Τοπολογία δικτύου

Διάγραμμα διαφορετικών τοπολογιών δικτύων

Τοπολογία δικτύου (αγγλ.: network topology) είναι η διάταξη των διαφόρων στοιχείων (μέσα σύνδεσης, κόμβοι, κλπ) των τηλεπικοινωνιακών δικτύων. Είναι η τοπολογική αναπαράσταση ενός δικτύου και μπορεί να απεικονιστεί φυσικά ή λογικά. Η φυσική τοπολογία απεικονίζει τις θέσεις των στοιχείων του δικτύου (συσκευές, καλώδια, κλπ) όπως θα ήταν στο χώρο. Η λογική τοπολογία παρουσιάζει την ροή των δεδομένων μέσα στο δίκτυο. Δύο δίκτυα που έχουν την ίδια φυσική τοπολογία ενδέχεται να έχουν διαφορετική λογική (τοπολογία) αν διαφέρουν στην τεχνολογία των συσκευών και των μέσων μετάδοσης.

Συστατικά μέρη δικτύου

Στην τοπολογική απεικόνιση, δυο είναι τα κύρια συστατικά μέρη του δικτύου. Οι κόμβοι (nodes), δηλαδή οι συσκευές, και οι συνδέσεις ή ζεύξεις (links), δηλαδή τα μέσα που συνδέουν τις συσκευές.

Ζεύξεις

Οι ζεύξεις είναι τα μέσα μεταφοράς (καλούνται και φυσικά μέσα) της πληροφορίας που ζευγνύουν (συνδέουν) τις συσκευές του δικτύου και μπορεί να είναι ηλεκτρικά καλώδια, οπτικές ίνες ή ραδιοκύματα. Στο μοντέλο OSI αναφέρονται στο φυσικό επίπεδο (επίπεδο 1) και στο επίπεδο ζεύξης (επίπεδο 2). Ακόμα και η ηλεκτρική εγκατάσταση ενός κτηρίου μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν μέσο μεταφοράς πληροφορίας.

• Τα ηλεκτρικά καλώδια χρησιμοποιούνται σε μικρές αποστάσεις και είναι εύκολα στην εγκατάσταση. Υπάρχουν διαφορετικά είδη (ομοαξονικά, συνεστραμμένα ζεύγη, κλπ) που διαφέρουν στο ρυθμό μεταφοράς πληροφορίας και στην απόσταση που μπορούν να αποδώσουν.

• Οι οπτικές ίνες αποδίδουν σε μικρές και μεγάλες αποστάσεις. Παρέχουν μεγαλύτερους ρυθμούς μεταφοράς πληροφορίας. Συνηθίζονται σε υποθαλάσσιες διηπειρωτικές επικοινωνιακές εγκαταστάσεις.

• Τα ραδιοκύματα χρησιμοποιούνται σε μικρές αποστάσεις (Wi-Fi), όπως και σε μεγάλες (δορυφορικές επικοινωνίες). Οι ταχύτητες μετάδοσης κυμαίνονται ανάλογα με την εγκατάσταση.Στην καθημερινή χρήση υπερτερούν στην ευκολία σύνδεσης με το δίκτυο (π.χ. στις φορητές υπολογιστικές συσκευές, κινητά τηλέφωνα, κλπ)

Κόμβοι

Οι κόμβοι (nodes) είναι οι συσκευές που χρησιμοποιούν τις ζεύξεις για να επικοινωνούν μεταξύ τους και γι' αυτό έχουν μία ή περισσότερες διεπαφές δικτύου (network interfaces). Συσκευές που αναμεταδίδουν την πληροφορία (π.χ. μεταγωγείς, δρομολογητές) ή την παράγουν-καταναλώνουν, όπως ένας σταθμός εργασίας, εκτυπωτής, εξυπηρετητής ή μια τηλεφωνική συσκευή. Οι συνηθέστερες και οι λειτουργίες τους είναι:

• Οι επαναλήπτες (repeaters) που μεταφέρουν την πληροφορία από την μια ζεύξη στην άλλη ενισχυμένη. Χρησιμοποιούνται όταν έχουμε μεγαλύτερη απόσταση από αυτή που μπορεί να υποστηρίξει μια ζεύξη για να ενισχύσουν το σήμα.

