شبکه های کامپیوتری

پیشگفتار

در هر یک از سه قرن گذشته تکنولوژی خاصی رونق داشته است . قرن هیجدهم زمان توسعه سیستمهای مکانیکی بزرگ به همراه انقلاب صنعتی بود . قرن نوزدهم عصر موتور بخار بود. قرن بیستم زمان جمع آوری ، پردازش و توزیع اطلاعات بود . در بین سایر پیشرفتها شاهد نصب شبکه های جهانی تلفن و اختراع رادیو و تلویزیون ، تولید و رشد بی سابقه صنعت کامپیوتر و پرتاب ماهواره های مخابراتی بوده ایم.
با پیشرفت تکنولوژی این موارد در حال همگرایی است و تفاوتهای بین جمع آوری ، انتقال ، ذخیره و پردازش اطلاعات به شدت در حال محو شدن است . سازمانهایی با صدها در نقاط مختلف جغرافیایی با فشردن کلیدی وضعیت فعلی را حتی در دورترین نقاط بررسی می کنند . با افزایش قدرت جمع آوری ، پردازش و توزیع اطلاعات پیچیده تر نیز افزایش می یابد .
ادغام کامپیوترها و ارتباطات ، تاثیر در سازماندهی سیستمهای کامپیوتری داشته است . مفهوم ” مرکز کامپیوتر” به عنوان اتاقی که کارهای مشتریان را انجام می دهند ، کهنه شده است و جای خود را به تعداد زیادی از کامپیوترهای متصل به هم داده است . این سیستمها شبکه های کامپیوتری نامیده می شوند .
ظهور شبکه های کامپیوتری در دهه هفتاد میلادی تمام اسباب و لوازم تولید معرفت و دانش را فراهم کرد و به آن شتابی انفجار گونه داد چرا که خرد فردی به خرد جمعی تبدیل شد و محفل کوچک و خصوصی خردمندان به یک ضیافت بزرگ از نخبگان دهکده جهانی مبدل گشت . شاید بکاربردن واژه ” انقلاب اطلاعاتی ” برای این روند تولید دانش مناسبتر باشد .
شبکه های کامپیوتری چیزی بیش از یک ابزار در خدمت تولید دانش نیست ولی همین ابزار کارهایی را که ذهن بشر به کندی انجام می دهد، هزاران بار تسریع می کند ، نتیجه مشخص است . تولید و نشر دانشی که دهها سال پژوهش ، جمع آوری داده ، آزمایش و نتیجه گیری نیاز دارد در کوتاهترین زمان ممکن محقق می شود .
پس از سپاس و ستایش پروردگار از زحمات پدر و مادر گرامی خویش به دلیل ایجاد یک محیط آرام تشکر می کنم .
صالح و صالح متاع خویش نمودند
تا که قبول افتد و که در نظر آید

الهام حسینی _ بهار ۱۳۸۵

چکیده

در اینجا منظور از شبکه های کامپیوتری مجموعه ای از کامپیوترهای مستقل متصل به هم است . اگر دو کامپیوتر با یکدیگر مبادله اطلاعاتی داشته باشند می گویند این دو کامپیوتر به یکدیگر متصل اند . ارتباط ممکن است از طرق سیم مسی نباشد بلکه از فیبر نوری ، مایکروویو و … می توان برای ارتباط نیز استفاده کرد.کامپیوترها باید مستقل باشند تا از سیستمهایی که در آنها از ارتباط اصلی و پیرو استفاده می شود تفکیک شوند . اگر کامپیوتری بتواند کامپیوتر دیگری را راه اندازی ، متوقف و کنترل کند ، این کامپیوترها مستقل نیستند. سیستمی با یک واحد کنترلی و چند کامپیوتر پیرو شبکه نیست . کامپیوتر بزرگی با چابگرها و پایانه های از راه دور شبکه نیست .

آنچه که در این ارائه کتبی می خوانید دارای فهرستی به شرح زیر است :
پس از بیان مقدمه در قسمت (۲) و (۳) مطالبی در مورد فوائد و خدمات و کاربردهای شبکه های کامپیوتری بیان شده است .
در قسمت (۴) سخت افزار شبکه از دو دیدگاه متفاوت بررسی شده است . دیدگاه اول، دسته بندی شبکه ها از نظر تکنولوژی انتقال و دیدگاه دوم ، دسته بندی شبکه ها از نظر مقیاس بزرگی و ناحیه تحت پوشش آن است .
در قسمت (۵) روشهای برقراری ارتباط دو ماشین در به سه طریق ذکر شده است .
در قسمت (۶) نرم افزار شبکه و اصول لایه بندی مورد بررسی قرار گرفته است .
در قسمت (۷) دو نوع مدل مرجع که به صورت لایه به لایه سازماندهی شده اند شرح داده شده است .
در انتها تجهیزات مورد نیاز جهت شبکه کردن و اتصال به اینترنت بیان شده است .

کلید واژه ها :
سرویس دهنده ، مشتری ، ایستگاه ، پهنای باند ، شبکه محلی ، شبکه بین شهری ، شبکه گسترده ، توپولوژی خطی ، توپولوژی حلقه ، توپولوژی ستاره ، مدل OSI ، مدل TCP/IP ، سوئیچینگ مدار ، سوئیچینگ پیام ، سوئیچینگ بسته و سلول ، پروتکل ، واسط ، لایه شبکه ، لایه پیوند داده ، لایه کاربرد ، …

۱) مقدمه

پیوند فرخنده کامپیوتر و مخابرات اتفاقی بود که هر دو صنعت را دچار تحولات عظیم کرد . اکنون دیگر مفهوم اتاقی با یک کامپیوتر بزرگ بنام ” مرکز کامپیوتر ” که افراد کارهایشان را به آنجا می آورند بکلی منسوخ شده است . مدل قدیمی کامپیوتر بزرگی که تمام کارهای محاسباتی سازمان را انجام می دهد . اکنون جای خود را به تعداد زیادی کامپیوتر متصل به هم داده است . به این سیستمها شبکه های کامپیوتری گفته می شود .

