شبکه کامپیوتری چیست: انواع شبکه‌ و تعاریف و اصطلاحات شبکه

شبکه کامپیوتری چیست؟

شبکه رایانه‌ای یا شبکه کامپیوتری مجموعه‌ای از دو یا چند کامپیوتر، تجهیزات شبکه و دیگر دستگاه‌های الکترونیکی است که با کابل، فیبر نوری یا امواج بی‌سیم به هم متصل شده‌اند و می‌توانند با هم داده تبادل کنند. تجهیزات کامپیوتری و الکترونیکی متصل به شبکه را گره‌های شبکه (network node) نیز می‌نامند. با استفاده از شبکه‌های رایانه‌ای می‌توان داده‌های کوچک و بزرگ را در زمانی اندک از نقطه‌ای به نقطه دیگر منتقل کرد. شبکه‌های کامپیوتری بسته به نوع‌شان به سخت‌افزار (مانند روتر، سوئیچ، اکسس‌پوینت، کابل و...)، نرم‌افزار (مانند سیستم‌عامل و اپلیکیشن‌های مختلف) و پروتکل‌های خاص شبکه (مثل TCP و IP و...) نیاز دارند.

امروزه بسیاری از امور روزمره مردم از جمله مشاغل، امور مالی، اطلاع‌‌رسانی، کسب خبر، تحقیقات و سرگرمی به شبکه‌های کامپیوتری وابسته است. اینترنت، جستجوی آنلاین، ایمیل، تجارت الکترونیک و شبکه‌های اجتماعی همگی از شبکه‌های کامپیوتری نشات گرفته‌اند. در حال حاضر، اینترنت بزرگ‌ترین شبکه کامپیوتری جهان است که خود از شبکه‌های کامپیوتری متعددی تشکیل شده است. میلیاردها‌ کاربر و کامپیوتر و تجهیزات الکترونیکی در سراسر دنیا به اینترنت متصل هستند.

کاربردهای شبکه‌ کامپیوتری

شبکه‌های کامپیوتری کاربردهای متعددی دارند. از جمله:

• به‌اشتراک‌گذاری فایل و اپلیکیشن: کاربران می‌توانند فایل‌ها و اپلیکیشن‌های خود را از طریق شبکه به اشتراک نهند. امروزه پدیده‌های نسبتا نوینی همچون همکاری آنلاین و دورکاری از این ویژگی شبکه‌ها بهره می‌برند.
• به‌اشتراک‌گذاری سخت‌افزار: در یک شبکه رایانه‌ای می‌توان سخت‌افزارهایی مثل چاپگر و هارددیسک را با کاربران شبکه به اشتراک نهاد.
• صوت روی آی‌پی (VoIP): کاربران با استفاده از شبکه‌های کامپیوتری و پروتکل اینترنت (IP) می‌توانند با دیگر کاربران شبکه ارتباط صوتی VoIP داشته باشند.
• ارتباطات: کاربران با استفاده از شبکه‌های کامپیوتری می‌توانند با یکدیگر ارتباط متنی، ویدیویی و صوتی داشته باشند.
• تجارت الکترونیک: کاربران با استفاده از شبکه‌های کامپیوتری می‌توانند به خرید و فروش کالا بپردازند.

شبکه‌های کامپیوتری برحسب شاخص‌های مختلف به گونه‌های متفاوتی تقسیم می‌شوند. مثلا می‌توان آن‌ها را از نظر هم‌بندی‌ یا توپولوژی فیزیکی و نیز از نظر وسعت جغرافیایی به چند گونه تقسیم کرد.

هم‌بندی‌ یا توپولوژی فیزیکی شبکه

هم‌بندی یا توپولوژی فیزیکی شبکه، ساختار هندسی اتصالات بین گره‌های شبکه را نشان می‌دهد. هم‌بندی خطی (bus topology)، هم‌بندی حلقوی (ring topology)، هم‌بندی توری (mesh topology)، هم‌بندی ستاره‌ای (star topology)، هم‌بندی درختی یا ستاره‌ای بسط‌یافته (tree topology)،  و هم‌بندی ترکیبی (hybrid topology) از معروف‌ترین هم‌بندی‌های شبکه هستند. هر یک از توپولوژی‌های شبکه مزایا و کاستی‌های خاص خود را دارد.

