Топологии локальных сетей: определение, значения, виды, типы, функции

Всем привет! Сегодня я постараюсь как можно подробнее ответить на вопрос, что же такое топология локальных сетей, какие они бывают и как их правильно подобрать? Если говорить грубо, то это схема, по которой будут подключаться компьютеры, серверы и другое сетевое оборудование. Это важная составляющая любой локальной вычислительной сети (ЛВС), так как от этого будет зависеть скорость работы канала, удобство обслуживания, а также устойчивость к различным аварийным ситуациям.

Топология нужна не только системным администраторам в больших компаниях. С ней сталкивается почти каждый человек, даже если он просто подключает дома роутер, телевизор, ноутбук, сетевой принтер или камеру видеонаблюдения. От того, как именно соединены устройства, зависит простая вещь: будет ли сеть нормально работать, легко ли будет найти поломку и можно ли будет без боли добавить новое устройство. Например, если все домашние устройства подключены к роутеру, у вас уже есть простая «звезда». Если же в офисе несколько коммутаторов соединены между собой и от них расходятся кабели по кабинетам, то это уже больше похоже на древовидную или смешанную схему.

Коротко про ЛВС

Локальная вычислительная сеть – это сеть нескольких компьютеров, серверов, маршрутизаторов, принтеров, камер и других устройств, которые работают в одном локальном пространстве – это может быть кабинет, дом, квартира или целое здание. Ключевое слово тут «локальный» – то есть находится в одном определенном месте.

Обычно такие компьютеры могут общаться напрямую друг с другом. Если у вас дома есть роутер, то вы уже находитесь в локальной сети. ЛВС разделяются на два типа:

• Централизованные – в сети есть компьютер, сервер или сетевое оборудование, которое управляет локалкой.
• Одноранговые – в такой сети каждый компьютер имеет одни и те же права.

В обычной домашней сети чаще всего все выглядит просто: роутер выдает устройствам IP-адреса, раздает интернет и соединяет их между собой. Но внутри этой простой схемы работает сразу несколько важных вещей: MAC-адреса помогают отличать устройства на канальном уровне, IP-адреса нужны для обмена данными, а DHCP обычно автоматически выдает настройки. Пользователь этого почти не видит, но именно из-за этих механизмов ноутбук может найти принтер, телевизор может открыть медиасервер, а смартфон может управлять камерой. Если где-то ошибка в настройках, устройство может быть подключено к Wi-Fi, но при этом не видеть другие устройства в локальной сети.

Локальную сеть создают в первую очередь для общения компьютеров и других устройств между собой. Например, дома к роутеру вы можете подключить сетевой принтер, и каждый пользователь, подключенный к маршрутизатору, может печатать с него документы. Вы можете смотреть фильмы, находящиеся на компьютере, по DLNA на телевизоре.

Еще один простой пример – общий доступ к папке на компьютере. Допустим, у вас в комнате стоит ПК с большим жестким диском, а в другой комнате ноутбук. Если оба устройства находятся в одной ЛВС и общий доступ настроен правильно, то файлы можно копировать по сети без флешки и без загрузки в облако. Важно только понимать, что локальная сеть – это не всегда интернет. Интернет может пропасть, но устройства внутри одной домашней сети часто продолжают видеть друг друга, если роутер и сама локалка работают.

В крупных компаниях с помощью ЛВС можно осуществлять документооборот и общение сотрудников, использование общих принтеров, сканеров и другого сетевого оборудования. Также можно осуществлять контроль трафика.

В офисах локальная сеть почти всегда строится с запасом. Там важно не просто «чтобы был интернет», а чтобы бухгалтерия, склад, отдел продаж, камеры, телефония и гостевой Wi-Fi не мешали друг другу. Для этого используют управляемые коммутаторы, VLAN, отдельные подсети, правила доступа и нормальную кабельную систему. Такая схема сложнее домашней, зато при правильной настройке она безопаснее и удобнее в обслуживании.

Для подключения компьютеров к локалке обычно используют два вида кабеля:

• Витая пара – достаточно дешевая, но имеет ограничение по максимальному расстоянию передачи данных. Для обычного Ethernet чаще всего ориентируются на длину линии до 100 метров с учетом кабеля, розеток и патч-кордов. На практике лучше не тянуть кабель «впритык», а оставлять небольшой запас по качеству линии. Читать подробно…
• Оптическое волокно – передача данных происходит с помощью светового сигнала. За счет этого расстояние передачи может быть намного больше, а линия меньше боится электромагнитных помех. Один из минусов такой технологии – сложность монтажа и сращивания кабеля: для этого обычно нужны специальные инструменты, опыт и аккуратность. Читать подробно…

Также для подключения можно использовать Wi-Fi – это специальная технология, которая позволяет передавать данные с помощью радиоволн. Более подробно про нее можно почитать тут.