شبکه های کامپیوتری از دیدگاه اجتمائی یک پدیده فرهنگی و از دید مهندسی کامپیوتر یک تخصص و علم تلقی می شود . امروزه پیشرفت و توسعه مرزهای دانش به گسترش شبکه های کامپیوتری وابسته شده است . هدف اصلی در ” فن آوری اطلاعات ” گردآوری ، سازماندهی ، فرآوری داده ها و دانش پراکنده در سطح دنیا است . به گونه ای که بتوان از این دانش گردآوری شده ، معرفت و دانش تولید کرد . بالطبع موثرترین ابزار برای جمع آوری ، سازماندهی و پردازش داده های پراکنده شبکه های کامپیوتری است .

دسترسی سریع و آسان به اطلاعات ، استفاده از قدرت پردازشی کامپیوترهای قوی و کارآمد ، ایجاد و بکارگیری تکنولوزی نوین ارتباطی برای تبادل اطلاعات و ایجاد نرم افزارهای هوشمند ، به شکوفایی تمام شاخه های علوم مختلف انجامیده است .
شبکه کامپیوتری مجموعه ای از کامپیوترهای مستقل است که به نحوی با یکدیگر اطلاعات و داده مبادله می نمایند . در این تعریف کوتاه مفاهیم گرانباری نهفته است :
” استقلال ” کامپیوترها در یک شبکه بدان معنا است که هر ماشین می تواند حتی بدون حضور در شبکه کار کرده و از شبکه فقط برای تبادل داده ها استفاده کند . با استناد به این تعریف ، لازم است همین جا به یک اشتباه رایج بین دو اصطلاح شبکه های کامپیوتری و ” سیستمهای توزیع شده ” یا ” سیستمهای چند کاربره بزرگ ” اشاره کنیم .
در یک سیستم توزیع شده هر ایستگاه اگر چه کامپیوتری با سخت افزار کامل محسوب می شود ولی مستقل نیست . در این سیستمها یک وظیفه ویژه بین ایستگاهها تقسیم شده و هر ایستگاه قسمتی از آن را انجام می دهد . مجموعه پردازشی که کل ایستگاهها انجام می دهند فرایند کار را تکمیل می نماید . عدم عملکرد صحیح یکی از ایستگاه ها منجربه ناقص ماندن کل کار شده و نتیجه پردازش بقیه ایستگاهها را بی تا ثیر خواهد کرد . از دیدگاه یک کاربر بیرونی کل یک سیستم توزیع شده ، بصورت واحد و یکپارچه دیده می شود ، سیستم عامل موظف است یک کار را بین ایستگاهها تقسیم کندو سپس نتایج را جمع آوری کرده و آن کار را تکمیل نماید.

” تبادل داده ” بدین معناست که کامپیوترها در شبکه بتوانند با یکدیگر داده ردو بدل کنند بدون آنکه نوع کانال اهمیت داشته باشد . یعنی هیچ محدودیتی بر روی کانال فیزیکی انتقال وجود ندارد
۲) کاربردهای شبکه های کامپیوتری

قبل از پرداختن به جزئیات فنی ، بهتر است کمی درباره اینکه چرا مردم به شبکه های کامپیوتری اهمیت می دهند و چرا از آنها استفاده می کنند صحبت کنیم .

۲-۱) کاربردهای تجاری

اکثر شرکتها تعداد تعداد زیادی کامپیوتر برای کارهای مختلف ( تولید ، انبارداری ، فروش و حسابداری ) دارند . شاید در ابتدا این کامپیوتر ها از یکدیگرجدا باشند ولی در مرحله ای از کار برای یکپارچه کردن اطلاعات کل شرکت ، مدیریت تصمیم می گیرد تا آنها را به هم متصل کند .
به بیان کلی تر اشتراک منابع به ما اجازه می دهد تا برنا مه ها ، تجهیزات و بخصوص داده ها را در اختیار همه آنهایی که به این شبکه متصلند قرار دهیم . به عنوان مثال ) چابگریست که برای تمام کارکنان یک دفتر به اشتراک گذاشته شده است . پیداست که تک تک این افراد به یک چابگر اختصاصی نیاز ندارند و علاوه بر آن یک چابگر شبکه ارزانتر ، سریعتر و کم هزینه تر از تعداد زیادی چابگرهای پراکنده است . بدین ترتیب بکارگیری شبکه های کامپیوتری نه تنها در وقت صرفه جویی می کند بلکه هزینه ها را نیز در تمام جوانب کاهش می دهد .
با این حال اشتراک اطلاعات بسیار مهمتر از اشتراک تجهیزات فیزیکی است .
در ساده ترین شکل اطلاعات می تواند در یک یا چند پایگاه داده متمرکز باشد و کارمندان شرکت بایستی بتوانند از راه دور به آنها دسترسی داشته باشند . در این مدل اطلاعات در کامپیوترهای پر قدرتی بنام سرویس دهنده نگهداری می شوند . کارمندان نیز که در اینجا به آنها مشتری گفته می شود از راه دور و از پای کامپیوترهای معمولی خود به این اطلاعات دسترسی پیدا می کنند .
اتصال کامپیوترهای سرویس دهنده و مشتری از طریق شبکه در شکل ۱ قابل مشاهده است .

شکل ۱ : شبکه ای با دو مشتری و یک سرویس دهنده

به این آرایش مدل مشتری – سرویس دهنده گفته می شود .
در این مدل دو پروسس دخیل هستند :
یک پروسس روی کامپیوتر مشتری و دیگری روی کامپیوتر سرویس دهنده .ارتباط از لحظه ای آغاز می شود که پروسس مشتری از طریق شبکه یک پیام به پروسس سرویس دهنده فرستاده و سپس به انتظار پاسخ آن می ماند . وقتی پروسس سرویس دهنده درخواست مشتری را دریافت کرد کار خواسته شده را انجام می دهد و پاسخ را به مشتری پس می فرستد .
این فرایند را در شکل ۲ ملاحظه می کنید .

