تفاوت هم‌بندی (توپولوژی) فیزیکی و منطقی شبکه چیست؟

هم‌بندی یا توپولوژی (Topology) شبکه چیست؟

هم‌بندی (توپولوژی) شبکه در کل، ساختار فیزیکی و منطقی شبکه را مشخص می‌کند. هم‌بندی مانند نقشه‌ای است که نشان می‌دهد گره‌های یک شبکه اعم از سوئیچ‌ها و روترها و رایانه‌ها چگونه باید به هم متصل شوند و داده‌ها چگونه باید بین آن‌ها جریان یابند. انتخاب درست توپولوژی بر نحوه عملکرد شبکه و بازده آن تاثیر بسیاری دارد. افزایش بازده نیز هزینه‌های عملیاتی و هزینه نگهداری را کاهش می‌دهد. با کمک چنین نقشه‌ای، می‌توان نحوه حرکت اطلاعات در شبکه را دید و تنگناهای احتمالی بر سر راه ترافیک داده را شناسایی کرد. لذا هم‌بندی شبکه، مرجعی کاربردی برای عیب‌یابی شبکه نیز هست. همچنین درباره عملکرد شبکه تصویر روشن‌تری ارائه می‌دهد و به مدیر شبکه کمک می‌کند تا دریابد کجاها به گره‌های جدید نیاز است و کدام گره‌ها باید پایش، به‌روزرسانی یا جایگزین شوند.

هم‌بندی یا توپولوژی شبکه دو نوع است:  

• هم‌بندی یا توپولوژی فیزیکی (Physical topology)
• هم‌بندی یا توپولوژی منطقی (Logical topology)

توپولوژی فیزیکی، نحوه کابل‌کشی و نوع اتصال و چینش اتصالات فیزیکی را مشخص می‌کند. توپولوژی منطقی نحوه جریان یافتن داده‌ها و ترافیک شبکه در توپولوژی فیزیکی را نشان می‌دهد.

هم‌بندی یا توپولوژی فیزیکی (Physical topology) چیست؟

هم‌بندی (توپولوژی) فیزیکی مانند نقشه‌ای است که ساختار هندسی اتصالات شبکه اعم از باسیم و بی‌سیم را نشان می‌دهد. هم‌بندی فیزیکی، نحوه کابل‌کشی و اتصالات فیزیکی بین گره‌های شبکه (مثل رایانه‌ها، سوئیچ‌ها، روترها و...) را مشخص می‌کند، اما به نحوه جریان یافتن ترافیک شبکه بین گره‌ها و مکانیسم‌های ارتباطی آن‌ها، نحوه آدرس‌دهی، پروتکل‌ها و نحوه انتقال داده‌ها از وسیله‌ای به وسیله دیگر در شبکه نمی‌پردازد و فقط ساختار فیزیکی شبکه و تجهیزات را به‌طور کلی مطرح می‌کند.

انتخاب درست توپولوژی فیزیکی بر موارد ذیل در شبکه تاثیر دارد:

• هزینه
• مقیاس‌پذیری
• ظرفیت پهنای باند
• سهولت نصب
• سهولت عیب‌یابی

انواع هم‌بندی فیزیکی شبکه

برای متصل کردن تجهیزات شبکه به یکدیگر، هم‌بندی‌های فیزیکی متعددی وجود دارد که برخی از نمونه‌های رایج آن، هم‌بندی خطی (Bus)، حلقوی (Ring)، ستاره‌ای (Star) و توری یا مش (Mesh) است.

تصویر 1. چند نمونه از توپولوژی‌های شبکه

هم‌بندی خطی فیزیکی (Bus topology): در هم‌بندی خطی، همه تجهیزات یا رایانه‌های شبکه به یک مسیر کابلی مستقیم متصل می‌شوند. به دو انتهای کابل، مسدودکننده (ترمیناتور) متصل می‌شود تا وقتی سیگنال به آخر کابل می‌رسد، آن را جذب و از انعکاس سیگنال جلوگیری کند. در توپولوژی خطی، وقتی یکی از گره‌ها می‌خواهد برای گره دیگری پیغام بفرستد، پیغام را در شبکه پخش یا اصطلاحا برودکست می‌کند. لذا همه کامپیوترهای دیگر در شبکه، پیغام را می‌گیرند اما پس از بررسی آدرس، آن را رها می‌کنند. فقط کامپیوتری می‌تواند آن را نگاه دارد و بخواند که آدرسش با آدرس مقصد مندرج در پیغام یکی باشد.

