مفهوم و کاربرد شبکه‌های کامپیوتری از ابتدا تا امروز

در دنیای کامپیوتر، شبکه اشاره به اتصال کامپیوترها و تجهیزاتی دارد که قابلیت اشتراک‌گذاری اطلاعات با یکدیگر را دارند و می‌توانند با یکدیگر در تعامل باشند. این تجهیزات بر مبنای سخت‌افزارهای خاصی مثل کابل‌های شبکه یا تجهیزات بی‌سیم و نرم‌افزارهایی خاص به تعامل با یکدیگر می‌پردازند. به‌طور کلی شبکه‌‌های کامپیوتری از دو بخش پسیو (Passive) و اکتیو (Active) به وجود می‌آیند. از مهم‌ترین تجهیزات پسیو باید به کابل‌ها، کانکتور، سوکت شبکه، رک سرور و هرگونه ملزومات سخت‌افزاری اشاره کرد. از ملزومات اکتیو سخت‌افزاری باید به سوییچ‌ها، هاب‌ها، روترها و... به همراه نرم‌افزارها و پروتکل‌ها اشاره کرد.

شبکه چیست؟

برای راه اندازی شبکه کامپیوتری ابتدا باید زیرساخت‌های لازم را فراهم کرد. از جمله مهم‌ترین آنها مشخص کردن توپولوژی شبکه و سپس تهیه تجهیزات Passive یا اصطلاحا غیرفعال شبکه است. تجهیزاتی مانند انواع کابل، انواع رک، کانکتورها، سوکت‌های دیواری و ابزارهایی مانند Punch Down و Striper هستند که نقشی در تقویت سیگنال‌ها ندارند و به برق متصل نمی‌شوند. در هنگام راه اندازی بخش پسیو شبکه باید طراحی استاندارد داشته باشید و طبق نقشه کار کنید و از با کیفیت ترین تجهیزات استفاده کنید.

شبکه‌های کامپیوتری به منظور برقراری ارتباط سیستم‌ها با یکدیگر طراحی می‌شوند تا کاربران بتوانند داده‌ها و تجهیزات سخت‌افزاری مثل چاپگرها را به شکل اشتراکی استفاده کنند. در این حالت افرادی که به آن‌ها سرپرستان شبکه گفته می‌شود مسئولیت نظارت و پشتیبانی از شبکه و پیاده‌سازی خط‌مشی‌های امنیتی و ارتباطی را دارند.

شبکه‌های کامپیوتری فارغ از فاصله فیزیکی می‌توانند از 2 کامپیوتر تا چند صدهزار یا میلیون‌ها دستگاه را به یکدیگر متصل کنند. به بیان دقیق‌تر، تجهیزات درون یک سازمان که با یکدیگر شبکه می‌شوند در قالب مفهومی به‌نام شبکه LAN شناخته می‌شوند، حال اگر این کلاینت‌ها نیازمند برقراری ارتباط با شبکه‌های LAN دیگر باشند در اولین گام به سخت‌افزاری به‌نام روتر نیاز دارند تا بتوانند به شبکه‌های گسترده WAN متصل شوند و به این شکل شبکه‌ای متشکل از میلیون‌ها دستگاه متصل به یکدیگر را پدید آورند. شبکه‌ها به دلایل مختلفی راه‌اندازی می‌شوند، به‌طور مثال برخی از آن‌ها دسترسی به منابع کاربردی را فراهم می‌کنند مثل زیرساخت‌های ابری یا برخی دیگر دسترسی به اسناد اشتراکی را امکان‌پذیر می‌کنند و برخی دیگر برای برقراری ارتباطات صوتی و تصویری استفاده می‌شوند. فایل‌ها، سخت‌افزارها، نرم‌افزار و منابعی که در یک شبکه به‌اشتراک قرار می‌گیرند بر مبنای سطح دسترسی که برای کاربران تعریف شده قابل استفاده هستند.

از مفاهیم مهمی که پیرامون شبکه‌های کامپیوتری قرار دارد دو اصطلاح کلاینت و سرور وجود دارد. کلاینت (Client)، به سیستمی گفته می‌شود که درخواست سرویسی را دارد و این درخواست توسط سرور پردازش شده و نتیجه برای کلاینت ارسال می‌شود. به‌طور مثال، زمانی که با کامپیوتر خود به شبکه‌ای متصل می‌شوید و از خدمات آن استفاده می‌کنید کلاینت هستید.

