Μάθημα : A ΕΠΑΛ - ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ

Οι βασικές τοπολογίες των ενσύρματων τοπικών δικτύων είναι:

• Ο δίαυλος
• Ο δακτύλιος
• Το άστρο (ή αστέρας)

Υπάρχουν τοπολογίες οι οποίες προκύπτουν από παραλλαγές και βελτιώσεις των παραπάνω. Για παράδειγμα, παραλλαγή της τοπολογίας διαύλου είναι το δέντρο, και παραλλαγή της τοπολογίας δακτυλίου είναι ο διπλός δακτύλιος.

Υπάρχουν τοπολογίες που προκύπτουν από συνδυασμούς άλλων όπως άστρο-δακτύλιος και τοπολογίες που δεν έχουν κάποιο συγκεκριμένο σχήμα (δικτυωτά) και συναντώνται περισσότερο σε δίκτυα ευρείας περιοχής.

Βασικοί παράγοντες που επηρεάζουν την επιλογή μιας τοπολογίας στην υλοποίηση ενός δικτύου είναι:

• Το είδος των εφαρμογών.
• Η πολυπλοκότητα των διαδικασιών ελέγχου που επιβάλλει η τοπολογία και η επίδραση που μπορεί αυτή να έχει στην απόδοση του δικτύου.
• Η ευκολία με την οποία μπορεί να επεκταθεί (π.χ. να προστεθούν και άλλες θέσεις εργασίας) αν υπάρχει ανάγκη.

Σε ένα δίκτυο στο οποίο ένας κόμβος Α μπορεί να επικοινωνήσει με ένα άλλο κόμβο Β με περισσότερες από μία διαδρομές, η εύρεση της συντομότερης διαδρομής αποτελεί το πρόβλημα της δρομολόγησης. Το πρόβλημα αυτό μέχρι σήμερα παραμένει ανοικτό (δεν υπάρχει κάποιος άμεσος τρόπος επίλυσης μέχρι στιγμής αλλά ούτε έχει αποδειχθεί ότι το πρόβλημα δεν λύνεται).

Τοπολογία Διαύλου

Σχεδιαστικά αυτή η τοπολογία είναι αρκετά απλή, αφού όλοι οι κόμβοι του δικτύου συνδέονται άμεσα (με την βοήθεια κατάλληλων συνδετήρων (βυσμάτων) και τερματισμών) σε μια κοινή γραμμή επικοινωνίας που ονομάζεται δίαυλος (bus). Τα πακέτα που στέλνονται από ένα κόμβο διαδίδονται σε όλη την κοινή γραμμή επικοινωνίας και λαμβάνονται από όλους τους κόμβους. Κάθε κόμβος ελέγχει την διεύθυνση παραλήπτη που αναγράφεται στο πακέτο, και αν ανακαλύψει ότι απευθύνεται σε αυτόν το αντιγράφει, διαφορετικά το αγνοεί.

Επειδή οι κόμβοι που βρίσκονται πιο κοντά σε αυτόν που εκπέμπει κάθε φορά λαμβάνουν ισχυρότερο σήμα από τους πιο απομακρυσμένους υπάρχουν κάποιοι περιορισμοί οι οποίοι αφορούν:

• Το μήκος του καλωδίου.
• Το πλήθος των συνδέσεων.
• Το είδος / ποιότητα των υλικών που χρησιμοποιούνται στις συνδέσεις.

Πέρα από κάποιο όριο εξασθένησης (το οποίο μπορεί να προκληθεί για παράδειγμα από πολύ μεγάλο μήκος καλωδίου) μπορεί να έχουμε απώλεια δεδομένων. Τα δίκτυα διαύλου δεν παρουσιάζουν πολυπλοκότητα στην κατασκευή και μπορούμε εύκολα να τους αλλάξουμε διάταξη ή να τα επεκτείνουμε. Ένα παράδειγμα τοπολογίας Διαύλου φαίνεται στο σχήμα.

Στο τέλος της γραμμής του διαύλου υπάρχει ένα απλό εξάρτημα, που ονομάζεται τερματιστής (terminator). Ο τερματιστής αναλαμβάνει να εμποδίσει το σήμα του δικτύου που φτάνει στην άκρη του καλωδίου από το να ανακλαστεί και να γυρίσει πίσω στο καλώδιο – παρεμβάλλοντας έτσι την κανονική μετάδοση. Ο τερματιστής ουσιαστικά καταναλώνει το σήμα του δικτύου που φτάνει στην άκρη του καλωδίου. Αν ο δίαυλος κοπεί σε ένα σημείο, τυπικά διακόπτεται η λειτουργία όλου του δικτύου ακριβώς επειδή χάνεται ο τερματισμός. Ωστόσο η βλάβη ενός κόμβου δεν επηρεάζει το υπόλοιπο δίκτυο. Τα δίκτυα διαύλου είναι κατάλληλα όταν:

• Έχουμε μικρό αριθμό κόμβων.
• Η κυκλοφορία δεδομένων είναι μικρή.

