Топології локальних мереж

1. Визначення поняття «топологія»

Із збільшенням кількості комп'ютерів у мережі різко зростає число можливих конфігурацій, тому постає питання вибору конфігурації фізичних зв'язків. Так, якщо три комп'ютери можна об’єднати в два способи (рис.1 ), то для чотирьох комп'ютерів можна запропонувати вже шість різних конфігурацій (рис.2).

Топологією (компоновкою, конфігурацією, структурою) комп'ютерної мережі називають фізичне розташування комп'ютерів та способи їх об'єднання лініями зв'язку.

Поняття топології зв’язків відноситься, перш за все, до локальних мереж, де структуру зв'язків можна легко прослідкувати. В глобальних мережах структура зв'язків зазвичай прихована від користувачів і не є дуже важливою, оскільки кожен сеанс передачі даних може відбуватися за новим шляхом.

Мережева топологія визначає вимоги до обладнання, тип кабелю, методи керування обміном даними, надійність роботи, можливості розширення мережі.

Топологія комп'ютерної мережі відображає структуру зв'язків між її основними функціональними елементами. В залежності від компонентів, розрізняють фізичну і логічну структури локальних мереж. Фізична структура визначає топологію фізичних з'єднань між комп'ютерами. Логічна структура визначає логічну організацію взаємодії комп'ютерів між собою. Доповнюючи одна одну, фізична та логічна структури дають найповніше уявлення про комп'ютерну мережу.

Від вибору топології залежить багато характеристик мережі. Наприклад, наявність між вузлами кількох каналів підвищує надійність мережі і рівномірність завантаження окремих каналів. Економічні міркування часто приводять до вибору топологій, для яких є характерною мінімальна сумарна довжина ліній зв'язку.

Топологія мережі визначається її наступними характеристиками:

• складом необхідного мережевого устаткування;

• характеристиками мережевого устаткування;

• можливістю розширення мережі;

• способом керування мережею.

Щоб спільно використовувати загальні ресурси або виконувати інші мережеві завдання, комп'ютери повинні бути підключені один до одного. Для цієї мети в більшості випадків використається кабель. Але просто підключити комп'ютер до кабелю, що з'єднує інші комп'ютери, недостатньо. Різні типи кабелів у сполученні з різними мережевими платами, операційними системами та іншими компонентами вимагають і різного взаєморозташування комп'ютерів.

Отже, топологія мережі визначає не тільки фізичне розташування комп'ютерів, але і характер зв'язків між ними, особливості поширення сигналів мережею. Саме характер зв'язків визначає ступінь відмовостійкості мережі, необхідну складність мережної апаратури, найоптимальніший метод керування обміном, можливі типи середовищ передачі (каналів зв'язку), припустимий розмір мережі (довжина ліній зв'язку й кількість абонентів), необхідність електричного узгодження й багато чого іншого.

Існує безліч способів з'єднання мережевих пристроїв. Виділяють 3 базові топології:

• шина (bus);

• зірка (star);

• кільце (ring).

І додаткові (похідні):

• подвійне кільце;

• сотова топологія;

• решітка;

• дерево;

• сніжинка;

• повнозв'язна.

Додаткові способи є комбінаціями базових. У загальному випадку такі топології називаються змішаними або гібридними, але деякі з них мають власні назви, наприклад топологія дерево.

Це конфігурація графа, вершинам якого відповідають кінцеві вузли мережі (наприклад, комп'ютери) або комунікаційне устаткування (наприклад, маршрутизатори), а ребрам – електричні чи інформаційні зв'язки між ними. 

2. Топологія «загальна шина»

Шина – топологія комп'ютерної мережі, яку часто називають також «лінійною шиною» (linear bus). У ній використовується один кабель, що називається магістраллю або сегментом, до якого підключені всі комп'ютери мережі. Дана топологія є найбільш простою і поширеною.

Топологія шина самою своєю структурою припускає ідентичність мережевого устаткування комп'ютерів, а також рівноправність усіх користувачів за доступом до мережі. Комп'ютери в шині можуть передавати інформацію тільки по черзі, тому що лінія зв'язку в цьому випадку єдина. Якщо кілька комп'ютерів будуть передавати інформацію одночасно, вона спотвориться в результаті накладення (конфлікту, колізії). У шині завжди реалізується режим так називаного напівдуплексного (half duplex) обміну (в обох напрямках, але по черзі, а не одночасно).

