Топология сети — это расположение элементов ( звеньев , 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 ссылки или линии между узлами. Физическая топология — это размещение различных компонентов сети (например, расположение устройств и прокладка кабелей), тогда как логическая топология иллюстрирует, как данные передаются внутри сети. Расстояния между узлами, физические соединения, скорости передачи или типы сигналов могут различаться в двух разных сетях, но их логические топологии могут быть идентичными. Физическая топология сети представляет собой особый интерес для физического уровня модели OSI .
Примеры сетевых топологий можно найти в локальных сетях ( LAN ), обычных компьютерных сетях. Любой узел в локальной сети имеет одно или несколько физических каналов связи с другими устройствами в сети; графическое отображение этих связей приводит к созданию геометрической формы, которую можно использовать для описания физической топологии сети. В локальных сетях используется широкий спектр физических топологий, включая кольцо , шину , ячеистую сеть и звезду . И наоборот, сопоставление потока данных между компонентами определяет логическую топологию сети. Для сравнения, сети контроллеров , распространенные в транспортных средствах, в основном представляют собой сети распределенных систем управления , состоящие из одного или нескольких контроллеров, соединенных между собой датчиками и исполнительными механизмами через топологию физической шины.
Существуют две основные категории сетевых топологий: физические топологии и логические топологии. [5]
Схема среды передачи , используемая для связи устройств, представляет собой физическую топологию сети. Для проводящих или волоконно-оптических сред это относится к расположению кабелей , расположению узлов и связям между узлами и кабелями. [1] Физическая топология сети определяется возможностями устройств доступа к сети и средой, желаемым уровнем управления или отказоустойчивости, а также стоимостью, связанной с прокладкой кабелей или телекоммуникационными цепями.
Напротив, логическая топология — это способ воздействия сигналов на сетевую среду [6] или способ передачи данных через сеть от одного устройства к другому без учета физического соединения устройств. [7] Логическая топология сети не обязательно совпадает с ее физической топологией. Например, первоначальный Ethernet на основе витой пары с использованием концентраторов-ретрансляторов представлял собой топологию логической шины, реализованную в топологии физической звезды. Token Ring представляет собой топологию логического кольца, но подключается как физическая звезда от устройства доступа к среде передачи . Физически AFDX может представлять собой каскадную топологию звезды из нескольких коммутаторов Ethernet с двойным резервированием; однако виртуальные каналы AFDX моделируются как соединения шины с одним передатчиком с временной коммутацией , что соответствует модели безопасности топологии шины с одним передатчиком, ранее использовавшейся в самолетах. Логические топологии часто тесно связаны с методами и протоколами управления доступом к среде передачи . Некоторые сети могут динамически изменять свою логическую топологию путем изменения конфигурации маршрутизаторов и коммутаторов.
Среда передачи (часто называемая в литературе физической средой ), используемая для связи устройств для формирования компьютерной сети, включает в себя электрические кабели ( Ethernet , HomePNA , линия электропередачи , G.hn ), оптическое волокно ( 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, используемое в технологии локальных сетей ( LAN ), известное под общим названием Ethernet . Стандарты среды передачи и протокола, обеспечивающие связь между сетевыми устройствами через Ethernet, определяются стандартом IEEE 802.3 . Ethernet передает данные как по медным, так и по оптоволоконным кабелям. Стандарты беспроводной локальной сети (например, определенные стандартом IEEE 802.11 ) используют радиоволны , а другие используют инфракрасные сигналы в качестве среды передачи. Для связи по линии электропередачи для передачи данных используются силовые кабели здания.
Порядок следующих проводных технологий примерно варьируется от самой медленной до самой высокой скорости передачи.
