Топология (компьютерная сеть)

Сетевые топологии: кольцо, ячеистая сеть , звезда, полносвязная, линия / строка, дерево, шина

Топология компьютерной сети описывает расположение конкретного устройств и линий , которые образуют собой компьютерную сеть , с помощью которой компьютеры соединены друг с другом и обменом данными.

Различают физическую и логическую топологию. Физическая топология описывает структуру сетевых кабелей; логическая топология - поток данных между конечными устройствами.

Топологии представлены графически (согласно теории графов ) с узлами и ребрами .

В больших сетях часто встречается структура , состоящая из нескольких различных топологий.

Топология сети имеет решающее значение для ее надежности : только при наличии альтернативных путей между узлами функциональность сохраняется в случае отказа отдельных соединений. Помимо поездок на работу, существует один или несколько альтернативных маршрутов (или отклонений ).

Знание топологии сети также полезно для оценки ее производительности и необходимо для планирования инвестиций и выбора подходящего оборудования .

Характерные значения

диаметр

Диаметр топологии описывает максимальное прямое расстояние между двумя узлами в прыжках . Следовательно, это прямая мера максимального ожидаемого времени передачи, т. Е. ЧАС. чем больше диаметр, тем больше время переноса в худшем случае.

Степень

Степень топологии указывает количество ссылок на узел. Они могут быть одинаковыми или разными для каждого узла. Если все узлы топологии имеют одинаковую степень, топология является регулярной, что положительно влияет на сеть . Кроме того, степень косвенно описывает затраты, которые необходимо повысить для настройки топологии. Чем выше оценка, тем выше стоимость.

Ширина бисекции

Бисекция ширина указывает минимальное количество ссылок , которые должны быть сокращены, чтобы разделить сеть с N узлами на две сети с N / 2 узлов в каждой. Следовательно, это мера производительности сети, поскольку во многих алгоритмах узлы одной половины сети взаимодействуют с узлами другой половины. Чем меньше ширина бисекции, тем менее благоприятным будет время, необходимое для обмена данными между двумя половинами сети.

симметрия

При симметричной топологии сеть выглядит одинаково со всех точек зрения (узлов / звеньев), т.е. То есть существуют так называемые автоморфизмы графов для узлов и / или ребер . Проще говоря, это означает, что узлы и / или ссылки ведут себя одинаково в симметричной сети, независимо от того, какой узел или ссылка просматривается. Это имеет чрезвычайно положительное влияние (упрощение) на программирование, распределение нагрузки и маршрутизацию, поскольку здесь нет особых случаев, которые следует учитывать.

Масштабируемость

Масштабируемость является наименьшим Netzinkrement (количество узлов и связей) для того , что вы можете расширить топологию разумные усилия для обеспечения оптимальной производительности и сохранения топологии типичные свойства после расширения.

Связь

Подключения определяют минимальное количество узлов или связей (краевой или подключение узла) , который должен быть отрезанными так , что сеть как таковые больше не работает. Это мера количества независимых путей, которые могут существовать между двумя разными узлами. Таким образом, он также описывает надежность сети, т. Е. ЧАС. чем выше возможность подключения, тем надежнее сеть.

Физические топологии

Часто электрическая / сигнальная топология ( уровень OSI 1) и очевидная топология (способ прокладки кабелей) не совпадают. Широко распространенный пример - 100 Мбит Ethernet (100BASE-T с концентратором): кабели проложены по форме звезды от конечных устройств до концентратора. Однако с точки зрения потока сигналов сеть представляет собой шинную топологию.

Топология точка-точка

Базовая топология - это топология «точка-точка» или топология «две точки». Это происходит, когда два узла напрямую связаны друг с другом. Все более сложные топологии, в которых не используется общая среда, основаны на этом простом принципе построения. Двухточечные топологии являются одними из самых мощных конструкций из-за прямого соединения. Прямое использование в качестве независимой топологии, например, Б. в области волоконно-оптических сетей .

преимущества

недостаток

Только два участника связи могут быть подключены к двухточечному соединению. Если эти двое уже являются всеми участниками, подлежащими подключению, то принципиальных недостатков у данной топологии нет.

