توپولوژی شبکه کامپیوتری چیست؟ — معرفی انواع توپولوژی شبکه

در این مقاله قصد داریم در مورد توپولوژی شبکه کامپیوتری، یعنی ساختار و نحوه‌ی اتصال دستگاه‌ها در یک شبکه، صحبت کنیم. توپولوژی شبکه تعیین می‌کند که داده‌ها چگونه در شبکه جریان پیدا می‌کنند و چه مسیری را طی می‌کنند. انتخاب توپولوژی مناسب می‌تواند تأثیر بسزایی در عملکرد، قابلیت اطمینان، و امنیت شبکه داشته باشد. انواع مختلفی از توپولوژی‌ها وجود دارند که هر کدام مزایا و معایب خاص خود را دارند و در شرایط متفاوتی مورد استفاده قرار می‌گیرند. برای کسب اطلاعات بیشتر در این زمینه می‌توانید به مقالات مجله پی استور مراجعه کنید.

توپولوژی شبکه کامپیوتری چیست؟

توپولوژی شبکه به نحوه اتصال دستگاه‌ها در یک شبکه اشاره دارد. این مفهوم تعیین می‌کند که این اجزا چگونه به هم متصل می‌شوند و چگونه داده‌ها بین شبکه منتقل می‌شوند. درک انواع مختلف توپولوژی‌های شبکه می‌تواند به انتخاب طراحی مناسب برای یک شبکه خاص کمک کند.

توپولوژی‌های شبکه به دو دسته اصلی تقسیم می‌شوند: توپولوژی شبکه فیزیکی و توپولوژی شبکه منطقی.

• توپولوژی شبکه فیزیکی به ساختار واقعی وسیله‌ای که داده‌ها از آن منتقل می‌شوند، اشاره دارد.
• توپولوژی شبکه منطقی به انتقال داده‌ها بین دستگاه‌های موجود در شبکه، بدون توجه به نحوه اتصال آن‌ها اشاره دارد.

 چرا توپولوژی شبکه مهم است؟

توپولوژی شبکه از این جهت اهمیت دارد که نحوه‌ی اتصال دستگاه‌ها و نحوه‌ی ارتباط آن‌ها در شبکه را تعیین می‌کند. در اینجا به چند نکته اشاره می‌کنیم که اهمیت توپولوژی شبکه را مشخص می‌کند:

• عملکرد شبکه: انتخاب توپولوژی مناسب، با توجه به نیاز، به اجرای آسان‌تر شبکه کمک می‌کند و در نتیجه، عملکرد شبکه را افزایش می‌دهد.
• قابلیت اطمینان شبکه: برخی از توپولوژی‌ها مانند ستاره و مش، قابل اعتماد هستند؛ زیرا اگر یک اتصال از کار بیفتد، جایگزینی برای آن اتصال ارائه می‌کنند و به عنوان پشتیبان عمل می‌کنند.
• گسترش شبکه: انتخاب توپولوژی درست، به گسترش آسان‌تر شبکه کمک می‌کند؛ زیرا می‌توان بدون ایجاد اختلال در شبکه‌ی اصلی، دستگاه‌های بیشتری به شبکه اضافه کرد.
• امنیت شبکه: توپولوژی شبکه به درک نحوه‌ی اتصال دستگاه‌ها کمک می‌کند و در نتیجه، امنیت بهتری را برای شبکه فراهم می‌کند.

انواع توپولوژی شبکه

انواع توپولوژی شبکه عبارتند از:

• نقطه به نقطه (Point to Point)
• شبکه‌ای (Mesh)
• ستاره ای (Star)
• خطی (Bus)
• حلقه ای (Ring)
• درخت (Tree)
• ترکیبی (Hybrid)

توپولوژی نقطه به نقطه

توپولوژی نقطه به نقطه نوعی توپولوژی است که بر اساس عملکرد فرستنده و گیرنده کار می‌کند. این ساده‌ترین روش ارتباطی بین دو گره است که در آن یکی فرستنده و دیگری گیرنده است. توپولوژی نقطه به نقطه پهنای باند بالایی را ارائه می‌دهد.

