Для локальной вычислительной сети (ЛВС) топология считается одной из ее важнейших характеристик. Топология локальных сетей – это максимально формализованное представление структуры. Она существенно облегчает разработчикам и администраторам весь круг задач – от закупки и размещения оборудования, трассировки каналов связи, до обслуживания и поиска неисправностей.
Топологии локальных сетей: определение, значения
В информатике под термином «топология локальной сети» принято понимать схематическое (как правило, графическое) отображение ее узлов и их соединения/взаимодействия.
В практике используют несколько вариантов топологий. Как классифицируются схемы, определяется назначением и отображаемой информацией.
Физическая
Физическая топология описывает реальную конфигурацию связей между узлами локальной сети и, частично, их размещение. Последнее актуально, когда сетевое оборудование (рабочие станции и серверы, коммутационная аппаратура) расположены территориально обособлено, например, в разных зданиях.
В точках схемы (вершинах графа) изображают узлы сети:
- компьютеры – рабочие станции, серверы, мобильные терминалы:
- сетевое оборудование – коммутаторы (хабы), маршрутизаторы, точки доступа;
- другие устройства с сетевым доступом или управлением – принтеры, факсы, ИБП, АТС и пр.
Соединяющие вершины (узлы локальных вычислительных сетей) линии (ребра графа) отображают физические связи между устройствами. Наносятся все подключения – по оптоволоконным или «медным» линиям, радиоканалу.
Логическая
Этот вариант топологии описывает логику прохождения по каналам связи и обработки узлами локальной сети сигналов. Чаще всего не разрабатывается как самостоятельная схема, а накладывается на физическую. В зависимости от используемых протоколов, может составляться несколько схем, например, отдельные для UDP и TCP-IP.
Информационная
Топология отражает организацию информационного взаимодействия в локальной сети. Чаще в вершинах графа размещают не физические устройства, а сетевые приложения. Ребра графа отражают потоки информации между ними.
Возможно наложение схемы на физическую топологию, но такой вариант применяется крайне редко. Это обусловлено вероятными кардинальными различиями топологий. Примером служит домашняя беспроводная сеть:
- точка доступа (Wi-Fi роутер) на физическом уровне является центральным узлом, ЛВС имеет признаки иерархической организации.
- все терминалы абсолютно равноправны, соответственно, сеть можно считать одноранговой.
В большинстве случаев, когда говорят о топологии ЛВС, имеют в виду именно ее физическую организацию. Логическую и информационную схемы разрабатывают, в основном, для сложных компьютерных сетей предприятий или провайдеров телекоммуникационных услуг.
Виды и примеры топологий компьютерных сетей
Локальные сети строят, используя различные виды топологии. Каждому присущи собственные достоинства и недостатки.
Поэтому выбор топологии должен производиться по результатам тщательного анализа основных факторов, среди которых:
- Связь между узлами. В это понятие входит не только реализация физических соединений (тип кабеля, стандарт беспроводной связи и т.д.), но и обмен данными, например, дуплексный или полудуплексный. Частным случаем выступают производительность и скорость передачи данных.
- Простота построения сети. Здесь учитывают прокладку кабельных линий, размещение точек доступа и повторителей для беспроводных сетей, возможности добавления узлов.
- Масштабируемость. Определяет, насколько сложной становится процедура расширения локальной сети при необходимости добавления новых рабочих станций или их групп, сетевого оборудования.
- Максимальная длина связей. Этот фактор связан с затуханием сигнала в среде передачи и может стать причиной существенного усложнения конфигурации сети на значительной площади.
- Наличие точек критической уязвимости и области их воздействия. Под такими точками понимают узлы или связи, нарушение работоспособности которых приводит к проблемам в работе всей сети или ее сегментов.
- Надежность и устойчивость. Характеризуют возможность локальной сети оставаться в работе и выполнять задачи при проблемах на узлах и связях топологии.
- Дополнительные требования. К ним относятся любые другие условия, необходимые при использовании локальной сети определенной топологии, например, связанные с распространением сигналов.
К базовым топологиям относят 3 вида:
- шина (bus);
- звезда (star);
- кольцо (ring).
Топология шина
При использовании такой топологии в локальной сети организуется общий физический канал (шина) – один или несколько проводов, к которым параллельно подключаются сетевые адаптеры узлов. Распространенный в недалеком прошлом пример применения решения – сеть с коаксиальным кабелем и T-коннекторами для подключения.
В структуре отсутствует центральный узел, который обеспечивает обмен между абонентами. Каждое из подключенных устройств принимает предназначенные ему пакеты и передает данные в общий канал.
