شبکه صنعتی

Industrial Network

شبکه در معنای عام به مسیری مشترک جهت برقراری ارتباط مابین تجهیزات مختلف اطلاق می‌گردد که از طریق آن، امکان تبادل اطلاعات و داده‌ها میان تجهیزات متصل به شبکه میسر می‌گردد. به بیان دقیق‌تر، مجموعه‌ای از تجهیزات که از طریق یک بستر فیزیکی با یکدیگر ارتباط دارند و از این طریق، تحت قوانین و مقرراتی مشخص، اطلاعات و داده‌ها را با یکدیگر تبادل می‌نمایند، یک شبکه را به وجود می‌آورند. از این تعریف می‌توان دریافت که ایجاد یک شبکه از هر نوع (IT، صنعتی)، نیازمند به‌کارگیری دو مجموعه مستقل از عناصر می‌باشد. مجموعه اول نظیر PC ها، PLC ها، کابل‌ها، ماژول‌های شبکه، هاب ها، روترها و … که ماهیت سخت‌افزاری دارند و زیرساخت فیزیکی شبکه را تشکیل می‌دهند و مجموعه دوم نظیر پروتکل‌های شبکه، مدل‌های آدرس‌دهی، سرویس‌های مربوط به دسترسی از راه دور، پروتکل‌های امنیتی و…که ماهیت نرم‌افزاری دارند و زیرساخت‌های منطقی شبکه را مهیا می‌سازند. شناخت مجموعه اول به دلیل ماهیت ملموس عناصر سخت‌افزاری و جایگاه هر یک از آن‌ها به‌سادگی قابل‌درک می‌باشد اما شناخت المان‌های مجموعه دوم نیاز به‌دقت نظر و مطالعه بیشتری دارد. در این بخش به تشریح مفاهیم مرتبط با شبکه، معرفی اجزاء و تجهیزات مورد استفاده در انواع شبکه های صنعتی و مقدمات و پیشنیازهای لازم جهت آشنایی با شبکه های صنعتی پرداخته می شود.

واسط انتقال

Transmission Media

واسط انتقال به‌عنوان اصلی‌ترین بخش زیرساخت سخت‌افزاری شبکه، نوعی اتصال فیزیکی میان ایستگاه‌های مختلف یک شبکه است که به‌واسطه آن، امکان تبادل داده‌ها میان ایستگاه‌های مختلف فراهم می‌گردد. در یک دسته‌بندی کلی، واسط‌های انتقال به دو دسته واسط‌های انتقال باسیم و بدون سیم تقسیم می‌شوند. کابل کواکسیال، کابل زوج سیمِ به هم تابیده‌شده (TP) و کابل فیبر نوری از معروف‌ترین و پرکاربردترین واسط‌های انتقال باسیم و امواج رادیویی، الکترومغناطیسی، ماهواره‌ای، مادون‌قرمز، بلوتوث و WiFi ازجمله واسط‌های انتقال بدون سیم به شمار می‌روند. از عوامل مؤثر در انتخاب واسط انتقال می‌توان به پهنای باند و سرعت انتقال داده‌ها، میزان تلفات، هزینه‌های طراحی، اجرا و نگهداری و میزان نویز پذیری از عوامل داخلی و خارجی اشاره نمود. در ادامه به تشریح ویژگی‌ها و قابلیت‌های کابل‌های TP و فیبر نوری که از کاربرد ویژه‌ای در شبکه‌های صنعتی برخوردار می‌باشند، پرداخته می‌شود.

کابل زوج سیم به هم تابیده‌شده (TP)

