أساسيات شبكات الحواسيب

سنناقش في هذا الدرس أساسيات شبكات الحواسيب، وسنشرح قائمة المكونات الشائعة للشبكات الصغيرة الاعتيادية ونرى كيف نضعها في «مخططات شبكيّة» (network diagrams)؛ ستتضمّن هذه المخططات مختلف أنواع الشبكات وسنقارنها بمختلف طرق التوصيل الفيزيائية والمنطقيّة مثل طريقة التوصيل الحلقية والنجميّة. كل ما يهم في الشبكة هو نقل التطبيقات، لذا سنشرح مختلف الطرق للاتصال بالإنترنت لكي نصبح موزِّعين لهذه التطبيقات.

ما هي الشبكة؟ أساسيات الشبكة

أول سؤالٍ فلسفي اليوم هو: ما هي الشبكة؟ حسنًا، الشبكة ما هي إلا مجموعة من الأجهزة المتصلة وفي نهاياتها عقدٌ وأنظمةٌ هدفها هو تبادل ومشاركة المعلومات.

تتألف الشبكة في الوقت الراهن من مجموعة من الأجهزة والنهايات الشبكيّة التي يمكن أن تكون أيّ شيء تقريبًا، ليس فقط الحواسيب والخواديم، لكن أيضًا الهواتف والهواتف المحمولة وأجهزة الأتمتة الصناعية التي تشترك الآن في تبادل المعلومات؛ هذا يعني أننا لا نتبادل فقط البيانات التقليدية على شكل ملفات، لكن نشارك أيضًا الصوت والفيديو والوسائط المتعددة. جزءٌ مهمٌ آخر هو مجال الشبكة، إذا تأمّلت في شبكة الإنترنت، فستجد أنَّ هنالك شبكات في كل مكان؛ يمكنك التفكير في مستخدم للهاتف المحمول يعمل من المنزل، حيث يستطيع الاتصال والدخول إلى الشبكة؛ تُكمَل الهيكلية مع الموظفين عن بعد، و المكاتب المنزلية، و المكاتب الفرعية، والمركز الرئيسي. أي أنَّ الإنترنت هي شبكة عامّة تصلنا جميعًا مع بعض.

المكونات الفيزيائية الشائعة للشبكة

تَتَّبِع شبكات اليوم هيكليةً تحاكي هيكلية تنظيم البشر؛ أي أنَّ لديك أناسًا يعيشون في منازل تشكِّل شوارعًا، التي بدورها تألِّف مدنًا، ثم تكوِّن دولًا ...إلخ. لديك أيضًا حواسيب تتصل داخليًا عبر مبدِّلات، التي بدورها تتصل داخليًا عبر موجِّهات؛ يمكنك النظر إلى الاتصال الفيزيائي بين تلك الأجهزة في الهيكلية، وستشاهد المكونات الرئيسية؛ صحيحٌ أنَّ الحواسيب نهاياتٌ شبكيةٌ؛ لكن لا تنسَ أنَّ الهواتف أيضًا هي نهاياتٌ شبكية، وكذلك أجهزة الأتمتة، وقريبًا ستكون آلة صنع القهوة نهايةً شبكيّةً؛ ستتصل تلك العقد الشبكية عبر مبدِّلات، التي توفِّر الوصل بالشبكة بالإضافة إلى التبديل «الذكي» للمعلومات؛ ستشاهد كبلات أو وسائط (media) سلكية أو لا سلكية لتجعل الأجهزة تتصل إلى المبدِّل؛ وستشاهد أيضًا مكونات لوصل مكونات مثل البطاقة الشبكية توفِّر الشبكة إلى النظام، وأيضًا «واصلات» (connecters) لوصل الوسائط بالبطاقات الشبكية؛ ستكون الموجهات موجودةً لوصل شبكة من المبدلات وتوفير أفضل طريق من شبكةٍ إلى أخرى.