• Οι πλήμνες (hubs) που λαμβάνουν την πληροφορία από μία ζεύξη και την μεταβιβάζουν σε όλες τις άλλες.

• Οι γέφυρες (bridges) που λαμβάνουν την πληροφορία από μία ζεύξη και την μεταβιβάζουν σε μια δεύτερη αν ο προορίζεται για αυτήν.

• Οι μεταγωγείς (switches) που κάνουν ότι οι πλήμνες και οι γέφυρες μαζί. Λαμβάνουν την πληροφορία από μια ζεύξη (όπως οι πλήμνες) και την μεταβιβάζουν μόνο στη ζεύξη για την οποία προορίζεται (όπως οι γέφυρες).

• Οι δρομολογητές (routers) που επεξεργάζονται την πληροφορία και την προωθούν σε άλλα δίκτυα.
• Οι ελεγκτές διασύνδεσης δικτύου (NIC) η διεπαφή που επιτρέπει σε μια συσκευή να συνδεθεί μέσω ζεύξης.

Υπάρχουν και άλλες δικτυακές συσκευές που μπορεί να είναι συνδυασμός των παραπάνω και επιφορτισμένες με πιο πολύπλοκες λειτουργίες.

Βασικές τοπολογίες δικτύου

Η διάταξη των στοιχείων ενός δικτύου μπορεί να ταξινομηθεί στις παρακάτω βασικές τοπολογίες:

Δισημειακή

Η δισημειακή τοπολογία (αγγλ. point-to-point topology) είναι η απλούστερη τοπολογία, είναι μια μόνιμη σύνδεση μεταξύ δύο σημείων. Είναι η σύνδεση που επιτρέπει ανεμπόδιστη επικοινωνία μεταξύ δύο σημείων. Χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η σύνδεση των δικτύων σε απομακρυσμένα υποκαταστήματα μιας εταιρείας μέσω μισθωμένων (αποκλειστικών) τηλεφωνικών κυκλωμάτων.

Στις τεχνολογίες μεταγωγής κυκλωμάτων ή μεταγωγής πακέτων, ένα δισημειακό κύκλωμα μπορεί να δημιουργηθεί προσωρινά και παύει να υπάρχει όταν δεν χρειάζεται πλέον. Στη συμβατική τηλεφωνία δύο τηλεφωνικές συσκευές συνδέονται δισημειακά μέσω τηλεφωνικού κέντρου.

Διαύλου

Διαύλου

Στην τοπολογία διαύλου (αγγλ. bus topology), κάθε κόμβος συνδέεται σε ένα κεντρικό καλώδιο. Αυτό το κεντρικό καλώδιο είναι ο κορμός (backbone ή bus) του δικτύου και είναι γνωστό ως δίαυλος ή αρτηρία. Ένα πακέτο δεδομένων που έχει αφετηρία έναν από τους κόμβους ταξιδεύει και στις δύο κατευθύνσεις και διαδοχικά διέρχεται από όλους τους άλλους κόμβους του διαύλου. Κάθε κόμβος ελέγχει τη διεύθυνση παραλήπτη του πακέτου και αν ταιριάζει με την δική του το αποδέχεται, αλλιώς το αγνοεί. Είναι χαμηλού κόστους και εύκολα στην εγκατάσταση κυρίως για τα μικρά δίκτυα λόγω του μοναδικού κεντρικού καλωδίου. Δεδομένου ότι τα πακέτα διασχίζουν όλο το δίκτυο ανεξάρτητα της θέσης του κόμβου-αποδέκτη ενδέχεται να επιβαρύνουν την συνολική του απόδοση. Ένα ακόμα μειονέκτημα είναι ότι αν προσθέσουμε ή αφαιρέσουμε έναν κόμβο, ολόκληρο δίκτυο τίθεται εκτός λειτουργίας. Το ίδιο συμβαίνει και στην περίπτωση κάποιας βλάβης στο κεντρικό καλώδιο. Κυρίως οι τρεις τελευταίοι λόγοι καθιστούν αυτή την τοπολογία ακατάλληλη για μεγάλα δίκτυα.