مزایای توپولوژی نقطه به نقطه

• سادگی پیاده سازی: این توپولوژی ساده ترین نوع توپولوژی است. اتصال مستقیم دو دستگاه، بدون نیاز به تجهیزات اضافی.
• قابلیت اطمینان بالا: ارتباط مستقیم بین دو دستگاه، بدون واسطه باعث قابلیت اطمینان بالاتری نسبت به توپولوژی های دیگر می شود. توقف یک دستگاه به طور مستقیم بر دستگاه دیگر تاثیر نمی گذارد.
• امنیت بالا: با توجه به اینکه ارتباط مستقیم است، امنیت بیشتر نسبت به شبکه های پخش (Broadcast) دارد.
• کنترل کامل: مدیریت و کنترل ارتباطات به طور کامل در اختیار کاربران است.
• مناسب برای ارتباطات از راه دور: برای ارتباطات خاص و اختصاصی بین دو نقطه، مثلا ارتباط بین دو ساختمان دور از هم، بهینه‌تر است.

معایب توپولوژی نقطه به نقطه

• مقیاس‌پذیری ضعیف: به ازای هر دستگاه جدید، یک لینک ارتباطی جدید لازم است که باعث پیچیدگی و هزینه زیاد در مقیاس بزرگ می‌شود.
• هزینه بالا: در شبکه های بزرگ، تعداد لینک ها زیاد شده و هزینه کابل کشی و تجهیزات بالا می رود.
• محدودیت در تعداد دستگاه‌ها: برای اتصال چندین دستگاه، نیاز به استفاده از رله ها و یا شبکه‌های چند لایه داریم که این خود باعث پیچیدگی و کاهش امنیت می شود.
• افزایش پیچیدگی با افزایش تعداد کاربران: هرچه تعداد کاربران و یا دستگاه‌ها افزایش یابد، پیدا کردن مشکلات فنی و حل آن‌ها مشکل‌تر می‌شود.

کاربردها

• اتصالات اختصاصی و خصوصی: مثلا ارتباط بین دو دفتر کار، ارتباط شبکه ای در دیتاسنترها
• شبکه های کوچک و شخصی: مانند ارتباط بین دو کامپیوتر در یک خانه.
• ارتباطات از راه دور (WAN): در مواردی که نیاز به ارتباط مستقیم و قابل اعتماد بین دو نقطه دور از هم وجود دارد، مانند ارتباطات نقطه به نقطه ماهواره ای.
• شبکه های VPN: می توان از توپولوژی نقطه به نقطه برای ایجاد VPN ها استفاده کرد.

توپولوژی شبکه‌ای (Mesh)

در توپولوژی شبکه‌ای، هر دستگاه از طریق یک کانال اختصاصی به دستگاه دیگر متصل می‌شود. به عبارت دیگر، هر دستگاه به صورت مستقیم و با یک کانال اختصاصی به سایر دستگاه‌ها متصل است. این کانال‌ها را لینک می‌نامند. در توپولوژی شبکه‌ای، از پروتکل‌هایی مانند AHCP (پروتکل‌های پیکربندی شبکه‌های بی‌ساختار) و DHCP (پروتکل پیکربندی پویای میزبان) استفاده می‌شود.

مزایای توپولوژی مش

• ارتباط بین گره‌ها بسیار سریع است.
• توپولوژی شبکه ای مقاوم و پایدار است.
• عیب‌یابی به راحتی انجام می‌شود. داده‌ها قابل اعتماد هستند زیرا اطلاعات از طریق کانال‌ها یا لینک‌های اختصاصی بین دستگاه‌ها منتقل می‌شود.
• امنیت و حریم خصوصی را فراهم می‌کند.

معایب توپولوژی مش

• نصب و پیکربندی آن دشوار است.
• هزینه کابل‌ها بالا است، زیرا نیاز به سیم‌کشی گسترده‌ای دارد، بنابراین برای تعداد کمی از دستگاه‌ها مناسب است.
• هزینه نگهداری بالا است.

کاربردها

• شبکه‌های با حساسیت بالا: در سیستم‌های مالی، نظامی و … که نیاز به قابلیت اطمینان و کارایی بسیار بالا دارند.
• مراکز داده (Data Center): برای اطمینان از دسترسی مداوم به داده‌ها و تداوم کارکرد.