فهم مخططات الشبكة

نستخدم مخططات الشبكة (network diagrams) عند تصميم وفهم واستكشاف أخطاء وتوثيق شبكاتنا؛ تحتوي هذه المخططات عادةً على أكبر قدرٍ من المعلومات دون جعلها فوضوية وعديمة الفائدة؛ يكون لديك عادةً أنواعٌ مختلفة من المخططات:

المخططات الفيزيائية (physical topologies) التي تحتوي على سبيل المثال على طرق الاتصال الفيزيائي بين الأجهزة والمعلومات في الطبقة الفيزيائية.
وستجد أيضًا مخططات منطقية تحتوي على أشياء مثل معلومات TCP/IP.
لكن يمكنك أيضًا الحصول على مخططات شبكيّة تتضمن طرق انتقال البيانات، ومعلومات الإدارة لأغراض استكشاف الأخطاء ...إلخ. ربما تود استخدام أيقونات وتسميات متناسقة لبناء مخططاتك؛ على سبيل المثال، سنمثِّل المبدِّلات بأيقونة ذاتُ أربعة أسهم؛ وتكون الموجهات عمومًا في هذا النوع من المخططات دائريةً وفيها أيضًا أربعة أسهم؛ يمكنك استخدام خط مستقيم للدلالة على اتصالات إيثرنت (Ethernet) وخطٌ منكسرٌ للاتصالات التسلسلية (serial connections)؛ ربما الأيقونة نفسها غير مهمة، لكن المهم هو استخدام أيقونات متشابهة للدلالة على وظائف متشابهة، واستخدام الأيقونة نفسها دومًا لهذا النوع من الأجهزة؛ فمثلًا «السحابة» في هذا المخطط لا تمثل يومًا ماطرًا أبدًا، بل هي مجرَّد شبكة خارج نطاق إدارتنا، وفيها سلسلة من الأجهزة لكها لا تهمنا مباشرةً؛ كل ما نريد تمثيله هو شبكة عملاقة؛ الحظ أيضًا استخدام النصوص لتعريف عناوين IP، والبطاقات الشبكيّة، وبروتوكولات الإدارة.

آلية عمل مشاركة الموارد وفوائدها

الشبكات موجودةٌ للسماح لنا بمشاركة المعلومات والموارد بكفاءة وبفعالية، ولزيادة إنتاجيتنا؛ ونعني بضمير الجمع «نا» في الجملة السابقة كلًا من الأفراد والمنظمات والبلدان وهلمّ جرًا؛ إذا أردنا مشاركة البيانات والتطبيقات -ونعني بالتطبيقات الطرق التقليدية لمشاركة الملفات أو الطباعة، بالإضافة إلى الوسائط المتعددة مثل الصوت والفيديو ...إلخ.- ونريد أيضًا أن نجعل الموارد مركزيّة لذا سنحتاج إلى أن يكون المورد متاحًا في مكانٍ واحد، دون الحاجة إلى إنشاء نسخ لعدِّة مستخدمين؛ وبهذا يمكننا أن نصل الكاميرات إلى الشبكة كأجهزة دخل ونشاركها بين عدِّة مستخدمين؛ وحتى أجهزة الإخراج مثل الطابعات أو التخزين الشبكي، أو حتى أجهزة النسخ الاحتياطي كي لا نحتاج إلى إنشاء نسخ احتياطية محلية على كل حاسوب، إذ نستطيع أخذ نسخٍ احتياطية عبر الشبكة ثم نشارك ذاك المورد بين مستخدمين عددين؛ يجب أن يجعلنا النظام الاقتصادي للتوسع أكثر إنتاجيةً ويسمح لنا أيضًا بتقليل التكاليف؛ ويجب أيضًا أن يسمح لنا بالتفكير بوضوح في خدمات الشبكة. لم يعد المكان الفيزيائي مهمًا، ويجب أن نقدر على الاتصال بالتخزين الشبكي إن كان مكانه الفيزيائي بجوارنا أو كان في الصين لكنه متاحٌ للاتصال عبر الشبكات العامة مثل الإنترنت.

أصبح عددٌ كبيرٌ من التطبيقات متوفرًا لنا، وبعضها شائع الاستخدام أيضًا، مثل البريد على شكل «Outlook»، أو حتى البريد «العام» مثل Yahoo!‎ أو Google. تسمح متصفحات الويب لنا بفتح نافذة على العالم والوصول إلى عدد هائل من التطبيقات عبر عميل عالمي (متصفح الويب).