Если говорить совсем просто, кабель обычно выбирают там, где нужна стабильность: компьютер, сервер, телевизор, игровая приставка, IP-камера или рабочее место в офисе. Wi-Fi удобнее для смартфонов, планшетов и ноутбуков, которые постоянно перемещаются. Но беспроводная сеть зависит от стен, соседских сетей, помех и расстояния до роутера. Поэтому в хорошей локальной сети часто используют оба варианта: важные устройства подключают кабелем, а мобильные – по Wi-Fi.

Есть также центральные клиентские машины – обычно это компьютеры, ноутбуки или рабочие станции. Для управления используют серверы или маршрутизаторы (роутеры). Если дома у вас есть роутер, то вы уже можете понять, что центральным звеном сети является эта маленькая коробочка. Роутер не только раздает интернет по проводам и Wi-Fi, но также является шлюзом с глобальной сетью интернет.

Советую более подробно почитать про роутер тут.

Также есть оборудование, которое используется только для подключения большого количества устройств. Такие аппараты называют коммутаторами. С виду они очень похожи на роутеры, но имеют совсем другое предназначение. Разбирать их мы не будем, но если кому интересно, то про коммутаторы можно подробно почитать в этой статье.

На текущий день в проводных локальных сетях чаще всего используется именно связка «роутер + коммутатор». Роутер обычно отвечает за интернет, NAT, DHCP и маршрутизацию между сетями, а коммутатор просто соединяет устройства внутри локальной сети на высокой скорости. В маленькой квартире эти роли часто объединены в одном устройстве, потому что домашний роутер уже имеет несколько LAN-портов. В офисе одного предназначение. Разбирать их мы не будем, но если кому интересно, то

Про топологию

Что понимается под топологией локальной сети? Итак, что же такое локальная вычислительная сеть, мы разобрались. И тут у каждого грамотного инженера встает вопрос, а как ее построить, чтобы все работало. На помощь приходит топология локальной сети – это некая схема подключения всех устройств для нормальной работы, где есть:

• Узлы – это сами устройства: компьютеры, серверы, принтеры, камеры, роутеры, коммутаторы.
• Ребра – обычно это физическая или логическая связь между двумя узлами.

Тут важно не путать картинку на бумаге и реальную работу сети. Физически кабели могут быть проложены по коридорам, этажам и шкафам совсем не так красиво, как на схеме. А логически сеть может быть разделена на несколько частей, хотя все кабели приходят в один коммутатор. Например, сотрудники и гости могут подключаться к одному и тому же устройству, но находиться в разных VLAN и не видеть друг друга.

Типы

Есть типы топологий:

• Информационная – показывает направление потока данных между узлами.
• Физическая – обычная схема, где показано приблизительное расположение узлов и связей.
• Логическая – показывает, как данные проходят по сети с точки зрения протоколов и правил.
• Административная – показывает уровни прав, зоны ответственности и доступы. Это не классическая кабельная топология, но на практике такая схема тоже помогает понять, кто и к чему имеет доступ.

На практике чаще всего смотрят сразу на две схемы: физическую и логическую. Физическая отвечает на вопрос «куда воткнут кабель», а логическая – «куда реально идут данные». Например, два компьютера могут быть подключены к одному коммутатору, но если они находятся в разных VLAN, то напрямую общаться они не будут. Поэтому при проектировании сети одной красивой картинки с кабелями недостаточно.

Виды

Если разделить более грубо, то есть две сети: полносвязные и неполносвязные.

Полносвязная ЛВС – когда каждое устройство связано с каждым. Проблемой такого подключения является наличие у того же компьютера большого количества портов, чтобы иметь связь со всеми компьютерами. Применяется крайне редко. Плюс есть проблема при масштабировании такой системы.

Полносвязная схема хорошо выглядит в теории, потому что у каждого узла есть прямой путь к каждому другому узлу. Но в обычной локальной сети такой подход почти никогда не нужен: слишком много кабелей, портов и лишней сложности. Если устройств пять, соединений уже получается много, а если устройств десятки, схема становится практически неподъемной. Зато похожие идеи частично используются там, где нужна высокая отказоустойчивость: например, в магистральных соединениях между коммутаторами, серверами или дата-центрами.

Так как полносвязные очень редко где применяются, мы поговорим про неполносвязные и их разновидности.

Шина

Один из самых дешевых способов связи. Есть один общий кабель, к которому подключаются другие компьютеры. В классических вариантах такой топологии часто использовали коаксиальный кабель. На концах кабеля ставят терминаторы, которые уменьшают отражения и искажения сигнала.

