أساسيات الشبكات: طرق توصيل الأجهزة في الشبكة (network topologies) - الجزء الأوّل

مقدمة:

في المقالة السابقة تحدّثنا عن ماهيّة الشبكات و خدمات الشبكات و الأجهزة المٌكوّنة للشبكات. في هذه المقالة سنتحدّث عن أولي طرق توصيل الأجهزة في الشبكة (network topologies).

تنقسم طرق توصيل الأجهزة في الشبكة إلي أربع طرق رئيسية همّا الـ bus topology و الـ star topology و الـ ring topology و الـ mesh topology بهذا الشكل:

1- الـ Bus Topology:

أوّل topology من حيث الظهور في التاريخ هو الـ Bus Topology. في هذا الـ topology يتم استخدام ما يُعرَف بالـ Co-axial Cables في التوصيل و هيّ كابلات كانت تُستخدَم في توصيل أجهزة الكمبيوتر ببعضها و لكنّها حالياً تُستخدَم في توصيل الدِش و توصيل كاميرات المراقبة و لا تُستخدَم في الشبكات الآن (سنتحدّث عن الكابلات جميعها في مقالة واحدة أو اثنتين) و كانت كروت الشبكة الخاصّة بجهاز الكمبيوتر في هذا الوقت ملائمة لهذا الكابل.

التوصيل في الـ Bus Topology عبارة عن كابل Co-axial Cable في المنتصف يُسمّي Backbone Cable و الأجهزة موصّلة بهذا الكابل بهذا الشكل:

الكابل كان يخرج من كارت الشبكة و يدخل عمودياً علي الـ Backbone Cable عن طريق ما يُسمّي بالـ Tap أو الـ T-Connector (سٌمّي بهذا الاسم لأنّه علي شكل حرف T)، و بطريقة معيّنة يتم لحام الـ Tap مع تقاطع الـ Backbone Cable مع كابل جهاز الكمبيوتر، بحيث يكون التوصيل في النهاية بهذا الشكل:

قبل أن نتحدّث عن مشاكل الـ Bus Topology هناك معلومة بسيطة نريد المرور عليها: البيانات أو  الـ Data عبارة عن كهرباء و إذا قمنا بكهربة أي سلك ستنتشر هذه الكهرباء في كل مكان في السلك، و جهاز الكمبيوتر في الأساس لا يفهم سوي الـ0 و الـ1 (نعطي له كهرباء أو نمنع عنه كهرباء) و ذلك لأن المعالج أو الـ Processor عبارة عن ملايين من البوابات المنطقيّة أو الـ Logic Gates التي تفتح و تغلق في نفس الوقت، و هذا ما يُعرف بالـ Machine Language أو لغة الآلة.

مشاكل الـ Bus Topology التي جعلته ينقرض:

نفترض أن جهاز A يريد إرسال data لجهاز C و كما قلنا منذ قليل الـ data هي كهرباء فستقوم الـ data بكهربة الـ Backbone Cable كله، و هذا يعني أنّ هناك نسخة من الـ data ستذهب لجهاز B و لجهاز C و لجهاز D و لطرفي الـ Backbone Cable بهذا الشكل:

أوّل مشكلة: الـ data التي تسير في طرفي السلك عبارة عن كهرباء، و نحن درسنا في الفيزياء أنه إذا قمنا بكهربة سلك ليس له نهاية معيّنة و الكهرباء وصلت لطرف معيّن من السلك سوف تعود للناحية الآخري منه، بما يعني أن الـ data ستذهب و تجئ إلي ما لا نهاية. و هذا ما يُعرَف بالـ Loop، و هو ألد عدو من أعداء مهندسي الشبكات.

حل أوّل مشكلة هو تركيب مقاومة صغيرة عند طرفي الـ Backbone Cable اسمها Terminator بحيث يقوم بمنع (عمل drop) الـ data عند وصولها له بهذا الشكل:

نلاحظ أنّ الـ data لا تزال قد وصلت لأجهزة B و C و D لكننا أردنا أن نمنع وصول الـ data للطرفين.

