Топология физических связей
Причины возникновения
В процессе своей эволюции из систем пакетной обработки, строящейся на базе мейнфрейма, компьютерные сети становились всё сложнее, что порождало большое количество вариантов подключения и расположения компонентов сети в пространстве. Это продиктовало необходимость при подключении более двух компьютеров в систему выбирать, как будет выглядеть топология.
Сущность топологии
Топология — это граф, вершинами которого являются конечные устройства, а рёбра выступают в качестве линий связи.
Граф — одна из форм представления бинарного отношения
Количество возможных подключений быстро увеличивается при прибавлении новых оконечных устройств. Под количеством связей будет подразумеваться топологически разные соединения. Также рассматриваются только графы, у которых все вершины объединены в единую сеть.
Три компьютера можно связать только двумя способами (рисунок 1).
Рисунок 1 — всевозможные соединения трёх оконечных устройств
Количество комбинаций с четырьмя оконечными устройствами составляет шесть (рисунок 2).
Рисунок 2 — всевозможные соединения четырёх оконечных устройств
Количество комбинаций с пятью оконечными устройствами составляет 21 (рисунок 3).
Рисунок 3 — всевозможные соединения пяти оконечных устройств
Оконечные устройства можно подключать и комбинировать так, как того требуют обстоятельства, однако в любом случае транзитные узлы должны иметь специальные средства, выполняющие передачу информации от узла-отправителя к узлу-получателю.
Перед началом проектирования топологии сети следует оценить локацию и установить задачи, которые будут решаться. От этого зависят те решения, которые будут использоваться. Например, можно проложить линии, зарезервированные под определённые устройства, создать между двумя узлами несколько путей, что позволит распределить нагрузку в случае активного использования и увеличит надёжность и т.д. Особое место в построении сети занимает экономический вопрос, который порой приводит к выбору более простых решений и минимальной суммарной длине линий связи.
Каждая современная компьютерная сеть должна отвечать четырём базовым характеристикам:
Масштабируемость
Обеспечивает быстрое и лёгкое расширение сети при необходимости.
Безопасность
Ограничить Физический доступ к сетевым устройствам (например, поместить их в шкаф с замком).
Предотвратить несанкционированный доступ к устройствам (например, поставить пароли на компьютеры, установить межсетевой экран, ограничить подключение новых устройств, использовать системы предотвращения вторжений)
Защитить информацию, передаваемую по сети (например, использовать кодирование, многофакторную аутентификацию, менеджер паролей, списки контроля доступа).
Отказоустойчивость
Сократить влияние сбоев, ограничив число затрагиваемых устройств (например, создать несколько путей от оконечного устройства).
Качество обслуживания
Использование QoS. Тема QoS сложна и обширна, поэтому о ней будет сказано в двух словах, в целях разъяснения причин нахождения на этом месте. Эта технология создаёт приоритеты трафика. Маркированный трафик QoS передаётся без очереди, в то время, как обычный попадает в буфер.
Физическая и логическая топология
Физическая топология — это топология, отображающая способ соединения узлов в компьютерной сети.
Логическая топология — это топология, показывающая то, каким образом будет передаваться информация в компьютерной сети.
Обычно, когда говорят о топологии, имеют в виду именно физическую, которая будет рассматриваться в этой статья, однако не стоит забывать о логической топологии, которая не менее важна при конструировании компьютерных сетей.
Полносвязная и неполносвязная топология
Полносвязная топология — это топология, в которой каждый компьютер связан со всеми остальными.
Неполносвязная топология — это топология, в которой каждый компьютер не связан со всеми остальными и при обмене данными может потребоваться транзитная передача.
Полносвязная топология применяется очень редко, потому что она обладает очевидными минусами (рисунок 4). Каждый компьютер должен обладать большим количеством коммуникационных портов, количество которых будет увеличиваться по формуле 
, где N — количествооконечных устройств в сети. Для каждой пары оконечных устройств должна быть выделена отдельная линия, если она работает в дуплексном режиме, а, если она работает в полудуплексном режиме, то требуется две линии, что ещё больше удорожает такой вариант построения сети. Ещё одной значительной проблемой является квадратичная зависимость дуплексных линий от числа узлов, отношение которых можно представить в виде формулы 
, где N — количество узлов. Сеть обладает низкой масштабируемостью, что продиктовано необходимостью подключать новый узел ко всем участникам сети. Несмотря на приличное количество недостатков, у этой технологии есть свои плюсы, а именно логическая простота, высокое качество обслуживания, так как имеется прямой канал для каждого узла в сети, и высокая отказоустойчивость и качество обслуживания, что достигается благодаря большому количеству связей.
Полносвязная топология используется в многомашинных комплексах и в сетях, с небольшим количеством компьютеров. Использование такой технологии в многомашинных комплексах связано с высоким требованием к надёжности и качеству обслуживания.
Рисунок 4 — Полносвязная топология
Неполносвязная топология позволяет создать большое количество вариантов подключения участников сети между собой, позволяя подобрать оптимальный вариант для данного случая.
Главное отличие неполносвязной и полносвязной топологии заключается в том, что в первой для обмена данных между двумя компьютерами может понадобиться транзитная передача данных, а во второй нет.
Виды неполносвязных топологий
Резервирование связей — это увеличение количества линий связи для обеспечения повышенной отказоустойчивости.
Ячеистая топология образуется из полносвязной путём удаления некоторых связей (рисунок 5). Несмотря на уменьшение количества связей, недостатки и преимущества этой топологии остаются идентичны полносвязной топологии. Единственное чем эта технология выделяется на фоне полносвязной — это возможность соединения большого количества оконечных узлов, что продиктовано отсутствием квадратичной зависимости количества дуплексных линий от количества компьютеров. Она находится своё применение в крупных сетях или в сочетании с другими неполносвязными топологиями.
