1.5. Verkon topologiat

Verkon topologia kuvailee malleja, joiden kautta tietokoneet voidaan verkottaa. Perustopologioita on neljä, mutta niiden variaatioita eli muunnelmia on lukemattomia. Verkkotopologioiden tuntemus on tärkeää verkkoa suunniteltaessa.

Verkkotopologia viittaa verkon fyysisten komponenttien kuten kaapeleiden järjestelyyn. Topologia on ns. standarditermi, joka on alan ammattilaisten tiedossa, kun viitataan verkon fyysiseen perusmalliin. Vastaavantyyppisiä termejä voisivat olla verkon malli, verkon kaavio tai verkon kartta. Verkon topologialla on itse asiassa kauaskantoiset seuraukset, sillä se vaikuttaa mm. verkon laitteisiin, kasvuun ja tapaan hallita verkkoa. Topologia voi määrätä mm. sen, mitä siirtomediaa verkossa käytetään (kaapeli, radioaalto) ja miten se viedään vaikkapa kattojen, lattioiden ja seinärakenteiden läpi.

Verkkotopologioista on syytä tuoda esiin ns. standarditopologiat:

• väylä
• tähti
• rengas
• Mesh-verkko
• hybridi

1.5.1 Väylätopologia

Jos tietokoneet yhdistetään peräkkäin yhden kaapelin (segmentin) varrelle puhutaan väylätopologiasta (puhutaan myös lineaarisesta väylästä, linear bus), vrt. kuva 11.

Kuva 11. Tyypillinen väylätopologia, mikä koostuu yhdestä runkokaapelista, jolla verkon tietokoneen on liitetty toisiinsa.

Väylätopologiassa tietokoneet kommunikoivat lähettämällä tietoa jollekin tietylle työasemalle kaapelia pitkin sähköisinä signaaleina. Signaalin lähettäminen tarkoittaa, että verkon tieto lähetetään elektronisena signaalina kaikille verkon tietokoneille. Lähetetyn informaation voi hyväksyä kuitenkin vain se tietokone, jonka osoite vastaa alkuperäiseen signaaliin koodattua osoitetta. Kuvassa 12. näkyy viesti, joka lähetetään osoitteesta 0020sf151d8b osoitteeseen 02608c133456. 

Kuva 12. Verkossa kulkeva data lähetään verkon kaikille koneille, mutta vain kohdekone hyväksyy lähetyksen.

Väylätopologiassa tietoja voi lähettää vain yksi tietokone kerrallaan, mikä vaikuttaa väyläverkon suorituskykyyn. Mitä enemmän verkossa on koneita, sitä kauemmin kone joutuu odottamaan päästäkseen lähettämään tai vastaanottamaan dataa. Toisaalta verkon mahdollinen hidastuminen ei riipu yksinomaan työasemien määrästä, sillä verkon suorituskykyyn vaikuttavat myös verkossa käytettävien laitteiden ominaisuudet, lähetyskertojen määrä, verkossa toimivien ohjelmien tyyppi, käytetty kaapelityyppi ja tietokoneiden keskinäinen etäisyys.

Väylässä oleva tietokoneet joko lähettävät tietoa verkkoon tai odottavat toisten koneiden lähettämää tietoa. Ne eivät ole vastuussa tiedon siirrosta koneesta toiseen. Jos yksi kone lakkaa toimimasta, se ei vaikuta muuhun verkkoon.

Väylätopologiassa on oleellista tuntea myös ns. signaalin takaisinheijastuminen. Kun tieto tai sähköinen signaali lähetetään koko verkolle, se kulkee kaapelin päästä toiseen. Jos signaalin sallitaan jatkaa keskeytymättömästi, se kulkisi kaapelissa edestakaisin kaapelinpäistä heijastuen, jolloin muiden työasemien tiedon lähettäminen estyisi. Tämän estämiseksi signaali on pysäytettävä kun se on saavuttanut oikean osoitteensa.

Kun signaali saapuu kaapelin päähän sen heijastuminen takaisin estetään ns. päätevastuksen eli terminaattorin (terminator) avulla. Terminaattori pysäyttää eli absorboi vapaat signaalit, jolloin kaapeli vapautuu taas toisten koneiden käyttöön (vrt. kuva 13.).