Αστέρα

Αστέρα

Στην τοπολογία αστέρα (αγγλ. star topology) κάθε κόμβος (συσκευή) είναι συνδεδεμένος σε ένα "κεντρικό" κόμβο. Σε αυτή την τοπολογία ένα πακέτο δεδομένων που έχει αφετηρία έναν από τους περιφερειακούς κόμβους κατευθύνεται πάντα στον κεντρικό κόμβο ο οποίος το αναμεταδίδει σε όλους τους κόμβους. Οι περιφερειακοί κόμβοι επικοινωνούν μεταξύ τους με αποστολές και λήψεις στον κεντρικό κόμβο. Η αποδοτική λειτουργία του δικτύου εξαρτάται πολύ από τον κεντρικό κόμβο. Αν είναι απλή πλήμνη (hub) το πακέτο που θα παραλάβει από ένα κόμβο θα το στείλει σε όλους τους άλλους κόμβους και τελικά θα παραληφθεί από αυτόν που έχει την διεύθυνση παραλήπτη στο πακέτο ενώ οι άλλοι κόμβοι θα το αγνοήσουν. Όπως και στην τοπολογία διαύλου η απόδοση του δικτύου επιβαρύνεται λόγω της μεταφοράς πακέτων σε όλους τους κόμβους. Το δίκτυο γίνεται πιο αποτελεσματικό όταν ο κεντρικός κόμβος είναι μεταγωγέας (switch). Ο μεταγωγέας διαβάζει την διεύθυνση παραλήπτη του πακέτου και το στέλνει αποκλειστικά στον κόμβο-αποδέκτη. Σε αυτή την τοπολογία μπορεί να προστεθεί ή να αφαιρεθεί περιφερειακός κόμβος χωρίς να επηρεαστεί η λειτουργία του υπόλοιπου δικτύου. Ο κεντρικός κόμβος υποστηρίζει περιορισμένο αριθμό συνδέσεων.

Δακτυλίου

Δακτυλίου

Η τοπολογία δακτυλίου (αγγλ. ring topology) είναι σαν την τοπολογία διαύλου (bus) στην οποία όμως τα δύο άκρα ενώνονται σε έναν κλειστό βρόχο. Τα δεδομένα διαδίδονται προς μία κατεύθυνση, αν και υπάρχουν δακτύλιοι διπλής κατεύθυνσης. Όταν ένας κόμβος στέλνει πακέτα δεδομένων σε έναν άλλο, τα πακέτα περνούν από κάθε ενδιάμεσο κόμβο καθώς διατρέχουν τον δακτύλιο μέχρι να φτάσουν στον κόμβο που προορίζονται. Δεδομένου ότι το σήμα στις καλωδιώσεις των δικτύων εξασθενεί με την απόσταση, είναι σημαντικό ότι ο κάθε ενδιάμεσος κόμβος εκτός του ότι ελέγχει τη διεύθυνση του πακέτου για να δει αν είναι ο αποδέκτης, το επαναπροωθεί στον επόμενο κόμβο αφού το ενισχύσει. Δηλαδή εκτελεί την λειτουργία ενός επαναλήπτη (repeater). Για αυτό το λόγο αυτή η τοπολογία μπορεί να καλύψει μεγάλες αποστάσεις. Όπως και στην τοπολογία διαύλου αν σε κάποιο σημείο του το δίκτυο υποστεί βλάβη, δεν λειτουργεί στο σύνολό του. Πλεονεκτεί της τοπολογίας αστέρα στο ότι δεν χρειάζεται τον "κεντρικό" κόμβο.

Μειονέκτημα είναι ότι αν μία από τις συνδέσεις μεταξύ των κόμβων έχει μικρότερη ταχύτητα μεταφοράς δεδομένων καθυστερεί ολόκληρο το δίκτυο.

