Topologia unei retele LAN (Local Area Network)

Topologia unei retele LAN (Local Area Network)

Retelele locale de calculatoare pot fi descrise atat sub aspect fizic, cat si sub aspect logic.

Prin topologia fizica a unui LAN se intelege aranjamentul geometric al componentelor care alcatuiesc o retea locala. Acest aspect nu trebuie confundat cu o harta a retelei , fiind mai degraba o constructie teoretico-grafica care caracterizeaza forma si structura LAN.

O descriere logica a topologiei se refera la conexiunile posibile dintre perechile terminale ale retelei care pot comunica.

Topologiile uzuale de LAN-uri

Se pot defini 3 tipuri de baza de structuri topologice de retele: bus, inel si stea. Fiecare tip de topologie este dictat de modul de organizare al LAN-ului. Spre exemplu retelele Ethernet au utilizat topologia de tip stea. Introducerea unor comutatoare de tip frame-level switching schimba tipul de arhitectura topologica motiv pentru care acest tip de arhitectura poate deveni al 4-lea tip de structura topologica.

Topologia de tip Bus

O topologie de tip bus este prezentata in Figura 1. Aceasta structura are o fvorma liniara, fiecare nod al retelei fiind interconectat cu altul, printr-un singur cablu. Terminalele de la fiecre calculator vor area conectat si o sarcina rezistiva , numita resistor terminal sau terminator. Acest cablu poate suporta un singur canal , cablu purtand numele de bus.

FIGURA 1. Topologie tipica de tip bus.

Aceasta topologie utilizeaza un singur cablu, fara a mai necesita alte dispozitive electronice care sa asigure interconectarea nodurilor retelei. Toate dispozitivele conectate la cablu pot accepta poachetele de date disponibile prin respectivul bus si pot oferi date pe respectiva legatura. Absenta dispozitivelor electronice, cum ar fi repetoare-le, fac ca pretul acestei retele sa fie cel mai scazut si totodata cea mai simpla topologie de retea. Dezavantajul acestei retele este datorat faptului ca tocmai absenta unor amplificatoare de semnal de tip repetoare, impune restrictii severe in legatura cu distanta de transmisie, functionalitate si ramificare.

Aceasta topologice nu prezinta importanta practica decat pentru retelele locale de tip Home LAN sau Office LAN.

O exceptie este IEEE 802.4 Token Bus LAN . Aceasta tehnologie este robusta si determinista avand multe similitudini cu retelele de tip inel Token Ring LAN. Din pacate din cauza rafinamentului tehnologic necesar retelelor de tip Token Bus aplicabilitatea acesteia a fost redusa, impunerea in cadrul structurilor uzuale fiind relativ limitata.

Topologia de tip inel - Ring Topology

Aceasta tolologie este una de tip pereche-pereche. Fiecare server de retea are doua conexiuni: una cu fiecare dintre vecinii apropiati (Figure 2). Forma interconexiunilor este astfel de tip bucla sau inel. Datele sunt transmise unidirectional in jurul acestui inel. Fiecare statie de lucru actioneaza ca un repetor, acceptand si raspunzand pachetului de date adresat, trimitand mai departe pachetul de date urmatoarei statii de lucru

FIGURA 2. Topologie de tip inel.

Reteaua originala LAN de tip inel asigura conexiunea intre statiile de lucru. Aceasta retea trebuia sa se inchida pentru a realiza forma unui inel. Avantajele acestui tip de conexiune este ca timpul de raspuns este predictibil. Dezavantajul este datorat faptului ca daca in retea sunt implicate mai multe dispozitive, timpul de raspuns creste foarte mult, in plus, daca o statie de lucru se defecteaza, atunci intreaga comunicatie este compromisa.

Acest tip de topologie a fost realizat de IBM, fiind definit Token Ring, fiind standardizat mai apoi sub numele de IEEE 802.5 . Token Ring pleaca de la o cenexiune de tip pereche, transformand-o in conexiune de tip Hub-repetor. Aceasta structura elimina vulnerabilitatea datorata defectarii unei statii de lucru din interiorul inelului. Retelele Token Ring, in ciuda numelui, au structuri topologice de tip stea, iar o metoda de acces de tip circular (Figura 3).

FIGURA 3. Topologie de tip inel-stea.

O retea LAN se poate fi realizata in topologie stea, chiar daca foloseste ca metoda de acces, metoda circulara. Retelele de tip Token Ring prezentata in figura anterioara, prezinta prin liniile continue conexiunile fizice, in timp ce liniile punctate reprezinta fluxul logic de date.

