پل شبکه یا بریج (Bridge) چیست، چه کاربردی دارد و چگونه کار می‌کند؟

پل یا بریج (Bridge) چیست؟

پل شبکه یا بریج (Bridge) دستگاهی است که شبکه را به دو یا چند بخش مجزا یا اصطلاحا سگمنت مجزا تقسیم می‌کند. از دیدگاهی دیگر، بریج دو یا چند سگمنت را به هم متصل می‌کند و شبکه واحدی تشکیل می‌دهد. برای مثال، بریج می‌تواند یک شبکه بزرگ را به دو بخش یا اصطلاحا به دو سگمنت کوچکتر تقسیم کند و با این شیوه، ترافیک کلی شبکه و احتمال برخورد فریم‌ها (frame) در شبکه را کاهش دهد. تقسیم شبکه به سگمنت‌های مجزا به افزایش بازده و امنیت شبکه کمک می‌کند.

پل یا بریج شبکه چه کاربرد و اهمیتی دارد؟

در گذشته‌ بسیاری از شبکه‌ها یا با هم‌بندی خطی (Bus) و یا با استفاده از هاب (Hub) پیاده‌سازی می‌شدند. مشکل شبکه خطی این بود برای تبادل داده در شبکه، سامانه مدیریتی متمرکزی نداشت. هاب نیز با این‌که در مرکز شبکه جای می‌گرفت و گره‌ها را در یک نقطه تجمیع می‌کرد، اما نمی‌توانست نشانی سخت‌افزاری یا آدرس مک¹ گره‌ها را بخواند. ضمنا هاب تمام گره‌های حول خود را یک سگمنت واحد و یک‌پارچه در نظر می‌گرفت. لذا عیب هر دو گزینه این بود که وقتی یکی از گره‌ها برای گره دیگری در شبکه پیغام می‌فرستاد، پیغام در شبکه پخش یا اصطلاحا برودکست می‌شد، یعنی نسخه‌ای از آن پیغام به تمام دیگر گره‌های شبکه نیز ارسال می‌شد، هرچند که نهایتا فقط گیرنده واقعی می‌توانست آن را بخواند.

هم‌بندی خطی (bus) و یا استفاده از هاب در شبکه‌های کوچک مشکل چندانی ایجاد نمی‌کرد اما برای شبکه‌های بزرگ دردسرساز بود. مثلا اگر شبکه‌ای 100 گره می‌داشت، هر بار که یکی از گره‌ها می‌خواست برای گره دیگر پیغامی بفرستد، آن پیغام باید برای 99 گره شبکه ارسال می‌شد. بدیهی است که چنین شیوه‌ای‌ برای شبکه، مشکلات و ترافیک سنگین و بیهوده‌ای ایجاد می‌کرد.

برای مثال، تصویر 1 را ببینید. تصویر 1 شبکه‌ای با هم‌بندی یا توپولوژی خطی (Bus) را نشان می‌دهد. وقتی رایانه PC 1 می‌خواهد برای رایانه PC 8 داده‌ای بفرستد، آن داده در تمام شبکه تکثیر و به تمام دیگر گره‌ها نیز ارسال می‌شود.

تصویر1. شبکه‌ای با هم‌بندی خطی (Bus) بدون استفاده از پل شبکه یا بریج 

در شبکه تصویر 1 حتی اگر از هاب استفاده می‌شد نیز مشکل تکثیر و پخش فریم در شبکه رفع نمی‌شد زیرا هاب نیز فریم دریافتی از گره مبدا را در شبکه تکثیر و پخش می‌کند.

پل شبکه یا بریج مشکلات یادشده را تا حد چشمگیری کاهش می‌دهد. بریج دست‌کم دو مزیت مهم دارد:

1. می‌تواند آدرس‌های مک گره‌های شبکه را یاد بگیرد و آن‌‌ها را در حافظه‌‌اش ذخیره کند.
2. می‌تواند شبکه را دست‌کم به دو بخش یا اصطلاحا دو سگمنت جداگانه تقسیم ‌کند.

درنتیجه، وقتی گره‌ای برای گره دیگری در شبکه پیغام می‌فرستد، بریج می‌تواند آدرس مک گره مقصد را که در پیغام درج شده است بخواند و تشخیص دهد که گره مقصد در کدام سگمنت جای گرفته است. پس از آن، بریج پیغام دریافتی از گره مبدا را فقط به‌ سگمنتی می‌فرستد که گره مقصد در آن جای دارد. در این‌صورت، ترافیک شبکه‌ای با دو سگمنت، به نصف کاهش می‌یابد، زیرا از پخش یا اصطلاحا flooding فریم در سگمنت نامربوط جلوگیری می‌شود (تصویر 2).