Цена является основным фактором, отличающим варианты проводных и беспроводных технологий в бизнесе. Варианты беспроводной связи требуют более высокой цены, что может сделать покупку проводных компьютеров, принтеров и других устройств финансовой выгодой. Прежде чем принять решение о покупке аппаратных технологических продуктов, необходимо проанализировать ограничения и ограничения выбора. Потребности бизнеса и сотрудников могут преобладать над любыми соображениями стоимости. [12]
Были различные попытки передачи данных по экзотическим носителям:
Оба случая имеют большое время задержки туда и обратно , что обеспечивает медленную двустороннюю связь, но не препятствует отправке больших объемов информации.
Сетевые узлы — это точки соединения среды передачи с передатчиками и приемниками электрических, оптических или радиосигналов, переносимых в среде. Узлы могут быть связаны с компьютером, но некоторые типы могут иметь только микроконтроллер в 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 позволяют одному узлу либо передавать, либо принимать (например, ARINC 429 ). Другие протоколы имеют узлы, которые могут как передавать, так и принимать по одному каналу (например, CAN может иметь множество приемопередатчиков, подключенных к одной шине). Хотя традиционные системные блоки компьютерной сети включают в себя контроллеры сетевых интерфейсов (NIC), повторители , концентраторы , мосты , коммутаторы , маршрутизаторы , модемы , шлюзы и межсетевые экраны , большинство проблем сети решаются за пределами топологии физической сети и могут быть представлены как отдельные узлы в определенной топологии физической 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 и имеет возможность обрабатывать сетевую информацию низкого уровня. Например, сетевая плата может иметь разъем для подключения кабеля или антенну для беспроводной передачи и приема и 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 передачи (MAC), который обычно хранится в постоянной памяти контроллера. Чтобы избежать конфликтов адресов между сетевыми устройствами, Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) поддерживает и управляет уникальностью MAC-адресов. Размер MAC-адреса Ethernet составляет шесть октетов . Три наиболее значимых октета зарезервированы для идентификации производителей сетевых карт. Эти производители, используя только присвоенные им префиксы, однозначно назначают три младших октета каждому производимому ими интерфейсу Ethernet.
Ретранслятор — это электронное устройство , которое принимает сетевой сигнал , очищает его от ненужных шумов и регенерирует. 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 преодолевать большие расстояния без ухудшения качества. Коммерческие ретрансляторы расширили сегменты RS-232 с 15 метров до более чем километра. [15] В большинстве конфигураций Ethernet на витой паре для кабеля длиной более 100 метров требуются повторители. При использовании оптоволокна ретрансляторы могут находиться на расстоянии десятков или даже сотен километров друг от друга.
Ретрансляторы работают на физическом уровне модели OSI, то есть в физическом протоколе не происходит сквозных изменений в ретрансляторе или паре ретрансляторов, даже если между концами ретранслятора может использоваться другой физический уровень. , или пара повторителей. Ретрансляторам требуется небольшое количество времени для восстановления 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 можно использовать подряд, например, правило Ethernet 5-4-3 .
Повторитель с несколькими портами известен как концентратор, концентратор Ethernet в сетях Ethernet и концентратор USB в сетях USB.
Сетевой мост соединяет и фильтрует трафик между двумя сегментами сети на канальном уровне (уровень 2) модели OSI , образуя единую сеть. Это нарушает домен коллизий сети, но сохраняет единый широковещательный домен. Сегментация сети разбивает большую перегруженную сеть на совокупность более мелких и более эффективных сетей.
Мосты бывают трех основных типов:
Сетевой коммутатор — это устройство, которое пересылает и фильтрует дейтаграммы ( кадры ) уровня 2 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 обмене данными, 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 выбран неизвестный пункт назначения, коммутатор осуществляет широковещательную передачу на все порты, кроме источника. Коммутаторы обычно имеют множество портов, что обеспечивает звездообразную топологию для устройств и каскадное подключение дополнительных коммутаторов.
Многоуровневые коммутаторы способны осуществлять маршрутизацию на основе адресации уровня 3 или дополнительных логических уровней. Термин «коммутатор» часто используется в широком смысле для обозначения таких устройств, как маршрутизаторы и мосты, а также устройств, которые могут распределять трафик в зависимости от нагрузки или содержимого приложения (например, идентификатора веб- URL ).
