توپولوژی خطی چیست؟ – به زبان ساده + انواع و کاربردهای شبکه باس

توپولوژی خطی یا باس یکی از قدیمی‌ترین ساختارها در شبکه‌های کامپیوتری است که در آن تمام دستگاه‌ها به صورت مشترک به کابل اصلی متصل می‌شوند و داده‌ها به روش پخش همگانی در طول این کابل انتقال می‌یابند. پیاده‌سازی شبکه خطی بسیار آسان و کم هزینه است و برای فضاهای کوچک و پروژه‌های آموزشی گزینه مناسبی محسوب می‌شود. امروزه این ساختار در شبکه‌های کامپیوتری اداری جای خود را به توپولوژی‌های مدرن‌تر داده است. با این حال، توپولوژی خطی همچنان در صنایع خودروسازی، اتوماسیون صنعتی و سیستم‌های الکترونیکی نقشی حیاتی ایفا می‌کند. در این مطلب از مجله فرادرس به زبان ساده بررسی خواهیم کرد که توپولوژی خطی چیست و چگونه کار می‌کند.

در گام نخست با مفهوم توپولوژی خطی و اجزای اصلی تشکیل دهنده آن آشنا خواهیم شد. سپس، نحوه عملکرد این توپولوژی و ارسال پیام به روش پخش همگانی مورد بررسی قرار خواهد گرفت. در ادامه نیز انواع مختلف این همبندی شامل توپولوژی خطی ساده، توزیع شده و توکن باس همراه با مزایا و معایب هر کدام بررسی شده است. با مطالعه این مطلب درک عمیقی از یکی از پایه‌ای‌ترین مفاهیم دنیای شبکه به دست خواهید آورد.

توپولوژی خطی چیست؟

توپولوژی خطی یا باس یکی از مدل‌های پیاده‌سازی شبکه‌های کامپیوتری است که در آن تمام دستگاه‌ها به یک خط ارتباطی طولانی و مشترک متصل می‌شوند. در این ساختار داده‌ها به روش «پخش همگانی» (Broadcast) از یک دستگاه به دستگاه دیگر انتقال پیدا می‌کند.

در این توپولوژی یک کابل اصلی و طولانی وجود دارد که نقش بزرگراه ارتباطی را ایفا می‌کند. تمام دستگاه‌های شبکه (اعم از کامپیوترها، پرینتر و هر گره دیگر) به طور مستقیم یا به کمک یک رابط به این کابل اصلی متصل می‌شوند. این کابل اصلی در اصطلاح فنی «ستون فقرات» (Backbone) شبکه نامیده می‌شود و هیچ دستگاه واسطه‌ای مانند هاب یا سوئیچ در آن وجود ندارد. این چنین آرایشی توپولوژی خطی یا باس نام دارد.

مفهوم توپولوژی خطی به زبان ساده

برای درک بهتر نحوه عملکرد توپولوژی خطی به مثال زیر توجه کنید. شرایطی را در نظر بگیرید که در یک کلاس درس نشسته‌اید. معلم می‌خواهد مطلبی را به یک دانش‌آموز خاص بگوید، اما به جای اینکه بلند شود و آهسته در گوش او حرف بزند، پشت میز خود ایستاده و با صدای بلند صحبت می‌کند. در این حالت، همه دانش‌آموزان صدای معلم را می‌شنوند، ولی فقط دانش‌آموزی پاسخ می‌دهد که اسم آن صدا زده شده است. سایر دانش‌آموزان حرف معلم را می‌شنوند، ولی آن را نادیده می‌گیرند چون مربوط به آن‌ها نیست.

در شبکه باس یا توپولوژی خطی نیز مشابه این اتفاق رخ می‌دهد:

• کابل اصلی شبکه: همان صدای معلم که در کلاس می‌پیچد.
• کامپیوترها و دستگاه‌های متصل به کابل: مانند دانش‌آموزان حاضر در کلاس هستند.

در شبکه باس هر دستگاهی بخواهد با دستگاه دیگری ارتباط داشته باشد، باید پیام خود را بر روی کابل اصلی ارسال کند. این پیام از کابل عبور می‌کند و تمام دستگاه‌ها آن را دریافت می‌کنند. همه دستگاه‌ها پیام را می‌بینند، ولی فقط دستگاهی آن را باز می‌کند که آدرسش با مقصد پیام یکسان باشد. سایر دستگاه‌ها پیام را نادیده می‌گیرند، زیرا به آن‌ها مربوط نیست.

توپولوژی شبکه چیست؟

کلمه توپولوژی در این تعریف اصطلاحی است که برای توصیف آرایش فیزیکی یا نحوه قرار گرفتن دستگاه‌ها در شبکه مورد استفاده قرار می‌گیرد. آرایش مختلف کامپیوترها در شبکه یا به زبان ساده نحوه قرار گرفتن آن‌ها کنار یکدیگر باعث به وجود آمدن توپولوژی‌های مختلف شده است. به زبان ساده، توپولوژی شبکه به ما می‌گوید که کامپیوترها، چاپگرها و سایر تجهیزات شبکه چگونه و با چه الگویی به یکدیگر متصل شده‌اند تا بتوانند با هم ارتباط برقرار کنند. برای آشنایی بیشتر با مفهوم توپولوژی شبکه می‌توانید فیلم آموزش رایگان انواع توپولوژی شبکه و انتخاب بهترین ساختار از فرادرس را مشاهده کنید که لینک آن در ادامه آورده شده است.