هم‌بندی حلقوی فیزیکی (Ring topology): در هم‌بندی حلقوی، همه تجهیزات شبکه در مسیری دایره‌ای به هم متصل می‌شوند و لذا به مسدودکننده کابل نیازی نیست. همه گره‌های شبکه برای دسترسی به مسیر ارتباطی، فرصت برابر دارند. وقتی یکی از گره‌ها بخواهد برای گره‌ دیگری در شبکه پیغام بفرستد، همه گره‌های دیگری که بین گره مبدا و گره مقصد هستند نیز آن پیغام را می‌گیرند اما پس از بررسی آدرس، آن را رها می‌کنند. فقط گره‌ای می‌تواند پیغام را نگاه دارد و بخواند که آدرسش با آدرس مقصد مندرج در پیغام یکی باشد. توپولوژی حلقوی در اصل تک‌حلقه و تک‌جهته است، یعنی داده‌ها در آن تنها در یک جهت حرکت می‌کنند. اگر یکی از گره‌های شبکه حلقوی از دور خارج شود یا نقطه‌ای از کابل دچار نقص شود، شبکه قطع می‌شود. لذا گاهی حلقه دومی نیز به شبکه اضافه می‌شود تا اگر یکی از حلقه‌ها مخدوش شد، داده از حلقه دوم و در خلاف جهت پیشین به مقصد ارسال شود. چنین ساختاری را هم‌بندی دوحلقه‌ای و دوجهته می‌نامند.

تصویر 2. توپولوژی حلقوی دوحلقه‌ای دوجهته

هم‌بندی ستاره‌ای فیزیکی (Star topology): در ساختار ستاره‌ای همه تجهیزات شبکه به یک گره مرکزی متصل می‌شوند که معمولا یک هاب، سوئیچ یا سرور است. ساختار ستاره‌ای به کابل‌کشی بیشتری نیاز دارد و لذا پرهزینه‌تر است اما درعوض، قطع شدن ارتباط یکی از گره‌ها با هاب یا سرور مرکزی، به کل شبکه آسیب نمی‌زند. با این حال، اگر هاب یا سوئیچ یا سرور مرکزی از کار بیافتد، تمام شبکه از کار می‌افتد.

هم‌بندی توری یا مش فیزیکی Mesh topology): در ساختار توری یا مش، هر گره شبکه با چند گره‌ دیگر در شبکه مرتبط است. اگر هر گره به همه دیگر گره‌ها متصل باشد، آن را مش کامل می‌نامند و اگر فقط برخی از گره‌ها با برخی گره‌های دیگر مرتبط باشند، آن را نیمه‌مش می‌نامند. یکی از مزایای مهم توپولوژی مش این است که بین تمام گره‌ها یا برخی گره‌ها با گره‌های دیگر بیش از یک مسیر دارد. لذا اگر یکی از مسیرها به هر علتی قطع شد، می‌توان داده‌ها را از مسیر دیگری به مقصد فرستاد. در توپولوژی مش کامل چون بین هر دو گره، مسیر مستقیمی وجود دارد، ظرفیت پذیرش ترافیک آن بیشتر است. ضمنا معیوب شدن یک گره، به تمام شبکه لطمه نمی‌زند. شبکه مش به کابل‌کشی زیادی نیاز دارد.

برای اطلاعات بیشتر درباره توپولوژی‌های فیزیکی و مزایا و معایب‌ آن‌ها به مقاله «شبکه کامپیوتری چیست: انواع شبکه‌ و تعاریف و اصطلاحات شبکه» مراجعه کنید.