کابل‌های TP که امروزه از کاربرد گسترده‌ای در شبکه‌های ارتباطی و مخابراتی برخوردار می‌باشند، کابل‌هایی متشکل از چند زوج سیم به هم تابیده‌شده هستند که در ساختار آن‌ها هر زوج سیم، یک مدار انتقال داده جداگانه ایجاد می‌نماید. ازآنجاکه در اطراف یک سیم حامل جریان، یک میدان مغناطیسی به وجود می‌آید و میدان‌های مغناطیسی به علت وقوع پدیده‌ای موسوم به «Pick up» می‌توانند سبب خراب شدن داده‌های انتقالی از سیم‌های مجاور در کابل‌های TP گردند، در ساختار این کابل‌ها، زوج سیم‌ها به یکدیگر تابیده‌شده‌اند تا از این طریق میدان‌های مغناطیسی ایجادشده توسط هر یک از سیم‌ها، یکدیگر را خنثی نمایند. هرچه گام پیچش زوج سیم‌ها به یکدیگر بیشتر باشد، نویزپذیری آن‌ها در مقابل پدیده Pickup نیز کمتر خواهد بود. از سوی دیگر، وجود یک یا چند لایه حفاظتی فلزی دور زوج سیم‌ها که دو سر آن در دو سوی کابل به پتانسیل زمین متصل شده است می‌تواند اثرات میدان‌های مغناطیسی خارجی و نویز محیط را کاهش دهد، ازاین‌رو در ساختار فیزیکی برخی از کابل‌های TP، یک‌لایه حفاظتی دور تک‌تک زوج سیم‌ها و یک‌لایه حفاظتی دور مجموعه آن‌ها قرار داده می‌شود. پس به‌طور خلاصه در کابل‌های TP، زوج سیم‌ها با هدف حفاظت در برابر میدان‌های مغناطیسی داخلی درهم‌تنیده می‌شوند و از توری‌های فلزی و فویل در اطراف زوج سیم‌ها به‌منظور محافظت در مقابل میدان‌های مغناطیسی خارجی استفاده می‌گردد. در شکل زیر، ساختار فیزیکی و اجزاء تشکیل‌دهنده کابل‌های TP در کامل‌ترین حالت نشان داده شده است.

کابل‌های TP بر اساس برخورداری از لایه حفاظتی دور تک‌تک زوج سیم‌ها یا کل آن‌ها و همچنین نوع لایه حفاظتی (شیلد یا فویل فلزی)، انواع مختلفی دارند که از آن جمله می‌توان به کابل‌های زیر اشاره نمود :

  • Unshielded Twisted Pair (UT)
  • Shielded Twisted Pair (STP)
  • Foil Screened Twisted Pair (FTP)
  • Screened Shielded Twisted Pair (SSTP)
  • Screened Foiled Twisted Pair (SFTP)

با توجه به اسامی کابل‌های ذکر شده می‌توان دریافت چنانچه در ساختار فیزیکی کابل، از هیچ لایه‌های حفاظتی استفاده‌نشده باشد، کابل UTP یا U/UTP نام‌گذاری و در صورت استفاده از لایه‌های حفاظتی در ساختار این کابل‌ها بسته به نوع آن از حروف S و F به ترتیب برای شیلد و فویل فلزی در نام‌گذاری کابل TP استفاده می‌گردد. به‌عنوان مثال اگر از یک‌لایه شیلد فلزی به‌عنوان لایه محافظ خارجی و از یک‌لایه فویل آلومینیومی دور تک‌تک زوج سیم‌ها در ساختار کابل استفاده گردیده باشد، کابل به‌صورت SFTP نام‌گذاری می‌گردد. ذکر این نکته نیز لازم است که در صورت عدم استفاده از لایه محافظ خارجی، صرفاً نوع لایه محافظ داخلی با یک حرف در نام کابل معین می‌شود. انتقال داده در کابل‌های TP عمدتاً به سه شکل دو، چهار و هشت سیمه صورت می‌پذیرد. در روش دو سیمه (مانند کابل شبکه پروفی باس DP) از دو سیم برای ارسال و دریافت داده استفاده می گردد. در روش چهارسیمه از دو سیم برای ارسال داده‌ها (TX-,TX+) و از دو سیم برای دریافت داده‌ها (RX-,RX+) استفاده می‌گردد و می‌توان به پهنای باند تا ۱۰۰Mbps دست یافت، حال آنکه در روش هشت سیمه از چهار سیم برای ارسال داده‌ها و از چهار سیم برای دریافت داده‌ها استفاده می‌شود و پهنای باند تا ۴۰Gps دست‌یافتنی است. کابل‌های TP بر اساس سرعت انتقال داده، پهنای باند و ماکزیمم فاصله در طول زمان تکامل‌یافته‌اند و در قالب دسته‌های CAT1، CAT2، CAT3، CAT4، CAT5، CAT5e، CAT6، CAT6a، CAT7، CAT7a و CAT8 برای کاربردهای مختلف تفکیک گردیده‌اند. اطلاعات تمامی دسته‌های ذکر شده در جدول ‏زیر ارائه گردیده است. از آنجا که امروزه عمدتاً در کاربردهای مختلف انتقال داده از کابل‌های دسته CAT5e به بعد استفاده می‌گردد، در ادامه دو کابل UTP و STP به‌اختصار مورد بررسی قرار می‌گیرند.

