Топология сети — это расположение элементов ( соединений , узлов и т. д.) сети связи. [1] [2] Топология сети может использоваться для определения или описания расположения различных типов телекоммуникационных сетей, включая радиосети управления и контроля , [3] промышленные полевые шины и компьютерные сети .
Топология сети — это топологическая [4] структура сети, которая может быть изображена физически или логически. Это приложение теории графов [3], в котором взаимодействующие устройства моделируются как узлы, а соединения между устройствами моделируются как связи или линии между узлами. Физическая топология — это размещение различных компонентов сети (например, местоположение устройства и прокладка кабеля), в то время как логическая топология иллюстрирует, как данные передаются в сети. Расстояния между узлами, физические соединения, скорости передачи или типы сигналов могут различаться в двух разных сетях, однако их логические топологии могут быть идентичными. Физическая топология сети — это особая проблема физического уровня модели OSI .
Примеры сетевых топологий можно найти в локальных вычислительных сетях ( LAN ), обычной компьютерной сетевой установке. Любой заданный узел в LAN имеет одну или несколько физических связей с другими устройствами в сети; графическое отображение этих связей приводит к геометрической форме, которая может быть использована для описания физической топологии сети. В LAN используется широкий спектр физических топологий, включая кольцо , шину , сетку и звезду . И наоборот, отображение потока данных между компонентами определяет логическую топологию сети. Для сравнения, Controller Area Networks , распространенные в транспортных средствах, в первую очередь представляют собой распределенные сети систем управления из одного или нескольких контроллеров, соединенных с датчиками и исполнительными механизмами, неизменно по физической топологии шины.
Существуют две основные категории сетевых топологий: физические топологии и логические топологии. [5]
Схема среды передачи, используемая для соединения устройств, представляет собой физическую топологию сети. Для проводящих или оптоволоконных сред это относится к схеме кабелей , расположению узлов и связям между узлами и кабелями. [1] Физическая топология сети определяется возможностями устройств доступа к сети и носителями, желаемым уровнем контроля или отказоустойчивости и стоимостью, связанной с кабелями или телекоммуникационными цепями.
Напротив, логическая топология — это способ, которым сигналы действуют на сетевую среду, [6] или способ, которым данные проходят по сети от одного устройства к другому без учета физического соединения устройств. [7] Логическая топология сети не обязательно совпадает с ее физической топологией. Например, исходный Ethernet на витой паре с использованием концентраторов-повторителей представлял собой логическую топологию шины, реализованную в физической топологии звезды. Token Ring — это логическая кольцевая топология, но она подключается как физическая звезда от блока доступа к среде . Физически Avionics Full-Duplex Switched Ethernet (AFDX) может представлять собой каскадную топологию звезды из нескольких двойных избыточных коммутаторов Ethernet; однако виртуальные каналы AFDX моделируются как коммутируемые по времени соединения шины с одним передатчиком, таким образом следуя модели безопасности топологии шины с одним передатчиком, ранее использовавшейся в самолетах. Логические топологии часто тесно связаны с методами и протоколами управления доступом к среде . Некоторые сети способны динамически изменять свою логическую топологию посредством изменения конфигурации маршрутизаторов и коммутаторов.
Среда передачи данных (часто называемая в литературе физической средой ), используемая для соединения устройств в компьютерную сеть, включает электрические кабели ( Ethernet , HomePNA , связь по линиям электропередач , G.hn ), оптоволокно ( волоконно-оптическая связь ) и радиоволны ( беспроводная сеть ). В модели OSI они определены на уровнях 1 и 2 — физическом уровне и уровне канала передачи данных.
Широко распространенное семейство сред передачи данных, используемых в технологии локальной вычислительной сети ( LAN ), известно под общим названием Ethernet . Стандарты среды и протоколов, которые обеспечивают связь между сетевыми устройствами через Ethernet, определены в IEEE 802.3 . Ethernet передает данные как по медным, так и по оптоволоконным кабелям. Стандарты беспроводных локальных сетей (например, определенные в IEEE 802.11 ) используют радиоволны , а другие используют инфракрасные сигналы в качестве среды передачи. Связь по линиям электропередач использует силовые кабели здания для передачи данных.
Ниже приведены порядки проводных технологий, отсортированные примерно от самой медленной к самой быстрой скорости передачи данных.
