Топологія телекомунікаційної мережі

Топологія мережі – це її геометрична форма або фізичне розташування вузлів та ліній зв’язку по відношенню один до одного.

Вибір топології електричних зв'язків істотно впливає на більшість характеристик мережі. Наприклад, наявність резервних зв'язків підвищує надійність мережі і дає можливість балансувати завантаження окремих каналів. Простота під'єднання нових вузлів, властива деяким топологіям, робить мережу такою, що легко розширюється.

Залежно від способу поєднання фізичних компонентів у мережі можуть застосовувати такі топології:

- Повнозв'язана мережа (рис. 1 а) - з'єднання вузлів за принципом "кож­ний з кожним".

- Деревоподібна мережа (рис. 1 б) - структура, в якій між кожною парою вузлів існує тільки один шлях. Окремими різновидами деревоподібної мережі є вузлова мережа (рис. 1 в) з ієрархічною побудовою і супідрядністю вузлів, зіркоподібна (рис. 1 г) з одним вузлом (лінійна (рис. 1 д).

- Сітка (рис. 1 е-і) - сіткоподібна структура, в якій кожен вузол є суміж­ним тільки з невеликою кількістю інших вузлів, звичайно найближчих або таких, що мають велике тяжіння.

- Планарну (плоску) сітку можна зобразити на площині без перетинання ребер (на рис. 1 е ребра 3-5 і 6-4 перетина­ються, але можуть бути зображені й без перетину).

- Непланарну сітку не можна зобразити без перетинання ребер (рис. 1 і).

- Окремим різновидом сітки є петльова (шлейфна, кільцева) мережа (рис.1 ї), кількість ребер якої дорівнює N.

Рисунок 1 – Види топологій телекомунікаційних мереж

Реальна мережа, як правило, містить ділянки з різними топологіями.

Вибір топології мережі визначається насамперед економічними міркуваннями і вимогами до її надійності і життєздатності.

За топологією телекомунікаційні мережі поділяють на такі основні класи:

- зірка (зіркоподібна), коли всі вузли мережі підключаються до одного центрального вузла, що називається хостом (host) або хабом (hub);

- кільцева, коли всі вузли мережі підключаються до одного замкнутого кільцевого каналу;

- шинна, коли всі вузли мережі підключаються до одного незамкнутого каналу, який зазвичай називається шиною;

- ієрархічна топологія — топологія типу «дерево».

Топологія типу «зірка».

Пропускна здатність мережі зв’язку з такою топологією визначається продуктивністю центрального вузла (рис. 2), який може бути «вузьким місцем» такої мережі. У разі виходу з ладу центрального вузла порушується робота всієї мережі. Колізій (зіткнень) даних при цьому не виникає. Кабельне з’єднання досить просте, оскільки кожна робоча станція пов’язана з вузлом. Витрати на прокладку кабелів високі, особливо коли центральний вузол географічно розташований не в центрі топології.

При розширенні мереж зв’язку не можуть бути використані раніше використовувані кабельні зв’язки: до нового робочого місця необхідно прокладати окремий кабель із центру мережі.

Топологія у вигляді зірки має найбільшу швидкодію зі всіх топологій мереж зв’язку, оскільки передача даних між робочими станціями проходить через центральний вузол (при його високій продуктивності) за окремими лініями, які використовуються тільки цими робочими станціями.

Рис. 2 – Телекомунікаційна мережа з топологією «зірка»

Топологія типу «кільце»

У разі кільцевої топології мережі робочі станції зв’язані одна з одною по колу, тобто робоча станція 1 з робочою станцією 2, робоча станція 3 з робочою станцією 4 тощо. Остання робоча станція пов’язана з першою. Комунікаційний зв’язок замикається в кільце (рис. 3).

Рис. 3 – Телекомунікаційна мережа з топологією «кільце»

Прокладка кабелів від однієї робочої станції до іншої може бути досить складною й коштовною, особливо якщо географічно робочі станції розташовані далеко від кільця (наприклад, у лінію). Повідомлення циркулюють регулярно колом. Робоча станція розсилає за певною кінцевою адресою інформацію, заздалегідь отримуючи з кільця запит. Пересилання повідомлень є дуже ефективним, оскільки більшість повідомлень можна надсилати кабельною системою одне за іншим. Дуже просто можна зробити кільцевий запит на всі станції. Тривалість передачі інформації збільшується пропорційно кількості робочих станцій, що входять до мережі зв’язку.

