۱. هدف اصلی شبکه و تاریخچه شکل‌گیری آن

راجع به شبکه و اینکه الگوی آن به چه صورتی است صحبت کردیم. هدف اصلی شبکه اشتراک‌گذاری منابع است. اشتراک منابع به دو دسته کلی تقسیم می‌شود:

1. منابع سخت‌افزاری
2. منابع نرم‌افزاری

داستان شکل‌گیری شبکه:

در سال‌های ابتدایی، پلتفرم‌ها بیشتر بر پایه سخت‌افزار بودند. در آن زمان دستگاه‌هایی (سرورها) وجود داشتند که فوق‌العاده گران‌قیمت بودند. برای اینکه افراد دیگر نیز بتوانند از این دیوایس‌ها و قدرت پردازشی آن‌ها استفاده کنند، از دیوایس‌های میانجی به نام ورک‌استیشن (Workstation) استفاده می‌کردند؛ به این شکل که افراد شبکه می‌ساختند و از طریق ورک‌استیشن‌ها به آن سرور گران‌قیمت متصل می‌شدند. نحوه و الگوی این اتصال در درس انتقال داده به‌طور کامل بررسی می‌شود.

۲. استفاده از بستر مخابراتی (مدل AT&T)

برای بحث اشتراک‌گذاری، از آنجا که پایه‌های اولیه این فناوری روی شرکت مخابراتی AT&T بنا شده بود و استانداردها را این شرکت تعریف می‌کرد، ساختارها بر اساس این قصه حرکت کردند.

الگویی که برای شبکه‌ها استفاده شد، مبتنی بر شبکه‌های مخابراتی بود. در شبکه‌های مخابراتی، چیزی که به عنوان بستر انتقال اطلاعات مطرح می‌شد، استفاده از شبکه‌های تلفن (کابل‌های مسی که بعدها به فیبر نوری تبدیل شدند) بود.

چالش آنالوگ و دیجیتال:

کامپیوتر همیشه ماهیتی دیجیتال داشته است، اما پلتفرم‌های اولیه شبکه و مدیاهای انتقال داده، ماهیت آنالوگ داشتند (هرچند امروزه پلتفرم‌های شبکه نیز دیجیتال شده‌اند).

حتی در محیط‌های دیجیتال نیز مشکلی وجود دارد: معمولاً جنس دیجیتال شبکه با جنس دیجیتال داخل کامپیوتر تفاوت دارد. به عنوان مثال، سطح ولتاژها (اینکه چه ولتاژی نشان‌دهنده سطح ۱ و چه ولتاژی نشان‌دهنده سطح ۰ باشد) در کامپیوتر ممکن است با شبکه متفاوت باشد. این موضوع حتی در شبکه‌های اپتیکال (نوری) نیز مطرح است.

ماژولار، دی‌ماژولار و مارشال کردن

این داستان باعث شد به صورت سنتی (Traditional) از یک دیوایس میانجی برای تبدیل این سیگنال‌ها استفاده کنیم؛ دیوایسی برای کار ماژولار و دی‌ماژولار کردن (Modulation/Demodulation). این ابزار همان مودم (Modem) یا کارت شبکه (NIC - Network Interface Card) است.

چه کسی این تبدیل را انجام دهد؟ سخت‌افزار یا نرم‌افزار؟
سال‌ها بر سر این موضوع بحث بود که ارتباط بین خودمان و پلتفرم شبکه بر عهده چه کسی باشد؟

• از دهه ۸۰ میلادی به این نتیجه رسیدیم که بهتر است این کار را به عهده سخت‌افزار بگذاریم.
• البته قانونی نیست که حتماً سخت‌افزاری باشد. برخی سیستم‌عامل‌ها (OS) نظیر خانواده BSD و به‌ویژه NET BSD (که کلاسی از خانواده برکلی‌ها هستند)، این عملیات را بیشتر به صورت نرم‌افزاری انجام می‌دهند.

مفهوم مارشال کردن (Marshalling): زمانی که پروتکل طوری باشد که هیچ تغییری در ذات دیتا ندهیم، بلکه فقط یک Wrapper (پوشش) دور دیتا بکشیم و آن را روی پلتفرم شبکه بفرستیم؛ شبکه هم در مقصد آن رپر را حذف کرده و دیتا را عیناً در اختیار سرور قرار دهد، به این کار اصطلاحاً «مارشال کردن» می‌گوییم.