Маршрутизатор — это межсетевое устройство , которое пересылает пакеты между сетями путем обработки информации о маршрутизации, включенной в пакет или дейтаграмму (информация интернет-протокола с уровня 3). Информация о маршрутизации часто обрабатывается вместе с таблицей маршрутизации (или таблицей пересылки). Маршрутизатор использует свою таблицу маршрутизации, чтобы определить, куда пересылать пакеты. Пункт назначения в таблице маршрутизации может включать «нулевой» интерфейс, также известный как интерфейс «черной дыры», поскольку в него могут поступать данные, однако для этих данных дальнейшая обработка не выполняется, т. е. пакеты отбрасываются.
Модемы (МОдулятор-ДЕМодулятор) используются для соединения сетевых узлов по проводу, изначально не предназначенному для цифрового сетевого трафика или для беспроводного доступа. Для этого один или несколько сигналов несущей модулируются цифровым сигналом для получения аналогового сигнала , который можно настроить для придания требуемых свойств для передачи. Модемы обычно используются для телефонных линий с использованием технологии цифровых абонентских линий .
Брандмауэр — это сетевое устройство для управления сетевой безопасностью и правилами доступа . Брандмауэры обычно настроены так, чтобы отклонять запросы на доступ из нераспознанных источников и разрешать действия из признанных источников. Жизненно важная роль межсетевых экранов в обеспечении сетевой безопасности растет параллельно с постоянным увеличением количества кибератак .
При изучении топологии сети выделяются восемь основных топологий: двухточечная, шина, звезда, кольцевая или кольцевая, ячеистая, древовидная, гибридная или шлейфовая. [18]
Простейшая топология с выделенным каналом между двумя конечными точками. Самый простой для понимания вариант топологии «точка-точка» — это канал связи «точка-точка », который кажется пользователю постоянно связанным с двумя конечными точками. Телефон из детской жестяной банки является одним из примеров физического выделенного канала.
Используя технологии коммутации каналов или коммутации пакетов , канал «точка-точка» может быть настроен динамически и отключен, когда он больше не нужен. Коммутируемая топология «точка-точка» представляет собой базовую модель традиционной телефонии .
Ценность постоянной сети «точка-точка» заключается в беспрепятственной связи между двумя конечными точками. Ценность соединения «точка-точка» по требованию пропорциональна числу потенциальных пар абонентов и выражена в виде закона Меткалфа .
Последовательное подключение осуществляется путем последовательного подключения каждого компьютера к другому. Если сообщение предназначено для компьютера, находящегося на полпути, каждая система последовательно передает его, пока оно не достигнет пункта назначения. Шлейфовая сеть может принимать две основные формы: линейную и кольцевую.
В локальных сетях, использующих шинную топологию, каждый узел подключается интерфейсными разъемами к единому центральному кабелю. Это «шина», также называемая магистральной линией или магистралью — вся передача данных между узлами в сети передается через эту общую среду передачи и может быть получена 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 машинный адрес не соответствует предполагаемому адресу данных, часть данных сигнала игнорируется. Поскольку топология шины состоит только из одного провода, ее реализация 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 передаваемые данные могут быть доступны любому узлу.
В сети с линейной шиной все узлы сети подключены к общей среде передачи, которая имеет только две конечные точки. Когда электрический сигнал достигает конца шины, он отражается обратно по линии, вызывая нежелательные помехи. Чтобы предотвратить это, две конечные точки шины обычно завершаются устройством, называемым терминатором .
В сети с распределенной шиной все узлы сети подключены к общей среде передачи с более чем двумя конечными точками, созданными путем добавления ветвей к основному участку среды передачи – физическая топология распределенной шины функционирует точно таким же образом. как топология физической линейной шины, поскольку все узлы используют общую среду передачи.