Если необходимо подключить более двух участников, но всегда только в топологии «точка-точка», необходимо установить дополнительные подключения «точка-точка»; В принципе, в результате получается одна из других топологий, но с тем недостатком, что обычно требуется «ручная маршрутизация». Если соединения управляются автоматически, а сообщения маршрутизируются автоматически, тогда вся сеть больше не рассматривается как топология «точка-точка», а как одна из других топологий - только на основе двухточечной топологии.

Звездная топология

Каждый терминал подключен к распределителю; клеммы не соединены друг с другом.

В сетях со звездообразной топологией все остальные участники подключаются к центральному участнику с помощью соединения точка-точка (см. Также звездообразный график ). В компьютерных сетях это может быть специализированное устройство, например коммутатор . Сеть частной телефонной станции также обычно является звездообразной: система коммутации - это центральный узел, к которому каждый абонентский набор подключен в звездообразной конфигурации со своей собственной линией. В любом случае центральный компонент в сети вызывает более высокую вероятность отказа для отдельных соединений: отказ центрального участника неизбежно приводит к отказу всех вариантов соединения одновременно. Обычной защитной мерой в звездообразных сетях является дублирование центрального компонента ( резервирование ).

преимущества

  • Отказ терминала не оказывает никакого влияния на остальной части сети.
  • Возможны высокие и разные скорости передачи
  • Легко расширяемый
  • Легко понять
  • Легкое устранение неполадок
  • Очень подходит для многоадресных / широковещательных приложений
  • Простая маршрутизация в звездообразном дистрибьюторе

недостаток

  • Сетевой трафик становится невозможным при выходе из строя дистрибьютора

Кольцевая топология

Каждое оконечное устройство подключено ровно к двум другим.

При организации сети в кольцевой топологии два участника подключаются друг к другу через двухточечные соединения, так что создается замкнутое кольцо. Информация, которая должна быть передана , пересылается от подписчика к подписчику до тех пор, пока не достигнет места назначения. Так как каждый участник может выступать в качестве ретранслятора в то же время (если не используются разветвители), т.е. сигнал усиливается / обновляется, большие расстояния могут быть соединены таким образом (при использовании волоконно - оптических кабелей в диапазоне километров).

Если связь в кольце обычно осуществляется в обоих направлениях, участники обычно хранят списки того, какое целевое устройство «короче» в каком направлении вращения. Кольцо прерывания затем может быть помечено как «бесконечное» для целевых устройств, которые больше не могут быть достигнуты в одном направлении - что автоматически выбирает другое направление вращения.

Если связь осуществляется только в одном (вращательном) направлении в кольце, кольцо прерывается в случае отказа одного из участников. В зависимости от организации связи, это может быть перехвачено (например, с помощью защиты от переключения ) или привести к серьезному отказу. В кольце с защитой все линии продублированы; в результате на самом деле существует два кольца: «способ работы» и «способ замены». Два кольца в основном работают в противоположных «направлениях вращения». Если одно или оба кольца разорваны в какой-то момент, каждый участник все еще может связаться друг с другом. Этот метод также используется, среди прочего, в системах fieldbus на основе волоконной оптики.

Если используется распределитель кольцевой линии (немецкий: RLV, английский: MAU = Multistation Access Unit), каждое устройство подключается к RLV только одним кабелем. RLV пересылает данные от одного порта к другому. Технически это означает звездообразную топологию, но логически кольцевую топологию. Также возможно подключить несколько RLV, при этом сохраняется кольцевая топология. С помощью распределителей кольцевой линии предотвращается отказ всей сети в случае отказа оконечного устройства, поскольку распределитель может «соединить» вышедшие из строя или отключенные участники.

Особой формой кольцевой топологии является линейная топология , которую можно рассматривать как «открытое кольцо», т.е. то есть первый и последний компьютеры не подключены друг к другу. Эта система очень проста в настройке, но при этом очень хрупка, поскольку сбой среднего участника разбивает сеть на две отдельные подсети, которые позволяют только дальнейшую передачу данных.