Цена является основным фактором, отличающим варианты проводных и беспроводных технологий в бизнесе. Беспроводные варианты требуют ценовой надбавки, которая может сделать покупку проводных компьютеров, принтеров и других устройств финансовой выгодой. Перед принятием решения о покупке продуктов проводных технологий необходимо рассмотреть ограничения и запреты выбора. Потребности бизнеса и сотрудников могут перевесить любые соображения стоимости. [12]
Были предприняты различные попытки передачи данных с помощью экзотических носителей:
В обоих случаях наблюдается большое время задержки приема-передачи , что замедляет двустороннюю связь, но не препятствует отправке больших объемов информации.
Узлы сети — это точки соединения среды передачи с передатчиками и приемниками электрических, оптических или радиосигналов, передаваемых в среде. Узлы могут быть связаны с компьютером, но некоторые типы могут иметь только микроконтроллер на узле или, возможно, вообще не иметь программируемого устройства. В простейших последовательных схемах один передатчик RS-232 может быть подключен парой проводов к одному приемнику, образуя два узла на одном канале или топологию «точка-точка». Некоторые протоколы разрешают одному узлу только передавать или принимать (например, ARINC 429 ). Другие протоколы имеют узлы, которые могут как передавать, так и принимать в один канал (например, CAN может иметь много приемопередатчиков, подключенных к одной шине). В то время как обычные системные блоки компьютерной сети включают в себя контроллеры сетевых интерфейсов (NIC), повторители , концентраторы , мосты , коммутаторы , маршрутизаторы , модемы , шлюзы и брандмауэры , большинство из них решают сетевые проблемы, выходящие за рамки физической топологии сети, и могут быть представлены в виде отдельных узлов в определенной физической топологии сети.
.jpg/1280px-ForeRunnerLE_25_ATM_Network_Interface_(1).jpg)
Контроллер сетевого интерфейса (NIC) — это компьютерное оборудование , которое обеспечивает компьютеру возможность доступа к среде передачи данных и имеет возможность обрабатывать низкоуровневую сетевую информацию. Например, NIC может иметь разъем для подключения кабеля или антенну для беспроводной передачи и приема, а также соответствующую схему.
Сетевая карта отвечает на трафик, адресованный сетевому адресу либо сетевой карты, либо компьютера в целом.
В сетях Ethernet каждый контроллер сетевого интерфейса имеет уникальный адрес управления доступом к среде (MAC), который обычно хранится в постоянной памяти контроллера. Чтобы избежать конфликтов адресов между сетевыми устройствами, Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) поддерживает и администрирует уникальность MAC-адресов. Размер MAC-адреса Ethernet составляет шесть октетов . Три самых значимых октета зарезервированы для идентификации производителей сетевых карт. Эти производители, используя только назначенные им префиксы, уникально назначают три самых значимых октета каждого производимого ими интерфейса Ethernet.
Ретранслятор — это электронное устройство, которое принимает сетевой сигнал , очищает его от ненужного шума и регенерирует его. Сигнал может быть преобразован или повторно передан на более высоком уровне мощности на другую сторону препятствия, возможно, с использованием другой среды передачи, так что сигнал может покрывать большие расстояния без ухудшения. Коммерческие ретрансляторы расширили сегменты RS-232 с 15 метров до более километра. [15] В большинстве конфигураций Ethernet на витой паре ретрансляторы требуются для кабеля, длина которого превышает 100 метров. При использовании оптоволокна ретрансляторы могут находиться на расстоянии десятков или даже сотен километров друг от друга.
Повторители работают на физическом уровне модели OSI, то есть нет сквозного изменения в физическом протоколе через повторитель или пару повторителей, даже если между концами повторителя или пары повторителей может использоваться другой физический уровень. Повторителям требуется небольшое количество времени для регенерации сигнала. Это может вызвать задержку распространения , которая влияет на производительность сети и может повлиять на правильное функционирование. В результате многие сетевые архитектуры ограничивают количество повторителей, которые могут использоваться подряд, например, правило Ethernet 5-4-3 .
Повторитель с несколькими портами называется концентратором, в сетях Ethernet — концентратором Ethernet , в сетях USB — концентратором USB .
Сетевой мост соединяет и фильтрует трафик между двумя сетевыми сегментами на канальном уровне (уровень 2) модели OSI , формируя единую сеть. Это разрушает домен коллизий сети, но сохраняет единый широковещательный домен. Сегментация сети разбивает большую перегруженную сеть на совокупность более мелких, более эффективных сетей.