در نقطه مقابل این مفهوم، سرور قرار دارد. سرور (Server) به کامپیوتر همیشه روشنی اشاره دارد که توان سخت افزاری و نرم‌افزاری زیادی دارد و به عنوان کامپیوتر مرکزی، سرویس و خدماتی به کلاینت‌ها ارایه می‌کند. در شبکه‌های مبتنی بر کلاینت سرور، هم کلاینت و هم سرور سیستم‌عامل مخصوص خود را دارند، در این حالت کامپیوترها علاوه بر این‌که به یکدیگر متصل هستند از یکدیگر مستقل هستند. به بیان دقیق‌تر، اگر یک کامپیوتر یا دستگاه دیجیتالی که به شبکه متصل است، خاموش شود یا به هر دلیل از شبکه خارج شود، شبکه بدون مشکل قادر به ارایه خدمات است. با این‌حال، اگر سرور از دسترس خارج شود سرویس‌هایی که ارائه می‌دهد از دسترس خارج می‌شوند و در عملکرد شبکه اختلال به وجود می‌آید. سومین مفهوم مهم در این زمینه که باید به آن دقت کنید هاست (Host) است. هاست یا همان میزبان به هر دستگاه یا سیستمی که به شبکه متصل شده و خدماتی ارائه می‌دهد یا از خدمات و سرویس‌هایی در داخل شبکه استفاده می‌کند اشاره دارد. بر مبنای این تعریف باید بگوییم که هم کلاینت و هم سرور، میزبان به شمار می‌روند.

طبقه‌بندی شبکه‌های کامپیوتری

شبکه‌های کامپیوتری بر مبنای کاربردی که برای آن‌ها تعریف می‌شود به گروه‌های مختلفی تقسیم می‌شوند که توضیح اجمالی آن‌ها به شرح زیر است:

شبکه شخصی (PAN)

شبکه شخصی PAN سرنام Personal Area Network کوچک‌ترین نوع شبکه است. شبکه‌های شخصی شامل تعداد محدودی دستگاه الکترونیکی و هوشمند هستند که حداکثر چند متر با هم فاصله دارند و به شکل باسیم یا بی سیم به یکدیگر متصل می‌شوند. به‌طور مثال، هنگامی که گوشی هوشمند خود را از طریق بلوتوث به کامپیوتر متصل می‌کنید یک شبکه PAN را پیاده‌سازی کرده‌اید. هر زمان دو دستگاه الکترونیکی که قابلیت اتصال به شبکه دارند را به شکل باسیم یا بی سیم از طریق فناوری‌هایی مثل وای‌فای یا بلوتوث و… به یکدیگر متصل می‌کنید در حال ساخت یک شبکه شخصی هستید.

شبکه محلی (LAN)

شبکه محلی LAN سرنام Local Area Network به مجموعه‌ای از دستگاه‌های متصل به هم در یک مکان فیزیکی مثل یک ساختمان یا دفتر یا خانه اشاره دارد. وسعت و بزرگی اندازه شبکه LAN بستگی به تجهیزات و کاربرانی دارد که درون یک شرکت قرار دارند. یکی از فناوری‌های مهم مورد استفاده در این نوع شبکه‌ها فناوری اترنت (Ethernet) است. نکته مهم در تعریف LAN این است که دستگاه‌ها در یک منطقه محدود به یکدیگر متصل هستند. درست برعکس شبکه WAN یا MAN که گستره جغرافیایی وسیعی را پوشش می‌دهند. گاهی اوقات برخی WANها و MANها از اتصال چند LAN به یکدیگر به وجود می‌آیند.

شبکه شهری (MAN)

شبکه شهری MAN سرنام Metropolitan Area Network وسعتی به ابعاد یک شهر دارد و برای مثال اتصال شعبات یک موسسه به شعبه‌های دیگر در محدوده شهری یا در مقیاس کلان را امکان‌پذیر می‌کند.

