تا چند سال قبل ، طراحی شبکه های کامپیوتری ، هنری مرموز و پیچیده بود .
هر سازنده سیستم های کامپیوتری برای شبکه اش معماری خاص خود را داشت و هیچ کدام از این معماری ها با یکدیگر سازگاری نداشتند ، ولی امروزه وضعیت به کلی با گذشته متفاوت است .
تقریباً کلیه دست اندرکاران صنایع مرتبط با کامپیوتر ، روی مجموعه ای از استانداردهای بین المللی برای تشریح شبکه های کامپیوتری به توافق رسیده اند .
این استاندارد ها تحت عنوان مدل مرجع اُاِس آی شناخته می شوند .
در آینده نزدیک ، تقریباً تمامی معماری های دیگر برای شبکه ها ناپدید خواهند شد و کامپیوتر های سازنده به سادگی خواهند توانست با کامپیوتر های سازنده دیگر ارتباط برقرار کنند و بدین ترتیب به کارگیری شبکه ها بیش از پیش عمومیت خواهد یافت .
معرفی
سه قرن گذشته هر کدام تحت تسلط یک تکنولوژی بوده است قرن هجدهم قرن سیستم های مکانیکی بود که انقلاب صنعتی را به همراه آورد و قرن نوزدهم دوران موتورهای بخار بود در قرن بیستم تکنولوژی مسلط ،تکنولوژی جمع آوری ،پردازش و توزیع اطلاعات بوده است.همراه با دیگر تغییرات شاهد نسب شبکه های جهانی تلفنی اختراع رادیو و تلویزیون،تولد و رشد بی سابقه صنعت کامپیوتر و پرتاب ماهواره های مخابراتی بوده ایم .
همان گونه که به سالهای پایانی این قرن نزدیک می شویم تفاوت های بین جمع آوری ،انتقال ،ذخیره سازی و پردازش اطلاعات از بین می روند .و این امور به سرعت به یکدیگر نزدیک می شود .سازمانهایی به صدها دفتر که در مناطق جغرافیایی پراکنده ای قرار گرفته اند توقع دارند که اطلاعات مربوط به وضعیت دورترین دفاتر خود را با فشار تکمه دریافت کنند به موازات ازدیاد توان ما در جمع آوری،پردازش و توزیع اطلاعات و تقاضا برای پردازش پیچیده تر اطلاعات با سرعت بیشتری افزایش می یابد.
هر چند صنعت کامپیوتر در مقایسه با دیگر صنایع (مانند صنایع اتومبیل و یا حمل و نقل هوایی )صنعت جوانی است اما در زمانی کوتاه پیشرفت خیره کنند های داشته ای است دردو دهه اول پیدایش سیستم های کامپیوتری ،این سیستم ها بسیار متمرکز بوده اند و اغلب در یک اطاق بزرگ قرار داشتند معمولا این اطاق دیوارهایی شیششه ای داشت تا بینندگان بخوبی از هیبت الکترونیکی دستگاهها حظ بصر ببرند یک دانشگاه یا شرکت متوسط ممکن بود یک یا دو دستگاه کامپیوتر داشته باشد در حالی که این تعداد در سازمانهای بزرگتر به حداکثر چندین دستگاه می رسید در آن زمان این فکر که طی بیست سال آینده کامپیوتر هایی با همان توان به اندازه ای کوچک تر از یک تمبر پستی به شکل انبوه میلیونی ساخته خواهد شد.از مقوله افسانه های علمی تخیلی بود.نزدیکی بین کامپیوتر و ارتباطات آثار عمیقی بر چگونگی سازماندهی کامپیوترها داشته است.
ساختار شبکه
در اینجا توجه خود را از تأثیرات اجتماعی شبکه های کامپیوتری به مسائل فنی درگیر در طراحی یک شبکه معطوف می کنیم در هر شبکه مجموعه ای از ماشینها برای اجرای برنامه های کاربران وجود دارند .ما با استفاده از واژه های به کاربرده شده در اولین شبکه اساسی و مهم یعنی آرپانت این ماشینها را میزبان می نامیم واژه سیستم انتهایی نیز در مواقعی به همین منظور به کار برده می شوند میزبان ها از طریق زیر شبکه ارتباطی که بهد اختصار زیر شبکه نامیده می شوند با یکدیگر در ارتباطند وظیفه یزر شبکه حمل پیامها بین میزبانها است همان طور که سیستم تلفن کلمات را از گوینده به شنونده حمل می کنند با جدا سازی امور کاملا مخابراتی شبکه(زیر شبکه) از امور کاربردی آن (میزبان)طراحی کامل شبکه بسیار آسانتر می شود.
در اکثر شبکه های منطقه ای زیر شبکه شامل دو جزء متمایز است خطوط انتقال و عناصر راه گزینی خطوط انتقال که آنها را مدارات ،کانالها یا شاه سیمها نیز می نامند بیت های اطلاعاتی را بین مکیزبانها انتقال می دهد .