توپولوژی خطی (Linear Bus topology)

توپولوژی خطی شامل یک کابل اصلی است که دو سر آن با مسدودکننده‌ها یا اصطلاحا ترمیناتورهایی بسته شده‌ است.  همه گره‌های شبکه خطی اعم از سرورها، کلاینت‌ها و غیره به کابل اصلی متصل هستند. 

شبکه‌های خطی به کابل‌کشی کمتری نیاز دارند. متصل کردن کامپیوتر به شبکه خطی آسان است. اما در عوض، اگر نقطه‌ای از کابل اصلی قطع شود، کل شبکه از کار می‌افتد و یا به دو شبکه مجزا تقسیم می‌شود.

توپولوژی حلقوی (Ring topology)

در توپولوژی حلقوی، هر گره شبکه از هر دو سو به گره مجاور خود متصل می‌شود تا نهایتا مسیری گرد و بسته پدید آید. در این توپولوژی اگر بین گره مبدا و گره مقصد، گره یا گره‌‌های دیگری هم باشند، داده‌ ارسالی از مبدا باید همه گره‌های سر راهش را بپیماید تا سرانجام به گره مقصد برسد. شبکه‌های حلقوی می‌توانند تک‌جهته یا دوجهته باشند. در شبکه حلقوی تک‌جهته داده تنها در یکی از دو جهت چپ یا راست حرکت می‌کنند. عیب توپولوژی حلقوی تک‌جهته این است که گاهی داده‌ها باید مسیر دورتری را بپیمایند تا به مقصد برسند. مثلا اگر یک گره بخواهد به گره مجاور سمت چپ خود داده‌ای بفرستد اما جهت حرکت داده‌ها از چپ به راست باشد، آن داده‌ باید تمام گره‌های دیگر را بپیماید تا نهایتا به گره مجاور برسد. اما اگر این شبکه حلقوی، دوجهته باشد، دو گره مجاور یادشده، بدون نیاز به پیمودن گره‌های دیگر، با هم داده تبادل می‌کنند.  

شبکه‌های حلقوی به سرور، هاب یا سوئیچ نیازی ندارند و اضافه کردن گره به آن‌ها آسان است. اما اگر یکی از نقاط کابل دچار ایراد شود، می‌تواند تمام شبکه را از کار بیاندازد. ضمنا شبکه حلقوی کندتر از شبکه‌ ستاره‌ای است چون در توپولوژی حلقوی مسیر بین گره مبدا و مقصد اغلب غیرمستقیم است و داده‌ها باید از گره‌های دیگر نیز عبور ‌کنند.

توپولوژی توری یا مش (Mesh topology)

در توپولوژی مش کامل، هر گره شبکه با تمام دیگر گره‌های شبکه ارتباط مستقیم دارد. در توپولوژی نیمه‌مش دست‌کم دو گره مستقیما به چند گره دیگر متصل هستند اما همه گره‌ها چنین نیستند و حتی ممکن است بعضی از گره‌ها فقط به یک گره دیگر متصل باشند. از توپولوژی مش بیشتر در شبکه‌های بی‌سیم استفاده می‌شود. یکی از مزایای توپولوژی مش، مسیرهای اغلب متعدد آن است. لذا اگر مسیر مستقیم از مبدا به مقصد مثلا قطع باشد، داده‌ می‌تواند از مسیر دیگری به مقصد برسد. ضمنا از کار افتادن هر یک از گره‌های شبکه مش، عملکرد دیگر گره‌ها را مختل نمی‌کند. اما توپولوژی مش معمولا پرهزینه است زیرا به کابل‌کشی زیادی نیاز دارد و نگهداری آن نیز سخت و ترمیم آن زمان‌بر است.

توپولوژی ستاره‌ای (Star topology)

در توپولوژی ستاره‌ای هر گره مستقیما به هاب یا سوئیچ مرکزی وصل است. در شبکه‌های ستاره‌ای، داده‌ها از طریق هاب یا سوئیچ بین گره‌ها منتقل می‌شوند و مدیریت ارسال و دریافت داده‌ها برعهده هاب یا سوئیچ است.

