Στην παρούσα υποενότητα θα παρουσιαστούν τοπολογίες τοπικών δικτύων στις οποίες το μέσο δικτύωσης είναι καλώδιο (είτε χάλκινο καλώδιο είτε οπτική ίνα). Η παρουσίαση αφορά σε κάθε περίπτωση φυσική τοπολογία.

3.2.1.1 Τοπολογία Διαύλου ή Αρτηρίας (bus)

Στην τοπολογία διαύλου όλοι οι υπολογιστές είναι συνδεδεμένοι πάνω σε ένα κοινό καλωδιακό μέσο στο οποίο έχουν πρόσβαση και μπορούν να το χρησιμοποιούν όλοι[1] οι σταθμοί. (Αποτελεί την πιο απλή μορφή τοπολογίας). Στην εικόνα 3.2.1 απεικονίζεται σχηματικά ένα τοπικό δίκτυο τοπολογίας διαύλου.

Εικόνα 3.2.1. Σχηματική αναπαράσταση τοπολογίας Διαύλου

Για την υλοποίηση της φυσικής τοπολογίας διαύλου χρησιμοποιείται ένα καλώδιο στο οποίο έχουν πρόσβαση όλοι οι συνδεδεμένοι υπολογιστές. Στην αρχική του μορφή, οι υπολογιστές συνδέονταν σε σειρά όπου κάθε υπολογιστής συνδέονταν με τον επόμενο με τη χρήση ενός ομοαξονικού[2] καλωδίου (coaxial cable) 50 Ohm. Στην κάρτα διασύνδεσης δικτύου του υπολογιστή (network interface connector - n.i.c.) ή απλά κάρτα δικτύου του υπολογιστή, προσαρμόζεται ένας συνδετήρας Τ (T – connector), ενώ στις άκρες κάθε καλωδίου που συνδέει δύο υπολογιστές μεταξύ τους, τοποθετείται μια τερματική αντίσταση (BNC terminator). Στον Τ συνδετήρα συνδέεται το καλώδιο που έρχεται από τον προηγούμενο στη σειρά υπολογιστή και το καλώδιο που αναχωρεί για τον επόμενο στη σειρά υπολογιστή.

 

Εικόνα 3.2.2  Σύνδεση υπολογιστών σε τοπολογία διαύλου με χρήση ομοαξονικού καλωδίου

Στο κάθε άκρο του διαύλου, δηλαδή στον Τ συνδετήρα του πρώτου και τελευταίου στη σειρά υπολογιστή τοποθετείται η τερματική αντίσταση (terminator), με την οποία επιτυγχάνεται η απόσβεση των σημάτων που μεταδίδονται από τους σταθμούς απομακρύνοντάς τα από το δίκτυο.

 

Εικόνα 3.2.3 (α) Συνδετήρας BNC (β) Συνδετήρας Τ (Τ – connector)

Τα δίκτυα διαύλου αποτελούν κατάλληλη επιλογή όταν :

  • Είναι μικρός ο αριθμός των συνδεδεμένων κόμβων.
  • Υπάρχει «μικρή» σχετικά κυκλοφορία δεδομένων.

Η φυσική τοπολογία διαύλου με χρήση ενός καλωδίου δεν χρησιμοποιείται πλέον λόγω των σοβαρών μειονεκτημάτων που έχει, όπως το ότι σε περίπτωση που το καλώδιο κοπεί όλο το δίκτυο βγαίνει εκτός λειτουργίας (καθολικότητα διακοπής).

3.2.1.2 Τοπολογία Δακτυλίου (ring)

Σε αυτή την τοπολογία, το δίκτυο αποτελείται από ένα σύνολο διαδοχικών κόμβων με συνδέσεις σημείου προς σημείο με αποτέλεσμα να δημιουργείται ένα κλειστό κύκλωμα -βρόχος. Για την υλοποίηση της τοπολογίας δακτυλίου πρέπει ο υπολογιστής να είναι εφοδιασμένος με ένα είδος “αναμεταδότη” μέσω του οποίου συνδέεται στον δακτύλιο. Όταν ο αναμεταδότης λάβει ένα πακέτο μέσω του καλωδιακού μέσου διαβάζει τη διεύθυνση του Η/Υ παραλήπτη που υπάρχει μέσα στο πακέτο και εάν τον αφορά, το κρατάει και το «ανεβάζει» στα ανώτερα επίπεδα του πρωτοκόλλου. Σε κάθε περίπτωση, είτε το πακέτο αφορά τον συγκεκριμένο υπολογιστή, είτε όχι, ο αναμεταδότης προωθεί το πακέτο στον επόμενο στη «σειρά» υπολογιστή. Η πληροφορία διαδίδεται πάντα κατά την ίδια κατεύθυνση πάνω στο δακτύλιο, ενώ λόγω της δυνατότητας όλων των κόμβων να έχουν πρόσβαση στο μέσο μετάδοσης από άλλους κόμβους, απαιτείται έλεγχος πρόσβασης στο μέσο (Medium Access Control, - MAC), ο οποίος μπορεί να είναι είτε κεντρικός είτε κατανεμημένος.