Мосты бывают трех основных типов:
Сетевой коммутатор — это устройство, которое пересылает и фильтрует датаграммы ( кадры ) уровня 2 модели OSI между портами на основе MAC-адреса назначения в каждом кадре. [16] Коммутатор отличается от концентратора тем, что он пересылает кадры только на физические порты, участвующие в коммуникации, а не на все подключенные порты. Его можно рассматривать как многопортовый мост. [17] Он учится связывать физические порты с MAC-адресами, проверяя исходные адреса полученных кадров. Если целью является неизвестный пункт назначения, коммутатор осуществляет широковещательную передачу на все порты, кроме источника. Коммутаторы обычно имеют множество портов, что упрощает топологию «звезда» для устройств и каскадирование дополнительных коммутаторов.
Многоуровневые коммутаторы способны маршрутизировать на основе адресации уровня 3 или дополнительных логических уровней. Термин коммутатор часто используется в широком смысле, включая такие устройства, как маршрутизаторы и мосты, а также устройства, которые могут распределять трафик на основе нагрузки или на основе содержимого приложения (например, идентификатор веб -URL ).
Маршрутизатор — это межсетевое устройство, которое пересылает пакеты между сетями, обрабатывая информацию о маршрутизации, включенную в пакет или датаграмму (информация интернет-протокола из уровня 3). Информация о маршрутизации часто обрабатывается совместно с таблицей маршрутизации (или таблицей пересылки). Маршрутизатор использует свою таблицу маршрутизации, чтобы определить, куда пересылать пакеты. Пункт назначения в таблице маршрутизации может включать черную дыру , поскольку данные могут попадать в нее, однако для этих данных не выполняется никакой дальнейшей обработки, т. е. пакеты отбрасываются.
Модемы (МОдулятор-ДЕМодулятор) используются для соединения сетевых узлов по проводам, изначально не предназначенным для цифрового сетевого трафика, или для беспроводной связи. Для этого один или несколько сигналов несущей модулируются цифровым сигналом для получения аналогового сигнала , который может быть настроен для придания требуемых свойств для передачи. Модемы обычно используются для телефонных линий, используя технологию цифровой абонентской линии .
Брандмауэр — это сетевое устройство для управления сетевой безопасностью и правилами доступа. Брандмауэры обычно настроены на отклонение запросов на доступ от нераспознанных источников, но разрешают действия от распознанных. Жизненно важная роль брандмауэров в сетевой безопасности растет параллельно с постоянным ростом кибератак .
Изучение топологии сетей выделяет восемь основных топологий: «точка-точка», «шина», «звезда», «кольцо» или «круг», «сетка», «дерево», «гибрид» или «цепочка». [18]
Простейшая топология с выделенным каналом между двумя конечными точками. Наиболее простой для понимания из вариаций топологии точка-точка является канал связи точка-точка , который, как кажется пользователю, постоянно связан с двумя конечными точками. Детский телефон из консервной банки — один из примеров физического выделенного канала.
Используя технологии коммутации каналов или коммутации пакетов , можно динамически устанавливать двухточечную цепь и отключать ее, когда она больше не нужна. Коммутируемые топологии «точка-точка» являются базовой моделью обычной телефонии .
Ценность постоянной сети точка-точка заключается в беспрепятственной связи между двумя конечными точками. Ценность соединения точка-точка по требованию пропорциональна количеству потенциальных пар абонентов и выражается законом Меткалфа .
Последовательное соединение достигается путем последовательного соединения каждого компьютера со следующим. Если сообщение предназначено для компьютера, находящегося на полпути, каждая система передает его по очереди, пока оно не достигнет пункта назначения. Последовательное соединение может иметь две основные формы: линейную и кольцевую.
В локальных сетях с топологией шины каждый узел подключается интерфейсными разъемами к одному центральному кабелю. Это «шина», также называемая магистралью или стволом — все данные, передаваемые между узлами в сети, передаются по этой общей среде передачи и могут быть получены всеми узлами в сети одновременно. [1]
Сигнал, содержащий адрес предполагаемой принимающей машины, передается от исходной машины в обоих направлениях ко всем машинам, подключенным к шине, пока не найдет предполагаемого получателя, который затем примет данные. Если адрес машины не совпадает с предполагаемым адресом для данных, часть сигнала с данными игнорируется. Поскольку топология шины состоит только из одного провода, ее реализация обходится дешевле, чем другие топологии, но экономия компенсируется более высокой стоимостью управления сетью. Кроме того, поскольку сеть зависит от одного кабеля, он может быть единственной точкой отказа сети. В этой топологии к передаваемым данным может получить доступ любой узел.
В линейной шинной сети все узлы сети подключены к общей среде передачи, которая имеет всего две конечные точки. Когда электрический сигнал достигает конца шины, сигнал отражается обратно по линии, вызывая нежелательные помехи. Чтобы предотвратить это, две конечные точки шины обычно заканчиваются устройством, называемым терминатором .