تأثير تطبيقات المستخدم

يمكننا أيضًا تصنيف التطبيقات بناءً على تأثيرها على الشبكة؛ في كلماتٍ أخرى، ما هي كمية البيانات التي ترسلها إلى الشبكة وهل تُسبِّب «ازدحامًا» في الشبكة؛ لكن وعلى نفس المنهج، يجب أن نصنفها وفق تأثير الشبكة عليها؛ فعلى سبيل المثال، تطبيقات نقل الملفات مثل FTP وTFP تضيف بعض المعلومات إلى الشبكة وترسل ما يسمونها «رزمًا» إلى الشبكة بكميات كبيرة؛ لكنها لا تتأثر بازدحام (congestion) الشبكة إلى حدٍ كبير؛ إذا وصل الملف إلى وجهته خلال بضع ثوانٍ، فلا يهم ذلك أو لا يكون له تأثيرٌ على تجربة المستخدم؛ لكن على الكفّة الأخرى، لدينا تطبيقات تعمل في الوقت الحقيقي (real-time) التي ترسِل رزمًا أقل إلى الشبكة، لكنها قد تتأثر بازدحام الشبكة إلى حدٍ كبير؛ فزمن التأخير بين نهايتين شبكيتين سيؤثر مثلًا على نقل الصوت ويجعله أقل جودةً. وفي الوسط، هنالك تطبيقات تفاعلية تؤثر على تجربة المستخدم اعتمادًا على نوع التطبيق. من المهم فهم أن جميع أنواع التطبيقات الثلاثة ستتواجد في الشبكة، ولهذا ستكون إدارة موازنة الأولويات جزءًا من آلية تسمى «جودة الخدمة» (quality of service) أو QoS؛ حيث لدينا موارد شبكيّة محدودة، ولكن ما يزال علينا السماح لأنواع التطبيقات الثلاثة في الشبكة بدرجاتٍ مختلفةٍ من المرونة والتأقلم مع شروط الشبكة والمتطلبات المختلفة.

صفات الشبكة

يجب أن نتمكن من تصميم شبكاتنا باستخدام إرشادات عامة بناءً على معطيات محددة، بعض تلك المعطيات مذكورٌ هنا: السرعة والتراسل الشبكي (bandwidth) مهمان جدًا، خصوصًا بعد معرفة أننا سنحتاج إلى استخدام تطبيقات شرهة للتراسل الشبكي مثل مشاركة الفيديو والوسائط المتعددة في شبكاتنا. لن نستفيد شيئًا بالحصول على اتصال بسرعة عالية إذا كان الاتصال ينقطع طوال الوقت، لذا فإن الوثوقية (reliability) هي شيءٌ يجب علينا تأصيله في شبكاتنا؛ بعض المخططات الشبكيّة الفيزيائية يمكن أن تكون أكثر وثوقية من غيرها؛ فقد يكون لبعض عناصر الشبكة تاريخٌ طويل بمشاكل في الاستقرار لكن غيرها لا يملك تلك المشاكل. وهذا يؤدي إلى الحديث عن التوفر (availability)، بعض الخدمات تتطلب توفرًا بنسبة 100%، 24×7 في 365 يوم؛ بعضها لا يتطلب كل هذا القدر من التوفر. عمومًا، تُقاس الوثوقية بالنسبة المئوية لزمن التشغيل (uptime) خلال السنة، وبهذا، قد تتطلب بعض الخدمات المهمة زمن تشغيل 99.999%؛ وهذا من الصعب الوصول إليه، ويحتاج إلى متطلبات خاصة لكيفية تصميمك للشبكة، الحماية هي عامل مهم أيضًا مثل الوثوقية والتوفر، لأن الخدمات التي تحتوي على معلومات الزبائن الخاصة ومعلومات مهمة ومحورية للشركات، ستكون حمايتها هدفًا مهمًا؛ جميع تلك الأشياء موجودةٌ في في مخطط الشبكة، لكن أحد أهم العوامل -خصوصًا في الحقل التجاري- هو التكلفة؛ وربما لن نكون قادرين على توفير كل تلك المعطيات بنسبة 100%، لأن ذلك سيكون مقيّدًا بميزانيتنا وبتكاليف التقنية.

تصنيف مخططات الشبكة الفيزيائية: أنواع الشبكات

هنالك نوعان من المخططات في الشبكات: المخططات الفيزيائية والمخططات المنطقية.

