انواع توپولوژی شبکه

انواع توپولوژی شبکه

شبکه از لحاظ معنا به ارتباط گروهی از افراد و یا اشیا اطلاق میشود که با یکدیگر در ارتباط هستند و میتوانند اقدام به اشتراک‌گذاری اطلاعات کنند. اما معنی این کلمه در حوزه فناوری اطلاعات متفاوت است.  شبکه کامپیوتری (Network ) در حوزه فناوری اطلاعات به معنای مجموعه‌ای از سیستم‌های کامپیوتری اعم از نرم افزار، سخت افزار و تجهیزات ارتباطی آنها (مانند کابل شبکه یا تجهیزات بی سیم) است. به طور کلی می توان  ساختار شبکه را در دو زیر مجموعه نرم افزاری و سخت افزاری قرار داد. اما در این بین نباید از تجهیزات پسیو و اکتیو غافل شد. منظور از تجهیزات پسیو انواع کابل، کانکتور، سوکت شبکه، رک و… و تجهیزات اکینو انواع سوئیچ، هاب، روتر، فایروال و… است. تمامی مطالب گفته شده گویای اهمیت آشنایی با تجهیزات شبکه است از این رو مقاله به بررسی ساختار شبکه و تجهیزات آن اختصاص یافته است.

 

بررسی تاریخچه شبکه

بخش اول مقاله شبکه به بیان تاریخچه شبکه کامپیوتری اختصاص دارد. آغاز کار شبکه کامپیوتری به سال 1960 برمی گردد زمانی که وزارت دفاع آمریکا در رقابت با فعالیت های ماهواره‌ای اتحاد جماهیر شوروی اقدام به راه اندازی آژانس تحقیقاتی پیشرفته کرد. این آژانس تحقیقاتی که آرپا(Arpa) نامیده می شد، وظیفه انجام مطالعات و تحقیقات پژوهشی در حوزه های  استراتژیک و دفاعی را داشت. یکی از مباحثی که در این آژانس مورد توجه قرار داشت چگونگی برقراری ارتباطات قوی در زمان رخ دادن جنگ احتمالی بود. این موضوع آغاز کار راه اندازی شبکه کامپیوتری بود. بدین منظور این آژانس بین 4 کامپیوتر که در 3 نقطه مختلف واقع شده بودند ارتباط برقرار کرد. دو عدد از کامپیوترهای شبکه آرپانت، در دانشگاه MIT و دو عدد دیگر به ترتیب  در دانشگاه کالیفرنیا و مرکز تحقیقاتی استنفورد قرار داشتند.

شبکه کامپیوتری چه کاربردی دارد

برقراری ارتباط بین سیستم ها ، اصلی ترین وظیفه شبکه است. این ارتباط زمینه ساز تبادل اطلاعات، داده و تجهیزات بین کاربران مختلف است. بنابراین می توان کاربرد شبکه را به برقراری ارتباط سیستم ها و راه اندازی شبکه کامپیوتری مرتبط دانست. به واسطه وجود شبکه کامپیوتری کاربران می توانند داده ها و دستگاه ها (مانند پرینتر) را به صورت مشترک استفاده کنند. از طرف دیگر وجود ساختار شبکه ای امکان مدیریت و اعمال سیاست های لازم را برای مدیران IT فراهم کرده است.

امروزه به راحتی می توان شاهد نفوذ شبکه کامپیوتری در تمامی حوزه های نظامی، پزشکی، علمی، اداری و حتی خانگی بود. حسن استفاده از این شبکه ها عدم وجود محدودیت مکانی و فیزیکی است. در واقع می توان ارتباط شبکه ای را بین 2 کامپیوتر در یک سازمان و 2 میلیون کامپیوتر در نقاط مختلف برقرار کرد. امکان تعریف یک هدف مشترک برای راه اندازی شبکه وجود ندارد اما به طور کلی شبکه امکان دسترسی کاربران به منابع مختلف اطلاعاتی را فراهم کرده است. از طرف دیگر کاربران می توانند به واسطه وجود شبکه  از محاسن تماس های صوتی و یا تصویری بهره ببرند. در واقع هر کاربری بر اساس سطح دسترسی که برای او تعریف شده است می تواند به پرونده‌ها، فایل‌ها، سخت افزارها، نرم افزار دسترسی داشته باشد. این بخش از مقاله شبکه به بررسی اهداف و مزایای شبکه اختصاص داشت. ادامه مقاله به بررسی مفاهیم کلی شبکه های کامپیوتری اختصاص یافته است.

