Topologia di rete

Topologia della rete – Classificazione in base alla gerarchia dei nodi

In base alla gerarchia dei suoi nodi è possibile distinguere le seguenti tipologie di reti:

–reti client-server: i nodi sono o dei client (chi chiede dati o risorse) o dei server (sistemi che rispondono alle richieste inoltrate dai client). Spesso le reti informatiche sono organizzate sotto un’architettura client-server dove il client istanzia una richiesta di servizio al server per usufruire di risorse condivise tra tutti gli utenti della rete. I client sono solo in grado di inviare richieste ai server e questi ultimi solo di comunicare tra di loro e di rispondere ai client.^[
–reti peer-to-peer: tutti i nodi sono sia client che server, tutti trasmettono e ricevono dati contemporaneamente. In questa architettura tutti i dispositivi connessi alla rete hanno le stesse capacità, tutti possono inviare e ricevere dati comunicando con gli altri peer. Vi è un server che tiene una lista aggiornata di tutti i computer connessi in modo tale che chi si connette è in grado di iniziare subito a comunicare con i peer adiacenti. Una particolare politica adottata da questo sistema è scaricare per primi i dati più rari per poi procedere a scaricare i dati più facilmente reperibili.
–reti ibride.

Sezioni di una rete
In ogni rete di grandi dimensioni (WAN), è individuabile una sezione di accesso, che dà vita alla rete di accesso, e una sezione di trasporto, che dà vita alla rete di trasporto.

La sezione di accesso ha lo scopo di consentire l’accesso alla rete da parte dell’utente, e quindi di solito rappresenta una sede di risorse indivise (Si pensi ai collegamenti ADSL commerciali: La porzione di cavo che ci collega alla centrale è un doppino telefonico, utilizzato esclusivamente dall’abbonato). La sezione di accesso altresì comprende tutti quegli strumenti idonei a consentire l’accesso alla rete. Quindi possiamo distinguere vari tipi di accesso: “Residenziale” (Classica linea a 56 Kbit/s, linea ISDN/ADSL), “Business” (Rete Locale dell’azienda e Gateway o Proxy che consente l’accesso all’esterno), “Mobile” (si pensi ad esempio al GSM, che consente un accesso basato su una rete a radiofrequenza con copertura “cellulare”), o “Wireless”.

La sezione di trasporto è quella che ha il compito di trasferire l’informazione tra vari nodi di accesso, utilizzando se è necessario anche nodi di transito. È sede quindi di risorse condivise sia di trasporto dati sia di elaborazione. Dal punto di vista strutturale, una rete di trasporto è costruita quasi esclusivamente attraverso fibre ottiche (es. Backbone).

Una rete di complessità arbitraria può essere sempre scomposta in una combinazione di topologie elementari a loro volta interconnesse tra loro.

Le topologie elementari si possono ricondurre a quattro tipi fondamentali:

• le topologie lineari semplici, in cui ciascun nodo è collegato a due nodi adiacenti con un solo ramo; rientrano in questo tipo la topologia lineare aperta e la topologia ad anello;

• le topologie lineari complesse, a struttura gerarchica, in cui per ogni coppia di nodi esiste un solo percorso di collegamento e ogni nodo è collegato con uno o più rami ai nodi di gerarchia inferiore (rientrano in questo tipo le topologie ad albero propriamente dette e la topologia a stella);

• la topologia punto a punto, la più semplice, con un canale dedicato e diretto tra due endpoint;

• la topologia a maglia o magliata, in cui ogni nodo è connesso direttamente agli altri nodi, usando per ciascun collegamento un ramo dedicato;

• la topologia a bus, in cui tutti i nodi condividono lo stesso unico collegamento;

Ad esclusione della topologia a bus, in tutte le altre strutture lo scambio di informazioni tra due nodi qualsiasi della rete implica l’utilizzo di uno o più rami con l’attraversamento di nodi intermedi. Ogni ramo percorso costituisce un salto (hop): in queste strutture quindi il segnale trasmesso deve effettuare uno o più hop per giungere alla sua destinazione.