تعرِّف المخططات الفيزيائية التوصيل الشبكي ونوع الاتصال الفيزيائي، وخصائص تلك الاتصالات الفيزيائية؛ بينما يعرِّف المخطط المنطقي كيف تُنقل البيانات في المخطط الفيزيائي، حيث تحتوي على الطرق المنطقية، والتي ليست بالضرورة طرقًا فيزيائية.

هذه أمثلة عن المخططات الفيزيائية، وكيف أنها ارتبطت تاريخيًا إلى نوع الأكبال التي سنستخدمها لبناء المخطط الفيزيائي. على سبيل المثال: الكبل المجدول (twisted pair) أو الكبل المحوري (coaxial) أو أكبال الألياف الزجاجية (fiber)؛ في المخططات التسلسلية (bus topologies) القديمة؛ كانت الأجهزة تتصل مع بعضها في خط باستخدام كبل محوري، مما يُنتِج بيئةً مشتركةً في التراسل الشبكي؛ لكن في المخطط الحلقي (ring topology)، فإن الأجهزة تتصل عبر الكبلات إلى بعضها، حيث سيكمل أول جهاز وآخر جهاز الحلقة؛ وستؤثر وصلةٌ لا تعمل على الحلقة بأكملها، وستجعل وقت نقل البيانات أكبر، ولهذا السبب هنالك بعض الأشخاص الذين يصممون الحلقات المزدوجة لتصل وصلًا مزدوجًا بين الأجهزة. أما في المخطط النجمي، فإن جهازًا مركزيًا سيتصل إلى بقية الأجهزة وسيوفر اتصالًا بينها، مما يحل بعضًا من مشاكل الوثوقية الموجودة في المخططات الحلقية؛ تستعمل المخططات النجمية عادةً الكبلات المجدولة.

المخططات المنطقية

مرةً أخرى، المخططات المنطقية هي تعريف كيف تسافر الإشارات والمعلومات من نقطة إلى أخرى ضمن الشبكة؛ ربما تشاهد مخططًا منطقيًا مختلفًا عن المخطط الفيزيائي، على الرغم أنهم قد يكونوا متماثلَين؛ على سبيل المثال، في مخططٍ تسلسليٍ فيزيائي، تستخدم الإشارات طريقًا مستقيمًا للانتقال من نقطة إلى أخرى؛ لكن ربما يكون لديك مخطط نجمي فيزيائي، لكن الأجهزة تتصل داخليًا مع بعضها كأنها موصولة بنفس الكبل، وبهذا يكون المخطط المنطقي هو مخطط تسلسلي. هذه هي حالة إيثرنت (Ethernet) التي هي أكثر المعماريات والمخططات الفيزيائية المنطقية الموجودة في شبكات LAN المحلية في أيامنا هذه.

المخطط التسلسلي

في المخطط التسلسلي الفيزيائي، توصل الأجهزة إلى كبل وحيد، وعمومًا هو كبل محوري؛ الإنهاء في نهاية الكبل هو أمرٌ مهم لمنع الإشارات من العودة إلى الكبل والتسبب في أخطاء شبكيّة؛ كانت تَستخدم الشبكات المحلية القديمة هذا المخطط، لكنه يُستخدَم كثيرًا حاليًا من شركات «الكيبل» (cable) التي توفِّر وصولًا إلى الإنترنت؛ إذا تخيلت أن الأجهزة قادرة على التحدث في نفس الوقت، فستحتاج إلى بروتوكولٍ آخر أو طريقةٍ أخرى للوصول إلى الكبل لمنع التصادمات (collisions) ولمنع حدوث أخطاء شبكية.

المخطط النجمي

يَستخدم المخطط النجمي الفيزيائي جهازًا مركزيًا لوصل جميع الأجهزة؛ في الشبكات المحلية الاعتيادية، هذا الجهاز يكون موزِّعًا (hub) أو مبدِّلًا (switch)، وستمر كل البيانات المنقولة عبر تلك النقطة المركزية؛ وهذا سيُحسِّن من وثوقية الشبكة لأن حدوث مشكلة في أحد الوصلات سيؤثر على الجهاز الموصول بتلك الوصلة فقط، ولا علاقة لبقية الشبكة بهذا الخلل؛ لكن يسبب حدوث خلل في المبدل تأثيرًا على كل الشبكة؛ وهذا هو السبب لماذا يجب تصميم طريقة تعويضية (redundancy) في هذا المخطط.