عناصر راه گزینی کامپیوتر های خاص منظور برای اتصال دو یاچند خط انتقال هستند هنگام دریافت داده بر روی یکی از خطوط ورودی عنصر راه گزینی باید خط خروجی لازم برای انتقال آنرا تعیین کند .دوباره با پیروی از واژه شناسی بکار رفته در آرکانت عناصر راه گزینی را پردازنده های واسط پیام(آی.ام.پی)خواهیم نامید اگر چه عبارت گره راه گزین بسته سیستم میانی و یا مرکز راه گزینی داده نیز متداول اند .متاسفانه توافقی بر روی واژه شناسی در این مورد وجود ندارد و هر نویسنده از یک نام متفاوت استفاده می کند واژه آی ام پی احتمالا به اندازه واژههای دیگر مناسب است در این مدل که در شکل 1-2 نشان داده شده است هر میزبان به یک (و گاهی چند) پردازنده واسط متصل می شود.کلیه ترافیک ورودی به هر میزبان یا خروجی از آن از طریق پردازنده واسط متصل به آن میزبان هدایت می شود.
معماریهای شبکه
شبکه های کامپیوتری نوین به شکلی بسیار ساخت یافته طراحی می شوند .
سلسله مراتب پروتکل ها
برای کاهش پیچیدگی طراحی اکثر شبکه هابه شکل مجموعه ای از لایه ها یا
سطوح سازمان بندی می شوند که در آنها هر لایه بر روی لایه دیگر قرار گرفته
است تعداد لایه ها نام هر لایه محتویات و وظایف هر لایه از یک شبکه به شبک
دیگر متفاوت است با این همه در تمامی شبکه ها هدف هر لایه ارائه خدمات
مشخصی به لایه بالاتر است به گونه ای که لایه بالاتر مستقل از جزئیات ،پیاده
سازی ،خدمات ارائه شده به آن باشد.
لایه n ام در یک ماشین متصل به شبکه با لایه n ام ماشین دیگر محاوره می
کند مجموع قواعد و قرار دادهای بکار برده شده در این محاوره را پروتکل لایه n
می نامند در شکل 1 پروتکل های شبکه هفت لایه ای نشان داده شده است به نهادهایی که لایه های یکسان در ماشین های مختلف را تشکیل می دهند فرایندهای هم تا می گویند به عبارت دیگر این فراتیندهایی همتا هستند کگه با استفاده از پروتکل محاوره می کنند در واقع هیچ داده ای به طور مستقیم از لایه n ام یک ماشین به لایه n ام کاشین دیگر منتقل نمی شود بجای آن هر لایه داده و اطلاعات کنترلی مربوط را به لایه زیری خود انتقال می دهد این امر ادامه می یابد تا به پائین ترین لایه برسیم در زیر لایه یک رسانه فیزیکی قرار دارد که از طریق آن ارتباط واقعی انجام می پذیرد در شکل 1 ارتباطات مجازی با خط چین و ارتباطات واقعی با خطوط پیوسته نشان داده شده است .
لایه n ام در یک ماشین متصل به شبکه با لایه n ام ماشین دیگر محاوره می کند مجموع قواعد و قرار دادهای بکار برده شده در این محاوره را پروتکل لایه n می نامند در شکل 1 پروتکل های شبکه هفت لایه ای نشان داده شده است به نهادهایی که لایه های یکسان در ماشین های مختلف را تشکیل می دهند فرایندهای هم تا می گویند به عبارت دیگر این فراتیندهایی همتا هستند کگه با استفاده از پروتکل محاوره می کنند در واقع هیچ داده ای به طور مستقیم از لایه n ام یک ماشین به لایه n ام کاشین دیگر منتقل نمی شود بجای آن هر لایه داده و اطلاعات کنترلی مربوط را به لایه زیری خود انتقال می دهد این امر ادامه می یابد تا به پائین ترین لایه برسیم در زیر لایه یک رسانه فیزیکی قرار دارد که از طریق آن ارتباط واقعی انجام می پذیرد در شکل 1 ارتباطات مجازی با خط چین و ارتباطات واقعی با خطوط پیوسته نشان داده شده است .
بین هر جفت از لایه های مجاور یک واسط قرار دارد این واسط عملیات و خدمات پایه ای که لایه زیرین به لایه بالایی ارائه می دهند را تعریف می کنند هنگامی که طراحان شبکه نسبت به تعداد لایه های لازم و خدمات هر یک از لایه ها تصمیم می گیرند یکی از مهمترین مسایلی که در ذهن دارند تعریف روشنی از واسط های لایه هاست .انجام این مهم نیاز بدان دارد که هر لایه مجموعه مشخصی از وظایف بخوبی قابل فهم را انجام دهد وجود واسطهای مجزا علاوه بر کاهش مقدار اطلاعات منتقل شده بین لایه ها این امکان را بوجود می آورد که پیاده سازی یک لایه را بتوان کاملا تغییر داد(مثلا کلیه خطوط تلفن را باکانالهای ماهوارهای جایگزین کرد)آنچه فقط بوسیله لایه جدید باید ارائه شود بطور دقیق همان خدماتی است که لایه زیرین قبلی به لایه مجاور بالاییخود ارائه می کرد .