فیلم انواع توپولوژی شبکه و انتخاب بهترین ساختار + مزایا و معایب (آموزش رایگان) در فرادرس

کلیک کنید

روش‌های مختلفی برای ایجاد یک شبکه کامپیوتری وجود دارد از توپولوژی خطی گرفته که در این مطلب به طور کامل به آن خواهیم پرداخت تا «توپولوژی ستاره‌ای» (Star)، «توپولوژی حلقوی» (Ring)، «توپولوژی مش» (Mesh) و «توپولوژی ترکیبی» (Hybrid) که هر کدام از این الگوها مزایا، معایب و کاربردهای خاص خود را دارند.

مهندسین شبکه از معیارهای متعددی برای تعیین مناسب‌ترین توپولوژی برای پروژه‌های خود استفاده می‌کنند. برخی از این معیارها عبارتنداز:

• فضای فیزیکی موجود: آیا شبکه در یک اتاق کوچک پیاده‌سازی می‌شود یا در یک ساختمان چند طبقه.
• تعداد گره‌ها در شبکه: آیا با ۵ کامپیوتر سروکار داریم یا با ۵۰۰ دستگاه.
• محدودیت بودجه: چه میزان می‌توان برای کابل‌کشی و تجهیزات شبکه هزینه کرد.

برای درک بهتر، پیشنهاد می‌کنیم مطلب زیر از مجله فرادرس را مطالعه کنید:

ساختار فیزیکی توپولوژی خطی

توپولوژی خطی یکی از ساده‌ترین و قدیمی‌ترین روش‌های اتصال کامپیوترها در یک «شبکه محلی» (LAN) است.

در ادامه اجزای اصلی تشکیل دهنده شبکه باس آورده شده است تا بهتر درک کنید که نحوه کار توپولوژی خطی چیست:

• «کابل اصلی» (Backbone Cable): این کابل از نوع «کواکسیال» (Coaxial) یا «زوج‌‌سیم به‌ هم‌‌ تابیده» (Twisted-Pair Cable) است و نقش رسانه اشتراکی را ایفا می‌کند.
• «اتصالات T شکل» (T-Connector): برای اتصال هر دستگاه به کابل اصلی از این نوع اتصالات استفاده می‌شود. این رابط‌ها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که سیگنال بتواند هم به سمت دستگاه متصل و هم به سمت ادامه مسیر کابل ارسال شود.
• «ترمیناتور» (Terminator): در دو انتهای کابل اصلی دو مقاومت ویژه قرار می‌گیرد که وظیفه جذب سیگنال‌های اضافی و جلوگیری از بازتاب آن‌ها را بر عهده دارد. بدون وجود ترمیناتور، سیگنال‌ها در انتهای کابل اصلی بازتاب شده و کل شبکه مختل خواهد شد.
• «گره‌ها» (Nodes): هر دستگاهی که به کابل اصلی متصل می‌شود یک گره محسوب می‌شود.

دلیل اهمیت ترمیناتور در توپولوژی خطی چیست؟

ترمیناتور یکی از اصلی‌ترین اجزای شبکه باس است. اهمیت ترمیناتور در این شبکه به حدی است که یکی از نقاط ضعف اصلی شبکه باس، حساسیت بالای آن به نبود یا خرابی ترمیناتور است. در صورت نبود ترمیناتور در شبکه باس، سیگنال‌ها در انتهای آن بازتاب پیدا می‌کنند و با سیگنال‌های اصلی تداخل خواهند داشت. در نتیجه، شبکه به طور کامل از کار خواهد افتاد. بنابراین، ترمیناتورها جزیی ساده ولی حیاتی در شبکه باس محسوب می‌شوند.

توپولوژی خطی چگونه کار می‌کند؟

توپولوژی خطی ساختار بسیار ساده‌ای دارد. بعد از بررسی ساختار شبکه باس در این بخش به این سوال پاسخ داده خواهد شد که شبکه باس چگونه کار می‌کند.

فیلم آموزش نتورک پلاس +‎Network و اصول شبکه + کاربردی و عملی + گواهینامه در فرادرس

کلیک کنید

عملکرد توپولوژی خطی را می‌توان در چند مرحله ساده خلاصه کرد که در ادامه آورده شده است.

• اتصال به خط ارتباطی واحد
• ارسال داده به روش پخش همگانی
• بررسی آدرس توسط هر دستگاه
• قانون نیمه دو طرفه بودن

در ادامه به صورت فنی هر کدام از مراحل اشاره شده در بالا مورد بررسی قرار گرفته است.

اتصال به خط ارتباطی واحد

در شبکه باس تمام دستگاه‌ها به یک کابل اصلی و مشترک متصل می‌شوند که به آن باس یا ستون فقرات شبکه می‌گویند. این کابل نقش یک رسانه اشتراکی برای تمام دستگاه‌های موجود در شبکه را دارد. هیچ دستگاه واسطه‌ای مانند سوئیچ یا روتر در شبکه نیست و همه دستگاه‌ها به همین کابل وصل می‌شوند.

ارسال داده به روش پخش همگانی

هنگامی که یک دستگاه بخواهد داده‌ای را برای دستگاه دیگری ارسال کند، بسته داده خود را بر روی کابل اصلی قرار می‌دهد. این بسته داده در طول کابل اصلی حرکت می‌کند و به تمام دستگاه‌های متصل به شبکه می‌رسد. این روش ارسال در اصطلاح پخش همگانی نام دارد، زیرا پیام در این روش نه برای یک مقصد خاص، که برای تمام کاربران ارسال می‌شود.