Functional, accesul si datele trec in mod circular intre elementele retelei.

Topologia de tip Stea

Topologie Stea - Star topology este o conexiune din care disozitivele din cadrul retelei radiaza catre exterior dintr-un punct comun care este hub-ul (Figura 4.) Spre deosebire de topologia de tip inel, fizica sau virtuala, fiecare dispozitiv al retelei poate accesa altul in mod independent. Acestea trebuie sa imparta o anumita latime de banda. Un exemplu clasic de retea stea este reteaua Ethernet.

Retelele topologice LAN de tip stea impun conexiuni intr-un singur punct. Fiecare statie de lucru poate initia comunicatia cu alt dispozitiv independent.

Topologiile de tip stea au devenit topologii dominante in cadrul retelelor LAN contemporane. Acestea sunt flexibile, relativ cu un pret scazut fata de alte retele ce dispun de metode de acces mult mai sofisticate. Ca un singur dezavantaj este faptul ca nu permite integrarea unor topologii de tip bus sau inel, topologii existente in cadrul sistemelor simple sau mai vechi. Acest lucru este insa  rezolvat de topologiile bazate pe switch - comutatoare.

Topologia de tip Switche - comutata

Un switch este un dispozitiv care realizeaza un strat de legaturi de date(OSI Reference Model Layer 2). Un switch 'invata' MAC adrese si le memoreaza intr-o tabela interna de adresare. Temporar, caile de comutare sunt create intre adresantul initial si receptor, pentru ca acestea sa fie apoi transmise mai departe prin alte cai memorate in tabela de adresare.

Media Access Control - MAC.

Acest strat soft este cel mai apropiat de structura fizica, specificandu-I acesteia cum se transmit datele, cum traverseaza acestea mediul fizic indiferent de structura mediului - cablu coaxial, fibra optica sau cablu bifilar.

Adresele MAC sunt adresele implementate fizic in cadrul placilor de retea utilizate. Fiecare adresa MAC este unica, deoarece IEEE furnizeaza vanzatorilor adrese pentru identificarea unica a placii de retea fabricata sau vanduta. Sunt disponibile, prin tehnologia actuala aproape 3 miliarde de adrese. In acest mod, teoretic, duplicarea unei adrese este imposibila.

O retea tipica de tip topologie switched implica conexiuni multiple printr-un hub de comutare. ( Figura 5.) Fiecare port, si dispozitivul conectat la acesta, are o latime de banda de transmisie/receptie date dedicata. De altfel, initial acest tip de topologie trimitea mai departe structuri de date - frame-urile- bazate pe adresele MAC.

Datorita schimbarilor tehnologice dispozitivele switch s-au schimbat, acetea putand comuta celule ( de dimensiuni lungime-fixa , date de tip Layer 2 data-bearing structure). protocoale de tip Layer 3 , adrese IP , sau chiar porturi fizice din cadrul hub-ului de tip switch.

FIGURA 5. Topologie Switched.

Switch-urile pot imbunatati performantele unei retele LAN in doua moduri importante:

imbunatatesc latimea benzilor de date implicate in cadrul comunicatiilor : spre exemplu un hub de tip switch Ethernet cu 8 porturi  contine 8 domenii separate de coliziune de 10Mbps fiecare, ceea ce conduce la o latime de banda de 80Mbps.

reduce numarul de dispozitive fortate sa imparta fiecare segment de banda. Fiecare domeniu de banda este impartit numai de doua dispozitive din cadrul retele: dispozitivul din retea adresat si portul din cadrul hub-ului la care dispozitivul este conectat. Numai aceste doua dispozitive lucreaza in cadrul benzii de 10Mbps repartizate. In cadrul retelelor care nu utilizeaza o conexiune bazata pe metoda de acces mediu, cum ar fi Token Ring sau FDDI, datele circula intre un numar mult mai redus de retele.

Un dezavantaj al acestei topologii este datorat faptului ca nu izoleaza transmisia de date. Aceasta poate fi blocata datorita coloziunilor de date , ceea ce implica un randament scazut, in cazul unui trafic excesiv de mare.

Ce topologie este indicata a fi utilizata?

Aceste 4 tipuri topologice de baza constituie caramizile retelelor de calculatoare. Ele pot fi combinate, extinse sau implementate sub forma unei retele de cai. Topologia potrivita unei aploicatii individuale este cea care se potriveste cel mai bine restrictiilor materiale impuse sau de amenajare. Mai mult sau mai putin convenabil, topologia ideala este o combinatie intre aceste topologii de baza.