У топології шина відсутній явно виражений центральний пристрій, через який передається вся інформація, це збільшує її надійність (адже при відмові центра перестає функціонувати вся система). Додавання нових абонентів у шину досить просте й зазвичай можливе навіть під час роботи мережі. Зазвичай при використанні топології шина потрібна мінімальна кількість сполучного кабелю в порівнянні з іншими топологіями.

Процес передачі даних при використанні топології шина відбувається наступним чином: дані у вигляді електричних сигналів передаються всім комп'ютерам мережі, але інформацію приймає тільки той комп'ютер, чия адреса відповідає адресі одержувача. При чому в кожен момент часу вести передачу може тільки один комп'ютер.

Оскільки дані в мережу передаються лише одним комп'ютером одночасно, її продуктивність залежить від кількості комп'ютерів, підключених до шини. Чим більше комп'ютерів, тим довше вони чекають на передачу, і тим повільніше працює мережа. Проте вивести пряму залежність між пропускною спроможністю мережі і кількістю комп'ютерів в ній не можна, так як на швидкодію мережі впливає безліч інших чинників:

• тип апаратного забезпечення;

• частота передачі даних;

• тип працюючих мережевих додатків;

• тип кабелю;

• відстань між комп'ютерами у мережі.

Шина є пасивною топологією. Це означає, що комп'ютери тільки «прослуховують» дані у мережі, але не переміщають їх від відправника до одержувача. Тому, якщо який-небудь комп'ютер вийде з ладу, то це не позначиться на роботі усієї мережі. У активних топологіях комп'ютери регенерують сигнали і передають їх далі по мережі.

Електричні сигнали передаються від одного кінця кабелю до іншого. Якщо не використовувати ніякого спеціального заходу, сигнал досягнувши кінця кабелю, віддзеркалиться і буде створювати перешкоди. Це не дозволить комп'ютерам здійснювати передачу даних. Тому на кінцях кабелю електричні сигнали необхідно гасити. Для запобігання віддзеркаленню електричних сигналів на кожному кінці кабелю встановлюють термінатори (terminators), які поглинають ці сигнали. Будь-який кінець мережевого кабелю повинен бути до чого-небудь підключений: до комп'ютера або до барел-конектора (його використовують для збільшення довжини кабелю). До будь-якого вільного (ні до чого не підключеного) кінцю кабелю потрібно під'єднувати термінатор.

Розширення мережі, створеної за допомогою топології шина, можливе двома способами:

1. Для з'єднання двох відрізків кабелю використовують барел-конектор (barrel connector). При цьому сигнал слабшає. Доцільніше придбати один довгий кабель, ніж сполучати декілька коротких. При великій кількості «стиковок» нерідко відбувається спотворення сигналу.

2. Для з'єднання двох відрізків кабелю може використовуватись повторювач (repeater). На відміну від конектора, він підсилює сигнал перед його передачею в наступний сегмент. Тому краще використовувати повторювач, ніж барел-конектор або навіть довгий кабель: сигнали на великі відстані передаватимуться без спотворень.

Переваги:

• невеликий час установки мережі;

• дешевизна (потрібно менше кабелю і мережевих пристроїв);

• простота налаштування;

• вихід з ладу робочої станції не відбивається на роботі мережі.

Недоліки:

• обрив кабелю або вихід з ладу термінатора, повністю блокує роботу всієї мережі;

• складний пошук несправностей;

• з додаванням нових робочих станцій падає продуктивність мережі. 

3. Топологія «зірка»

Зірка – це єдина топологія мережі з явно виділеним центром, до якого підключаються всі інші користувачі. Обмін інформацією відбувається через центральний пристрій, на який лягає більше навантаження, тому він займається тільки обслуговуванням мережі. Центральний пристрій найпотужніший, саме на нього покладають всі функції по керуванню обміном. Конфлікти в мережі з топологією зірка неможливі, тому що керування повністю централізоване.

Вихід з ладу периферійного комп'ютера або його мережевого устаткування ніяк не вплине на функціонування мережі, але будь-яка відмова центрального пристрою робить мережу повністю непрацездатною. У зв'язку із цим повинні прийматися спеціальні заходи щодо підвищення надійності центрального пристрою і його мережевої апаратури.

