شبکه (Network) به مجموعه ای از دستگاه ها و سیستم ها گفته می شود که به منظور تبادل اطلاعات و منابع به یکدیگر متصل می شوند. این ارتباط می تواند بین کامپیوترها، سرورها، تلفن های هوشمند، یا حتی دستگاه های اینترنت اشیا (IoT) برقرار شود. شبکه ها در انواع مختلفی مانند شبکه محلی (LAN)، شبکه گسترده (WAN)، یا اینترنت دسته بندی می شوند و نقش مهمی در ارتباطات روزمره، کسب وکارها و فناوری اطلاعات ایفا می کنند.
تاریخچه شبکه
تاریخچه شبکه های کامپیوتری به دهه 1950 بازمی گردد، زمانی که اولین شبکه ها برای اهداف نظامی و تجاری توسعه یافتند. در سال 1958، مودم Bell 101 توسط AT&T معرفی شد که امکان انتقال داده های دیجیتال از طریق خطوط تلفن را فراهم می کرد. در همان دوره، ایده اشتراک زمانی (Time-Sharing) توسط Christopher Strachey و John McCarthy توسعه یافت، که به کاربران اجازه می داد از منابع کامپیوتر به طور همزمان استفاده کنند. در سال 1960، سیستم رزرو خطوط هوایی SABRE به عنوان یکی از اولین کاربردهای تجاری شبکه های کامپیوتری معرفی شد.
دهه 1960 شاهد پیشرفت های قابل توجهی بود، از جمله اختراع مفهوم سوئیچینگ بسته ها (Packet Switching) توسط Paul Baran و Donald Davies که زیربنای شبکه های مدرن را شکل داد. در سال 1969، شبکه ARPANET با اتصال چهار گره در ایالات متحده آغاز به کار کرد، که به عنوان پیشرو اینترنت امروزی شناخته می شود. در دهه 1970، پیشرفت های بیشتری از جمله توسعه پروتکل TCP/IP و معرفی اترنت (Ethernet) توسط Robert Metcalfe انجام شد. این پیشرفت ها، همراه با افزایش سرعت و مقیاس پذیری، به تکامل شبکه های کامپیوتری و گسترش جهانی آن ها منجر شدند.
اجزای اصلی شبکه و دستگاه های مرتبط
برای درک بهتر مفاهیم پیچیده تر در Networks، ابتدا باید با اجزای اساسی Network آشنا شویم. این اجزا شامل موارد زیر هستند:
- آدرس IP: آی پی یک شماره منحصربه فرد است که به هر دستگاه در یک Network پروتکل اینترنت (IP) اختصاص داده می شود. هر آدرس IP مکان و شبکه میزبان دستگاه را مشخص می کند. هنگامی که دستگاهی داده ای را ارسال می کند، این داده ها شامل یک «هدر» هستند که آدرس های IP فرستنده و گیرنده را مشخص می کند.
- نودها (Nodes): نودها نقاط اتصال در Network هستند که می توانند داده ها را دریافت، ارسال، ایجاد یا ذخیره کنند. این نودها شامل دستگاه هایی مانند کامپیوترها، چاپگرها، مودم ها، پل ها و سوئیچ ها می شوند که قابلیت شناسایی، پردازش و انتقال اطلاعات به دیگر نودهای Network را دارند. هر نود نیاز به نوعی شناسه (مانند آدرس IP یا MAC) دارد تا دسترسی به Network را ممکن کند.
- روترها (Routers): روترها دستگاه های فیزیکی یا مجازی هستند که داده ها را به صورت بسته (Packet) بین Networks منتقل می کنند. آن ها با تحلیل داده های موجود در بسته ها، بهترین مسیر انتقال را مشخص کرده و بسته ها را تا رسیدن به مقصد هدایت می کنند.
- سوئیچ ها (Switches): سوئیچ ها دستگاه هایی هستند که ارتباط بین دستگاه های Network را مدیریت می کنند. این دستگاه ها اطلاعات را بین نودها در یک Network منتقل می کنند و مطمئن می شوند که داده ها به مقصد موردنظر می رسند. برخلاف روترها که بین Networks اطلاعات را منتقل می کنند، سوئیچ ها در داخل یک Network عمل می کنند.
انواع روش های انتقال داده در شبکه ها:
- سوئیچینگ مداری (Circuit Switching): مسیری اختصاصی بین نودها در یک Network ایجاد می کند تا هیچ ترافیک دیگری از این مسیر عبور نکند و پهنای باند کامل برای انتقال در دسترس باشد.