ثاني مشكلة: هناك نسخة من الـdata قد وصلت للجهازين B و D، و هذا معناه أنّ هذين الجهازين سوف يستهلكان من المعالج (Processor) و الذاكرة المؤقتة (RAM) الخاصين بهما و بعد ذلك يكتشفان أنّ هذه الـ data ليست لهما فيقومان بعمل drop للـ data، و طبعاً أجهزة الكمبيوتر في ذلك الوقت كانت إمكانيّاتها محدودة جداً. و هذه المشكلة ليس لها حل.

ثالث مشكلة و هي مهمة جداً: نفترض أنّ الجهاز A يريد إرسال data للجهاز C في نفس اللحظة التي يقوم فيها الجهاز D بإرسال data للجهاز C (بغض النظر عن أن الـ data ستصل لكل الأجهزة لكن تركيزنا ينصبّ علي الجهاز C) بهذا الشكل:

سيحدث عند جهاز C ما يسمّي بالـ collision (تصادُم) تأثيره أن الـ data ستكون dropped.

حل هذه المشكلة هو وجود software علي كارت الشبكة يُسمَّي CSMA/CD (اختصار للعبارة Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection):

1. كلمة carrier معناها حامل لأن الذي يحمل الـ data هنا هو الـ Backbone Cable.
2. كلمة sense معناها يحس أو يستشعر شئ ما، بمعني أنّه بدلاً من أن الجهاز A يرسل data للجهاز C في نفس لحظة إرسال الجهاز D للـ data إلي الجهاز C سوف يقوم الجهاز A بإرسال sense علي الـ carrier (يقوم بالاستماع إلي الـ carrier) فإذا كان الـ carrier يحمل data لا يرسل الـ data التي معه أمّا إذا كان الـ carrier لا يحمل data سيقوم بإرسال الـ data.
3. عبارة multiple access معناها أنّ أكثر من جهاز يستطيعون الوصول لبعضهم البعض لكن ليس في نفس الوقت و ذلك لتجنب مشكلة الـ collision.
4. عبارة collision detection معناها أنّه يشعر بالـ collision ("يشعر بـ" و ليس “يحمينا من” لأنّه إذا كان الجهازين A و D قد أرسلا sense في نفس اللحظة و كان الـ carrier خالياً من أي data سيرسلا الـ data فسيحدث collision و بالتالي سيعمل الـ CSMA/CD).

كيف سيشعر الجهازين أنّه حدث collision ؟

من المتوقع أنّ فولتيّة السلك تكون إمّا 0V أو 5V فإذا تصادمت الـ data الخاصة بالجهازين A و D ببعضهما ستتغيّر الفولتيّة عن هاتين القيمتين، فالذي سيحدث من الجهازين A و D هوّ أنّهم سيرسلوا إشارة تُسمَّي Jam Signal (كلمة jam معناها محشور) بهذا الشكل:

بحيث تمنع الأجهزة من إرسال data بسبب حدوث collision و بالتالي ستعمل الـ CSMA/CD علي تشغيل معادلة بعد توقُّف الأجهزة اسمها Backoff Algorithm (معادلة التراجع) تأثيرها أنّ كل جهاز سينتظر وقت عشوائي لا يتكرر مع الجهاز الآخر، فعندما تُرسِل الأجهزة data لبعضها البعض لن يحدث collision لأن كل جهاز سيرسل الـ data الخاصة به في وقت مختلف.

الـ Physical Topology و الـ Logical Topology للـ Bus Topology:

الـ Physical Topology هي طريقة توصيل الشبكة أمام أعيننا (كلمة Physical معناها ملموس) أمّا الـ Logical Topology هي طريقة عمل هذه الشبكة.

في الـ Bus Topology الـ Physical Topology هو Bus Topology و الـ Logical Topology هو Bus Topology.

خاتمة:

في المقالة القادمة سوف نستأنف الطرق الثلاثة المتبقية لتوصيل الأجهزة في الشبكات.