توپولوژی ستاره‌ای

در توپولوژی ستاره‌ای، همه دستگاه‌ها از طریق یک کابل به یک هاب واحد متصل می‌شوند. این هاب، گره مرکزی است و سایر گره‌ها به آن متصل هستند. هاب می‌تواند به صورت غیر فعال باشد، به این معنی که هاب هوشمند نیست و فقط برای پخش اطلاعات استفاده می‌شود؛ اما همچنین ممکن است هاب هوشمند و فعال باشد. هاب‌های فعال شامل تقویت‌کننده‌هایی هستند. برای اتصال کامپیوترها از کابل‌های کواکسیال یا کابل‌های RJ-45 استفاده می‌شود. در توپولوژی ستاره‌ای، پروتکل‌های معروف شبکه محلی اترنت مانند CD (تشخیص برخورد) و CSMA (دسترسی چندگانه با حس حامل) استفاده می‌شود.

مزایای توپولوژی ستاره ای

• قابلیت اطمینان (Reliability): بعضی توپولوژی‌ها مثل Mesh، مقاومت بیشتری در برابر خرابی دارند، زیرا مسیرهای جایگزینی برای ارتباط وجود دارد. در برخی دیگر مثل ستاره، قطع شدن یک لینک، فقط دستگاه متصل به آن لینک را تحت تاثیر قرار می‌دهد.
• سادگی و کم هزینه (Simplicity and Cost-effectiveness): بعضی از توپولوژی‌ها مانند ستاره، از نظر نصب و نگهداری ساده‌تر و کم هزینه تر هستند.
• مقیاس‌پذیری (Scalability): قابلیت افزودن دستگاه‌های جدید به شبکه بدون نیاز به بازطراحی کامل شبکه. این قابلیت در توپولوژی‌های مختلف با روش‌های مختلفی امکان‌پذیر است.
• محدودیت در ترافیک (Traffic limitations): برخی از توپولوژی‌ها مثل حلقه، با محدودیت در ترافیک روبرو هستند. اما در توپولوژی‌های دیگر، مانند Mesh و درختی، این محدودیت‌ها کمتر است.
• تشخیص و عیب‌یابی (Fault Diagnosis): در برخی توپولوژی‌ها، شناسایی و عیب‌یابی مشکلات شبکه، ساده‌تر است.

معایب توپولوژی ستاره ای

• محدودیت در مقیاس‌پذیری (Scalability limitations): برخی توپولوژی‌ها در مقیاس بزرگ، دچار مشکلاتی می‌شوند.
• قابلیت اطمینان (Reliability limitations): برخی توپولوژی‌ها، مثل حلقه‌ای، در صورت خرابی یک لینک، کل شبکه را از کار می‌اندازند.
• استفاده از منابع شبکه (Network resource usage): بعضی توپولوژی‌ها، به ویژه با ترافیک زیاد، ممکن است از منابع شبکه بیش از حد استفاده کنند.

کاربردها

• شبکه‌های اداره‌ای متوسط: در ادارات کوچک و متوسط با تعداد کامپیوتر قابل قبول، به دلیل سادگی مدیریت و قابلیت اطمینان نسبی.
• شبکه‌های دانشگاهی: در بخش‌هایی از دانشگاه‌ها با تعداد کامپیوتر معقول، به دلیل قابلیت مدیریت و انعطاف‌پذیری در توسعه.
• شبکه‌های خانگی متوسط: در مواردی که نیاز به قابلیت اطمینان نسبی و مدیریت مرکزی وجود دارد و تعداد کامپیوتر در خانه بیشتر است.

توپولوژی خطی

توپولوژی خطی (Bus Topology) نوعی شبکه است که در آن هر کامپیوتر و دستگاه شبکه به یک کابل واحد متصل می‌شود. این نوع اتصال دو طرفه و چند نقطه‌ای است. همچنین به دلیل وابستگی کامل به کابل اصلی، توپولوژی نامطمئنی محسوب می‌شود؛ چراکه در صورت خرابی کابل اصلی، کل شبکه از کار می‌افتد. در توپولوژی خطی، پروتکل‌های مختلف MAC (کنترل دسترسی به رسانه) مانند TDMA ،ALOHA خالص، CDMA و ALOHA اسلات شده، برای اتصال شبکه‌های اترنت (Ethernet) استفاده می‌شوند.

