Під топологією (компонуванням, конфігурацією, структурою) комп'ютерної мережі зазвичай розуміється фізичне розташування комп ’ ютерів мережі один щодо одного і спосіб з'єднання їх лініями зв'язку. Важливо зазначити, що поняття топології стосується, в першу чергу, до локальних мереж, у яких структуру зв'язків можна легко простежити. В глобальних мережах структура зв'язків зазвичай захована від користувачів не занадто важлива, тому що кожен сеанс зв'язку може виконуватися за своїм власним шляхом.
Топологія визначає вимоги до обладнання, тип використовуваного кабелю, можливі і найбільш зручні методи управління обміном, надійність роботи, можливості розширення мережі.
Існує три основні топологія мережі:
1. Мережева топологія шина (bus), при якій всі комп'ютери паралельно підключаються до однієї лінії зв'язку і інформація від кожного комп'ютера одночасно передається всім іншим комп'ютерам (мал. 1);
2. Мережева топологія зірка (star), при якій до одного центрального комп'ютера приєднуються інші периферійні комп'ютери, причому кожен з них використовує свою окрему лінію зв'язку (мал. 2);
3. Мережева топологія кільце(ring), при якій кожен комп'ютер передає інформацію завжди тільки одного комп'ютера, наступного ланцюжку, а отримує інформацію тільки від попереднього комп'ютера в ланцюжку, і цей ланцюжок замкнута в «кільце» (мал. 3).
Рис. 1. Мережева топологія «шина»
Рис. 2. Мережева топологія «зірка»
пРис. 3. Мережева топологія «кільце»
На практиці нерідко використовують і комбінації базової топології, але більшість мереж орієнтовані саме на цих три. Розглянемо тепер коротко особливості перерахованої мережевий топології.
Топологія «шина» (або, як її ще називають, «загальна шина») самою своєю структурою допускає ідентичність мережевого обладнання комп'ютерів, а також рівноправність всіх абонентів. При такому поєднанні комп'ютери можуть передавати тільки по черзі, тому що лінія зв'язку єдина. В іншому випадку передана інформація буде спотворюватися в результаті накладення (конфлікту, колізії). Таким чином, у шині реалізується режим напівдуплексного (half duplex) обміну (в обох напрямках, але по черзі, а не одночасно).
В топології «шина» відсутній центральний абонент, через якого передається вся інформація, яка збільшує її надійність (адже при відмові будь-якого центру перестає функціонувати вся керована цим центром система). Додавання нових абонентів у шину досить просте і зазвичай можливо навіть під час роботи мережі. В більшості випадків при використанні шини потрібно мінімальна кількість сполучного кабелю порівняно з іншого топологією. Правда, потрібно врахувати, що до кожного комп ’ ютера (крім двох крайніх) підходить два кабелі, що не завжди зручно.
Тому що вирішення можливих конфліктів у цьому випадку лягає на мережеве обладнання кожного окремого абонента, апаратура мережного адаптера при топології «шина» виходить складніше, ніж при інший топології. Однак через широке поширення мереж з топологією «шина» (Ethernet, Arcnet) вартість мережевого обладнання виходить не дуже високою.
Шині не страшні відмови окремих комп'ютерів, тому що всі інші комп ’ ютери мережі можуть нормально продовжувати обмін. Може здатися, що шині не страшний і обрив кабелю, оскільки в цьому випадку ми одержимо дві повністю працездатних шини. Однак через особливості розповсюдження електричних сигналів по довгих ліній зв'язку необхідно передбачати включення на кінцях шини спеціальних пристроїв - термінаторів, показаних на рис. 1 у вигляді прямокутників. Без включення термінаторів сигнал відбивається від кінця лінії і спотворюється так, що зв'язок по мережі стає неможливою. Так що при розриві або пошкодження кабелю порушується узгодження лінії зв'язку, і припиняється обмін навіть між тими комп'ютерами, які залишилися сполученими між собою. Коротке замикання в будь-якій точці кабелю шини виводить з ладу всю мережу. Будь-який відмова мережевого обладнання в шині дуже важко локалізувати, тому що всі адаптери включені паралельно, і зрозуміти, який з них вийшов з ладу, не так то просто.
При проходженні по лінії зв'язку мережі з топологією «шина» інформаційні сигнали послаблюються і ніяк не відновлюються, що накладає тверді обмеження на загальну довжину ліній зв'язку, крім того, кожен абонент може отримувати з мережі сигнали різного рівня в залежності від відстані до передавальному абоненту. Це висуває додаткові вимоги до прийомних вузлів мережевого обладнання. Для збільшення довжини мережі з топологією «шина» часто використовують кілька сегментів (кожен з яких являє собою шину), сполучених між собою за допомогою спеціальних обновителей сигналів - репітерів.
Однак таке нарощування довжини мережі не може тривати нескінченно, тому що існують ще й обмеження, пов'язані з кінцевою швидкістю поширення сигналів по лініях зв'язку.
