Топология локальной сети звезда

Топология звезда получила широкое распространение, используется для сетей разной сложности — от домашних и фоисных, до многоуровневых на крупных предприятиях. Схема с центральным узлом упрощает добавление новых абонентов и масштабирование ЛВС, удобна в обслуживании и администрировании.

Принцип работы

Топология компьютерной сети звезда получила название за сходство со стилизованным изображением этой многолучевой фигуры. В ее представлении в графическом виде обязательно присутствуют:

• центральный узел локальной сети, базовый элемент схемы;
• периферийные узлы – рабочие станции пользователей, сетевое оборудование (принтеры, факсы и пр.);
• каналы связи между центральным узлом и периферией, образующие лучи звезды.

Обмен в локальной сети при такой топологии осуществляется только через центральный узел. Непосредственная связь между остальными устройствами отсутствует.

Принцип работы и характеристики ЛВС определяет архитектура базового элемента. В этой роли используют:

• сетевой концентратор (hub, хаб):
• коммутатор (switch, свитч), управляемый или неуправляемый:
• активное оборудование (сервер, интеллектуальный коммутатор, маршрутизатор).

Нередко пользователя интересуют вопросы, что такое концентратор и коммутатор, чем они отличаются в реализации ЛВС. Прежде всего, при использовании концентраторов и коммутаторов или активного оборудования принципиально разнятся алгоритмы работы сети.

Звезда с концентратором (хабом)

Концентратор (хаб) – простейшее оборудование для организации центральной точки подключения оборудования ЛВС. В устройстве реализован следующий алгоритм:

1. Хаб принимает пакет от одного из узлов.
2. Отправляет его на все порты.
3. Адресат (компьютер или другое оборудование) обрабатывает пакет.
4. Остальные устройства его игнорируют.

Звездообразная схема в такой реализации имеет следующие характерные особенности:

1. Трафик в сети – широковещательный.
2. Физическая топология – звезда, логическая – общая шина (за счет одновременной трансляции входящего пакета на все порты хаба, его получают все участники сети, одновременное обслуживание запросов нескольких узлов невозможно).
3. Пропускная способность хаба распределяется между подключенными в порты хостами. При этом время ожидания обработки запроса оказывается случайной величиной и определяется длиной очереди, Средняя пропускная способность для периферийных узлов зависит от числа задействованных портов концентратора – обратно пропорциональна их количеству.

Хабы используют для построения по топологии звезда небольших домашних или офисных локальных сетей, число участников которых не превышает 8-12. При увеличении количества подключенных рабочих станций производительность существенно снижается.

Еще один существенный недостаток такой организации – низкий уровень безопасности. При широковещательном трафике могут быть перехвачены и проанализированы все пакеты, что упрощает вероятность их расшифровки и получения посторонними конфиденциальной информации.

Среди достоинств схем с концентраторами – простота построения ЛВС (не требуется предварительной настройки оборудования) и низкая цена центрального устройства.

Аналогично хабу (с мультиплексированием) работают точки доступа Wi-Fi при одновременном использовании несколькими мобильными терминалами одного из доступных каналов.

Звезда с коммутатором

Для сетевой топологии звезда с большим числом рабочих станций и возможностью масштабирования чаще используют коммутаторы. В отличие от хаба, свитч:

1. В процессе обмена составляет и заносит в ассоциативную память карту портов (MAC-адресов хостов, подключенных к каждому).
2. Принимает пакет от отправителя.
3. Анализирует его в соответствии с алгоритмом коммутации.
4. Отправляет по адресу получателя.

При такой организации:

• Трафик приобретает свойства селективного (от отправителя непосредственно получателю). Исключение составляют пакеты, адресованные хостам, MAC-адреса которых не занесены в таблицу коммутатора (например, на начальном этапе обучения, когда она не сформирована полностью). В этом случае сохраняется широковещательный характер.
• Возможна обработка запросов нескольких узлов ЛВС одновременно.
• Логическая топология преобразуется от общей шины к гибридной (звезда+шина).
• Увеличивается пропускная способность каждого из каналов, снижается латентость (время задержки).
• Появляется возможность ассиметричной коммутации, с увеличением ширины полосы пропускания для отдельных портов интерфейса.
• Повышается скорость обмена (за счет исключения передачи информации участникам, которым она не предназначена) и безопасность (уменьшение объемов широковещательного трафика сокращает вероятность перехвата и дешифровки пакетов).

