران، سطح دسترسی فایل‌ها (فقط خواندنی یا نوشتنی)، تعیین دسترسی از مکان و زمان‌های مختلف، تعیین قواعد ارتباط و بسیاری از کارهای اصلی دیگر را بر عهده دارد.

سیستم‌عامل‌های ویندوز سرور، لینوکس و یونیکس برخی از محبوب‌ترین سیستم‌عامل‌های مخصوص شبکه‌های کامپیوتری هستند.

مزایای شبکه کلاینت سرور

برخلاف شبکه‌های نظیر به نظیر که ساختار ساده‌تری داشتند، شبکه‌های کلاینت سرور تا حدودی پیشرفته‌تر بوده و همین عامل، برتری‌هایی را برای آن‌ها به همراه دارد، به‌عنوان مثال:

• قابلیت توسعه بیشتر و ساده‌تر شبکه
• منابع متمرکز یا مدیریت شده در ساختار شبکه
• امنیت بیشتر از طریق مدیریت دسترسی‌ها توسط سرور
• مدیریت راحت‌تر (تمامی کارها از طریق سرور انجام می‌شود)
• عیب یابی و رفع مشکل آسان‌تر در این شبکه‌ها آسان‌تر است.
• وجود سیستم‌های قوی (سرورها) برای پردازش و کارهای سنگین

از سوی دیگر، هزینه راه اندازی بالا و نرم افزارها و سخت افزارهای گران قیمت از جمله معایب راه‌اندازی این نوع از شبکه‌ها هستند.

انواع شبکه از نظر وسعت جغرافیایی

یکی دیگر از تقسیم‌بندی‌هایی که می‌توان برای شبکه‌های کامپیوتری در نظر گرفت، دسته‌بندی از نظر موقعیت جغرافیایی است،‌ این طبقه‌بندی به شرح زیر است:

• شبکه محلی (LAN): این نوع از شبکه که مخفف عبارت Local Area Network است، شامل تعدادی کامپیوترها و دستگاه‌ها در یک فضای کوچک (مانند یک دفتر کاری) است.
• شبکه شهری (MAN): این عبارت، شامل کلمات Metropolitan Area Network بوده و به شبکه ای در سطح شهری که چندین ساختمان را در نقاط مختلف یک شهر به هم متصل می‌کند، گفته می‌شود.
• شبکه گسترده (WAN): یک شبکه‌ی گسترده (Wide Area Network) که شبکه LAN و MAN را به یکدیگر متصل می‌کند و تشکیل یک شبکه بزرگتر را می‌دهد.

هرچند ساختارهای متفاوت دیگری نیز برای دسته‌بندی شبکه‌ها وجود دارد، به عنوان مثال شبکه‌ی ارتباطی بدن انسان (Body Area Network) که آن را BAN نیز می‌نامند، اما تقسیم‌بندی اصلی شامل ۳ مورد اصلی است، که توضیح داده شد.

توپولوژی شبکه چیست؟

توپولوژی شبکه (Topology) یا هم‌بندی، نحوه آرایش المان‌های مختلف شبکه مانند گره‌ها یا ایستگاه‌های کاری، پیوندها و… است (به هر یک از عناصر موجود در شبکه‌ یک گره یا Node و به ارتباط بین هر دو گره یک پیوند یا Link گفته می شود) توپولوژی در شبکه‌ را می‌توان به دو نوع توپولوژی فیزیکی و توپولوژی منطقی دسته‌بندی کرد.

توپولوژی فیزیکی به چیدمان فیزیکی عناصر شبکه نسبت به یکدیگر و چگونگی برقراری ارتباط بین آنها اشاره می کند؛ اما توپولوژی منطقی به نحوه انتقال اطلاعات و داده‌ها بین عناصر شبکه‌ از طریق بستر فیزیکی موجود اشاره دارد؛ بر همین اساس در میان شبکه‌کارها، توپولوژی همان روش‌های اتصال فیزیکی اجزای مختلف شبکه‌ به یکدیگر است. البته باید توجه داشته باشید که توپولوژی یک شبکه بر اساس چیدمان سیستم‌ها نیست بلکه بسته به تنوع کابل‌کشی متفاوت است.

برای انتخاب نوع توپولوژی در طراحی شبکه یک سازمان ابتدا باید نیازسنجی انجام شود چرا که توپولوژی هر شبکه نسبت به نیازهای سازمان یا سخت افزارهای در دسترس متفاوت است. همبندی می بایست به نحوی انتخاب شود که تغییر و توسعه پیکربندی در شبکه صرفه‌ی اقتصادی داشته باشد؛ گاهی برخی تغییرات چند برابر ساخت یک همبندی از ابتدا زمان و هزینه در بر دارند (برای مثال انتقال یک ایستگاه کاری یا Node از نقطه‌ای به نقطه دیگر و یا ایجاد یک ایستگاه جدید در شبکه‌ به سادگی قابل اجرا باشد)

انواع توپولوژی‌های شبکه 

همبندی شبکه‌ انواع مختلفی دارد اما در این مقاله به رایج‌ترین آن‌ها می‌پردازیم. برای مثال توپولوژی ستاره به دو دسته Extended (توسعه یافته) و Distributed (توزیع شده) تقسیم می‌شود که با تفاوت های جزئی از هم جدا می‌شوند. این دسته بندی‌ها با شناخت مفهوم و ساختار توپولوژی اصلی به سادگی امکان پذیر است. انواع توپولوژی‌های شبکه را در تصویر زیر مشاهده می‌کنید.