Kuva 13. Päätevastus eli terminaattori laitetaan kaapelin päähän absorboimaan signaalia.

Kuva 13. Päätevastuksen rooli Ohut-Ethernet -verkosta.

Mutta mistä johtuu, jos verkkoliikenne väylätopologiassa keskeytyy? Yksi mahdollisuus on kaapeliyhteyden fyysinen katkeaminen. Toisaalta myös kaapelin jompi kumpi pää voi irrota liitoksestaan. Molemmissa tapauksessa kaapeli jää ilman päätevastusta, jolloin signaali kulkee edestakaisin ja verkon toiminta estyy. Verkko ns. kaatuu. Sama tilanne tapahtuu silloin, jos kaapeli on irronnut jonkin työaseman kohdalta: verkkoon muodostuu kaksi kaapelinpäätä, joita ei ole päätetty asianmukaisella tavalla (vrt. kuva 14).

Kuva 14. Irronnut kaapeli estää verkon toiminnan.

Väylätopologiaverkon laajentaminen

Väyläverkon laajentamisessa verkon fyysinen koko kasvaa, mikä edellyttää verkkokaapelin jatkamista. Väylätopologiassa, missä käytetään useimmiten ns. Ohut-Erhernet -kaapelointia, liitos tehdään jatkoliitinkappaleella (BNC barral connector), vrt. kuva 15. Koska jokainen jatkoliitin heikentää verkon signaalia, niitä on käytettävä säästeliäästi. Eli tarvittaessa on parempi ostaa yksi pitkä kaapeli kuin monta lyhyttä liitettävää kaapelinpätkää. 

Kuva 15. Jatkoliitintä voidaan käyttää kahden kaapelisegmentin yhdistämisessä.

Toinen vaihtoehto väylätopologian laajentamisessa on käyttää toistinsa (repeater). Toistin voimistaa signaalia ennen kuin se lähettää signaalin eteenpäin. Toistin parempi kuin liitin tai pitkä kaapeli, koska se sallii signaalin kulkemisen hyvinkin pitkälle. Toistinsa voidaan käyttää silloin, kun signaali kaapelissa alkaa heikentyä, mutta verkkoa pitäisi edelleen jatkaa (vrt. kuva 16).

Kuva 16. Toistinta voidaan käyttää heikentyneen signaalin voimistamiseen. (Verkkotekniikka +)

Vaikka väylätopologia on sinänsä toimiva verkkotekniikka, sen merkitys nykyaikaisessa LAN-tekniikassa on vähäinen. Silti käyttäjä saattaa kyseiseen tekniikkaan tänäänkin vielä törmätä. Väylätopologian tunteminen selittää kuitenkin monia tärkeitä verkon toimintaperiaatteista, joten sen toimintaidean hallinta kuuluu verkkotekniikan osaajan perustietouteen.

1.5.2 Tähtitopologia

Tähtitopologiassa tietokoneet on kytketty toisiinsa kaapelisegmenteillä, joiden toinen pää on kytketty yhteiseen komponenttiin, jota sanotaan keskittimeksi (hub). Kuvassa 17. näkyy neljä keskittimeen kytkettyä tietokonetta. 

Kuva 17. Yksinkertainen tähtiverkko, jossa työasemat on kytketty tähtimäisesti keskittimeen.

Tähtitopologiassa signaali kulkee lähetettävästä tietokoneesta keskittimen kautta kaikkiin verkon tietokoneisiin. Topologia periytyy tietojenkäsittelyn alkuajoilta, jolloin työasemat oli kytketty tähtimäisesti keskustietokoneeseen. Tämä tekniikka on edelleen käytössä niissä tapauksissa, joissa käyttäjä käyttää ns. tyhmää päätettä, mikä tarkoittaa, että kaikki tietokoneelle tuleva tieto tulee yhdestä keskustietokoneelta eikä päätteen käyttäjä voi vaikuttaa millään tavalla keskustietokoneen tarjoamiin ohjelmiin.

Voidaan sanoa, että tähtiverkkoa hallitaan keskitetysti, koska kaikki tietokoneet on kytketty yhteen keskukseen. Topologian huono puoli on se, että suuressa verkossa vaaditaan runsaasti kaapeleita. Lisäksi jos keskitin menee epäkuntoon, koko verkko on saman tien "nurin".