شبکه گسترده (WAN)

شبکه گسترده (WAN) سرنام Wide Area Network از متصل کردن چند شبکه محلی ایجاد می‌شود. به عبارت دقیق‌تر، شبکه گسترده را باید شبکه‌ای از شبکه‌های دیگر توصیف کرد. به‌طور معمول شبکه‌ها بین شهرها، کشورها یا حتی قاره‌ها استفاده می‌شوند. برای اتصال به شبکه‌های گسترده باید از خدمات شرکت‌های ارایه‌دهنده خدمات اینترنتی (ISP) یا زیرساخت‌های مخابراتی استفاده کنید. از فناوری‌های مورد استفاده در این نوع شبکه‌ها باید به ATM، MPLS، ISDN، DSL، فیبرنوری و... اشاره کرد. دقت کنید که شبکه سلولی مثل 3G، 4G، 5G و.... نیز در زیر مجموعه شبکه‌های WAN قرار می‌گیرند. شبکه‌های گسترده محدود به ناحیه‌ای خاص یا شهر نیستند و قابلیت برقراری ارتباطات بین‌المللی را دارد.

شبکه محلی بی سیم

شبکه محلی بی‌سیم WLAN سرنام Wireless Local Area Network را باید نوع پیشرفته‌تر شبکه‌های محلی توصیف کنیم که به‌جای سیم از امواج رادیویی برای انتقال بسته‌های اینترنتی استفاده می‌کند. در این شبکه‌ها استاندارد‌هایی مثل 802.11n/ac/ax جای کابل‌های Cat را گرفته‌‌اند.

طبقه‌بندی شبکه‌ها بر مبنای عملکرد

در کنار گروه‌‌بندی کلی که برای شبکه‌ها ارایه کردیم، هر یک از شبکه‌های کامپیوتری بر مبنای عملکردی که دارند به گروه‌های مختلفی تقسیم می‌شوند که از مهم‌ترین آن‌ها به موارد زیر باید اشاره کرد:

شبکه‌های Peer to Peer

این شبکه‌ها فاقد مدیریت مرکزی هستند و کلاینت‌ها به‌طور مستقیم به یکدیگر متصل می‌شوند. در این شبکه‌ها هیچ سروری وجود ندارد و هر کلاینت می‌تواند همزمان نقش سرور و کلاینت را بازی کند. شبکه‌های نظیر به نظیر (peer to peer) برای محیط‌هایی با کمتر از 10  کلاینت مناسب هستند، زیرا هزینه راه‌اندازی کمی دارند. این مدل شبکه‌ها در سیستم‌عامل ویندوز به‌نام Workgroup شناخته می‌شوند. هدف اصلی این مدل شبکه‌ها پیاده‌سازی یک مکانیزم ارتباطی میان سیستم‌ها و دستگاه‌های دیجیتال و اشتراک‌گذاری داده‌ها است.

شبکه کلاینت سرور

این شبکه‌ها در محیط‌های بزرگ و حرفه‌ای راه‌اندازی می‌شوند که همزمان به وجود کلاینت‌ها و یک سرور مرکزی متمرکز نیاز است. در این شبکه‌ها سرورها، مکانی برای ذخیره تمام فایل‌های شبکه هستند و همه کاربران شبکه برای دسترسی به منابع یک مجوز دسترسی مشخص دریافت می‌کنند.

شبکه domain

شبکه‌های دامین از پیوستن شبکه‌های کلاینت سروری به وجود می‌آیند تا به کاربران اجازه دهند از سرویس‌های شبکه استفاده کنند. مدیران شبکه می‌توانند کاربران را مدیریت کرده و امنیت و پایداری شبکه را تامین کنند. به بیان دقیق‌تر، کلاینت‌ها و تجهیزات در این نوع شبکه عضو دامنه می‌شوند و نام و آدرسی تحت نام دامنه دریافت می‌کنند. در شبکه‌های کلاینت سروری یک سیستم به عنوان سرویس‌دهنده خدمات‌ تعیین می‌شود. بنابراین برای ارایه سرویس‌ها به کلاینت‌ها وجود آن ضروری است.

شبکه اینترانت

شبکه اینترانت (intranet) یک شبکه‌ محدود سازمانی است که از پروتکل‌های مشابه شبکه اینترنت استفاده می‌کند، با این تفاوت که اطلاعات خارج از شبکه در دسترس نیستند. این شبکه‌ها با هدف تسهیل خدماتی که کارمندان یک شرکت به آن‌ها نیاز دارند پیاده‌سازی می‌شوند.