В связи с этим требуется организация полудуплексного обмена – двустороннего, но с соблюдением очередности между абонентами. Решает проблему и использование других алгоритмов мультиплексирования. В противном случае, когда два и более узла осуществляют одновременную передачу пакетов по шине, высока вероятность сбоев (т.н. коллизий). Это также ограничивает реальную скорость обмена, особенно при подключении значительного числа устройств.
Еще одна особенность такой реализации – необходимость заглушек (терминаторов) на свободных концах шины. Она обусловлена физическими свойствами проводников, которые образуют т.н. линию с распределенными параметрами. В таких линиях наблюдается эффект отражения сигнала на неподключенном конце. Его проявление в канале передачи данных спровоцирует коллизии. Требование распространяется на любые проводные линии.
Подключение нескольких Wi-Fi устройств к роутеру (точке доступа) по одному (из 11) каналов диапазона также можно рассматривать как шину с мультиплексированием.
К достоинствам шинной топологии относят:
- простоту организации сети, в том числе, прокладки общей шины и подключения новых абонентов;
- устойчивость к отказам отдельных узлов локальной сети.
Недостатков у общей шины (особенно, в проводном варианте) больше:
- ограничение длины шины, связанное с затуханием сигнала. Характерно для всех сред передачи;
- ограничение количества рабочих станций. При их увеличении за счет мультиплексирования скорость обмена для конкретного абонента заметно снижается;
- трудности в локализации неисправных узлов из-за параллельного подключения;
- проблемы с работой ЛВС при обрыве кабельного канала. В этом случае сеть не просто образует 2 изолированных сегмента. За счет отражения от незаглушенных терминаторами мест обрыва коллизии нарушают работу в обеих половинах;
- высокая вероятность «падения» всей локальной сети при выходе из строя оборудования на одном узле. В зависимости от характера неисправности (отсутствие синхронизации с другими абонентами, неверные адресация или содержимое пакетов) «флуд» от неработающего адаптера может полностью парализовать работу.
Топология кольцо
В такой топологии каждый из узлов локальной сети оказывается связан только с двумя соседними. Соединение выполняется парой приемник-передатчик. Передача информации осуществляется только в одном направлении. При этом любой абонент полностью транслирует полученные пакеты, если они предназначены другому узлу.
В такой схеме:
- Практически снимаются ограничения на длину соединений, поскольку каждая локальная пара приемник-передатчик выступает усилителем сигнала. Они продолжают действовать, только если расстояния между соседними точками сравнимы с показателями затухания для среды передачи.
- Нет эффекта отражения сигнала в проводных линиях, поскольку неподключенных концов не остается.
- Разделение доступа для предотвращения коллизий осуществляют передачей маркера пакета, сигнализирующего о свободном канале. После его получения, компьютер, которому необходимо передать данные изменяет маркер, и отправляет пакеты. После получения квитанции (подтверждения) от приемника – снова отправляет маркер по кольцу.
В результате кольцевая топология позволяет добиться в локальной сети высокой производительности. Такую структуру легко реализовать, проста она и в настройке.
Серьезный недостаток кольца – его надежность. При выходе из строя одного узла или обрыве канала связи неработоспособной оказывается вся сеть. Для борьбы с ним применяют несколько методов, например, резервирование (т.н. «двойная кольцевая» топология).
Топология звезда
Особенность такой топологии – наличие в локальной сети центрального узла, К нему независимыми линиями связи подключены все абоненты. Обмен данными между любыми участниками ведется только через центральный узел. Пример реализации – Ethernet сеть с центральным коммутатором (хабом) и подключением клиентского оборудования витой парой.
Центральный узел локальной сети может быть:
- Пассивным (хаб, неуправляемый коммутатор). В этом случае пакет от передающего абонента транслируется всем остальным, Обрабатывает его только рабочая станция, адрес которой содержится в заголовке пакета. Решение дешевое, но при большом количестве узлов сети приводит к высокой загрузке каналов связи.
- Активным. Функции центрального узла выполняет компьютер (сервер), управляемый или интеллектуальный коммутатор, маршрутизатор. Их отличие – дополнительные функции, например, хранение в ассоциативной памяти конфигурации локальной сети (пар адрес-порт) или таблиц маршрутизации, управление приоритетами с протоколом QoS и др. Это позволяет превратить широковещательный трафик в избирательный, сократить загрузку каналов, построить защиту от DDoS-атак (намеренных или случайных).
Топология звезда для локальной сети имеет преимущества по:
- Управляемости и простоте администрирования – на центральном узле ЛВС эти задачи решать удобнее.
