Podstawy topologii gwiazdy i magistrali

Topologia to kształt lub schemat połączenia urządzeń w sieci. Opisuje przebieg kabli oraz sposób przesyłania danych między urządzeniami. Wybór topologii wpływa na trzy najważniejsze kwestie: koszt, szybkość i niezawodność. W tej lekcji porównane zostaną dwa najstarsze i najbardziej podstawowe układy: gwiazda i magistrala. Ich zrozumienie stanowi podstawę bardziej zaawansowanych topologii pierścienia i siatki, które zostaną omówione później.

W topologii gwiazdy każde urządzenie łączy się z jednym centralnym punktem, którym zwykle jest switch (urządzenie przekazujące dane w sieci LAN, czyli Local Area Network). Żadne urządzenie nie komunikuje się bezpośrednio z innym — cały ruch przechodzi przez centrum. Taki układ występuje niemal w każdej nowoczesnej sieci domowej i biurowej. Każdy kabel biegnie od pojedynczego urządzenia do centralnego switcha, tworząc po narysowaniu kształt gwiazdy.

Topologia gwiazdy jest popularna, ponieważ łatwo nią zarządzać i diagnozować problemy. Jeśli jeden kabel ulegnie awarii, tylko dane urządzenie traci łączność, a pozostałe nadal działają. Dodanie nowego urządzenia jest proste: wystarczy poprowadzić jeden kabel do wolnego portu switcha.

• Niezawodna — jeden uszkodzony kabel nie wyłącza całej sieci.
• Skalowalna — urządzenia można dodawać, podłączając je do wolnych portów.
• Łatwa w izolowaniu usterek — problemy można przypisać do jednego łącza.

Gwiazda ma jedną wyraźną słabość: urządzenie centralne jest pojedynczym punktem awarii. Jeśli switch straci zasilanie lub ulegnie uszkodzeniu, wszystkie podłączone do niego urządzenia jednocześnie przechodzą w tryb offline. Topologia gwiazdy wymaga również większej ilości okablowania niż starsze rozwiązania, ponieważ każde urządzenie ma własny dedykowany kabel biegnący do centrum. Mimo tych kosztów niezawodność i prostota sprawiają, że gwiazda jest dziś standardowym wyborem.

W topologii magistrali wszystkie urządzenia współdzielą jeden długi kabel, zwany szyną główną. Każde urządzenie jest podłączone do tej jednej linii. Gdy urządzenie wysyła dane, sygnał przemieszcza się wzdłuż całego kabla i dociera do każdego urządzenia, ale tylko zamierzony odbiorca go zachowuje. Magistrala była powszechna we wczesnych sieciach, ponieważ wymagała bardzo mało okablowania i była tania w budowie.

Magistrala wymaga terminatora (niewielkiego rezystora) na każdym końcu kabla. Bez terminatorów sygnały odbijają się i wracają wzdłuż linii, powodując zakłócenia, które uszkadzają dane. Magistrala korzystała również z mechanizmu CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), aby urządzenia mogły współdzielić jeden przewód bez ciągłego nadawania jednocześnie.

Topologia magistrali ma poważne wady, przez które stała się rozwiązaniem historycznym. Ponieważ każde urządzenie współdzieli jeden kabel, w danym momencie może nadawać tylko jedno z nich, więc wydajność spada wraz z dodawaniem urządzeń. Co gorsza, pojedyncze przerwanie lub poluzowane złącze w dowolnym miejscu szyny głównej może wyłączyć całą sieć. Diagnozowanie problemu wymaga przeszukania całego kabla w celu znalezienia usterki.

Porównanie obu topologii wyjaśnia, dlaczego gwiazda zastąpiła magistralę:

• Okablowanie — magistrala korzysta z jednej współdzielonej linii, a gwiazda z osobnego kabla dla każdego urządzenia.
• Odporność na awarie — w magistrali jedno przerwanie wyłącza całą sieć, a gwiazda izoluje usterki.
• Wydajność — magistrala współdzieli przepustowość, a switche w topologii gwiazdy zapewniają każdemu urządzeniu dedykowaną ścieżkę.
• Koszt — magistrala wymaga mniej kabli, ale przestoje są w jej przypadku znacznie droższe.

Kluczowa różnica dotyczy sposobu współdzielenia medium. W magistrali każde urządzenie konkuruje o jeden kabel, dlatego kolizje (jednoczesne nadawanie przez dwa urządzenia) są częste i spowalniają działanie sieci. Nowoczesna przełączana topologia gwiazdy eliminuje ten problem: switch zapewnia każdemu portowi osobną ścieżkę bez kolizji. To jeden z głównych powodów, dla których układ gwiazdy ze switchem stał się domyślnym rozwiązaniem w niezawodnych i szybkich sieciach.

Topologia gwiazdy jest wszechobecna: korzystają z niej domowy router, biurowa szafa teleinformatyczna i szafy w centrum danych. Czysta topologia magistrali praktycznie zniknęła ze współczesnych sieci Ethernet, choć jej idea przetrwała w niektórych systemach magistralowych, takich jak starsze instalacje telewizji kablowej i określone magistrale sterowania przemysłowego. Na egzamin Network+ należy zapamiętać gwiazdę jako dominujący praktyczny układ, a magistralę jako jej historycznego poprzednika, który pokazuje, czego należy unikać.

Proszę wyobrazić sobie gwiazdę jako koło rowerowe: przełącznik jest piastą, a każda szprycha prowadzi do jednego urządzenia. Magistrala przypomina pojedynczy korytarz z drzwiami wzdłuż całej długości, w którym jeden głośny głos wypełnia całą przestrzeń. Koło nadal działa, jeśli jedna szprycha pęknie; korytarz zamilknie, jeśli w dowolnym miejscu ulegnie uszkodzeniu. Te obrazy ułatwiają przypomnienie sobie najważniejszych kompromisów podczas egzaminu.

Proszę sprawdzić swoją wiedzę na temat topologii gwiazdy i magistrali.

Porównano dwie najbardziej podstawowe topologie sieci. Gwiazda łączy każde urządzenie z centralnym przełącznikiem, izoluje awarie i łatwo się skaluje, ale przełącznik stanowi pojedynczy punkt awarii. Magistrala korzysta z jednego kabla szkieletowego zakończonego terminatorami na obu końcach; jest tania, ale każda przerwa powoduje awarię całej sieci, a przy dużym obciążeniu następuje spowolnienie. Przełączana gwiazda jest obecnie standardem, natomiast magistrala występuje głównie jako przykład dydaktyczny. Następnie poznasz topologie pierścienia i siatki.