·        کابل زوج سیم به هم تابیده‌شده بدون شیلد (UTP)

کابل UTP از ۴ یا ۸ رشته سیم در قالب ۲ یا ۴ زوج سیم به هم تابیده‌شده تشکیل‌شده که هر سیم با یک‌لایه عایق پوشانیده شده است. در این کابل برای محافظت از داده‌ها در مقابل تداخلات الکترومغناطیسی خارجی، تنها از ویژگی خنثی‌سازی میدانِ زوج سیم‌ها استفاده گردیده است. برای اتصال این نوع از کابل‌ها به تجهیزات شبکه، از کانکتورهای خاصی به نام (Registered Jack (RJ استفاده می‌شود که بسته به کاربرد انواع مختلفی دارند، برای مثال کانکتورهای RJ11 برای خطوط تلفن و کانکتورهای RJ45 برای اتصال کامپیوترها در شبکه‌های محلی (LAN) استفاده می‌شوند. ابعاد کوچک و قیمت پایین از نقاط قوت و نویزپذیری نسبتاً بالا، مهم‌ترین نقطه ضعف این سری از کابل‌ها به شمار می‌رود.

·        کابل‌های زوج سیم به هم تابیده‌شده شیلددار (STP)

کابل STP دارای ساختار مشابهی با کابل UTP می‌باشد با این تفاوت که در آن به‌منظور کاهش نویز و اثرات میدان‌های مغناطیسی خارجی از توری‌های فلزی (شیلد) دور زوج سیم‌ها استفاده‌شده است. نکته مهم به هنگام نصب کابل STP آن است که شیلد خارجی می‌بایست در هر دو انتها، به پتانسیل زمین متصل گردد تا محافظت در مقابل نویزها و میدان‌های مغناطیسی خارجی به حداکثر برسد. در صورت نصب نادرست یا عدم وجود زمین مناسب، این قابلیت می‌تواند نتیجه معکوسی به دنبال داشته باشد. هزینه بالاتر و نصب دشوارتر از نکات منفی و نویزپذیری کمتر و سرعت انتقال بالاتر از نکات مثبت کابل‌های STP نسبت به UTP به شمار می‌رود. با توجه به ویژگی نویزپذیری پایین، عمدتاً در کاربردهای صنعتی از کابل‌های STP استفاده می‌گردد.

کابل فیبر نوری

کابل فیبر نوری (به انگلیسی : Fiber Optic Cable)، رشته‌ای متشکل از تارهای بسیار نازک شیشه‌ای است که قطر هر یک از تارها به‌اندازه قطر یک تار موی انسان است. تارهای فوق در کلاف هائی سازمان‌دهی و کابل‌های نوری را به وجود می‌آورند. انتقال داده‌ها در خطوط فیبر نوری به روش تابش امواج نوری میان آیینه‌های موجود در فیبر صورت می‌گیرد. نور در کابل فیبر نوری از طریق هسته منتقل می‌شود و در نقاط خمش، از طریق لایه آیینه‌ای به هسته برگشت داده می‌شود. از آنجا که لایه آیینه‌ای قادر به جذب نور موجود در هسته نیست، نور قادر به حرکت در مسافت‌های طولانی می‌باشد. به‌منظور اتصال کابل فیبر نوری به دستگاه‌های الکتریکی در ابتدا و انتهای کابل، به مبدل سیگنال‌های الکتریکی به امواج نوری یا بلعکس نیاز می‌باشد. فیبر نوری از مزایایی همچون پهنای باند بالا، عدم نویزپذیری، مصرف برق پایین و اتلاف اندک، سایز کوچک‌تر و وزن سبک‌تر برخوردار می‌باشد ولی هزینه نصب و راه‌اندازی شبکه‌های انتقال داده با استفاده از کابل‌های فیبر نوری در حال حاضر نسبتاً گران است و این امر، استفاده از آن را به کاربردهای خاصی محدود می‌نماید.