توپولوژی خطی یا Bus

نوعی پیکربندی برای یک شبکه محلی که در آن تمام گره‌ها به یک گذرگاه یا خط ارتباط اصلی متصل هستند، هر گره در یک شبکه Bus بر فعالیت گذرگاه نظارت دارد. پیام به تمامی گره‌ها ارسال می‌شود اما تنها گره مقصد آن را می‌پذیرد. در این نوع از توپولوژی شبکه اگر گره‌ای به درستی کار نکند ارتباطش قطع می‌شود اما مشکلی در کل شبکه پیش نمی‌آید.

یکی از مشکلات این نوع از توپولوژی تصادم یا ارسال همزمان داده‌ی چند گره روی گذرگاه است. برای رفع این مشکل و تشخیص برخورد یا تصادم (Collision detection) جهت تنظیم ترافیک از ارسال نشانه یا Token Passing استفاده می‌کنند.

مزایای شبکه‌ی Bus

افزایش و کاهش سیستم‌ها تا حد مجاز به سادگی امکان پذیر است. به دلیل ساختار ساده‌ی آن مدیریت آسان‌تری دارد و ساده و کم هزینه است.

معایب شبکه‌ی Bus

در صورت قطع شدن یک بخش از گذرگاه یا کابل اصلی کل شبکه از کار می‌افتد. عیب‌یابی آن وقت گیر است. به دلیل اهمیت گذرگاه اصلی نیاز به نگهداری بیشتری دارد.

توپولوژی حلقوی یا Ring

نوعی شبکهٰ‌ی محلی، که گره‌ها در آن به صورت حلقه به یکدیگر متصل می‌شوند، پیام‌ها در این شبکه تنها در یک جهت از گره‌ای به گره دیگر منتقل می‌شوند. وقتی گره‌ای پیغام را دریافت می‌کند ابتدا نشانی مقصد آن را بررسی می‌کند؛ اگر نشانی گره مقصد با نشانی خودش یکی باشد پیغام را می‌پذیرد. در غیر این صورت سیگنال را دوباره تولید کرده و پیغام را به گره بعدی ارسال می‌کند.

این تولید مجدد سیگنال به شبکه حلقوی امکان پوشش فواصل بیشتری را می‌دهد. می‌توان این نوع از همبندی را طوری طراحی کرد که گره‌های مشکل‌دار نادیده گرفته شوند. در این نوع شبکه وسعت و تعداد گره‌ها باید از ابتدا در نظر گرفته شود چرا که افزودن گره جدید به دلیل حلقه بودن شبکه دشوار است.

مزایای شبکه‌ی Ring

اختصاص فضایی خاص برای کابل کشی ضرورت ندارد چرا که هر گره از طریق کابل به گره همسایه‌اش متصل می‌شود اما برای ظاهر زیباتر بهتر است از یک داکت ساده استفاده کرد. در این نوع از توپولوژی به دلیل انتقال داده‌ها تنها در یک جهت، می‌توان از فیبر نوری برای انتقال داده با سرعت بیشتری استفاده کرد.

یکی دیگر از مزایای شبکه رینگ امکان استفاده از اتصالات و کابل‌های متفاوت در بخش‌های مختلف است (برای مثال اتصال فایل سرور به سرور اصلی از طریق فیبر نوری انجام شود و مابقی از طریق کابل معمولی)

معایب شبکه Ring

مشکل در یک گره تمام شبکه را با اشکال مواجه می‌کند و تا زمانی که گره مشکل دار از شبکه خارج نشود هیچگونه ترافیکی روی شبکه نمی‌توان ارسال کرد. همچنین تشخیص گره معیوب در این نوع شبکه دشوار است چرا که یک گره معیوب می‌تواند روی تمام گره‌های دیگر تاثیر بگذارد و برای عیب یابی ممکن است نیاز باشد تا چندین گره مورد بررسی قرار بگیرد تا گره مورد نظر پیدا شود.

به دلیل ماهیت حلقوی شبکه گسترش یا اصلاح حوزه جغرافیایی در آن مشکل است. در این نوع از همبندی هر گره مسئول عبور دادن داده‌ای است که از گره مجاور دریافت کرده است و این دستیابی به داده را کند می‌کند. همچنین هر گره قبل از ارسال داده روی محیط انتقال باید از سلامت آن اطمینان حاصل کند که این موضوع زمان انتقال را کند می‌کند.

توپولوژی ستاره‌ای یا Star

یک شبکه محلی است که در آن تمامی گره‌ها به صورت ستاره‌ای به یک دستگاه مرکزی با نام هاب متصل می‌شوند. این شبکه مدیریت آسان‌تری نسبت به توپولوژی‌های Ring و Bus دارد چرا که به دلیل ماهیت همبندی، عیب یابی در آن ساده‌است. این نوع از توپولوژی پرکاربردترین نوع در شبکه محلی است.