На время задержки и надежность информационного обмена влияют используемые алгоритмы коммутации:

• Cut-trough (со сквозной передачей). При анализе пакета коммутатор распаковывает только адрес получателя и транслирует информацию без дальнейшей обработки. Обладает максимальной производительностью, но не позволяет выявить ошибки пересылаемых данных.
• Store&Forward (хранение и пересылка). Производится промежуточное сохранение данных, распаковка пакета с проверкой его целостности, при отсутствии ошибок – отправка адресату. Обеспечивается максимальная надежность (достоверность данных) но с увеличением общей задержки.
• Fragment-Free (без фрагментирования). Позволяет устранить коллизии за счет проверки длины кадра на минимальную длину (64 бита). Читаются только первые 64 бита, все кадры длиннее пересылаются получателю, короче – игнорируются. В результате достигается компромисс между скоростью и надежностью обмена.

Таким образом, коммутатор как центральный узел топологии звезда обеспечивает улучшение производительности и скорости обмена, повышение надежности обмена и его безопасности по сравнению с концентраторами. Это позволяет увеличивать число портов в одном устройстве, стекировать их при значительном числе рабочих станций в ЛВС, без проблем реализовывать как одноранговые, так и иерархические сети, для которых требуется увеличенная пропускная способность для серверных лучей звезды.

Активная

Топология активная или истинная звезда предполагает использование в качестве центрального узла оборудования, осуществляющего не просто трансляцию пакетов, но и принимающего участие в обмене (точнее, осуществляет полное управление последним). Принципиальное отличие активного оборудования – использование более высокого (как минимум, третьего) уровня модели OSI, по сравнению с первым или вторым, с которым работают, соответственно, концентраторы и коммутаторы.

Как центральное оборудование для развертывания активной звездообразной топологии выступают:

• выделенные серверы на базе мощных компьютеров;
• интеллектуальные полностью управляемые коммутаторы, использующие II и III уровень модели OSI;
• маршрутизаторы.

Они получают функции:

1. Полной маршрутизации внутреннего трафика (используется достаточно редко при высоких требованиях к надежности и безопасности информационного обмена).
2. Управления внутренним адресным пространством – раздачи адресов абонентам ЛВС (DHCP-сервера).
3. Создания виртуальных сетей и туннелирования.
4. Балансировки трафика (например, с использованием протокола QoS) и придания ему асимметрии.
5. Ограничения скорости на портах вплоть до полной блокировки.
6. Отслеживания штормов и петель.
7. Разграничения прав доступа к отдельным хостам или группам адресов для абонентов.

Сеть, использующая топологию активная звезда, обладает большей устойчивостью, обеспечивает высокую производительность, надежность и безопасность. Серьезный недостаток такой схемы – цена решения, выше, чем при работе в структуре с пассивным оборудованием. Кроме того, активные устройства требуют настройки и квалифицированного администрирования.

Пассивная

Топология пассивная звезда использует как центральный хост хаб или коммутатор (управляемый или неуправляемый). Пассивное оборудование (собственно, и давшее название схеме) не участвует в управлении трафиком вовсе или реализует ограниченный набор функций его администрирования.

Решение выигрывает у активной по цене, но проигрывает по пропускной способности, надежности и безопасности.

На базе концентраторов строят домашние или небольшие офисные сети, свитчи применяют в ЛВС крупных предприятий для организации сегментов и подсетей.

Применение топологии

Топология звезда стала наиболее распространенной схемой построения локальных сетей различного масштаба. Ее используют при организации сетей:

• Одноранговых домашних или для небольших офисов.
• Беспроводных, как защищенных (частных), так и общедоступных. Центральным узлом в них выступает Wi-Fi роутер (точка доступа).
• Структурированных (иерархических) для купных предприятий и организаций. Причем касается это не только компьютерных ЛВС управления бизнес-процессами, но и АСУ ТП, в состав которых входит технологическое оборудование.