Αντίθετα, είναι κακή επιλογή όταν:

• Έχουμε μεγάλο αριθμό κόμβων.
• Η κυκλοφορία στο δίκτυο είναι μεγάλη.

Τοπολογία Δέντρου

Η τοπολογία δέντρου αποτελεί παραλλαγή της τοπολογίας διαύλου. Σχηματικά μοιάζει με ένα ανεστραμμένο δέντρο. Ο κορμός και τα κλαδιά του δέντρου αυτού αποτελούνται από δίκτυα διαύλου.

Το καλώδιο στην τοπολογία δέντρου διακλαδίζεται αλλά ποτέ δεν σχηματίζει κλειστούς βρόχους (δακτυλίους). Ξεκινά από ένα κόμβο που βρίσκεται στην κορυφή και ονομάζεται κεφαλή ή ρίζα. Η ρίζα αναμεταδίδει στο δίκτυο το σήμα που λαμβάνει από κάθε κόμβο που εκπέμπει και για το λόγο αυτό το τμήμα του διαύλου που περνάει από τη ρίζα έχει μεγαλύτερο φόρτο κίνησης σε σχέση με το υπόλοιπο δίκτυο. Ο δίαυλος που ξεκινά από τη ρίζα μπορεί να έχει διακλαδώσεις και αυτές με τη σειρά τους δικές τους διακλαδώσεις κ.ο.κ. Παράδειγμα τοπολογίας δέντρου φαίνεται στο σχήμα.

Επειδή η τοπολογία δέντρου αποτελεί παραλλαγή της τοπολογίας διαύλου, έχει περίπου τα ίδια πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα με αυτή. Ωστόσο πρέπει να σημειώσουμε ότι είναι κατασκευαστικά πιο δύσκολο να φτιαχτεί (και να συντηρηθεί) και έχει ακόμα το μειονέκτημα ότι σε περίπτωση βλάβης της ρίζας καταρρέει όλο το τμήμα του δικτύου που ελέγχει (αφού όλα τα δεδομένα περνάνε από τη ρίζα).

Τοπολογία Δακτυλίου

Στην τοπολογία δακτυλίου οι κόμβοι συνδέονται μεταξύ τους με συνδέσεις σημείο προς σημείο. Τα δύο άκρα του καλωδίου ενώνονται ώστε να σχηματίσουν ένα κλειστό βρόχο. Οι κόμβοι συνδέονται στο δίκτυο μέσω μιας διάταξης που ονομάζεται αναμεταδότης. Παράδειγμα δακτυλίου φαίνεται στο σχήμα.

Η ροή των πακέτων στο δακτύλιο ακολουθεί συγκεκριμένη και από πριν συμφωνημένη φορά η οποία μπορεί να είναι είτε αυτή των δεικτών του ρολογιού ή αντίστροφη. Τα πακέτα μεταδίδονται από κόμβο σε κόμβο χωρίς ιδιαίτερη καθυστέρηση. Δεν υπάρχουν πληροφορίες δρομολόγησης. Κάθε πακέτο περιέχει την διεύθυνση του παραλήπτη. Όλοι οι κόμβοι βλέπουν όλα τα πακέτα και αυτός για τον οποίο προορίζεται το αντιγράφει. Επειδή όλοι οι κόμβοι μεταδίδουν και μοιράζονται το ίδιο φυσικό μέσο, χρειάζεται κάποιο είδος ελέγχου πρόσβασης ώστε να αποφασίζεται κάθε φορά ποιος κόμβος έχει δικαίωμα μετάδοσης. Ο έλεγχος μπορεί να είναι κεντρικός ή κατανεμημένος. (Τα είδη αυτά των ελέγχων εξηγούνται σε επόμενο μάθημα). Αν ένας κόμβος παρουσιάσει πρόβλημα δεν σημαίνει απαραίτητα και διακοπή του δικτύου, αφού υπάρχει τρόπος αντιμετώπισης.

Η τοπολογία δακτυλίου είναι καλή επιλογή όταν:

• Απαιτείται ισοκατανομή της χωρητικότητας του δικτύου στους κόμβους. Ισοκατανομή σημαίνει ότι κάθε κόμβος έχει δυνατότητα να στείλει με ίδιους ρυθμούς μετάδοσης με τους υπόλοιπους και η καθυστέρηση μετάδοσης του είναι επίσης ίδια.
• Όταν ο αριθμός κόμβων είναι μικρός και σε μικρή απόσταση ο ένας από τον άλλο, αλλά απαιτείται υψηλός ρυθμός μετάδοσης.
• Όταν κάθε κόμβος πρέπει να μεταδώσει οπωσδήποτε πριν από κάποιο συγκεκριμένο χρονικό διάστημα (τι εννοεί εδώ το βιβλίο?).

