Topologie de rețea

Diverse topologii de rețea. De sus în jos, de la stânga la dreapta: inel, plasă, stea, complet conectat, lanț liniar, arbore, autobuz.

În telecomunicații, topologia rețelei este modelul geometric ( grafic ) menit să reprezinte relațiile de conectivitate , fizice sau logice, dintre elementele care alcătuiesc rețeaua însăși (numite și noduri ). Conceptul de topologie se aplică oricărui tip de rețea de telecomunicații : telefon , rețea de calculatoare , Internet

Definiții de bază

Elementele fundamentale ale topologiei sunt nodurile și ramurile . Nodul identifică un element al rețelei caracterizat de funcții specifice, în timp ce ramura evidențiază relația de conectivitate dintre noduri. Prin urmare, topologia este reprezentată sub forma unui grafic în care nodurile, capabile să schimbe informații direct, sunt conectate între ele printr-una sau mai multe ramuri.

Semnificația acestor entități geometrice este diferită în funcție de tipul de rețea și de tipul de operațiune luat în considerare. De exemplu, într-o rețea de calculatoare, în funcție de stratul de aplicație considerat, un nod poate reprezenta un computer sau un element de comutare la diferite niveluri (cum ar fi un router sau un comutator ), în timp ce o ramură poate reprezenta conectivitatea fizică reală sau logica conectivitate.Cum arată la un anumit nivel de pachet de protocol (de exemplu la nivelul IP , mai degrabă decât Ethernet ).

Două noduri pot fi puse în comunicare în două moduri diferite:

cu o conexiune fizică, când între cele două noduri există un canal fizic care le conectează direct; în acest caz, ramura reprezintă și o entitate fizică reală;
cu o conexiune logică, atunci când rețeaua își asumă dimensiunile WAN și, prin urmare, este imposibil să ne gândim la o conexiune fizică pentru fiecare pereche de noduri sau când se dorește să se ia în considerare schema de distribuție a informațiilor în funcție de un anumit punct de vedere. În acest caz, ramura reprezintă relația logică dintre noduri, abstractizându-se de la nivelul fizic real.

Topologia rețelei este determinată numai de configurația conexiunilor dintre noduri. Pentru a fi precise, ele nu privesc topologia rețelei: distanțele dintre noduri, tehnologiile utilizate pentru interconectările fizice, viteza de transmisie, tipul de semnal (electric, optic, electromagnetic etc.).

Noduri

Exemplu de rețea de telecomunicații formată din interconectări între dispozitive.

În tehnologia informației și telecomunicații, un nod este orice dispozitiv hardware al sistemului capabil să comunice cu celelalte dispozitive care fac parte din rețea; poate fi deci un computer, o imprimantă, un aparat de fax, un modem etc. În orice caz, nodul trebuie să fie echipat cu o placă de rețea.

Nodurile sunt conectate între ele printr-un panou de conexiune (în engleză Hub), numit și concentrator, care are funcția de a simplifica conexiunea fizică între diferiți noduri și de a direcționa semnalele care sunt trimise de la un nod la altul.

În rețelele de telecomunicații, acesta indică generic un dispozitiv de emisie-recepție de procesare care poate fi poziționat la marginile rețelei în sine (nod terminal (gazdă) client sau server) sau în interiorul acestuia ca nod de tranzit sau nod de comutare între diferite linii de ieșire, de exemplu în rețeaua de transport.

În acest caz, termenul de nod este împrumutat din teoria graficelor cu care este posibil să se reprezinte topologia unei rețele de telecomunicații prin graficul respectiv: un nod este punctul în care converg sau se îndepărtează mai multe legături sau conexiuni fizice cu alte noduri.

Router

Același subiect în detaliu: Router .

Un router

Ruterul este un dispozitiv care funcționează prin internet care trimite pachete între rețele și procesează informațiile de rutare incluse în pachet sau datagramă (informații de pe protocolul stratului 3 de Internet). Informațiile de rutare sunt adesea procesate împreună cu tabelul de rutare (sau tabelul de expediere). Un router folosește propria sa masă de rutare pentru a determina unde să trimită pachetele. Destinația într-un tabel de rutare poate conține o interfață „nulă”, cunoscută și sub numele de interfață „gaură neagră”, deoarece datele pot fi introduse, cu toate acestea, nu se efectuează prelucrarea datelor, adică pachetele sunt blocate.