هم‌بندی ستاره‌ای مزایای مهمی دارد؛ از جمله این‌که نصب و کابل‌کشی آن است و اگر یکی از گره‌ها از شبکه جدا یا یکی از کابل‌ها قطع شود، گره‌های دیگر بدون مشکل به کار خود ادامه می‌دهند. البته توپولوژی ستاره‌ای معایبی هم دارد و مثلا در مقایسه با توپولوژی خطی کابل بیشتری می‌طلبد. دیگر این‌که اگر هاب یا سوئیچ شبکه خراب شود، همه گره‌های متصل به آن از شبکه خارج می‌شوند. ضمنا توپولوژی ستاره‌ای در مقایسه با توپولويی خطی، پرهزینه‌تر است زیرا به هاب یا سوئیچ نیاز دارد.

تصویر 1. چهار شبکه با هم‌بندی خطی (بالا)، حلقوی (راست)، ستاره‌ای (پایین) و نیمه‌مش (چپ) به یک روتر متصل شده‌اند.

توپولوژی درختی (Tree topology)

به توپولوژی درختی، توپولوژی ستاره‌ای بسط یافته (Expanded Star) هم می‌گویند. توپولوژی درختی را می‌توان ترکیبی از توپولوژی خطی و توپولوژی ستاره‌ای دانست. در توپولوژی درختی چند شبکه ستاره‌ای به یک کابل اصلی مستقیم متصل می‌شوند. توپولوژی درختی، بسط شبکه و افزایش زیرشاخه‌های آن را تسهیل می‌کند. در توپولوژی درختی اگر یکی از زیرشاخه‌های شبکه مختل شود، دیگر زیرشاخه‌ها آسیبی نمی‌بینند. ضمنا در این توپولوژی می‌توان سخت‌افزارها و نرم‌افزارهای شرکت‌های مختلف را به کار برد، اما در توپولوژی درختی اگر کابل اصلی آسیب ببیند، تمام شبکه مختل می‌شود. پیکربندی، کابل‌کشی و نگهداری شبکه‌های درختی سخت‌تر از توپولوژی‌ خطی و ستاره‌ای است.

توپولوژی ترکیبی (Hybrid topology)

توپولوژی ترکیبی حاصل ترکیب دو یا چند توپولوژی شبکه است. برای مثال، از ترکیب توپولوژی ستاره‌ای و توپولوژی حلقوی، توپولوژی ترکیبی ستاره‌ای حلقوی پدید می‌آید. با ترکیب توپولوژی ستاره‌ای و توپولوژی خطی نیز توپولوژی ترکیبی ستاره‌ای خطی ایجاد می‌شود.  

انواع شبکه‌های کامپیوتری از نظر وسعت جغرافیایی

شبکه‌های کامپیوتری از نظر وسعت جغرافیایی به چند نوع تقسیم می‌شوند، مثل: شبکه‌ شخصی (PAN)، شبکه‌ محلی (LAN)، شبکه دانشگاهی (CAN)، شبکه‌ شهری (MAN) و شبکه‌ گسترده (WAN).