پروتکل

Protocol

یکی از مهم‌ترین مفاهیم در زیرساخت منطقی یک شبکه، مفهوم پروتکل است. پروتکل به مجموعه‌ای از روش‌ها و ضوابط ارتباطی اطلاق می‌گردد که بین ایستگاه‌های مختلف یکسان است و توسط آن تجهیزات مختلفِ متصل به شبکه، می‌توانند با موفقیت با یکدیگر ارتباط برقرار نمایند. پروتکل، نوع مدولاسیون، نوع واسطه‌های الکتریکی، راه‌های برطرف کردن مشکلات، خطاها و نویزهای شبکه را مشخص می‌نماید. به‌منظور روشن‌تر شدن بحث، فرض کنید دو فرد قصد برقراری ارتباط کلامی با یکدیگر دارند. بدیهی است که لازمه این امر، آن است که هر دو فرد با دستورالعمل به‌کارگیری یک زبان مشترک (مثلاً زبان فارسی) و دایره لغات آن آشنایی کامل داشته باشند. درواقع زبان مشترک، مجموعه‌ای از قواعد و مقررات است که امکان برقراری ارتباط مابین دو فرد را مهیا می‌سازد. در این مثال زبان مشترک بین دو فرد را می‌توان به یک پروتکل ارتباطی مابین دو تجهیز در یک شبکه تشبیه نمود. ضمناً علاوه بر زبان مشترک، گوش و زبان، ابزارهای سخت‌افزاری برقراری ارتباط مابین دو فرد می‌باشند که بدون آن‌ها برقراری ارتباط میسر نخواهد بود. به همین شکل دو تجهیز در یک شبکه نیز علاوه بر یک بستر سخت‌افزاری همچون یک کابل به ارسال‌کننده و دریافت‌کننده اطلاعات جهت برقراری ارتباط نیازمند هستند. به‌منظور اجرای بهتر پروتکل‌های حاکم بر انتقال داده‌ها در شبکه‌های مختلف، ایده لایه‌بندی پروتکل‌ها مطرح‌شده است. مدل OSI که نام خود را به اختصار از عبارت Open Systems Interconnection تحصیل نموده، توسط دو سازمان IEEE و ISO تهیه‌شده و به‌عنوان یک استاندارد مرجع در این زمینه مطرح گردیده است. در این مدل، از هفت لایه برای تشریح فرآیندهای مربوط به ارتباطات شبکه‌ای استفاده می‌گردد. هریک از لایه‌ها مسئولیت انجام عملیات خاصی را بر عهده دارند و معیار و شاخص اصلی این تقسیم‌بندی، عملیات مشخصی است که می‌بایست در هر لایه صورت پذیرد. در شکل زیر، هفت لایه تشکیل‌دهنده مدل OSI نشان داده شده است.

 طبق ایده لایه‌بندی پروتکل‌ها، مسئولیت اجرای هر بخش از قوانین پروتکل به عهده یک‌لایه معین گذاشته‌شده است و با قرار گرفتن لایه‌ها به دنبال یکدیگر به‌طوری‌که سلسله‌مراتب اجرای پروتکل نیز رعایت شود، انتقال اطلاعات در شبکه به شکل صحیح صورت خواهد پذیرفت. بسته‌های اطلاعات برای انتقال از یک ایستگاه به ایستگاه دیگر به ترتیب از لایه‌هایی که وظیفه آن‌ها هدایت اطلاعات به شکل صحیح می‌باشد عبور می‌کنند و بر روی کابل شبکه قرار می‌گیرند. پس ‌از انتقال بسته‌های اطلاعاتی به کابل و رسیدن به مقصد مجدداً با عبور از لایه‌ها و اعمال قوانین، اطلاعات در مقصد پیاده‌سازی می‌شوند. توجه گردد که این لایه‌ها به‌طور فیزیکی وجود ندارند اما پروتکل‌ها دارای وجود خارجی هستند. صحبت پیرامون لایه‌ها و تشریح وظایف و نحوه عملکرد آن‌ها از حوصله این نوشتار خارج است بااین‌حال در ادامه توضیح مختصری از عملکرد هرکدام از لایه‌ها ارائه می‌گردد :

لایه اول یا لایه فیزیکی (به انگلیسی : Physical Layer)، فعالیت‌های مربوط به انتقال سیگنال‌های الکتریکی به واسط انتقال را بر عهده دارد. این لایه مسئولیتی در قبال وقوع خطا و یا محتوی داده‌ها ندارد و تنها بستر مناسب برای انتقال اطلاعات را فراهم می‌کند. به‌عبارت‌دیگر، وظیفه ارسال و دریافت صحیح بیت‌های بسته‌های داده به عهده این لایه است یعنی اگر فرستنده بیتی با مقدار یک منطقی بفرستد گیرنده نیز باید همان یک منطقی را دریافت کند. بدیهی است این بیت‌ها در این لایه مفهوم خاصی ندارند و این لایه اطلاعی از آنچه ارسال یا دریافت می‌شود، ندارد. ارسال اطلاعات در این لایه ممکن است به‌صورت سری (مانند پروتکل RS232) یا به‌صورت موازی (مانند پروتکل RS485) باشد. قراردادهای مربوط به شکل موج‌های ولتاژ و جریان در خط، نوع مدولاسیون و فرکانس کار، مربوط به این لایه است.