Топологія «Зірка» - це топологія з явно виділеним центром, до якого підключаються всі інші абоненти. Весь обмін інформацією йде виключно через центральний комп'ютер, на який таким способом лягає дуже велике навантаження, тому нічим іншим, крім мережі, воно займатися не може. Зрозуміло, що мережеве обладнання центрального абонента має бути істотно більше складним, ніж обладнання периферійних абонентів. Про рівноправ'я абонентів у цьому випадку говорити не доводиться. Як правило, саме центральний комп'ютер є самим потужним, і саме на нього покладають всі функції по управлінню обміном. Ніякі конфлікти в мережі з топологією «зірка» в принципі неможливо, тому що управління повністю централізовано, конфліктувати нема чому.
Якщо говорити про стійкості зірки до відмов комп'ютерів, то вихід з ладу периферійного комп'ютера ніяк не відображається на функціонуванні частини мережі, яка залишилася, зате будь-який відмова центрального комп'ютера робить мережу повністю непрацездатною. Тому повинні прийматися спеціальні заходи щодо підвищення надійності центрального комп'ютера і його мережевий апаратури. Обрив будь-якого кабелю або коротке замикання в ньому при топології «зірка» порушує обмін тільки з одним комп'ютером, а всі інші комп'ютери можуть нормально продовжувати роботу.
На відміну від шини, у зірці на кожній лінії зв'язку знаходяться тільки два абонента: центральний і один з периферійних. Найчастіше для їх з'єднання використовується дві лінії зв'язку, кожна з яких передає інформацію тільки в одному напрямку. Таким чином, на кожній лінії зв'язку є тільки один приймач і передавач. Все це істотно спрощує мережеве встановлення в порівнянні з шиною і рятує від необхідності застосування додаткових зовнішніх термінаторів. Проблема загасання сигналу в лінії зв'язку також вирішується в «зорі» простіше, ніж в «шині», адже кожен приймач завжди отримує сигнал одного рівня. Серйозний недолік топології «зірка» складається жорсткого обмеження кількості абонентів. Зазвичай центральний абонент може обслуговувати не більше 8-16 периферійних абонентів. Якщо в цих межах підключення нових абонентів досить просто, то при їх перевищення воно просто неможливо. Правда, іноді в зірці передбачається можливість нарощування, тобто підключення замість одного з периферійних абонентів ще одного центрального абонента (у підсумку виходить топологія з декількох сполучених між собою зірок).
Зірка, показана на мал. 2, зветься активної, або цієї зірки. Існує також топологія, яка називається пасивної зіркою, що тільки зовні схожа на зірку (мал. 4). У цей час вона поширена набагато більше, ніж активна зірка. Досить сказати, що вона використовується в самої популярної на сьогоднішній день мережі Ethernet.
Рис. 4. Топологія «пасивна зірка»
У центрі мережі з даної топологією міститься не комп'ютер, а концентратор, або хаб (hub), що виконує ту ж функцію, що й репітер. Він відновлює сигнали, які надходять, і передає їх в інші лінії зв'язку. Хоча схема прокладки кабелів подібна до справжньої або активної зірці, фактично ми маємо справу з шинної топологією, тому що інформація від кожного комп'ютера одночасно передається до всіх інших комп'ютерів, а центрального абонента не існує. Природно, пасивна зірка виходить дорожче звичайної шини, тому що в цьому випадку обов'язково потрібно ще і концентратор. Однак вона надає цілий ряд додаткових можливостей, пов'язаних з перевагами зірки. Саме тому останнім часом пасивна зірка все більше витісняє справжню зірку, яка вважається малоперспективним топологією.
Можна виділити також проміжний тип топології між активної і пасивної зіркою. У цьому випадку концентратор не тільки ретранслює сигнали, але і робить управління обміном, проте сам в обміні не бере участь.
Велике перевагу зірки (як активної та пасивної) полягає в тому, що всі точки підключення зібрані в одному місці. Це дозволяє легко контролювати роботу мережі, локалізувати несправності мережі шляхом простого відключення від центру тих або інших абонентів (що неможливо, наприклад, у випадку шини), а також обмежувати доступ сторонніх осіб до життєво важливого для мережі точок підключення. До кожного периферійного абоненту в разі зірки може підходити як один кабель (по якому йде передача в обох напрямках), так і два кабелі (кожен з них передає в одному напрямку), причому друга ситуація зустрічається частіше. Загальним недоліком для всієї топології типу «зірка» значно більше, ніж при інший топології, витрата кабелю. Наприклад, якщо комп'ютери розташовані в одну лінію (як на рис. 1), то при виборі топології «зірка» знадобиться в кілька разів більше кабелю, ніж при топології «шина». Це може істотно вплинути на вартість всієї мережі в цілому.
