Tipi di Topologie di Rete Spiegate

Quando si costruisce una rete di computer, è necessario definire quale tipologia di rete si voglia utilizzare. Esistono molteplici tipologie di reti attualmente in uso, ognuna con i suoi vantaggi e svantaggi. La tipologia scelta determina le prestazioni ottimali della rete, le opzioni di scalabilità, la facilità di manutenzione e i costi della costruzione della rete. Per questo motivo, è importante scegliere la tipologia di rete corretta.

In questo articolo blog viene illustrato quali sono le tipologie di configurazione di rete, i loro vantaggi e i loro svantaggi. Vengono anche fornite raccomandazioni su quale tipologia di rete utilizzare in differenti scenari. I casi pratici dell’utilizzo di una specifica tipologia di configurazione di rete possono aiutare a capire in quale situazione si può applicare ogni tipologia.

Cos’è la Topologia di Rete?

La topologia di rete o configurazione di rete definisce la struttura della rete e come i componenti della rete sono connessi. Le tipologie di topologia di rete sono di solito rappresentate da diagrammi di topologia di rete per comodità e chiarezza. Esistono due tipi di topologia di rete: fisica e logica.

La topologia fisica descrive come i dispositivi di rete (chiamati computer, stazioni o nodi) sono connessi fisicamente in una rete di computer. Il schema geometrico, le connessioni, le interconnessioni, la posizione del dispositivo, il numero di schede di rete utilizzate, i tipi di schede di rete, il tipo di cavo, i connettori del cavo e altro equipaggiamento di rete sono aspetti della topologia fisica della rete.

Topologia logica rappresenta il flusso dei dati da una stazione all’altra, come i dati vengono trasmessi e ricevuti, il percorso dei dati nella rete e quali protocolli vengano utilizzati. La topologia di rete logica spiega come i dati vengano trasferiti su una topologia fisica. Risorse di rete cloud e virtuali fanno parte della topologia logica.

Topologia di rete punto-punto

La topologia di rete punto-punto è la topologia di rete più semplice utilizzata quando solo due computer o altri dispositivi di rete sono collegati tra loro. In questo caso viene utilizzato un unico pezzo di cavo. L’esempio più comune della topologia di rete punto-punto è il collegamento di due computer (che hanno adattatori di rete Ethernet con porte RJ-45) con un cavo a coppie intrecciate (UTP Cat 5e, FTP Cat 5e, STP Cat 5e, ecc.). Il tipo di topologie punto-punto è anche chiamato topologia P2P.

Fai riferimento all’ultima sezione del post del blog per scoprire i diversi Tipi di cavi.

Il cavo crossover Ethernet di categoria 5e è un cavo che ha quattro coppie di cavi intrecciati. Il cavo ha connettori RJ-45 su entrambe le estremità, con cablaggio T568A su una estremità del cavo e T568B sull’altra estremità. Il cavo crossover viene utilizzato per collegare dispositivi di rete dello stesso tipo, come due schede Ethernet di computer diversi. Le moderne schede di rete possono funzionare con un cavo patch senza un cavo crossover quando si collegano due computer utilizzando la topologia di rete punto-punto. La connessione è possibile

I cavi patch o cavi di patch vengono utilizzati per collegare una scheda di rete di un computer a uno switch e per collegare gli switch tra loro. Entrambe le estremità di un cavo di patch vengono crimpati utilizzando lo standard T568B (T568A può essere utilizzato anche per entrambe le estremità del cavo di patch, ma questa pratica non è comune).

Topologia di Rete a Bus

In una topologia a bus, il cavo principale è chiamato cavo comune o cavo di backbone. Le stazioni sono collegate a questo cavo principale utilizzando altri cavi chiamati linee di discesa. Il dispositivo di tap è utilizzato per collegare le linee di discesa al cavo principale. Un cavo coassiale RG-58 con un’impedenza di circa 50-52 Ohm viene di solito utilizzato per costruire la rete in una topologia a bus. I connettori BNC (Bayonet Neill-Concelman) vengono utilizzati per collegare le parti della rete e per collegare un cavo alla scheda di rete. I terminator sono dispositivi installati su ciascuna estremità del cavo di backbone per assorbire i segnali e evitare che i segnali vengano riflessi indietro al bus (la riflessione dei segnali indietro causa gravi problemi nella rete).

La difficoltà di installazione della topologia a bus è media. La topologia richiede meno cavi rispetto ad altri tipi di topologie di rete e costa meno. Questa topologia di rete è utilizzata per reti di piccole dimensioni. La scalabilità è bassa perché la lunghezza del cavo di backbone è limitata e lo è anche il numero di stazioni che possono essere collegate al cavo di backbone. Ogni dispositivo di rete è collegato a un singolo cavo.

A bus topology makes detecting network failures difficult. If the main cable is corrupted, the network goes down. Every additional node slows down the speed of data transmission in the network. Data can be sent only in one direction and is half-duplex. When one station sends a packet to a target station, the packet is sent to all stations (broadcast communication). However, only the target station receives the packet (after verifying the destination MAC address in the data frame). This working principle causes network overload and is not rational. The network of the bus network topology type works in half-duplex mode.

La modalità half-duplex non permette alle stazioni nella rete di trasmettere e ricevere dati contemporaneamente. L’intera larghezza di banda del canale viene utilizzata quando i dati vengono trasferiti in una direzione qualsiasi. Quando una stazione sta inviando dati, le altre stazioni possono solo ricevere dati.

Nel modo full-duplex, entrambe le stazioni possono trasmettere e ricevere dati contemporaneamente. La capacità del collegamento è condivisa tra i segnali che vanno in una direzione e quelli che vanno in un’altra direzione. Il collegamento deve avere due percorsi fisici separati per inviare e ricevere dati. Come alternativa, l’intera capacità può essere divisa tra i segnali che vanno in entrambe le direzioni.