شکل ۲ : مدل مشتری – سرویس دهنده بر درخواست و پاسخ مبتنی است

گاهی در یک شبکه کامپیوتری رابطه بین افراد اهمیت بیشتری نسبت به تبادل اطلاعات بین کامپیوترها دارد . چنین شبکه ای در واقع یک رسا نه ارتباطی است ا مروزه دیگر تقریبا هیچ شرکتی را نمی توان یافت که از سرویس پست الکترونیکی ( ایمیل ) استفاده نکند و در واقع بسیاری از ارتباطات روزمره کارمندان از همین طریق صورت می گیرد . بدین ترتیب استفاده از شبکه های کامپیوتری فواصل جغرافیایی را بی معنا کرده است و حذف محدودیتهای جغرافیا یی در تبادل داده ها رخ می دهد .

یکی دیگر از امکانات ارتباطی شبکه ها کنفرانس ویدیویی است به کمک این تکنولوژی کارمندانی که هزاران کیلومتر از هم فاصله دارند می توانند یکدیگر را ببینند صدای هم را بشنوند و حتی مطلب خود را روی یک تخته سیاه مجازی بنویسند .
گرایش تجاری دیگری که حتی اهمیت بیشتری پیدا کرده فروش محصولات روی اینترنت است
این روزها شرکتهای بسیاری به فروش محصولات خود از طریق اینترنت روی آورده اند . این شاخه از تجارت که به تجارت الکترونیک معروف است در آینده رشد بسیار بیشتری خواهد کرد

۲-۲) کاربرد های خانگی

شاید مهمترین دلیل خرید کامپیوترهای خانگی در سالهای اخیر اینترنت باشد . کارهایی که این قبیل افراد با کامپیوتر خود انجام می دهند عمدتا عبارتند از :
۱٫ دسترسی به اطلاعات پراکنده در سرا سر دنیا
۲٫ ارتباطات دو جانبه
۳٫ سرگرمیهای تعاملی
۴٫ تجارت الکترونیک
امروزه منبع بسیار عظیمی از اطلاعات در تمامی زمینه ها روی اینترنت وجود دارد که می توان به آنها دسترسی پیدا کرد . روزنامه های بسیاری روی اینترنت منتشر می شوند که می توان اخبار را به دلخواه و به صورت گزینش از آنها بدست آورد .
بعد از روزنامه ها و مجلات الکترونیکی نوبت کتابخانه های دیجیتالی است . بسیاری از سازمانهای علمی معتبر مدتهاست که انتشارات و کنفرانسهای متعددی را روی اینترنت برگزار می کنند .
این روزها همه نوجوانانی که سری میان سرها در می آورند به برنامه های پیام رسان فوری معتاد هستند . این برنامه ها به افراد امکان می دهند پیام های متنی خود را با هم مبادله کنند . نسخه هایی از این برنامه ها که به چندین نفر اجازه می دهند تا در آن واحد با هم گفتگو کنند به اتاق گفتگو معروفند .
گروههای خبری از امکانات قدیمی و پرطرفدار اینترنت است که امکان بحث درباره موضوعات بسیار متنوعی را به شما می دهد . در این سیستم پیامی که می فرستید به تمام آنهایی که عضو گروه خبری هستند خواهد رسید مبادلات گروه خبری به صورت بلافاصله و در زمان واقعی نیست و پیامها در نقطه ای ذخیره می شوند تا کاربر بتواند هر زمان که خواست آنها را بخواند .
مورد دیگری از کاربردهای خانگی شبکه های کامپیوتری صنعت سرگرمی و تفریحات است و داغترین بحث در این زمینه پخش فیلم بر حسب تقاضا است .
دسته دیگری از کاربردهای شبکه ، شاید وسیعترین آنها باشد : خرید از خانه . امروزه میلیونها نفر در سراسر جهان هر روز مایحتاج خود را به طور مستقیم از اینترنت تهیه می کنند و هرگز پا از خانه بیرون نمی گذارند ( حداقل برای خرید ) .

۲-۳) کاربران سیار

کامپیوترهای سیار یکی از سریعترین رشد ها را در صنعت کامپیوتر تجربه می کنند اغلب دارندگان این وسایل میل دارند حتی وقتی از خانه دور یا در سفر هستند با کامپیوتر خانگی یا دفتری خود ارتباط داشته باشند . در این قبیل موارد در این قیل موارد دیگر شبکه های کابلی محلی کاربرد ندارند . و باید به فکر شبکه های بیسیم باشیم . برخی از کاربردهای شبکه های بیسیم عبارتند از :
جالبترین کاربرد شبکه های بیسیم در ایجاد دفاتر سیار است . اغلب افراد میل دارند در سفر همان کارهایی را انجام دهند که در دفاتر کار خود انجام می دهند و و اصلا هم کاری به این ندارند که کجا هستند .
شبکه های بیسیم در امور حمل و نقل تحولی بزرگ ایجاد کرده اند .
شبکه های بیسیم از نظر نظامی نیز اهمیت فوق العاده ای دارند .
با وجود شباهتهای بسیار بین شبکه های بیسیم و کامپیوترهای سیار که در جدول ۱ قابل مشاهده است . تفاوتهایی نیز بین شبکه های بیسیم ثابت و شبکه های بیسیم سیار وجود دارد .

