توپولوژی شبکه های کامپیوتری

توپولوژی شبکه های کامپیوتری

توپولوژی شبکه (Network Topology) یا هم‌بندی شبکه، به نحوه چیدمان و آرایش تجهیزات مختلف شبکه کامپیوتری (گره، پیوند و ...)، در زمان اتصال به یکدیگر است. توپولوژی شبکه را می توان برای تعریف یا توصیف آرایش انواع مختلف شبکه های مخابراتی، از جمله شبکه های رادیویی فرماندهی و کنترل، فیلدباس های صنعتی و شبکه های کامپیوتری استفاده کرد.

توپولوژی شبکه ساختار توپولوژیکی یک شبکه است و ممکن است به صورت فیزیکی یا منطقی به تصویر کشیده شود. این یک کاربرد از نظریه گراف است که در آن دستگاه های ارتباطی به عنوان گره ها و اتصالات بین دستگاه ها به عنوان پیوندها یا خطوط بین گره ها مدل می شوند. این یک توپولوژی فیزیکی قرار دادن اجزای مختلف یک شبکه (به عنوان مثال، مکان دستگاه و نصب کابل) است، در حالی که توپولوژی منطقی نحوه جریان داده ها در یک شبکه را نشان می دهد. فواصل بین گره ها، اتصالات فیزیکی، نرخ انتقال یا انواع سیگنال ممکن است بین دو شبکه مختلف متفاوت باشد، اما توپولوژی های منطقی آنها ممکن است یکسان باشد.

نمونه‌هایی از توپولوژی‌های شبکه در شبکه‌های محلی (LAN)، یک نصب شبکه کامپیوتری رایج، یافت می‌شوند. هر گره معینی در LAN دارای یک یا چند پیوند فیزیکی به دستگاه های دیگر در شبکه است. نگاشت گرافیکی این پیوندها منجر به شکل هندسی می شود که می تواند برای توصیف توپولوژی فیزیکی شبکه استفاده شود.

طیف گسترده ای از توپولوژی های فیزیکی در شبکه های LAN استفاده شده است، از جمله Ring، Bus، Mesh و Star. نگاشت جریان داده بین اجزاء، توپولوژی منطقی شبکه را تعیین می کند. در مقایسه، شبکه‌های کنترل منطقه که برای وسایل نقلیه رایج هستند، عمدتا شبکه‌های سیستم کنترل توزیع‌شده از یک یا چند کنترل‌کننده هستند که با حسگرها و محرک‌ها به‌هم پیوسته بر روی توپولوژی گذرگاه فیزیکی متصل هستند.

توپولوژی‌ها

دو دسته اصلی از توپولوژی های شبکه وجود دارد، توپولوژی های فیزیکی و توپولوژی های منطقی. طرح رسانه انتقال مورد استفاده برای اتصال دستگاه ها توپولوژی فیزیکی شبکه است. برای رسانه های رسانا یا فیبر نوری، این به چیدمان کابل کشی، مکان گره ها و پیوندهای بین گره ها و کابل کشی اشاره دارد. توپولوژی فیزیکی یک شبکه با توجه به قابلیت‌های دستگاه ها و رسانه های دسترسی به شبکه، سطح کنترل یا تحمل خطای مورد نظر و هزینه های مربوط به کابل کشی یا مدارهای مخابراتی تعیین می شود.

در مقابل، توپولوژی منطقی روشی است که سیگنال ها بر روی رسانه شبکه عمل می کنند، یا روشی که داده ها از طریق شبکه از یک دستگاه به دستگاه دیگر بدون توجه به اتصال فیزیکی دستگاه ها عبور می کنند. توپولوژی منطقی یک شبکه لزوماً با توپولوژی فیزیکی آن یکسان نیست.

طبقه بندی توپولوژی شبکه‌های کامپیوتری

توپولوژی شبکه‌های کامپیوتری به 8 دسته اصلی تقسیم‌بندی می‌شوند:

• نقطه به نقطه (Point-to-Point)
• زنجیره‌ای (Daisy Chain)
• اتوبوس (Bus)
• ستاره (Star)
• حلقه یا دایره‌ای (Ring)
• مش (Mesh)
• ترکیبی (Hybrid)
• درخت (Tree)

نقطه به نقطه (Point-To-Point)

ساده ترین توپولوژی با پیوند اختصاصی بین دو نقطه پایانی است. ساده ترین مثال از تغییرات توپولوژی نقطه به نقطه، یک کانال ارتباطی نقطه به نقطه است که به نظر می رسد کاربر به طور دائم با دو نقطه پایانی مرتبط است. تلفن قوطی حلبی کودک نمونه ای از کانال های اختصاصی فیزیکی است.