- سوئیچینگ پیامی (Message Switching): پیام ها را به صورت کامل از نود منبع به نود مقصد ارسال می کند. پیام از طریق سوئیچ ها عبور می کند تا به مقصد برسد.
- سوئیچینگ بسته ای (Packet Switching): داده ها را به اجزای مستقل تقسیم می کند تا استفاده از منابع Network کمتر شود. این بسته ها به جای جریان کامل داده، از طریق شبکه به مقصد نهایی می رسند.
- پورت ها (Ports): پورت نشان دهنده یک اتصال خاص بین دستگاه های Network است و هر پورت با یک شماره شناسایی می شود. پورت ها تعیین می کنند کدام پیام ها به کدام برنامه یا سرویس ارسال شوند.
- درگاه ها (Gateways): درگاه ها دستگاه هایی هستند که ارتباط بین دو Network مختلف را امکان پذیر می کنند. این دستگاه ها از فناوری هایی مانند مبدل های نرخ، مترجم های پروتکل و دیگر ابزارها برای تسهیل ارتباط بین دستگاه های ناسازگار استفاده می کنند.
انواع شبکه های کامپیوتری
شبکه های کامپیوتری به طور معمول بر اساس مساحت جغرافیایی تعریف می شوند. شبکه های محلی (LAN) کامپیوترها را در یک فضای فیزیکی مشخص متصل می کنند، در حالی که شبکه های گسترده (WAN) می توانند کامپیوترها را در قاره های مختلف به هم متصل کنند. با این حال، Networks همچنین بر اساس پروتکل های ارتباطی، نحوه چیدمان فیزیکی اجزا، مدیریت ترافیک و هدف مورد نظرشان نیز طبقه بندی می شوند.
در ادامه، رایج ترین انواع شبکه های کامپیوتری را در سه دسته کلی بررسی می کنیم:
1. انواع شبکه بر اساس مساحت جغرافیایی
این دسته بندی بر اساس محدوده جغرافیایی که Network پوشش می دهد، تعیین می شود.
شبکه محلی (LAN)
یک LAN کامپیوترها را در یک فاصله کوتاه مانند یک ساختمان اداری، مدرسه یا بیمارستان به هم متصل می کند. این نوع Networks معمولاً خصوصی بوده و توسط مالک مدیریت می شوند.
شبکه گسترده (WAN)
همان طور که از نامش پیداست، یک WAN کامپیوترها را در فواصل جغرافیایی بزرگ، مانند مناطق یا قاره ها متصل می کند. این نوع Networks اغلب مدل های مالکیت جمعی یا توزیع شده برای مدیریت Network دارند. نمونه ای از این Networks، شبکه های ابری هستند که توسط زیرساخت های ابری عمومی و خصوصی در سراسر جهان میزبانی و ارائه می شوند.
شبکه گسترده نرم افزارمحور (SD-WAN) نیز یک معماری مجازی WAN است که از اصول SDN برای مدیریت متمرکز و بهینه سازی عملکرد شبکه های WAN استفاده می کند.
شبکه شهری (MAN)
MAN بزرگ تر از LAN اما کوچک تر از WAN است. این نوع Networks معمولاً توسط دولت ها یا شهرداری ها مدیریت و نگهداری می شوند.
شبکه شخصی (PAN)
یک PAN به یک نفر خدمت رسانی می کند. برای مثال، اگر کاربری چندین دستگاه از یک تولیدکننده (مانند آیفون و مک بوک) داشته باشد، احتمالاً یک PAN تنظیم کرده است که محتواهایی نظیر پیام ها، ایمیل ها و عکس ها را بین دستگاه ها همگام سازی می کند.
2. انواع شبکه بر اساس رسانه انتقال
نودهای Network می توانند از طریق اتصالات سیمی یا بی سیم پیام ها را ارسال و دریافت کنند.
شبکه های سیمی
دستگاه های این شبکه ها از طریق کابل های فیزیکی مانند سیم های مسی، کابل اترنت، جفت تابیده شده، کابل کواکسیال یا فیبر نوری متصل می شوند. اندازه و سرعت Network معمولاً نوع کابل، چیدمان اجزای Network و فاصله فیزیکی بین دستگاه ها را تعیین می کند.
شبکه های بی سیم
در این مدل، به جای کابل، از انتقال مادون قرمز، امواج رادیویی یا الکترومغناطیسی برای ارتباط بین دستگاه هایی با آنتن و حسگرهای داخلی استفاده می شود.
