توپولوژی شبکه چیست؟ انواع توپولوژی شبکه

نحوه اتصال دستگاه‌ها در هر شبکه‌ای، توپولوژی شبکه (به انگلیسی: Network Topology) نامیده می‌شود. به عبارت دیگر، توپولوژی می‌گوید که اجزای شبکه چگونه به هم وصل شده‌اند و انتقال داده‌ها در شبکه چگونه صورت می‌گیرد.

چرا توپولوژی شبکه اهمیت دارد؟
جواب ساده است. توپولوژی تاثیر مستقیمی بر عملکرد شبکه دارد. اگر توپولوژی متناسب با امکانات و نیازهای مجموعه انتخاب شود، عملکرد شبکه بهبود پیدا می‌کند و مصرف انرژی هم بهینه می‌شود.

در این شرایط، اگر مشکلی هم به وجود بیاید، شناسایی آن برای مدیران شبکه راحت‌‍تر می‌شود، ضمن این‌که موقع اختصاص منابع، تصمیم‌گیری دقیق‌تر خواهد بود.

حالا که توضیح دادیم توپولوژی شبکه چیست، نوبت به معرفی انواع آن می‌رسد.

انواع توپولوژی شبکه

دستگاه‌ها در هر شبکه‌ای معمولا به یکی از 7 روش زیر به هم متصل می‌شوند:

• توپولوژی نقطه به نقطه یا Point to Point Topology
• توپولوژی خطی یا Bus Topology
• توپولوژی حلقوی یا Ring Topology
• توپولوژی ستاره‌ای یا Star Topology
• توپولوژی مش یا Mesh Topology
• توپولوژی درختی یا Tree Topology
• توپولوژی ترکیبی یا Hybrid Topology

توپولوژی نقطه به نقطه

ساده‌ترین نوع ارتباط بین 2 دستگاه یا 2 گره است و بر اساس عملکرد فرستنده و گیرنده عمل می‌کند، به طوری که یک دستگاه فرستنده و دیگری گیرنده است. انتقال داده بین این 2 دستگاه می‌تواند دوطرفه باشد. توپولوژی نقطه به نقطه، پهنای باند بالایی را فراهم می‌کند، امنیت در آن تقریبا بالاتر از بقیه است و به مدیریت خاصی نیاز ندارد.

توپولوژی خطی

توپولوژی خطی یا باس یا اتوبوسی، نوعی شبکه است که در آن هر کامپیوتر و دستگاه، به یک کابل واحد متصل می‌شود. این توپولوژی دوطرفه است. اگر خط اصلی خراب شود، کل شبکه از کار می‌افتد، بنابراین چندان مقاوم نیست.

مزایا

• اگر در توپولوژی خطی تعداد N دستگاه به هم متصل باشند، تعداد کابل‌های مورد نیاز برای اتصال آن‌ها برابر با یک عدد است، که به آن کابل اصلی یا backbone گفته می‌شود. N خط انشعاب (drop line) هم مورد نیاز است.
• پیکربندی و پیاده‌سازی آن راحت است، نیاز به دانش زیادی ندارد و می‌توان دستگاه‌ها را کم و زیاد کرد، بدون این‌که روی بقیه دستگاه‌ها اثر بگذارد. بنابراین برای ساخت شبکه‌های کوچک مناسب است.
• معمولا در این شبکه‌ها از کابل‌های کواکسیال و یا زوج به هم تابیده استفاده می‌شود که تا سرعت 10 مگابیت بر ثانیه را پشتیبانی می‌کنند.
• هزینه کابل در آن نسبت به توپولوژی‌های دیگر کمتر است.

معایب

• توپولوژی خطی ساده است، اما همچنان نیاز به کابل‌کشی زیادی دارد.
• اگر کابل مشترک خراب شود، کل سیستم از کار می‌افتد.
• اضافه کردن دستگاه‌های جدید باعث کاهش سرعت شبکه می‌شود.
• امنیت در آن بسیار پایین است.
• در 2 طرف کابل اصلی باید ترمیناتور (Terminator) نصب شود. کار ترمیناتور این است که سیگنال‌هایی که به آخر خط می‌رسند را جذب کند. اگر ترمیناتور نباشد، سیگنال‌ها برمی‌گردند و در کار شبکه اختلال ایجاد می‌کنند.

توپولوژی حلقوی

در توپولوژی حلقوی یا حلقه‌ای، دستگاه‌ها به صورت یک حلقه به هم متصل می‌شوند، به طوری که هر دستگاه به دو دستگاه همسایه خود وصل است. برای توپولوژی حلقه‌ای با تعداد زیادی گره یا دستگاه، از تعدادی ریپیتر (تقویت‌کننده) استفاده می‌شود، زیرا اگر کسی بخواهد داده‌ای را به گره پنجاهم در یک توپولوژی حلقه‌ای با 100 گره ارسال کند، داده باید از 49 گره عبور کند تا به گره پنجاهم برسد. بنابراین برای جلوگیری از بروز مشکل و از دست رفتن داده‌ها، از ریپیتر استفاده می‌شود.