- Масштабируемости. При добавлении новых устройств достаточно подключения отрезка кабеля в свободный порт хаба. Аналогично присоединяют и целые сегменты сети или подсети.
- Устойчивости к выходу из строя отдельных рабочих станций или других устройств клиентов, обрыву отдельных сегментов (лучей звезды). В обоих случаях неисправность на функционирование остальных машин и каналов связи не влияет.
Среди недостатков звездной конфигурации отмечают:
- Удорожание, по сравнению с другими базовыми. Оно связано с установкой центрального оборудования и прокладку отдельных линий связи от него к каждой точке подключения.
- Появление критической точки уязвимости. Им становится центральный узел, выход из строя которого парализует локальную сеть или ее сегмент полностью.
Ячеистая (древовидная)
Развитием топологии звезда стала древовидная. Такая локальная сеть выглядит как иерархическая комбинация сегментов, каждый из которых построен по звездной топологии. Центральные узлы таких сегментов соединяются между собой:
- с одним родительским, более высокого уровня в иерархии;
- с любым количеством (по числу доступных портов) дочерних, более низкого уровня.
Если для сегмента нет родительского, его называют корневым. Такая структура, как разновидность «звездной», получила ее плюсы и минусы. Особенно чувствительна она к выходу из строя центральных элементов сегментов или обрыву связей между ними. В первом случае из сети выпадает и сам родительский сегмент, и его дочерняя структура, во втором – дочерний (со своими дочерними).
Более устойчивым вариантом топологии стала напоминающая «дерево», но превосходящая его по сложности, ячеистая (mesh).
В ней:
- Основной структурный компонент локальной сети – ячейка, группа узлов, соединенных между собой.
- Каждый из узлов входит более чем в одну ячейку.
- Часть или все элементы ячейки выступают ретрансляторами пакетов для связанных с ними.
В результате формируется структура, когда для каждого узла локальной сети одновременно существует несколько путей передачи информации адресату. Система получает максимальную устойчивость – выход из строя одного узла не сказывается на работоспособности сети в целом.
Организация такой структуры в проводных локальных сетях требует избыточного количества кабеля. Зато в беспроводных, после создания миниатюрных многофункциональных радиомодулей, она стала обычной. Ее используют, например, сети стандартов Z-Wave и ZigBee для технологии «умный дом».
Смешанная топология
Смешанной или гибридной называют топологию локальной сети, в которой для сегментов или подсетей и их объединения используют несколько базовых.
Такие комбинации, например звездно-шинная или звездно-кольцевая реализовывают оптимальную структуру для конкретных задач. Однако недостатки присущие им остаются в силе и для комбинированной.
Централизованная и децентрализованная система
Сегодня в компьютерных сетях приоритетом стала централизованная организация. В этом случае основные функции системы – маршрутизация, администрирование, выделение адресов реализованы на центральном устройстве (рабочей станции, сервере, маршрутизаторе, коммутаторе). Этим достигается эффективное управление ресурсами, надежность и отказоустойчивость.
Однако для централизованных систем проблема «звездной» топологии остается актуальной. При неполадках центрального узла нарушается функционирование всей ЛВС или ее локальных сегментов.
Один из путей ее устранения – переход к децентрализованной организации. В этом случае часть функций центрального делегируется другим узлам локальной сети. Большинство из них равноправны. При этом получают либо те же права и функционал, что и делегирующий, либо статус резервных с дублированием данных.
Это дает вместо одного варианта решения сетевой задачи (например, обмена между абонентами) несколько равнозначных. Надежность и отказоустойчивость системы кратно возрастает.
Пример децентрализованной организации –упомянутые mesh (ячеистые) локальные сети. Аналогия в глобальном пространстве интернет – блокчейн-сети, способные сохранить полный функционал даже при единственном рабочем криптовалютном кошельке.
Полносвязная или сеточная топология
Когда узел в локальной сети объединен прямыми связями не с одним, а с несколькими, говорят о сеточной топологии. Такой подход используется при построении ячеистых (mesh) сетей. Удобна она для организации децентрализованных систем.
Если связи проведены по принципу «каждый с каждым», сеточную топологию называют полносвязной.
При отсутствии в ней некоторых связей она становится неполносвязной.
Для обоих вариантов характерна избыточность, что ограничивает их применимость в «наземных» локальных сетях. В беспроводных этой проблемы не существует, поэтому все известные mesh-сети используют неполносвязную сеточную топологию.
Таким образом, топология – представление локальной сети, отображающее ее физическую, логическую или информационную модель. При построении ЛВС используют базовые топологии – шина, кольцо, звезда или их комбинации и модификации. При этом учитывают характерные свойства, преимущества и недостатки структур.