Топологія «Кільце» - це топологія, в якій кожен комп'ютер з'єднаний лініями зв'язку тільки з двома іншими: від одного він тільки отримує інформацію, а іншому тільки передає. На кожній лінії зв'язку, як і у випадку зірки, працює тільки один передавач і приймач. Це дозволяє відмовитися від застосування зовнішніх термінаторів. Важлива особливість кільця полягає в тому, що кожен комп'ютер ретранслює (відновлює) сигнал, тобто виступає в ролі репітера, тому загасання сигналу в усьому кільці не має ніякого значення, важливо тільки загасання між сусідніми комп'ютерами кільця. Чітко виділеного центру в цьому випадку немає, всі комп'ютери можуть бути однаковими. Однак досить часто в кільці виділяється спеціальний абонент, який управляє обміном або контролює обмін. Зрозуміло, що наявність такого керуючого абонента знижує надійність мережі, тому що вихід його з ладу одразу ж паралізує весь обмін.
Строго кажучи, комп'ютери в кільці не є повністю рівноправними (на відміну, наприклад, від шинної топології). Одні з них обов'язково отримують інформацію від комп'ютера, який веде передачу в цей момент, раніше, а інші - пізніше. Саме на цій особливості топології і будуються методи управління обміном по мережі, спеціально розраховані на «кільце». У цих методах право на наступну передачу (або, як ще кажуть, на захоплення мережі) переходить послідовно до наступного по колу комп'ютера.
Підключення нових абонентів у «кільце» звичайно зовсім безболісно, хоча і вимагає обов'язкової зупинки роботи всієї мережі на час підключення. Як і у випадку топології «шина», максимальна кількість абонентів у кільці може бути досить велика (до тисячі і більше). Кільцева топологія зазвичай є найбільш стійкою до перевантажень, вона забезпечує впевнену роботу з самими великими потоками переданої в мережі інформації, тому що в ній, як правило, немає конфліктів (на відміну від шини), а також відсутній центральний абонент (на відміну від зірки).
Тому що сигнал у кільці проходить через всі комп'ютери мережі, вихід з ладу хоча б одного з них (або його мережевого встановление) порушує роботу всієї мережі в цілому. Точно так само будь-який обрив або коротке замикання в кожному з кабелів кільця робить роботу всієї мережі неможливою. Кільце найбільш вразлива до пошкодження кабелю, тому в цій топології зазвичай передбачають прокладку двох (або більше) паралельних ліній зв'язку, одна з яких перебуває у резерві.
водночас велика перевага кільця полягає в тому, що ретрансляція сигналів кожним абонентом дозволяє суттєво збільшити розміри всієї мережі в цілому (іноді до декількох десятків кілометрів). Кільце щодо цього істотно перевершує будь-яку іншу топологію.
Недоліком кільця (у порівнянні із зіркою) можна вважати те, що до кожного комп ’ ютера мережі необхідно підвести два кабелі.
Іноді топологія «кільце» виконується на основі двох кільцевих ліній зв'язку, які передають інформацію в протилежних напрямках. Мета подібного рішення - збільшення (в ідеалі вдвічі) швидкості передачі інформації. До того ж при пошкодженні одного з кабелів мережа може працювати з іншим кабелем (правда, гранична швидкість зменшиться).
Крім трьох розглянутої основний, базової топології нерідко застосовується також мережева топологія «дерево» (tree), яку можна розглядати як комбінацію декількох зірок. Як і у випадку зірки, дерево може бути активним, або справжнім (мал. 5), і пасивним (мал. 6). При активному дереві в центрах об'єднання декількох ліній зв'язку знаходяться центральні комп'ютери, а при пасивному - концентратори (хаби).
Рис. 5. Топологія «активне дерево»
Рис. 6. Топологія «пасивне дерево». До - концентратори
Застосовується досить часто і комбінована топологія, наприклад зоряно шинна, зоряно кільцева.
Багатозначність поняття топології.
Топологія мережі визначає не тільки фізичне розташування комп ’ ютерів, але, що набагато важливіше, характер зв'язків між ними, особливості розповсюдження сигналів по мережі. Саме характер зв'язків визначає ступінь відмовостійкості мережі, необхідну складність мережевий апаратури, найбільш відповідний метод управління обміном, можливі типи середовищ передачі (каналів зв'язку), допустимий розмір мережі (довжина ліній зв'язку і кількість абонентів), необхідність електричного узгодження, і багато чого іншого.
Коли в літературі згадується про топології мережі, то можуть мати на увазі чотири зовсім різні поняття, які відносяться до різних рівнів мережної архітектури:
1. Фізична топологія (тобто схема розташування комп'ютерів і прокладки кабелів). У цьому змісті, наприклад, пасивна зірка нічим не відрізняється від активної зірки, тому її часто називають просто «зіркою».
2. Логічна топологія (тобто структура зв'язків, характер поширення сигналів по мережі). Це, напевно, найбільш правильне визначення топології.
3. Топологія управління обміном (тобто принцип і послідовність передачі права на захоплення мережі між окремими комп'ютерами).
4. Інформаційна топологія (тобто напрямок потоків інформації, переданої в мережі).
Наприклад, мережа з фізичної і логічної топологією «шина» може як метод управління використовувати естафетну передачу права захоплення мережі (тобто бути в цьому змісті кільцем) і одночасно передавати всю інформацію через один виділений комп'ютер (у цьому змісті зіркою).