با استفاده از فن آوری های سوئیچینگ مدار یا سوئیچینگ بسته، یک مدار نقطه به نقطه را می توان به صورت پویا راه اندازی کرد و در مواقعی که دیگر مورد نیاز نیست، آن را رها کرد. توپولوژی های نقطه به نقطه سوئیچ مدل پایه تلفن معمولی هستند. ارزش یک شبکه نقطه به نقطه دائمی، ارتباطات بدون مانع بین دو نقطه پایانی است. مقدار یک اتصال نقطه به نقطه درخواستی متناسب با تعداد جفت مشترکین بالقوه است و به عنوان قانون متکالف بیان شده است.

زنجیره‌ دیزی (Daisy Chain)

زنجیره دیزی با اتصال هر رایانه به صورت سری به رایانه بعدی انجام می شود. اگر پیامی برای یک کامپیوتر در قسمت پایین خط در نظر گرفته شده باشد، هر سیستم به ترتیب آن را تا زمانی که به مقصد برسد بازتاب می دهد. یک شبکه زنجیردار می تواند به دو شکل اصلی باشد: خطی و حلقه ای.

• توپولوژی خطی یک پیوند دو طرفه بین یک کامپیوتر و کامپیوتر بعدی قرار می دهد. با این حال، این کار در روزهای اولیه محاسبات گران بود، زیرا هر کامپیوتر (به جز کامپیوترهایی که در هر انتها قرار دارند) به دو گیرنده و دو فرستنده نیاز داشت.
• با اتصال کامپیوترها در هر انتهای زنجیره می توان یک توپولوژی حلقه تشکیل داد. هنگامی که یک گره پیامی را ارسال می کند، پیام توسط هر کامپیوتر موجود در حلقه پردازش می شود. مزیت حلقه این است که تعداد فرستنده ها و گیرنده ها را می توان به نصف کاهش داد. از آنجایی که یک پیام نهایتاً تمام مسیر را می‌چرخاند، انتقال نیازی به دو جهت ندارد. همچنین می توان از حلقه برای بهبود تحمل خطا استفاده کرد. اگر حلقه در یک پیوند خاص شکسته شود، می توان انتقال را از طریق مسیر معکوس ارسال کرد و در نتیجه اطمینان حاصل کرد که در صورت یک شکست، همه گره ها همیشه متصل هستند.

اتوبوس (Bus)

در شبکه‌های محلی با استفاده از توپولوژی اتوبوس (Bus)، هر گره توسط کانکتورهای رابط به یک کابل مرکزی متصل می‌شود. این گذرگاه است که به آن Backbone یا Trunk نیز گفته می‌شود. تمام انتقال داده‌ها بین گره‌ها در شبکه از طریق این رسانه انتقال رایج منتقل می‌شود و می‌تواند توسط همه گره‌های شبکه به طور همزمان دریافت شود.

یک سیگنال حاوی آدرس ماشین گیرنده مورد نظر از یک ماشین منبع در هر دو جهت به همه ماشین‌های متصل به گذرگاه می‌رود تا زمانی که گیرنده مورد نظر را پیدا کند و سپس داده‌ها را می‌پذیرد. اگر آدرس دستگاه با آدرس مورد نظر برای داده مطابقت نداشته باشد، بخش داده سیگنال نادیده گرفته می شود. از آنجایی که توپولوژی باس تنها از یک سیم تشکیل شده است، پیاده سازی آن نسبت به توپولوژی های دیگر هزینه کمتری دارد، اما صرفه جویی با هزینه بالاتر مدیریت شبکه جبران می شود. علاوه بر این، از آنجایی که شبکه به یک کابل وابسته است، می تواند تنها نقطه خرابی شبکه باشد. در این توپولوژی داده های در حال انتقال ممکن است توسط هر گره قابل دسترسی باشد.

اتوبوس خطی (Linear bus)

در یک شبکه باس خطی، تمام گره های شبکه به یک رسانه انتقال مشترک که فقط دو نقطه پایانی دارد متصل می شوند. هنگامی که سیگنال الکتریکی به انتهای اتوبوس می رسد، سیگنال به پایین خط منعکس می شود و باعث تداخل ناخواسته می شود. برای جلوگیری از این امر، دو نقطه انتهایی گذرگاه معمولاً با دستگاهی به نام ترمیناتور خاتمه می‌یابند.

اتوبوس توزیع شده (Distributed bus)

در یک شبکه باس توزیع شده، تمام گره های شبکه به یک رسانه انتقال مشترک با بیش از دو نقطه پایانی متصل می شوند که با افزودن شاخه ها به بخش اصلی رسانه انتقال ایجاد می شود. توپولوژی Bus توزیع شده فیزیکی دقیقاً به همان شکل توپولوژی باس خطی فیزیکی عمل می کند، زیرا همه گره ها یک رسانه انتقال مشترک دارند.

