Топология звезда

Топология «звезда» — это топология компьютерной сети, в которой все узлы (компьютеры, серверы, периферийные устройства) подключаются к центральному коммутационному устройству (обычно сетевому коммутатору или концентратору), образуя физическую конфигурацию, напоминающую лучи звезды. Каждый узел имеет выделенное соединение с центральным устройством, и данные передаются только через него. Топология «звезда» является одной из наиболее распространённых в современных локальных вычислительных сетях (ЛВС) благодаря своей простоте, надёжности и лёгкости обслуживания.

История

Идея централизованного подключения устройств возникла ещё в ранних телефонных сетях, где абонентские линии сходились на АТС. В контексте компьютерных сетей топология «звезда» получила распространение в 1970-х — 1980-х годах с развитием стандартов Ethernet на основе коаксиального кабеля. Однако настоящий прорыв произошёл в 1990-х годах с внедрением неэкранированной витой пары (UTP) и стандарта 10BASE-T. Этот стандарт, принятый IEEE в 1990 году, заменил топологию «шина» (10BASE2 и 10BASE5) на физическую «звезду», что значительно упростило прокладку и диагностику сетей. С тех пор «звезда» стала доминирующей топологией для проводных сетей Ethernet.

Устройство и принцип работы

В топологии «звезда» центральным элементом выступает активное сетевое устройство — коммутатор (switch) или, в устаревших системах, концентратор (hub). Коммутатор, в отличие от концентратора, анализирует MAC-адреса получателей и передаёт данные только на порт, к которому подключён целевой узел, что повышает эффективность использования пропускной способности. Концентратор же ретранслирует все входящие пакеты на все порты, что приводит к коллизиям и снижению производительности.

Каждый узел соединяется с центральным устройством отдельным кабелем — обычно витой парой категории 5e или выше (для современных гигабитных сетей) с разъёмами RJ45. Максимальная длина сегмента для стандарта 100BASE-TX составляет 100 метров. Для увеличения радиуса сети используются повторители или коммутаторы, которые могут быть соединены между собой, образуя иерархическую структуру, иногда называемую «расширенной звездой».

Классификация

Топология «звезда» может быть реализована в двух основных вариантах:

• Активная звезда — центральное устройство (коммутатор или концентратор) активно обрабатывает и усиливает сигналы. Это наиболее распространённый тип.
• Пассивная звезда — центральное устройство не усиливает сигнал, а только распределяет его (например, в некоторых волоконно-оптических сетях используется пассивный оптический разветвитель). В компьютерных сетях Ethernet пассивная звезда практически не применяется.

Также выделяют иерархическую звезду (или «дерево»), когда несколько коммутаторов соединены между собой, а к каждому из них подключены конечные устройства. Такая структура позволяет создавать крупные сети, сохраняя преимущества централизованного управления.

Характеристики

Преимущества

• Простота управления и диагностики: неисправность кабеля или сетевой карты одного узла затрагивает только этот узел. Централизованное расположение коммутационного оборудования упрощает мониторинг и устранение неполадок.
• Лёгкость расширения: добавление нового устройства требует только прокладки кабеля от него до коммутатора, не затрагивая существующие соединения.
• Высокая производительность: в сетях с коммутаторами коллизии практически отсутствуют, так как каждое устройство имеет выделенный канал связи с коммутатором (в дуплексном режиме).
• Надёжность: отказ одного узла не влияет на работу остальной сети. Сети на основе «звезды» устойчивы к обрывам кабеля в отдельных сегментах.

Недостатки

• Единая точка отказа: выход из строя центрального коммутатора приводит к полной неработоспособности всей сети. Для критически важных систем применяют резервирование (два коммутатора с протоколом STP или агрегацией каналов).
• Высокий расход кабеля: для каждого узла требуется отдельный кабель, что увеличивает материальные затраты по сравнению с топологией «шина» (которая сейчас практически не используется).
• Ограничение по расстоянию: длина кабеля от узла до коммутатора не должна превышать 100 метров (для витой пары). Для преодоления этого ограничения требуется установка дополнительных коммутаторов или использование оптического кабеля.
• Зависимость от центрального устройства: производительность и пропускная способность всей сети ограничены характеристиками коммутатора.

Применение

Топология «звезда» является стандартом де-факто для современных проводных локальных сетей в офисах, учебных заведениях, на предприятиях и в домашних условиях. Она используется в сетях Ethernet всех распространённых скоростей — от 10 Мбит/с до 100 Гбит/с. Также «звезда» применяется в сетях Wi-Fi, где роль центрального устройства выполняет точка доступа (роутер), а конечными узлами являются клиентские устройства (ноутбуки, смартфоны). В этом случае топология называется «звезда» (или «инфраструктурный режим»), хотя физически соединения являются беспроводными.

Кроме того, топология «звезда» используется в сетях хранения данных (SAN) на основе Fibre Channel, в некоторых промышленных сетях (например, Profinet) и в системах «умный дом», где центральный контроллер управляет датчиками и исполнительными устройствами.

Примеры

• Офисная сеть: в серверной комнате установлен 24-портовый коммутатор, к которому витой парой подключены компьютеры сотрудников, сетевые принтеры и сервер. Кабель от каждого рабочего места проложен в серверную.
• Домашняя сеть: интернет-роутер (коммутатор + маршрутизатор) соединяется патч-кордами с настольным компьютером, телевизором и игровой приставкой. Беспроводные устройства подключаются через Wi-Fi, образуя логическую «звезду» с точкой доступа в центре.
• Учебный класс: 15 компьютеров подключены к одному коммутатору, который соединён с сервером преподавателя. Это позволяет централизованно управлять доступом к ресурсам.

Интересные факты

• В ранних сетях на коаксиальном кабеле (топология «шина») для подключения нового компьютера требовалось разрывать кабель, что приводило к остановке всей сети. Топология «звезда» полностью решила эту проблему.
• Стандарт 10BASE-T, закрепивший «звезду», был разработан компанией SynOptics Communications (впоследствии вошедшей в Nortel Networks) и впервые продемонстрирован в 1987 году.
• В сетях на основе «звезды» с концентраторами (хабами) коллизии всё же возникали, так как хаб работал как повторитель. Только с появлением недорогих коммутаторов в конце 1990-х годов «звезда» стала полностью бесколлизионной.

Источники

• Олифер В.Г., Олифер Н.А. «Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы» — 5-е издание, 2016.
• Таненбаум Э., Уэзеролл Д. «Компьютерные сети» — 5-е издание, 2012.
• IEEE Standard 802.3-2018 (Ethernet).
• Stallings W. «Data and Computer Communications» — 10th edition, 2013.