مزایای شبکه Star

قطع شدن یک گره یا کابل مابقی شبکه را تحت تاثیر قرار نمی‌دهد. اگر از سوئیچ استفاده شود تبادل اطلاعات می‌تواند به صورت همزمان دو به دو انجام شود و این سرعت انتقال داده را افزایش می‌دهد. همچنین هزینه نگهداری و رفع مشکل در آن راحت‌تر است و کمتر دچار مشکل می‌شود.

معایب شبکه Star

اگر به هردلیلی دستگاه مرکزی از کار بیوفتد کل شبکه از کار می‌افتد به همین دلیل هاب یا سوئیچ را در محیطی مناسب و مطمئن در یک Rack نگهداری می‌شود. این نوع از همبندی هزینه پیاده سازی بیشتری نسبت به توپولوژی Bus دارد و مصرف کابل در آن بیشتر است.

توپولوژی شبکه توری یا Mesh

این نوع از توپولوژی از روش اتصال گره به گره استفاده می‌کند در این روش تمامی گره‌ها به یکدیگر متصل هستند. این شبکه از سایر همبندی‌ها قدرتمندتر است، در صورتی که یک مسیر دچار اختلال گردد گره می‌تواند از مسیر دیگری ارتباط خود را برقرار کند. معمولاً این روش در ارتباطات چند شعبه از یک سازمان با یکدیگر استفاده می‌شود تا در صورت بروز مشکل در یک مسیر ارتباط همچنان برقرار باشد.

مزایای شبکه‌ی Mesh

در این شبکه عیب‌یابی به سادگی انجام می‌شود. به دلیل ارتباط نقطه‌ای میزان ترافیک هر دستگاه با دستگاه دیگر روی شبکه تاثیری ندارد و تنها روی اتصال آن دو دستگاه جا به جا می‌شود. همچنین امنیت در شبکه‌های مش بالاست و پیغام هر گره تنها به همان گره ارسال می‌شود و امکان شنود توسط سایر گره‌ها وجود ندارد.

معایب شبکه‌ی Mesh

از معایب این نوع شبکه، می‌توان به نصب و راه اندازی سخت‌تر، هزینه بر بودن آن و همچنین نگهداری سخت آن اشاره کرد. به دلیل اتصال تمامی دستگاه‌ها به یکدیگر توپولوژی مش، کابل خیلی بیشتری نیاز دارد و بالطبع هزینه راه‌اندازی آن افزایش می‌یابد.

توپولوژی شبکه درختی یا Tree

این نوع از توپولوژی همانطور که از نام آن پیداست به صورت درخت همبندی می‌شود به این صورت که یک دستگاه مرکزی وجود دارد و مابقی گره‌ها به صورت سلسله مراتبی به آن وصل می‌شوند. این نوع از همبندی حداقل به سه سطح از سلسله مراتب نیاز دارد تا بتواند کار کند. این نوع توپولوژی در شبکه‌های بزرگ استفاده می‌شود و اگر طراحی به صورت درست انجام شود بسیار قدرتمند خواهد بود.

مزایای شبکه‌ی Tree

توسعه این نوع از توپولوژی شبکه به سادگی قابل اجراست. همچنین مدیریت، نگهداری و عیب‌یابی در این همبندی به دلیل ساختار سلسله مراتبی آن و نوع اتصال بسیار آسان است. برای شبکه‌های بزرگ ایده‌آل است و به خوبی عمل می‌کند.

معایب شبکه‌ی Tree

با توجه به استفاده از کابل بیشتر و ساختار آن، هزینه بیشتری برای راه‌اندازی نیاز است. در صورت استفاده در شبکه‌های بزرگ نگهداری دشوارتر می‌گردد. یکی دیگر از معایب این همبندی اهمیت بسیار بالای سیستم مرکزی است؛ در صورت ایجاد مشکل در سیستم مرکزی کل شبکه دچار مشکل می‌شود.

توپولوژی شبکه‌ی ترکیبی یا Hybrid

این نوع از توپولوژی با ترکیب همبندی‌های مختلف سعی در رفع معایب آن‌ها و ایجاد یک توپولوژی ایده‌آل دارد. برای مثال ممکن است دو شعبه از یک سازمان از توپولوژی‌های متفاوتی (Star و Ring) استفاده کنند و از طریق توپولوژی Mesh به شعبه اصلی متصل باشند در این صورت یک شبکه ترکیبی تشکیل داده‌اند.

شبکه‌های کامپیوتری مفهوم بسیار گسترده‌ای دارند، تقریبا تمام ارتباطی که امروزه باهم داریم، به لطف وجود این شبکه‌هاست، شما چه تجربه‌ای در خصوص شبکه‌ها و نحوه‌ی کار آن‌ها دارید؟ تجربیات و دیدگاه‌های ارزشمند خود را با ما و سایر کاربران همیار آی‌تی به اشتراک بگذارید.