مثال ساده برای درک ارسال پیام به شیوه‌ی Broadcast سیستم خط اتوبوس است. در این سیستم راننده با رسیدن به هر ایستگاه نام آن ایستگاه را صدا می‌زند. سپس، تمام مسافران این پیام را دریافت می‌کنند و تنها کسانی به آن توجه می‌کنند که می‌خواهند در این ایستگاه پیاده شوند.

بررسی آدرس توسط هر دستگاه

بسته‌های داده ارسال شده بر روی کابل اصلی دارای یک برچسب هستند که بر روی آن آدرس مقصد نوشته شده است. دستگاه‌های دریافت کننده بسته در اولین مواجه با بسته به این برچسب نگاه می‌کنند.

• اگر آدرس روی بسته با آدرس دستگاه مطابقت داشته باشد، آنگاه دستگاه بسته را دریافت و پردازش می‌کند.
• اگر آدرس روی بسته با آدرس دستگاه مطابقت نداشته باشد، آنگاه دستگاه بسته را نادیده می‌گیرد.

در واقع، نوعی پرس‌وجوی همگانی در شبکه شکل می‌گیرد، ولی این فرایند آن قدر سریع رخ می‌دهد که کاربر متوجه آن نمی‌شود.

قانون نیمه دوطرفه بودن

یکی از نکات مهم در مورد نحوه کار توپولوژی خطی این است که این شبکه‌ها به صورت «نیمه دوطرفه» (Half-Duplex) کار می‌کنند. برای درک بهتر نیمه دوطرفه بودن شرایطی را در نظر بگیرید که یک خیابان یک طرفه وجود دارد که فقط یک ماشین می‌تواند از آن عبور کند. در این خیابان گاهی ماشین‌ها از شمال به جنوب می‌روند و گاهی از جنوب به شمال حرکت می‌کنند. نکته مهم این است که هرگز دو ماشین نمی‌توانند در خیابان باشند، زیرا با یکدیگر تصادف خواهند کرد.

کابل اصلی در شبکه باس نیز وضعیتی مشابه همین خیابان یک طرفه را دارد. داده‌ها می‌توانند بر روی کابل اصلی حرکت کنند با این شرط که در هر لحظه تنها یک بسته داده می‌تواند بر روی کابل اصلی وجود داشته باشد. اگر دو دستگاه به طور همزمان شروع به ارسال داده کنند، آنگاه سیگنال‌هایشان در کابل با یکدیگر برخورد می‌کند. به این پدیده «برخورد داده» (Data Collision) گفته می‌شود که باعث تداخل در شبکه خواهد شد.

راه حل برطرف کردن مشکل برخورد داده در توپولوژی خطی چیست؟

در شبکه‌های خطی به دلیل وجود رسانه مشترک مشکل برخورد داده یا تداخل سینگال غیرقابل اجتناب است. برای مدیریت این مسئله در شبکه‌های اترنت اولیه که از توپولوژی خطی استفاده می‌کردند، پروتکلی به نام CSMA/CD معرفی شد. روش کار این پروتکل به این صورت است که ابتدا هر دستگاه قبل از ارسال داده کابل اصلی را گوش می‌کند تا از وضعیت ترافیک آن مطلع شود. در صورت آزاد بودن کابل، شروع به ارسال داده می‌کند و در حین ارسال نیز به طور همزمان کابل را پایش می‌کند تا در صورت برخورد آن را تشخیص دهد. اگر برخوردی در شبکه رخ دهد، راه‌حل این است که دستگاه‌ها ارسال را متوقف کنند و بعد از یک بازه زمانی تصادفی کوتاه دوباره تلاش کنند.

مثالی از دنیای واقعی برای شبکه باس

شرایطی را در نظر بگیرید که همراه با چندین نفر در یک پارک عمومی هستید. در این پارک یک بلندگوی بزرگ وجود دارد که همه صدای آن را می‌شنوند. در این پارک نمی‌توان به طور مستقیم با کسی صحبت کرد. اگر با کسی کاری دارید، باید به سراغ مسئول بلندگو رفته و درخواست خود را مطرح کنید. مسئول بلندگو پیام شما را با صدای بلند برای همه پخش می‌کند. همه افراد حاضر پیام را دریافت می‌کنند، ولی فقط کسی که نام او در پیام آورده شده است به آن پیام پاسخ می‌دهد. سایر افراد پیام را نادیده می‌گیرند، چون می‌دانند به آن‌ها مربوط نیست. این همان روشی است که یک شبکه مبتنی بر توپولوژی خطی بر اساس آن کار می‌کند.

یادگیری نتورک پلاس با فرادرس

اگر به دنیای شبکه‌های کامپیوتری علاقه‌مند هستید و می‌خواهید این مفاهیم را به صورت عمیق‌تر و حرفه‌ای‌تر یاد بگیرید، یک نقشه راه استاندارد بین‌المللی تحت عنوان دوره +Network وجود دارد. مباحث مطرح شده در دوره «نتورک پلاس» (+Network) به عنوان اولین و ضروری‌ترین گام برای ورود به دنیای شبکه شناخته می‌شود. در این دوره مفاهیم پایه‌ای همچون توپولوژی‌ها، مدل‌های مرجع نظیر OSI و TCP/IP، ساختار کابل‌کشی، آدرس‌دهی IP و پروتکل‌های ارتباطی آموزش داده می‌شوند. به زبان ساده، دوره نتورک پلاس را می‌توان الفبای یادگیری شبکه دانست که پیش‌زمینه‌ای برای یادگیری مباحث پیشرفته‌تر است.