مزایای توپولوژی خطی (Bus Topology)

• هزینه کم: به دلیل نیاز به یک کابل اصلی و خطوط انشعاب، هزینه کابل‌کشی نسبت به سایر توپولوژی‌ها، مانند ستاره یا حلقه، کمتر است. این مزیت در شبکه‌های کوچک بسیار مهم است.
• سادگی نصب: نصب و راه اندازی توپولوژی خطی نسبتا ساده و آسان است. کابل‌کشی مستقیم و به نسبت یکنواخت، کار را تسهیل می‌کند.
• شناسایی و عیب‌یابی آسان: به دلیل کابل واحد، معمولاً پیدا کردن خرابی کابل یا قطعات مشکل‌تر، اما در عین حال گاهی سریع‌تر، نسبت به سایر توپولوژی‌ها است.
• مقیاس‌پذیری نسبی: در صورت نیاز، می‌توان به راحتی دستگاه‌های جدید به این شبکه اضافه کرد.

معایب توپولوژی خطی (Bus Topology)

• ایجاد مشکل در زمان خرابی: اگر کابل اصلی یا یک خط انشعاب دچار مشکل شود، کل شبکه قطع می‌شود.
• کاهش سرعت: با افزایش تعداد گره‌ها، سرعت انتقال داده‌ها به شدت کاهش می‌یابد.
• محدودیت در مقیاس‌پذیری: در شبکه‌های بزرگ با تعداد زیاد گره، عملکرد شبکه به شدت تحت تأثیر قرار می‌گیرد.
• مشکلات تداخل و برخورد (Collision): استفاده از روش CSMA/CD برای کنترل برخورد‌ها (Collision) به شدت بر کارایی شبکه تأثیر می‌گذارد. افزایش تعداد گره‌ها احتمال برخورد داده‌ها را افزایش می‌دهد.
• محدودیت در پشتیبانی از سرعت بالا: در شبکه‌های با سرعت انتقال داده بالا، توپولوژی خطی ناکارآمد است.
• مسئولیت مشترک و پیچیدگی در مدیریت: مدیریت این نوع شبکه، هنگامی که تعداد گره‌ها افزایش می‌یابد، پیچیده‌تر می‌شود.

کاربردها

• شبکه‌های خانگی کوچک: برای شبکه‌های خانگی اولیه یا کوچک که تعداد کامپیوترها کم است و پیچیدگی زیادی وجود ندارد. سادگی پیاده‌سازی و هزینه کم آن در این موارد مناسب است.
• شبکه‌های آموزشی کوچک: در محیط‌های آموزشی ابتدایی که تعداد کامپیوترها کم و نیاز به پیچیدگی زیاد نیست.
• شبکه‌های آزمایشگاهی: در مواردی که آزمایشگاهی با تعداد محدود کامپیوتر دارد، و نیاز به قابلیت اطمینان بالا نیست.

توپولوژی حلقه‌ای

در توپولوژی حلقه‌ای، دستگاه‌ها به گونه‌ای به هم متصل می‌شوند که یک حلقه ایجاد کنند و هر دستگاه دقیقاً با دو دستگاه دیگر همسایه باشد. در شبکه‌های حلقه‌ای بزرگ با تعداد زیاد گره (نود)، از تکرارکننده‌ها استفاده می‌شود. دلیلش این است که اگر بخواهیم داده‌ای را به آخرین گره یک شبکه حلقه‌ای ۱۰۰ گره‌ای ارسال کنیم، داده باید از ۹۹ گره عبور کند تا به گره ۱۰۰ برسد. به همین دلیل، برای جلوگیری از از دست رفتن داده، تکرارکننده‌ها در شبکه به کار می‌روند.

داده‌ها در یک جهت جریان می‌یابند، یعنی تک‌جهته هستند. اما می‌توان با ایجاد دو اتصال بین هر گره شبکه، جریان داده را دو‌جهته کرد که به آن توپولوژی حلقه دوگانه گفته می‌شود. در توپولوژی حلقه، پروتکل عبور تگ (Token Ring Passing) استفاده می‌شود.

