3. Мережні топології

Різноманіття типів комп'ютерних мереж обумовлює різноманіття топологій, що забезпечують виконання заданих вимог до якості їх функціонування. У сучасних комп'ютерних мережах найбільшого поширення набули наступні топології:

• «Загальна шина»;

• «Дерево»;

• «Зірка (вузлова)»;

• «Кільце»;

• «Повнозв'язна»;

• «багатозв'язна (клітинка)»;

• «Змішана».

Слід розрізняти фізичну і логічну топологію мережі.

Фізична (структурна) топологія відображає структурний взаємозв'язок вузлів мережі.

Логічна (функціональна) топологія визначається функціональним взаємозв'язком вузлів мережі, тобто відображає послідовність передачі даних між вузлами мережі.

Фізична і логічна топології мережі, як ми побачимо нижче, можуть розрізнятися.

Топологія «загальна шина». Топологія «загальна шина» (рис 1.10), являє собою кабель, званий шиною або магістраллю, до якого приєднані комп'ютери мережі. Дані, що передаються будь-яким комп'ютером, займають шину на весь час передачі, при цьому інші комп'ютери, що мають дані для передачі, повинні чекати звільнення загальної шини. Таким чином, у кожен момент часу передавати дані може лише один комп'ютер мережі, і пропускна здатність загальної шини деяким чином розподіляється між усіма комп'ютерами. Основною перевагою топології «загальна шина» є простота структурної і функціональної організації і, як наслідок, дешевизна, що робить її найбільш привабливою для локальних мереж. Недолік цієї топології полягає в низькій надійності мережі - вихід з ладу загальної шини призводить до повної зупинки мережі.

Рисунок 1.10 – топологія загальна шина

Топологія «дерево». Топологія «дерево» (рис1.11) формується за принципом «мінімуму сумарної довжини зв'язків між вузлами мережі» і є основою для побудови ієрархічних мереж. У таких мережах для передачі даних є тільки один шлях між двома будь-якими вузлами, що робить процедуру маршрутизації тривіальною.

Рисунок 1.11 – топологія дерево

Топологія «зірка». Топологія «зірка» (рис 1.12) містить один центральний вузол, до якого приєднуються всі інші вузли мережі. В якості центрального вузла може виступати потужний комп'ютер, до якого приєднані менш потужні периферійні комп'ютери. У цьому разі центральний комп'ютер може надавати свої ресурси (файли, дисковий простір, ресурси процесора) периферійним комп'ютерам, або виконувати функції маршрутизатора при обміні даними між комп'ютерами мережі. Можлива й інша організація топології «зірка», коли в якості центрального вузла використовується мережевий пристрій (наприклад, концентратор або комутатор), за допомогою якого всі комп'ютери пов'язані в єдину мережу і яка забезпечує тільки обмін даними між комп'ютерами. Якщо в якості центрального вузла мережі використовується концентратор, то логічна топологія мережі може бути як «зірка», так і «загальна шина».

Рисунок 1.12 – топологія зірка

Топології «кільце». У топології «кільце» (рис 1.13) кожен вузол пов'язаний з двома іншими вузлами, при цьому дані, передані будь-яким вузлом, пройшовши через усі інші вузли мережі, можуть повернутися у вихідний вузол. Основною перевагою цієї топології в порівнянні з розглянутими вище топологіями є можливість передачі даних по двох напрямах, тобто наявність у кожному вузлі альтернативного шляху, по якому можуть бути передані дані при відмові основного шляху. При цьому вартість мережі при невеликій кількості вузлів порівнянна з вартістю мереж з топологіями «зірка» і «дерево». Проте зі збільшенням кількості вузлів у мережі вартість може виявитися чималою.

Рисунок 1.13 – топологія кільце

Топологія «повнозв'язна». Топологія «повнозв'язна» (рис 1.14) формується за принципом «кожен з кожним», тобто кожен вузол мережі має зв'язок з усіма іншими вузлами. Така топологія є найбільш ефективною за всіма основними показниками якості функціонування: надійності, продуктивності і т.д., але через велику вартість практично не використовується.

Рисунок 1.14 – топологія повнозв`язна

Топологія «багатозв'язна». Топологія «багатозв'язна» або «клітинкова» (рис 1.15) представляє собою топологію довільного виду, яка формується за принципом «кожен вузол мережі пов'язаний з не менш як двома іншими вузлами», тобто для кожного вузла мережі завжди повинен бути хоча б один альтернативний шлях. Така топологія може бути отримана шляхом видалення з повнозв'язної топології деяких каналів зв'язку (наприклад, що не використовуються для передачі даних або мало завантажені), що в багатьох випадках істотно знижує вартість мережі.

Рисунок 1.15 – топологія багатозв`язна

Топологія «змішана». Топологія «змішана»являє собою будь-яку комбінацію розглянутих вище топологій і утворюється зазвичай при об'єднанні кількох локальних мереж, наприклад так, як це показано на рисунку 1.16, де 3 мережі з топологією «зірка» об'єднані в мережу з топологією «кільце».