В распределенной шинной сети все узлы сети подключены к общей среде передачи с более чем двумя конечными точками, созданными путем добавления ответвлений к основному участку среды передачи. Топология физической распределенной шины функционирует точно так же, как и топология физической линейной шины, поскольку все узлы используют общую среду передачи.
В топологии «звезда» (также называемой «хаб-и-спок») каждый периферийный узел (компьютерная рабочая станция или любое другое периферийное устройство) подключен к центральному узлу, называемому концентратором или коммутатором. Концентратор является сервером, а периферийные устройства являются клиентами. Сеть не обязательно должна напоминать звезду, чтобы ее можно было классифицировать как звездообразную сеть, но все периферийные узлы в сети должны быть подключены к одному центральному концентратору. Весь трафик, проходящий через сеть, проходит через центральный концентратор, который действует как повторитель сигнала .
Топология «звезда» считается самой простой топологией для проектирования и внедрения. Одним из преимуществ топологии «звезда» является простота добавления дополнительных узлов. Основным недостатком топологии «звезда» является то, что концентратор представляет собой единую точку отказа. Кроме того, поскольку все периферийные коммуникации должны проходить через центральный концентратор, совокупная центральная пропускная способность образует узкое место сети для больших кластеров.
Расширенная топология сети типа «звезда» расширяет физическую топологию типа «звезда» одним или несколькими повторителями между центральным узлом и периферийными (или «спицами») узлами. Повторители используются для увеличения максимального расстояния передачи физического уровня, расстояния «точка-точка» между центральным узлом и периферийными узлами. Повторители обеспечивают большую дальность передачи, чем это было бы возможно при использовании только мощности передачи центрального узла. Использование повторителей также может преодолеть ограничения стандарта, на котором основан физический уровень.
Физическая расширенная звездообразная топология, в которой повторители заменены концентраторами или коммутаторами, является типом гибридной сетевой топологии и называется физической иерархической звездообразной топологией, хотя в некоторых текстах не проводится различий между этими двумя топологиями.
Физическая иерархическая топология типа «звезда» также может называться топологией типа «звезда-уровень». Эта топология отличается от топологии типа «дерево» тем, как звездные сети соединены между собой. Топология типа «звезда-уровень» использует центральный узел, в то время как топология типа «дерево» использует центральную шину и также может называться сетью типа «звезда-шина».
Распределенная звезда — это сетевая топология, состоящая из отдельных сетей, основанных на физической топологии звезды, соединенных линейно, т. е. «цепочкой», без центральной или верхней точки соединения (например, два или более «сложенных» концентратора вместе с соответствующими им звездообразными узлами или «спицами»).
Кольцевая топология представляет собой цепочку соединений в замкнутом контуре. Данные перемещаются по кольцу в одном направлении. Когда один узел отправляет данные другому, данные проходят через каждый промежуточный узел на кольце, пока не достигнут своего пункта назначения. Промежуточные узлы повторяют (ретранслируют) данные, чтобы поддерживать сильный сигнал. [5] Каждый узел является равноправным; иерархических отношений между клиентами и серверами не существует. Если один узел не может ретранслировать данные, он разрывает связь между узлами до и после него в шине.
Преимущества:
Недостатки:
Ценность полносвязных сетей пропорциональна показателю числа абонентов, предполагая, что взаимодействующие группы любых двух конечных точек, включая все конечные точки, аппроксимируются законом Рида .
В полностью связанной сети все узлы соединены между собой. (В теории графов это называется полным графом .) Простейшая полностью связанная сеть — это двухузловая сеть. Полностью связанная сеть не нуждается в коммутации пакетов или широковещании . Однако, поскольку количество соединений растет квадратично с количеством узлов:
Это делает его непрактичным для больших сетей. Такая топология не отключается и не влияет на другие узлы в сети.
В частично связанной сети некоторые узлы соединены ровно с одним другим узлом; но некоторые узлы соединены с двумя или более другими узлами с помощью соединения точка-точка. Это позволяет использовать часть избыточности топологии сетки, которая физически полностью соединена, без расходов и сложности, необходимых для соединения между каждым узлом в сети.
Гибридная топология также известна как гибридная сеть. [19] Гибридные сети объединяют две или более топологии таким образом, что результирующая сеть не демонстрирует одну из стандартных топологий (например, шина, звезда, кольцо и т. д.). Например, древовидная сеть (или сеть звезда-шина ) является гибридной топологией, в которой звездообразные сети соединены между собой через шинные сети . [20] [21] Однако древовидная сеть, подключенная к другой древовидной сети, топологически все еще является древовидной сетью, а не отдельным типом сети. Гибридная топология всегда создается, когда соединены две разные базовые топологии сети.