پل یا بریج (bridge) چگونه در شبکه کار می‌کند؟

پل یا بریج‌ شبکه، داده‌ها را به‌شکل فریم (frame) دریافت و ارسال می‌کند. آدرس‌های مک نیز در جایی موسوم به جدول آدرس‌های مک در حافظه بریج ذخیره می‌شوند. 

وقتی بریج نخستین بار در شبکه روشن می‌شود، جدول آدرس‌های مک آن خالی است، یعنی هیچ‌یک از گره‌‌ها را نمی‌شناسد. لذا اوایل کار مانند هاب، فریم‌های ارسالی از هر گره را بین تمام دیگر گره‌ها (جز گره مبدا) پخش می‌کند تا نهایتا گره مقصد، پس از مطابقت دادن آدرس فریم با آدرس خودش، فریم را دریافت کند. هر بار که گره‌‌ای می‌خواهد برای گره دیگر فریم بفرستد، بریج آدرس مک گره مبدا را در حافظه خود ثبت می‌کند و بدین‌سان جدول آدرس‌های مک بریج رفته‌رفته کامل می‌شود. از آن پس، وقتی گره‌‌ای برای گره دیگری فریم بفرستد، بریج آدرس مک گره مقصد مندرج در فریم را در جدول خود جستجو می‌کند تا دریابد که گره مذکور در کدام سگمنت است. پس از آن‌که بریج سگمنت مقصد را یافت، فریم را فقط به همان سگمنت گسیل می‌کند.

 در تصویر 2 رایانه PC 1 می‌خواهد برای رایانه PC 2 داده‌ای بفرستد. داده‌ها نخست به بریج می‌روند. بریج آدرس مک مقصد فریم را می‌خواند تا در‌یابد داده‌ها در ادامه مسیرشان باید به کدام‌یک از دو سگمنت 1 یا 2 ارسال شوند. چون رایانه PC 2 در سگمنت 1 است، بریج فریم را فقط به پورت متصل به سگمنت 1 می‌فرستد و از ارسال آن به سگمنت 2 خودداری می‌کند. بریج با این شیوه ترافیک شبکه را به نصف کاهش می‌دهد. البته فریم مستقیما به گره مقصد نمی‌رود بلکه در سگمنت 1 تکثیر و پخش می‌شود، زیرا هر دو سگمنت متصل به بریج، شبکه خطی (bus) هستند و ویژگی شبکه‌های خطی این است که هر سیگنالی در آن‌ها پخش می‌شود. این کار بریج را اصطلاحا filtering می‌گویند.

تصویر 2. شبکه‌ای با هم‌بندی خطی (Bus) که با استفاده از بریج به دو سگمنت تقسیم شده است؛ گره مبدا و گره مقصد هر دو در سگمنت یکسانی هستند. 

مثال دیگری را در نظر بگیرید. در تصویر 3 رایانه PC 1 می‌خواهد برای رایانه PC 8 فریمی بفرستد. فریم نخست به بریج می‌رود. بریج آدرس مک مقصد مندرج در فریم را می‌خواند و با بررسی جدول آدرس‌های مک خود درمی‌یابد که رایانه PC 8 در سگمنت 2 است. پس بریج، فریم‌ دریافتی از رایانه PC 1 را فقط به پورت متصل به سگمنت 2 می‌فرستد و این بار از ارسال فریم به سگمنت 1خودداری می‌کند. این کار بریج را اصطلاحا forwarding می‌گویند.

تصویر 3. شبکه‌ای با هم‌بندی خطی (Bus) که با استفاده از بریج به دو سگمنت تقسیم شده است. گره مبدا و گره مقصد در دو سگمنت متفاوت هستند. 

سوال: اگر بریج می‌تواند آدرس مک را بخواند چرا در تصویر 2 و 3 فریم را مستقیما به گره مقصد نمی‌فرستد و درعوض، فریم در سگمنت مقصد پخش (اصطلاحا برودکست) می‌شود؟

پاسخ: پخش شدن فریم در سگمنت مقصد به ویژگی آن سگمنت مربوط است. در تصویر 2 و 3 هر دو سگمنت متصل به دو پورت بریج، شبکه خطی (bus) هستند و ویژگی شبکه خطی طوری است که فریم در شبکه پخش می‌شود. جالب است که حتی اگر در سگمنت‌های متصل به بریج، از هاب استفاده شود (مانند تصویر 4)، باز هم فریم در سگمنت مقصد پخش خواهدشد، زیرا همان‌گونه که گفته شد، هاب نیز فریم دریافتی از گره مبدا را در تمام شبکه یا سگمنت پخش می‌کند. در واقع، با این‌که هاب، شبکه‌ای با هم‌بندی (توپولوژی) فیزیکی ستاره‌ای ایجاد می‌کند، اما هم‌بندی منطقی آن خطی (bus) است. یعنی مدار داخلی هاب ترافیک شبکه را به‌شیوه خطی تبادل می‌کند.