Рисунок 1.15 – топологія змішана

Порівняльний аналіз топологій. Порівняльний аналіз топологій комп'ютерних мереж будемо проводити на основі таких ознак:

1. простота структурної організації, яка вимірюється кількістю каналів зв'язку між вузлами мережі;

2. надійність, обумовлена наявністю «вузьких місць», при відмові яких мережа перестає функціонувати або ж різко падає її ефективність, а також наявністю альтернативних шляхів, завдяки яким, при відмовах окремих каналів і вузлів, передача даних може здійснюватися в обхід відмовлених елементів;

3. продуктивність мережі, яка вимірюється кількістю блоків даних (повідомлень або пакетів), переданих в мережі за одиницю часу з урахуванням можливого зниження ефективної швидкості передачі даних через конфлікти в мережі;

4. час доставки повідомлень (пакетів), що вимірюється, наприклад, у хопах (hop), що представляють собою число проміжних каналів або вузлів на шляху передачі даних;

5. вартість топології, що залежить як від складу і кількості обладнання (наприклад, каналів при заданій кількості вузлів), так і від складності реалізації.

Перераховані ознаки взаємопов'язані. Звісно, що більш ефективні топології з позицій надійності, продуктивності і часу доставки є більш складними в реалізації і, як наслідок, більш дорогими. Порівняння розглянутих вище топологій будемо проводити на якісному рівні, результати якого представлені у вигляді таблиці 1.2. У таблиці найкращому показнику відповідає значення 1, укладену в фігурні дужки, а найгіршим показником - значення 5.

Таблиця 1.2 – порівняльний аналіз топологій

Показники	Топології
	ЗШ	Зірка	Дерево	Кальце	Повно-зв'язна	Багато-зв'язна	Змішана
Простота	(1)	2	2	3	5	4	4
Ціна	(1)	2	2	3	5	4	4
Надійність	5	4	4	3	(1)	2	2
Продуктивність	5	4	4	3	(1)	2	2
Час доставки	3	2	4	5	(1)	3	3

Простота структурної організації і вартість. За кількістю каналів зв'язку найбільш простою топологією комп'ютерної мережі є топологія «загальна шина», яка містить один канал зв'язку, який об'єднує всі комп'ютери мережі. Простота такої мережі обумовлена також відсутністю будь-яких спеціальних мережевих пристроїв, таких як маршрутизатори, комутатори і т.д. Єдиним необхідним пристроєм для підключення до загальної шини служить порівняно простий пристрій - мережевий адаптер (мережева карта). Ще одним чинником, що обумовлює простоту цієї топології, є простота підключення нових комп'ютерів до загальної шини. Звісно, що простота структурної організації топології «загальна шина» визначає і її низьку вартість.

Порівняно до простих і дешевих топологій можна віднести топології «дерево» і «зірка», що обумовлено невеликою кількістю зв'язків (каналів) між вузлами мережі, яких на одиницю менше кількості вузлів .

Топологія «кільце» за показником «простота» займає наступну позицію після розглянутих топологій. Легко переконатися, що для цієї топології кількість зв'язків (каналів) між вузлами мережі дорівнює кількості вузлів: .

Повнозв'язна топологія є найбільш складною, оскільки має максимально можливу кількість зв'язків (каналів) в мережі, рівне . Проявом цього є висока вартість мережі, що робить недоцільним застосування такої топології при побудові комп'ютерних мереж, особливо з великим числом вузлів.

При побудові глобальних мереж найбільшого поширення набули топології багатозв'язна і змішана, що займають проміжне положення між простими і дешевими топологіями «зірка» і «кільце» і повнозв’язна.

Надійність. За показником надійності найкращою, звісно, є повнозв'язна топологія, яка характеризується відсутністю «вузьких місць» з точки зору надійності і наявністю максимально можливої кількості альтернативних шляхів для передачі даних, які можуть бути задіяні при відмовах одного або навіть декількох каналів і вузлів мережі. При цьому мережа продовжує функціонувати і передавати дані, щоправда, з більш низькою якістю.

Найменш надійними топологіями є топології «загальна шина», «зірка» і «дерево», що мають «вузькі місця» відповідно у вигляді загальної шини, центрального і кореневого вузла мережі, при відмові яких мережа перестає функціонувати.

Дещо вища надійність топології «кільце» за рахунок наявності альтернативного шляху, зворотного по відношенню до основного шляху

передачі даних, що дозволяє при відмовах каналу або вузла мережі передавати повідомлення в протилежному напрямку.

Багатозв'язна і змішана топології за рахунок наявності, в загальному випадку, декількох альтернативних шляхів для передачі даних, володіють більш високою надійністю, ніж топологія «кільце», наближаючись по цьому показнику до повнозв’язної топології.