المخطط النجمي الموسَّع

يمكن إنجاز عدِّة مراحل من redundancy باتباع بعض الاستراتيجيات؛ على سبيل المثال، إذا أنشَأت المزيد من الفروع في المخطط؛ في هذا المثال، حدوث خلل في مبدل سيؤثر فقط على ثلاثة أجهزة ولن يؤثر على بقية الشبكة؛ عليك أن تضع بعين الاعتبار أن تستخدم مبدِّلَين مركزيَين وتصل الأجهزة اتصالات مزدوجًا مع المبدلين؛ فلو حدث خللٌ في إحدى المبدلات الرئيسية، فستتولى الأخرى الاتصالات ولن تتأثر الشبكة.

المخطط الحلقي

في المخطط الحلقي، جميع الأجهزة متصلة إلى بعضها بعضًا على شكل حلقة؛ لكن هذا مختلفٌ عن المخطط التسلسلي، على الرغم من أنه قد يبدو أنه يشبهه؛ لأنها ليست متصلة إلى كبل واحد، لكنها متصلة إلى بعضها بعضًا، وهذه أكبال مختلفة هنا؛ تنتقل الإشارات عبر الحلقة، وفي بعض الأحيان في اتجاهٍ واحد؛ حدوث خلل في أحد تلك الأجهزة سيؤثر على كامل الحلقة، مما يمثِّل نقطة ضعف، ربما تريد نقل بيانات باتجاهين أو استخدام المخطط الحلقي المزدوج لزيادة التوفر. المخططات الحلقية يمكن أن تكون على شكل مخطط فيزيائي، أو على شكل مخططات منطقية؛ على سبيل المثال، «token ring» هي نجمة فيزيائية، لكن عمومًا، عند استخدام «token» فإن الأجهزة ستشكّل حلقات منطقية لنقل البيانات.

المخطط الحلقي المزدوج

سيؤثر حدوث خلل في اتصال أو جهاز في مخطط حلقي فردي على كل الحلقة؛ ولهذا يجب أن نستخدم حلقة تعويضية (redundancy)؛ وبالتالي ستسمح للبيانات بالمرور بطريقٍ واحد في أول حلقة، ونقل البيانات في اتجاهٍ آخر في الحلقة الثانية. وهذا أفضل للتوفر والوثوقية، لكن هذا على حساب المزيد من المصاريف للوصلات والكبلات.

مخطط ترابطي تام (Full-Mesh)

أشمل طريقة للوصل هي المخطط الترابطي التام؛ جميع الأجهزة متصلةٌ مع بعضها بعضًا في هذا المخطط، مما يؤدي إلى مستويات عالية من تدارك الأخطاء؛ لكن هذا المخطط يكلف تكلفةً كبيرةً، ويُلاحظ استخدامه في بيئات WAN للوصل بين المكاتب الفرعية والمركز الرئيسي؛ لا توجد نقطة ضعف تؤدي إلى تعطل الشبكة، لكن قد يكون غالي الثمن في بعض الأحيان، لهذا تكون هنالك خياراتٌ أخرى تتضمن مخططًا ترابطيًا جزئيًا.

المخطط الترابطي الجزئي (Partial-Mesh)

إن المخطط الترابطي الجزئي هو حلٌ وسطٌ بين ضمان عدم انقطاع الاتصالات وبين التكلفة؛ ربما تختار أهم الفروع الشبكية أو أهم الأجهزة، ثم تبني المزيد من الوصلات بينها، وتترك المستوى الاعتيادي من redundancy للعقد الأقل أهميةً. العامل المؤثر في غالبية الأوقات هو الميزانية.

الاتصال إلى الإنترنت

تتطلب الاتصالات إلى الإنترنت اهتمامًا خاصًا، لأن هذه شبكةٌ عامةٌ تسمح لنا بالاتصال بسعرٍ رخيص. توجد ثلاثة خيارات مذكورة هنا: DSL الذي يستخدم البنية التحتية للهواتف الأرضية للسماح بنقل البيانات؛ وشبكات «الكيبل» التي توفر عروضًا تتضمن اتصالًا بالإنترنت وتمرير بيانات IP؛ وأخيرًا، الاتصالات التسلسلية التقليدية، المرتبطة بشبكات TDM-type ‏(time division multiplexing-type) باستخدام CSU/DSUs للاتصال إلى موفر خدمة الإنترنت.