Топологія комп'ютерних мереж

     Під топологією звичайно розуміють взаємне розташування один щодо одного вузлів мережі. До вузлів мережі в даному випадку відносяться комп'ютери, концентратори, свитчи, маршрутизатори, точки доступу тощо.

    Топологія - це конфігурація фізичних зв'язків між вузлами мережі. Характеристики мережі залежать від типу встановлюваної топології. Зокрема, вибір тієї чи іншої топології впливає:

• на склад необхідного мережевого обладнання;

• на можливості мережевого обладнання;

• на можливості розширення мережі;

• на спосіб управління мережею.

На практиці використовуються шість базових топологій:

• зіркоподібна 
• кільцева 
• шинна 
• змішана 
• деревоподібна. 

     Затримка мережі - це час передачі інформаціфйних повідомлень між абонентами, тобто час між видачею повідомлення з абонента-джерела і його прийомом абонентом-одержувачем (адресатом). 

     Перепускна здатність - це максимальне число бітів абонентських повідомлень, що можуть передаватися через мережу в одиницю часу.

Топологія шина (bus)

     Спільна шина є вельми розповсюдженою топологією для локальних мереж. У цьому випадку вузли підключаються до одного коаксіального кабелю. Передана інформація може поширюватися в обидва боки. Канал закінчується з двох сторін пасивними термінаторами, що поглинають передані сигнали, оскільки за своєю природою передача в такій мережі є широкомовною.

     Вузли підключаються до шини безпосередньо до з’єднувачів кабельних секцій або за допомогою спеціальної урізки, що просто проколює коаксіальний кабель до контакту з центральним провідником.

     Переваги:

• невелика вартість 
• простота розведення кабелю по приміщеннях.

     Недоліки:

• будь-який дефект кабелю або якого-небудь з численних роз'ємів цілком паралізує всю мережу 
• невисока продуктивність, тому що за такого способу підключення в кожен момент часу тільки один вузол може передавати дані в мережу, тому пропускна здатність каналу зв'язку завжди розподіляється тут між усіма вузлами мережі. 

Топологія кільце (ring)

     У мережі з кільцевою топологією вузли підключаються до повторювачів сигналів, зв’язаних у односпрямоване кільце, чи до двох повторювачів, зв’язаних у два різноспрямованих кільця. 

     У мережах з кільцевою конфігурацією дані передаються по колу від одного комп'ютера до іншого — як правило, в одному напрямку. Якщо комп'ютер розпізнає дані як «свої», то він копіює їх собі у внутрішній буфер.

     У мережі з кільцевою топологією необхідно вживати спеціальних заходів, щоб у разі виходу з ладу чи відключення якоїсь станції не перервався канал зв'язку між іншими станціями. 

     Підключення нових абонентів в «кільце» звичайно зовсім безболісно, хоча й вимагає обов’язкової зупинки роботи всієї мережі на час підключення. Як і у випадку топології «шина», максимальна кількість абонентів у кільці може бути досить велика (до тисячі й більше). Кільцева топологія звичайно є самою стійкою до перевантажень, вона забезпечує впевнену роботу із самими великими потоками переданої по мережі інформації, тому що в ній, як правило, немає конфліктів (на відміну від шини), а також відсутній центральний абонент (на відміну від зірки).

     Переваги:

• ретрансляція сигналів кожним абонентом дозволяє істотно збільшити розміри всієї мережі в цілому 
• дуже стійка до перевантажень. 

     Недоліки:

• до кожного вузлза мережі потрібно підвести два кабелі 
• вихід з ладу хоча б одного вузла порушує роботу всієї мережі. 

Топологія зірка (star)

     У мережі із зіркоподібною топологією кожен абонент, що посилає і (чи) приймає інформацію, приєднаний одним чи двома виділеними каналами зв’язку до єдиного центрального вузла, через який проходить весь мережевий трафік. 

     Кожен вузол підключається окремим кабелем до загального пристрою, який має назву концентратор та розташовується в центрі мережі. 

     У функції концентратора входить спрямування переданої комп'ютером інформації одному чи всім іншим комп'ютерам мережі. Крім того, концентратор може відігравати роль інтелектуального фільтра інформації, що надходить від вузлів у мережу, і за необхідності блокувати заборонені адміністратором передачі.

     Переваги:

• велика надійність - вихід з роботи одного вузла не порушую роботу всієї мережі, а лише роботу цього вузла 
• всі точки підключення зібрані в одному місці - це дозволяє легко контролювати роботу мережі, локалізувати несправності мережі шляхом простого відключення від центра тих або інших абонентів 

     Недоліки: 

• висока вартість мережного устаткування через необхідність придбання концентратора 
• можливості з нарощування кількості вузлів у мережі обмежуються кількістю портів концентратора. 

Топологія дерево (tree, hierarhical)

     Деревоподібні мережі будуються на базі техніки кабельного телебачення, тобто з використанням таких засобів зв’язку, як кінцеві частотні ретранслятори, розщеплювачі-об’єднувачі, двонапрямлені посилювачі, відгалужувачі, радіочастотні модеми, фільтри тощо.

     Надійність деревоподібної мережі забезпечується структурним резервуванням її зв’язкових пристроїв, час напрацювання на відмову яких може складати до 400 тис. год.

     Переваги:

• відносно велика протяжність (до 50 км) та можливість паралельної передачі мови, даних та зображень, що забезпечується за рахунок частотного ущільнення каналів (у описаних вище мережах використовується часове ущільнення каналів) 

     Недоліки: 

• можливості щодо нарощування деревоподібних мереж досить таки обмежені через високу вартість їх встановлення та складність їх аналогових компонентів, що вимагають ще й постійного налагоджування. 

Змішана топологія (mesh)

      Включає в себе декілька топологій, але зазвичай це "розширена зірка" або "дерево зірок".

     Мережа зі змішаною топологією є, як правило, неповнозв’язаною мережею вузлів комутації повідомлень (пакетів), до яких приєднуються кінцеві системи. Усі канали зв’язку є виділеними двоточковими. Такого роду зв’язки найбільш часто використовуються у великомасштабній та регіональній обчислювальній мережах, але іноді вони застосовуються й у локальних обчислювальних мережах. Змішану мережу можна розглядати як зіркоподібну мережу, у якої центральний вузол має розподілену архітектуру.

     У вузлах комутації змішаної мережі звичайно реалізується статична (фіксованими шляхами) чи динамічна (адаптивна) маршрутизація повідомлень.У результаті для того ж числа кінцевих систем вартість змішаної мережі вища ніж вартість будь-якої іншої мережі.

     Надійність змішаної мережі забезпечується таким з’єднанням вузлів комутації каналами зв’язку, щоби між будь-якою парою кінцевих систем були наявні щонайменше два шляхи передачі повідомлень. Уведення надлишкових каналів між вузлами комутації, тобто збільшення зв’язності мережі, - стандартний спосіб підвищення надійності.

Відмінності у мережевому обладнанні для організації мережевих технологій

   Залежно від властивостей та функцій мережевого обладнання одна й та ж сама фізична топологія може ставати зовсім іншою логічною топологією.

    Комутатор (світч) – пристрій, призначений для з’єднання вузлів мережі у межах одного або декількох сегментів. Світч використовує другий рівень моделі OSI. Вхідний пакет, що надходить до комутатора, буде переданим тільки одержувачу, що підвищує безпеку, а також продуктивність на відміну від концентратора. Принцип роботи полягає в зберіганні таблиці комутації, в якій міститься список відповідностей MAC-адрес вузлів до портів комутатора. Комутатор реалізує топологію логіної зірки.
    Маршрутизатор (роутер) – пристрій, що служить для зв'язку різних мереж. Роутер працює на третьому рівні мережевої моделі OSI і для доставки пакетів використовує типологію мережі і правила задані адміністратором. Маршрутизатор може виконувати трансляцію адрес одержувача і відправника. Також може здійснювати фільтрацію потоку пакетів для обмеження або шифрування чи дешифрування даних. Важливою відмінністю між мережами, що використовують комутатори і маршрутизатори, є те, що мережі з комутаторами не блокують радіопередачі. В результаті комутатори можуть бути зіпсовані потоками пакетів радіопередач. Маршрутизатори блокують радіопередачі по локальній мережі, таким чином, потік радіопередач зачіпає тільки той домен, з якого він виходить.
     Концентратор (хаб) – пристрій, призначений для побудови комп’ютерної мережі. Хаб використовує перший рівень мережевої моделі OSI і є ретранслятором в режимі напівдуплекса. Тобто вхідний пакет даних з поширюється концентратором на всі інші порти мережі; при виникненні колізії пристрій не встановлюватиме трансляцію і відновлює її через деякий проміжок часу. Концентратор реалізує топологію логічної шини.
     Шлюзи – програмно-апаратні комплекси, що з'єднують різні мережі або мережеві пристрої. Шлюзи дозволяють вирішувати проблеми відмінності протоколів або систем адресації.
   Повторювачі – пристрої мережі, що підсилюють і заново формують вхідний сигнал мережі на відстань іншого сегмента.
  Мости – пристрої мережі, які з'єднують два окремих сегмента, обмежених своєю фізичною довжиною, і передають трафік між ними. Мости також можуть підсилювати і конвертувати сигнали.