آشنایی با اصطلاحات رایج شبکه کامپیوتری

در حوزه شبکه کامپیوتری اصطلاحات گوناگونی وجود دارد که در زیر به مهمترین آنها اشاره شده است:

• کلاینت : کلاینت در واقع به سیستم درخواست ها و تقاضاها اختصاص دارد. در این بخش مجموعه درخواست ها و تقاضاها در بخش سرور مجموعه پردازش و سپس ارسال می شود. برای ملموس شدن قضبیه می توان به اتصال کامپیوتر شخصی به شبکه اشاره کرد. در واقع بعد از برقراری این اتصال سیستم کلاینت شده است.
• سرور: سرور کامپیوتری دارای توان نرم افزاری و سخت افزاری بالا است. این کامپیوتر که به عنوان کامپیوتر مرکزی شناخته می شود همیشه روشن  و مشغول ارائه خدمت به کلاینت است. کلاینت و سیستم عامل شبکه های کلاینت، سروری کاملا اختصاصی دارند. در واقع می توان گفت کامپیوتر ها در عین اتصال به یکدیگر عملکرد مستقلی دارند یعنی خاموش شدن یک کامپیوتر به معنای خروج آن از مدار شبکه است اما این امر هیچ خللی برای شبکه ایجاد نمی کند و شبکه پابرجا خواهد بود. این امر برای سرور متفاوت است. اگر سروری از مدار خارج شود روال کاری شبکه مختل خواهد شد زیرا سرویس های سرور از دسترس خارج می شود.
• هاست: اتصال به شبکه به معنای بهره بردن از خدمات شبکه و یا ارائه خدماتی به شبکه است. بنابراین بر اساس این تعریف می توان گفت هاست (Host) مجموعه ای از کلاینت و سرور است.

آشنایی با انواع شبکه کامپیوتری

شبکه کامپیوتری بر اساس وسعت و گستردگی دارای تقسیم بندی هایی است که در زیر به آنها اشاره می شود:

1.شبکه PAN یا شبکه شخصی: کوچکترین نوع شبکه به شبکه شخصی (Personal Area Network) اختصاص دارد. این شبکه از تعداد کمی کامپیوتر و لوازم دیجیتال نزدیک به هم تشکیل شده است. شیوه ارتباطی این شبکه ها بی سیم و با با سیم است. برای درک بهتر این شبکه می توان به اتصال گوشی به کامپیوتر از طریق بلوتوث اشاره کرد.

2. LAN یا شبکه محلی : به مجموعه دستگاه هایی که در یک مکان مانند خانه، دفتر و … به هم متصل شده اند، شبکه محلی (Local Area Network) می گویند. شبکه محلی از نظر اندازه می تواند به کوچکی شبکه خانگی و یا به بزرگی شبکه سازمانی باشد. لازم به ذکر است اتصال دستگاه های موجود در شبکه محلی به یک منطقه مخصوص محدود می شود و نمی تواند برای مناطق بزگ جغرافیایی کاربرد داشته باشد. در واقع شبکه WAN و MAN (شبکه به کار گرفته شده برای مناطق وسیع جغرافیایی) از  اتصال چندین شبکه محلی به وجود می آید. در شبکه محلی از تکنولوژی های مختلفی استفاده می شود که یک نمونه آن اترنت (Ethernet) است.

3. شبکه MAN یا شبکه شهری: شبکه کامپیوتری شهری (Metropolitan Area Network) از نظر وسعت جغرافیایی یک شهر را می تواند پوشش دهد.  برای درک شبکه شهری می توان به اتصال شعبه های مختلف یک موسسه در سطح شهر و یا شبکه کابلی تلویزیون اشاره کرد.