تصویر 4 .پل یا بریج (bridge)، شبکه را به دو سگمنت تقسیم کرده است. هر سگمنت یک دستگاه هاب دارد که گره‌های هر سگمنت به آن متصل شده‌اند.

شاید بپرسید که اگر به‌جای هاب از سوئیچ استفاده شود، آیا مشکل پخش شدن فریم در سگمنت حل می‌شود؟ در پاسخ باید گفت که بله اما اگر سوئیچ داشته باشید، دیگر اصلا به بریج نیازی نخواهیدداشت زیرا سوئیچ‌ کار بریج را بسیار بهتر و سریع‌تر انجام می‌دهد.

قابلیت‌های پل یا بریج شبکه برای مدیریت ترافیک شبکه

پل یا بریچ شبکه چگونه متوجه می‌شود که کدام گره‌ها به کدام سگمنت شبکه متصل هستند و سپس چگونه ترافیک شبکه را هدایت می‌کند؟ پل یا بریج برای این منظور چند قابلیت دارد:

• یادگیری (Learning)
• سیل (Flooding)
• مسدودسازی (Filtering)
• پیش‌برد (Forwarding)
• تعیین محدودیت زمانی (Aging)

یادگیری (Learning)

یادگیری فرآیندی است که طی آن، بریج آدرس مک گره‌های متصل به شبکه را به‌دست می‌آورد. وقتی بریج اولین بار در شبکه روشن می‌شود، در جدول خود هیچ اطلاعاتی ندارد. وقتی گره‌ها تبادل داده از طریق بریج را آغاز می‌کنند، آدرس‌ مک گره‌های فرستنده و پورتی که فریم از آن دریافت شده است،‌ به‌مرور در جدول بریج ثبت می‌شود. این جدول را اغلب جدول بریج، جدول مک یا جدول حافظه قابل آدرس‌دهی محتوا (CAM: content addressable memory) می‌گویند.   

پخش یا سیل (Flooding)

اگر بریج، فریمی دریافت کند که آدرس مقصدش هنوز در حافظه بریج ثبت نشده است، طوری عمل می‌کند که گویی در شبکه حضور ندارد؛ یعنی آن فریم در تمام سگمنت‌های شبکه پخش و به تمام گره‌ها (جز گره مبدا) ارسال می‌شود. به عبارت دیگر عملا اتفاقی نظیر آن‌چه در تصویر 1 دیده شد می‌افتد. این فرآیند را سیل یا flooding می‌گویند. ایجاد سیل در شبکه ترافیک ایجاد می‌کند اما دو مزیت دارد: یکی این‌که بریج می‌تواند آدرس‌های مک را یاد بگیرد، چون هر بار که فریمی ارسال می‌شود، بریج آدرس مک گره مبدا را (اگر پیش‌تر در حافظه‌اش ذخیره نشده باشد) ذخیره می‌کند و اصطلاحا آدرس را یاد می‌گیرد.

مزیت دوم سیل این است که چون بریج، آدرس مک مقصد فریم را نمی‌داند، فریم گره مبدا را برای تمام گره‌های دیگر ارسال می‌کند تا نهایتا گیرنده واقعی فریم، با شناسایی آدرسش آن را دریافت کند. لذا بی‌اطلاعی بریج از آدرس گره مقصد موجب از دست رفتن فریم نمی‌شود. 

مسدودسازی یا فیلترینگ (Filtering)

وقتی گره مبدا و گره مقصد هر دو در سگمنت یکسانی باشند، بریج فریم را فقط به همان سگمنت می‌فرستد و از انتشار آن در سگمنت یا سگمنت‌های دیگر جلوگیری می‌کند. این فرآیند را فیلترینگ می‌گویند. برای مثال، آن‌چه در تصویر 2 رخ می‌دهد، فیلترینگ است. بریج زمانی می‌تواند ترافیک شبکه را فیلتر کند که آدرس مک و پورت متصل به هر گره را یاد گرفته باشد.

پیش‌برد یا فورواردینگ (Forwarding)

فوروارد زمانی اتفاق می‌افتد که گره مبدا و گره مقصد در دو سگمنت متفاوت باشند. در این‌صورت، بریج فریم را از یک پورت (متصل به سگمنت مبدا) به پورت دیگرش (متصل به سگمنت مقصد) انتقال می‌دهد. برای مثال، آن‌چه در تصویر 3 رخ می‌دهد، فورواردینگ است. بریج زمانی می‌تواند ترافیک شبکه را فوروارد کند که آدرس مک و پورت متصل به هر گره را یاد گرفته باشد.

