Verkkotopologia – määritelmä, päätyypit (rengas, tähti) ja esimerkit

Verkkotopologia on tietokoneverkon yhteyksien (linkkien, solmujen jne.) asettelu. Se kuvaa, miten laitteet on kytketty toisiinsa ja miten tieto kulkee verkossa. Topologia voi kuvata sekä fyysistä kytkentää (kaapelit, kytkimet, reitittimet) että loogista tiedonsiirtoreittiä (miten paketit etenevät verkossa).

Päätyypit lyhyesti

Tähti (star) – Keskimmäinen laite (yleensä reititin tai kytkin) yhdistää kaikki muut solmut. Yleinen kotiverkoissa ja pienissä toimistoverkoissa.
Rengas (ring) – Solmut muodostavat suljetun silmukan, ja tiedot kulkevat yleensä määrättyyn suuntaan. Käytetty historiallisesti esimerkiksi Token Ring -verkoissa.
Väylä/linja (bus) – Yksi yhteinen tiedonsiirtoväylä, johon kaikki laitteet kytketään. Harvinaisempi modernissa Ethernetissä, mutta periaate näkyy tietyissä järjestelmissä.
Ristikko (mesh) – Jokainen solmu voi olla yhteydessä useisiin muihin. Täysi mesh tarkoittaa, että kaikki solmut ovat suoraan kytkettyjä keskenään; osittainen mesh on yleisempi. Käytetään kriittisissä verkoissa ja langattomissa mesh-verkkoarkkitehtuureissa.
Puu (tree) – Hierarkkinen rakenne, jossa on juurisolmu ja haarautuvia aliverkkoja. Yhdistää usein useita tähti-topologioita isommaksi verkoksi.
Hybriditopologia – Useiden edellä mainittujen topologioiden yhdistelmä, esimerkiksi runko (backbone) mesh-tyyppisenä ja asiakasverkot tähtinä.

Fyysinen vs. looginen topologia

Fyysinen topologia kertoo, miten kaapelit ja laitteet on konkreettisesti kytketty. Looginen topologia taas kuvaa, miten tieto kulkee verkossa — esimerkiksi Ethernet-verkko voi fyysisesti näyttää tähdeltä, mutta toimia loogisesti kuin väylä. On tärkeää erottaa nämä, koska vikatilanteet ja suorituskyky riippuvat molemmista.

Edut ja haitat

Tähti: Helppo laajentaa ja hallita; yhden laitteen vika ei välttämättä kaada koko verkkoa, mutta keskuksen vika voi pysäyttää kaiken liikenteen.
Rengas: Ennustettava tiedonkulku; vaikeampi laajentaa ja yhden solmun vika voi häiritä koko rengasta ellei ole redundanssia.
Väylä: Yksinkertainen ja edullinen pienissä ympäristöissä; suorituskyky heikkenee, kun laitteita on paljon, ja vika yhdellä kohdalla voi vaikuttaa koko väylään.
Ristikko: Erittäin vikasietoinen ja nopea reititys, mutta kallis ja monimutkainen toteuttaa täytenä mesh-ratkaisuna.
Puu/hybrid: Skaalautuva ja joustava, mutta voi aiheuttaa pullonkauloja keskellä oleville runkoyhteyksille.

Käytännön esimerkkejä

Kotiverkko: tyypillisesti tähti — modeemi/reititin/kytkin keskuksena ja tietokoneet, puhelimet ja älylaitteet siitä.
Toimistoverkko: usein tähti tai puu (useita kytkimiä eri kerroksissa) sekä mahdollisesti hybrid-ratkaisu kriittisille osille.
Palveluntarjoajien runkoverkot: voivat hyödyntää rengas- tai mesh-rakenteita redundanssin ja reitityksen takia.
Langaton IoT- tai sensoriympäristö: mesh-verkot tarjoavat usein parhaan kattavuuden ja vikasietokyvyn.
Datakeskukset: modernit arkkitehtuurit kuten leaf-spine ovat eräänlaisia mesh-/puuyhdistelmiä, jotka tarjoavat ennustettavan latenssin ja suuren läpimenon.