4. WAN یا شبکه گسترده: از اتصال چندین شبکه محلی شبکه گسترده یا Wide Area Network به وجود می آید. از این شبکه می توان برای اتصال چندین شهر، کشور و قاره استفاده کرد. برای برقراری اتصالات داخلی شبکه گسترده، استفاده از زیرساخت های مخابراتی و ISP ها الزامی است. در این شبکه نیز از تکنولوژی های گوناگونی استفاده شده است که از جمله آن می توان به ISDN – MPLS – ATM و…. اشاره کرد. اینترنت و سرویس‌های ۳G و ۴G و … از جمله نمونه های شبکه گسترده هستند که توسط کاربران مورد استفاده قرار می گیرند.

5. Gan یا شبکه جهانی: به شبکه های فاقد محدودیت های جغرافیایی شبکه جهانی (Global Area Network ) و یا سراسری می گویند.

6. WLAN یا شبکه محلی بی سیم : به شبکه هایی که به اتصال فیزیکی نیاز ندارند و می توانند در حین جابه جایی کارایی داشته باشند شبکه محلی بی سیم (Wireless Local Area Network) می گویند. در این شبکه استانداردهای گوناگونی وجود دارد که از جمله آن می توان به استاندارد  ۸۰۲.۱۱a اشاره کرد.

انواع شبکه بر اساس کارکرد

نوع دیگری از تقسم بندی های شبکه بر اساس کارکرد است. در زیر به این تقسیم بندی ها اشاره می شود:

1. شبکه های Peer to Peer : در شبکه Peer to Peer کلاینت ها به طور مستقیم به یکدیگر وصل می شوند. این شبکه کامپیوتری فاقد مدیریت متمرکز (یعنی هیچ سرور مرکزی وجود ندارد) است پس کلاینت ها علاوه بر نقش کلاینت نقش سرور را نیز ایفا می کنند. این شبکه زمانی مورد استفاده قرار می گیرد که تعداد کلاینت ها کمتر از ده باشد. از محاسن شبکه Peer to Peer هزینه راه اندازی پایین آن است. در سیستم عامل ویندوز از از طریق Workgroup می توان به این نوع شبکه دسترسی پیدا کرد. با کمک این شبکه کامپیوتری می توان بین سیستم ها و دستگاه های دیجیتالی در راستای اشتراک گذاری فایل و دیتا ارتباط برقرار کرد.
2. شبکه های client/server : اصولا برای محیط های بزرگ از شبکه client/server استفاده می شود. همانگونه که از نام این شبکه مشهود است این شبکه دارای دو نقش کاربردی است. 1- سرویس گیرنده و 2- سرویس دهنده ( نقش server) . در نهایت باید گفت سطح دسترسی کاربران به اطلاعات ذخیره شده در این شبکه تعیین شده است. از طرفی تمام فایل های شبکه در سرورها ذخیره می شوند.
3. شبکه domain : یکی از زیر مجموعه های شبکه کلاینت- سرور ، شبکه های Domain است. به واسطه وجود این شبکه کاربران می توانند از خدمات ارائه شده بهره ببرند. در این شبکه، در راستای تامین امنیت و پایداری شبکه، مدیران می توانند عملکرد کاربران را مدیریت کنند. برای حضور پیدا کردن کامپیوترها و دستگاه ‌های دیجیتال در این شبکه کامپیوتری عضو شدن دامین الزامی است یعنی هر دستگاهی باید نام و آدرسی تحت نام دامین داشته باشد.

آشنایی با شبکه‌های internet – intranet – extranet

شبکه های اینترنت، اینترانت و اکسترانت از جمله شبکه های کاربردی و متمایزی هستند که در ادامه به آنها پرداخته می شود:

1. شبکه اینترنت: شبکه اینترنت امکان ارسال و دریافت داده ها را فارغ از محدودیت جغرافیایی به وجود آورده است. از طریق این شبکه گسترده و جهانی می توان حتی اقدام به تبادل اطلاعات در سطح قاره ای کرد. لازمه بهره بردن از این شبکه داشتن مودم یا اینترنت گوشی همراه است. از جمله پروتکل های مهم اینترنت می توان به مواردی همچون HTTP ، HTTPS و FTP اشاره کرد.
2. شبکه اینترانت : اصولا بسیاری از شرکت ها و یا سازمان های بزرگ اقدام به راه اندازی شبکه محدود و خصوصی می کنند که به این شبکه اینترانت می گویند. پروتکل های به کار رفته در این شبکه کاملا مشابه اینترنت است با این تفاوت که داده های این شبکه در دسترس افراد خارج از شبکه قرار نمی گیرد. در واقع اطلاعات تعریف شده در این شبکه فقط به درون سازمانی محدود می شود. از جمله این شبکه کامپیوتری می توان به شبکه اتوماسیون بین شعبات یک بانک اشاره کرد که تنها کارمندان بانکی قادر به ورود و برداشت اطلاعات از آن هستند.
3. شبکه اکسترانت : اگر دو شبکه اینترنت و اینترانت با یکدیگر ترکیب شوند شبکه اکسترانت (extranet) به وجود می آید. این شبکه امنیت بالایی در فضای مجازی دارد زیرا تنها افراد خاصی از  از درون و بیرون سازمان اجازه دسترسی به آن را دارند. با توجه به مطلب ذکر شده می توان گفت وجه تمایز اینترانت و اکسترانت در نوع دسترس پذیری است. در اینترانت ،شبکه داخلی است یعنی سرورها در داخل سازمان واقع شده است و جز افراد درون سازمان  کسی نمی تواند به اطلاعات دسترسی داشته باشد اما در شبکه اکسترانت  محدودیتی برای افراد درون سازمانی و برون سازمانی وجود ندارد. در واقع فعالیت این شبکه در فضای مجازی به صورت سراسری است اما محیط آن در جهت حفظ امنیت برای افراد خاصی مانند شرکای تجاری و مشتریان شخصی سازی شده است.

توپولوژی شبکه چیست؟

توپولوژی در واقع همان همبندی شبکه کامپیوتری است. همبندی شبکه به چگونگی قرار گیری و یا معماری اجزای شبکه اشاره دارد. علاوه بر آن توپولوژی شامل چگونگی اتصال اجزای شبکه به یکدیگر نیز می شود.  توپولوژی یکی از مهمترین بخش های معماری شبکه است بنابراین قبل از راه اندازی هر شبکه ای باید مورد توجه قرار گیرد.

1. توپولوژی خطی یا BUS

 در توپولوژی خطی با باس یک کابل مستقیم و اصلی تحت عنوان Trunk یا Backbone برای اتصال شبکه در نظر گرفته شده است. جهت ممانعت از رخ دادن انعکاس سیگنال، در  دو انتهای کابل یک ترمیناتور قرار داده شده است که وظیفه ی جذب سیگنال ها را دارد. لازم است که کامپیوتر به کابل اصلی متصل شود، برای اجرا کردن این امر از از Drop Line استفاده می‌شود. در این توپولوژی کابل اصلی وظیفه ی عبور تمام ترافیک را دارد به همین دلیل برای طول کابل و نودها محدودیتی در نظر گرفته شده است. این محدودیت، ارتقا پذیری شبکه کامپیوتری را کاهش داده است. از معایب دیگر این نوع توپولوژی می توان به خطایابی مشکل اشاره کرد. همچنین قطع شدن کابل اصلی یا Trunk به منزله قطعی کل شبکه (Down  شدن شبکه) است. در کنار معایب ذکر شده نباید از حسن قابل توجه BUS غافل شد. این توپولوژی به دستگاه خاصی برای راه اندازی نیاز ندارد بنابراین هزینه راه اندازی آن بسیار پایین است. شیوه ارسال پیام از یک گره به گره دیگر در این توپولوژی به شکل همه پخشی (Broadcast)  است بنابراین پیام برای تمام کامپیوترهای متصل به شبکه ارسال می شود. اما در نهایت  تنها کامپیوتری که مخاطب آن پیام است می تواند پیام مورد نظر را مشاهده کند. در واقع می توان گفت پیام به آدرسی می رسد که در پیام مندرج شده است.

 

2. توپولوژی ستاره ای یا Star

برای توپولوژی ستاره ای یک سرور، Switch یا Hub به عنوان دستگاه مرکزی در نظر گرفته شده است که تمامی تجهیزات و کلاینت ها به آن متصل می شوند. در این حالت بعد از قطع شدن ارتباط یک گره با سرور مرکزی مشکلی برای عملکرد کلی شبکه کامپیوتری به وجود نمی آید. تنها در صورتی شبکه از کار می افتد که عملکرد سوئیچ یا سرور مرکزی با مشکل مواجه شود. استفاده از این سبک توپولوژی به واسطه داشتن مزایای مطرح شده در زیر گسترش بسیاری یافته است:

• هزینه کم راه اندازی (در توپولوژی ستاره ای از طریق یک لینک می توان اتصال به هاب را ایجاد کرد همچنین تنها پورت مورد نیاز برای آن پورت I/O است.)
• نصب آسان
• کابل کشی محدود و کم
• عدم دان شدن شبکه در اثر از کار افتادگی یک لینک
• مشخص بودن لینک در نتیجه مدیریت و عیب یابی آسان

در کنار محاسن ذکر شده لازم است به معایب این توپولوژی نیز اشاره شود. این معایب شامل مواردی به شرح زیر است:

• رخ دادن مشکل در دستگاه مرکزی به معنای Down شدن کل شبکه است.
• هاب در سیستم مرکزی توپولوژی ستاره ای به نگهداری منظم و استفاده از منابع بیشتر نیاز دارد.

3. توپولوژی token ring یا حلقه‌ای

اگر تمامی کلاینت ها یه یک دستگاه واحد به نام MAU متصل شوند، توپولوژی حلقه ای شکل گرفته است. نوع لینک موجود در این توپولوی لینک نظیر به نظیر است. هر دستگاهی در این توپولوژی به دو دستگاه دیگر وصل است. نتیجه این اتصالات تشکیل ساختار حلقه ای است. در واقع در این توپولوژی تمامی دستگاه ها در راستای مسیر دایره ای به یکدیگر متصل شده اند بنابراین در آنها نیازی به مسدود کردن کابل ها نیست.

از دیگر ویژگی های توپولوژی حلقه ای می توان به فرصت یکسان گره های شبکه برای دسترسی داشتن به مسیر ارتباطی اشاره کرد. وقتی پیامی در این شبکه کامپیوتری ارسال می شود تمامی گره ها می توانند این پیام را دریافت کنند اما تنها گره مقصد است که اقدام به دریافت این پیام می کند. در واقع برای هر گره آدرسی تعریف شده است که مقصد نهایی پیام را تعیین می کند.

شیوه حرکت داده ها در این توپولوژی یک طرفه است یعنی دستگاه تنها در یک جهت دیتای مورد نظر را ارسال می کند.  با توجه به اینکه ممکن است پیام ارسال شده مربوط به دستگاه گیرنده نباشد، در جهت رسیدن پیام به مقصد نهایی برای هر دستگاه ریپیتر تعریف شده است که وظیفه ارسال پیام را به مقصد بر عهده دارد. بنابراین می توان گفت هر بسته اطلاعاتی مسیر مشخصی را شامل token و تک تک CLIENT‌ ها طی می کند تا در نهایت به مقصد نهایی برسد.

فرایند مدیریت و نصب توپولوژی حلقه ای بسیار آسان است. در واقع افزودن و کم کردن دستگاه در این توپولوژی با تغییر دو لینک امکانپذیر است. لازم به ذکر است اتصال این شبکه به گونه ای است که خرابی یک لینک ، دان شدن کل شبکه را رقم می زند. از طرف دیگر حجم ترافیک در این نوع شبکه به علت گردش حلقه ای کل دیتا ها بسیار بالا است.

بنابراین می توان انتظار داشت با خارج شدن یک گره از مدار شبکه و ایجاد نقص در ساختار کابل، شبکه قطع شود. برای برطرف کردن این مشکل ادمین ها به استفاده از حلقه دوم شبکه روی آورده اند. حلقه دوم کمک می کند که در صورت از دست رفتن یک حلقه، پیام در جهت پیشین به مقصد ارسال شود. به این ساختار در شبکه کامپیوتری توپولوژی دو حلقه ‌ای و یا دو جهته می گویند.

 

4. توپولوژی Mesh

ساختار توری به گونه ای طراحی شده است که در آن هر گره در شبکه با چند گره دیگر در ارتباط است یعنی اتصال کلاینت با سایر کلاینت ها  هم به صورت مستقیم و هم از طریق لینک اختصاصی (نقطه به نقطه) صورت می گیرد. اگر این اتصال به شکل فرمول ریاضی در بیاید اتصال هر دستگاه برابر n-1  و تعداد لینک n(n-1)/2 است.