در مدل حلقه‌ای، جریان داده‌ها در یک جهت انجام می‌شود، اما با داشتن 2 اتصال بین هر گره شبکه، می‌توان آن را دوطرفه کرد که به آن توپولوژی حلقه‌ای دوگانه (Dual Ring Topology) می‌گویند.

مزایا

• انتقال داده‌ها با سرعت بالا انجام می‌شود.
• احتمال برخورد داده‌ها در این توپولوژی حداقل است.
• نصب و گسترش آن ارزان است.
• از توپولوژی ستاره‌ای ارزان‌تر است.

معایب

• خرابی یک گره می‌تواند موجب از کار افتادن کل شبکه شود.
• عیب‌یابی در آن دشوار است.
• افزودن دستگاه جدید و یا حذف آن می‌تواند کل توپولوژی را مختل کند.
• امنیت کمتری دارد.

توپولوژی ستاره‌ای

در توپولوژی ستاره‌ای، هر گره یا دستگاه از طریق یک کابل به گره مرکزی متصل می‌شود. در حقیقت، بین هر دستگاه با گره مرکزی، اتصال نقطه به نقطه برقرار می‌شود. در اینجا، گره مرکزی که به عنوان سرور عمل می‌کند، می‌تواند روتر، سوئیچ یا هاب باشد.

در این نوع شبکه، برای اتصال کامپیوترها به گره مرکزی از کابل‌های کواکسیال یا کابل‌های RJ-45 استفاده می‌شود. البته توپولوژی ستاره‌ای با سیستم وایرلس (بی‌سیم) نیز سازگار است.

مزایا

• اگر N دستگاه در یک توپولوژی ستاره‌ای به هم متصل باشند، تعداد کابل‌های مورد نیاز برای اتصال آن‌ها برابر با N است، بنابراین راه‌اندازی آن آسان است.
• هر دستگاه تنها به یک پورت نیاز دارد تا به گره مرکزی متصل شود، بنابراین تعداد کل پورت‌های مورد نیاز برابر با N است.
• مقاوم است. اگر یک لینک خراب شود، فقط همان لینک تحت تاثیر قرار می‌گیرد و روی بقیه لینک‌ها اثری نمی‌گذارد.
• شناسایی و جداسازی مشکلات به راحتی انجام می‌شود.
• توپولوژی ستاره‌ای می‌تواند از کابل کواکسیال ارزان قیمت استفاده کند.

معایب

• اگر هاب یا روتر که تمام توپولوژی به آن وابسته است خراب شود، کل سیستم از کار می‌افتد.
• هزینه نصب بالا است.
• عملکرد سیستم وابسته به روتر یا هاب است.
• شبکه‌های ستاره‌ای معمولا کوچک هستند.

توپولوژی درختی

توپولوژی درختی یک نوع تغییر یافته از توپولوژی ستاره‌ای است که در آن، جریان داده‌ها به صورت سلسله‌مراتبی انجام می‌شود و یادآور درخت و شاخ و برگ‌های آن است. در این مدل، گره‌های ثانویه به گره مرکزی متصل می‌شوند که شامل ریپیتر (تقویت کننده سیگنال) است. جریان داده‌ها از بالا به پایین، یعنی از گره مرکزی به گره‌های ثانویه و سپس به دستگاه‌ها و یا از پایین به بالا یعنی برعکس این مسیر انجام می‌شود.

این توپولوژی که با سیستم وایرلس هم سازگار است، غیرمقاوم است، زیرا اگر بخش اصلی (backbone) آن از کار بیفتد، کل شبکه خراب می‌شود.

مزایا

• این توپولوژی امکان اتصال دستگاه‌های بیشتری به گره مرکزی را می‌دهد، که این باعث کاهش فاصله‌ای می‌شود که سیگنال باید برای رسیدن به دستگاه‌ها طی کند.
• امکان ایزوله کردن شبکه و اولویت‌بندی کامپیوترهای مختلف وجود دارد.
• می‌توان دستگاه‌های جدیدی را به شبکه موجود اضافه کرد.
• مدیریت سیستم و تشخیص و اصلاح خطاها در توپولوژی درختی آسان است.

معایب

• اگر گره مرکزی خراب شود، کل سیستم از کار می‌افتد.
• هزینه نصب به دلیل نیاز به کابل‌کشی، بالا است.
• اگر دستگاه‌های جدید به شبکه اضافه شوند، پیکربندی مجدد آن دشوار می‌شود.

یک مثال رایج از توپولوژی درختی، سلسله‌مراتب در یک سازمان بزرگ است. در بالای درخت، مدیرعامل (CEO) قرار دارد که به بخش‌ها یا دپارتمان‌های مختلف شرکت (گره‌های فرزند) متصل است. هر بخش نیز سلسله‌مراتب خودش را دارد، به طوری که مدیران مختلف هر بخش، تیم‌ها (گره‌های نوه) را مدیریت می‌کنند. اعضای تیم‌ها در پایین سلسله‌مراتب قرار دارند که به مدیران و دپارتمان‌های مربوطه خود متصل هستند.

توپولوژی مش

یک شبکه غیرمتمرکز است که دستگاه‌ها در آن به جای اتصال به یک هاب یا سوئیچ مرکزی، به طور مستقیم به بقیه دستگاه‌ها متصل می‌شوند و یک شبکه توری مانند را درست می‌کنند.

فرض کنید تعداد N دستگاه در توپولوژی مش به یکدیگر متصل شده‌اند. تعداد کل پورت‌هایی که هر دستگاه به آن نیاز دارد، N-1  است. به عنوان مثال، اگر 5 دستگاه به یکدیگر متصل شده‌ باشند، تعداد پورت‌های مورد نیاز برای هر دستگاه 4 تا است.

البته توپولوژی مش، 2 نوع اصلی دارد: کامل و جزیی. در مدل کامل، همه دستگاه‌ها به هم وصل می‌شوند اما در مدل جزیی، چند دستگاه به هم متصل می‌شوند و بقیه، از طریق این دستگاه‌ها با هم ارتباط برقرار می‌کنند.

توپولوژی مش با سیستم وایرلس هم کار می‌کند.

مزایا

• ارتباط بسیار سریع است.
• مقاوم است.
• عیب‌یابی به راحتی انجام می‌شود. داده‌ها قابل اعتماد هستند، زیرا داده‌ها از طریق کانال‌ها یا لینک‌های اختصاصی بین دستگاه‌ها منتقل می‌شوند.
• امنیت و حریم خصوصی فراهم می‌شود.

معایب

• نصب و پیکربندی آن دشوار است.
• هزینه کابل‌ها زیاد است زیرا به سیم‌کشی زیادی نیاز دارد، بنابراین برای تعداد کم دستگاه‌ها مناسب است.
• هزینه نگهداری بالا است.

از این توپولوژی در سیستم‌های ارتباطی امدادی، نظامی و سیستم‌های ناوبری هواپیما نیز استفاده می‌شود.

توپولوژی ترکیبی یا هیبریدی

این مدل با ترکیب 2 یا چند نوع از توپولوژی‌های دیگر ساخته می‌شود و طراحی شده تا نقاط قوت را تقویت کند و نقاط ضعف را به حداقل برساند. معمولا وقتی از توپولوژی ترکیبی استفاده می‌شود که امکانات یک توپولوژی خاص، به تنهایی جوابگوی نیازهای شما نیست. برای نمونه، اگر لازم شود تعداد زیادی گره یا دستگاه به شبکه موجود اضافه شود، یا اگر نیاز است بخشی از شبکه برای کارکرد بهتر، با توپولوژی متفاوتی پیاده و اجرا شود، آن وقت می‌توانید به مدل ترکیبی فکر کنید.

توپولوژی ترکیبی به طور خاص، مناسب مجموعه‌های بزرگ است. بسیاری از شبکه‌های وایرلس مدرن، از مدل هیبریدی استفاده می‌کنند.

مزایا

• بسیار انعطاف‌پذیر است.
• اگر یک بخش از شبکه خراب شود، روی بقیه قسمت‌ها اثر نمی‌گذارد.
• اندازه شبکه به راحتی با افزودن دستگاه‌های جدید قابل گسترش است.

معایب

• طراحی شبکه هیبریدی چالش‌برانگیز است.
• هاب‌هایی که در این توپولوژی استفاده می‌شوند، گران هستند.
• هزینه زیرساخت بالا است، زیرا یک شبکه هیبریدی به مقدار زیادی کابل و تجهیزات شبکه نیاز دارد.

توپولوژی فیزیکی و منطقی

توپولوژی فیزیکی به چیدمان اجزای سخت‌افزاری در شبکه مربوط است، یعنی دستگاه‌ها و اتصالات میان آن‌ها چگونه قرار گرفته‌اند. برای نمونه، ممکن است اجزای شبکه بر اساس توپولوژی خطی، ستاره‌ای یا درختی چیده شده باشند.

در مقابل، توپولوژی منطقی به نحوه جریان داده در شبکه اشاره دارد و این که داده‌ها فارغ از چیدمان فیزیکی، چگونه از یک دستگاه به دستگاه دیگر منتقل می‌شوند.

به عبارت دیگر، توپولوژی منطقی مسیرهای منطقی جریان داده را مشخص می‌کند که ممکن است با اتصالات فیزیکی متفاوت باشد. برای مثال، ممکن است یک شبکه دارای توپولوژی فیزیکی ستاره‌ای باشد، اما داده‌ها به صورت منطقی در یک توپولوژی خطی جریان یابند.

فهم هر دو نوع توپولوژی برای طراحی شبکه، بهینه‌سازی جریان داده‌ها و راحت‌تر شدن عیب‌یابی ضروری است.