Сеть со звездообразной топологией состоит из двух или более кольцевых сетей, соединенных с помощью многостанционного устройства доступа (MAU) в качестве централизованного концентратора.
Топология снежинки сетчатая в центре, но по краям имеет форму дерева. [22]
Два других типа гибридных сетей — это гибридная сетка и иерархическая звезда . [20]
Топология «звезда» снижает вероятность отказа сети, соединяя все периферийные узлы (компьютеры и т. д.) с центральным узлом. Когда физическая топология «звезда» применяется к логической шинной сети, такой как Ethernet , этот центральный узел (традиционно концентратор) ретранслирует все передачи, полученные от любого периферийного узла, всем периферийным узлам в сети, иногда включая исходный узел. Таким образом, все периферийные узлы могут взаимодействовать со всеми остальными, передавая и получая данные только от центрального узла. Отказ линии передачи, соединяющей любой периферийный узел с центральным узлом, приведет к изоляции этого периферийного узла от всех остальных, но остальные периферийные узлы не будут затронуты. Однако недостатком является то, что отказ центрального узла приведет к отказу всех периферийных узлов.
Если центральный узел пассивен , исходный узел должен быть в состоянии выдерживать прием эха своей собственной передачи, задержанного на время двусторонней передачи туда и обратно (т. е. к центральному узлу и от него) плюс любая задержка, сгенерированная в центральном узле. Активная звездообразная сеть имеет активный центральный узел, который обычно имеет средства для предотвращения проблем, связанных с эхом.
Древовидная топология (также известная как иерархическая топология ) может рассматриваться как набор звездообразных сетей, организованных в иерархию . Эта древовидная структура имеет отдельные периферийные узлы (например, листья), которые должны передавать и получать данные только от одного другого узла и не должны выступать в качестве повторителей или регенераторов. В отличие от звездообразной сети, функциональность центрального узла может быть распределена.
Как и в обычной звездообразной сети, отдельные узлы могут быть изолированы от сети из-за отказа одной точки пути передачи к узлу. Если связь, соединяющая лист, выходит из строя, этот лист изолируется; если соединение с нелистовым узлом выходит из строя, весь раздел сети становится изолированным от остальной части.
Чтобы уменьшить объем сетевого трафика, который возникает при трансляции всех сигналов всем узлам, были разработаны более продвинутые центральные узлы, способные отслеживать идентификаторы узлов, подключенных к сети. Эти сетевые коммутаторы будут изучать структуру сети, прослушивая каждый порт во время обычной передачи данных, проверяя пакеты данных и записывая адрес/идентификатор каждого подключенного узла и порт, к которому он подключен, в таблице поиска, хранящейся в памяти. Затем эта таблица поиска позволяет пересылать будущие передачи только по назначению.
Топология Daisy chain — это способ соединения сетевых узлов в линейную или кольцевую структуру. Она используется для передачи сообщений от одного узла к другому до тех пор, пока они не достигнут узла назначения.
Сеть daisy chain может быть двух типов: линейная и кольцевая. Линейная сеть daisy chain похожа на электрический ряд, где первый и последний узлы не соединены. Кольцевая сеть daisy chain — это сеть, где первый и последний узлы соединены, образуя петлю.
В топологии частично связанной сетки есть по крайней мере два узла с двумя или более путями между ними для обеспечения избыточных путей в случае отказа соединения, обеспечивающего один из путей. Децентрализация часто используется для компенсации недостатка отказа одной точки, который присутствует при использовании одного устройства в качестве центрального узла (например, в сетях типа «звезда» и «дерево»). Особый вид сетки, ограничивающий количество переходов между двумя узлами, — это гиперкуб . Количество произвольных разветвлений в сетях с сеткой затрудняет их проектирование и реализацию, но их децентрализованная природа делает их очень полезными.
Это похоже в некотором смысле на сетевую сеть , где линейная или кольцевая топология используется для соединения систем в нескольких направлениях. Многомерное кольцо имеет тороидальную топологию, например.
Полностью связанная сеть , полная топология или топология полной сетки — это топология сети, в которой есть прямая связь между всеми парами узлов. В полностью связанной сети с n узлами есть прямые связи. Сети, разработанные с такой топологией, обычно очень дороги в настройке, но обеспечивают высокую степень надежности из-за множественных путей для данных, которые предоставляются большим количеством избыточных связей между узлами. Эта топология в основном встречается в военных приложениях.