Topologii elementare

O rețea de complexitate arbitrară poate fi întotdeauna descompusă într-o combinație de topologii elementare care sunt la rândul lor interconectate.

Topologiile elementare pot fi urmărite înapoi la cinci tipuri de bază:

topologii liniare simple, în care fiecare nod este conectat la două noduri adiacente cu o singură ramură; acest tip include topologie liniară deschisă și topologie inelară;

topologii liniare complexe, cu o structură ierarhică, în care pentru fiecare pereche de noduri există o singură cale de conexiune și fiecare nod este conectat cu una sau mai multe ramuri la nodurile ierarhiei inferioare (acest tip include topologiile de arbori proprii și topologia stea );
topologia punct-la-punct, cea mai simplă, cu un canal dedicat și direct între două puncte finale;
rețeaua sau topologia rețelei, în care fiecare nod este conectat direct la celelalte noduri, utilizând o ramură dedicată pentru fiecare conexiune;
topologia autobuzului, în care toate nodurile au aceeași conexiune;

Cu excepția topologiei magistralei, în toate celelalte structuri, schimbul de informații între oricare două noduri ale rețelei implică utilizarea uneia sau mai multor ramuri cu traversarea nodurilor intermediare. Fiecare ramură acoperită constituie un hop : în aceste structuri, prin urmare, semnalul transmis trebuie să facă unul sau mai multe hamei pentru a ajunge la destinație.

Topologii liniare simple

Topologie liniară deschisă

Reprezentarea unei rețele liniare

În acest tip de topologie, adesea numită și lanț de margaretă , fiecare nod este conectat cu o ramură la nodul adiacent anterior și cu cealaltă ramură la următorul nod adiacent. Nodurile terminale, pe de altă parte, sunt adiacente unui singur nod. Comunicarea dintre două noduri neadiacente trebuie să traverseze toate nodurile intermediare, de-a lungul ramurilor relative: fiecare pasaj între două noduri se numește salt sau hop .

Într-o rețea liniară deschisă formată din N noduri, numărul R de ramuri necesar conexiunii între toate nodurile este dat de relația:

$R=N-1$ ${\ displaystyle R = N-1}$ ${\ displaystyle R = N-1}$

Această relație oferă, de asemenea, formula numărului de hamei necesar unei informații generate de un nod A pentru a ajunge la nodul de destinație B, care trebuie să traverseze o subrețea formată din N noduri (A, B și N -2 noduri intermediare).

Această topologie are dezavantaje considerabile, în primul rând fiabilitatea foarte slabă: dacă un nod eșuează sau o ramură eșuează, rețeaua este împărțită în două subrețele izolate. De asemenea, în ceea ce privește scalabilitatea, această structură nu este foarte eficientă, deoarece implică o întrerupere a activității rețelei pentru a adăuga sau șterge un nod intermediar.

Topologia rețelei inelare

Reprezentarea unei rețele inelare

O topologie inelară este o topologie liniară de tip închis, în care două ramuri sunt conectate la toate nodurile. Toate nodurile sunt conectate cu o ramură la nodul adiacent anterior și cu cealaltă ramură la următorul nod adiacent.

Într-o rețea inelară formată din $Nu.$ ${\ displaystyle N}$ $Nu.$ noduri, numărul de ramuri necesare pentru conectarea între toate nodurile este dat de relația:

$R=N$ ${\ displaystyle R = N}$ $R = N$

Această formulă oferă, de asemenea, relația pentru a determina algoritmic numărul de hamei necesare pentru a parcurge întregul inel și este, de asemenea, utilizată pentru a evita situațiile în care informațiile continuă să călătorească inelul la nesfârșit, fără a ajunge vreodată la destinație, consumând lățime de bandă.

Topologiile inelului sunt foarte populare datorită toleranței / rezistenței la erori ridicate, deoarece informațiile transmise pot călători în ambele direcții / direcții ale inelului pentru a ajunge la o anumită destinație și nu necesită un nod central pentru a gestiona conexiunea dintre computere.

De asemenea, fac posibilă optimizarea utilizării lățimii de bandă disponibile, de exemplu prin trimiterea unor pachete într-o direcție și a altor pachete în direcția opusă, echilibrând astfel utilizarea resurselor și limitând posibilitatea ca o parte a inelului să fie aglomerată în timp ce cealaltă parte este descărcată.