Рисунок 5 — Ячеистая топология
Кольцевая топология говорит сама за себя своим названием. В ней компьютеры подключены последовательно, однако последний компьютер, подключённый таким методом, соединяют с первым, образуя кольцо (рисунок 6).
Рисунок 6 — Кольцевая топология
Кольцевая топология является наиболее интересной тем, что в ней происходит резервирование связей, так как каждый участник сети может отправлять данные как по часовой стрелке, так и против. Цикличность позволяет создать проверку доставки информации до адресата. Выходя из одного компьютера данные могут проделать полный круг, оповестив его о их доставки. Это свойство топологии можно использоваться для нахождения промежутка сети, с которым случилась поломка. Две связи у участника сети увеличивают отказоустойчивость, однако если сам узел выйдет из строя, то компьютерная сеть перестанет работать. Масштабируемость сети возможна, но с увеличением узлов сети будет уменьшаться её отказоустойчивость и расти время передачи данных, так при увеличении количества компьютеров в сети на два, информация будет вынуждена проходить через ещё один узел. Высокое качество обслуживание обеспечивается двумя путями для передачи данных
Такая топология используется в волоконно-оптических сетях и у интернет-провайдеров для организации обратной передачи данных, соединяющих центральные офисы или головные станции.
Звездообразная топология представляет из себя компьютеры, подключенные непосредственно к общему центральному устройству. Такой подход позволяет обеспечить централизацию служб, что минимизирует затраты на управление и избыток ресурсов (рисунок 7).
Рисунок 7 — Звездообразная топология
Такой подход к созданию сети обеспечивает быструю и лёгкую масштабируемость, потому что для подключения к компьютерной сети необходимо лишь отвести ещё одну линию от центрального устройства, которым выступает коммутатор (в старых сетях мог быть концентратор). В такой сети продуманы следующие решения, повышающие её отказоустойчивость. Из-за того, что все устройства подключаются к центральной точке все поломки такие, как обрыв кабелей и неисправность оборудования, локализуются. Также в такой сети легко обнаружить неисправный сегмент и восстановить без создания сбоев в работе сети, что вытекает из первого решения для повышения отказоустойчивости. Для такой сети, включающей в себя большое количество узлов, характерно использование резервных связей. Звездообразная топология снижает перегрузку сети и уменьшает время передачи данных из-за прямого взаимодействия устройства с центральными элементом. Качество обслуживания по сравнению с топологией кольцо ниже, потому что есть только один кабель для передачи данных и центральный элемент является узким горлышком для передачи данных, так как если все участники сети одновременно начнут передавать свои данные, то они либо будут отброшены, либо попадут в буфер, поэтому при организации такой топологии стоит обратить особое внимание на параметры буферной памяти сетевого устройства, чтобы её хватало для создания очереди при перегрузках.
Топология звезда используется в высокоскоростных локальных вычислительных сетях из-за своей простоты в обслуживании, при создании многоуровневых сетей, каждый уровень которых является звездой, в сетях, в которых используется витая пара для подключения устройств.
Топология иерархическая звезда (расширенная звезда) или дерево —наиболее распространённое решение для создания компьютерных сетей в наше время как в локальным сетях (LAN), так и глобальных (WAN).Топология образуется из неполносвязной сети, звезда, путём подключения новых узлов, не имеющих непосредственный контакт с центральным элементом (рисунок 8).
Рисунок 8 — Топология иерархическая звезда или дерево
Такой подход к конструированию сети имеет почти аналогичные со звездой недостатки и преимущества. В таких сетях обычно непосредственное взаимодействие с центральным элементом имеют только сетевые устройства, к которым подключаются оконечные пользователи.
Иерархическая звезда используется на малых, больших, огромных предприятиях и офисах. Пример использования иерархической звезды для завода, состоящего из двух зданий, цеха и офиса (рисунок 9).
Рисунок 9 — Топология иерархическая звезда
Топология общая шина является частным случаем топологии звезда (рисунок 10).
Рисунок 10 — Топология шина
Вместо центрального элемента используется пассивный кабель, к которому подключаются оконечные устройства. Провод становится общей средой, то есть доступной всем, как и информация, которая распространяется по нему. У такой сети хорошая масштабируемость, так как для подключения нового компьютера необходимо лишь соединить его с общим кабелем, иногда появляется необходимость в его удлинении, что несложно реализуется. Топология выделяется на фоне остальных своей дешевизной, однако она обладает существенными недостатками: любая поломка общего кабеля парализует сеть, что говорит о низкой отказоустойчивости, невысокая скорость передачи данных, обусловленная тем, что использовать общую среду для передачи одновременно может только один компьютер (это обеспечивает высокий уровень безопасности, но и ограничивает количество участников сети). Для работы сети необходимо установить два терминала на концы общего кабеля. Ещё одной проблемой сети является высокая потеря пакетов. В связи с этими недостатками такая топология имеет низкое качество обслуживания.
Топология шина может использоваться как сегмент большой сети, в котором все компьютеры подключаются к коаксиальному кабелю. Многие беспроводные сети имеют топологию шина, в качестве общего кабеля выступает радиосреда.
Смешанная топология
Сегмент сети — логически или физически обособленная часть сети.
В небольших сетях превалируют топологии звезда, шина, кольцо в то время, как крупные сети обычно совмещают в себе несколько топологий (рисунок 11). Например, топология иерархическая звезда может содержать такие сегменты, как кольцо, звезда, шина и другие.
Рисунок 11 — Смешанная топология
Смешанная топология и её сегменты сохраняют все преимущества и недостатки топологий, которые в неё входят.