شبکه اکسترانت

شبکه اکسترانت (extranet) را باید ترکیبی از دو شبکه اینترنت و اینترانت توصیف کنیم. اکسترانت شبکه امن در فضای مجازی است که افراد مشخصی از داخل و خارج سازمان قادر به دسترسی به آن هستند. به بیان دقیق‌تر، تفاوت اینترانت و اکسترانت به این صورت است که اینترانت شبکه‌ای داخلی است و سرورهای مجموعه در داخل سازمان وجود دارد و افراد خارج از محیط سازمان نمی‌توانند به شبکه دسترسی داشته باشند، در حالی که اکسترانت روی فضای مجازی و به‌طور سراسری فعالیت می‌کند و شرکای تجاری و مشتریان می‌توانند از طریق یک مکانیزم ارتباطی مطمئن به آن متصل شوند.

توپولوژی شبکه چیست؟

یک شبکه کامپیوتری شامل تعدادی کامپیوتر و سخت افزارهایی مثل سوییچ و هاب و … است که با استفاده از کانال‌های ارتباطی با هم در ارتباط هستند. منابع سخت افزاری و نرم افزاری خود را به اشتراک می‌گذارند. چیدمان و نحوه اتصال سیستم‌های شبکه انواع مختلفی دارد که به آن توپولوژی شبکه گفته می‌شود.

به نحوه طراحی، پیاده‌سازی و استقرار معماری فیزیکی مولفه‌های شبکه و نحوه اتصال آن‌ها به یکدیگر، توپولوژی (هم‌بندی) می‌گویند. توپولوژی مهم‌ترین مبحث در زمینه طراحی یک شبکه است و قبل از راه‌اندازی شبکه باید به دقت انتخاب شود. توپولوژی با تعریف معماری و ساختار به شما نشان می‌دهد که شبکه را باید به چه ترتیبی پیاده‌سازی کنید و از چه دستگاه‌ها و مولفه‌هایی در ساخت آن استفاده کنید. توپولوژی شبکه به انواع مختلفی تقسیم می‌شود که از مهم‌ترین آن‌ها به موارد زیر باید اشاره کرد:

1. توپولوژی خطی/اتوبوسی (BUS)

در توپولوژی اتوبوسی تمام سیستم‌ها به یک مسیر کابلی مستقیم که ترانک Trunk یا ستون فقرات Backbone نام دارد متصل می‌شوند. به دو انتهای کابل، یک پایان دهنده (ترمیناتور) متصل می‌شود تا وقتی سیگنال به آخر کابل رسید، آن‌را جذب و مانع انعکاس سیگنال شود. برای اتصال کامپیوتر به کابل اصلی از مولفه‌ای به‌نام Drop Line استفاده می‌شود. با توجه به این‌که تمام ترافیک از کابل اصلی عبور می‌کند در ارتباط با  طول کابل و تعداد گروه‌ها با محدودیت روبرو هستیم و گسترش‌پذیری کمی برای آن وجود دارد. علاوه بر این، یافتن خطا در این شبکه‌ها کار سختی است و اگر کابل Trunk قطع شود عملکرد شبکه مختل می‌شود. از مهم‌ترین مزایای این توپولوژی باید به هزینه راه‌اندازی کم و عدم نیاز به دستگاه خاصی اشاره کرد. در توپولوژی اتوبوسی، وقتی یکی از گره‌ها پیامی برای دیگری ارسال کند، پیام به شکل همه‌پخشی (Broadcast) ارسال می‌شود و در نتیجه همه کامپیوترهای دیگر شبکه، پیام را دریافت می‌کنند، اما پس از بررسی آدرس، آن‌را رها می‌کنند و تنها کامپیوتری پیام را بررسی می‌کند که آدرسش با آدرس مقصد در پیام یکسان باشد.

2. توپولوژی ستاره‌ای (Star)

در توپولوژی ستاره، همه تجهیزات و کلاینت‌ها به یک دستگاه مرکزی که سوییچ یا هاب نام دارد متصل می‌شوند. اگر ارتباط یکی از گره‌ها با سرور قطع شود، شبکه به کار خود ادامه می‌دهد، اما اگر سوئیچ یا سرور مرکزی از کار بیافتد، شبکه‌ای در کار نخواهد بود. این توپولوژی یکی از رایج‌ترین توپولوژی‌های شبکه است که مزایای بالقوه‌ای دارد. از مهم‌ترین مزایا باید به هزینه کم، نصب ساده، کابل‌کشی کم، امکان تداوم عملکرد شبکه حتا در صورت خرابی کلاینت‌ها، مدیریت و عیب‌یابی ساده و ... اشاره کرد. تنها مشکلی که این توپولوژی دارد این است که اگر سوییچ مرکزی دچار مشکل شود، عملکرد شبکه متوقف می‌شود.