۳. سازگاری (Compatibility) و چالش نسل‌های آدرس‌دهی

مفاهیمی که در شبکه شکل گرفته، بسیار ریشه‌ای هستند و باعث شده مفهومی به نام سازگاری (Compatibility) به وجود بیاید. شما نمی‌توانید در شبکه یک‌دفعه ساختار را به گونه‌ای به هم بزنید که دیوایس‌های گذشته نتوانند از شبکه فعلی استفاده کنند.

مثال: داستان IPv4 و IPv6

در پروتکل اینترنت (IP) روشی برای آدرس‌دهی ماشین‌ها وجود دارد. آرپانت نسخه اولیه ۱.۲ را داشت، سپس IPv4 مطرح شد (۴ عدد بین ۰ تا ۲۵۵). وقتی آدرس‌ها رو به اتمام رفت، نسخه ۶ یا IPv6 (با استاندارد I-Kon) مطرح شد.

همه دنیا خوشحال شدند که دیگر درگیری کلاس‌های A و B آدرس‌دهی تمام می‌شود.
اما چالش چه بود؟ ایده اولیه این بود که شروع می‌کنیم دیوایس‌های IPv6 می‌سازیم و سیستم را بالا می‌آوریم. اما اکنون در اینترنت با ملغمه‌ای از IPv4 و IPv6 مواجهیم! وقتی به ISP وصل می‌شویم و مشکل پیش می‌آید، پشتیبانی می‌گوید "IPv6 را غیرفعال کن!". دلیل آن این است که ما نمی‌توانیم دیوایس‌های بسیار زیادی که مبتنی بر شبکه‌های سنتی (Traditional Network) هستند و از نسل آرپانت یا قبل آن به جا مانده‌اند را دور بیندازیم؛ این دیوایس‌ها IPv6 را در Protocol Stack خود پشتیبانی نمی‌کنند و به همین دلیل مجبوریم با این ملغمه سر کنیم.

۴. طبقه‌بندی دوران‌های شبکه‌های کامپیوتری

بیشتر مفاهیم شبکه (مسیریابی، انتقال، جریان داده) ریشه در دوران تلنت و آرپانت دارند. دوران‌های شبکه به ترتیب عبارتند از:

1. دوران Distribution
2. دوران Telnet (ریموت اکسس‌ها)
3. دوران Arpanet
4. دوران Local Networks (شبکه‌های محلی)
5. دوران بازگشت به آرپانت (نام امروزی‌اش: Internet)

این شبکه‌ها را از منظر نوع اشتراک‌گذاری به صورت طیفی می‌توان دید:

• اگر کفه طیف بیشتر به سمت اشتراک‌گذاری سخت‌افزاری باشد ➔ دوران تلنتی
• اگر کفه طیف به سمت اشتراک‌گذاری نرم‌افزاری باشد ➔ دوران آرپانتی
• در اینترنت امروزی به ندرت منابع سخت‌افزاری به اشتراک گذاشته می‌شود و بیشتر تمرکز بر اشتراک نرم‌افزار است (مثل اتصال به سرور ادوبی برای انتقال Voice، ویدیو و تایپ دیتاها از طریق TCP).

۵. جزئیات دوران تلنت (Telnet)

دوران تلنت، دورانی است که شبکه‌ها با هدف اشتراک‌گذاری منابع سخت‌افزاری (مانند CPUهای بسیار گران‌قیمت) شکل گرفتند. در این روش (Remote Access) ما از یک ماشین از طریق مدیا به ماشین دیگری وصل می‌شویم تا از منابع سخت‌افزاری یا پردازشی آن ماشین استفاده کنیم.

مفهوم تاینی کلاینت (Tiny Client / Tiny Machine):
ما کامپیوتری داریم که قدرت سخت‌افزاری و محاسباتی آن نسبت به ماشین‌های سرور فوق‌العاده پایین‌تر است؛ به این ماشین‌ها تاینی کلاینت می‌گوییم. این دستگاه‌ها به ماشینی وصل می‌شوند که توانایی (Ability) مورد نیازشان را فراهم می‌کند.

چرا از تاینی کلاینت‌ها استفاده می‌شد؟
گاهی بحث فقط گرانی سخت‌افزار نیست، بلکه بحث یکپارچگی داده‌ها (Consistency) و اعمال قوانین (Rules) مشخص روی داده‌ها مطرح است.