Данные (устаревшего) токен-ринга IBM:

  • Максимальная длина кольца 800 м
  • Компьютеры не должны находиться на расстоянии более 100 м от MAU.
  • Скорость передачи 4, 16 или 100 Мбит / с
  • Активная топология
  • Транспортный протокол - передача токена
  • Доступ детерминирован (конкретный доступ)
  • Адресуется только через MAC-адреса

преимущества

  • Детерминированная компьютерная сеть связи без коллизий пакетов - предшественник и преемник определены
  • Все станции работают как усилители
  • Все компьютеры имеют одинаковые возможности доступа
  • Гарантированная полоса пропускания
  • Относительно хорошо масштабируется, степень остается постоянной при расширении
  • Обычная топология, поэтому легко программировать

недостаток

  • Низкий диапазон деления пополам и возможность подключения, т.е. Это означает, что отказ оконечного устройства может привести к прерыванию всей сетевой связи (в зависимости от типа связи, например, защитное переключение, см., Например, FDDI и SDH ). Иногда сетевые компоненты могут передавать сигнал напрямую следующему участнику даже без явного источника питания. Однако альтернативных маршрутов немного. Б. в случае высоких нагрузок на кольцевую секцию может привести к возникновению узких мест.
  • При использовании кольцевого распределителя длинные пути сигнала с частым приемом и пересылкой, т.е. ЧАС. высокие задержки для удаленных узлов
  • Без кольцевого распределителя требуется много кабелей, поскольку создание реального кольца часто противоречит планировке помещения (офиса).
  • Передачи данных можно легко перехватить .
  • Более медленная передача данных со многими подключенными конечными устройствами.
  • Относительно высокие затраты энергии - в кольце с m участниками сообщение должно быть отправлено, получено и обработано m / 2 раз на "противоположную" станцию .

Примеры

Теоретически часто можно увидеть, что физическая кольцевая структура следует логической для экономии длины кабеля и, следовательно, затрат, но обычно это делается за счет гибкости в случае расширения.

Топология шины

Все оконечные устройства подключены к шине.

В топологии шины все устройства напрямую подключаются к одной и той же среде передачи - шине . Между устройствами и средой нет активных компонентов. В системах с меньшим физическим расширением среда передачи часто реализуется непосредственно на печатной плате или в виде кабеля , пучка кабелей или (в случае радиосетей) свободного пространства. Примерами сети с шинной топологией являются коаксиальные версии 10 Мбит / с Ethernet и WLAN . В варианте Thin Ethernet используется один кабель, разделенный на сегменты. Соединение между устройствами ( то есть сетевыми картами ) и сегментами кабеля осуществляется через тройники . Согласующие резисторы на концах кабеля используются для предотвращения отражений.

Если среда передачи шины является совместно используемой средой - например, Например, если один и тот же медный провод используется совместно всеми участниками для передачи данных, необходимо обеспечить, чтобы только одно устройство одновременно отправляло сигналы в среду передачи. Это может регулироваться центральным органом управления, так называемым арбитром шины . Прежде чем устройство сможет отправить, оно должно отправить запрос арбитру шины по отдельной линии.

Центральное управление часто непрактично, особенно в динамических сетях, таких как компьютерные сети. Таким образом, в сетях с децентрализованным управлением распознаются одновременные попытки записи (коллизии) и устраняются возникающие проблемы. Например, часто используемый метод - это CSMA / CD .

При использовании метода временного кванта ( мультиплексирование с временным разделением ) компьютеры отправляют данные в жесткой временной сетке на общий носитель. Каждый компьютер может использовать только короткий интервал времени для отправки, по истечении которого следующий компьютер может отправлять.

преимущества

  • Низкие затраты, так как требуется лишь небольшое количество кабелей.
  • Простая разводка кабелей и расширение сети.
  • Никаких активных сетевых компонентов не требуется.

недостаток

  • Передачи данных могут быть легко перехвачены (ключевое слово: снифферы ).
  • Сбой в среде передачи в одной точке шины (дефектный кабель) блокирует всю сеть.
  • Только одна станция может отправлять данные одновременно. Тем временем все остальные отправители блокируются (данные, которые должны быть переданы, должны быть буферизированы внутри).
  • В шинах, которые допускают коллизии и полагаются на последующее исправление, среда может использоваться только в небольшой степени, так как непропорционально большое количество коллизий происходит с более высоким трафиком данных.