На текущий день «шина» в обычных домашних и офисных Ethernet-сетях почти не используется. Ее важно знать для понимания истории и принципов построения сетей, но современные кабельные сети обычно строятся через коммутаторы по схеме «звезда» или «дерево». Главная проблема шины – общий канал: все устройства делят одну среду передачи данных. Если в такой сети появляется ошибка на кабеле или плохой контакт, найти место поломки бывает неприятно, потому что страдать может сразу весь сегмент.

Кольцо

Каждый узел имеет два подключения, на входной и выходной сигнал. В итоге все компьютеры подключены в своеобразное «кольцо».

В классическом «кольце» данные проходят от одного устройства к другому по кругу. Здесь важно понимать нюанс: простое одинарное кольцо не является волшебно отказоустойчивым. Если разорвать линию или отключить один узел без обходного механизма, работа всего кольца может нарушиться. В более серьезных сетях используют двойное кольцо или специальные протоколы резервирования, чтобы при аварии трафик пошел по другому пути. Поэтому, когда где-то пишут, что «кольцо не боится поломок», всегда нужно уточнять, о каком именно варианте кольца идет речь.

Звезда

Есть центральное сетевое устройство, которое связывает между собой все компьютеры и другие устройства. Чаще всего в этой роли выступает коммутатор, роутер или точка доступа. Например, у вас дома при использовании роутера все домашние устройства подключаются к центральной коробочке – поэтому вы тоже используете топологию «звезда».

Именно «звезда» чаще всего встречается в современных домашних и офисных сетях. В квартире это выглядит так: смартфоны, ноутбуки и телевизор подключаются к роутеру, а стационарный компьютер может быть подключен к нему кабелем. В офисе схема похожая, только вместо одного домашнего роутера обычно стоит несколько коммутаторов, которые собирают подключения от рабочих мест. Главное преимущество тут в том, что поломка одного кабеля обычно отключает только одно устройство, а не всю сеть.

Если вы строите сеть дома или в небольшом офисе, почти всегда стоит отталкиваться именно от «звезды». Это самый понятный и удобный вариант: все кабели идут в одно место, а неисправность проще найти. Например, если не работает один компьютер, можно проверить его кабель, порт коммутатора и сетевую карту, не трогая остальные устройства. А вот схемы «шина» и простое «кольцо» сейчас чаще нужны для учебы и понимания принципов, чем для реальной новой сети.

Другие виды

На самом деле существует очень много видов ЛВС. К ним можно отнести ячеистую ЛВС – где компьютеры очень близко напоминают подключение как в полносвязной сети. Можно также встретить «смешанный» вид – когда в одной сети используются сразу несколько топологий.

Еще часто выделяют древовидную топологию. Это когда есть центральный узел, от него идут соединения к коммутаторам поменьше, а уже к ним подключены конечные устройства. В многоэтажном офисе это может выглядеть так: главный коммутатор стоит в серверной, на каждом этаже есть свой этажный коммутатор, а от него кабели идут к рабочим местам. Такая схема удобна для роста сети, но требует аккуратной маркировки портов и кабелей. Если кабели не подписывать, потом поиск неисправности превращается в угадайку.

Ячеистая топология хороша там, где важна отказоустойчивость. Смысл простой: между устройствами есть несколько путей, и при повреждении одного соединения данные могут пойти по другому маршруту. В домашних условиях похожую идею можно увидеть в Mesh Wi-Fi системах, где несколько модулей создают единую беспроводную сеть. Но в проводных ЛВС полноценная ячеистая схема дороже и сложнее, поэтому ее используют не везде, а только там, где это действительно оправдано.

Централизованная и децентрализованная система

Нужно еще понимать такое понятие, как «централизованная система» ЛВС – когда сеть построена таким образом, что в ней есть сервер или устройство, которое полностью контролирует работу в локалке. Также в такой системе может быть своя база данных, где хранится определенная информация, с которой работают клиенты. Вся работа ограничена по правам. Пользователи имеют иерархическую систему доступа.

Также очень часто есть разделение на подсети. Например, у нас в организации есть несколько отделов:

• Бухгалтерия.
• Юридический отдел.
• Отдел кадров.

Нужно разделить эти сети таким образом, чтобы они не имели доступ друг к другу. Вот для этого нужно грамотно настроить систему. В децентрализованной системе обычно каждый компьютер и клиент имеет равные права. Обычно используются в маленьких локальных компьютерных сетях.

Для разделения отделов часто используют VLAN – это логическое разделение одной физической сети на несколько отдельных частей. Например, бухгалтерия, камеры видеонаблюдения и гостевой Wi-Fi могут быть подключены к одним и тем же коммутаторам, но логически находиться в разных сетях. Это повышает безопасность: гость с телефона не должен видеть бухгалтерский компьютер или сетевое хранилище. Если хотите подробнее разобраться в этой теме, у нас есть отдельная статья про VLAN простыми словами.