خوشبختانه فرادرس با بهره‌گیری از مدرسین با تجربه آموزش‌های ویدیویی با کیفیتی را در زمینه +Network منتشر کرده است. این آموزش‌ها در مجموعه فیلم آموزش نتورک پلاس +Network از مقدماتی تا پیشرفته از فرادرس قابل دسترسی هستند که لینک آن در ادامه آورده شده است.

• مجموعه فیلم آموزش نتورک پلاس +Network از مقدماتی تا پیشرفته فرادرس

آموزش‌های موجود در این مجموعه مفاهیم شبکه را به زبانی ساده و قابل فهم آموزش می‌دهند. علاوه بر این، رویکرد این آموزش‌ها ترکیبی از مباحث تئوری و عملی است. با مشاهده فیلم‌های آموزشی موجود در این مجموعه می‌توانید این اطمینان خاطر را داشته باشید که مفاهیم مقدماتی شبکه را به شکلی اصولی یاد بگیرید. در ادامه تعدادی از آموزش‌های پیشنهادی موجود در این مجموعه آورده شده است.

• فیلم آموزش نتورک پلاس +‎Network و اصول شبکه به صورت کاربردی و عملی از گواهینامه فرادرس
• فیلم آموزش شبکه های کامپیوتری ۱ از گواهینامه فرادرس
• فیلم آموزش راه اندازی مودم و سیستم وای فای WiFi با گواهینامه فرادرس
• فیلم آموزش شبکه های بی سیم Wireless Networks با گواهینامه فرادرس
• فیلم آموزش مقدماتی وایرشارک برای آنالیز ترافیک و پروتکل های شبکه با گواهینامه فرادرس
• فیلم آموزش انتقال داده ها در شبکه های کامپیوتری و اینترنت با حل مسائل فرادرس

انواع توپولوژی خطی

توپولوژی خطی یا باس یکی از ابتدایی‌ترین شیوه‌های پیاده‌سازی شبکه‌های کامپیوتری است. با این حال، شبکه خطی به شکل‌های متفاوتی پیاده‌سازی می‌شود که در تمام این پیاده‌سازی‌ها کابل اصلی به عنوان رسانه اشتراک داده وجود دارد.

در ادامه انواع توپولوژی خطی آورده شده است.

• توپولوژی خطی ساده
• توپولوژی خطی توزیع شده
• شبکه توکن باس

توپولوژی خطی ساده چیست؟

رایج‌ترین و شناخته‌شده‌ترین نوع، توپولوژی خطی ساده است. در این ساختار، یک کابل به صورت پیوسته از یک ترمیناتور تا ترمیناتور دیگر کشیده می‌شود و تمام دستگاه‌ها با فاصله‌های مشخص روی آن قرار می‌گیرند. شبکه‌های Ethernet قدیمی مانند 10Base2و 10Base5 نمونه‌های کلاسیک این نوع شبکه هستند. مزیت اصلی این ساختار، سادگی و نیاز حداقلی به کابل است.

مثال عملی از توپولوژی خطی ساده

برای درک ساختار توپولوژی خطی ساده یک لوله آب را در نظر بگیرید که از ابتدا تا انتهای آشپزخانه کشیده شده است (کابل اصلی شبکه). دو انتها لوله بسته شده است (ترمیناتورها). بر روی لوله چند شیر آب (کامپیوترها) نصب شده است که اگر یکی از آن‌ها باز شود، آب در تمام لوله جاری می‌شود و تنها از شیر مقصد خارج می‌شود.

توپولوژی خطی توزیع شده

در این ساختار یک کابل اصلی وجود دارد که چندین شاخه فرعی از آن منشعب می‌شود. در واقع، این ساختار یک شبکه باس سلسله‌مراتبی است که در آن چندین شبکه باس کوچک‌تر به یک باس بزرگتر متصل می‌شوند. توپولوژی خطی توزیع شده انعطاف‌پذیری بیشتری برای پیاده‌سازی شبکه‌های بزرگتر دارد.

مثال عملی از توپولوژی خطی توزیع شده

برای درک شبکه خطی توزیع شده یک اتوبان بزرگ را در نظر بگیرید که از داخل یک شهر می‌گذرد. از این اتوبان چند خروجی به خیابان‌های فرعی می‌رسند. ماشین‌ها از جاده اصلی وارد خیابان فرعی می‌شوند تا به مقصد خود برسند. در این ساختار خیابان اصلی و فرعی هر دو بخشی از شبکه هستند.

توپولوژی توکن باس

این شبکه یک پیاده‌سازی منطقی از توپولوژی خطی است که در آن دستگاه‌ها از نظر فیزیکی به صورت باس به یکدیگر متصل شده‌اند، ولی از نظر منطقی یک حلقه مجازی را تشکیل می‌دهند. در این توپولوژی یک بسته کنترلی به نام «توکن» (Token) بین گره‌ها منتقل می‌شود و فقط گره‌ای که توکن را در اختیار دارد، مجاز به ارسال داده است. این روش مسئله برخورد داده‌ها را نیز برطرف می‌کند.