Примеры

Топология дерева

Топологии деревьев характеризуются тем, что у них есть корень (первый или верхний узел), от которого начинаются одно или несколько ребер (связей). Они продолжают вести к листу (конечному узлу) или «рекурсивно» к внутренним узлам поддеревьев («корням» дальнейших «ветвей»; см. Также дерево (теория графов) ). Топология дерева тесно связана с звездой топологии звезда, но , возможно , с более строгой иерархической последовательности. Соединения между распределителями ( концентратором , коммутатором ) должны быть установлены с использованием восходящего канала . Эта топология часто используется в больших зданиях.

преимущества

  • Выход из строя конечного устройства («листа») не имеет последствий.
  • Структурная расширяемость
  • Достижение больших расстояний (комбинация)
  • Хорошо подходит для алгоритмов поиска и сортировки

недостаток

  • Если дистрибьютор (внутренний узел) выходит из строя, все (под) дерево дистрибьютора больше не может быть достигнуто
  • Из-за ширины деления пополам, равной 1, определенной для деревьев, узкие места могут возникать по направлению к корню, поскольку связь от одной нижней половины дерева к другой половине всегда должна осуществляться через корень.
  • Деревья имеют очень большой диаметр с увеличением глубины (= количество звеньев, которые нужно пройти от корня до листа). В связи с шириной деления пополам это приводит к плохим характеристикам задержки в классических деревьях.

Чтобы нейтрализовать эти довольно серьезные недостатки, на практике используется большое количество вариаций дерева.

k-дерево

К-дерево является до сих пор классическим деревом, но к ребрам исходят от каждого корня. Это позволяет вам z. B. по сравнению с двоичными деревьями достигается меньшая глубина и, следовательно, меньшее время задержки. Однако недостатком является большая сложность корневых элементов (степень k).

Кольцо расширенное дерево

Расширенное по кольцу дерево - это нормальное бинарное или k-дерево, внутренние узлы которого, однако, связаны, образуя кольцо на одном уровне (так называемые горизонтальные кольца). Либо узлы всех уровней могут быть связаны в кольца, либо только определенные (в основном нижние) уровни. Это снимает нагрузку на верхние уровни, поскольку узлы на одном уровне теперь могут общаться более или менее локально, без необходимости подниматься на несколько уровней, а затем снова опускаться. На практике вы обычно соединяете только несколько узлов на уровне (например, два крайних и средний), чтобы сформировать кольцо. Это имеет то преимущество, что оно менее сложно, чем полное кольцо, но также предлагает некоторые из преимуществ, упомянутых выше. Это своего рода компромиссное решение.

Гипер-дерево

Дерево гипер работает по тому же принципу, что и кольцевой вспененные дерева, но дополнительные соединения не ограничиваются горизонтальными, но соединения узлов разных уровней друг с другом. Однако для этого требуется относительно сложная маршрутизация .

Жирное дерево

Дерево жир или английский жир дерево пытается решить проблему низкого Bisektionsweite. Это достигается за счет увеличения пропускной способности в направлении корня, например, за счет нескольких параллельных каналов от корневого узла к нижним уровням. Это преодолевает недостаток, заключающийся в том, что корень дерева может стать горлышком бутылки, но оставляет нетронутым высокий диаметр дерева.

Ячеистая сеть

Клеммы соединены друг с другом сетчатым образом.

В ячеистой сети каждый терминал подключен к одному или нескольким другим терминалам. Если каждый участник подключен к каждому другому участнику, говорят о полностью ячеистой сети.

Если терминал или линия выходит из строя, обычно можно продолжить обмен данными путем перенаправления ( маршрутизации ) данных.

преимущества

  • Самый безопасный вариант компьютерной сети
  • Если оконечное устройство выходит из строя, передача данных по-прежнему возможна путем перенаправления (высокая возможность подключения)
  • Очень эффективен благодаря большой ширине деления пополам, небольшому диаметру (с полной сеткой, постоянной равной 1)
  • полносвязные сети не требуют маршрутизации, так как есть только прямые соединения

недостаток

  • Требуется много кабелей; Очень сложен даже с неполноценными компьютерными сетями (обычно высокой степени)
  • Сравнительно сложная маршрутизация необходима для сетей, которые не являются полностью ячеистыми, поскольку в этом случае они не являются регулярными и не симметричными, что вызывает множество особых случаев.
  • сложная маршрутизация и множество соединений приводят к сравнительно высокому энергопотреблению

Топология ячейки

Топология клетки в основном используется в беспроводных сетях. Сота - это область вокруг базовой станции (например, точки беспроводного доступа), в которой возможна связь между конечными устройствами и базовой станцией. Внутри ячейки топология ячейки соответствует топологии шины. Он отличается от шины, если учитываются несколько перекрывающихся ячеек (помехи от чужих ячеек, маршрутизация через границы ячеек и т. Д.)