Разделение на подсети – это не только про безопасность, но и про порядок. Когда все устройства находятся в одной общей куче, со временем становится сложно понять, где принтеры, где камеры, где рабочие компьютеры, а где гостевые устройства. В маленькой квартире это обычно не критично, но в офисе такая путаница быстро мешает работе. Поэтому нормальная сеть проектируется заранее: кто куда подключается, какие адреса получает и какие права имеет.

Какую топологию выбрать на практике

Если говорить максимально просто, для дома и малого офиса почти всегда выбирают «звезду» или ее расширенный вариант – «дерево». В центре стоит роутер или основной коммутатор, а остальные устройства подключаются к нему напрямую или через дополнительные коммутаторы. Это удобно, понятно и хорошо масштабируется. Например, если у вас закончились LAN-порты на роутере, можно добавить обычный коммутатор и подключить к нему телевизор, ПК, приставку и сетевое хранилище.

Для квартиры я бы советовал такую схему: роутер поставить ближе к центру помещения, стационарные устройства по возможности подключить кабелем, а Wi-Fi оставить для мобильных устройств. Для частного дома или большого офиса лучше заранее продумать место под небольшой сетевой шкаф, куда будут сходиться кабели от комнат, камер и точек доступа. Это не обязательно должен быть дорогой шкаф, но порядок в кабелях сильно экономит время в будущем. Через пару месяцев после монтажа никто уже не вспомнит, какой кабель куда идет, если его не подписать.

Для офиса важно сразу думать о запасе. Если сейчас нужно 10 рабочих мест, не стоит покупать коммутатор ровно на 10 портов. Часть портов займут принтеры, точки доступа, камеры, IP-телефоны, серверы или сетевые хранилища. Лучше иметь небольшой запас, чтобы при добавлении нового сотрудника не переделывать всю сеть. Также стоит заранее решить, нужны ли управляемые коммутаторы, VLAN, резервный интернет-канал и отдельная сеть для гостей.

Частые ошибки при построении ЛВС

• Все подключают как попало. Сеть работает, пока маленькая, но потом становится непонятно, какой кабель за что отвечает.
• Не подписывают кабели и порты. Это мелочь только до первой аварии. Когда интернет пропадает у половины офиса, подписи экономят много нервов.
• Экономят на кабеле. Плохая витая пара может давать обрывы, низкую скорость и странные ошибки, которые трудно поймать.
• Ставят один роутер на слишком большую нагрузку. Для квартиры это нормально, а для офиса с десятками устройств уже может быть мало.
• Не разделяют гостевую и рабочую сеть. Гости, камеры и рабочие компьютеры не должны всегда находиться в одной общей локалке.

Перед монтажом даже маленькой сети полезно нарисовать простую схему: где стоит роутер, где коммутатор, куда идут кабели и какие устройства будут подключены. Не нужно быть инженером и рисовать идеально. Достаточно обычного листа или заметки, чтобы потом быстро понять логику подключения. Такая схема особенно помогает, если сеть будет обслуживать не тот человек, который ее собирал.

FAQ для новичков

Какая топология лучше для дома?
Для дома чаще всего лучше всего подходит «звезда»: роутер в центре, а устройства подключаются к нему по Wi-Fi или кабелю. Это просто, дешево и понятно в обслуживании. Если комнат много и Wi-Fi плохо добивает, можно добавить Mesh-систему, точку доступа или дополнительный коммутатор для проводных устройств.

 

Почему современная сеть обычно строится не по «шине»?
Потому что общий кабель и общий канал создают много ограничений. При проблеме на линии может страдать весь сегмент, а скорость и удобство обслуживания хуже, чем у схемы с коммутатором. Современная «звезда» проще для поиска неисправностей: сломался один кабель – обычно отключилось одно устройство, а не вся сеть.

 

Чем физическая топология отличается от логической?
Физическая топология показывает, как реально проложены кабели и куда подключены устройства. Логическая показывает, как ходят данные и какие правила работают внутри сети. Например, физически два компьютера могут быть подключены к одному коммутатору, но логически находиться в разных VLAN и не иметь прямого доступа друг к другу.

 

Можно ли смешивать разные топологии?
Да, и на практике так часто и происходит. Например, дома может быть «звезда» от роутера, а дальше Mesh Wi-Fi добавляет элементы ячеистой сети. В офисе может быть древовидная структура из коммутаторов, а между важными узлами дополнительно делают резервные соединения. Главное – не просто соединять все подряд, понимать, зачем нужен каждый кабель и каждый узел.

Видео

YouTube