Γενικά τα δίκτυα δακτυλίου:

• Παρουσιάζουν καθυστέρηση μετάδοσης η οποία μπορεί να είναι σημαντική ακόμα και σε μικρό φορτίο κίνησης.
• Η μέση καθυστέρηση μετάδοσης δεν αυξάνει ανάλογα με το φορτίο του δικτύου (Τι εννοεί εδώ? Πως αυξάνει δηλαδή?)
• Υπάρχει σταθερή χρήση του καναλιού ακόμα και κάτω από μεγάλα φορτία κίνησης.

Το δίκτυο δακτυλίου υπάρχει και σε παραλλαγή με διπλό δακτύλιο όπου τα δεδομένα κινούνται με αντίθετη κατεύθυνση σε κάθε δακτύλιο. Ο διπλός δακτύλιος χρησιμοποιείται στα δίκτυα υψηλών επιδόσεων.

Τοπολογία Άστρου

Στην τοπολογία άστρου οι κόμβοι συνδέονται ο καθένας με δικό του καλώδιο σε ένα κεντρικό κόμβο. Έχουμε δηλ. συνδέσεις σημείου προς σημείο από κάθε κόμβο του δικτύου προς τον κεντρικό. Μάλιστα κάθε κόμβος έχει μια σύνδεση ανά κατεύθυνση μετάδοσης. Παράδειγμα φαίνεται στο σχήμα. Η τοπολογία έχει τα χαρακτηριστικά της τοπολογίας διαύλου:

• Κάθε φορά μπορεί μόνο ένας κόμβος να μεταδώσει.
• Κάθε κόμβος μπορεί να δει τις μεταδόσεις οποιουδήποτε άλλου κόμβου.

Τα μηνύματα όλων των κόμβων μεταδίδονται στον κεντρικό κόμβο. Ανάλογα με το είδος του ελέγχου που εφαρμόζεται, ο κεντρικός κόμβος έχει διαφορετικό κάθε φορά ρόλο.

Υπάρχουν τρεις μορφές ελέγχου που μπορούν να εφαρμοστούν στην τοπολογία άστρου:

• Στην πρώτη μορφή ελέγχου (κεντρικός έλεγχος) ο κεντρικός κόμβος είναι υπεύθυνος για όλες τις διαδικασίες δρομολόγησης. Τα μηνύματα που φτάνουν στον κεντρικό κόμβο, αποστέλλονται μετά από επεξεργασία στον κόμβο παραλήπτη.
• Στην δεύτερη μορφή ελέγχου (περιφερειακός έλεγχος) ο έλεγχος δεν ασκείται από τον κεντρικό κόμβο αλλά από κάποιον από τους άλλους κόμβους (περιφερειακό κόμβο) ενώ ο κεντρικός αναλαμβάνει να αποκαταστήσει απλώς τις συνδέσεις λειτουργώντας σαν μεταγωγικός διακόπτης (ενώνει τους κόμβους μεταξύ τους). Μπορείτε να φανταστείτε τη λειτουργία του κεντρικού κόμβου σε αυτή την περίπτωση όπως τη λειτουργία του τηλεφωνικού κέντρου του ΟΤΕ: Συνδέει μεταξύ τους τις συσκευές τηλεφώνων των συνδρομητών που θέλουν να συνομιλήσουν.
• Στην τρίτη μορφή ελέγχου (κατανεμημένος έλεγχος) ο έλεγχος δεν ασκείται συγκεκριμένα από κάποιον κόμβο, αλλά όλοι μαζί οι κόμβοι είναι υπεύθυνοι ενώ ο κεντρικός κόμβος είναι υπεύθυνος για την δρομολόγηση και την αποφυγή των συγκρούσεων.

Τα δίκτυα με τοπολογία άστρου αποτελούν καλή επιλογή όταν:

• Χρειαζόμαστε υψηλούς ρυθμούς μετάδοσης.
• Χρειαζόμαστε ολοκληρωμένες υπηρεσίες, κατάλληλες τόσο για μεταφορά φωνής όσο και δεδομένων (Μην ξεχνάμε ότι και συσκευές όπως τηλέφωνα και φαξ χρειάζονται συνδέσεις που ξεκινάνε από την κάθε συσκευή και καταλήγουν σε ένα κεντρικό σημείο, δηλ. τοπολογία άστρου).

Η υλοποίηση των δικτύων άστρου μπορεί να είναι πολύπλοκη. Κάποιοι κόμβοι μπορεί να έχουν απλό ρόλο τερματικής συσκευής και κάποιοι να ασκούν έλεγχο. Πολλά χαρακτηριστικά του δικτύου εξαρτώνται από τις δυνατότητες του κεντρικού κόμβου. Τέτοια χαρακτηριστικά είναι η χωρητικότητα του δικτύου, ο μέγιστος ρυθμός μεταφοράς δεδομένων, η δυνατότητα επέκτασης (προσθήκη και άλλων κόμβων), η αξιοπιστία κλπ. Δεν πρέπει επίσης να ξεχνάμε ότι το πλήθος των καλωδίων θα είναι μεγάλο, αφού χρειάζεται ένα καλώδιο από κάθε κόμβο προς τον κεντρικό.