В звездообразной топологии каждый периферийный узел (компьютерная рабочая станция или любое другое периферийное устройство) подключен к центральному узлу, называемому концентратором или коммутатором. Концентратор — это сервер, а периферийные устройства — клиенты. Сеть не обязательно должна напоминать звезду, чтобы ее можно было классифицировать как звездообразную сеть, но все периферийные узлы сети должны быть подключены к одному центральному концентратору. Весь трафик, проходящий через сеть, проходит через центральный концентратор, который действует как ретранслятор сигнала .
Топология «звезда» считается самой простой в проектировании и реализации. Одним из преимуществ звездообразной топологии является простота добавления дополнительных узлов. Основным недостатком звездообразной топологии является то, что концентратор представляет собой единую точку отказа. Кроме того, поскольку вся периферийная связь должна проходить через центральный концентратор, совокупная центральная пропускная способность образует узкое место в сети для больших кластеров.
Расширенная топология сети «звезда» расширяет физическую топологию «звезда» за счет одного или нескольких повторителей между центральным узлом и периферийными (или «лучевыми») 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, используя только мощность передачи центрального узла. Использование повторителей также позволяет преодолеть ограничения стандарта, на котором основан физический уровень.
Физическая расширенная топология звезды, в которой повторители заменены концентраторами или коммутаторами, представляет собой тип топологии гибридной сети и называется физической иерархической звездообразной топологией, хотя в некоторых текстах не проводится различие между двумя топологиями.
Физическую иерархическую звездообразную топологию также можно назвать ярусной звездообразной топологией. Эта топология отличается от древовидной топологии способом соединения звездообразных сетей. В топологии «звезда» используется центральный узел, а в топологии «дерево» используется центральная шина, и ее также можно назвать сетью «звезда».
Распределенная звезда — это сетевая топология, состоящая из отдельных сетей, основанных на физической топологии звезды, соединенных линейным образом, т. е. «последовательно», без центральной точки подключения или точки подключения верхнего уровня (например, двух или более). «сложенные» концентраторы вместе со связанными с ними узлами, соединенными звездой или «спицами»).
Кольцевая топология представляет собой шлейфовое соединение в замкнутом контуре. Данные перемещаются по кольцу в одном направлении. Когда один узел отправляет данные другому, данные проходят через каждый промежуточный узел кольца, пока не достигнут пункта назначения. Промежуточные узлы повторяют (ретранслируют) данные, чтобы сигнал оставался сильным. [5] Каждый узел является равноправным; нет иерархических взаимоотношений клиентов и серверов. Если один узел не может повторно передать данные, он разрывает связь между узлами до и после него в шине.
Преимущества:
Недостатки:
Ценность полностью объединенных сетей пропорциональна показателю числа абонентов, при условии, что взаимодействующие группы любых двух конечных точек, вплоть до всех конечных точек, аппроксимируются законом Рида .
В полностью связной сети все узлы взаимосвязаны. (В теории графов это называется полным графом .) Простейшая полносвязная сеть — это сеть с двумя узлами. Полностью подключенная сеть не требует использования коммутации пакетов или широковещательной передачи . Однако, поскольку количество соединений растет квадратично с количеством узлов:
Это делает его непрактичным для больших сетей. Такая топология не срабатывает и не влияет на другие узлы сети.
В частично связной сети некоторые узлы подключены ровно к одному другому узлу; но некоторые узлы соединены с двумя или более другими узлами каналом «точка-точка». Это позволяет использовать некоторую избыточность ячеистой топологии, которая физически полностью связана, без затрат и сложностей, необходимых для соединения между каждым узлом сети.
Гибридная топология также известна как гибридная сеть. [19] Гибридные сети объединяют две или более топологии таким образом, что результирующая сеть не имеет ни одной из стандартных топологий (например, шина, звезда, кольцо и т. д.). Например, древовидная сеть (или сеть звезда-шина ) представляет собой гибридную топологию, в которой сети звезды соединены между собой через сети шин . [20] [21] Однако древовидная сеть, соединенная с другой древовидной сетью, по-прежнему топологически является древовидной сетью, а не отдельным типом сети. Гибридная топология всегда создается при соединении двух разных базовых топологий сети.