Πλήρως κατανεμημένη

Κατανεμημένη

Στην κατανεμημένη τοπολογία (αγγλ. mesh topology) όλοι οι κόμβοι (συσκευές) του δικτύου συνδέονται μεταξύ τους μερικά ή στο σύνολό τους, έτσι ώστε να μην κατατάσσονται σε κάποια από τις προηγούμενες τοπολογίες.

Διακρίνουμε:

Πλήρως κατανεμημένη τοπολογία

Στην πλήρως κατανεμημένη τοπολογία (αγγλ. fully connected topology ή fully connected mesh topology) όλοι οι κόμβοι συνδέονται μεταξύ τους. Ο αριθμός των συνδέσεων (connections) αυξάνεται τετραγωνικά σε σχέση με τον αριθμό των κόμβων (nodes).

Δηλαδή $connections={\frac {nodes(nodes-1)}{2}}\,$ , που για δίκτυα με πολλούς κόμβους είναι περίπου ${\frac {nodes^{2}}{2}}$. Η τοπολογία αυτή δεν έχει πρακτική εφαρμογή στα μεγάλα δίκτυα.

Μερικώς κατανεμημένη

Μερικώς κατανεμημένη τοπολογία

Στην μερικώς κατανεμημένη τοπολογία (αγγλ. Partially connected mesh topology) κάποιοι κόμβοι έχουν περισσότερες από μια συνδέσεις με τους άλλους κόμβους του δικτύου. Σε μια τέτοια τοπολογία δύο απομακρυσμένοι κόμβοι μπορούν να επικοινωνούν ακολουθώντας μια διαδρομή ενδιάμεσων κόμβων. Επιπλέον μπορούμε να έχουμε πολλές διαφορετικές διαδρομές επικοινωνίας μεταξύ δύο κόμβων. Σε αυτή την περίπτωση αν κάποια από τις συνδέσεις του τεθεί εκτός λειτουργίας ή για κάποιο λόγο μειωθεί ο ρυθμός μετάδοσης, υπάρχει η δυνατότητα εναλλακτικών διαδρομών. Αυτό προϋποθέτει την ύπαρξη κατάλληλων αλγόριθμων που θα καθορίζουν την βέλτιστη διαδρομή δρομολόγησης (routing) ανάλογα με την κάθε περίσταση.

Υβριδικές τοπολογίες

Οι υβριδικές τοπολογίες συνδυάζουν δύο ή περισσότερες από τις βασικές τοπολογίες με τέτοιο τρόπο ώστε το δίκτυο που προκύπτει να μην κατατάσσεται σε κάποια από αυτές.

Συνηθέστερες υβριδικές τοπολογίες:

• Δένδρου που μπορεί να υλοποιηθεί με συνδυασμούς τοπολογιών αστέρα-αστέρα και διαύλου-αστέρα.
  • Στην αστέρα-αστέρα έχουμε μια τοπολογία αστέρα με έναν τουλάχιστον από τους περιφερειακούς κόμβους να είναι επίσης τοπολογία αστέρα. Μπορούν να υλοποιηθούν σε πολλά επίπεδα, αλλά πάντα θα υπάρχει ο κεντρικός αρχικός κόμβος.
  • Στην αστέρα-διαύλου, όπου δύο ή περισσότερες τοπολογίες αστέρα διασυνδέονται μέσω μιας τοπολογίας διαύλου. Και εδώ μπορούμε να έχουμε πολλούς συνδυασμούς με πολλά επίπεδα όπου όλα βασίζονται σε έναν αρχικό κόμβο ή δίαυλο.

Η τοπολογία δένδρου πλεονεκτεί στην διαχείρισή της γιατί διαιρείται σε τμήματα, ώστε να ρυθμιστούν και να εντοπιστούν προβλήματα. Μειονέκτημα είναι ότι όλο το δίκτυο εξαρτάται από την καλή λειτουργία του κεντρικού κόμβου-κορμού.

• Αστέρα-δακτυλίου, όπου δύο οι περισσότεροι δακτύλιοι συνδέονται σε έναν κεντρικό κόμβο.