مزایا توپولوژی حلقه‌ای

• انتقال داده با سرعت بالا انجام می‌شود.
• احتمال بروز تصادف (Collision) در این نوع توپولوژی حداقل است.
• نصب و گسترش این توپولوژی ارزان است.
• هزینه آن کمتر از توپولوژی ستاره‌ای است.

معایب توپولوژی حلقه‌ای

• خرابی یک گره (Node) در شبکه می‌تواند باعث از کار افتادن کل شبکه شود.
• عیب‌یابی (Troubleshooting) در این توپولوژی دشوار است.
• اضافه کردن یا حذف ایستگاه‌ها (Stations) می‌تواند ساختار کل توپولوژی را مختل کند.
• امنیت کمتری دارد.

کاربردها

• شبکه‌های محلی اولیه: سابقه بیشتری دارد اما در محیط‌های مدرن کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرد، به ویژه به دلیل کاربردهای فعلی شبکه‌های مدرن که دارای پیچیدگی و مقیاس‌پذیری بالاتر هستند.
• سیستم‌های خاص: در برخی سیستم‌های کنترل صنعتی یا آزمایشگاهی به دلیل مشخصات خاص این توپولوژی.

عملکرد توپولوژی حلقه‌ای

یک ایستگاه به عنوان ایستگاه مانیتور (Monitor Station) شناخته می‌شود که تمام مسئولیت‌های انجام عملیات را بر عهده دارد.

برای انتقال داده، ایستگاه باید توکن (Token) را در اختیار داشته باشد. پس از انجام انتقال، باید توکن آزاد شود تا سایر ایستگاه‌ها بتوانند از آن استفاده کنند.

زمانی که هیچ ایستگاه دیگری در حال انتقال داده نیست، توکن در حلقه در گردش است.

دو نوع تکنیک آزادسازی توکن وجود دارد:

1. آزادسازی زودهنگام توکن (Early Token Release) که توکن را بلافاصله پس از انتقال داده آزاد می‌کند.
2. آزادسازی تأخیری توکن (Delayed Token Release) که توکن را پس از دریافت تأییدیه (Acknowledgment) از گیرنده آزاد می‌کند.

توپولوژی درختی

توپولوژی درختی، نوعی از توپولوژی ستاره‌ای (Star Topology) است. در این توپولوژی، جریان داده‌ها به صورت سلسله‌مراتبی سازماندهی می‌شود. در توپولوژی درختی، پروتکل‌هایی مانند DHCP و SAC (تنظیم خودکار استاندارد) استفاده می‌شوند.

در توپولوژی درختی، هاب‌های ثانویه مختلف به هاب مرکزی متصل می‌شوند که شامل تکرارکننده (Repeater) است. جریان داده از بالا به پایین یعنی از هاب مرکزی به هاب‌های ثانویه و سپس به دستگاه‌ها یا از پایین به بالا یعنی از دستگاه‌ها به هاب‌های ثانویه و سپس به هاب مرکزی صورت می‌گیرد. این توپولوژی یک اتصال چند نقطه‌ای است و به دلیل اینکه اگر خط اصلی (Backbone) دچار مشکل شود، کل توپولوژی متوقف می‌شود، در برابر خرابی مقاوم نیست.

 مزایای توپولوژی درختی

• افزایش تعداد دستگاه‌های متصل: این نوع توپولوژی امکان اتصال دستگاه‌های بیشتری را به یک هاب مرکزی فراهم می‌کند، در نتیجه مسافتی که سیگنال برای رسیدن به دستگاه‌ها طی می‌کند، کاهش می‌یابد.
• امکان ایزوله و اولویت‌بندی شبکه: توپولوژی درختی این قابلیت را به ما می‌دهد که شبکه را ایزوله کنیم و ترافیک را بین کامپیوترهای مختلف اولویت‌بندی کنیم.
• قابلیت گسترش آسان: می‌توانیم به راحتی دستگاه‌های جدیدی را به شبکه‌ی موجود اضافه کنیم.
• عیب‌یابی آسان: شناسایی و رفع خطاها در توپولوژی درختی بسیار ساده است.