Оборудование, задействованное в техпроцессах, работает как с распространенными стандартами связи (Wi-Fi, Ethernet), так и с промышленными, например RS-485, ProfiBUS, ModBUS и аналогичными. Хотя последние и принято относить к шинным коммуникациям (BUS в названии), однако участки, где требуется повышенная надежность, реализуют по звездообразной топологии с центральными контроллерами.

Сравнение с другими типами

Решение в пользу конкретной базовой топологии при реализации ЛВС определяют достоинства и недостатки каждого решения.

При сравнении учитывают такие факторы:

• Организацию связи между хостами – возможность работы в различных средах передачи, необходимость прокладки индивидуальных кабелей, использование стандартов связи и протоколов, производительность, скорость обмена.
• Масштабируемость сети – добавление новых рабочих станций, сегментов и подсетей.
• Длина коммуникационных линий.
• Наличие критических точек и связей.
• Устойчивость и надежность на физическом уровне – способность ЛВС функционировать при выходе из строя абонентского оборудования или разрыве связей.
• Устойчивость и надежность на логическом и информационном уровне – возможность устранения коллизий, отсеивания поврежденных пакетов, построения маршрутов в условиях отказа части оборудования и каналов, работы в критических условиях и пр.

Достоинства

Топология звезда выигрывает в сравнении с большинством других базовых.

По масштабируемости

1. Для звезды вопрос добавления сегмента или подсети решается простым соединением центральных точек.
2. В шине на физическом уровне требуется аналогичное действие – соединение двух точек, но на уровне передачи сигналов придется позаботиться о допустимой длине связей и пропускной способности общего канала.
3. Для кольца потребуется полная реорганизация связей, обработки маркеров и пакетов данных.
4. В ячеистой топологии задача еще сложнее – для добавляемой группы узлов необходимо обеспечить соединения и правила обмена, отвечающие условиям конкретной сети (например, количество альтернативных маршрутов).

По устойчивости и надежности при отказе клиентского оборудования или обрыве каналов

Сеть по топологии кольцо при отказе одного из узлов или обрыве связи гарантированно выходит из строя. В системах с общей шиной вероятность подобного исхода достаточно высока – незаглушенные терминаторами места обрыва или сбойные адаптеры на ПК становятся источниками коллизий, полностью парализующих обмен.

Звезда в этом случае сохраняет работоспособность – из обмена исключает только сбойный хост или узел, с которым нарушено физическое соединение.

По простоте администрирования

В общем случае и шинная, и кольцевая и ячеистая топологии рассматриваются как децентрализованные. Администрирование трафика требует настроек и мониторинга на каждом хосте или значительном числе узлов.

При использовании активной или истинной звезды эти задачи решаются на центральном узле. Однако пассивная звезда, особенно работающая через хаб, этого преимущества не имеет.

Недостатки

По некоторым показателям топология звезда уступает другим базовым, например:

1. По простоте организации сети, особенно кабельной, кольцо и шина существенно выигрывают, поскольку не требуют прокладки каналов от центрального хоста к каждому из периферийных. Уступает звезде в этом отношении только ячеистая структура, особенно, полносвязная.
2. По затратам. Дополнительные кабельные каналы, усилители сигналов, и, главное, центральное оборудование существенно повышают цену организации звездообразной сети, в сравнении с шинной и кольцевой. При прочих равных по этому показателю звезде проигрывает только mesh-система.
3. Наличие критической точки. Нарушение работоспособности центрального узла приведет к отказу всей сети.

Таким образом, топология звезда заслуженно стала основной для ЛВС любого масштаба – от домашних до промышленных. Ее используют в кабельных и беспроводных сетях, с пассивным и активным оборудованием центрального узла. В большинстве случаев плюсы и минусы решения позволяют достигнуть существенного улучшения показателей скорости обмена, устойчивости, надежности и безопасности.