Käytännön huomioita

Valinta riippuu skaalasta, luotettavuusvaatimuksista, budjetista ja hallittavuudesta.
Redundanssi (varareitit) parantaa vikasietoisuutta, erityisesti renkaissa ja runkojen kohdalla.
Verkon laitteet (kuten kytkimet, hubit, reitittimet) ja niiden konfigurointi vaikuttavat loogiseen topologiaan ja suorituskykyyn.

Yhteenvetona: verkkotopologia kertoo, miten verkon laitteet on kytketty ja miten tieto kulkee. Tuntemalla eri topologiat — kuten tähti ja rengas — sekä niiden edut ja haitat, voit valita oikean rakenteen käyttötapauksen mukaan ja suunnitella verkon, joka on tehokas, luotettava ja helppo ylläpitää.

Kaavio erilaisista verkkotopologioista.

Daisy-ketjut

Tähtipohjaisia verkkoja lukuun ottamatta helpoin tapa lisätä verkkoon lisää tietokoneita on ketjuttaa eli liittää jokainen tietokone sarjaan. Jos viesti on tarkoitettu tietokoneelle, joka on osittain linjan päässä, jokainen järjestelmä välittää sen peräkkäin, kunnes se saapuu määränpäähän. Daisy chain -verkko voi olla kahdessa perusmuodossa: lineaarinen ja rengasverkko.

Keskittäminen

Tähtitopologia vähentää verkon vikaantumisen todennäköisyyttä, koska se yhdistää kaikki oheissolmut (tietokoneet jne.) keskussolmuun. Kun fyysistä tähtitopologiaa sovelletaan loogiseen väyläverkkoon, kuten Ethernetiin, tämä keskussolmu (perinteisesti keskitin) lähettää uudelleen kaikki mistä tahansa oheissolmusta vastaanotetut lähetykset kaikille verkon oheissolmuille, joskus myös lähettäjäsolmulle. Kaikki oheissolmut voivat näin ollen kommunikoida kaikkien muiden kanssa lähettämällä ja vastaanottamalla ainoastaan keskussolmulle. Jos jonkin perifeerisen solmun ja keskussolmun välisen siirtoyhteyden vikaantuminen johtaa kyseisen perifeerisen solmun eristämiseen kaikista muista solmuista, mutta tämä ei vaikuta muihin perifeerisiin solmuihin. Haittapuolena on kuitenkin se, että keskussolmun vikaantuminen aiheuttaa vian myös kaikissa perifeerisissä solmuissa,

Jos keskussolmu on passiivinen, lähettävän solmun on voitava sietää oman lähetyksensä kaiun vastaanottamista, joka on viivästynyt kahdensuuntaisen edestakaisen lähetyksen (eli keskussolmuun ja keskussolmusta) sekä keskussolmussa mahdollisesti syntyvän viiveen verran. Aktiivisessa tähtiverkossa on aktiivinen keskussolmu, jolla on yleensä keinot estää kaikuun liittyvät ongelmat.

Puutopologiaa (eli hierarkkista topologiaa) voidaan pitää hierarkkisesti järjestettyjen tähtiverkkojen kokoelmana. Tässä puussa on yksittäisiä perifeerisiä solmuja (esim. lehtiä), joiden on lähetettävä ja vastaanotettava vain yhteen toiseen solmuun eikä niiden tarvitse toimia toistimina tai regeneraattoreina. Toisin kuin tähtiverkossa, keskussolmun toiminnot voivat olla hajautettuja.

Kuten tavanomaisessa tähtiverkossa, yksittäiset solmut voidaan näin ollen edelleen eristää verkosta, jos solmuun johtava siirtotie katkeaa yhdestä ainoasta kohdasta. Jos lehden yhdistävä linkki vikaantuu, kyseinen lehti eristetään; jos yhteys muuhun kuin lehden solmuun vikaantuu, koko verkon osa eristetään muusta verkosta.