3. توپولوژی حلقه‌ای (token ring)

در شبکه‌های حلقوی، کلاینت‌ها به دستگاهی که MAU نام دارد متصل می‌شوند. در توپولوژی حلقه‌ای هر دستگاه از دو طرف به دستگاه‌های دیگر متصل است و یک ارتباط نظیر به نظیر میان آن‌ها وجود دارد. این فرایند ادامه پیدا می‌کند تا اتصالات به شکل حلقه شوند. در توپولوژی حلقه‌ای، تمامی تجهیزات شبکه در مسیری دوار به یکدیگر متصل هستند و نیازی به مسدودکننده کابل وجود ندارد. در توپولوژی فوق، تمامی گره‌های شبکه برای دسترسی به مسیر ارتباطی فرصت یکسان دارند. هنگامی که گره‌ای در نظر داشته باشد برای گره‌ دیگری در شبکه پیامی ارسال کند، تمامی گره‌هایی که میان مبدا و مقصد هستند آن پیام را دریافت می‌کنند، اما پس از بررسی آدرس، آن‌را رها می‌کنند. بنابراین، تنها گره‌ای می‌تواند پیام را مشاهده کند که آدرسش با آدرس مقصد درج شده در پیام یکسان باشد. در توپولوژی مذکور، بسته‌های اطلاعاتی تنها در یک سو حرکت می‌کنند و بنابراین اگر دستگاهی در نظر داشته باشد بسته‌ای برای دستگاه دیگری ارسال کند، این بسته در یک جهت ارسال می‌شود. در توپولوژی فوق هر دستگاه یک تکرارگر (ریپیتر) است و اگر بسته‌های دریافتی متعلق به دستگاه دیگری باشد، آن‌را برای دستگاه بعدی می‌فرستد و این روند ادامه پیدا می‌کند تا بسته به مقصد برسد. این توپولوژی به دلیل نصب و مدیریت ساده  مورد توجه قرار دارد، اما اگر لینکی میان گره‌ها خراب شود، عملکرد شبکه متوقف می‌شود. علاوه بر این، پهنای باند شبکه را بیهوده مصرف می‌کند.

توپولوژی توری (Mesh)

در توپولوژی توری، هر گره شبکه با چند گره‌ دیگر شبکه مرتبط است. به بیان دقیق‌تر، کلاینت‌ها با لینک اختصاصی نقطه به نقطه و به‌طور مستقیم به یکدیگر متصل هستند. اگر n دستگاه داشته باشیم، هر دستگاه به n-1 دستگاه دیگر وصل است و تعداد لینک‌ها برابر است با فرمول زیر:

 n(n-1)/2

توپولوژی توری به این دلیل که میان تمامی گره‌ها یا برخی گره‌ها با گره‌های دیگر بیش از یک مسیر به وجود می‌آورد مورد توجه است. بنابراین اگر یکی از مسیرها قطع شوند، امکان ارسال داده‌ها از مسیرهای دیگر به مقصد وجود دارد. از مزایای توپولوژی مش باید به لینک اختصاصی، امنیت زیاد، عیب‌یابی ساده، تحمل خطای بالا، قابل اطمینان، سریع بودن و... اشاره کرد. این توپولوژی خود به دو گروه Full mesh و Partial mesh تقسیم می‌شود.

توپولوژی ترکیبی (Hybrid)

توپولوژی هیبریدی به ترکیبی از هم‌بندی‌های دیگر اشاره دارد تا بهترین عملکرد برای شبکه به وجود آید. از مزایای توپولوژی ترکیبی باید به هماهنگ بودن آن با نیازهای کاری سازمان اشاره کرد و علاوه بر این، ارتقاپذیری شبکه در این شبکه به راحتی انجام می‌شود. این توپولوژی مزایای زیادی دارد، با این‌حال، معایبی نیز دارد که از مهم‌ترین آن‌ها باید به عیب‌یابی و نصب سخت، طراحی پیچیده‌ و هزینه‌بر بودن اشاره کرد.