مثال عملی از توپولوژی توکن باس

برای درک عملکرد شبکه توکن باس یک کلاس درس را در نظر بگیرید که معلم در آن یک توپ کوچک در دست دارد. هر کسی که می‌خواهد در کلاس صحبت کند باید توپ را از معلم بگیرد و سپس، آن را به نفر بعدی واگذار کند. این روش مدیریت کلاس را بسیار آسان می‌کند و دیگر خبری از شلوغی و هرج‌ومرج نخواهد بود. قانون شبکه توکن باس این است که فقط کسی که توکن را دست دارد، حق صحبت کردن دارد.

کاربردهای توپولوژی خطی چیست؟

شبکه‌های خطی یکی از ابتدایی‌ترین انواع شبکه‌های کامپیوتری بودند که به دلیل پیاده‌سازی آسان و کم هزینه از محبوبیت بالایی برخوردار شدند.

فیلم آموزش نتورک پلاس +‎Network و اصول شبکه + کاربردی و عملی + گواهینامه در فرادرس

کلیک کنید

با این حال امروزه هر چند نسبت به گذشته این شبکه‌ها کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرند، ولی همچنان در صنایع مختلف این نوع پیاده‌‌سازی کاربرد دارد. در ادامه کاربردهای مختلف توپولوژی خطی آورده شده است.

• شبکه‌های محلی قدیمی
• شبکه‌های صنعتی و خودرویی
• شبکه‌های کوچک خانگی و اداری
• سیستم‌های اتوماسیون و کنترل صنعتی

شبکه‌های محلی قدیمی

در دهه‌های ۱۹۸۰ و ۱۹۹۰ میلادی (۱۳۶۰ و ۱۳۷۰ شمسی) توپولوژی خطی به طور گسترده در شبکه‌های محلی LAN مورد استفاده قرار می‌گرفت. استانداردهای 10Base2 و 10Base5 ستون فقرات شبکه‌های اترنت را تشکیل می‌دادند. در این شبکه‌ها یک کابل اصلی از اتاقی به اتاق دیگر کشیده می‌شد و کامپیوترها به کمک رابط‌های T شکل به آن متصل می‌شدند. این شبکه‌ها به هیچ گونه تجهیزات مرکزی مانند سوئیچ و روتر نیاز نداشتند و از این بابت هزینه پیاده‌سازی آن‌ها بسیار پایین بود.

شبکه‌های صنعتی و خودرویی

امروزه توپولوژی خطی در شبکه‌های کامپیوتری اداری کمتر مورد استفاده قرار می‌گیرد، ولی در صنعت و به ویژه در صنعت خودروسازی، شبکه‌های خطی یا باس همچنان اولین و بهترین انتخاب هستند. گذرگاه «شبکه کنترل‌کننده» (Controller Area Network | CAN) یک پروتکل ارتباطی سریال و مبتنی بر باس است که در تمام خودروهای مدرن مورد استفاده قرار می‌گیرد.

در خودرو واحدهای کنترل الکترونیکی مانند ECU موتور، ترمز ABS، کیسه هوا، نمایشگر داشبورد و سایر موارد از طریق یک گذرگاه باس مشترک با یکدیگر تبادل داده انجام می‌دهند. بزرگترین مزیت استفاده از گذرگاه باس در خودرو، کاهش شدید حجم سیم‌کشی و وزن خودرو است. در واقع، به جای اینکه هر کدام از سنسورها به طور جداگانه به ECU متصل شوند، همگی بر روی یک باس مشترک قرار می‌گیرند و پیام‌های خود را با اولویت‌بندی ارسال می‌کنند.

شبکه‌های کوچک خانگی و اداری

امروزه با وجود گسترش سوئیچ‌های ارزان قیمت، همچنان برای راه‌اندازی سریع یک شبکه با دو یا سه دستگاه در یک اتاق می‌توان از توپولوژی خطی با کابل استفاده کرد. هزینه پایین و عدم نیاز به تجهیزات این توپولوژی را به گزینه‌ای جذاب برای پروژه‌های آموزشی یا کارگاه‌های موقت تبدیل کرده است.

سیستم‌های اتوماسیون و کنترل صنعتی

بسیاری از پروتکل‌های اتوماسیون صنعتی از توپولوژی خطی یا باس برای ارتباط بین «کنترل‌گر منطقی برنامه‌پذیر» (Programmable Logic Controller | PLC)، حسگرها و عملگرها استفاده می‌کنند. نصب و عیب‌یابی این شبکه‌ها به دلیل ماهیت خطی بسیار آسان است و می‌توانند در فواصل طولانی داده را انتقال دهند.

مزایا و معایب توپولوژی خطی چیست؟

هر ساختاری در دنیای شبکه، مزایا و معایب خاص خود را دارد و توپولوژی خطی نیز از این قاعده مستثنی نیست. آشنایی با مزایا و معایب توپولوژی خطی کمک می‌کند تا بفهمیم این نوع پیاده‌سازی برای چه جاهایی مناسب است و در چه مواردی باید از سایر گزینه‌های موجود استفاده کرد.

مزایای توپولوژی خطی چیست؟

از جمله مهم‌ترین مزایای توپولوژی خطی به موارد زیر می‌توان اشاره کرد.