Обрив кабелю при топології зірка порушує обмін тільки з одним комп'ютером, а всі інші комп'ютери можуть нормально продовжувати роботу.

На відміну від шини, у зірці на кожній лінії зв'язку перебувають тільки два користувачі: центральний та один із периферійних. Найчастіше для їхнього з'єднання використовується дві лінії зв'язку, кожна з яких передає інформацію в одному напрямку, тобто на кожній лінії зв'язку є тільки один приймач й один передавач. Така технологія називається передачею точка-точка.

Серйозний недолік топології зірка складається у жорсткому обмеженні кількості користувачів. Центральний пристрій може обслуговувати не більше 8-16 периферійних користувачів. Підключення нових користувачів у цих межах досить просте, але за ними воно просто неможливе. У зірці можливо підключити замість периферійного ще один центральний пристрій (у результаті виходить топологія з декількох з'єднаних між собою зірок).

В залежності від типу центрального пристрою (комп’ютер чи концентратор) топологія зірка може бути активною чи пасивною. Можна виділити також проміжний тип топології між активною й пасивною зіркою. У цьому випадку концентратор не тільки ретранслює сигнали, але й керує обміном, однак сам в обміні не бере участь.

Великою перевагою топології зірки (як активної, так і пасивної) є те, що всі точки підключення зібрані в одному місці. Це дозволяє легко контролювати роботу мережі, локалізувати несправності шляхом простого відключення від центра тих або інших користувачів (що неможливо, наприклад, у випадку шинної топології), а також обмежувати доступ сторонніх осіб до життєво важливих для мережі точок підключення.

Недоліком топології типу зірка є значно більша, ніж при інших топологіях, витрата кабелю. Наприклад, якщо комп'ютери розташовані в одну лінію, то при виборі топології зірка знадобиться в кілька разів більше кабелю, ніж при топології шина. Це істотно впливає на вартість мережі в цілому й помітно ускладнює прокладку кабелю.

Переваги:

• всі точки зібрані в одному місці;

• легко виявити несправність;

• вихід з ладу робочої станції не відбивається на роботі мережі.

Недоліки:

• обмежена кількість користувачів для підключення;

• велика витрата кабелю;

• вища вартість монтажу. 

4. Топологія «кільце»

У мережі з топологією кільце комп'ютери підключаються до кабелю, замкнутого в коло. У такій мережі не може бути вільного кінця, на який потрібно було б ставити термінатор. Сигнали передаються по кільцю в одному напрямі і проходять через кожен комп'ютер. На відміну від пасивної топології шина, кожен комп'ютер виступає у ролі повторювача, підсилюючи сигнали і передаючи їх наступному комп'ютеру. Якщо вийде з ладу один комп'ютер, припиняє функціонувати вся мережа.

Один із способів передачі даних по кільцевій мережі називається передачею маркера (англ. token). Маркер  послідовно, від одного комп'ютера до іншого, передається доти, поки його не одержить той комп'ютер, якому потрібно передати дані. Передавальний комп'ютер видозмінює маркер, додає до нього дані і адресу одержувача і відправляє його далі по кільцю. Дані проходять через кожен комп'ютер, поки не опиняться у одержувача. Після отримання даних комп'ютер посилає передавачу повідомлення, де підтверджує факт прийому даних. Одержавши підтвердження, комп'ютер-передавач створює новий маркер і повертає його в мережу.

Швидкість руху маркера прирівнюється до швидкості світла. У кільці діаметром 200 м маркер може циркулювати з частотою 10 000 обертів в секунду. У деяких ще швидших мережах циркулює відразу декілька маркерів. У інших середовищах застосовуються два кільця з циркуляцією маркерів у протилежних напрямах.

Переваги мережі з кільцевою топологією:

• оскільки всім комп'ютерам надається рівний доступ до маркера жоден з них не може монополізувати мережу.

Недоліки мережі з кільцевою топологією:

• відмова одного комп'ютера може вплинути на працездатність всієї мережі;

• додавання або видалення комп'ютера змушує розривати мережу. 

5. Комбіновані топології

Окрім трьох розглянутих базових топологій, часто застосовується мережева топологія «дерево» (tree), яку можна розглядати як комбінацію кількох «зірок». Причому, як і у топології «зірка», «дерево» може бути активним або пасивним (рис.9). В активному дереві в центрах об'єднання кількох ліній зв'язку знаходяться комп'ютери, а у пасивному – концентратори.