لایه دوم که به لایه پیوند داده (به انگلیسی : Data Link Layer) مشهور است، نظارت بر صحت انتقال داده‌ها از یک ایستگاه به ایستگاه دیگر را بر عهده دارد. این لایه در سمت فرستنده، لایه بالاتر از خود را مجبور به تقسیم نمودن داده‌ها به تعدادی بسته داده نموده و سپس این بسته‌ها را به ترتیب برای گیرنده ارسال می‌نماید. تشخیص محدوده بسته‌ها بر عهده این لایه است و همان‌طور که ذکر شد لایه فیزیکی این محدوده را تشخیص نمی‌دهد. به‌طور خلاصه، مهم‌ترین وظایف این لایه عبارت است از:

  • تشخیص محدوده بسته‌ها: برای این منظور از روش‌هایی همچون درج فواصل زمانی بین بسته‌ها (روش سنکرون)، استفاده از بیت شروع و پایان برای هر بایت از بسته داده (روش آسنکرون) و استفاده از یک بایت مشخص در ابتدا و انتهای هر بسته داده استفاده می‌شود.
  • آشکارسازی و تصحیح خطا به هنگام گم‌شدن یا خراب شدن بسته‌های داده: در اینجا منظور از گم‌شدن بسته داده، عدم امکان تحویل گیری بسته داده به دلیل وقوع اشکال سخت‌افزاری در گیرنده و منظور از خراب شدن، از بین رفتن محتوی بسته‌های داده بر اثر عواملی همچون نویز، تضعیف سیگنال و… می‌باشد.
  • برقراری سرویس‌های ارتباطی (SDA، SDN و SRD): در سرویس SDA، داده از یک ایستگاه به ایستگاه دیگر ارسال می‌شود و پس از اتمام ارسال، تائید دریافت از طرف گیرنده به فرستنده اعلام می‌شود. در سرویس SDN، سه قابلیت ارسال داده از یک ایستگاه به ایستگاه دیگر (به انگلیسی : Peer to Peer)، از یک ایستگاه به چند ایستگاه دیگر (به انگلیسی : Multicast) و از یک ایستگاه به تمام ایستگاه‌های متصل به باس (به انگلیسی : Broadcast) وجود دارد. در سرویس SRD، داده از یک ایستگاه به یک ایستگاه دیگر منتقل‌شده و بلافاصله از آن ایستگاه، وضعیت داده درخواست می‌شود. اگر در حین این عملیات خطایی رخ دهد، تبادل داده تکرار می‌شود.
  • کنترل جریان انتقال داده: به هنگام تبادل اطلاعات، اگر بافر گیرنده به دلیلی مانند عدم تطابق سرعت فرستنده و گیرنده پر شود باید به نحوی فرستنده را مطلع نماید تا از ارسال داده‌های جدید خودداری کند. این کار هم به‌صورت نرم‌افزاری و هم سخت‌افزاری در این لایه قابل‌اجرا می‌باشد.

لایه سوم یا لایه شبکه (به انگلیسی : Network Layer) مسئول مسیریابی و هدایت صحیح بسته‌های اطلاعاتی در یک شبکه است. رفع ترافیک و تراکم بسته‌ها و جلوگیری از به وجود آمدن این مشکل در شبکه به عهده این لایه می‌باشد. لایه چهارم یا لایه انتقال (به انگلیسی : Transport Layer)، وظیفه تقسیم داده‌ها به بسته‌های کوچک‌تر، آشکارسازی خطاهای رخ‌داده در بسته اطلاعاتی به هنگام انتقال، نظم دادن و مرتب کردن بسته‌های دریافت شده را بر عهده دارد. لایه پنجم یا لایه جلسه (به انگلیسی : Session Layer)، با استفاده از تکنیک‌های محاوره‌ای، تبادل اطلاعات بین ایستگاه‌ها را هماهنگ می‌نماید. توسط این لایه امکان ایجاد ارتباط مشترک بین چند کاربر متفاوت در شبکه فراهم می‌شود. لایه ششم یا لایه نمایش (به انگلیسی : Presentation Layer)، مسئول کدگذاری داده‌ها، استانداردسازی قالب داده‌ها جهت ارسال در شبکه و مسئول بررسی ساختار دستوری و معنایی انتقال داده می‌باشد. فشرده‌سازی و رمزگذاری به‌منظور حفاظت اطلاعات نیز به عهده این لایه است. لایه هفتم یا لایه کاربرد (به انگلیسی : Application Layer) که بالاترین لایه است، واسط ارتباطی بین کاربر (برای ارسال یا دریافت) با سایر لایه‌هاست. ساختار این لایه به نوع سیستم‌عامل تجهیز متصل به شبکه بستگی دارد. خدمات مربوط به انتقال فایل و پست الکترونیکی در این لایه قرار دارد. لازم به ذکر است لایه‌های اول تا سوم، لایه‌های نرم‌افزاری و سخت‌افزاری و لایه‌های چهارم تا هفتم لایه‌های کاملاً نرم‌افزاری می‌باشند و به‌صورت کدهای ماشینی و در سیستم‌عامل‌ها قرار دارند. از پروتکل‌های معروف لایه فیزیکی برای انتقال سیگنال‌های الکتریکی می‌توان به RS232، RS485، H1 و H2، از پروتکل‌های معروف لایه پیوند داده‌ها می‌توان به SDLC، HDLC، LAPB، SLIP و از پروتکل‌های معروف لایه شبکه و انتقال به ترتیب می‌توان به TCP/IP و TCP اشاره نمود.