3. انواع شبکه بر اساس نوع ارتباط
شبکه های کامپیوتری می توانند داده ها را با استفاده از روش های مختلف انتقال داده ارسال کنند، از جمله:
شبکه های چند نقطه ای (Multipoint Networks):
در این Networks، چندین دستگاه ظرفیت کانال و لینک های Network را به اشتراک می گذارند.
شبکه های نقطه به نقطه (Point-to-Point Networks):
دستگاه های Network یک لینک مستقیم نود به نود را برای انتقال داده ها ایجاد می کنند.
شبکه های پخش (Broadcast Networks):
در این نوع Networks، چندین دستگاه می توانند انتقال های یک طرفه را از یک فرستنده دریافت کنند. ایستگاه های تلویزیونی نمونه ای عالی از شبکه های پخش هستند.
شبکه های خصوصی مجازی (VPNs):
یک VPN یک اتصال ایمن و نقطه به نقطه بین دو انتهای Network ایجاد می کند. این اتصال یک کانال رمزنگاری شده فراهم می آورد که هویت کاربر، اطلاعات دسترسی و داده های انتقال یافته را از دسترس هکرها دور نگه می دارد.
معماری های شبکه
معماری شبکه کامپیوتری چارچوب نظری یک Network را تعیین می کند که شامل اصول طراحی و پروتکل های ارتباطی می شود. این معماری ها پایه گذار نحوه ارتباط و تعامل دستگاه ها در Network هستند.
معماری نقطه به نقطه (P2P)
در معماری P2P، دو یا چند کامپیوتر به عنوان “نقطه” به هم متصل می شوند، به این معنا که هر یک از آن ها قدرت و امتیاز برابر در Network دارند. شبکه نقطه به نقطه به سرور مرکزی برای هماهنگی نیاز ندارد. در عوض، هر کامپیوتر در Network همزمان به عنوان مشتری (کامپیوتری که نیاز به دسترسی به یک سرویس دارد) و سرور (کامپیوتری که خدمات به مشتریان ارائه می دهد) عمل می کند. هر نقطه ی موجود در Network برخی از منابع خود را به دیگر دستگاه های شبکه در دسترس قرار می دهد و منابعی همچون ذخیره سازی، حافظه، پهنای باند و قدرت پردازش را در سراسر Network به اشتراک می گذارد.
معماری مشتری-سرور (Client-Server)
در معماری مشتری-سرور، یک سرور مرکزی (یا گروهی از سرورها) منابع را مدیریت کرده و خدمات را به دستگاه های مشتری در Network ارائه می دهد. در این معماری، مشتری ها منابع خود را به اشتراک نمی گذارند و تنها از طریق سرور با یکدیگر تعامل می کنند. معماری های مشتری-سرور اغلب به دلیل وجود لایه های متعدد به عنوان معماری های لایه ای شناخته می شوند.
معماری های هیبریدی
معماری های هیبریدی، عناصری از هر دو مدل P2P و مشتری-سرور را ترکیب می کنند. این مدل ها تلاش می کنند تا از مزایای هر دو نوع معماری استفاده کنند و بسته به نیازهای Network ، از ترکیب این دو برای بهینه سازی عملکرد و مدیریت منابع بهره می برند.
توپولوژی شبکه
در حالی که معماری Network نمایانگر چارچوب نظری یک Network است، توپولوژی Network پیاده سازی عملی این چارچوب معماری است. توپولوژی Network به نحوه آرایش فیزیکی و منطقی گره ها و لینک ها در یک Network اشاره دارد، که شامل تمام سخت افزارها (روترها، سوییچ ها، کابل ها)، نرم افزارها (برنامه ها و سیستم عامل ها) و رسانه های انتقال (اتصالات با سیم یا بی سیم) می شود.
توپولوژی های متداول شبکه
توپولوژی های Network مختلفی وجود دارند که شامل توپولوژی های باس، حلقه، ستاره و مش می شوند.
توپولوژی شبکه باس
در توپولوژی شبکه باس، هر گره Network به طور مستقیم به یک کابل اصلی متصل می شود.
توپولوژی شبکه حلقه
در توپولوژی شبکه حلقه، گره ها به صورت یک حلقه به هم متصل می شوند، به طوری که هر دستگاه دقیقاً دو همسایه دارد. جفت های مجاور به طور مستقیم به هم متصل هستند و جفت های غیرمجاور از طریق گره های میانه به هم متصل می شوند.
توپولوژی شبکه ستاره
در توپولوژی شبکه ستاره، یک هاب مرکزی وجود دارد که از طریق آن تمام گره ها به طور غیرمستقیم به هم متصل می شوند.