 

Εικόνα 3.2.4  Σχηματική αναπαράσταση τοπολογίας Δακτυλίου.

Η τοπολογία δακτυλίου χρησιμοποιείται συνήθως όταν:

  • Η χωρητικότητα του καναλιού πρέπει να κατανεμηθεί ισόποσα σε όλους τους κόμβους του δικτύου.
  • Απαιτείται υψηλός ρυθμός μετάδοσης και οι περισσότεροι κόμβοι βρίσκονται σε μικρή απόσταση μεταξύ τους.
  • Απαιτείται η μέση καθυστέρηση μετάδοσης να διατηρηθεί εντός αποδεκτών ορίων.
  • Μεγάλο πλήθος υπολογιστών πρέπει να συνδεθούν στο δίκτυο.

Κάποια χαρακτηριστικά των δικτύων δακτυλίου είναι:

  • Υπάρχει σημαντική καθυστέρηση στον χρόνο μετάδοσης ακόμη και όταν υπάρχει χαμηλός ρυθμός μετάδοσης πλαισίων.
  • Η εμφανιζόμενη καθυστέρηση μετάδοσης δεν είναι ανάλογη του ρυθμού των διακινούμενων πλαισίων αλλά ανάλογη του αριθμού των συνδεδεμένων υπολογιστών.
  • Η προσθήκη νέων κόμβων έχει μικρή η επιβάρυνση στην καθυστέρηση μετάδοσης.

Παραδείγματα τέτοιων τοπολογιών είναι το token ring και το F.D.D.I. Το F.D.D.I. αποτελεί επέκταση της τοπολογίας του δακτυλίου και υλοποιείται από διπλό δακτύλιο, με αντίθετες κατευθύνσεις μετάδοσης σε κάθε δακτύλιο.

Εικόνα 3.2.5 Σχηματική αναπαράσταση τοπολογίας token ring

3.2.1.3. Τοπολογία Αστέρα (star)

Η τοπολογία αστέρα είναι μια από τις πιο κοινές τοπολογίες στα δίκτυα υπολογιστών. Στην απλούστερη μορφή του, ένα δίκτυο αστέρα αποτελείται από μια κεντρική συσκευή που μπορεί να είναι μεταγωγέας (switch) ή διανομέας (hub) ή ακόμα και κάποιος υπολογιστής. Η κεντρική συσκευή λειτουργεί ως αναμεταδότης των μηνυμάτων και αποτελεί τον κεντρικό κόμβο, με τον οποίο είναι συνδεδεμένοι όλοι οι άλλοι κόμβοι του δικτύου. Η τοπολογία αστέρα μειώνει τις επιπτώσεις από προβλήματα στο καλωδιακό μέσο (πχ κομμένο καλώδιο), αφού μόνο ο σταθμός του οποίου το μέσο διασύνδεσης έχει πρόβλημα, παύει να επικοινωνεί χωρίς να επηρεάζεται το υπόλοιπο δίκτυο. Το βασικό μειονέκτημα της τοπολογίας αστέρα είναι ότι σε περίπτωση βλάβης του κεντρικού κόμβου, όλο το δίκτυο σταματά να λειτουργεί.

 

Εικόνα 3.2.6  Σχηματική αναπαράσταση τοπολογίας Αστέρα

 

3.2.1.4 Τοπολογία Δένδρου (tree)

Η τοπολογία δένδρου αποτελεί συνδυασμό της τοπολογίας διαύλου και αστέρα. Το όνομά της προέρχεται από την μορφή ανεστραμμένου δένδρου που έχει η σχηματική της αναπαράσταση. Στην τοπολογία δέντρου υπάρχει ένας κεντρικός κόμβος που ονομάζεται κεφαλή ή ρίζα στον οποίο συνδέονται κόμβοι του δικτύου και οι οποίοι με την σειρά τους συνδέονται με άλλους κόμβους κ.ο.κ. Οι κόμβοι συνδέονται μεταξύ τους με καλώδιο το οποίο διακλαδίζεται και δεν έχει κλειστούς βρόχους (Εικόνα 3.2.7). Η μετάδοση των μηνυμάτων περνά από την κεφαλή η οποία λειτουργεί σαν αναμεταδότης. Έτσι όταν ένας κόμβος στέλνει ένα μήνυμα αυτό λαμβάνεται από την κεφαλή και αναμεταδίδεται στους άμεσα συνδεδεμένους κόμβους και οι οποίοι με τη σειρά τους το αναμεταδίδουν στους κόμβους στο αμέσως χαμηλότερο επίπεδο, με αποτέλεσμα το μήνυμα να μεταδίδεται σε όλο το δίκτυο.