Topologii complexe

Topologiile complexe sunt extensii sau/si combinatii ale topolobiilor fizice de baza. Acestea din urma sunt adecvate retelelor LAN mici. Acest lucru implica dezvoltarea unor arhitecturi complexe care sa permita dezvoltari ulterioare ale retelelor.

Topologii de tipul Daisy Chains

Cea mai simpla topologie complexa este formata din interconectarea seriala a tuturor hub-urilor din retea .Acest lant poarta numele de daisy chaining. Aceasta structura utilizeaza porturile existente ale hub-urilor pentru a realiza interconectarea. Astfel costurile de conectare nu sunt marite, datorita existentei implicite a structurilor fizice.

Topologiile Daisy chains sunt simplu de construit si nu necesita eforturi deosebite din partea administratorului de retea, fiind totodata , din punct de vedere istoric, solutia primelor generatii de retele LAN.

Limitarile acestei topologii sunt datorat numarului maxim de hub-uri sau/si repeter-e care pot forma o secventa. Limitarile relativ la distanta dintre dispozitive formeaza diametrul maxim al retelei - maximum network diameter. Acest parametru limiteaza drastic numarul de dispozitive de tip hub sau repetor din cadrul retelei , unele LAN-uri , cum ar fi Fast Ethernet impun o serie de restrictii severe in aceasta directie.

Acest tip de conxiune expandeaaza numai numarul de dispozitive participante la o retea, fara insa a mari latimea benzii de transmisie a datelor, fapt ce face ca depasirea limitarilor impuse tehnologic si mai ales depasirea diametrului maxim al retelei sa duca la conflicte si coliziuni de date.

Aceasta topologie este recomandata unor LAN-uri cu mai putin de 5 hub-uri.

Topologii ierarhizate

Topologiile ierarhizate sunt constituite din mai multe straturi -layer- de hub-uri. Fiecare strat deserveste o anumita functei a retelei. Stratul superior va fi utilizat pentru statiile utilizator si conectvitatea server-ului cu alte retele. Un astfel de aranjament este utilizat pentru retele medii-largi asigurand un trafic corespunzator.

Inele Ierarhizate

Retelele de tip inel pot fi interconectate intr-o structura ierarhizata ca in Figura .7. Statia utilizator si conectivitatea server-ului pot fi realizate printr-un numar teoretic nelimitat de inele necesare asigurarii nivelului de performanta dorit. Un al doilea nivel de inele , cum ar fi Token Ring sau FDDI (Fiber Distributed Data Interface ), poate fi utilizat pentru interconectarea cu altor inele de tip utilizator oferind astfel accesul la WAN (Wide Area Network).

Figura 6. Topologie inelara ierarhizata.

Inele mici pot fi realizate prin interconectarea mai multor inele ierarhizate. In figura, un Token Ring de 16Mbps (desenat sub forma unei bucle) este utilizat pentru a conecta o statie utilizator iar buclele FDDI sunt utilizate pentru server-e si pentru reteaua, conexiunea interna (backbone).

Stea ierarhizata

Topologia de tip stea poate fi implementata si ea intr-un aranjament ierarhizat, sub forma mai multor stele, vezi Figura 8. Aceasta structura poate fi implementata sub forma unui singur domeniu de coliziuni sau a unui domeniu segmentat in multiple domenii de coloziune utilizand switch-uri sau bridge-uri.

Figura 7. Topologie ierarhizata de tip stea.

O structura ierarhizata de tip stea utilizeaza un nivel pentru utilizatori si server, iar pe cel de-al doilea pentru conexiune interna.

Combinatii ierarhizate

De multe ori solutia ideala se obtine nu prin fortarea unei topologii care sa corespunda uneia dintre structurile apartinand unei calsificari. Mixand mai multe tipuri de tehnologii s-au obtinut hub-urile actuale performante. Pot fi dezvoltate in continuare noi topologii care sa tina seama de avansul tehnologic al hub-urilor, switch-urilor, repetor-ilor. Un astfel de exem,plu care combina mai multe tipuri de topologii este prezentat in Figura 8.

Figura 8. Toplologie ierarhizata combinata.

In acest exemplu este prezentata o combinatie toplologica ierarhizata compusa dintr-o structura ATM (Asynchronous Transfer Mode) pentru a interconecta hub-urile utilizator. FDDI interconecteaza familia server-elor, in timp ce Ethernet interconecteaza utilizatorii.