• ساده‌ترین روش برای اتصال خطی دستگاه‌ها و کامپیوترها محسوب می‌شود.
• در شبکه‌های کوچک عملکردی بسیار خوب دارد.
• میزان کابل استفاده شده در این توپولوژی نسبت به سایر توپولوژی‌ها کمتر است.
• در مقایسه با سایر توپولوژی‌ها هزینه پیاده‌سازی آن بسیار پایین است.
• یادگیری و درک عملکرد این توپولوژی بسیار آسان است.
• به سادگی می‌توان این شبکه را با اتصال کابل‌ها گسترش داد.

معایب توپولوژی خطی چیست؟

توپولوژی خطی نقاط ضعف و معایبی نیز دارد که در ادامه آورده شده است.

• برای شبکه‌های بزرگ گزینه مناسبی نیست.
• در صورت از کار افتادن کل شبکه، یافتن نقطه خرابی آسان نخواهد بود.
• با افزایش تعداد دستگاه‌ها سرعت شبکه کاهش پیدا می‌کند.
• در صورت خرابی کابل اصلی، تمام شبکه از کار می‌افتد.
• نرخ از دست رفتن بسته‌ها بسیار بالا است.
• در مقایسه با سایر توپولوژی‌ها سرعت پایینی دارد.

نکات مهم در پیاده‌سازی توپولوژی خطی

در حال حاضر، پیاده‌سازی یک شبکه مبتنی بر توپولوژی خطی بیشتر جنبه آموزشی و تحقیقاتی دارد یا محدود به کاربردهای صنعتی خاص است. بنابراین، ممکن است اینطور برداشت شود که دانستن اینکه توپولوژی خطی چیست، از اهمیت چندانی برخوردار نیست.

فیلم آموزش نتورک پلاس +‎Network و اصول شبکه + کاربردی و عملی + گواهینامه در فرادرس

کلیک کنید

با این حال، درک اصول پیاده‌سازی توپولوژی خطی در مواجهه با شبکه‌های قدیمی و عیب‌یابی آن‌ها می‌تواند بسیار موثر باشد. در ادامه مهم‌ترین نکات پیاده‌سازی توپولوژی خطی آورده شده است.

• محدودیت طول کابل
• استفاده از ترمیناتور مناسب
• حداقل فاصله بین گره‌ها
• زمین کردن شبکه

محدودیت طول کابل

یکی از مهم‌ترین نکات در پیاده‌سازی شبکه باس توجه به محدودیت طول کابل اصلی است. در شبکه‌های خطی سیگنال‌ها با حرکت در طول کابل اصلی به تدریج ضعیف می‌شوند که به این پدیده «تضعیف سیگنال» (Attenuation) می‌گویند. اگر طول کابل اصلی از یک مقدار مشخص شده بیشتر باشد، آنگاه سیگنال به قدری ضعیف می‌شود که دیگر توسط دستگاه مقصد قابل تشخیص نخواهد بود. بسته به نوع کابل و استاندارد مورد استفاده محدودیت طول کابل متفاوت است که در جدول زیر این تعدادی از آن‌ها آورده شده است.

اهمیت استفاده از ترمیناتور مناسب در پیاده سازی توپولوژی خطی چیست؟

ترمیناتورها در توپولوژی خطی یک جز فعال و حیاتی شبکه محسوب می‌شوند. ترمیناتور یک مقاومت الکتریکی دقیق است که در دو سر کابل اصلی نصب می‌شود. وظیفه اصلی ترمیناتور جذب انرژی سیگنال‌های باقی مانده در انتهای خط و جلوگیری از بازتاب آن در شبکه است. برای استفاده از ترمیناتور باید نکات زیر را مد نظر قرار داد.

• نصب ترمیناتور با امپدانس متناسب با کابل معمولاً ۵۰ اهم در هر دو طرف کابل اصلی ضروری است.
• ترمیناتور باید به صورت مستقیم در انتهای خط و بدون کابل اضافی نصب شود.

حداقل فاصله بین گره‌ها

یکی از نکات مهم در پیاده‌سازی شبکه باس رعایت فاصله بین گره‌ها است. برای جلوگیری از تداخل سیگنال باید بین هر دو اتصال روی کابل اصلی یک فاصله فیزیکی رعایت شود. به عنوان مثال، در استاندارد 10Base2 این فاصله حداقل ۰.۵ متر است. علاوه بر این، مسیر کابل اصلی باید مستقیم و بدون پیچ‌وتاب شدید باشد.

زمین کردن شبکه

یکی دیگر از موارد مهم در پیاده‌سازی شبکه باس، اتصال یکی از ترمیناتورها به زمین است. عدم اتصال ترمیناتور به زمین موجب تجمع بار الکتریکی ساکن در شبکه و آسیب دیدن کارت شبکه می‌شود.

آیا توپولوژی خطی منسوخ شده است؟

در نگاه اول و بررسی اینکه کاربردهای توپولوژی خطی چیست، شاید این گونه به نظر برسد که توپولوژی خطی یک فناوری منسوخ شده در دنیای شبکه‌های کامپیوتری است. این گزاره در خصوص شبکه‌های کامپیوتری تا حدود زیادی درست است و امروزه مهندسان شبکه از این توپولوژی برای تجهیز دفاتر کار سازمان‌ها و شرکت‌ها استفاده نمی‌کنند.