جدول ۱ : ترکیب شبکه های بیسیم و کامپیوترهای سیار

۲-۴) تبعات اجتماعی

گسترش روز افزون شبکه های کامپیوتری باعث ایجاد مسائل اجتماعی ، اخلاقی ، سیاسی ، خاص خود شده است . در این قسمت برخی از آنها را بررسی می کنیم .
یکی از امکانات شبکه های کامپیوتری تبادل آزاد وسیع اطلاعات و اخبار است . البته تا وقتی این پیامها در محدوده های فنی باقی بماند مشکل چندانی وجود نخواهد داشت ، دردسر وقتی شروع می شود که صحبت به مسائل حساس ( از قبیل سیاست ، مذهب یا سکس ) کشیده شود
بحث جالب دیگر حقوق و رابطه کارگر و کارفرما است بسیاری از افراد در محل کار خود ایمیل می فرستند و یا ایمیل های رسیده را می خوانند . برخی از کارفرمایان ادعا می کنند که آنها حق دارند ایمیل های کارمندان خود را بخوانند و یا آنها را سانسور کنند ، و صد البته کارمندان با این حرفها موافق نیستند .
در شبکه های کامپیوتری می توانند پیامهای بدون نام و نشانی فرستاد ، که در جای خود می توانند مفید باشند . به عنوان مثال ) کارمندان ، دانشجویان و یا مردم عادی می توانند بدین طریق اعمال خلاف روسای شرکتها ، استادان و سیاستمداران را به اطلاع عموم برسانند بدون آنکه از اقدامات تلافی جویانه آنها ترسی به دل راه دهند .

۳) خدمات معمول در شبکه

خدماتی که شبکه ها ارائه می کنند بسیار وسیع و خارج از شمارش هستند . ولی عمومی ترین نوع شبکه ها را می توان در موارد زیر عنوان کرد .
دسترسی به بانکهای اطلاعاتی راه دور
پست الکترونیکی
ورود به سیستم از راه دور
گروههای خبری
جستجوی اطلاعات مورد نیاز
تبلیغات
تجارت الکترونیکی
بانکداری الکترونیکی
سرگرمی و محاوره
مجلات و روزنامه های الکترونیکی
محاوره مستقیم و چهره به چهره از راه دور
کنفرانس از راه دور
یافتن اشخاص مورد نظر در جهان
تلفن و دور نگار از طریق شبکه
رادیو از طریق شبکه
آموزش ازراه دور
و…

۴) سخت افزار شبکه

اکنون وقت آنست که توجه خود را از مسائل متفرقه به موضوع اصلی معطوف کنیم . هیچ طبقه بندی پذیرفته شده ای که در برگیرنده تمام انواع شبکه های کامپیوتری باشد وود ندارد ، ولی در این میان به دو عامل مهم توجه می شود : تکنولوژی انتقال و اندازه شبکه . بدین ترتیب از دو دیدگاه می توان به شبکه ها نگاه کرد .
دیدگاه اول : تکنولوژی انتقال در شبکه های کامپیوتری است . بدین معنا که شبکه از چه نوع کانالی بعنوان واسط انتقال استفاده می کند .
دیدگاه دوم : مقیاس شبکه و ناحیه تحت پوشش آن است . بدین معنا که شبکه چه مسافت جغرافیایی را پوشش می دهد و حداکثر چند ایستگاه می تواند در شبکه وجود داشته باشد .

۴-۱) دسته بندی شبکه ها از دیدگاه تکنولوژی اطلاعات

از دیدگاه تکنولو ژی انتقال دو نوع شبکه قابل تعریف است .
شبکه های پخش فراگیر ( ارتباطات پخشی )
شبکه های نقطه به نقطه ( ارتباطات همتا به همتا )

۴-۱-۱) شبکه ها ی پخش فراگیر

شبکه های پخشی دارای یک کانال مخابراتی هستند که بین همه کامپیوترهای شبکه به اشتراک گذاشته شده است هر یک از کامپیوترها می توانند پیامهای خود را در بسته های کوجک مخابره کنند و تمام کامپیوترهای این پیامه را دریافت خواهند کرد . آدرس کامپیوتری که این بسته به وی ارسال شده ، در بخشی از پیام نوشته می شود . هر کامپیوتری به محض دریافت بسته آدرس گیرنده را چک می کند . اگر پپام برای او باشد بسادگی آن را نادیده می گیرد .

در شبکه ها ی پخشی با تعبیه یک کد خاص در فیلد آدرس می توان یک پیام را به تمام کامپیوتر ها ارسال کرد . چنین پیامی را همه کامپیوترها متعلق به خود تلقی کرده ، و آنرا می خوانند به این تکنیک پخش گفته می شود . در برخی از سیستمهای پخشی امکان ارسال پیام به دسته ای از کامپیوترها نیز وجود دارد که به آن پخش گروهی می گویند .
استفاده از کانالهای مشترک برای انتقال اطلاعات بین ایستگاههای شبکه از برخی جهات مشکل آفرین است :
مدیریت پیچیده کانال : در این شبکه ، مدیریت کانال به نحوی که تمام ایستگاهها بتوانند در یک روا ل قانونمند و عادلانه ، از کانال استفاده کنند ، پیچیده است ، زیرا در شبکه ها هر ایستگاه عنصری مستقل محسوب می شود و هیچگونه حاکمیت بیرونی بر آنها وجود ندارد لذا رعایت قانون و نوبت در استفاده از کانال بر عهده خود ایستگاهها است .
امنیت کم : با توجه به آنکه تمام ایستگاهها موظف به گوش دادن به خط هستند بنابراین اطلاعات روی کانال مشترک توسط تمتا ایستگاهها شنیده می شود .
کارایی پایین : با توجه به آنکه تمام ایستگاهها فقط یک کانال در اختیار دارند ، لذا فقط سهم کوچکی از پهنای باند کانال در اختیار یک ایستگاه قرار می گیرد .
با تمام این تفاضیل استفاده از کانالهای مشترک به عنوان تکنولوژي انتقال بسیار مقرون به صرفه است و به صورت گسترده از آن استفاده می شود .
۴-۱-۲) شبکه های نقطه به نقطه