Toisaalta yhden tietokoneen tai kaapelin rikkoutuminen ei aiheuta ongelmia verkon muille koneille. 

Tänä päivänä on syytä huomauttaa, ettei tähtitopologian mukainen verkko edellytä keskitintä. Keskittimen asemasta käytetään tänään päivänä etupäässä kytkimiä. 

1.5.3 Rengastopologia

Jos tietokoneet on kytketty kaapeliin, joka muodostaa suljetun silmukan, puhutaan rengastopologiasta. Topologiassa koneet on kytketty toisiinsa yhdellä rengasmaisella kaapelilla. Rengasverkossa ei ole kaapelin päitä, jotka vaatisivat päätevastusta eli terminaattoria (vrt. edellä väyläverkko). Signaali kulkee silmukassa yhteen suuntaan koneesta toiseen. Toisin kuin väylätopologiassa, kukin tietokone toimii toistimen tapaan eli vahvistaa signaalia ja lähettää sen eteenpäin seuraavalle koneelle. Koska signaali kulkee kaikkien koneiden kautta, häiriö yhdessä koneessa voi vaikuttaa koko verkon toimintaan.  

Token Ring ja vuoromerkki

Eräs rengastopologiassa yleinen tapa välittää tietoa on käyttää erityistä vuoromerkkiä (token ring). Vuoromerkki on erityinen bittisarja, jota kuljetetaan pitkin rengasverkkoa. Kullakin renkaalla on käytössä yksi vuoromerkki. Vuoromerkki kulkee koneelta toiselle, kunnes se kohtaa tietokoneen, jolla on lähetettävänä tietoa. Lähettävä työasema muokkaa vuoromerkkiä, liittää lähetettävään tietoon osoitteen ja lähettää sen eteenpäin renkaaseen. Tieto kulkee koneelta toiselle kunnes sen löytää koneen, jonka osoite vastaa tiedon mukaan liitettyä konetta. Toisaalta vastaanottavat kone palauttaa lähettävälle koneelle viestin, joka kertoo, että tieto on vastaanotettu. Kun tänä on vahvistettu. lähettävä tietokone luo uuden vuoromerkin ja vapauttaa sen verkkoon (vrt. kuva 18.).

Kuva 18. Työasema saa vuoromerkin ja välittää sen edelleen rengasverkkoon.

1.5.4 Mesh-topologia

Mesh-topologiassa jokainen tietokone on yhdistetty kaikkiin muihin tietokoneisiin erillisellä kaapelilla. (Mesh = verkko, kudos). Vrt. kuva 19.

Kuva 19. Mesh-topologiassa jokainen tietokone on kytketty kaikkiin muihin tietokoneisiin erilisillä kaapeleilla.

1.5.5 Keskittimet ja perustopologioiden muunnelmat

Kuten edellä mainittiin (vrt kuva 17.), keskittimellä on tärkeä rooli tähtitopologiassa. Toisaalta keskittimet käyttäytyvät verkossa eri tavoin riippuen siitä ovatko ne aktiivisi, passiivisia vaiko hybridikeskittimiä.

Useimmat keskittimet ovat aktiivisia eli ne voivat uudistaa signaalia ja lähettää ne eteenpäin samaan tapaan kuin toistimetkin. Koska keskittimissä on useita portteja tietokoneille, niitä kutsutaankin toisinaan  moniporttitoistimiksi. 

Eräät keskittimet ovat passiivisia, jolloin ne eivät vahvista tai uudista kaapelissa kulkevaa signaalia; signaali vain kulkee keskittimen kautta.

Hybridikeskittimet ovat edistyneempiä keskittimiä. Niihin voi kytkeä useampia kaapelityyppejä ja keskitinverkkoja voidaan laajentaa käyttämällä hierakkisesti useampia keskittimiä (vrt. kuva 20).

Kuva 20. Hybridikeskitin.

Kuten edellä on todettu, keskittimet ovat monikäyttöisiä laitteita. Kun tavallisessa lineaarisessa väylätopologiassa (vrt kuva 14.) kaapelin katkeaminen kaataa pahimmassa tapauksessa koko verkon, niin keskittimiä käytettäessä kaapelin katkeamine vaikuttaa vain yhden segmentin alueella eli vain yhdessä työasemassa (vrt. kuva 21).