Pe de altă parte, scalabilitatea prezintă probleme, deoarece adăugarea sau eliminarea unui nod necesită o variație a vitezei rețelei și deschiderea întregului inel și, de asemenea, în funcție de tehnologiile de transmisie și protocoalele de transmisie, poate exista o limită la numărul maxim de noduri utilizabile, de exemplu pentru constrângeri legate de numărul maxim posibil de hamei permis sau de întârzierea de propagare permisă.

În domeniul rețelelor de calculatoare, cele mai frecvente implementări ale rețelei de apel sunt Token Ring ^[1] și magistrala Token , în care un pachet este transmis de la un nod la altul până când ajunge la destinație, cu un mecanism de salvgardare care previne un pachet continuă să se rotească la nesfârșit în inel (când pachetul este primit din nou în nodul în care a intrat în inel, adică atunci când a finalizat o revoluție completă fără a recunoaște vreun nod ca destinație, este eliminat, vezi raportul despre numărul de hamei ).

În cazul rețelelor de telefonie, structurile de apel sunt utilizate pentru distribuirea și agregarea traficului atât pe zona metropolitană, cât și pe zona regională, precum și pentru conexiuni pe distanțe foarte mari, cum ar fi rețelele submarine transcontinentale.

Topologie punct-la-punct

Este cea mai simplă topologie cu o legătură dedicată între două puncte finale.

Cel mai simplu de înțeles, printre variațiile topologiei punct la punct care apare, pentru utilizator, pentru a fi asociat permanent cu cele două puncte finale.

Telefonul cu cutii și firul de pânză care le conectează este un exemplu de canal fizic dedicat.

Folosind tehnologii de comutare a circuitelor sau de comutare a pachetelor, un circuit punct-la-punct poate fi setat dinamic și eliberat atunci când nu mai este necesar.

Topologiile punct-la-punct sunt modelul de bază al telefoniei convenționale.

Valoarea unei rețele permanente punct-la-punct este o comunicare fără obstacole între cele două puncte finale.

Valoarea unei conexiuni punct la punct la cerere este proporțională cu numărul de perechi potențiale de abonați și a fost exprimată ca Legea Metcalfe.

Această rețea este utilizată în legături radio fără fir la distanță și, prin urmare, cele două stații sunt conectate printr-un canal direct.

Topologii liniare complexe

Topologia arborelui

Topologia rețelei arborescente

Topologia arborelui este o variantă mai complexă a unei structuri liniare, caracterizată prin faptul că mai multe lanțuri liniare distincte și care nu se intersectează se pot ramifica din fiecare nod, creând astfel o structură pe mai multe niveluri. De asemenea, în acest tip de topologie, pentru fiecare pereche de noduri există o singură cale de conexiune; fiecare nod este conectat la un singur nod al nivelului superior (nod părinte) printr-o singură ramură și la unul sau mai multe noduri ale nivelului inferior (noduri copil) printr-una sau mai multe ramuri dedicate (ramură). Nodul din care ia originea întreaga topologie este denumit și „nod rădăcină” (rădăcină), în timp ce nodurile terminale sunt numite „frunze” (frunze).

Fiind în esență o extensie a topologiei liniare simple, tot pentru această topologie relația dintre noduri și ramuri este dată de: $R=N-1$ ${\ displaystyle R = N-1}$ $R = N-1$ .

O caracteristică a acestei rețele este că comunicarea între două noduri distincte de același nivel poate avea loc numai prin urcarea structurii către primul nod părinte comun, care trebuie, prin urmare, să fie echipat cu funcții de distribuție mai sofisticate pentru a determina ramura corectă la care să direcționeze semnalul.

Topologia stelelor

Topologia rețelei stelare.

Rețelele stea sunt cele mai comune topologii de rețea.

Această topologie de rețea constă dintr-un hub sau comutator care acționează ca un punct central pentru transmiterea informațiilor și fiecare gazdă este conectată la acel punct (hub / comutator).

Datele dintr-o rețea stea trec prin hub înainte de a ajunge la destinație. În plus, hub-ul gestionează și controlează toate funcțiile rețelei (funcționează și ca repetor pentru fluxul de date).