در شبکه های نقطه به نقطه بین کامپیوترها مسیر ارتباطی مستقل وجود دارد . به عبارت ساده تر به یک کانال فیزیکی فقط و فقط دو ماشین متصل است . البته وقتی یک بسته بخواهد از کامپیوتری به کامپیوتر دیگر برود ، احتمالا سر راه خود از چند ماشین بینابینی نیز عبور خواهد کرد . معمولا در این قبیل شبکه ها مسیرهای متعددی بین دو کامپیوتر خاص می توان برقرار کرد ، که از نظر طول مسیر با هم تفاوت دارند و یافتن کوتاهترین مسیر یکی از مسائل مهم در این گونه شبکه ها است .
در شکل ۳ نمونه ای از یک شبکه نقطه به نقطه به تصویر کشیده شده است . در این مثال بین (a,b ) و (a,f ) ارتباط مستقیم و اختصاصی وجود دارد ولی بین (a,d ) کانال اختصاصی دیده نمی شود در این ساختار ماشین a قادر است از طریق ماشینهای واسطه b و c داده های خود را به d برساند .

شکل ۳ : نمونه ای از یک شبکه نقطه به نقطه

بعنوان یک قاعده کلی ، شبکه های کوچک ، متمرکز و محلی از نوع پخشی هستند ، و شبکه های بزرگ و گسترده از نوع نقطه به نقطه است . به ارتباطات نقطه به نقطه گاهی پخش تکی نیز گفته می شود .
۴-۲) دسته بندی شبکه ها از دیدگاه مقیاس بزرگی

دیدگاه دوم در دسته بندی و تفکیک شبکه ها ، مقیاس شبکه و ناحیه تحت پوشش آن است . از این دیدگاه سه نوع شبکه تعریف می شود :
شبکه های محلی lan
شبکه های بین شهری man
شبکه های گسترده wan

۴-۲-۱) شبکه های محلی

این نوع از شبکه معمولا در فواصل جغرافیایی محدود واقع در یک سازمان یا مجتمع ، ادارات ، نهادها ، محیط های آموزشی و کارخانه های کوچک نصب و راه اندازی می شود . کوچک بودن این نوع شبکه از لحاظ طول فیزیکی کانال انتقال و کم بودن تعداد ایستگاهها ، محاسن فراوانی را برای این شبکه به ارمغان آورده است :
با توجه به کوتاه بودن طول کانال اولا افت سیگنال کم و طبعا نرخ خطا پایین است . ثانیا نرخ ارسال می تواند بسیار بالا باشد ثالثا تاخیر انتشار بسیار ناچیز خواهد بود . مجموعه این عوامل باعث خواهد شد تا سرعت مبادله اطلاعات در این شبکه بسیار بالا باشد .
در این شبکه با توجه به محدود بودن تعداد ایستگاهها ، مدیریت شبکه آسانتر از بقیه شبکه ها است .
هزینه نصب و راه اندازی این شبکه چندان بالا نیست .
چگونگی اتصال ایستگاهها از طریق کانال فیزیکی به یکدیگر ، توپولوژی آن شبکه را تعیین می نماید . چندین نوع توپولوژی برای شبکه های محلی وجود دارد :
توپولوژی خطی (bus ): در این نوع توپولوژی تمام ایستگاهها از طریق یک کانال فیزیکی مشترک به همدیگر متصل شده اند و هر گونه تبادل اطلاعات از طریق این کانال انجام خواهد شد . در هر لحظه فقط یکی از کامپیوترها مجاز به استفاده از خط و ارسال اطلاعات است و تمام ماشینهای دیگر بایستی در این مدت از ارسال هر گونه اطلاعات خودداری کنند . ضعف عمده این شبکه این است که اگر کابل اصلی که پل ارتباطی بین کامپیوترهای شبکه است قطع شود کل شبکه از کار خواهد افتاد . در شکل ۴ ساختار شبکه باس به تصویر کشیده شده است .

شکل ۴ : ساختار شبکه باس

توپولوژی حلقه ( ring ) : در توپولوژی حلقه ، ایستگاهها در یک ساختار بسته حلقوی به یکدیگر متصل می شوند . جهت جریان اطلاعات یکی از دو حالت ساعتگرد یا پادساعتگرد است و برای آنکه اطلاعات از یک ایستگاه به ایستگاه غیر مجاور در حلقه منتقل شود ، باید ماشینهایی که در مسیر هستند ، بسته های اطلاعاتی را دریافت و به کامپیوتر بعدی در حلقه بفرستد تا در نهایت اطلاعات به مقصد برسد . از آنجا که ارتباط هر ایستگاه با ایستگاه بعدی خود در حلقه یکطرفه است در صورتیکه ایستگاه خواست به ماشین قبلی خود در حلقه بسته ای از داده ها را بفرستد آن بسته باید یک دور کامل در حلقه گردش کند تا به ایستگاه مورد نظر برسد . در شکل ۵ این توپولوژی نشان داده شده است .

شکل ۵ : ساختار شبکه حلقه

توپولوژی ستاره (star ) : در توپولوژی ستاره ارتباط تمامی شبکه ها از طریق یک گره مرکزی برقرار می شود . این گره می توا ند یک سوئیچ بسیار سریع و هو شمند یا یک هاب معمولی یا حتی یک کامپیوتر باشد . نمایش کلی این توپولوژی در شکل ۶ نشان داده شده است .