• Υβριδική-κατανεμημένη, όπου ένας ή περισσότεροι κόμβοι συνδέονται με διαφορετικές τοπολογίες.Το διαδίκτυο (internet) χρησιμοποιεί μερικώς κατανεμημένη υβριδική τοπολογία.

Φυσικές και Λογικές Τοπολογίες

Υπάρχουν δύο βασικές κατηγορίες τοπολογιών δικτύου, φυσικές τοπολογίες και λογικές τοπολογίες.

Φυσική τοπολογία

Η φυσική τοπολογία (αγγλ. physical topology) είναι η διάταξη της καλωδίωσης που χρησιμοποιείται για τη σύνδεση συσκευών μέσα στο χώρο. Αναφέρεται στη διάταξη των καλωδίων, στις θέσεις των κόμβων, στις αποστάσεις που καλύπτουν και στους συνδέσμους μεταξύ των κόμβων και της καλωδίωσης. Αφορά τις δυνατότητες των συσκευών, των μέσων μεταφοράς της πληροφορίας και τον τρόπο σύνδεσής τους στο στο δίκτυο (π.χ. ενσύρματη ή ασύρματη). Η φυσική τοπολογία ενδιαφέρεται για τις αποστάσεις επειδή το σήμα εξασθενεί σε απομακρυσμένες συνδέσεις, οπότε αυξάνονται τα σφάλματα και μειώνεται η ταχύτητα μετάδοσης. Ενδιαφέρεται για την καλύτερη δυνατή διάταξη ώστε να είναι πιο εύκολος ο εντοπισμός και η διόρθωση σφαλμάτων. Έχει να κάνει με το κόστος τής σύνδεσης που μπορεί να είναι καλωδιακή, ασύρματη ή οποιοδήποτε άλλο παρεχόμενο τηλεπικοινωνιακό κύκλωμα.

Λογική τοπολογία

Η λογική τοπολογία ή τοπολογία σήματος (αγγλ. Logical topology ή signal topology) αφορά την ηλεκτρονική και προγραμματιστική πραγματοποίηση της επικοινωνίας. Δεν ενδιαφέρεται για την ισχύ του σήματος όταν αυτό διαδίδεται μέσα σε ένα σύστημα. Ενδιαφέρεται για τον τρόπο και την λογική της διάδοσης του σήματος ανεξάρτητα με την φυσική διασύνδεση των συσκευών, και τον τρόπο που περνούν τα δεδομένα από το ένα σημείο του δικτύου στο άλλο, ακόμα και αν αυτό αφορά το εσωτερικό μιας δικτυακής συσκευής. Η διαφορετική χρήση των δύο τοπολογιών έχει σαν αποτέλεσμα πολλές φορές στο ίδιο δίκτυο να διαφέρει η φυσική από την λογική τοπολογία.

Για παράδειγμα ένα δίκτυο συνεστραμμένου ζεύγους Ethernet με μία απλή πλήμνη (hub) ενώ στη φυσική τοπολογία παριστάνεται με αστέρα, στη λογική τοπολογία παριστάνεται σαν δίαυλος (bus). Επίσης ο δακτύλιος με κουπόνι (token ring) της IBM, ενώ στη λογική τοπολογία είναι δακτύλιος στη φυσική τοπολογία παριστάνεται σαν αστέρας.

Κάποιες προγραμματιζόμενες δικτυακές συσκευές, όπως δρομολογητές (routers) και μεταγωγείς (switches), παρέχουν την δυνατότητα της δυναμικής διαμόρφωσης της λογικής τοπολογίας του δικτύου.

Δείτε επίσης

• Δίκτυο υπολογιστών
• Τηλεπικοινωνίες
• Προώθηση (δίκτυα υπολογιστών)
• Πόροι δικτύου
• Token Bus

Πηγές

• Αβούρης, Ν., Κουφοπαύλου, Ο. & Σερπάνος, Δ., Εισαγωγή στους Υπολογιστές, Εκδόσεις Typorama, Πάτρα, 2004. ISBN 960-7620-28-3

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

• Τοπολογία του Εθνικού Δικτύου Έρευνας και Τεχνολογίας