Сеть «звезда-кольцо» состоит из двух или более кольцевых сетей, соединенных с помощью многостанционного устройства доступа (MAU) в качестве централизованного концентратора.
Топология «Снежинка» — это звездная сеть звездных сетей. [ нужна цитата ]
Два других типа гибридных сетей — это гибридная сетка и иерархическая звезда . [20]
Топология «звезда» снижает вероятность сбоя сети за счет подключения всех периферийных узлов (компьютеров и т. д.) к центральному узлу. Когда топология физической звезды применяется к сети с логическими шинами, 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 информацию 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 выход из строя центрального узла приведет к выходу из строя всех периферийных узлов.
Если центральный узел является пассивным , исходный узел должен быть в состоянии выдерживать прием эха своей собственной передачи, задержанный на время двусторонней передачи (т. е. к центральному узлу и от него) плюс любую задержку, генерируемую в центральный узел. Активная звездообразная сеть имеет активный центральный узел, который обычно имеет средства для предотвращения проблем, связанных с эхом .
Древовидную топологию (она же иерархическая топология ) можно рассматривать как совокупность 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 действовать как повторители или регенераторы. В отличие от сети «звезда», функциональность центрального узла может быть распределенной.
Таким образом, как и в традиционной звездообразной сети, отдельные узлы могут быть изолированы от сети из-за единичного отказа пути передачи к узлу. Если связь, соединяющая лист, выходит из строя, этот лист изолируется; если соединение с нелистовым узлом терпит неудачу, весь участок сети оказывается изолированным от остальных.
Чтобы уменьшить объем сетевого трафика, возникающего при трансляции всех сигналов на все узлы, были разработаны более совершенные центральные узлы, способные отслеживать идентификационные данные узлов, подключенных к сети. Эти сетевые коммутаторы «изучают» 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 справочной таблице . в памяти. Эта таблица поиска позволяет пересылать будущие передачи только в назначенный пункт назначения.
Топология шлейфового подключения — это способ соединения узлов сети в линейную или кольцевую структуру. Он используется для передачи сообщений от одного узла к другому, пока они не достигнут узла назначения.
Шлейфовая сеть может иметь два типа: линейную и кольцевую. Линейная шлейфовая сеть похожа на электрическую цепь, в которой первый и последний узлы не соединены между собой. Кольцевая гирляндная сеть — это место, где первый и последний узлы соединены, образуя петлю.
В частично связной ячеистой топологии имеется как минимум два узла с двумя или более путями между ними, чтобы обеспечить резервные пути на случай сбоя канала, обеспечивающего один из путей. Децентрализация часто используется для компенсации недостатка единичного отказа, который присутствует при использовании одного устройства в качестве центрального узла (например, в звездообразных и древовидных сетях). Особый вид сетки, ограничивающий количество переходов между двумя узлами, — это гиперкуб . Количество произвольных разветвлений в ячеистых сетях усложняет их проектирование и реализацию, но их децентрализованный характер делает их очень полезными.
В некотором смысле это похоже на грид-сеть , где линейная или кольцевая топология используется для соединения систем в нескольких направлениях. Например, многомерное кольцо имеет тороидальную топологию.
Полносвязная сеть , полная топология или полносвязная топология — это топология сети, в которой существует прямая связь между всеми парами узлов. В полностью связанной сети с n узлами имеются прямые связи. Сети, спроектированные с использованием такой топологии, обычно очень дороги в настройке, но обеспечивают высокую степень надежности благодаря множеству путей передачи данных, которые обеспечиваются большим количеством резервных каналов между узлами. Эта топология чаще всего встречается в военных приложениях.