شکل ۶ : ساختار شبکه ستاره
۴-۲-۲) شبکه های بین شهری

برای ایجاد شبکه در سطح یک منطقه وسیع در حد یک شهر یا اتصال چندین شبکه محلی ، از شبکه بین شهری استفاده می شود . شبکه های تلویزیون کابلی بهترین نمونه man هستند . این شبکه ، تکنولوژی و توپولوژی مشابه با شبکه های محلی دارد .
۴-۲-۳) شبکه های گسترده

شبکه گسترده ، گسترده جغرافیایی بزرگی ( مانند یک کشور یا قاره ) دارد . در این نوع شبکه کامپیوترهایی هستند که برنامه های کاربردی روی آنها اجرا می شود و معمولا به آنها میزبان می گویند . این کامپیوترها توسط زیر شبکه مخابراتی ( یا بطور مختصر زیرشبکه ) به هم متصل می شوند . میزبان ها متعلق به افراد هستند ، در حالیکه زیر شبکه اغلب به شرکتهای مخابرات تعلق دارد . وظیفه زیر شبکه انتقال پیام از یک میزبان به میزبان دیگر است .
در اغلب زیر ساخت ارتباطی در شبکه wan از دو بخش تشکیل می شود :
تجهیزات سوئیچینگ ( عناصر سوئیچ ) : کامپیوترهای ویژه ای هستند که به چندین کانال ارتباطی ورودی و خروجی متصلند و وظیفه دارند پس از دریافت یک بسته ، با در نظر گرفتن مقصدآن ، یک کانال خروجی مناسب انتخاب کنند به نحوی که بسته را به مقصدش نزدیک کند ، سپس بسته را روی آن کانال هدایت کنند . این کامپیوترهای سوئیچینگ به نامهای مختلفی خوانده می شوند که می توان از معروفترین آنها به مسیریاب اشاره کرد .
خطوط ارتباطی یا کانالها : خطوط انتقال با پهنای باند بالا هستند که ارتباط عناصر سوئیچ را برقرار می کنند .
در شکل ۷ هر کامپیوتر میزبان در یک شبکه محلی قرار دارد که از طریق یک مسیریاب به قسمتهای دیگر متصل می شود . به مجموعه خطوط مخابراتی و مسیریابها ( منهای کامپیوترهای میزبان ) زیر شبکه گفته می شود .

شکل ۷ : ارتباط بین کامپیوترهای میزبان و lan ها در یک زیر شبکه

۵ ) روشهای برقراری د و ماشین در شبکه

روش برقراری ارتباط بین گیرنده و فرستنده را سوئیچینگ ( راهگزینی ) گو یند . در یک شبکه معمولا گیرنده و فرستنده به یکدیگر متصل نیستند بلکه بین آنها یک زیر شبکه وسیع ارتباطی وجود دارد ، که نقش برقراری ارتباط بین دو ماشین را بر عهده دارد . برای ایجاد یک ارتباط بین دو ماشین در یک شبکه سه روش مختلف وجود دارد :
سوئیچینگ مداری
سوئیچینگ پیام
سوئیچینگ بسته و سلول
۵-۱) سوئیچینگ مداری

در این روش برای انتقال اطلاعات بین دو ماشین ابتدا یک اتصال فیزیکی بین مبدا و مقصد برقرار می شود . در این روش خطوط ارتباطی گیرنده و فرستنده از نظر الکتریکی به یکدیگر متصل می شوند . به همین دلیل به این روش سوئیچینگ مداری گفته می شود .( مهمترین مثال آن شبکه های تلفن است ) در زمانهای گیرنده یا فرستنده غیر فعالند هیچ گونه ارتباط فیزیکی بین آنها برقرار نیست و مدار اتصال- باز است . برای برقرار شدن یک ارتباط فیزیکی ، مدت زمان قابل توجهی به عنوان زمان برقراری و تنظیم ارتباط صرف می شود تا ارتباط مداری برقرار شود . در این روش اگر کانالی توسط گیرنده و فرستنده اشغال شود ، برای هیچ ماشین دیگری مقدور نخواهد بود که با این دو ماشین ارتباط برقرار کند و باید تا آزاد شدن کانال ، منتظر بمانند . در شکل ۸ شمای کلی سوئیچینگ مداری در سیستم تلفن به تصویر کشیده شده است . برای برقراری یک ارتباط ابتدا مبدا باید شماره گیری نماید . شماره گیری عملی است برای آنکه مراکز سوئیچ میانی با وصل کردن سوئیچها ارتباط بین مبدا و مقصد را برقرار نمایند . در این شکل مسیر نقطه چین سوئیچ هایی است که وصل شده و ارتباط مبدا و مقصد را ایجاد کرده است .

شکل ۸ : شمای کلی سوئیچینگ مدار در سیستم تلفن
۵-۲) سوئیچینگ پیام

در روش سوئیچ پیام که صرفا مختص انتقال داده های دیجیتال است . هر ایستگاه یک اتصال دائمی و همیشه وصل با مرکز سوئیچ خود دارد . مرکز سوئیچ یک کامپیوتر با تعداد زیادی پورت دیجیتال ورودی/خروجی است که دارای حافظه اصلی و حافظه جانبی می باشد . هر ایستگاه به محض آنکه تمایل به ارسال داشته باشد با اضافه کردن اطلاعات لازم به ابتدای داده ها ، آنرا در قالب یک پیام تحویل مرکز سوئیچی که به آن متصل است می دهد . اطلاعاتی که به ابتدای پیام اضافه می شود شامل آدرس گیرنده و فرستنده پیام است و مرکز سوئیچ موظف است ، پیام را کاملا دریافت کرده و آن را در حافظه خود ذخیره کند سپس بر اساس آدرس گیرنده ، کانال مناسب خروجی را برای ان انتخاب کرده و آنرا به سمت سوئیچ بعدی هدایت کند تا نهایتا با تکرار این روند ، پیام به دستگاه مقصد برسد .
برخلاف روش سوئیچینگ مداری ، در این روش هیچ ایستگاهی مجبور نیست قبل از ارسال پیام اقدام به برقراری یک مسیر فیزیکی نماید بلکه به محض آماده شدن داده ها برای ارسال آنها را به سوی مرکز سوئیچ متصل به آن ارسال می کند ، در ضمن کانال بین دو ایستگاه اشغال نخواهد شد و تمام ایستگاهها می توانند برای یکدیگر پیام بفرستند .
با توجه به نکات عنوان شده ، روش سوئیچ پیام بسیار سریع و کارآمد است و اشغال کانال وجود نخواهد داشت ولی این روش یک عیب اساسی دارد : عدم محدودیت طول پیام .
و این مسئله سبب پدید آمدن اشکالات عمده زیر می شود :
هر مرکز سوئیچ باید فضای حافظه بسیار زیادی داشته باشد تا وقتی با حجم انبوهی از پیامهای ایستگاهها مواجه شود بتواند آنها را ذخیره کند و پیام ها از دست نرود .
در صورت بروز حتی یک بیت خرابی در پیام حجم بسیار زیادی از داده ها باید مجددا ارسال شوند .
چون هر مرکز سوئیچ موظف است کل پیام را دریافت کرده و سپس آنرا به کانال مناسب هدایت نماید لذا تاخیر رسیدن پیام زیاد خواهد شد .
۵-۳ ) سوئیچینگ بسته و سلول