Часто використовуються комбіновані топології, серед яких поширеними є «зірка-шина» і «зірка-кільце».

В  топології «зірка-шина» (star-bus) використовується комбінація «шини» і «пасивної зірки» (рис.10).

До концентратора під’єднуються як окремі комп'ютери, так і цілі сегменти на основі топології шина. У даній топології можна використати і кілька концентраторів, що об’єднуються між собою і створюють так звану магістральну, опорну шину.

Користувач може гнучко комбінувати переваги топологій «загальна шина» і «зірка», а також легко змінювати кількість комп'ютерів у мережі.

У топології «зірка-кільце» (star-ring) в кільце об'єднуються не самі комп'ютери, а спеціальні концентратори, до яких у свою чергу під’єднуються комп'ютери за допомогою зіркоподібних подвійних ліній зв'язку. Насправді, всі комп'ютери об’єднуються у замкнуте кільце, оскільки всередині концентраторів лінії зв'язку утворюють замкнутий контур (рис.11).

Дана топологія надає можливість комбінувати переваги топологій «зірка» і «кільце». Наприклад, концентратори дозволяють зібрати в одне місце всі точки під’єднання кабелів мережі.

Топологія «сітка» (mesh). Тут комп'ютери об'єднані між собою не одною, а кількома лініями зв'язку, що створюють сітку.

Повнозв'язна топологія (повна сітка). При повнозв'язній топології кожний комп'ютер мережі є безпосередньо під'єднаним до решти комп’ютерів (рис.12). У цьому випадку при збільшенні числа комп'ютерів різко зростає кількість ліній зв'язку.

Не зважаючи на логічну простоту, це варіант є громіздким і неефективним. Кожний комп'ютер в мережі повинен мати велику кількість комунікаційних портів для зв'язку з кожним з решти комп'ютерів. Для кожної пари комп'ютерів повинна бути відведена окрема фізична лінія зв'язку, в деяких випадках навіть дві, якщо неможливе використання цієї лінії для двосторонньої передачі.

Будь-яка зміна в конфігурації мережі вимагає внесення змін до мережевого устаткування всіх комп'ютерів, тому повна сіткова топологія не набула широкого поширення.

Повнозв'язна  топологія у великих мережах використовується рідко. Зазвичай, така топологія використовується у багатомашинних комплексах або в мережах, що об'єднують невелику кількість комп'ютерів.

Топологія «часткова сітка» припускає прямі зв'язки лише для найактивніших комп'ютерів, що передають максимальні об'єми інформації. Решта комп'ютерів з'єднується через проміжні вузли (рис.13).

Сіткова топологія дозволяє обирати маршрут для доставки інформації від абонента до абонента, обходячи несправні ділянки. З одного боку, це збільшує надійність мережі, з іншого – вимагає істотного ускладнення мережевого обладнання. 

6. Багатозначність поняття топології

Необхідно виділити важливі чинники, що впливають на фізичну працездатність мережі і є безпосередньо пов'язаними з вибором топології.

• Справність комп'ютерів (абонентів). У деяких випадках поломка обладнання користувача може заблокувати роботу всієї мережі.

• Справність мережевого обладнання (роз'єми, адаптери, концентратори тощо). Вихід з ладу устаткування одного з комп’ютерів може позначитися на працездатності усієї мережі або порушити обмін лише з одним користувачем.

• Цілісність кабелю мережі. При обриві кабелю мережі може припинитися обмін інформацією у всій мережі або в певній її частині.

• Обмеження довжини кабелю, що пов'язане із згасанням сигналу. Чим більшу відстань проходить сигнал, тим більше він згасає. 

7. Розташування комп'ютерів мережі

Фізичне розташування комп'ютерів мережі майже не впливає на вибір топології. При будь-якому розташуванні комп'ютерів, їх можна об'єднати за допомогою будь-якої заздалегідь вибраної топології.

Якщо комп'ютери мережі розташовані по контуру круга, вони можуть з'єднуватися за топологією «зірка» або «шина». Якщо комп'ютери розташовані навколо певного центру, їх можна об'єднати за допомогою топологій «шина» або «кільце». Якщо комп'ютери розташовані в одну лінію, їх можна об'єднати за топологією «зіркою» або «кільце», але тут  довжина кабелю буде збільшеною.