توپولوژی شبکه

Network Topology

منظور از توپولوژی یک شبکه، طریقه‌ی اتصال و مدل هندسی چینش ایستگاه‌های آن شبکه است. به‌عبارت‌دیگر، به آرایش فیزیکی اجزای یک شبکه و نحوه اتصال آن‌ها به یکدیگر، توپولوژی آن شبکه گفته می‌شود. به‌طورکلی، پنج توپولوژی باس (خطی)، حلقوی، ستاره‌ای، درختی و سرند در پیاده‌سازی شبکه‌های صنعتی مورداستفاده قرار می‌گیرند که این پنج توپولوژی به‌صورت شماتیک در شکل زیر نشان داده‌شده‌اند.

توپولوژی باس (خطی)

توپولوژی باس یا خطی (به انگلیسی : Bus or Line Topology)، ساده‌ترین و متداول‌ترین آرایش پیاده‌سازی شبکه است که به‌راحتی قابل توسعه بوده و هزینه پایین‌تری نسبت به سایر روش‌ها دارد. در این روش تمامی ایستگاه‌ها، روی یک کابل شبکه به‌صورت سری قرار می‌گیرند و ابتدا و انتهای کابل توسط مقاومت‌هایی به نام «Terminator» به زمین متصل می‌گردند تا از بازتاب سیگنال‌های شبکه و ایجاد اختلال در عملکرد شبکه جلوگیری شود. مهم‌ترین نقطه ضعف این توپولوژی، قابلیت اطمینان پایین آن است چرا که با بروز اشکال در کابل یا یکی از ایستگاه‌ها، در حالت خوش‌بینانه بخشی از شبکه از مدار خارج می‌شود. همچنین عیب‌یابی این توپولوژی دشوار است. در شبکه‌های صنعتی، توپولوژی باس خود به سه شکل زیر، قابل‌اجرا می‌باشد:

·        توپولوژی باس به‌صورت «Tap and Drop»

در این توپولوژی همان‌طور که در شکل زیر نشان داده شده است، هر ایستگاه توسط کانکتورهای T شکل به باس متصل شده است. کابلی که ارتباط ایستگاه با باس را برقرار می‌کند «کابل Drop» نامیده می‌شود. در این روش، اگر کابل Drop قطع شود یا ایستگاه متصل به آن دچار مشکل گردد، تنها همان ایستگاه از شبکه خارج می‌شود و کل شبکه قطع نمی‌گردد، اما اگر کابل اصلی شبکه قطع شود کل شبکه از کار می‌افتد. در اجرای این آرایش می‌بایست دقت شود طول کابل Drop از مقدار مجاز بیشتر و فاصله بین دو انشعاب، از حد مجاز کمتر نباشد. دو سوی باس نیز باید با مقاومت Terminator پایان یابد.

·        توپولوژی باس به‌صورت زنجیری (به انگلیسی : Daisy Chain)

در این توپولوژی باس، کابل Drop وجود ندارد و باس شبکه از همان نقطه اتصال به ایستگاه (از داخل کانکتور) ادامه می‌یابد. در این روش، کانکتور شبکه دارای یک ورودی و یک خروجی می‌باشد که بدین شکل ایستگاه به باس متصل می‌شود و شبکه ادامه می‌یابد. در این حالت اگر ایستگاه یا کانکتور آن دچار اشکال شود شبکه از آن ایستگاه به بعد قطع می‌شود. در این حالت می‌توان با فعال کردن Terminator آن ایستگاه، ادامه شبکه را حذف و از بقیه شبکه استفاده نمود. این آرایش نیز مانند توپولوژی به‌صورت Tap and Drop قابلیت اطمینان پایینی دارد، اما روش رایج و عمومی در پیاده‌سازی توپولوژی باس برای اکثر شبکه‌های صنعتی همچون پروفی باس می‌باشد.

