1.4.2. 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 елементів, які відмовили;

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, в 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. Природно, 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 табл.1.1. У таблиці найкращому показнику відповідає значення 1, у фігурних дужках, а найгіршим показникам - значення 5.

Таблиця 1.1

Показник	Топологія
	ЗШ	Зірка	Дерево	Кільце	Повно-зв’язана	Багато-зв’язана	Змішана
Простота	{1}	2	2	3	5	4	4
Вартість	{1}	2	2	3	5	4	4
Надійність	5	4	4	3	{1}	2	2
Продуктивн.	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.п. Єдиним необхідним пристроєм для підключення до загальної шини служить порівняно простий пристрій - мережевий адаптер (мережева карта). Ще одним фактором, що обумовлює простоту цієї топології, є простота підключення нових комп'ютерів до загальної шини. Природно, що простота структурної організації топології «загальна шина» визначає і її низьку вартість.

До порівняно простих і дешевих топологій можна віднести топології «дерево» і «зірка», що зумовлено невеликою кількістю зв'язків (каналів) між вузлами мережі, яка 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, рівна . Наслідком 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'язних (комірчасті) і змішані, що займають проміжне положення між простими і дешевими топологіями «зірка» і «кільце» і повнозв’язаною топологією.

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 вище 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'язні (комірчасті) і змішані топології за рахунок наявності, в загальному випадку, декількох альтернативних шляхів для передачі даних, мають більш високу надійність, ніж топологія «кільце», наближаючись за цим показником до повнозв’язаної топології.

Продуктивність мережі. Під продуктивністю мережі передачі даних будемо розуміти кількість пакетів, що передаються в мережі за одиницю часу. Очевидно, що продуктивність мережі залежить від кількості пакетів, що одночасно знаходяться в мережі: чим більше пакетів в мережі, тим вище її продуктивність. Продуктивність мережі зростає до деякого граничного значення, названого пропускною здатності мережі передачі даних (МПД). Значення пропускної здатності мережі передачі даних визначається вузьким місцем мережі - найбільш завантаженим вузлом або каналом зв'язку, завантаження якого близька до одиниці. Ясно, що пропускна здатність мережі в значній мірі визначається пропускними здатностями каналів зв'язку, вимірюваними кількістю біт, переданих по каналу за одиницю часу, і кількістю каналів зв'язку в мережі передачі даних, за якими одночасно можуть передаватися пакети, причому, чим більше каналів в мережі передачі даних, 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: найбільшу продуктивність має повнозв'язна топологія, а найменшу - «загальна шина», що 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, які передаються одночасно від декількох комп'ютерів, що ще більше знижує пропускну здатність загальної шини. Решта топологій займають проміжне положення між повнозв’язаною топологією і топологією «загальна шина».

Час доставки. Як і раніше, припустимо, що всі канали зв'язку порівнюваних топологій мають однакові пропускні здатності. В цьому випадку час доставки пакетів у мережі зручно оцінювати в хопах (hop) - кількості каналів на шляху передачі пакетів між вузлами мережі. Очевидно, що найменший час доставки пакетів, рівне одному хопу між будь-якими двома вузлами мережі, забезпечує повнозв'язна топологія. В топології «зірка» час доставки пакетів не більше двох хопов - двох каналів зв'язку між будь-якими двома периферійними вузлами, шлях між якими пролягає через центральний вузол. В 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 одному і тому ж кількості вузлів , може приймати різні максимальні значення: 2 - у разі конфігурації, що збігається з топологією «зірка», і - у разі 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 в хопах, дорівнюватиме , где - 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 рівний одному хопу. Проте слід враховувати, що пропускна здатність загальної шини ділиться між всіма комп'ютерами мережі, внаслідок чого реальний час доставки, виміряний в секундах, може виявитися у багато разів більше, ніж в каналі повнозв’язаної мережі з такою ж пропускною здатністю. Крім того, виникають у загальній шині колізії в результаті зіткнень пакетів від різних комп'ютерів і необхідність їх повторної передачі, що ще більше збільшує час доставки.

Виконаний якісний аналіз різних топологій дозволяє зробити наступні висновки.

Основною вимогою, що пред'являються до локальних обчислювальних мереж, об'єднуючим зазвичай недорогі персональні комп'ютери, є низька вартість мережевого устаткування, 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 пропускна здатність і надійність каналів зв'язку, продуктивність вузлів зв'язку, вартість компонент мережі, експлуатаційні витрати і т.п. Врахування цих параметрів в кожному конкретному випадку може привести до ситуації, коли більш прості топології виявляються більш продуктивними, а складні топології - дешевшими, ніж прості топології, наприклад, тому, що в них використовуються канали зв'язку з невеликою пропускною здатністю.

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