قبل الخوض في مواضيع الشبكات الأكثر تعقيدًا، من المهم أن نفهم مكونات وعناصر الشبكات الأساسية، بما في ذلك:

• عنوان IP: عنوان IP هو الرقم الفريد الذي يتم تعيينه لكل جهاز على الشبكة في شبكة تستخدم بروتوكول الإنترنت (IP)؛ كل عنوان IP يحدد الشبكة المضيفة للجهاز وموقعه على الشبكة. عندما يرسل أحد الأجهزة بيانات إلى جهاز آخر، تتضمن البيانات "عنوانًا" يتضمن العنوان عناوين IP لكل من الأجهزة المرسلة والمستقبلة.

• العقدة: العقدة هي نقطة اتصال بالشبكة يمكنها استقبال أو إرسال أو إنشاء أو تخزين البيانات. وهي في الأساس أي جهاز متصل بالشبكة—أجهزة كمبيوتر أو طابعات أو أجهزة مودم أو موصلات أو المحولات—يمكنه التعرف على المعلومات ومعالجتها ونقلها إلى عقدة أخرى على الشبكة. تتطلب كل عقدة شكلاً من أشكال التعريف (مثل عنوان IP أو عنوان MAC) لتلقي صلاحية الوصول إلى الشبكة.

• أجهزة التوجيه: جهاز التوجيه هو جهاز مادي أو افتراضي يرسل "حزم" البيانات بين الشبكات. تقوم أجهزة التوجيه بتحليل البيانات داخل الحزم لتحديد أفضل مسار إرسال واستخدام خوارزميات توجيه متطورة لإعادة توجيه حزم البيانات حتى تصل إلى العقدة وجهتها.
  

• المحولات: المحول هو جهاز يقوم بتوصيل أجهزة الشبكة وإدارة الاتصال من نقطة إلى نقطة عبر الشبكة، والتأكد من وصول حزم البيانات إلى وجهتها المقصودة. على عكس أجهزة التوجيه، التي ترسل المعلومات بين الشبكات، ترسل المحولات المعلومات بين العقد داخل الشبكة الواحدة.

  وبالتالي، يشير "التحويل" إلى كيفية نقل البيانات بين الأجهزة داخل نفس الشبكة. تعتمد الشبكات على ثلاثة أنواع رئيسية من التحويل:

  • التحويل الدائري ينشئ مسارًا مخصصًا لاتصالات البيانات بين العقد داخل الشبكة، بحيث لا يمكن لأي حركة بيانات أخرى اجتياز نفس المسار. يعمل التحويل الدائري على توفير النطاق الترددي الكامل أثناء كل عملية إرسال.

     

  • تحويل الرسائل يقوم بإرسال رسائل كاملة من العقدة المصدر إلى العقدة الوجهة، حيث تنتقل الرسالة من محول إلى آخر حتى تصل إلى الوجهة.

     

  • تحويل الحزمة يتضمن تقسيم البيانات إلى عناصر مستقلة ليصبح نقل البيانات أقل تطلباً لموارد الشبكة. من خلال تحويل الحزم، تنتقل الحزم—بدلاً من تدفقات البيانات بأكملها—عبر الشبكة إلى وجهتها النهائية.

     

• المنافذ: يشير المنفذ إلى اتصال محدد بين أجهزة الشبكة، مع تحديد كل منفذ برقم. إذا كان بإمكاننا تشبيه عنوان IP بعنوان فندق، فإن المنافذ هي أرقام الأجنحة والغرف داخل الفندق. تستخدم أجهزة الكمبيوتر أرقام المنافذ لتحديد التطبيق أو الخدمة أو العملية التي يجب أن تستقبل الرسائل.

• البوابات: البوابات هي الأجهزة التي تسهل الاتصال بين شبكتين مختلفتين. تستخدم أجهزة التوجيه، وجدار الحماية وأجهزة البوابة الأخرى محولات المعدل ومترجمات البروتوكول وغيرها من التقنيات الأخرى لجعل الاتصال بين الشبكات ممكناً بين الأجهزة غير المتوافقة.
  

تحدد بنية شبكة الكمبيوتر إطار العمل النظري لشبكة الحاسوب، بما في ذلك مبادئ التصميم وبروتوكولات الاتصالات.

الأنواع الأساسية لبُنى الشبكات

• بنية نظير إلى نظير (P2P): في بنية P2P، يتم توصيل جهازي كمبيوتر أو أكثر باعتبارهما "نظراء"، مما يعني أن لديهم نفس القوة والامتيازات على الشبكة. لا تتطلب شبكة نظير إلى نظير (P2P) خادمًا مركزيًا للتنسيق. وبدلاً من ذلك، يعمل كل كمبيوتر على الشبكة كعميل (كمبيوتر يحتاج إلى الوصول إلى خدمة ما) وكخادم (كمبيوتر يوفر الخدمات للعملاء). يقوم كل نظير على الشبكة بإتاحة بعض من موارده للأجهزة الأخرى على الشبكة، ومشاركة التخزين والذاكرة وعرض النطاق الترددي وطاقة المعالجة عبر الشبكة.