با این حال معماری باس در بسیاری از حوزه‌های فنی مورد استفاده قرار می‌گیرد. به عنوان مثال، تمام رایانه‌های رومیزی از یک باس داخلی برای ارتباط بین پردازنده، حافظه و کارت‌های توسعه استفاده می‌کنند. علاوه بر این، در صنعت خودروسازی، سیستم‌های اتوماسیون صنعتی و کارخانه‌ها همچنان از معماری باس استفاده می‌شود. بنابراین، می‌توان گفت توپولوژی خطی در شبکه‌های کامپیوتری دیگر مورد استفاده قرار نمی‌گیرد، ولی با پذیرفتن نقشی متفاوت در حوزه‌های صنعتی و الکترونیک همچنان به کار خود ادامه می‌دهد.

مقایسه توپولوژی خطی با سایر توپولوژی های شبکه

برای درک عمیق‌تر توپولوژی خطی و جایگاه آن در دنیای شبکه، بهترین راه مقایسه آن با رقبایش است. هر کدام از توپولوژی‌ها در دنیای شبکه فلسفه‌ای متفاوت برای اتصال دستگاه‌ها دارد و انتخاب بین آن‌ها به نیازها و محدودیت‌های پروژه بستگی دارد.

فیلم آموزش شبکه‌ های کامپیوتری پیشرفته + گواهینامه در فرادرس

کلیک کنید

در ادامه این بخش توپولوژی خطی با ساختارهای ستاره‌ای، حلقوی، مش و درختی مقایسه خواهد شد.

توپولوژی خطی در مقابل توپولوژی ستاره ای

برای ملموس‌تر شدن تفاوت این دو توپولوژی به مثال زیر توجه کنید. تصور کنید که در یک اداره کار می‌کنید. در توپولوژی خطی، همه در یک اتاق بزرگ نشسته‌اند و یک بلندگو نیز در وسط اتاق است. هر کسی بخواهد صحبت کند از بلندگو استفاده می‌کند و تمام افراد حاضر در اتاق می‌شنوند. در توپولوژی ستاره، هر شخص یک تلفن اختصاصی دارد که به مرکز تلفن یا اپراتور متصل است. زمانی که شخصی بخواهد با فرد دیگری در اتاق صحبت کند، باید ابتدا با اپراتور تماس بگیرد و اپراتور او را به آن فرد وصل کند.

در توپولوژی ستاره ارتباط بین کامپیوترها به صورت «نقطه‌به‌نقطه» (Point-to-Point) است. در این روش، داده از دستگاه مبدا به صورت مستقیم به دستگاه مرکزی سوئیچ یا هاب می‌رود و دستگاه مرکزی نیز داده را به مقصد مورد نظر ارسال می‌کند. بنابراین، دیگر خبری از پخش همگانی در شبکه نیست و مسئله برخورد داده نیز رخ نخواهد داد. در توپولوژی ستاره، هر دستگاه کابل اختصاصی خودش را دارد و در صورت قطع یک کابل شبکه از کار نمی‌افتد و تنها همان دستگاه از شبکه خارج می‌شود.

پیش‌تر در مطلب زیر از مجله فرادرس توپولوژی ستاره‌ای در شبکه‌های کامپیوتری به زبان ساده مورد بررسی قرار گرفته است.

مقایسه توپولوژی خطی با توپولوژی حلقوی

در توپولوژی خطی پیام به وسیله کابل اصلی در تمام شبکه پخش می‌شود. در توپولوژی حلقوی هیچ دستگاه مرکزی وجود ندارد و خبری از پخش همگانی نیست. برای درک این ساختار یک گروه کوهنوردی را در نظر بگیرید که دست یکدیگر را گرفته‌اند و یک دایره را تشکیل می‌دهند.

در شبکه حلقوی پیام از یک دستگاه به دستگاه دیگر منتقل می‌شود تا به مقصد برسد. هر دستگاه در این شبکه با دو همسایه کناری خود در ارتباط است. شبکه حلقوی در مقایسه با شبکه خطی دو مزیت اصلی دارد. مورد اول اینکه برخلاف شبکه خطی که سیگنال در کل کابل پخش می‌شود و تضعیف می‌گردد، در حلقه سیگنال در هر گره بازسازی می‌شود. بنابراین، سیگنال می‌تواند مسافت طولانی‌تری را طی کند. مورد دوم این که در شبکه حلقوی از سیستم توکن استفاده می‌شود که از برخورد داده جلوگیری می‌کند. با این حال، شباهت این دو توپولوژی این است که در هر دو شبکه تنها یک خرابی ساده می‌تواند باعث اختلال در کل شبکه شود.

مقایسه توپولوژی خطی با توپولوژی مش

در توپولوژی مش، هر گره به صورت نقطه‌به‌نقطه به چندین گره دیگر متصل است. در حالت «مش کامل» (Full Mesh) هر گره با تمام گره‌های دیگر به صورت مستقیم ارتباط دارد. این توپولوژی بالاترین سطح قابلیت اطمینان را دارد، ولی پیاده‌سازی آن نیازمند حجم بالایی از کابل و پورت است که هزینه آن را بسیار بالا می‌برد. توپولوژی مش در مقایسه با سایر توپولوژی‌ها بیشترین مصرف کابل را دارد و بیشتر در شبکه‌های گسترده و زیرساخت اینترنت مورد استفاده قرار می‌گیرد.