Acest tip de rețea reduce impactul unei defecțiuni asupra liniei de transmisie prin conectarea independentă a fiecărei gazde la hub. Fiecare gazdă poate comunica cu toate celelalte și cu hub-ul.

Eșecul unei linii de transmisie care conectează o gazdă la hub va face ca gazda respectivă să fie izolată de toate celelalte, dar restul rețelei va continua să funcționeze în liniște.

Configurația stea este una dintre cele mai frecvente utilizate pentru cablurile cu pereche răsucite și fibra optică. Cu toate acestea, poate fi utilizat și cu cabluri coaxiale.

Avantaje și dezavantaje

Topologiile arborelui au un grad ridicat de fiabilitate ^[2] : singurul punct slab sunt nodurile părinte, care, în caz de eșec, fac imposibilă accesarea subrețele care se îndepărtează de ele și, prin urmare, rămâne izolată. Trebuie remarcat faptul că, de asemenea, în acest caz, subrețeaua care rămâne izolată, cu excepția cazului în care este alcătuită doar din noduri terminale, rămâne funcțională și operațională, deoarece comunicarea este întotdeauna posibilă între nodurile subrețele aparținând nodurilor părinte comune fără defecte. În topologia stea, pe de altă parte, eșecul hub-ului implică pierderea totală a funcționalității rețelei, rezultând izolarea tuturor nodurilor componente.

Un alt avantaj important al topologiilor arborescente este scalabilitatea ridicată ^[2] : de fapt este posibil să adăugați sau să eliminați noduri și conexiuni fără a modifica rețeaua sau funcționalitatea acesteia, până la numărul maxim de ramuri permise de nodul părinte. În plus, este foarte ușor să combinați mai multe rețele într-o singură rețea, conectându-le nodurile rădăcină direct între ele, fără ca aceasta să aibă repercusiuni asupra rețelelor existente.

Această structură de rețea are, de asemenea, avantaje importante în ceea ce privește eficiența în distribuția semnalului: de fapt, fiind capabil să delege funcțiile de adresare către nodurile părinte (dacă sunt echipate cu informații adecvate), este posibil să sortați semnalul într-un mod optimizat, în fapt în funcție de calea disponibilă. Chiar și procesarea de rutare și timpii asociați sunt optimizați: de fapt, cu această structură, procesarea adresării este distribuită între diferitele noduri părinte, pentru subrețele relative și nu este concentrată într-un singur dispozitiv central și în rutare dispozitivelor. nu necesită cunoașterea întregii rețele, ci doar a porțiunii necesare pentru a gestiona corect transferul de informații.

Din toate aceste motive, această topologie a rețelei este utilizată pe scară largă în rețelele de calculatoare și telefoane, în special în ceea ce privește partea din rețeaua de distribuție către utilizatorii finali.

Topologii tricotate

Topologie complet plasată

Topologia mesh complet conectată sau complet conectată este cea cu cea mai mare complexitate, deoarece necesită ca fiecare nod să fie conectat direct la toate celelalte noduri ale rețelei cu ramuri dedicate. Relația dintre numărul de noduri și ramuri este pătratică și este dată de:

$R=N*(N-1)/2$ ${\ displaystyle R = N * (N-1) / 2}$ $R = N * (N-1) / 2$

Cea mai importantă caracteristică a acestei rețele este că, având în vedere orice nod, există întotdeauna cel puțin o cale care îi permite să fie conectat la orice alt nod din rețea.

Topologie parțial plasată

Același subiect în detaliu:Cea mai scurtă punte de legătură și agregarea legăturilor .

Topologie parțial plasată

Topologia parțial plasată sau parțial conectată este o topologie care, dată $Nu.$ ${\ displaystyle N}$ $Nu.$ noduri, utilizează doar un subset al tuturor legăturilor directe definibile între noduri. De asemenea, în acest caz relația dintre numărul de noduri și ramuri este neliniară, dar de tip practic pătratic, cu o complexitate mai mică decât în cazul unei rețele complet plasate și care scade treptat pe măsură ce ramurile utilizate pentru conexiunile dintre nodurile scad și se exprimă printr-o inegalitate:

$(N-1)<R<N*(N-1)/2$ ${\ displaystyle (N-1) <R <N * (N-1) / 2}$ $(N-1) <R <N * (N-1) / 2$

Trebuie remarcat faptul că extremele inegalității coincid într-un caz cu relația care definește topologiile liniare și în celălalt cu relația care definește topologia complet plasată. Acest lucru indică faptul că o topologie parțial rețelată este dată de combinația uneia sau mai multor subrețele rețeleți cu una sau mai multe subrețele liniare.