مثال‌های دوران تلنت:

• سیستم‌های فروش بلیت هواپیما: یک ترمینال فروش (Tiny Terminal) در یک آژانس هواپیمایی، توانایی پردازش کامل یا انتخاب پرواز را به تنهایی ندارد. این دستگاه از طریق شبکه به سرور متصل می‌شود. سرور تمام توان پردازشی و لیست پروازها، تنظیمات بار (Baggage) و غیره را در اختیار دارد.
• درگاه‌های پرداخت (IPG): بعد از انتخاب بلیت، شما جهت پرداخت به شبکه شاپرک هدایت (Redirect) می‌شوید. در آنجا شما فقط امکان پرداخت دارید. پردازشِ شبکه شاپرک روی آن سرور بایند (Bound) شده است و در جای دیگر امکان‌پذیر نیست.
• بازی‌های استریم (Cloud Gaming): با یک سیستم ضعیف به سرور بازی وصل می‌شویم و از توان پردازشی CPU و GPU بسیار بالای آن سرور برای اجرای بازی استفاده می‌کنیم.

تاریخچه و ماندگاری تلنت:

پایه تلنت بسیار قدیمی است (حدود سال ۱۹۵۲ در ماشین‌های IBM شکل گرفت). امروزه هیچ سیستم‌عاملی وجود ندارد که تلنت و مشتقات آن (مثل SSH) را پشتیبانی نکند.

در زمان عرضه Windows XP، مایکروسافت مانور تبلیغاتی زیادی روی این قضیه داد که کاربران می‌توانند از راه دور مشکلات یکدیگر را حل کنند. آنها تلاش کردند ترکیبی از تلنت و آرپانت بسازند که کاملاً موفق نبود، اما بعدها اکستنشن‌ها و برنامه‌های ثانویه نظیر AnyDesk و TeamViewer این رسالت را به شکل مدرن بر عهده گرفتند.

۶. جزئیات دوران آرپانت (Arpanet)

سازندگان آرپانت از روز اول به دنبال هدفی فراتر از انتقال صرف دیتا بودند. هدف اولیه افرادی مانند «باران» (Paul Baran) این بود که از شبکه برای اجرای دستورالعمل‌ها (Instructions) استفاده کنند.

اما از آنجا که پیاده‌سازی دستورالعمل‌های کاملاً اجرایی سخت بود، آن را کمی سبک‌تر (Light) کردند:

• دستورالعملی که حالت اجرایی (Program Instruction) نداشته باشد، تبدیل می‌شود به داده متعارف (DATA).

در آرپانت به مرور این ایده شکل گرفت که به جای اجرای دستورالعمل‌ها، روی Data Sharing (اشتراک‌گذاری داده‌ها) تمرکز کنند. هرچند امروزه در حال بازگشت به ایده اولیه هستیم و شبکه‌های ما ترکیبی از هر دو رویکرد را استفاده می‌کنند.

۷. تقسیم‌بندی شبکه‌ها: LAN در مقابل WAN

شبکه‌ها از نظر دنیای آکادمیک و بازار (Industry) ترمینولوژی متفاوتی دارند. در کتاب‌ها شبکه‌ها بر اساس ابعاد و جغرافیا دسته‌بندی می‌شدند:

• LAN (Local Area Network): شبکه محلی
• WAN (Wide Area Network): شبکه گسترده (غیرمحلی)
• موارد کمتر رایج: OAN (Office Area Network), MAN (Metropolitan Area Network), SAN (Storage Area Network)

چالش در تعریف LAN:

در قدیم می‌گفتند ماشین‌ها تعدادشان کم باشد و در جغرافیای محدود باشند.
مثال: سیستم خدمات انفورماتیک شهرداری تهران که فناوری اطلاعات مرکزی و ۲۲ ناحیه را شامل می‌شود. در گذشته از آنتن‌های مایکروویو (همان قابلمه‌های سفید روی پشت‌بام‌ها) برای اتصال این ساختمان‌ها (مثلاً از تقاطع حافظ تا پارک شهر) استفاده می‌شد تا داده‌ها جابجا شوند.