преимущества

  • Кабели не нужны
  • Нет сбоев из-за отказа конечных устройств

недостаток

  • склонность к сбоям и ограниченный диапазон
  • Очень небезопасно, так как любой может получить к нему доступ извне (требуется шифрование)

Примеры

Гибридные топологии

Гибридные топологии, также известные как смешанные топологии, используют как минимум две топологии в сети.

Звездный автобус

Графическое изображение сети звездообразных автобусов

Сеть со звездообразной шиной возникает, когда каждый из разных распределителей образует центр звезды, но эти распределители подключаются друг к другу с помощью кабеля шины. В прошлом этот вариант часто использовался для зданий с несколькими этажами, когда коаксиальные кабели были еще распространены. Эта техника не использовалась с конца 20 века.

Звездная звезда

Графическое представление сети звезда-звезда

Сеть звезда-звезда (также называемая расширенной звездой) создается, когда каждый из разных дистрибьюторов образует центр звезды, и эти дистрибьюторы, в свою очередь, подключаются к дистрибьютору через свой собственный кабель. Эта топология теперь является стандартной кабельной разводкой в локальных сетях . См. Универсальные строительные кабели . Топология дерева соответствует протяженной звезде!

Логическая топология

Логическая топология компьютерных сетей может отличаться от физической. Например, Ethernet может быть физически структурирован как звезда или (устаревшая) как шина - с логической точки зрения, здесь необходимо проводить различие между используемыми компонентами связи. Если используется концентратор, существует топология логической шины, поскольку поток данных от одного конечного устройства ко всем другим конечным устройствам происходит одновременно. Однако, если используется коммутатор, логическая топология также представляет собой соединение типа «звезда» или «точка-точка». Однако широковещательный трафик здесь является исключением; здесь коммутатор также логически работает как шина, поскольку он пересылает данные всем подключенным конечным устройствам. Token Ring физически реализован в виде звезды через распределитель кольцевой линии (MSAU), но это топология логического кольца, поскольку поток данных логически проходит от конечного устройства к конечному устройству. ARCNET физически настроен как дерево по нескольким активным и пассивным концентраторам , но поток данных также осуществляется от конечного устройства к конечному устройству и, следовательно, логически представляет собой кольцевую топологию. Логическая топология WLAN - это топология шины. (См. Также VLAN ).

Логические топологии также включают в себя так называемые оверлейные сети , важность которых возросла, в частности, благодаря популярным одноранговым сетям (сокращенно P2P). Оверлейные сети обычно образуют логические сетевые структуры на основе подчиненных физических структур. Топология оверлейной сети может полностью отличаться от топологии основных физических сетей. Например, многие структурированные P2P-сети имеют древовидную или кольцевую топологию, хотя лежащие в основе физические структуры традиционно следуют звездообразной топологии.

веб ссылки

Commons : Topology (network)  - альбом с картинками, видео и аудио файлами

литература

  • Эндрю С. Таненбаум : Компьютерные сети. 5-е, обновленное издание, Pearson Studium, Мюнхен 2012 г., ISBN 978-3-86894-137-1
  • Бернхард Дж. Хаузер: Fachwissen Netzwerktechnik , 2-е издание, Europa- Lehrmittel -Verlag, Haan 2015, ISBN 978-3-8085-5402-9
  • Герхард Шнелл и Бернхард Видеманн: Автобусные системы в автоматизации и технологических процессах, Vieweg + Teubner Verlag, Висбаден 2008, ISBN 978-3-8348-0425-9 .

Индивидуальные доказательства

  1. ↑ Типы сетей, топологии и методы доступа , Дирк Х. Трэгер, Андреас Волк, глава « Практика использования локальных сетей в локальных сетях» , стр. 88, рисунок 3.2 (нажмите «заглянуть внутрь»)
  2. ↑ Топологии / сетевые структуры . Проверено 20 марта 2013 года.