مجموعه لایه ها و پروتکل ها را معماری شبکه می گویند .مشخصه های معماری باید حاوی اطلاعات کافی برای نوشتن برنامه ها و ساختن سخت افزار های هر لایه باشد به طوری که آن لایه بتواند به شکلی صحیح از پروتکل مربوط به خود اطاعت کند جزئیات پیاده سازی و مشخصه های واسط ها هیچ کدام بخشی از معماری شبکه نیستند چه اینها درون ماشین مخفی شده اند و از خارج قابل رؤیت نیستند حتی لزومی به اینکه تمامی واسط ها در ماشینهای یک شبکه مثل هم باشند نیز وجود ندارند البته هر ماشین باید بتواند از کلیه پروتکل ها استفاده صحیح کند.
شکل 1 – لایه ها ، پروتکل ها ، واسطه ها شاید یک مثال بتواند ارتباطات چند لایه ای را بهتر تفهیم کند .دو فیلسوف (فرایندهای همتا در لایه سوم)را تصور کنید که یکی از آنها در کنیا و دیگری در اندونزی است و می خواهد با هم ارتباط برقرار کند چون آندو هیچکدام زبان دیگری را درک نمی کنند هر یک مترجمی را استخدام می کنند (فرایندهای همتا در لایه دوم )مترجم ها نیز هر کدام ا یک مهندس برای مخابره پیام تماس می گیرند (فرایندهای همتا در لایه اول )فیلسوف اول می خواهد مراتب احترام خود را به همتای خود ابلاغ کند برای این منظور پیام خود را (به زبان سوواهیلی)از واسط 3/2 به مترجم خود می رساند تا با توجه به پروتکل لایه 2 به زبان متقابل ترجمه شود .آنگاه مترجم پیام را برای مخابره به مهندس خود می دهد تا براساس توافق های انجام گرفته بین دو مهندس پیام به یکی از وسیله های تلگراف ،تلفن ،شبکه کامپیوتری یا روش دیگری ارسال شود (پروتکل لایه 1)سپس پیام دریافت شده به زبان اندونزیایی از واسط3/2 عبور داده می شود و به فیلسوف دوم داده می شود.توجه داشته باشید که هر پروتکل تازمانی که واسط ها ثابت هستند کاملا مستقل از دیگر پروتکل ها است شاید مترجمان بخواهند ترجمه شان را به هلندی یا فرانسه انجام دهند تا زمانی که هر دو نسبت بدین امر توافق داشته باشند و واسط های خود با لایه های 1 یا3 را تغییر ندهند مشکلی به میان نخواهد آمد .
حال مثال فنی تری را در نظر می گیریم چگونه می توان بین لایه های بالایی شبکه هفت لایه ای شکل 2 ارتباط بر قرار کرد ؟پیامی بنام m بوسیله فرایندی در لایه 7 ایجاد می شوند پیام مذبور مطابق تعریف واسط لایه 7/6 از لایه 7 به لایه 6 منتقل می شود در این مثال لایه 6 پیام را به روش خاصی تغییر می دهد ( مثلا فشرده می سازد)و پیام جدید را که آنرا m می نامیم مخابره می کند این پیام از واسط 6/5 به لایه 5 منتقل می شود لایه 5در این مثال پیام را تغییر نمی دهد بلکه فقط جریان اطلاعات را در شبکه راتنظیم می کنند (مثلا از ورود پیام های به لایه 6 تا وقتی که آن لایه مشغول تحویل پیام هایش به لایه 5 است جلوگیری کند).
شکل 2 – مثالی از جریان اطلاعات بر اساس ارتباط مجازی در لایه 7 در بسیاری از شبکه ها محدودیتی برای اندازه پیام ارسال شده بوسیله لایه 4 وجود ندارد اما برای اندازه پیام ارسل شده بوسیله لایه 3 محدودیت اعمال می شود به همین دلیل لایه 4 باید پیام های دریافتی را به لایه های کوچکتر تقسیم کند و برای هر یک از آنها سرایند قرار دهد این سرایند شامل اطلاعات کنترلی شماره ترتیب و امکثال آن است تا لایه 4 در ماشین مقصد بتواند پیام را به شکل یکجا شناسائی کند در بسیاری از لایه های سرایند ها شامل اندازه،زمان ،و دیگر مؤلفه های کنترلی نیز هستند.
لایه 3 تصمیم می گیرد که از چه خط خروجی استفاده کند آنگاه سرایندهای لازم برای خود را ایجاد و به داده دریافت شده اضافه می کند سپس آنرا به لایه 2 می فرستد لایه 2 غلاوه بر سایند های مورد نظر خود یک پسایند نیز به داده دریافتی اضافه می کند سپس داده حاصل را به داده اول برای انتقال فیزیکی می دهد در ماشین دریافت کننده پیام رسیده