Topologia lineare aperta

In questo tipo di topologia, spesso chiamata anche daisy-chain, ogni nodo è collegato con un ramo al nodo adiacente precedente e con l’altro ramo al nodo adiacente successivo. I nodi terminali sono invece adiacenti a un solo nodo. La comunicazione tra due nodi non adiacenti deve attraversare tutti i nodi intermedi, percorrendo i rami relativi: ogni passaggio tra due nodi viene detto salto o hop.

In una rete lineare aperta costituita da N nodi, il numero R di rami necessari per il collegamento tra tutti i nodi è dato dalla relazione:

{\displaystyle R=N-1}

Questa relazione inoltre fornisce anche la formula del numero di hop necessari perché un’informazione generata da un nodo A raggiunga il nodo di destinazione B dovendo attraversare una sottorete composta complessivamente da N nodi (A, B e gli N-2 nodi intermedi).

Questa topologia possiede considerevoli svantaggi, primo tra tutti la scarsissima affidabilità: se un nodo si guasta o un ramo si interrompe, la rete viene divisa in due sottoreti isolate. Anche per quanto riguarda la scalabilità, questa struttura è poco efficiente, dato che comporta un’interruzione dell’attività di rete per aggiungere o eliminare un nodo intermedio.

Topologia rete ad anello

Una topologia ad anello è una topologia lineare di tipo chiuso, in cui a tutti i nodi fanno capo due rami. Tutti i nodi sono collegati con un ramo al nodo adiacente precedente e con l’altro ramo al nodo adiacente successivo.

In una rete ad anello costituita da {\displaystyle N} nodi, il numero di rami necessari per il collegamento tra tutti i nodi è dato dalla relazione:

{\displaystyle R=N}

Questa formula fornisce anche la relazione per determinare in modo algoritmico il numero di hop necessari per percorrere l’intero anello e viene usata anche per evitare situazioni in cui un’informazione continua a percorrere l’anello indefinitamente senza mai arrivare a destinazione, consumando banda.

Le topologie ad anello sono molto diffuse per via dell’alta tolleranza/robustezza ai guasti dato che l’informazione trasmessa può viaggiare in entrambi i versi/sensi dell’anello per raggiungere una certa destinazione, e non necessita di un nodo centrale per gestire la connessione tra i computer.

Consentono inoltre di ottimizzare l’utilizzo della banda disponibile, per esempio inviando alcuni pacchetti in un verso e altri pacchetti nel verso opposto, bilanciando così l’impiego delle risorse e limitando la possibilità che una parte dell’anello risulti congestionata mentre l’altra parte è scarica.

Di contro, la scalabilità presenta dei problemi, dato che l’aggiunta o la rimozione di un nodo presuppone una variazione della velocità della rete e l’apertura dell’intero anello e inoltre, a seconda delle tecnologie trasmissive e dei protocolli trasmissivi, potrebbe esserci un limite al numero massimo di nodi utilizzabili, per esempio per vincoli legati all’eventuale numero massimo di hop consentiti o al ritardo di propagazione ammesso.

Nel campo delle reti di computer, le più diffuse implementazioni della rete ad anello sono la Token ring e la Token bus, in cui un pacchetto viene trasmesso da un nodo all’altro fino ad arrivare a destinazione, con un meccanismo di salvaguardia che evita che un pacchetto continui a girare indefinitamente nell’anello (quando il pacchetto viene ricevuto di nuovo nel nodo in cui è entrato nell’anello, ossia quando ha compiuto un giro completo senza riconoscere alcun nodo come destinazione, viene scartato, vedi relazione sul numero di hop).

TOKEN RING

In telecomunicazioni e informatica una rete Token ring, ovvero rete ad anello con passaggio del testimone, è un tipo di rete ad anello in cui la determinazione di quale calcolatore abbia diritto a trasmettere avviene tramite un particolare messaggio, detto token (gettone). Si appoggia ed implementa le specifiche descritte nello standard IEEE 802.5.