توپولوژی شبکه مش
توپولوژی های مش کمی پیچیده تر هستند و توسط اتصالات هم پوشان میان گره ها تعریف می شوند. دو نوع شبکه مش وجود دارد: مش کامل و مش جزئی. در توپولوژی مش کامل، هر گره Network به هر گره دیگر متصل می شود، که بالاترین سطح پایداری Network را فراهم می کند. در توپولوژی مش جزئی، تنها برخی از گره ها به هم متصل می شوند، معمولاً آن هایی که داده ها را بیشتر رد و بدل می کنند.
توپولوژی های مش کامل می توانند هزینه بر و زمان بر باشند، به همین دلیل بیشتر برای شبکه هایی استفاده می شوند که به Network با افزونگی بالا نیاز دارند. از سوی دیگر، توپولوژی مش جزئی افزونگی کمتری فراهم می کند، اما از نظر هزینه مقرون به صرفه تر و ساده تر است.
در هر صورت، در این مدل قابلیت پیکربندی و سازماندهی خودکار دارند و فرآیند مسیریابی را به طور خودکار انجام می دهند تا Network همیشه سریع ترین و قابل اعتمادترین مسیر داده را پیدا کند.
پروتکل های ارتباطی شبکه
چه این پروتکل ها مجموعه پروتکل های اینترنت (IP)، اترنت، شبکه بی سیم محلی (WLAN) یا استانداردهای ارتباطی سلولی باشند، تمام شبکه های کامپیوتری از پروتکل های ارتباطی پیروی می کنند—مجموعه ای از قواعد که هر گره در Network باید از آن ها پیروی کند تا بتواند داده ها را ارسال و دریافت کند. پروتکل ها همچنین به دروازه ها وابسته هستند تا دستگاه های ناهماهنگ بتوانند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند (برای مثال، یک کامپیوتر ویندوزی که می خواهد به سرورهای لینوکس دسترسی پیدا کند).
بسیاری از شبکه های مدرن بر اساس مدل های TCP/IP اجرا می شوند که شامل چهار لایه Network است.
لایه دسترسی به شبکه
این لایه که به نام های لایه پیوند داده یا لایه فیزیکی نیز شناخته می شود، زیرساخت Network (شامل اجزای سخت افزاری و نرم افزاری) را برای ارتباط با رسانه Network فراهم می آورد. این لایه مسئول انتقال داده های فیزیکی است—با استفاده از پروتکل هایی مانند پروتکل حل آدرس (ARP)—بین دستگاه های موجود در همان Network.
لایه اینترنت
لایه اینترنت مسئول آدرس دهی منطقی، مسیریابی و ارسال بسته ها است. این لایه عمدتاً به پروتکل IP و پروتکل پیام های کنترل اینترنت (ICMP) وابسته است که وظیفه مدیریت آدرس دهی و مسیریابی بسته ها در شبکه های مختلف را بر عهده دارد.
لایه حمل و نقل
لایه حمل و نقل TCP/IP امکان انتقال داده ها بین لایه های بالاتر و پایین تر Network را فراهم می کند. با استفاده از پروتکل های TCP و UDP، این لایه همچنین مکانیسم هایی برای بررسی خطا و کنترل جریان ارائه می دهد.
TCP یک پروتکل مبتنی بر اتصال است که معمولاً کندتر از UDP است اما قابلیت اطمینان بیشتری دارد. UDP پروتکلی بدون اتصال است که از TCP سریع تر است اما انتقال داده را تضمین نمی کند. پروتکل های UDP برای برنامه های حساس به زمان (مانند استریم ویدیو و پلتفرم های بازی) و جستجوهای DNS مناسب هستند.
لایه کاربرد
لایه کاربرد TCP/IP از پروتکل های HTTP، FTP، پروتکل پست الکترونیکی POP3، SMTP، DNS و SSH برای ارائه خدمات Network به برنامه ها استفاده می کند. این لایه همچنین تمام پروتکل هایی که از برنامه های کاربری پشتیبانی می کنند را مدیریت می کند.
اگرچه TCP/IP بیشتر به Network ارتباط دارد، مدل OSI (مدل مرجع سیستم های باز) نیز تأثیر زیادی بر شبکه های کامپیوتری و علوم کامپیوتر به طور کلی داشته است.
OSI یک مدل مفهومی است که ارتباطات Network را به هفت لایه انتزاعی تقسیم می کند (به جای چهار لایه) و چارچوبی نظری فراهم می آورد که به مهندسان و توسعه دهندگان کمک می کند تا پیچیدگی های ارتباطات Network را درک کنند. ارزش اصلی مدل OSI در کاربری آموزشی آن و نقش آن به عنوان یک چارچوب مفهومی برای طراحی پروتکل های جدید است، به گونه ای که اطمینان حاصل شود که این پروتکل ها با سیستم ها و فناوری های موجود قابل تعامل باشند.