مشکلات ناشی از عدم محدودیت طول پیام ، باعث شد که در روشهای جدید بر روی اندازه پیام ارسالی محدودیت گذاشته شود و ایستگاه اجازه نداشته باشد در هر بار ارسال ، کل یک پیام بزرگ را یکجا بفرستد ، بلکه موظف است آن را به قطعات کوچکتری به نام بسته تقسیم کرده و ضمن اضافه کردن اطلاعات لازم برای بازسازی اصل پیام به هر بسته ، آنها را به طور جداگانه به مرکز سوئیچ ارسال کند . تمام ایستگاهها موظفند از مکانیزم شماره گذاری بسته ها تبعیت کنند تا امکان بازسازی اصل پیام وجود داشته باشد .

در مراکز سوئیچ مدرن که با سرعت بالا عمل می کنند طول بسته ها ثابت و بسیار کوچک است به دلیل اندازه کوچک و ثابت این بسته ها به آنها سلول گفته می شود . کوچک بودن اندازه سلول ، مراکز سوئیچ را قادر می سازد تا بتواند به سرعت عمل هدایت بسته از یک ورودی به یک خروجی مناسب را انجام دهد .
مراکز سوئیچ بسته یا سلول ، اصطلاحا از قاعده دریافت ، ذخیره و هدایت به جلو پیروی می کنند بدین معنا که وقتی یک بسته در ورودی یک مسیریاب دریافت می شود بطور کامل در حافظه مرکز سوئیچ یا مسیریاب ذخیره می گردد تا یک خط مناسب و آزاد برای طی مسیر آن پیدا شود ، سپس آن بسته روی آن خط ارسال می شود . به مراکز سوئیچ بسته معمولا مسیریاب گفته می شود در حالی که به مراکز سوئیچ سلول به اختصار سوئیچ می گویند .
۶) طراحی شبکه ها و اصول لایه بندی ( نرم افزار شبکه )
برای طراحی یک شبکه کامپیوتری ، مسائل و مشکلات بسیار گسترده و متنوعی وجود دارد که باید به نحوی حل شود تا بتوان یک ارتباط مطمئن و قابل اعتماد بین دو ماشین در شبکه برقرار کرد . این مسائل و مشکلات همگی از یک سنخ نیستند و منشا و راه حل مشابه نیز ندارند و بخشی از آنها توسط سخت افزار و بخش دیگر با تکنیکهای نرم افزاری قابل حل هستند به همین دلیل برای طراحی شبکه های کامپیوتری ، باید مسائل و مشکلاتی که برای برقراری یک ارتباط مطمئن ، ساده و شفاف بین دو ماشین در شبکه وجود دارد ، دست بندی شده و راه حلهای استاندارد برای آنها ارائه می شود . در زیر برخی از مسائل طراحی شبکه ها عنوان شده است :
اولین موضوع چگونگی ارسال و دریافت بیتهای اطلاعات بصورت یک سیگنال الکتریکی ، الکترومغناطیسی یا نوری است . بنابراین تبدیل بیتها به یک سیگنال متناسب با کانال انتقال یکی از مسائل اولیه شبکه به شمار می رود .
مساله دوم ماهیت انتقال است که می تواند به یکی از سه صورت زیر باشد
Simplex : ارتباط یکطرفه
Half duplex : ارتباط دو طرفه غیر همزمان
Full duplex : ارتباط دو طرفه همزمان
مساله سوم وجود خطا و وجود نویز روی کانالهای ارتباطی است
با توجه به اینکه در شبکه ها ممکن است مسیرهای گوناگونی بین مبدا و مقصد وجود داشته باشد بنابراین پیدا کردن بهترین مسیر و هدایت بسته ها از مسائل طراحی شبکه محسوب می شود . در ضمن ممکن است یک پیام بزرگ به واحدهای کوچکتر تقسیم شده و از مسیرهای مختلفی به مقصد برسد بنابراین بازسازی پیام از دیگر مسائل شبکه به شمار می آید .
ممکن است گیرنده به دلایلی نتواند با سرعتی که فرستنده بسته یک پیام را ارسال می کند آنها را دریافت کند بنابراین طراحی مکانیزم های حفظ هماهنگی بین مبدا و مقصد از دیگر مسائل شبکه است .
چون ماشینهای فرستنده و گیرنده متعددی در یک شبکه وجود دارد مسائلی ازدحام تداخل و تصادم در شبکه ها بوجود می آید که این مشکلات به همراه مسائل دیگر از طریق سخت افزار و نرم افزار شبکه حل شود .
یک شبکه باید تمام مسائل شبکه را تجزیه و تحلیل کرده و برای آنها راه حل ارائه کند ولی چون این مسائل دارای ماهیتی متفاوت از یکدیگر هستند بنابراین طراحی یک شبکه باید به صورت لایه به لایه انجام شود . تعداد لایه ها ، نام هر لایه ، محتوای آن و کاری که هر لایه انجام می دهد از شبکه ای به شبکه دیگر متفاوت است . وظیفه هر لایه ارائه سرویسهای خاص به لایه های بالاتر و پنهان کردن جزئیات کار از دید آنها است .
لایه n یک ماشین همیشه با لایه n ماشین دیگر حرف می زند . قواعد و قراردادهای این ارتباط را پروتکل لایه n می نامند . در ساده ترین حالت ، پروتکل عبارتست از قراردادهای توافق شده بین دو طرف برای برقراری و پیشبرد یک ارتباط .
در شکل ۹ یک شبکه پنج لایه به تصویر کشیده شده است . به اجزایی که در یک لایه هستند همتا گفته می شود این همتاها می توانند پروسس های نرم افزاری ، وسایل سخت افزاری و یا حتی دو انسان باشند به عبارت دیگر این همتاها هستند که از طریق پروتکل با هم رابطه برقرار می کنند .
در حقیقت داده ها هرگز مستقیما از لایه n یک ماشین به لایه n یک ماشین دیگر منتقل نمی شوند بلکه هر لایه داده ها را به لایه زیرین خود می دهد تا به پایین ترین لایه برسد . در پایین ترین لایه رسانه فیزیکی قرار دارد که داده ها را جا به جا می کند . در شکل ۹ ارتباط مجازی لایه ها با خط چین و ارتباط واقعی و فیزیکی با خط ممتد نشان داده شده است .
بین هر زوج از لایه های مجاور ، واسط قرار دارد واسط مشخص می کند که هر لایه چه سرویسها و عملکرد های پایه ای در اختیار لایه بالاتر می گذارد .
به مجموعه لایه و پروتکل ها معماری شبکه می گویند . و به مجموعه پروتکل هایی که در یک سیستم خاص بکار می روند پشته پروتکل گفته می شود .