تفاوت توپولوژی درختی و توپولوژی خطی چیست؟

توپولوژی درختی را می‌توان ترکیبی از توپولوژی خطی و ستاره دانست. در این توپولوژی یک ساختار سلسله مراتبی وجود دارد. شاخه اصلی یک کابل باس است، اما شاخه‌های فرعی آن شبکه‌های ستاره‌ای هستند. به زبان ساده، در توپولوژی درختی گروه‌هایی از دستگاه‌ها ابتدا یک شبکه ستاره‌ای کوچک تشکیل می‌دهند و سپس، این شبکه‌های ستاره‌ای کوچک از طریق سوئیچ یا هاب مرکزی به کابل اصلی شبکه متصل می‌شوند.

مهم‌ترین مزیت ساختار درختی، تحمل خطای بالای آن است. در صورت قطع شدن کابل اصلی شبکه، شبکه‌های ستاره‌ای محلی همچنان بدون مشکل به کار خود ادامه می‌دهند و فقط ارتباط بین گروه‌ها قطع می‌شود. علاوه بر این، مدیریت شبکه بزرگ با تقسیم آن به چندین شبکه کوچک‌تر آسان‌تر است. از این توپولوژی امروزه در بسیاری از شبکه‌های سازمانی استفاده می‌شود.

چگونه شبکه‌های کامپیوتری را یاد بگیریم؟

شبکه‌های کامپیوتری بستر اصلی ارتباطات هستند و حتی کوچک‌ترین کسب‌وکارها نیز برای ادامه فعالیت خود به یک متخصص شبکه نیاز دارند. بنابراین، یادگیری مباحث شبکه و تسلط بر این مفاهیم می‌تواند فرصت‌های شغلی متعددی را برای علاقه‌مندان به این حوزه فراهم کند. این حوزه بازار کار بسیار گسترده‌ای دارد و با حرفه‌ای شدن در این حوزه می‌توان به درآمد خوبی دست پیدا کرد.

برای شناخت شبکه‌های کامپیوتری می‌توانید از فیلم‌های آموزشی فرادرس استفاده کنید که یک مسیر یادگیری کامل و استاندارد را در اختیار شما قرار می‌دهند. این آموزش‌ها در مجموعه فیلم‌های آموزش شبکه‌های کامپیوتری از مقدماتی تا پیشرفته گردآوری شده‌اند که از طریق لینک زیر قابل دسترسی هستند.

• مجموعه فیلم‌های آموزش شبکه‌های کامپیوتری از مقدماتی تا پیشرفته

علاقه‌مندان به دنیای شبکه در هر سطحی از مقدماتی تا پیشرفته می‌توانند از این آموزش‌ها استفاده کنند. در این آموزش‌ها ابتدا مفاهیم پایه شبکه، انواع توپولوژی‌ها، مدل‌های مرجع، تجهیزات شبکه و سایر موارد دیگر آموزش داده می‌شود. سپس، مباحث تخصصی‌تر همچون پیکربندی سوئیچ‌ها و روترها، مدیریت شبکه‌های محلی و گسترده، امنیت شبکه، مجازی‌سازی و طراحی شبکه‌های سازمانی مورد بررسی قرار می‌گیرد. در ادامه این بخش تعدادی از دوره‌های پیشنهادی موجود در این مجموعه آورده شده است.

• فیلم آموزش شبیه سازی شبکه های سیسکو با پکت تریسر Cisco Packet Tracer همراه با گواهینامه
• فیلم آموزش شبکه های بی سیم Wireless Networks با گواهینامه
• فیلم آموزش آشنایی با ساختار فیبر نوری و شبکه WDM با گواهینامه
• فیلم آموزش کار با دوربین های مدار بسته در سطح تکمیلی با گواهینامه
• فیلم آموزش روتینگ سیسکو CCNP Routing با گواهینامه
• فیلم آموزش راه اندازی تلفن تحت شبکه VOIP ویپ با Issabel ایزابل

جمع‌بندی

توپولوژی خطی یا باس ساده‌ترین شیوه اتصال دستگاه‌ها با کمترین هزینه است. این توپولوژی به دلیل مشکلاتی همچون عیب‌یابی دشوار، افت سرعت در شلوغی، مناسب نبودن برای شبکه‌های پیچیده و خرابی در صورت قطع کابل اصلی دیگر همچون گذشته در شبکه‌های کامپیوتری به کار گرفته نمی‌شود. با این حال، معماری باس همچنان در صنعت خودروسازی، اتوماسیون صنعتی و بسیاری از سیستم‌های الکترونیکی دیگر کاربرد دارد. در این مطلب از مجله فرادرس به این سوال پاسخ داده شد که توپولوژی خطی چیست و چه کاربردهایی دارد.

علاوه بر این، نحوه عملکرد شبکه باس، انواع آن، مزایا و معایب و نکات مهم در خصوص پیاده‌سازی این توپولوژی مورد بررسی قرار گرفت. آشنایی با توپولوژی‌های مختلف درک عمیق‌تری از مفاهیم شبکه را به همراه دارد و مهم‌تر از آن در زمان طراحی یا انتخاب توپولوژی برای پروژه‌های مختلف نیز بسیار کمک‌کننده است. به زبان ساده، توپولوژی خطی شاید بهترین گزینه برای ایجاد یک شبکه جدید نباشد، اما آشنایی و درک عملکرد آن برای تبدیل شدن به یک متخصص شبکه حرفه‌ای ضروری است.