Kuva 21. Keskitintä käytettäessä katkos tai kytkemätön kaapeli vaikuttaa vain sen päässä olevaan koneeseen muun verkon pysyessä toimintakuntoisena.

Muita keskittimiä käyttävien topologioiden etuja ovat:

• kaapeloinnin muuttamisen helppous
• eri porttien käyttäminen erilaisiin kaapelityyppeihin sopeutumiseksi
• keskitetty verkon toiminnan ja liikenteen seuraaminen

Toisaalta kaikista edellä mainituista topologioista voidaan rakentaa monenlaisia muunnelmia. usein todelliset toimivat topologiat ovat yhdistelmiä väylästä, tähdestä, renkaasta ja mesh-topologiasta.

Tähtiväylä

Tähtiväylässä yhdistetään väylä- ja tähtitopologiat. tähtiväylässä useampi tähtitopologiaan perustuva verkko on liitetty yhteen lineaariseen runkoväylään (vrt. kuva 22).

Kuva 22. Tähtiväyläverkko.

Tähtirengas

Tähtirengas näyttää samanlaiselta kuin tähtiväylä (vrt. Kuva 23.) Molemmat rakenteet käyttävät keskitintä, joka sisältää varsinaisen renkaan tai väylän. Lineaarinen väylärakenne on liitetty keskittimeen tähtiväylänä, kun taas keskittimet muodostavat rengasmaisen tähtirenkaan pääkeskittimen kanssa.

Kuva 23. Tähtirengasverkko.

Vertaisverkko

Jos verkon tarpeet ovat pienet, niin eräs mahdollisuus on käyttää vertaisverkkoa. Tällainen verkko voidaan konfiguroida fyysisesti joko tähtitopologian tai väylätopologian mukaisesti. Koska kaikki koneet ovat vertaisverkossa samanarvoisia, looginen topologia näyttää seuraavalta (vrt. kuva 24).

Kuva 24. Vertaisverkon looginen topologia.

Tehtävä 4. 

Alla olevassa taulukossa on vertailtu eri topologioiden etuja ja haittoja. Kerro mihin topologiaan sarakkeiden A, B, C ja D ominaisuudet kuuluvat (Esim. A on ???? topologia jne.).

Tehtävä 5.

Vastaa seuraaviin kysymyksiin.

1. Mitkä ovat verkossa käytettävien kaapeleiden kolme päätyyppiä?

a)
b)
c)

2. Mitkä ovat koaksiaalikaapelien kaksi tyyppiä?

a)
b)

3. Miten pitkälle a) ohut koaksiaalikaapeli ja b) paksu koaksiaalikaapeli voivat kuljettaa signaalia?

a)
b)

4. Mitä tarkoittavat lyhenteet a) STP ja b) UTP? c) Kerro näiden perusero.

a)
b)
c)

5. Minkä nimisiä liittimiä kierretyissä parikaapeleissa käytetään?

6. Mikä kaapelityyppi antaa suurimman suojan häiriöitä vastaan?

Tehtävä 6.

Vastaa seuraaviin kysymyksiin tai täytä aukot oikeilla sanoilla.

1. Nimeä vähintään kaksi resurssia, joita usein jaetaan verkossa.

2. Mitkä ovat kaksi verkkojen pääryhmää?

3. Verkkojen käytön tärkein syy on ________ resursseja.

4. Vertaisverkossa kone voi toimia sekä __________ että  ___________.

5. Mikä on palvelimen tehtävä palvelinperusteisessa verkossa?

6. Verkkoammattilaiset käyttävät usein termiä __________ viittaamaan verkon fyysiseen rakenteeseen.

7. Neljä perustopologiaa ovat ______, _______, _______ ja _______.

8. Väylätopologiassa kaikki tietokoneet on liitetty sarjaan. Signaalin heikentyminen kaapelin päässä estetään varustamalla kaapelin pää _________:

9. ______topologiassa kaikki segmentit liitetään keskitetysti laitteeseen, jonka nimi on ________.

10. _________ topologiassa minkä tahansa kaapelin katkeaminen aiheuttaa koko verkon kaatumisen.

11. Luotettavin ja kallein topologia toteuttaa on  _________-topologia.

Rengastopologiassa ____________ kuljetetaan segmentistä toiseen. Että jokin tietokone voisi lähettää verkkoon dataa, sen on ensin saatava haltuunsa __________.