Η τοπολογία δένδρου έχει όλα τα χαρακτηριστικά της τοπολογίας διαύλου, ενώ το κυρίως αδύνατο σημείο της είναι η σημασία της «ρίζας» η οποία αν παρουσιάσει βλάβη έχει σαν αποτέλεσμα να σταματά η λειτουργία όλου του δικτύου.

 

Εικόνα 3.2.7 Σχηματική αναπαράσταση τοπολογίας Δένδρου

 

3.2.1.5 Τοπολογία Πλέγματος (mesh)

Η τοπολογία πλέγματος είναι η κύρια τοπολογία που χρησιμοποιείται στα δίκτυα ευρείας περιοχής, αλλά και σε τοπικά δίκτυα όπου η αξιοπιστία και η υψηλή απόδοση είναι κρίσιμος παράγοντας. Στη τοπολογία πλέγματος ο κάθε κόμβος είναι και τελική συσκευή και συσκευή προώθησης. Τα δίκτυα πλέγματος είναι από δομή τους «αυτοθεραπευόμενα[3]» και «πλεονάζοντα[4]» έχουν δηλαδή εκείνα τα χαρακτηριστικά που απαιτούν τα δίκτυα αυτοματισμού σε βιομηχανικά περιβάλλοντα. Στα δίκτυα πλέγματος, κάθε υπολογιστής του δικτύου συνδέεται με όλους του άλλους, δημιουργώντας μια σύνδεση σημείου προς σημείο μεταξύ κάθε συσκευής στο δίκτυο (Εικόνα 3.2.8). Σκοπός αυτής της τοπολογίας να παρέχεται ένα υψηλό επίπεδο πλεονασμού, ώστε εάν ένα καλώδιο δικτύου αποτύχει, τα δεδομένα έχουν πάντοτε μια εναλλακτική διαδρομή για να φτάσουν στον προορισμό τους.

Τα πλεονεκτήματα της τοπολογίας πλέγματος είναι:

  • Η ύπαρξη πολλαπλών συνδέσεων εξασφαλίζει ότι αν μία διαδρομή είναι αποκλεισμένη, άλλες διαδρομές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επικοινωνία δεδομένων.
  • Κάθε σύνδεση μπορεί να έχει το δικό της «φόρτο[5]» δεδομένων, έτσι ώστε το κυκλοφοριακό πρόβλημα σχεδόν εξαλείφεται.
  • Εξασφαλίζει την εμπιστευτικότητα και την ασφάλεια των δεδομένων, διότι κάθε μήνυμα ταξιδεύει κατά μήκος μιας «αφοσιωμένης» (dedicated) σύνδεσης.
  • Η αντιμετώπιση προβλημάτων σε αυτή την τοπολογία είναι ευκολότερη σε σύγκριση με άλλες.
  • Η απόδοσή του δικτύου δεν επηρεάζεται με την αύξηση του φόρτου των μεταδιδόμενων δεδομένων.
  • Η διάταξη των κόμβων του δικτύου είναι τέτοια ώστε να είναι δυνατή η μετάδοση δεδομένων από έναν κόμβο σε πολλούς άλλους κόμβους ταυτόχρονα.

Στο επόμενο σχήμα (Εικόνα 3.2.8) δίδεται μια σχηματική αναπαράσταση αυτής της τοπολογίας.


Εικόνα 3.2.8 Σχηματική αναπαράσταση τοπολογίας Πλέγματος

Υλοποιήστε τη δραστηριότητα 3.2.1

[1] Στη βιβλιογραφία η τοπολογία αυτή αναφέρεται και ως γραμμικός δίαυλος (linear bus), επειδή η φυσική σύνδεση των υπολογιστών είναι σε "ευθεία" γραμμή

[2] Παρόμοιο με αυτό που χρησιμοποιείται στον τηλεοπτικό δέκτη για την σύνδεσή του με την κεραία οροφής.

[3] Επειδή κάθε φορά οι πίνακες δρομολόγησης δημιουργούνται δυναμικά επιλύονται πολλά προβλήματα κατά τη δρομολόγηση για αυτό και ονομάστηκαν αυτοθεραπευόμενα.

[4] Με τον όρο πλεονάζοντα εννοούμε ότι κατά τη λειτουργία τους, δημιουργούνται αυτόματα πλεονάζοντα αντίγραφα των προς διακίνηση δεδομένων.

[5]  Ο όρος φόρτος χρησιμοποιείται εναλλακτικά του όρου Διαμεταγωγή  ή Ρυθμαπόδοση (Network throughput) και αφορά ουσιαστικά το ρυθμό με τον οποίον ένας υπολογιστής, ένα δίκτυο υπολογιστών ή ένα υποσύστημα ενός υπολογιστή αποστέλλει ή λαμβάνει δεδομένα.