• بنية الخادم-العميل: في شبكة الخادم-العميل، يقوم خادم مركزي (أو مجموعة من الخوادم) بإدارة الموارد وتقديم الخدمات لأجهزة العملاء على الشبكة؛ ولا يقوم العملاء في هذه البنية بمشاركة مواردهم ويتفاعلون فقط من خلال الخادم. غالباً ما يطلق على بُنى الخادم-العميل اسم البنى المتدرجة بسبب تعدد طبقاتها.

• البنى الهجينة: تتضمن البنى الهجينة عناصر من كل من نماذج نظير إلى نظير (P2P) ونماذج الخادم-العميل.

في حين أن البنية تمثل إطار العمل النظري للشبكة، فإن الطوبولوجيا هي التطبيق العملي لإطار العمل البنيوي للشبكة. تصف طوبولوجيا الشبكة الترتيب المادي والمنطقي للعُقد والروابط على الشبكة، بما في ذلك جميع الأجهزة (أجهزة التوجيه والمحولات والكابلات) والبرمجيات (التطبيقات وأنظمة التشغيل) ووسائط الإرسال (الاتصالات السلكية أو اللاسلكية).

تتضمن طوبولوجيا الشبكات الشائعة الناقل والحلقة والنجمة والشبكة.

في طوبولوجيا شبكة الناقلات، يتم توصيل كل عقدة شبكة مباشرة بكابل رئيسي. في طوبولوجيا الشبكة الحلقية، تتصل العُقد في حلقة، بحيث يكون لكل جهاز جارَيْن بالضبط. يتم توصيل الأزواج المتجاورة بشكل مباشر، بينما يتم توصيل الأزواج غير المتجاورة بشكل غير مباشر من خلال عُقد وسيطة. طوبولوجيا الشبكة النجمية تحتوي على محور مركزي واحد تتصل من خلاله جميع العُقد بشكل غير مباشر.

تُعد طوبولوجيا الشبكات الشبكية أكثر تعقيدًا بعض الشيء، حيث يتم تعريفها من خلال الوصلات المتداخلة بين العُقد. هناك نوعان من الشبكات الشبكية -الشبكة الكاملة والشبكة الجزئية. في طوبولوجيا الشبكة الكاملة، تتصل كل عقدة شبكة بكل عقدة شبكة أخرى، مما يوفر أعلى مستوى من مرونة الشبكة. في طوبولوجيا الشبكة الجزئية، يتم توصيل بعض عُقد الشبكة فقط، وعادةً ما تكون تلك التي تتبادل البيانات بشكل متكرر.

يمكن أن تكون طوبولوجيا الشبكات الكاملة مكلفة وتستغرق وقتاً طويلاً في التشغيل، ولهذا السبب غالباً ما يتم حجزها للشبكات التي تتطلب تكراراً عالياً. من ناحية أخرى، توفر الشبكة الشبكية الجزئية تكرارًا أقل ولكنها أقل من حيث التكلفة وأبسط في التشغيل.

وبغض النظر عن النوع الفرعي، تتمتع الشبكات الشبكية بقدرات التكوين الذاتي والتنظيم الذاتي؛ فهي تعمل على أتمتة عملية التوجيه، بحيث تبحث الشبكة دائمًا عن أسرع مسار للبيانات وأكثرها موثوقية.

سواءً كانت مجموعة بروتوكول الإنترنت (IP) أو الإيثرنت أو الشبكة المحلية اللاسلكية (WLAN) أو معايير الاتصال الخلوي، فإن جميع شبكات الكمبيوتر تتبع بروتوكولات اتصالات—وهي مجموعات من القواعد التي يجب على كل عقدة على الشبكة اتباعها من أجل مشاركة البيانات واستقبالها. تعتمد البروتوكولات أيضًا على البوابات لتمكين الأجهزة غير المتوافقة من الاتصال (كمبيوتر يعمل بنظام Windows يحاول الوصول إلى خوادم Linux، على سبيل المثال)

تعمل العديد من الشبكات الحديثة على نماذج TCP/IP، والتي تتضمن أربع طبقات شبكة.

• طبقة الوصول إلى الشبكة. تتضمن طبقة الوصول إلى الشبكة لشبكة TCP/IP، والتي تسمى أيضاً طبقة ارتباط البيانات أو الطبقة المادية، البنية التحتية للشبكة (عناصر الأجهزة والبرمجيات) اللازمة للربط مع وسيط الشبكة. وهي تتعامل مع نقل البيانات المادية—باستخدام الإيثرنت وبروتوكولات مثل بروتوكول تحليل العنوان (ARP)—بين الأجهزة الموجودة على نفس الشبكة.