• شبکه شخصی (PAN): شبکه کوچکی را که بر محور یک شخص شکل گرفته است، شبکه شخصی یا PAN (مخفف Personal Area Network) می‌نامند. مثلا اگر کاربر با لپ‌تاپ، گوشی و دوربین ،شبکه بی‌سیم کوچکی ایجاد کند که خود او کاربر آن باشد، در واقع یک شبکه شخصی (PAN) ساخته است.
• شبکه محلی (LAN): به شبکه‌ یک یا چندکاربره‌ که در فضای محدود و یک‌پارچه‌ای ایجاد می‌شود، شبکه محلی یا LAN (مخفف Local Area Network) می‌گویند. شبکه محلی ممکن است فضایی به وسعت یک اتاق یا یک یا چند ساختمان را شامل شود. شبکه‌های محلی در حوزه‌های متعدد از جمله در خانه‌ها، شرکت‌ها و سازمان‌ها کاربرد دارند.
• شبکه دانشگاهی (CAN): شبکه دانشگاهی یا CAN (مخفف Campus Area Network) در اصل، از یک یا چند شبکه محلی اختصاصی تشکیل شده است که اغلب با سوئیچ یا روتر به هم متصل می‌شوند. شبکه‌های دانشگاهی معمولا در مقایسه با شبکه‌های محلی امن‌تر و وسیع‌تر هستند و علاوه بر دانشگاه‌ها در مراکز دیگری همچون شرکت‌ها، سازمان‌های دولتی و نهادهای نظامی نیز به کار می‌روند.
• شبکه شهری (MAN): شبکه شهری یا MAN (مخفف Metropolitan Area Network) ترکیبی از چند شبکه محلی است که بخشی از شهر یا تمام آن را پوشش می‌دهد. شبکه شهری از شبکه محلی و دانشگاهی بزرگ‌تر اما از شبکه گسترده (WAN) کوچک‌تر است.
• شبکه گسترده (WAN): شبکه گسترده یا WAN (مخفف Wide Area Network) ترکیبی از چند شبکه محلی است که در محدوده جغرافیایی بسیار وسیعی پراکنده شده‌ است. اینترنت که بزرگ‌ترین شبکه دنیاست، یک شبکه WAN محسوب می‌شود.

برخی از اصطلاحات مهم درباره شبکه‌های کامپیوتری

و سرانجام، آشنایی هرچه بیشتر با شبکه‌های کامپیوتری مستلزم یادگیری چند اصطلاح مهم است. آدرس آی‌پی، گره شبکه، تجهیزات شبکه، پورت‌ها و پروتکل‌های شبکه از جمله اصطلاحات مهم در حوزه شبکه‌های کامپیوتری هستند.

تجهیزات شبکه

تجهیزاتی را که یک شبکه کامپیوتری برای آغاز و تداوم کار خود به آن‌ها نیاز دارد، تجهیزات شبکه می‌گویند. هاب، سوئیچ، روتر، مودم، کارت شبکه، ریپیتر، اکسس‌پوینت، گیت‌وی و بریج از مهم‌ترین تجهیزات شبکه هستند. البته همه شبکه‌های کامپیوتری هم‌زمان به تمام این تجهیزات نیازی ندارند. مثلا یک کاربر خانگی تنها با یک دستگاه مودم/روتر یک‌پارچه نیز می‌تواند شبکه کوچکی ایجاد و آن را به اینترنت متصل کند. اما برخی دیگر از شبکه‌ها ممکن است به روترها و سوئیچ‌های پیشرفته‌تری نیاز داشته باشند.

تصویر 2. نمادهایی از تجهیزات شبکه (از بالا و از راست به چپ: سوئیچ، هاب، روتر و کارت شبکه)

پروتکل‌های شبکه

پروتکل‌های شبکه، استانداردها و قوانینی هستند که نحوه ارتباط گره‌های شبکه و نحوه ارسال، دریافت و پردازش داده‌ها را تعیین می‌کنند. هر پروتکل کاربرد و وظایف خاصی دارد. مثلا کار پروتکل اینترنت (IP)، آدرس‌دهی و مسیریابی بسته‌های داده است.

برخی از مهم‌ترین پروتکل‌های مورد استفاده در اینترنت عبارتند از: Hypertext Transfer Protocol (HTTP)، Transmission Control Protocol (TCP) و Internet Protocol (IP). 

آدرس آی‌پی (IP address)