Jotta voitaisiin vähentää verkkoliikennettä, joka aiheutuu kaikkien signaalien lähettämisestä kaikkiin solmuihin, kehitettiin kehittyneempiä keskussolmuja, jotka pystyvät seuraamaan verkkoon liitettyjen solmujen identiteettejä. Nämä verkkokytkimet "oppivat" verkon rakenteen "kuuntelemalla" jokaista porttia normaalin tiedonsiirron aikana, tutkimalla datapaketteja ja tallentamalla jokaisen kytketyn solmun osoitteen/tunnuksen ja sen portin, johon se on kytketty, muistissa olevaan hakutaulukkoon. Tämän hakutaulukon avulla tulevat lähetykset voidaan sitten ohjata vain aiottuun määränpäähän.

Hajauttaminen

Verkkotopologiassa (eli osittain yhdistetyssä verkkotopologiassa) on vähintään kaksi solmua, joiden välillä on kaksi tai useampia reittejä, jotta voidaan tarjota ylimääräisiä reittejä, joita voidaan käyttää, jos yhden reitin tarjoava linkki ei toimi. Tätä hajautusta käytetään usein hyödyksi kompensoimaan yhden pisteen vikaantumisen aiheuttamaa haittaa, joka on olemassa, kun käytetään yhtä laitetta keskussolmuna (esim. tähti- ja puuverkoissa). Erityinen verkkotyyppi, joka rajoittaa kahden solmun välisten hyppyjen määrää, on hyperkuutio. Mielivaltaisten haarojen määrä tekee mesh-verkoista vaikeampia suunnitella ja toteuttaa, mutta niiden hajautettu luonne tekee niistä erittäin hyödyllisiä. Tämä muistuttaa jollakin tavalla grid-verkkoa, jossa lineaarista tai rengastopologiaa käytetään yhdistämään järjestelmiä useisiin suuntiin. Moniulotteisella renkaalla on esimerkiksi toroidinen topologia.

Täysin kytketty verkko, täydellinen topologia tai täydellinen verkkotopologia on verkkotopologia, jossa kaikkien solmuparien välillä on suora yhteys. Täysin yhdistetyssä verkossa, jossa on n solmua, on n(n-1)/2 suoraa linkkiä. Tällaisella topologialla suunnitellut verkot ovat yleensä hyvin kalliita perustaa, mutta ne tarjoavat suuren luotettavuuden, koska solmujen välisten redundanttien linkkien suuri määrä tarjoaa useita reittejä tiedolle. Tätä topologiaa käytetään useimmiten sotilaallisissa sovelluksissa. Se on kuitenkin nähtävissä myös tiedostonjakoprotokollassa BitTorrent, jossa käyttäjät muodostavat yhteyden muihin käyttäjiin "parvessa" sallimalla jokaisen tiedoston jakavan käyttäjän muodostaa yhteyden muihin käyttäjiin, jotka ovat myös mukana. BitTorrentin todellisessa käytössä yksittäinen solmu on harvoin yhteydessä jokaiseen muuhun solmuun, kuten todellisessa, täysin yhdistetyssä verkossa, mutta protokolla mahdollistaa sen, että mikä tahansa solmu voi muodostaa yhteyden mihin tahansa toiseen solmuun tiedostoja jakaessaan.

Hybridit

Hybridiverkoissa käytetään kahden tai useamman topologian yhdistelmää siten, että tuloksena syntyvä verkko ei ole mikään vakiotopologiasta (esim. väylä, tähti, rengas jne.). Esimerkiksi puuverkko, joka on yhdistetty puuverkkoon, on edelleen puuverkko, mutta kaksi toisiinsa yhdistettyä tähtiverkkoa muodostavat hybridiverkkotopologian. Hybriditopologia syntyy aina, kun kaksi erilaista perusverkkotopologiaa yhdistetään. Kaksi yleistä esimerkkiä hybridiverkoista ovat: tähtirengasverkko ja tähtiväyläverkko.

Tähtirengasverkko koostuu kahdesta tai useammasta tähtitopologiasta, jotka on liitetty toisiinsa käyttämällä keskitettynä keskittimenä MAU-yksikköä (Multistation Access Unit).
Tähtiväyläverkko koostuu kahdesta tai useammasta tähtitopologiasta, jotka on yhdistetty väyläkanavan avulla (väyläkanava toimii verkon runkona).