تعیین محدودیت زمانی (Aging)

اطلاعات جدول مک برای همیشه در حافظه بریج نمی‌ماند. بریج علاوه بر آدرس مک و پورت مربوطه، زمان یادگیری آدرس را نیز در حافظه‌اش ثبت می‌کند تا برای ماندن اطلاعات در حافظه‌اش زمان محدودی تعیین ‌کند. بریج بدین‌وسیله خود را با تغییرات شبکه (مثلا اضافه شدن تجهیزات جدید) تطبیق می‌دهد. هر بار که بریج، آدرس مک گره جدیدی را یاد می‌گیرد، زمان‌سنج ویژه‌ای را به کار می‌اندازد. وقتی بریج، فریم ارسالی از آن گره را فوروارد یا فیلتر می‌کند، زمان‌سنج آن را ری‌استارت می‌کند. اگر یکی از گره‌های شبکه در بازه زمانی مشخص هیچ فعالیتی از خود نشان ندهد، موعد سکونت آن در حافظه بریج به سر می‌رسد و لذا بریج، آن را از جدول آدرس‌های مک حافظه‌اش پاک می‌کند. بریج با تعیین محدودیت زمانی برای اطلاعات جدولش، فقط گره‌های فعال را رصد و نیز از پر شدن ظرفیت حافظه‌اش جلوگیری می‌کند.

تفاوت بریج با روتر در یک نگاه

روتر اگرچه چند سگمنت یا شبکه را به هم متصل می‌کند، سگمنت‌ها یا شبکه‌ها همچنان مستقل از هم کار می‌کنند. اما در شبکه مبتنی بر بریج، سگمنت‌ها نمی‌توانند مستقل از هم کار کنند و عملا یک‌پارچه می‌شوند. 

تفاوت بریج با سوئیچ در یک نگاه

سوئیچ نیز مانند بریج شبکه را به چند سگمنت‌ تقسیم می‌کند، اما سوئیچ‌ها عمدتا تعداد پورت‌های بیشتری دارند و لذا سگمنت‌های بیشتری ایجاد می‌کنند. ضمنا سوئیچ‌ها سریع‌ترند و امکانات‌شان نیز بیشتر است. بریج‌هایی که بیش از 2 پورت دارند، عملا نوعی سوئیچ ساده محسوب می‌شوند. امروزه به‌جای بریج معمولا از سوئیچ‌ استفاده می‌شود. 

تفاوت بریج با هاب در یک نگاه

هاب نیز مانند سوئیچ‌ گره‌های شبکه را در یک نقطه به هم متصل می‌کند. اما هاب دستگاه بسیار ساده‌تری است. هاب نمی‌تواند آدرس مک گره‌ها را بخواند و ضمنا هاب تمام شبکه را به‌شکل تنها یک سگمنت می‌بیند. لذا هاب، فریم دریافتی از گره مبدا را برای تمام دیگر گره‌های شبکه ارسال یا اصطلاحا برودکست می‌کند. بریج در مقایسه با هاب دستگاه کارآمدتری است زیرا می‌تواند آدرس مک فریم‌ها را بخواند و شبکه را دست‌کم به دو سگمنت تقسیم کند. لذا بریج پس از یادگرفتن آدرس‌های مک، فریم را فقط به سگمنتی می‌فرستد که محل حضور گره مقصد است.

جمع‌بندی: ویژگی‌های پل یا بریج شبکه

• بریج شبکه محلی را به چند سگمنت تقسیم می‌کند.
• بریج در لایه پیوند داده مدل مرجع OSI کار می‌کند.
• بریج آدرس‌های مک رایانه‌ها یا گره‌های یک شبکه را ذخیره می‌کند.
• بریج می‌تواند ترافیک شبکه را کاهش دهد.

پل یا بریج (bridge)، شبکه را به چند سگمنت تقسیم می‌کند یا از منظری دیگر، چند سگمنت را به هم متصل می‌کند. تقسیم شبکه به چند سگمنت، بر کاهش ترافیک و ارتقای امنیت شبکه موثر است. اگر پیش‌تر دستگاه‌های خاصی با عنوان بریج به بازار عرضه می‌شدند، امروزه سوئیچ‌ها جای آن‌ها را گرفته‌اند. سوئیچ‌ها در مقایسه با بریج‌های قدیمی سریع‌ترند و امکانات بیشتری دارند. اما پل‌‌کشی (bridging) همچنان در شبکه جایگاه مهمی دارد. 

یادداشت

1. هر دستگاهی که به شبکه متصل می‌شود، رابط یا اصطلاحا کارت شبکه دارد. نشانی سخت‌افزاری یا آدرس مک (MAC address)، شناسه استاندارد منحصربه‌فردی است که در کارخانه سازنده و طبق رویه مشخصی به هر کارت شبکه اختصاص می‌یابد.