Отже, топологія не є основним чинником при виборі типу мережі. Значно важливішим є рівень стандартизації мережі, швидкість обміну, кількість користувачів, вартість устаткування, програмне забезпечення. З іншого боку, певні мережі дозволяють використовувати різні топології на різних рівнях. 

8. Організація сумісного використання ліній зв'язку

У комп’ютерних мережах можуть використовуватись як індивідуальні лінії зв'язку між комп'ютерами, так роздільні (shared) – коли одна лінія зв'язку між декількома комп'ютерами використовується по черзі. З'єднання кожної пари комп'ютерів окремою лінією зв'язку передбачено лише у мережах з повнозв'язною топологією. У інших топологіях виникає питання про організацію сумісного використання ліній зв'язку декількома комп'ютерами мережі.

У разі застосування роздільних ліній зв'язку (часто використовується також термін роздільне середовище передачі даних) виникають проблеми, пов'язані з їх сумісним використанням (електричні проблеми забезпечення потрібної якості сигналів при під’єднані до одного проводу кількох приймачів та передавачів т логічні проблеми розділення у часі доступу до цих ліній).

Класичним прикладом мережі з роздільними лініями зв'язку є мережі з топологією «загальна шина», у яких один кабель спільно використовується всіма комп'ютерами мережі. Жоден з комп'ютерів мережі в принципі не може довільно, незалежно від інших комп'ютерів мережі, використовувати кабель, оскільки при одночасній передачі даних  кількома вузлами сигнали накладаються і спотворюються.

У топологіях «кільце» або «зірка» індивідуальне використання спільних ліній зв'язку є принципово можливим, але ці лінії часто використовують у якості роздільних для всіх комп'ютерів. Наприклад, лише один комп'ютер кільця має право в даний момент часу відправляти пакети інших комп'ютерів.

У мережах організація сумісного доступу до ліній зв'язку має свою специфіку із-за істотно більшого часу поширення сигналів по довгих кабелях, до того ж цей час для різних пар комп'ютерів може бути різним. Тому, процедури узгодження доступу до лінії зв'язку можуть займати певний проміжок часу і приводити до значних втрат продуктивності мережі.

Існують різні способи вирішення задачі організації сумісного доступу до роздільних ліній зв'язку.

Питання для перевірки:

1. Що називають топологією комп'ютерної мережі?

2. Які існують топології комп’ютерних мереж?

3. Які особливості притаманні для повноз’язної мережі?

4. Яким чином об’єднані комп’ютери в топології «загальна шина»?

5. Що є центральним елементом в топологіях «активна зірка» і «пасивна зірка»?

6. Яким чином забезпечується надійність передачі даних в топології «кільце»?

7. Які переваги надає застосування змішаних топологій?

8. Які чинники впливають на фізичну працездатність мережі?

9. З яких міркувань в мережах застосовують роздільні лінії зв’язку?

10. Яким чином організовують сумісне використання ліній зв'язку?

11.  Який метод доступу до роздільного середовища застосовано в топології «загальна шина»?

12. Які існують методи доступу до каналів передавання даних?

1. Воробієнко П.П. Телекомунікаційні та інформаційні мережі [Навчальний посібник] / П.П. Воробієнко, Л.А. Нікітюк, П.І. Резніченко – К.: Самміт-книга, 2010. – 708 с. (електронний варіант, формат pdf)

2. Городецька О.С. Комп’ютерні мережі: навчальний посібник / О.С. Городецька, В.А. Гикавий, О.В. Онищук. – Вінниця : ВНПУ, 2017. – 129 с.

3. Струтинська О.В. Інформаційні системи та мережі [Навчальний посібник для дистанційного навчання] /За наук.ред.М.І.Жалдака – К.: Університет «Україна», 2008. – 211 с. (електронний варіант, формат pdf)

4. Тарнавський Ю.А. Організація комп’ютерних мереж [Електронний ресурс]/  Ю.А. Тарнавський, І.М. Кузьменко – К.: КПІ ім. Ігоря Сікорського, 2018. – 259 с. (електронний варіант, формат pdf)

5. Міхунін С.В. Комп’ютерні мережі. Загальні принципи функціонування комп’ютерних мереж [Навчальний посібник] / С.В. Міхунін, С.В. Кавун, С.В. Знахур – Харків: Вид. ХНЕУ, 2008. –  210 с.