مزایای این شکل از توپولوژی وجود بیش از یک مسیر ارتباطی بین گره ها است. این امر به انتقال داده از مسیر دیگر در هنگام قطعی یک مسیر کمک می کند. علاوه بر مورد ذکر شده می توان برای این توپولوژی مزایایی به شرح زیر بیان کرد:

• عدم وجود ترافیک ( در این توپولوژی یک لینک اختصاصی برای دو دستگاه تعریف شده است که برای سایر دستگاه ها غیر قابل استفاده است بنابراین حجم ترافیکی کاهش می باید)
• عدم رخ دادن قطعی شبکه بعد از خراب شدن لینک ارتباطی دو دستگاه
• امنیت بالا (لینک نقطه به نقطه اجازه دسترسی غیر مجاز را نمی دهد)
• عیب یابی راحت
• ظرفیت تحمل خطای بالا
• سرعت و اطمینان بالا

در کنار محاسن ذکر شده نباید از معایب این توپولوژی غافل شد:

• هزینه بالا به علت نیاز به کابل و پورت های بیشتر برای کلاینت ها
• ارتقای مشکل (ارتقا در این توپولوژی به علت استفاده از تعداد زیادی لینک نقطه به نقطه مشکل است)

توپولوژی مش به دو شکل زیر تقسیم می  شود:

1. Full mesh: مش کامل شیوه ای از اتصال است که در آن هر گره به تمامی گره ها متصل است. این امر برای سیستم نیز قابل بسط است و هر سیستم با سیستم ها دیگر نیز در ارتباط است. ظرفیت پذیرش ترافیک در این شکل از مش زیاد است زیرا بین هر دو گره مسیر مستقیمی نیز تعریف شده است.
2. Partial mesh: اگر ارتباط گره ها با یکدیگر موردی باشد یعنی بعضی از گره ها با گره های دیگر در ارتباط باشد به آن نیمه مش می گویند. در واقع در این شکل از شبکه، یک سیستم به چند سیستم وصل است نه تمامی سیستم ها.

5. توپولوژی Hybrid یا ترکیبی

در جهت بهبود عملکرد شبکه کامپیوتری امکان ادغام چندین توپولوژی با یکدیگر وجود دارد. در واقع بر اساس نیاز می توان از مزایای توپولوژی هیبریدی بهره برد. این امر به علاوه بر ارتقای شبکه منجر به دسترسی به انواع توپولوژی ها می شود.

مزیت توپولوژی هیبریدی بسیار زیاد است اما مهمترین حسن آن را می توان در همخوانی نوع توپولوژی با نوع نیاز دانست. این همخوانی پیامدی جز گسترش‌پذیری، ارتقا‌پذیری و دسترس‌پذیری ندارد. شکل زیر ترکیب دو نوع توپولوژی Bus و Star را نشان می دهد.

توپولوژی هیبریدی داری معایبی نیز هست که در زیر به آنها به صورت مختصر اشاره می شود:

• عیب یابی سخت
• نصب پیچیده و سخت
• طراحی پیچیده
• نگهداری سخت و پرهزینه

6. توپولوژی بی سیم Wireless

دنیای امروز به استفاده از شبکه‌های بی‌سیم گرایش بیشتری پیدا کرده است به همین دلیل توپولوژی بی سیم طراحی شده است. این شکل از توپولوژی امنیت بسیار پایینی دارد. به طور کلی شیوه ارتباط شبکه وایرلس یا بی سیم دستگاه‌ها به دو شکل زیر است:

1. Ad hoc: شکل گیری این شبکه تنها به یک کارت شبکه بی سیم احتیاج دارد. هیچ گونه تجهیزاتی برای این توپولوژی نیاز نیست.
2. Infrastructure: اجزای شبکه در این توپولوژی از طریق دستگاه Access point به یکدیگر متصل می شوند. در مقام مقایسه سرعت و پایداری این توپولوژی بیشتر از توپولوژی ad hoc است.

سخن پایانی

قبل از پیاده سازی شبکه کامپیوتری مشاوره گرفتن از متخصصین طراحی شبکه الزامی است زیرا آنها بهتر می توانند شبکه مناسب با کار شما را تشخیص دهند. بهره نبردن از مشاوره به معنای هدر رفت تجهیزات و لوازم خریداری شده یا به عبارتی هدر رفت سرمایه است.