Nel caso delle reti telefoniche, le strutture ad anello vengono usate per la distribuzione e aggregazione del traffico sia su area metropolitana che su area regionale, oltre che per collegamenti di lunghissima distanza come le reti sottomarine transcontinentali. Ogni calcolatore è collegato ad altri due formando un cerchio. Questo, ovviamente, a livello concettuale, in quanto nella realtà ciò non avviene, ma la rappresentazione grafica aiuta a capire il funzionamento. All’interno di questa rete solo un calcolatore alla volta può trasmettere, quello in possesso del token. Esso avvia la trasmissione dei dati trasferendoli al calcolatore vicino, il quale lo prende in consegna se è il destinatario, oppure ripetendo a sua volta il segnale verso l’altro calcolatore ad esso collegato, così fino a raggiungere il destinatario. Il destinatario poi setterà un bit nell’header del pacchetto confermando l’avvenuta ricezione. Il calcolatore che ha inviato il frame “lascerà” il token una volta che avrà ricevuto il suo frame trasmesso (passerà da calcolatore a calcolatore). Quando il calcolatore che è in possesso del token ha terminato la trasmissione dei dati passa il token a quello vicino. Quest’ultimo se deve trasmettere dati inizia la comunicazione, altrimenti cede immediatamente il token senza impegnare il canale. Ogni calcolatore, ogni volta che riceve il token, può trasmettere al massimo un solo frame, quindi deve consegnare il token al terminale vicino.

In telecomunicazioni Token bus (standard IEEE 802.4) è un protocollo di rete che definisce un tipo di accesso multiplo o connessione di rete tra computer all’interno di reti locali a segmento di bus condiviso.

TOKEN BUS

Nella rete di calcolatori interconnessa tramite un bus viene definito un anello logico cioè una sequenza ciclica di stazioni cioè viene deciso a piacimento un ordinamento delle stazioni. In questo anello logico circola un gettone (token) il quale contiene il numero progressivo della stazione di destinazione e che abilita la stazione che momentaneamente lo possiede a trasmettere pacchetti sul canale di comunicazione comune durante l’intero tempo di possesso del token. In altre parole viene strutturata a livello logico la tecnica di connessione a livello fisico token passing ring.

Può essere visto anche come una particolare forma di accesso multiplo di tipo TDMA scandito dal token dove lo slot temporale di trasmissione è rappresentato dall’intervallo temporale di possesso del bus, ma senza le difficoltà implementative legate alla sincronizzazione nello slot di competenza delle stazioni trasmittenti. Il vantaggio del token bus rispetto al più semplice token ring è che esso rappresenta una valida alternativa quando non c’è possibilità o difficoltà di stendere fisicamente una rete ad anello. Il bus è infatti una rete comoda che può essere inserita facilmente in qualsiasi tipo di edificio.

Topologia punto a punto

È la topologia più semplice con un collegamento dedicato tra due endpoint.

Il più semplice da comprendere, tra le variazioni della topologia punto-punto che appare, all’utente, in modo da essere associato permanentemente ai due endpoint. Il telefono con i barattoli e il filo di stoffa che li collega è un esempio di canale fisico dedicato. Utilizzando tecnologie di commutazione di circuito o commutazione a pacchetto, un circuito point-to-point può essere impostato dinamicamente e rilasciato quando non più necessario.

Le topologie commutate point-to-point sono il modello base della telefonia convenzionale.

Il valore di una rete punto-punto permanente è una comunicazione senza impedimenti tra i due endpoint. Il valore di una connessione point-to-point su richiesta è proporzionale al numero di potenziali coppie di abbonati ed è stato espresso come Legge di Metcalfe. Questa rete è utilizzata nei ponti radio wireless a lunga distanza e, quindi, le due stazioni sono collegate tramite un canale diretto.

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