Основна проблема організації кільцевої топології полягає в тому, що кожна робоча станція повинна брати активну участь у пересиланні інформації, й у разі виходу з ладу хоча б однієї з них вся мережа паралізується. Окрім того, ймовірні несправності в кабельних з’єднаннях локалізуються легко. Підключення нової робочої станції вимагає короткого термінового вимкнення мережі, оскільки під час установки кільце має бути розімкнутим. Обмеження на довжину мережі не існує, тому що воно, зрештою, визначається винятково відстанню між двома робочими станціями.

Спеціальною формою кільцевої топології є логічна кільцева мережа. Фізично вона монтується як з’єднання зіркоподібних топологій. Окремі зірки включаються за допомогою спеціальних комутаторів (від англ. hub — концентратор). Залежно від кількості робочих станцій і довжини кабелю між робочими станціями застосовують активні або пасивні концентратори. Активні концентратори додатково містять підсилювач для підключення від 4 до 16 робочих станцій. Пасивний концентратор є винятково пристроєм-розгалужувачем (максимум на три робочі станції). Управління окремою робочою станцією в логічній кільцевій мережі відбувається так само, як й у звичайній кільцевій мережі. Кожній робочій станції присвоюється відповідна адреса, за якою передається управління (від старшого до молодшого й від наймолодшого до найстаршого). Розрив з’єднання відбувається тільки для нижчого (найближчого) вузла мережі, так що робота всієї мережі може порушуватися лише зрідка.

Топологія типу «шина»

За умов шинної топології (рис. 4) середовище передачі інформації представляється у формі комунікаційного шляху, доступного для всіх робочих станцій, до якого вони всі повинні бути підключені. Усі робочі станції можуть безпосередньо вступати в контакт із будь-якою робочою станцією, наявною в мережі.

Рис. 4 – Телекомунікаційна мережа з топологією «шина»

Робочі станції в будь-який час, без переривання роботи всієї мережі, можуть бути підключені до неї або відключені. Функціонування мережі зв’язку не залежить від стану окремої робочої станції. У стандартній ситуації для шинної мережі Ethernet часто використовують тонкий кабель або Cheapernet-кaбeль із трійниковим з’єднувачем. Вимикання й особливо підключення до такої мережі вимагають розриву шини, що викликає порушення циркулюючого потоку інформації й зависання системи. Нові технології пропонують пасивні штепсельні коробки, через які можна вимикати й (або) вмикати робочі станції під час роботи мережі.

У мережах зв’язку із прямою (без модуляції) передачею інформації завжди може існувати тільки одна станція, що передає інформацію. Для запобігання колізій у більшості випадків застосовується часовий метод поділу, відповідно до якого для кожної підключеної робочої станції в певні моменти часу надається виключне право на використання каналу передачі. Тому вимоги до пропускної здатності мережі при підвищеному навантаженні знижуються, наприклад, при введенні нових робочих станцій. Робочі станції приєднуються до шини за допомогою пристроїв — точок підключення терміналу ТАР (Termіnal Access Poіnt), який являє собою спеціальний тип приєднання до коаксіального кабелю.

У мережах із використанням широкосмугової передачі інформації різні робочі станції одержують, за необхідності, частоту, на якій ці робочі станції можуть відправляти й одержувати інформацію. Дані, що пересилають, модулюються на відповідних несучих частотах, тобто між середовищем передачі інформації й робочими станціями знаходяться відповідно модеми для модуляції й демодуляції. Техніка широкосмугових повідомлень дозволяє одночасно транспортувати в комунікаційному середовищі досить великий обсяг інформації. Для подальшого розвитку дискретного транспортування даних не важливо, яка первісна інформація подана в модем (аналогова або цифрова), оскільки її все одно надалі буде перетворено.

Порівняльну характеристику різних топологій мереж зв’язку наведено в табл. 1.

Таблиця 1 -Порівняльна характеристика різних мережних топологій