معایب توپولوژی درختی

• آسیب‌پذیری در برابر خرابی هاب مرکزی: اگر هاب مرکزی دچار مشکل شود، کل سیستم از کار می‌افتد.
• هزینه‌ی بالای کابل‌کشی: به دلیل نیاز به کابل‌کشی زیاد، هزینه‌ی پیاده‌سازی این توپولوژی بالا است.
• پیچیدگی در پیکربندی مجدد: اضافه کردن دستگاه‌های جدید به شبکه می‌تواند پیکربندی مجدد آن را دشوار کند.

کاربردها

• شبکه‌های بزرگ ادارات و دانشگاه‌ها: قابلیت اتصال به سایر توپولوژی‌ها، مدیریت ترافیک، افزایش مقیاس‌پذیری، افزایش قابلیت اطمینان.
• شبکه‌های کامپیوتری بزرگ‌تر و گسترده‌تر: برای مدیریت و سازمان‌دهی بهتر ترافیک و منابع در محیط‌های بزرگ.

توپولوژی ترکیبی (هایبریدی)

توپولوژی ترکیبی، نتیجه‌ی ترکیب تمام نوع‌های مختلف توپولوژی است که در بالا بررسی کردیم. این نوع توپولوژی زمانی استفاده می‌شود که گره‌ها (دستگاه‌ها) بتوانند هر شکلی بگیرند. یعنی می‌توانند به صورت فردی، مانند توپولوژی حلقه یا ستاره باشند، یا ترکیبی از چند نوع توپولوژی که در بالا ذکر شد. هر کدام از این توپولوژی‌های فردی، از پروتکل‌هایی که قبلاً توضیح داده شد، استفاده می‌کنند.

مزایای توپولوژی ترکیبی

•  این توپولوژی بسیار انعطاف‌پذیر است.
•  به راحتی می‌توان اندازه شبکه را با افزودن دستگاه‌های جدید گسترش داد.

معایب توپولوژی ترکیبی

•  طراحی ساختار شبکه‌ی ترکیبی، کار دشواری است.
•  هاب‌هایی که در این توپولوژی استفاده می‌شوند، بسیار گران هستند.
•  هزینه زیرساخت شبکه بسیار بالا است، زیرا این نوع شبکه نیازمند کابل‌کشی زیاد و دستگاه‌های شبکه زیادی است.

کاربرد

• شبکه‌های بزرگ و پیچیده: در شبکه‌های بزرگ، ممکن است برخی بخش‌ها به توپولوژی ستاره نیاز داشته باشند (مثلاً بخش‌های دپارتمان) و سایر بخش‌ها، برای مثال، به توپولوژی حلقه نیاز داشته باشند (مثلاً برای ارتباط بین بخش‌ها). توپولوژی ترکیبی این امکان را فراهم می‌کند که شبکه به طور کل، عملکرد بهینه و قابل کنترل داشته باشد.
• انعطاف پذیری: در صورت نیاز به تغییر ساختار شبکه در آینده، توپولوژی ترکیبی به ما امکان تغییرات چابک‌تر و آسان‌تر را می‌دهد.
• مقیاس‌پذیری: امکان اضافه کردن گره‌های جدید یا منابع جدید بدون از بین بردن ساختار فعلی شبکه.
• افزایش قابلیت اطمینان: اگر در یکی از توپولوژی‌های شبکه مشکل ایجاد شود، بخش‌های دیگر که با توپولوژی‌های مختلف طراحی شده‌اند، همچنان کار می‌کنند. این قابلیت باعث افزایش قابلیت اطمینان و پایداری کل شبکه می‌شود.

سخن آخر

توپولوژی‌های شبکه نقش بسیار مهمی در تعیین کارآمدی و پایداری یک شبکه کامپیوتری ایفا می‌کنند. هر توپولوژی، چه اتوبوسی، چه ستاره‌ای، چه حلقوی، چه مش (توری)، و چه درختی، مزایا و معایب خاص خود را دارد. با درک این ساختارهای مختلف، طراحان شبکه می‌توانند مناسب‌ترین توپولوژی را برای برآورده کردن نیازهای خاص سیستم‌های خود انتخاب کنند، و بدین ترتیب، عملکرد و اتصال بهینه را تضمین نمایند. به عبارت ساده‌تر، با شناخت دقیق توپولوژی‌های مختلف، می‌توانیم شبکه‌ای بسازیم که هم خوب کار کند و هم قابل اعتماد باشد.