هم‌بندی یا توپولوژی منطقی (Logical topology) چیست؟

هم‌بندی منطقی یا توپولوژی منطقی، نقشه و نحوه انتقال داده‌ها بین گره‌های شبکه را نشان می‌دهد و مشخص می‌کند که داده‌ها چگونه و از چه مسیرهایی از گره‌ای به گره دیگر ارسال می‌شوند. هم‌بندی منطقی یک شبکه به مواردی مثل پروتکل‌های ارتباطی، فناوری به کار رفته برای ایجاد شبکه محلی (مثلا اترنت، توکن‌رینگ و...) و نوع تجهیزات مورد استفاده بستگی دارد. هم‌بندی منطقی و فیزیکی یک شبکه همیشه و الزاما یکسان نیستند. مثلا ممکن است هم‌بندی فیزیکی شبکه‌ای ستاره‌ای باشد، اما داده‌ها در آن شبکه طبق هم‌بندی خطی جابه‌جا شوند.

انتخاب درست توپولوژی منطقی، بر موارد ذیل تاثیر دارد:

• وضعیت خط ارتباطی
• ارسال مرتب فریم‌ها
• اعلان خطا
• کنترل بهینه جریان داده‌ها

انواع هم‌بندی منطقی شبکه

داده‌ها در شبکه اغلب طبق یکی از سه هم‌بندی خطی (Bus)، حلقوی (Ring) یا ستاره‌ای (Star) ارسال و دریافت می‌شوند.

هم‌بندی‌ خطی منطقی (Logical bus): داده‌ها الگویی خطی را از مبدا تا تمام مقصدها دنبال می‌کنند. وقتی یکی از گره‌‌های شبکه برای گره دیگری پیغام می‌فرستد، همه دیگر گره‌ها آن را دریافت می‌کنند، اما فقط گره مقصد می‌تواند پیغام را بخواند.

هم‌بندی‌ حلقوی منطقی (Logical ring): داده‌ در مسیری حلقوی از وسیله‌ای به وسیله دیگر حرکت می‌کند و نهایتا به مبدا حرکت خود بازمی‌گردد. وقتی یکی از گره‌های شبکه برای گره دیگری پیغام می‌فرستد، همه گره‌هایی که بین آن‌دو هستند نیز پیغام را می‌گیرند اما فقط گره مقصد می‌تواند آن را بخواند.

هم‌بندی‌ منطقی ستاره‌ای (Logical star): پیغام مستقیما از گره مبدا به گره مقصد ارسال می‌شود و دیگر گره‌ها آن را نمی‌بینند.  

این سه هم‌بندی منطقی از نظر ویژگی و عملکرد، شبیه هم‌بندی‌های فیزیکی متناظرشان هستند، اما همانطور که پیش‌تر اشاره شد، نقش‌شان متفاوت است. برای مثال، هم‌بندی منطقی یک شبکه، زمانی ستاره‌ای خواهدبود که پیغام ارسالی از گره مبدا مستقیما به گره مقصد برود و دیگر گره‌های شبکه آن را نبینند. یعنی همان مزیتی که درخصوص شبکه‌های ستاره‌ای بیان شد، واقعا هنگام دادوستد داده‌ها در شبکه نیز اتفاق بیافتد.

چند مثال برای بیان تفاوت هم‌بندی‌ فیزیکی و منطقی یک شبکه

اکنون با چند مثال، بیان می‌شود که چرا و چگونه ممکن است که هم‌بندی‌ فیزیکی یک شبکه با هم‌بندی‌ منطقی آن تفاوت داشته باشد.