·       توپولوژی باس به‌صورت Regenerative

این توپولوژی نیز مشابه توپولوژی باس به‌صورت زنجیری است با این تفاوت که در این حالت، اتصال ایستگاه به تجهیز بجای کانکتور از طریق خود ایستگاه صورت می‌پذیرد، به‌عبارت‌دیگر، ایستگاه دارای دو پورت ورودی و خروجی است که کابل شبکه بدان متصل می‌شود. در این حالت اگر تجهیز دچار مشکل شود کل شبکه دچار مشکل می‌شود.

توپولوژی حلقوی

درصورتی‌که ابتدا و انتهای شبکه‌ای با توپولوژی باس به‌صورت مناسب به هم متصل گردند، توپولوژی حاصل، توپولوژی حلقوی (به انگلیسی : Ring Topology) نام خواهد داشت. این آرایش نسبت به آرایش باس، قابلیت اطمینان بالاتری دارد و درصورتی‌که کابل شبکه از یک نقطه قطع شود می‌توان با دو Terminator آن را به آرایش باس تبدیل و از آن استفاده نمود.

توپولوژی ستاره‌ای

در توپولوژی ستاره ای (به انگلیسی : Star Topology)، هر ایستگاه با کابل مجزا به سوئیچ و از طریق سوئیچ به ایستگاه مرکزی متصل می‌شود، مانند یک شبکه کامپیوتری که تمامی PC ها از طریق یک Hub Switch به یک سرور مرکزی متصل گردیده‌اند. در این آرایش در صورت بروز هرگونه اشکال در یک ایستگاه، صرفاً همان ایستگاه از مدار خارج می‌شود. بدیهی است که این روش، قابلیت اطمینان بیشتری نسبت به روش‌های قبلی دارد اما این امر مستلزم اجرای کابل‌کشی و هزینه بیشتری می‌باشد.

توپولوژی درختی

در توپولوژی درختی (به انگلیسی : Tree Topology) که ترکیبی از دو توپولوژی باس و توپولوژی ستاره‌ای است، ساختاری شبیه به یک درخت دارد و از مزایای آن دو توپولوژی به‌صورت توأم نیز برخوردار می‌باشد.

توپولوژی سرند

در توپولوژی سرند (به انگلیسی : Mesh Topology)، تمام ایستگاه‌ها با یکدیگر از طریق کابل مستقلی ارتباط دارند. قابلیت اطمینان آن بسیار بالا، عیب‌یابی آن مشکل و انعطاف‌پذیری آن بسیار پایین است و در عمل بندرت از آن استفاده می‌شود.

تکنیک‌های دسترسی به شبکه

Access Techniques

تکنیک دسترسی به شبکه، روشی است که توسط آن، یک ایستگاه می‌تواند باس شبکه را در اختیار گرفته و به تبادل داده با سایر ایستگاه‌ها بپردازد. به‌طورکلی، سه تکنیک دسترسی رئیس و مرئوس، انتقال علامت و CSMA/CD از بیشترین کاربرد در شبکه‌های صنعتی برخوردار می‌باشند که در ادامه به‌اختصار تبیین می‌گردند.

تکنیک ‌رئیس و مرئوس

تکنیک رئیس و مرئوس (به انگلیسی : (Master/Slave)) یکی از رایج‌ترین تکنیک‌های مورداستفاده در شبکه‌های صنعتی می‌باشد. در این تکنیک، از میان تمامی ایستگاه‌های متصل به باس، تنها یک ایستگاه به‌عنوان ایستگاه Master و سایر ایستگاه‌ها به‌عنوان ایستگاه Slave معین می‌گردند. باس شبکه همواره در اختیار ایستگاه Master است و Slave ها تنها در صورت اجازه Master، از امکان دسترسی به آن برخوردار می‌گردند. در این تکنیک، Master به‌صورت سیکلی با Slave ها به‌صورت یکی پس از دیگری ارتباط برقرار می‌نماید و به آن‌ها اجازه ارسال یا دریافت داده‌ها را می‌دهد. از آنجا که در شبکه، هر ایستگاه دارای آدرس منحصربه‌فردی می‌باشد گرچه ایستگاه‌های Slave، به‌تمامی پیام‌های ارسالی Master دسترسی دارند اما تنها پیام‌های مرتبط با آدرس خود را بررسی و به آن‌ها پاسخ می‌دهند.