ستاره (Star)

در توپولوژی ستاره، هر گره محیطی (ایستگاه کاری کامپیوتر یا هر وسیله جانبی دیگری) به یک گره مرکزی به نام هاب یا سوئیچ متصل است. هاب، سرور و تجهیزات جانبی کلاینت است. شبکه لزوماً نباید شبیه یک ستاره باشد تا به عنوان یک شبکه ستاره طبقه بندی شود، اما تمام گره های جانبی در شبکه باید به یک هاب مرکزی متصل شوند. تمام ترافیکی که از شبکه عبور می کند از هاب مرکزی عبور می کند که به عنوان یک تکرار کننده سیگنال عمل می کند.

توپولوژی ستاره به عنوان ساده ترین توپولوژی برای طراحی و پیاده سازی در نظر گرفته می شود. یکی از مزایای توپولوژی ستاره، سادگی اضافه کردن گره های اضافی است. نقطه ضعف اصلی توپولوژی ستاره این است که هاب یک نقطه شکست را نشان می دهد. همچنین، از آنجایی که تمام ارتباطات جانبی باید از طریق هاب مرکزی جریان داشته باشد، پهنای باند مرکزی مجموع یک گلوگاه شبکه را برای خوشه‌های بزرگ تشکیل می‌دهد.

ستاره گسترش یافته (Extended Star)

توپولوژی شبکه ستاره توسعه یافته یک توپولوژی ستاره فیزیکی را توسط یک یا چند تکرار کننده بین گره مرکزی و گره های محیطی (Spoke) گسترش می دهد. تکرار کننده‌ها (Repeater) فاصله بیشتری را بیشتر از آنچه که فقط با استفاده از قدرت انتقال گره مرکزی ممکن است امکان پذیر می کنند. استفاده از تکرارکننده ها همچنین می تواند بر محدودیت های استانداردی که لایه فیزیکی بر آن استوار است، غلبه کند.

توپولوژی ستاره گسترش یافته فیزیکی که در آن تکرار کننده ها با هاب ها یا سوئیچ ها جایگزین می شوند، نوعی توپولوژی شبکه ترکیبی است و به عنوان توپولوژی ستاره سلسله مراتبی فیزیکی از آن یاد می شود، اگرچه برخی متون هیچ تمایزی بین این دو توپولوژی قائل نمی شوند.

توپولوژی ستاره سلسله مراتبی فیزیکی را می توان توپولوژی ستاره ردیفی نیز نامید. این توپولوژی با توپولوژی درختی در نحوه اتصال شبکه های ستاره ای به یکدیگر متفاوت است. توپولوژی ستاره ردیفی از یک گره مرکزی استفاده می کند، در حالی که توپولوژی درختی از یک گذرگاه مرکزی استفاده می کند و همچنین می تواند به عنوان شبکه ستاره-باس نامیده شود.

حلقه یا دایره‌ای (Ring)

توپولوژی حلقه یک زنجیر دیزی در یک حلقه بسته است. داده ها در یک جهت در اطراف حلقه حرکت می کنند. هنگامی که یک گره داده را به دیگری ارسال می کند، داده ها از هر گره میانی روی حلقه عبور می کند تا به مقصد برسد. گره های میانی داده ها را تکرار می کنند (مجددا ارسال می کنند) تا سیگنال را قوی نگه دارند. هر گره یک همتا است. هیچ رابطه سلسله مراتبی مشتری و سرور وجود ندارد. اگر یک گره قادر به ارسال مجدد داده ها نباشد، ارتباط بین گره ها را قبل و بعد از آن در گذرگاه قطع می کند.

مزایا

• هنگامی که بار روی شبکه افزایش می یابد، عملکرد آن بهتر از توپولوژی باس است.
• برای کنترل اتصال بین ایستگاه های کاری نیازی به سرور شبکه نیست.

معایب

• پهنای باند کل شبکه توسط ضعیف ترین پیوند بین دو گره تنگنا می شود.

مش (Mesh)

مقدار شبکه‌های کاملاً مشبک شده متناسب با توان تعداد مشترکین است، با این فرض که گروه‌های ارتباطی هر دو نقطه پایانی، تا و شامل تمام نقاط پایانی، با قانون Reed تقریب می‌شوند.

ترکیبی (Hybrid)

توپولوژی ترکیبی به عنوان شبکه ترکیبی نیز شناخته می شود. شبکه های ترکیبی دو یا چند توپولوژی را به گونه ای ترکیب می کنند که شبکه حاصل یکی از توپولوژی های استاندارد (مانند اتوبوس، ستاره، حلقه و غیره) را نشان نمی دهد. به عنوان مثال، یک شبکه درختی (یا شبکه ستاره-باس) یک توپولوژی ترکیبی است که در آن شبکه های ستاره ای از طریق شبکه های اتوبوس به هم متصل می شوند. با این حال، یک شبکه درختی متصل به شبکه درختی دیگر همچنان از نظر توپولوژیکی یک شبکه درختی است، نه یک نوع شبکه متمایز. یک توپولوژی ترکیبی همیشه زمانی تولید می شود که دو توپولوژی اصلی شبکه به هم متصل شوند.