• طبقة الإنترنت. طبقة الإنترنت مسؤولة عن العنونة المنطقية والتوجيه وإعادة توجيه الحزم. وهي تعتمد بشكل أساسي على بروتوكول IP وبروتوكول رسائل التحكم في الإنترنت (ICMP) الذي يدير عنونة الحزم وتوجيها عبر الشبكات المختلفة.

• طبقة النقل. تتيح طبقة النقل TCP/IP إمكانية نقل البيانات بين الطبقات العليا والسفلى من الشبكة. وباستخدام بروتوكولي TCP وUDP، توفر أيضاً آليات للتحقق من الأخطاء والتحكم في التدفق.
  
  TCP هو بروتوكول يعتمد على الاتصال وهو أبطأ بشكل عام ولكنه أكثر موثوقية من UDP. أما UDP فهو بروتوكول غير قائم على الاتصال وهو أسرع من TCP ولكنه لا يوفر نقلاً مضموناً. تعمل بروتوكولات UDP على تسهيل نقل الحزمة من أجل التطبيقات الحساسة للوقت (مثل بث مقاطع الفيديو ومنصات الألعاب) وعمليات البحث في نظام أسماء النطاقات (DNS).

• طبقة التطبيق. تستخدم طبقة التطبيق في TCP/IP بروتوكول نقل النص الفائق HTTP وبروتوكول نقل الملفات FTP وبروتوكول مكتب البريد 3 (POP3) وبروتوكول نقل البريد البسيط SMTP وبروتوكولات نظام أسماء النطاقات DNS وبروتوكولات SSH لتوفير خدمات الشبكة مباشرة للتطبيقات. كما تدير كل البروتوكولات التي تدعم تطبيقات المستخدم. 

على الرغم من أن TCP/IP أكثر قابلية للتطبيق بشكل مباشر على الشبكات، إلا أن نموذج الربط البيني للأنظمة المفتوحة (OSI)—الذي يُطلق عليه أحيانًا النموذج المرجعي OSI—كان له أيضًا تأثير كبير على شبكات الكمبيوتر وعلوم الكمبيوتر بشكل عام.

إن نموذج الربط بين الأنظمة المفتوحة (OSI) هو نموذج مفاهيمي يقسم اتصالات الشبكة إلى سبع طبقات مجردة (بدلاً من أربع طبقات)، مما يوفر أساساً نظرياً يساعد المهندسين والمطورين على فهم تعقيدات اتصالات الشبكة. تكمن القيمة الأساسية لنموذج الربط بين الأنظمة المفتوحة في فائدته التعليمية ودوره كإطار عمل مفاهيمي لتصميم بروتوكولات جديدة، والتأكد من قدرتها على التفاعل مع الأنظمة والتقنيات الحالية.

ومع ذلك، فإن التركيز العملي لنموذج بروتوكول TCP/IP وقابليته للتطبيق على أرض الواقع جعلته العمود الفقري للشبكات الحديثة. وقد أدى تصميمه القوي والقابل للتوسع ونهج الطبقات الأفقية إلى النمو الهائل للإنترنت، واستيعاب مليارات الأجهزة والكميات الهائلة من حركة نقل البيانات.

باستخدام البريد الإلكتروني كمثال، دعنا نستعرض مثالاً على كيفية حركة البيانات عبر الشبكة.

إذا أراد أحد المستخدمين إرسال بريد إلكتروني، فإنه يقوم أولاً بكتابة البريد الإلكتروني ثم يضغط على زر "إرسال".  عندما يضغط المستخدم على "إرسال"، يستخدم بروتوكول SMTP أو POP3 شبكة الواي فاي الخاصة بالمرسل لتوجيه الرسالة من عقدة المرسل وعبر محولات الشبكة، حيث يتم ضغطها وتقسيمها إلى أجزاء أصغر فأصغر (وفي النهاية إلى وحدات بت، أو سلاسل تتراوح بين 1 و0 ثانية).

تقوم بوابات الشبكة بتوجيه دفق البت إلى شبكة المستلم، وتحويل البيانات وبروتوكولات الاتصال حسب الحاجة. عندما يصل تدفق البت إلى كمبيوتر المتلقي، تقوم نفس البروتوكولات بتوجيه بيانات البريد الإلكتروني عبر محولات الشبكة الموجودة على شبكة المتلقي. في هذه العملية، تقوم الشبكة بإعادة بناء الرسالة الأصلية حتى تصل رسالة البريد الإلكتروني في شكل مقروء للبشر في صندوق الوارد الخاص بالمستلم (العقدة المستقبلة).