با این حال، تمرکز عملی و قابلیت استفاده واقعی مدل TCP/IP باعث شده است که این مدل به ستون فقرات Network های مدرن تبدیل شود. طراحی مقاوم، مقیاس پذیر و رویکرد لایه بندی افقی آن موجب رشد انفجاری اینترنت شده و امکان پشتیبانی از میلیاردها دستگاه و حجم عظیمی از ترافیک داده را فراهم کرده است.
چگونه یک شبکه کامپیوتری کار می کند؟
برای توضیح چگونگی عملکرد داده در یک Network ، بیایید از ایمیل به عنوان مثال استفاده کنیم.
اگر یک کاربر بخواهد ایمیلی ارسال کند، ابتدا ایمیل را نوشته و سپس دکمه «ارسال» را می زند. زمانی که کاربر دکمه «ارسال» را فشار می دهد، پروتکل های SMTP یا POP3 از وای فای فرستنده برای هدایت پیام از گره فرستنده و از طریق سوییچ های Network استفاده می کنند، جایی که پیام فشرده شده و به بخش های کوچکتر و کوچکتر تقسیم می شود (و در نهایت به بیت ها، یا رشته های 1 و 0 تبدیل می شود).
دروازه های Network جریان بیت ها را به Network گیرنده هدایت می کنند و داده ها و پروتکل های ارتباطی را به تناسب نیاز تبدیل می کنند. زمانی که جریان بیت ها به کامپیوتر گیرنده می رسد، همان پروتکل ها داده های ایمیل را از طریق سوییچ های Network در Network گیرنده هدایت می کنند. در این فرآیند، Network پیام اصلی را بازسازی می کند تا زمانی که ایمیل به شکل قابل خواندن توسط انسان، در صندوق ورودی گیرنده (گره گیرنده) قرار گیرد.
چرا از شبکه های کامپیوتری استفاده می شود؟
شبکه های کامپیوتری غیرقابل اجتناب هستند و در بسیاری از جنبه های زندگی مدرن حضور دارند. در کسب وکار، وابستگی به شبکه های کامپیوتری یک انتخاب نیست—این Networks جزء جدایی ناپذیر عملیات کسب وکارهای مدرن هستند. شبکه های کامپیوتری مزایای زیادی دارند، از جمله:
انتقال کارآمد داده ها
شبکه ها هر نوع ارتباط دیجیتال، از جمله ایمیل، پیام رسانی، به اشتراک گذاری فایل، تماس ویدیویی و استریمینگ را ممکن می سازند. شبکه ها تمامی سرورها، رابط ها و رسانه های انتقال را که ارتباطات تجاری را ممکن می سازند، به هم متصل می کنند.
ذخیره سازی بیشتر داده ها
بدون Networks، سازمان ها مجبور می شدند داده ها را در انبارهای داده ای جداگانه ذخیره کنند، که در عصر داده های کلان غیرقابل انجام است. شبکه های کامپیوتری به تیم ها کمک می کنند تا ذخیره سازی داده های متمرکز داشته باشند که به تمام Network سرویس می دهند و ظرفیت ذخیره سازی ارزشمند را برای سایر وظایف آزاد می کنند.
به اشتراک گذاری آسان تر دانش
کاربران، مدیران Network و توسعه دهندگان همه می توانند از نحوه ساده سازی اشتراک گذاری منابع و دانش از طریق شبکه بهره مند شوند. داده های شبکه شده درخواست و دریافتشان آسان تر است، بنابراین کاربران و مشتریان پاسخ های سریع تری از دستگاه های شبکه دریافت می کنند. و برای کسانی که در بخش کسب وکار هستند، داده های شبکه شده باعث می شود تیم ها به راحتی همکاری کنند و اطلاعات را به اشتراک بگذارند، زیرا فناوری ها و کسب وکارها در حال تکامل هستند.
امنیت قوی تر شبکه
نه تنها راه حل های شبکه ای ساخته شده به طور دقیق تر مقاوم هستند، بلکه گزینه های بیشتری برای امنیت سایبری و امنیت Network به کسب وکارها می دهند. بیشتر ارائه دهندگان Network پروتکل های رمزنگاری داخلی و کنترل های دسترسی (مانند احراز هویت چندعاملی) را برای محافظت از داده های حساس و جلوگیری از دسترسی افراد مخرب به Network ارائه می دهند.
منابع:
