شرح أنواع شبكات الحاسوب ومبدئ عملها
ما هي شبكة الحاسوب؟
تعرف
شبكة الحاسوب على أنها مجموعة حواسيب وطرفيات تتصل جميعاً ببعضها البعض، باستخدام مكونات
مادية وبرمجيات ضمن قواعد وشروط محددة بحيث تصبح عناصر الشبكة قادرة على تبادل المعلومات.
فوائد وأهداف شبكات الحاسوب
تهدف
الشبكات في الحاسوب الى تحقيق عدة أهداف منها:
1. المشاركة في المصادر
تمكن
الشبكات الحواسيب من المشاركة في المصادر المادية (كالطابعات وأجهزة المسح الضوئي)
والمصادر البرمجية (كالبرامج والملفات).
2. نقل المعلومات بسرعة وكفاءة
تنقل
المعلومات بين الحواسيب غير المتصلة بعضها ببعض يدويا باستخدام الأقراص المرنة أو الأقراص
القابلة للإزالة وهذه العملية تستغرق وقتا وجهدا كبيرين كما ينتج عن عملية النقل هذه
نسخ عديدة من البيانات نفسها.
في الحواسيب
المتصلة، تنتقل المعلومات بسرعة كبيرة عبر الوسط الناقل كما أن أي تغيير يجرى على المعلومات
في مكان ما يمكن ملاحظته بسرعة لدى جميع عناصر الشبكة وهو أمر مهم جداً في كثير من
التطبيقات في البنوك وشركات الطيران وغيرها.
3. تحكم مركزي في المعلومات، الملفات والبرامج
تخزن
الملفات عادة في الشبكة على جهاز مركزي، مما يسهل عملية إدارة الملفات، والحفاظ عليها،
ويمنع وجود نسخ متباينة منها، والجهاز المركزي مسؤول عن السماح للأجهزة الأخرى الموصولة
مع الشبكة بحق الوصول إليها أو عدمه. يتم تركيب البرامج عادة على جهاز مركزي واحد،
وتتشارك أجهزة الشبكة المختلفة في هذه البرامج، مما يوفر الوقت والجهد.
تمكن
الشبكات من التحكم بأمن المعلومات والأجهزة بطريقة مركزية، من خلال تحديد صلاحيات الأفراد
في الوصول إلى المعلومات والمصادر.
4. خدمات الإنترنت
إن الانتشار
الواسع لشبكات الحاسوب قد أدى إلى ظهور الإنترنت التي توفر خدمات عدة، مثل: البريد
الإلكتروني، والتعليم الإلكتروني، والتجارة الإلكترونية وغيرها، والتي يمكن فقط للحواسيب
المتصلة بشبكة الإنترنت الاستفادة منها.
مثال: لديك مختبر مكون من 10 أجهزة وطابعة،
تتم عملية الطباعة في حال اتصال الأجهزة ضمن تلك الشبكة. وفي حالة عدم اتصالها، لن
تستطيع تلك الحواسيب من الولوج الى تلك الطابعة.
مكونات شبكة الحاسوب
هنالك خمس مكونات أساسية تتكون منها
شبكة الحاسوب وهي على النحو التالي:
1- حواسيب Computers
قد تكون شخصية (PC)، خادمة (Server)، أو جيبيه (Pocket)، يضاف إلى الشبكة طابعات أو أجهزة مسح ضوئي أو أجهزة اخرى مهيأة للاتصال
الشبكي وذلك حسب الحاجة.
2- أجهزة شبكة Network Devices
تستخدم في توجيه المعلومات من مكان إلى
آخر عبر الشبكة ومن هذه الأجهزة: كرت واجهة الشبكة NIC، والموزع المركزي Central Switch، والمفتاح، والموجه Router.
3- وسط ناقل للبيانات Media
يصل بين عناصر الشبكة المختلفة، وقد يكون
الوسط الناقل سلكيا (اسلاك نحاسية، أو الياف ضوئية) أو لاسلكيا باستخدام الطيف الكهرومغناطيسي.
4- برامج Programs
وتشمل:
أ-انظمة تشغيل الشبكة، مثل: UNIX, Windows server 2003, Windows server 2012, Windows server 2016,
Windows server 2019.
ب- تطبيقات شبكة (Network Applications)، مثل: برامج البريد
الالكتروني، متصفحات الانترنت، وغيرها.
5- بروتوكولات Protocols
وهي بشكل عام مجموعة قواعد واجراءات
لتنظيم عملية نقل المعلومات داخل الشبكة.
تصنيف شبكات الحاسوب
تصنف شبكات الحاسوب حسب معايير عدة،
منها: المساحة الجغرافية التي تغطيها، وحق وصول المستخدمين لخدمات الشبكة،
والعلاقة بين الأجهزة داخل الشبكة، والتقنية المستخدمة في الشبكة، وهيكلية الشبكة.
وسنقوم بتفصيل هذه التصنيفات فيما يأتي:
أولاً: التصنيف حسب المساحة الجغرافية، منها:
شبكة محلية (Local Area Network-LAN)
تصل الحواسيب داخل منطقة جغرافية صغيرة، (غرفة،
طابق في بناية، أو مدرسة كاملة)، ويتميز هذا النوع من الشبكات بعدم استخدام معدات
شركات الاتصالات في عملية وصل عناصر الشبكة.
شبكة ممتدة واسعة Wide Area Network (WAN)
تصل مجموعة من الشبكات الذي تفصل
بينها مسافات كبيرة نسبياً، وتستخدم البنية التحتية لشركات الاتصالات لربط الشبكات
بعضها ببعض.
مثال: تعتبر الشبكة التي تربط بين
شبكتين تابعتين للشركة نفسها في دولتين مختلفتين شبكة ممتدة.
شبكة الانترنت (Internet)
هي شبكة حاسوب عملاقة على المستوى
العالمي، مكونة من عدد هائل من الشبكات موصولة معاً بواسطة البنية التحتية لشركات
الاتصالات. يمكن لأي شخص استخدام كثير من الخدمات التي توفرها الشبكة من خلال أي
حاسوب متصل بالإنترنت.
ثانياً: التصنيف حسب حق الوصول إلى خدمات الشبكة
شبكة الاستخدام الداخلي
الانترنت (Intranet)
شبكة حاسوب خاصة لشركة أو مؤسسة،
ويكون استخدامها مقتصراً على أفراد المؤسسة التي تملكها، ولا يستطيع أي فرد من
خارج المؤسسة استخدامها، ويهدف هذا الترتيب إلى حماية الشبكة من وصول أشخاص غير
مخولين اليها.
شبكة الاستخدام الخارجي الاكسترانت (Extranet)
شبكة خاصة لمؤسسة، تقوم بإتاحة الفرصة
أمام مستخدمين معينين من خارج المؤسسة، والمتواجدين في أماكن بعيدة عن المؤسسة، من
الاستفادة من خدمات معينة توفرها الشبكة.
ثالثاً: التصنيف حسب العلاقة بين الأجهزة
شبكة الند للند (Peer-to-Peer)
تكون جميع حواسيب الشبكة متساوية في
المرتبة، ولا يتحكم أحدها في الاخر، وتعمل معا لإنجاز الاعمال، وتتولى برامج
مناسبة تنظيم العلاقة بين الحواسيب. يستطيع المستخدم من خلال اي حاسوب متصل
بالشبكة الوصول إلى معلومات، واستخدام مصادر الحاسوب الاخر، إذا اعطي الصلاحيات.
هذا النوع مناسب للشبكات الصغيرة التي تحتوي على عشرة أجهزة أو اقل، والشبكات التي
لا تحتوي على معلومات ذات درجة عالية من السرية، مثل الشبكة البيتية. والشكل
التالي يوضح مبدأ عمل شبكة الند
للند
شبكة الزبون-الخادم (Client-Server)
يتميز هذا النوع من الشبكات بوجود
جهاز حاسوب أو أكثر تعمل كخادمات (مزودات للمعلومات) فيها، اضافة إلى عدد من
الحواسيب التي تعمل كزبائن (مستخدمات للمعلومات). يقدم الخادم خدمات متعددة
للزبائن، مثل: ادارة الملفات، والطابعات، والبريد الالكتروني، والصفحات
الالكترونية. توجد هذه الشبكات في المؤسسات الكبيرة. قد يحتاج الخادم إلى ادارة من
شخص مختص. والشكل التالي يوضح مبدأ عمل شبكة الزبون - الخادم
رابعاً: التصنيف حسب التقنية (Technology)
لقد قامت شركات شبكات الحاسوب، بالتعاون
مع المؤسسات الدولية المسؤولة عن وضع المعايير في هذا المجال في تطوير النماذج
لشبكات الحاسوب، ذات مواصفات محددة، وتسويقها تجاريا. تختلف هذه النماذج في امور
عدة منها: الوسط الناقل، وتركيب الرسالة، وطريقة عنونة الرسالة، والسرعة، والاداة،
والتكلفة.
أطلق على هذه النماذج اسم تقنيات
الشبكات، ومنها تقنية الايثرنت وهي الاكثر شيوعا في مجال الشبكات المحلية حالياً.
تستخدم تقنية الايثرنت هيكلية النجمة أو الهيكلية الخطية، وتنقل البيانات بسرعةMbps 10 للإيثرنت العادية، أوMbps 100 للإيثرنت السريعة، أو
1Gbpsللجيجابايت
ايثرنت.
هناك تقنيات أخرى، مثل: تقنية توكن
رنغ (Token Ring)،
وتقنية أف. دي. دي. اي FDDI (Fiber Distributed Data Interface).
خامساً: التصنيف حسب الهيكلية (Topology)
هيكلية الشبكة هي بنية الشبكة أو
تركيبها. لكل شبكة حاسوب نوعان من الهيكلية: المنطقية، وتتعلق بطريقة تبادل
المعلومات بين عناصر الشبكة، والمادية، وتتعلق بطريقة وصل الأجهزة بعضها ببعض
باستخدام الوسط الناقل (الكوابل).
الهيكليات المادية (Physical Topologies)
يقصد بها الطرق التي توصل بها الاجزاء
المختلفة للشبكة معا باستخدام كوابل خاصة. تدخل عوامل كثيرة في تحديد اي من
الهيكليات المادية سوف يستخدم في بناء شبكة الحاسوب، ومن اهم الهيكليات المادية:
1- هيكلية نقطة إلى نقطة (Point-to-Point)
هي أبسط الهيكليات المادية، وفيها يتم
وصل جهازين معا بواسطة كابل، ويمكن استخدام هذه الطريقة لوصل حاسوبين أو جهازي
شبكة مثل موجهين أو مفتاحين ايضاً. لعلك تذكر من الصف التاسع في كتاب التكنولوجيا
طريقة وصل حاسوبين معا بواسطة كابل. والشكل التالي يوضح مبدأ عمل هيكلية نقطة إلى نقطة
2- الهيكلية الخطية (Bus)
يستخدم في هذه الهيكلية كابل فقاري
(رئيسي)، توصل اليه أجهزة الشبكة المختلفة بواسطة كوابل فرعية، ترسل المعلومات من
الحاسوب المرسل باتجاه الكابل الفقاري. والشكل التالي يوضح مبدأ عمل الهيكلية الخطية
تمتاز هذه الهيكلية بالأمور الآتية:
1- البساطة وسهولة التوسعة.
2- تستهلك كمية قليلة نسبياً من الكوابل، مما يقلل من التكلفة.
من مساوئ هذه الهيكلية الخطية ما
يأتي:
1- تتوقف الشبكة عن العمل بالكامل عند حدوث قطع (عطب) في الكابل الرئيسي.
2- صعوبة تحديد مكان العطل في الشبكة، لوجود عدد من نقاط التجميع فيها.
ان نقطة التجميع عبارة عن مكان ربط الكابل القادم من جهاز في الشبكة بالكابل
الرئيسي لها.
3- هيكلية النجمة (Star)
تتميز هذه الهيكلية بوجود جهاز مركزي. يتم وصل كل من عناصر الشبكة مع هذا
الجهاز بواسطة كابل خاص. إن هذه الهيكلية هي الاكثر استخداما في الوقت الحالي. والشكل
التالي يوضح مبدأ عمل هيكلية النجمة
هنالك عدة ميزات لهذه الهيكلية، أهمها:
1- عطل أحد الحواسيب لا يعطل عمل الشبكة.
2- عطل أحد الكوابل يؤدي إلى تعطل الجهاز المتصل به، ولا يعطل الشبكة
بالكامل.
3- يمثل الجهاز المركزي نقطة
تحكم واحدة، ويتم من خلالها التحكم في الشبكة وادارتها.
4- سهولة توسيع الشبكة، فكل ما نحتاج اليه لإضافة حاسوب جديد، هو وصله
بواسطة كابل إلى جهاز التوزيع المركزي.
ومن مساوئ هذه الهيكلية، الاتي:
1- تحتاج إلى كمية أكبر من الكوابل، مقارنة بالهيكلية الخطية وهيكلية
الحلقة التي سنأتي على شرحها لاحقا، لأن كل جهاز يحتاج إلى كابل خاص به لوصله إلى
الموزع المركزي.
2- تعطل الجهاز المركزي يؤدي إلى تعطل الشبكة بالكامل.
3- الحاجة إلى جهاز مركزي يرفع من تكلفة هذه الهيكلية.
4- عدد منافذ الجهاز المركزي محدودة، وهذا يستدعي استبداله أو ربطه
بجهاز مركزي آخر عند زيادة عدد الأجهزة التي ستوصل اليه عن طاقته الاستيعابية.
4- هيكلية الحلقة (Ring)
في هذه الهيكلية يتصل كل جهاز مع الذي
يليه بواسطة كابل، ويتصل الجهاز الاخير مع الجهاز الأول لتشكيل حلقة. يقوم الجهاز
المرسل بإرسال البيانات إلى الحاسوب الذي يليه في الحلقة، الذي بدوره يقوي هذه
الاشارة، ويمررها إلى الجهاز التالي، وهكذا، حتى تصل إلى الجهاز الهدف. ومن خصائص
هذه الهيكلية:
1- تحتاج إلى كمية اقل من الكابلات مقارنة مع هيكلية النجمة.
2- في حالة حصول قطع في الكابل الذي يشكل الحلقة، سوف تتوقف الشبكة عن
العمل بشكل كامل.
قد تكون هيكلية الحلقة مفردة (Single Ring)، أو قد تكون مزدوجة (Dual Ring) حيث تشمل حلقة ثانية
تتصل بها جميع الأجهزة. في هيكلية الحلقة المزدوجة تستخدم حلقة واحدة فقط في عملية
نقل البيانات في آن واحد، وتستخدم الحلقة الاخرى احتياطا في حالة حدوث عطل في الأولى.
والشكل التالي يوضح مبدأ عمل هيكلية
الحلقة المفردة والمزدوجة
5- الهيكلية التامة (Mesh)
يتصل كل جهاز مباشرة مع كل من أجهزة الشبكة
الاخرى. تتميز هذه الهيكلية بوجود مسار مباشر واحد، وأكثر من مسار غير مباشر بين أي
جهازين. يمكن للبيانات ان تسلك أياً من هذه المسارات مما يكسب هذه الشبكة خاصية مقاومة
الأعطال. ولهذا تستخدم مثلاً في نظام التحكم في المصانع والمعامل الذرية. والشكل
التالي يوضح مبدأ عمل الهيكلة
التامة
من مساوئ هذه العملية أنها معقدة،
وتزداد تعقيداً كل ما زاد عدد الحواسيب في الشبكة، كما أنها تحتاج إلى كمية كبيرة
من الكوابل مما يرفع من تكلفتها.
6- الهيكلية الهجين (Hybrid)
ينتج هذا النوع من الهيكليات عندما
تستخدم أكثر من هيكلية واحدة في بناء شبكة حاسوب واحدة. والشكل التالي يوضح مبدأ عمل الهيكلية الهجين وطريق دمج
الشبكات المتعددة مع بعضها البعض
الهيكلية المنطقية (Logical Topology)
الهيكلية المنطقية هي الطريقة التي
تتبادل بها عناصر الشبكة المعلومات، من أهم انواعها:
1- هيكلية البث (Broadcasting)
يقوم الحاسب الذي يرغب في الارسال عبر
الشبكة بالتنصت على الوسط الناقل. عند خلوه (كون الوسط غير مستخدم) يبث الحاسوب
الرسالة، لتراها جميع أجهزة الشبكة الأخرى، على أن يلتقطها فقط الحاسوب المعنونة
إليه. هناك نوعان من هذه الهيكلية:
أ- هيكلية البث باستخدام آلية الكشف عن التصادم (CSMA/CD)
يقوم الحاسوب الذي يرغب في إرسال
بيانات بالتنصت على الوسط الناقل إلى حين كونه غير مستخدم، عندئذ يبث الحاسوب
الرسالة.
يحدث أحياناً أن يبدأ أكثر من حاسوب
في الإرسال عبر الوسط الناقل في الوقت ذاته، مما يؤدي إلى حدوث تصادم (Collision) أي تداخل في الإشارات
التي تمثل الرسائل، ويصبح محتوى الرسائل غير مفهوم لأي من حواسيب الشبكة كما في
الشكل الذي في الأسفل
عند حدوث التصادم تتوقف كل من الحواسيب
التي أسهمت في التصادم عن بث رسائلها ولمدة عشوائية، قبل محاولته البث من جديد.
لاحظ أن الزمن الذي تستغرقه الرسالة في الوصول إلى وجهتها، لا يمكن تقديره مسبقاً
بسبب التصادم.
ب- هيكلية البث باستخدام آلية تجنب التصادم (CSMA/CD)
تختلف هذه الهيكلية عن سابقتها في أن
الجهاز المرسل يبث رسالة تحذير، ومضمونها أنه سوف يقوم ببث رسالة بيانات فعلية عبر
الشبكة. عندما تستلم الأجهزة الأخرى رسالة التحذير تتوقف عن محاولة البث، مما يؤدي
إلى تجنب كل التصادمات. أحد مساوئ هذه الطريقة، ازدياد حركة سير الرسائل في الوسط
الناقل، بسبب رسائل التحذير.
2- هيكلية تمرير التأشيرة (Token Passing)
التأشيرة (Token)
هي قطعة خاصة من البيانات تنتقل بين كل أجهزة الشبكة باستمرار.
يمكن فقط للجهاز الذي لديه التأشيرة أن يقوم بالإرسال عبر الشبكة. يقوم الجهاز
المرسل بتضمين البيانات التي يرغب في إرسالها في التأشيرة، فينتج عن ذلك وحدة
بيانات جديدة تسمى إطاراً. يرسل الإطار عبر الوسط الناقل من جهاز إلى الذي يليه،
حتى يصل إلى المستقبل. يفحص الجهاز المستقبل الإطار للتأكد من خلوه من الأخطاء،
ويأخذ نسخة عنه، ثم يعيد إرساله عبر الوسط الناقل، فيصل إلى الجهاز المرسل الذي
يزيله من الوسط الناقل ويرسل تأشيرة جديدة. والجهاز الذي لا يرغب في الإرسال يقوم
بتمرير التأشيرة إلى الجهاز الذي يليه في الشبكة.
مما سبق، يمكن القول إن الأجهزة لا تتنافس
على حق استخدام الوسط الناقل في هذه الهيكلية، بل يأخذ كل جهاز دوره في الإرسال
عندما تكون التأشيرة بحوزته، الأمر الذي يمنع حدوث تصادمات بين الرسائل، وهذا
يُمكّن من التقدير الذي تستغرقه أي رسالة في الوصول إلى وجهتها.
3.هيكلية أولوية الطلب (Demand Priority)
في هذه الهيكلية هناك جهاز مركزي،
يقوم بالتحكم في عملية تبادل الرسائل بين أجهزة الشبكة المختلفة وتنظيمها، ويمنع
التصادم، كالآتي:
1- إذا رغب جهاز في الإرسال يتقدم بطلب إلى الجهاز المركزي الذي يعطي
قراره بالسماح أو عدم السماح بإرسال البيانات بناء عبى وضع الشبكة، وأولوية تحددها
نوعية البيانات.
2- إذا تقدم أكثر من جهاز في آن واحد بطلبات إلى الجهاز المركزي لإرسال
رسائل يسمح الجهاز المركزي بنقل المعلومات ذات الأولوية الأعلى، أما في حال تساوي
الأولويات يسمح الجهاز المركزي للأجهزة بالتناوب في الإرسال.
3- يستقبل الجهاز المركزي الرسالة من الجهاز المرسل، ويوجهها إلى المنفذ
المتصل بالجهاز المستقبل فقط.