آدرس آی‌پی، شناسه عددی منحصربه‌فردی است که در شبکه‌های مبتنی بر پروتکل اینترنت (IP)، به هر یک از دستگاه‌های متصل به شبکه اختصاص می‌یابد. در واقع، هویت هر یک از تجهیزات متصل به شبکه با آدرس آی‌پی آن‌ها تعریف می‌شود. وقتی هر یک از دستگاه‌های متصل به شبکه برای دیگری داده‌ می‌فرستد، آدرس آی‌پی مبدا و آدرس آی‌پی مقصد نیز به داده‌ها ضمیمه می‌شود تا مشخص شود داده‌ها از کجا آمده‌اند و کجا باید بروند. آدرس‌های آی‌پی می‌توانند ثابت (استاتیک) یا متغیر (داینامیک) باشند. آدرس آی‌پی ثابت به یک دستگاه اختصاص می‌یابد و همواره هنگام اتصال آن دستگاه به شبکه، ثابت می‌ماند. اما آدرس آی‌پی داینامیک به‌صورت تصادفی به هر یک از دستگاه‌های متصل به شبکه اختصاص می‌یابد؛ لذا هر بار که دستگاه به شبکه متصل می‌شود، ممکن است آدرس آی‌پی متفاوتی بگیرد.

درگاه یا پورت

هر درگاه یا پورت، نقطه نهایی یک اتصال در شبکه را مشخص می‌کند. پورت‌ها با شماره‌های‌شان مشخص می‌شوند. اگر آدرس آی‌پی را به آدرس یک هتل تشبیه کنید، پورت‌ها نقش شماره اتاق‌های آن هتل را بازی می‌کنند. کامپیوترهای تحت شبکه از روی شماره هر پورت تشخیص می‌دهند که کدام اپلیکیشن یا سرویس باید پیغام دریافت کند.

بسترهای انتقال داده

کابل مسی، فیبر نوری‌ و امواج بی‌سیم مهم‌ترین و رایج‌ترین بسترهای انتقال داده در شبکه‌های کامپیوتری هستند. گره‌های شبکه یا با کابل‌های مسی و فیبر نوری و یا از طریق امواج رادیویی با فرکانس‌های خاص با هم مرتبط می‌شوند. هر یک از این رسانه‌های انتقال داده مزایا و معایبی دارند. در حال حاضر، فیبر نوری سریع‌ترین بستر انتقال داده در شبکه‌های کامپیوتری است.

ظرفیت شبکه

ظرفیت شبکه یعنی میزان ترافیکی که شبکه در واحد زمان پشتیبانی می‌کند. ظرفیت شبکه را با پهنای باند مشخص می‌کنند. پهنای باند شبکه برحسب حداکثر تعداد بیت‌هایی که می‌تواند در هر ثانیه بین تجهیزات تحت شبکه دادوستد شود، سنجیده می‌شود.

سرور  و کلاینت

سرور، کامپیوتر یا نرم‌افزاری است که به دیگر کامپیوترها یا تجهیزات شبکه خدمات مختلفی ارائه می‌دهد؛ مثلا منابع شبکه را در دسترس آن‌ها می‌‌نهد یا پردازش‌های خاصی برای‌شان انجام می‌دهد. به کامپیوترها و تجهیزاتی که از سرور خدمات دریافت می‌کنند، کلاینت می‌گویند. سرورها از نظر قدرت عمل، سطح‌ بالاتر از کلاینت‌ها هستند و معمولا فقط خدمات ارائه می‌دهند و از کلاینت‌ها خدماتی درخواست نمی‌کنند. شبکه‌ متشکل از سرور و کلاینت را شبکه مبتنی بر سرور یا شبکه کلاینت‌سرور می‌نامند.

شبکه نظیر به نظیر (P2P)

در شبکه نظیر به نظیر یا P2P (مخفف Peer-to-Peer) همه گره‌های شبکه هم‌سطح هستند، یعنی هیچ گرهی کلاینت یا سرور نیست و هر گره می‌تواند هم خدمات درخواست کند و هم درخواست ارائه دهد. شبکه نظیر به نظیر را از این حیث می‌توان نقطه مقابل شبکه کلاینت‌سرور دانست.

تصویر 3. شکل کلی شبکه نظیر به نظیر و شبکه مبتنی بر سرور. در این تصویر، توپولوژی شبکه نظیر به نظیر، مش کامل است زیرا هر گره مستقیما به همه دیگر گره‌ها متصل است. در شبکه مبتنی بر سرور در این تصویر، با فرض این‌که کلاینت‌ها از طریق هاب یا سوئیچ به سرور متصل شده‌ باشند، توپولوژی شبکه، ستاره‌ای است.