Продуктивність мережі. Під продуктивністю мережі передачі даних будемо розуміти кількість пакетів, що передаються у мережі за одиницю часу. Дійсно, що продуктивність мережі залежить від кількості пакетів, що одночасно знаходяться в мережі: чим більше пакетів у мережі, тим вище її продуктивність. Продуктивність мережі зростає до деякого граничного значення, називаного пропускною спроможністю мережі передачі даних (МПД). Значення пропускної здатності МПД визначається вузьким місцем мережі - найбільш завантаженим вузлом або каналом зв'язку, завантаження якого близьке до одиниці. Зрозуміло, що пропускна здатність МПД в значній мірі визначається пропускними здатностями каналів зв'язку, вимірюваними кількістю біт, переданих по каналу за одиницю часу, і кількістю каналів зв'язку в МПД, по яких одночасно можуть передаватися пакети, причому, чим більше каналів в МПД, тим вище продуктивність і пропускна здатність мережі. Таким чином, за умови, що всі канали зв'язку порівнюваних топологій мають однакові пропускні здатності, можна зробити наступний висновок: найбільшою продуктивністю володіє повнозв'язна топологія, а найменшою - «загальна шина», яка має тільки один канал для передачі даних всіх комп'ютерів. Слід також мати на увазі, що в загальній шині можуть виникати колізії в результаті зіткнення даних, що передаються одночасно від декількох комп'ютерів, що ще більше знижує пропускну здатність загальної шини. Решта топологій займають проміжне положення між повнозв’язною топологією і топологією «загальна шина».

Час доставки. Як і раніше, представимо, що всі канали зв'язку порівнюваних топологій мають однакові пропускні здатності. У цьому випадку час доставки пакетів у мережі зручно оцінювати в хопах (hop) - кількості каналів на шляху передачі пакетів між вузлами мережі. Дійсно, що найменший час доставки пакетів, рівне одному хопу між будь-якими двома вузлами мережі, що забезпечує повнозв'язна топологія. У топології «зірка» час доставки пакетів не більше двох хопів - двох каналів зв'язку між будь-якими двома периферійними вузлами, шлях між якими пролягає через центральний вузол. У багатозв'язних і змішаних топологіях час доставки дещо більше, ніж в топології «зірка», і залежить від ступеня зв'язності - кількості каналів зв'язку і, відповідно, кількості альтернативних шляхів. Час доставки пакетів у мережі з топологією «дерево» залежить від конфігурації зв'язків і, при одній і тій же кількості вузлів , може приймати різні максимальні значення: 2 - у разі конфігурації, яка відповідає топології «зірка», і - у випадку лінійної конфігурації, коли всі вузли мережі, пов'язані послідовно один з одним, утворюють ланцюжок: . При досить великій кількості вузлів найбільший час доставки може виявитися у мережі з топологією «кільце». Оскільки в реальних мережах з кільцевою топологією пакети зазвичай передаються в одному напрямку, середній час доставки, виміряний у хопах, дорівнюватиме , де - кількість вузлів і, відповідно, каналів зв'язку в мережі.

Дещо складніше оцінити час доставки пакетів для мережі з топологією «загальна шина». Дійсно, оскільки канал один - шина, то час доставки дорівнює одному хопу. Проте слід враховувати, що пропускна здатність загальної шини ділиться між усіма комп'ютерами мережі, внаслідок чого реальний час доставки, виміряний у секундах, може виявитися у багато разів більше, ніж у каналі повнозв`язної мережі з такою ж пропускною здатністю. Крім того, виникають у загальній шині колізії в результаті зіткнень пакетів від різних комп'ютерів та необхідність їх повторної передачі ще більше збільшують час доставки.

Виконаний якісний аналіз різних топологій дозволяє зробити наступні висновки.

Основною вимогою, що пред'являються до локальних обчислювальних мережах, що з'єднують зазвичай недорогі персональні комп'ютери, є низька вартість мережевого обладнання, що досягається використанням найбільш простих і, отже, дешевих топологій: «загальна шина», «зірка» і «кільце». Глобальні обчислювальні мережі будуються зазвичай на основі багатозв’язної або змішаної топології.

Представлені результати порівняльного аналізу різних мережевих топологій носять відносний характер, тобто показують рівень того чи іншого показника деякої топології щодо інших топологій, і не можуть служити кількісною оцінкою. Більш того, при оцінці цих показників не враховувалися значення кількісних параметрів структурної організації комп'ютерної мережі, таких як пропускні спроможності і надійність каналів зв'язку, продуктивність вузлів зв'язку, вартість компонент мережі, експлуатаційні витрати і т.п. Облік цих параметрів у кожному конкретному випадку може призвести до ситуації, коли більш прості топології виявляються більш продуктивними, а складні топології-більш дешевими, ніж прості топології, наприклад, тому, що в них використовуються канали зв'язку з невеликою пропускною здатністю.

Істотний вплив на розглянуті вище характеристики надає також функціональна організація комп'ютерної мережі.