شبکه اترنت (Ethernet): ساختار فیزیکی ستاره‌ای، ساختار منطقی خطی یا ستاره‌ای

زمانی که فناوری اترنت تازه سربرآورده بود، فقط با هم‌بندی‌ فیزیکی خطی پیاده‌سازی می‌شد، اما سرانجام هم‌بندی‌ فیزیکی ستاره‌ای جایگزین آن شد. در ساختار ستاره‌ای، همه گره‌های شبکه به یک هاب یا به یک سوئیچ مرکزی متصل می‌شوند. انتخاب بین هاب و سوئیچ، در تعیین ساختار منطقی شبکه اترنت، نقشی بنیادی دارد. اگر با استفاده از هاب یک شبکه اترنت ستاره‌ای بسازید، ساختار منطقی شبکه‌تان خطی خواهدبود. اما اگر به‌جای هاب از سوئیچ استفاده کنید، ساخار منطقی شبکه نیز مانند ساختار فیزیکی آن، ستاره‌ای خواهدبود. اما چرا؟ علتش این است که هاب نمی‌تواند آدرس مقصد بسته‌های داده را بخواند، لذا پیغام دریافتی از گره مبدا را تکثیر و به تمام دیگر گره‌ها ارسال می‌کند. این شبیه همان اتفاقی است که در توپولوژی خطی رخ می‌دهد. چون در توپولوژی خطی همه رایانه‌هایی که به کابل اصلی متصل هستند، پیغام‌های ارسالی را می‌گیرند اما فقط رایانه‌ای که آدرسش با آدرس مقصد مندرج در پیغام یکسان است، می‌تواند آن را بخواند. اما اگر به‌جای هاب، با سوئیچ یک شبکه اترنت ستاره‌ای بسازید، سوئیچ می‌تواند آدرس مقصد پیغام را بخواند و هر پیغام را مستقیما از گره مبدا به گره مقصد بفرستد. (اگر شبکه اترنت با ساختار فیزیکی خطی پیاده‌سازی شده باشد، ساختار منطقی آن نیز خطی خواهدبود.)

تصویر 3. این تصویر، شبکه اترنتی را نشان می‌دهد که هم‌بندی فیزیکی آن ستاره‌ای (Star) است و چون از هاب بهره برده است، هم‌بندی منطقی، یعنی نحوه تبادل داده آن، خطی (Bus) است. اگر به‌جای هاب از سوئیچ استفاده شده بود، هم‌بندی منطقی شبکه نیز ستاره‌ای می‌شد. 

شبکه توکن‌رینگ (Token Ring): ساختار فیزیکی ستاره‌ای، ساختار منطقی خطی

توکن‌رینگ نیز مانند اترنت، یک فناوری‌ برای ایجاد شبکه‌های محلی است. در شبکه توکن‌رینگ، هر یک از رایانه‌ها و تجهیزات شبکه معمولا با یک رشته کابل مجزا مستقیما به هاب مخصوصی موسوم به MAU (مخفف Multistation Access Media) متصل می‌شوند. لذا هم‌بندی‌ فیزیکی شبکه توکن‌رینگ، ستاره‌ای است اما گره‌های شبکه طبق هم‌بندی‌ حلقوی با هم در ارتباط هستند، زیرا مدار داخلی MAU به‌گونه‌ای است که داده‌ها را در مسیری حلقوی از مبدا به مقصد می‌فرستد.

تصویر 4. در شبکه توکن‌رینگ، توپولوژی فیزیکی کابل‌ها و اتصالات، ستاره‌ای است اما داده‌ها عملا در ساختاری حلقوی دادوستد می‌شوند؛ یعنی توپولوژی منطقی شبکه، حلقوی است.

جمع‌بندی

هم‌بندی‌ فیزیکی شبکه، ارتباط فیزیکی بین گره‌های شبکه و ساختار هندسی پیوندهای کابلی یا بی‌سیم را مشخص می‌کند. اما هم‌بندی‌ منطقی، نقشه و نحوه جریان یافتن داده‌ها در شبکه را نشان می‌دهد. ساختار منطقی و ساختار‌ فیزیکی یک شبکه الزاما و همیشه یکسان نیستند. به عبارت دیگر، مسیرهایی که سیگنال‌های شبکه می‌پیمایند، الزاما بر ساختار فیزیکی کابل‌ها و گره‌ها منطبق نیست. مثلا ممکن است کابل‌های شبکه، گره‌ها را با ساختار ستاره‌ای به هم متصل کرده باشند، اما داده‌ها عملا با هم‌بندی‌ خطی بین گره‌های شبکه جابه‌جا شوند.