تکنیک انتقال علامت

تکنیک انتقال علامت (به انگلیسی : Token Ring)، از دیگر روش‌های پرکاربرد دسترسی به شبکه است که در آن برخلاف روش رئیس و مرئوس می‌توان از بین ایستگاه‌های متصل به باس، چند ایستگاه را به‌عنوان ایستگاه Master معرفی نمود. در این روش، مفهومی بنام «Token» که معادل یک پاکت خالی است، مابین ایستگاه‌های Master در شبکه می‌چرخد و یک حلقه منطقی را ایجاد می‌نماید. وقتی Token در اختیار یک ایستگاه  Master قرار گیرد، سایر ایستگاه‌ها نمی‌توانند باس را در اختیار بگیرند و Master می‌تواند با مشخص نمودن آدرس ایستگاه مدنظر و قرار دادن اطلاعات مربوطه در Token و رها نمودن آن در باس، با ایستگاه مشخص‌شده تبادل داده نماید. در این حالت، وقتی Token به ایستگاهی می‌رسد نخست آدرس آن بررسی می‌گردد، چنانچه آدرس خوانده‌شده با آدرس ایستگاه برابر باشد، تبادل اطلاعات صورت می‌پذیرد و در غیر این صورت، Token به ایستگاه بعدی فرستاده می‌شود و این سیکل به‌صورت پیوسته تکرار می‌گردد. چرخش Token در شبکه به‌صورت یک‌طرفه و از آدرس پایین‌تر به سمت آدرس بالاتر می‌باشد. وقتی Token به بالاترین آدرس رسید، مجدداً به کوچک‌ترین آدرس تحویل داده می‌شود. ضمناً چنانچه ایستگاهی از حلقه خارج شود و یا ایستگاه جدیدی به حلقه وارد شود، سیستم نوبت‌دهی بسته به آدرس ایستگاه‌ها بروز می‌شود.

امکان استفاده از ترکیبی از دو تکنیک انتقال علامت و رئیس و مرئوس در قالب تکنیکی موسوم به «Hybrid » وجود دارد. در این تکنیک، وقتی Token در اختیار یک Master قرار می‌گیرد، می‌تواند با Slave های مربوط به خود تبادل داده نماید. بعلاوه به هنگام جابجایی Token مابین Master ها، امکان تبادل اطلاعات مابین Master ها نیز فراهم می‌شود. شمای کلی این تکنیک در شکل زیر نشان داده شده است.

تکنیک‌ دسترسی CSMA/CD

در تکنیک دسترسی چندگانه با قابلیت شنود سیگنال حامل و تشخیص تصادم (به انگلیسی : (Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection (CSMA/CD) که به تکنیک گوش دادن به خط نیز شناخته می‌شود، محدودیت‌های دو تکنیک قبلی برداشته‌شده است و در صورت خالی بودن باس، تمامی ایستگاه‌ها می‌توانند باس را در اختیار بگیرند. در این تکنیک، هر ایستگاه به‌صورت پیوسته وضعیت باس را بررسی می‌نماید تا از خالی بودن آن اطلاع حاصل نماید و به‌محض تشخیص خالی بودن باس، آن را در اختیار می‌گیرد. از آنجا که ممکن است دو ایستگاه به‌صورت هم‌زمان، به در اختیار گرفتن باس اقدام نمایند و پدیده‌ای موسوم به تصادم (به انگلیسی : Collision) رخ دهد، از روش آشکارسازی تصادم نیز در این تکنیک استفاده می‌شود. بر مبنای این روش، زمانی که تصادم رخ می‌دهد سطح ولتاژ باس تغییر می‌کند و تمامی ایستگاه‌ها از وقوع آن مطلع می‌شوند و پس از وقوع تصادم به مدت‌زمان مشخصی، تمامی ایستگاه‌ها در وضعیت انتظار قرار می‌گیرند. پس از اتمام زمان انتظار، ایستگاه‌ها با انتخاب یک بازه زمانی تصادفی مجدداً اقدام به بررسی وضعیت باس می‌نمایند و درصورتی‌که باس خالی باشد آن را در اختیار می‌گیرند. درصورتی‌که مجدداً پدیده تصادم روی دهد، بازه‌های زمانی تصادفی به میزان دو برابر افزایش می‌یابد. بدیهی است پدیده تصادم در این روش با افزایش تعداد ایستگاه‌ها افزایش می‌یابد و کارایی شبکه را تحت تأثیر قرار می‌دهد. ازاین‌رو به‌منظور افزایش کارایی این تکنیک، فرم تکامل‌یافته آن با عنوان تکنیک دسترسی چندگانه با قابلیت شنود سیگنال حامل و اجتناب از تصادم (به انگلیسی : (Carrier Sense Multiple Access With Collision Avoidance (CSMA/CA) ارائه گردیده است. در این روش با اولویت‌بندی ایستگاه‌ها، از وقوع تصادم جلوگیری می‌شود. به‌عبارت‌دیگر در این حالت زمانی که تصادم رخ می‌دهد هر ایستگاهی که دارای اولویت بالاتری باشد، باس را در اختیار می‌گیرد.