شکل ۹ : لایه ها ، پروتکل ها ، واسط ها
۷) مدلهای مرجع

برای آنکه طراحی شبکه ها سلیقه ای و پیچیده نباشد سازمان جهانی استاندارد (iso ) مدلی هفت لایه برای شبکه ارائه کرد ، به گونه ای که وظایف و خدمات شبکه در هفت لایه مجزا تعریف و ارائه می شود . این مدل لایه ای ، osi نام گرفت هر چند در شبکه اینترنت از این مدل استفاده نمی شود و به جای آن یک مدل چهار لایه ای به نام tcp/ip تعریف شده است ، ولیکن بررسی مدل هفت لایه ای osi ، به دلیل دقتی که در تفکیک و تبیین مسائل شبکه در آن وجود دارد با ارزش خواهد بود پس از بررسی مدل osi ، به تشریح مدل tcp/ip خواهیم پرداخت .
۷-۱) مدل مرجع OSI

در این استاندارد کل وظایف و خدمات یک شبکه در هفت لایه تعریف شده است . این مدل که نام کامل آن مدل مرجع ارتباطات سیستمهای باز – سیستم هایی که قادر به ارتباط با سیستمهای دیگر هستند – سروکار دارد . توجه داشته باشید که مدل OSI خود یک معماری شبکه نیست چون هیچ سرویس یا پروتکلی در آن تعریف نمی شود . این مدل فقط می گوید که هر لایه چه کاری انجام دهد .

۷-۱-۱) لایه فیزیکی

واحد اطلاعات در این لایه بیت است . و وظیفه اصلی در لایه فیزیکی ، انتقال بیتهای خام از طریق کانال مخابراتی است . مهمترین نکته در طراحی این لایه این است که وقتی یک طرف یک بیت ۱ می فرستد . طرف مقابل یک بیت ۱ دریافت کند نه یک بیت صفر . این لایه تماما سخت افزاری است و پارامترهایی که باید در این لایه مورد نظر باشند عبارتند از :
ظرفیت کانال فیزیکی و نرخ ارسال
نوع مدولاسیون
چگونگی کوپلاژ با خط انتقال
مسائل مکانیکی و الکتریکی مانند نوع کابل ، باند فرکانسی و نوع رابط کابل
در لایه فیزیکی جهت انتقال بیت های خام از یک ماشین به ماشین دیگر از رسانه های فیزیکی مختلفی استفاده می شود که هر کدام پهنای باند ، تاخیر انتشار هزینه و سهولت نصب و نگهداری خاص خود را دارند این رسانه ها به دو دسته کلی هدایت پذیر ( مانند سیم مسی یا فیبر نوری ) و هدایت ناپذیر ( مانند امواج رادیویی و لیزری ) تقسیم بندی می شود .

۷-۱-۲) لایه پیوند داده
وظیفه این لایه آن است که با استفاده از مکانیزمهای کشف و کنترل خطا داده ها را روی یک کانال انتقال که ذاتا دارای خطا است بدون خطا و مطمئن به مقصد برساند . لایه پیوند داده این کار را با شکستن داده های ورودی به بسته های کوچک چند صد یا هزار بایتی

که فریم داده نامیده می شوند انجام می دهد . ( فریم واحد اطلاعات در لایه دوم است ) .
در حقیقت می توان این لایه را بیمه اطلاعات در مقابل خطاهای احتمالی دانست زیرا ماهیت خطا به گونه ای است که قابل رفع نیست ولی می توان تدابیری اتخاذ کرد که فرستنده از رسیدن یا نرسیدن صحیح اطلاعات به مقصد مطلع شده و در صورت بروز خطا مجددا اقدام به ارسال اطلاعات کند .

یکی از وظایف لایه دوم کنترل جریان یا به عبارت دیگر تنظیم جریان ارسال فریمها به گونه ای است که یک دستگاه کند هیچ گونه فریمی را بخاطر آهسته بودن از دست ندهد .
یکی دیگر از وظایف این لایه آن است که قراردادهایی را برای جلوگیری از تصادم سیگنال ایستگاههایی که از کانال اشتراکی استفاده می کنند وضع کند .
وقتی یک واحد اطلاعاتی تحویل یک ماشین متصل به کانال فیزیکی در شبکه شد وظیفه این لایه پایان می یابد .