Avantaje și dezavantaje

Principalul avantaj al topologiilor de rețea este robustețea față de eșecurile legăturilor dintre noduri. Într-o topologie complet plasată, atâta timp cât un nod nu este complet izolat, va exista întotdeauna cel puțin o cale capabilă să conecteze acel nod cu restul rețelei. Aceasta înseamnă că într-o rețea de $Nu.$ ${\ displaystyle N}$ $Nu.$ noduri, înainte ca un nod să rămână complet izolat, toate nodurile trebuie întrerupte $N-1$ ${\ displaystyle N-1}$ $N-1$ conexiuni cu alte noduri. Topologiile parțial plasate au, de asemenea, un grad similar de robustețe, scăzând treptat pe măsură ce ramurile utilizate pentru conectarea directă a nodurilor scad.

Pe de altă parte, raportul pătratic între numărul de noduri și numărul de ramuri constituie un obstacol major în calea scalabilității: dincolo de o anumită limită, adăugarea unui nod la o topologie complet plasată necesită adăugarea unui număr tot mai mare de ramuri, crescând de asemenea complexitatea întregii rețele. De fapt, acest tip de topologie poate fi utilizat numai atâta timp cât numărul de noduri de rețea este relativ limitat și este utilizat în principal pentru coloanele vertebrale ale traficului (cum ar fi infrastructura de mare capacitate care unește centralele telefonice regionale pentru distribuție la nivel național).

Topologia autobuzului

Rețea cu topologie „autobuz”

În topologia magistralei, toate nodurile sunt conectate între ele printr-o singură ramură partajată.

Această topologie este foarte eficientă din punct de vedere al scalabilității (adăugarea unui nod nu implică adăugarea de legături sau ruperea legăturilor existente) și robustețe (ruperea magistralei conduce la partiționarea rețelei în două topologii de magistrală oricum.) Și din aceste motive este utilizat pe scară largă în rețelele de date: de exemplu, rețeaua Ethernet în versiunile sale inițiale thickwire și thinwire , a fost structurată fizic ca o magistrală.

În acest tip de topologie, existența unei legături partajate unice între toate nodurile necesită utilizarea unor mecanisme de control al accesului care să evite coliziunile sau interferențele dintre noduri.

Transmisie în rețelele de autobuz

Un semnal de la sursă se deplasează în ambele direcții către toate mașinile conectate pe cablul autobuzului până când își găsește destinatarul dorit. Dacă adresa mașinii nu se potrivește cu cea așteptată pentru date, mașina ignoră datele. Alternativ, dacă datele se potrivesc cu adresa mașinii, datele sunt acceptate. Deoarece rețeaua de tip autobuz este formată dintr-un singur fir, este destul de ieftin de implementat în comparație cu alte topologii. Cu toate acestea, costul redus al implementării tehnologiei este compensat de costul ridicat al administrării rețelei. De asemenea, deoarece se utilizează un singur cablu, acesta poate fi singurul punct de defecțiune. În această topologie, datele transferate pot fi accesate de pe orice stație de lucru.

Rețea liniară de autobuz

Tipul topologiei rețelei în care toate nodurile din rețea care sunt conectate la un mediu de transmisie comun care are exact două puncte finale, toate datele transmise între nodurile de rețea sunt transmise pe acest mediu de transmisie comun și pot fi primite simultan de la toate nodurile din rețeaua.

Notă: Când semnalul electric ajunge la capătul autobuzului, semnalul este reflectat înapoi de-a lungul liniei, provocând interferențe nedorite. Ca soluție, cele două puncte finale ale magistralei sunt terminate în mod normal cu un dispozitiv numit terminator care împiedică această reflectare

Rețea de autobuz distribuită

Topologia rețelei în care toate nodurile rețelei, care sunt conectate la un mediu de transmisie comun cu mai mult de două puncte finale, create prin adăugarea de ramuri la secțiunea principală a mediului de transmisie, caracterizează topologia magistralei distribuite, care funcționează exact în în același mod ca topologia liniară a magistralei (adică, toate nodurile au un mediu de transmisie comun).