اما دغدغه اصلی این است که مرز دقیق LAN کجاست؟

• از نظر تعداد: چند ماشین را LAN می‌گوییم؟ ۱۰۰۰ تا؟ ۱۲۵,۰۰۰ تا؟ یا ۱ میلیون؟
• از نظر جغرافیا: آیا منظور نتورک داخل یک ساختمان است؟ یا ارتباط بین دو ساختمان مجزا (که استاد چاوشی گفتند WAN است)؟ یا در سطح سازمان؟

هیچ مرجع دقیقی برای این تعاریف تا به الان ارائه نشده است و هر کتابی معیار متفاوتی گفته است. با این حال کلمه LAN در مارکت بسیار پرکاربرد است.

اما در نقطه مقابل، کلمه WAN به تدریج جای خود را به کلمه Internet داده است. در کتاب‌های مدرن (از ۲۰۱۵ به بعد)، کلمات LAN و WAN کمتر به کار می‌روند و بیشتر به مفاهیمی که در میانه شبکه وجود دارند مانند سوییچینگ (Switching)، روتینگ (Routing) و آدرسینگ (Addressing) پرداخته می‌شود. (کتاب شبکه تننباوم مرجع اصلی این مباحث در نظر گرفته می‌شود).

۸. سوئیچینگ مدار (Circuit Switching) و ایرادات آن

شبکه‌های سنتی که شرکت‌های مخابراتی استفاده می‌کردند، مبتنی بر سوییچینگ مدار (Circuit Switching) بودند.

نحوه کار: وقتی می‌خواستید با تلفن با «قلی» صحبت کنید، تماس شما به مراکز مخابراتی نزدیک (مراکز Dispatching) متصل می‌شد. این مراکز بر اساس توانایی (Ability) خودشان ارتباط را به مخابرات میانی و در نهایت به خانه قلی وصل می‌کردند. (این انتخابِ مسیر بر اساس Ability همان Routing است). در این حالت، یک مدار کاملاً اختصاصی (Dedicated) از خانه شما تا خانه قلی شکل می‌گرفت.

ایراداتی که باران و سریف به Circuit Switching گرفتند:

1. تفاوت جنس دیتا: جنس داده‌های کامپیوتری با صدای انسان (Voice) فرق دارد. در شبکه کامپیوتری، داده‌ها دائماً ارسال نمی‌شوند و ممکن است از همه ظرفیت خطِ اختصاص‌یافته استفاده نشود.
2. ناپایداری در صورت خرابی مسیر (Reliability): شبکه کامپیوتری و ابر میانی آن کاملاً غیرقابل اعتماد (Unreliable) است. در شبکه اصطلاحی داریم به نام "گاورن (Govern)": این ماشین تحت کنترل من است. اما ما روی ابر میانی کنترل و مالکیتی نداریم. اگر یک مدار اختصاصی شکل بگیرد و ناگهان بخش میانی از کار بیفتد، کل مدار از بین می‌رود و دسترسی ما به مقصد (قلی) کاملا قطع می‌شود.

این ایرادات ثابت کرد که رویکرد مخابراتی برای شبکه‌های کامپیوتری جذاب نیست.

۹. ظهور پکت سوییچینگ (Packet Switching) و راه‌حل‌های جایگزین

برای رفع ایرادات سوییچینگ مدار، در سیستم‌های ریموت دسکتاپ و یونیکسی قبل از آرپانت تلاش‌هایی صورت گرفت؛ رویکردهایی تحت عنوان Just-in-time، Time Orientation یا Event Orientation یونیکسی تا این پروتکل‌ها را بهبود بخشند، اما هیچ‌کدام نتوانستند آن دو ایراد اساسی سریف و باران را رفع کنند.

شبکه‌های شبه سوییچینگ مدار امروزی (QoS):

با این حال، شبکه‌های Circuit Switching هنوز هم جایگاه خود را دارند. زمانی که کیفیت خدمات (Quality of Service - QoS) اولویت بسیار بالایی داشته باشد.
مثال: زمانی که در نتفلیکس (Netflix) فیلم تماشا می‌کنید، قرار نیست ۳ فریم را از دست بدهید. به همین دلیل نتفلیکس با ISPها قرارداد می‌بندد و یک مدل «شبه Circuit Switching» برقرار می‌کند. از لحظه‌ای که فیلم را باز می‌کنید تا زمان اتمام آن، این نیمچه مدار اختصاصی برقرار است.

راه حل اصلی در آرپانت:

در نهایت، آرپانت نوع جدیدی از سوییچینگ را به عنوان پایه شبکه معرفی کرد که پکت سوییچینگ (Packet Switching) نام دارد (که بعداً در طول ترم بررسی می‌شود که چیست).