10BASE2 fa parte delle specifiche IEEE 802.3 utilizzate per le reti Ethernet con cavo coassiale. La lunghezza massima del cavo varia tra 185 e 200 metri. La lunghezza massima del cavo coassiale spesso per lo standard 10BASE5 è di 200 metri.

CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access/Collision Detection) è la tecnologia utilizzata per evitare collisioni (quando due o più dispositivi trasmettono dati contemporaneamente e ciò porta alla corruzione dei dati trasmessi) nella rete. Questo protocollo decide quale stazione in quale momento può trasmettere dati. IEEE 802.3 è lo standard che definisce i metodi di accesso LAN (local area network) utilizzando il protocollo CSMA/CD.

Token Bus

IEEE 802.4 è lo standard Token Bus che viene utilizzato per creare un anello logico del token nelle reti costruite utilizzando la topologia a bus. Un token viene passato da una stazione all’altra in una sequenza definita che rappresenta l’anello logico nella direzione oraria o antioraria. Nell’immagine seguente, per la Stazione 3, i vicini sono la Stazione 1 e la Stazione 5, e uno di essi viene selezionato per trasmettere dati a seconda della direzione. Solo il detentore del token (la stazione che ha il token) può trasmettere frame nella rete. IEEE 802.4 è più complesso del protocollo IEEE 802.3.

Il formato del frame del Bus di Token. La dimensione totale del frame è di 8202 byte, e il frame è composto da 8 campi.

• Preambolo (1 byte) viene utilizzato per la sincronizzazione.
• Delimitatore di inizio (1 byte) è il campo utilizzato per marcare l’inizio del frame.
• Controllo del frame (1 byte) verifica se il frame è un frame di controllo o un frame di dati.
• Indirizzo di destinazione (2-6 byte) specifica l’indirizzo dell’ stazione di destinazione.
• Indirizzo di origine (2-6 byte) specifica l’indirizzo dell’ stazione di origine.
• Payload (0-8182 byte) è un campo di lunghezza variabile per trasportare i dati utili dalla rete di livello network. 8182 byte è il valore massimo se viene utilizzata l’indirizzo a 2 byte. Se la lunghezza dell’indirizzo è di 6 byte, allora la dimensione massima del campo payload è di 8174 byte, in conseguenza.
• Codice di controllo (4 byte) viene utilizzato per la rilevazione di errori.
• Delimitatore di fine (1 byte) marca la fine del frame.

La topologia di rete a bus non è consigliata per reti che trasferiscono un grande volume di traffico. Considerando che la topologia di rete a bus con cavi coassiali era utilizzata negli anni ’90, e la velocità massima era di 10 Mbit/s, non dovresti utilizzare questa topologia per costruire la tua rete odierna.

Topologia di rete a anello

La topologia ad anello è una modifica della topologia a bus. Nella topologia ad anello, ogni stazione è collegata ad altre due stazioni su ciascun lato. Le due stazioni adiacenti a questa stazione sono i vicini di questa stazione. I dati viaggiano sequenzialmente in una direzione, quindi la rete funziona in modalità half-duplex. Non ci sono terminatori, e l’ultima stazione è collegata alla prima stazione dell’anello. La topologia ad anello è più veloce della topologia a bus. Il cavo coassiale e i connettori utilizzati per installare una rete della topologia ad anello sono gli stessi utilizzati per la topologia di rete a bus.

Se si costruisce una grande rete utilizzando la topologia ad anello, utilizzare ripetitori per prevenire la perdita di dati durante il trasferimento di dati sulla rete tra le stazioni su frammenti di cavo lunghi. In generale, ogni stazione funziona come un ripetitore e amplifica il segnale. Dopo che i dati sono trasmessi, i dati viaggiano lungo l’anello e passano per nodi intermedi fino a quando questi dati non vengono ricevuti dal dispositivo di destinazione.

È possibile avere una latenza più alta se il numero di stazioni connesse alla rete è elevato. Ad esempio, se ci sono 100 computer nella rete, e il primo computer invia un pacchetto al centesimo computer nell’anello, il pacchetto deve passare attraverso 99 stazioni per raggiungere il computer di destinazione. Ricordare che i dati vengono trasferiti sequenzialmente. Tutti i nodi devono rimanere attivi per trasmettere dati, e per questo motivo, la topologia ad anello è classificata come una topologia di rete attiva. Il rischio di collisioni di pacchetti è ridotto perché solo un nodo nella rete può inviare pacchetti alla volta. Questo approccio consente una larghezza di banda uguale per ogni nodo nella rete.

Anello token

La rete a token ring è l’implementazione dello standard IEEE 802.5. Questa topologia funziona utilizzando il sistema a token. Il token ring è la tecnologia introdotta nel 1984 da IBM. Il token è il marcatore che viaggia lungo il loop in una direzione. Solo il nodo che possiede il token può trasmettere dati.

La prima stazione che inizia a lavorare nella rete diventa la stazione di monitoraggio o il monitor attivo, controlla lo stato della rete e rimuove i frame fluttuanti dall’anello. Altrimenti, i frame fluttuanti circolano continuamente nell’anello per un tempo illimitato. Il monitor attivo viene anche utilizzato per evitare token persi (generando un nuovo token) e errori di clock.

Il formato del frame IEEE 802.5 per una rete a token ring è visualizzato nel diagramma qui sotto.

• Il delimitatore di avvio (1 byte) viene utilizzato per la sincronizzazione e per notificare a una stazione che un token sta arrivando.
• Il controllo dell’accesso (1 byte) è il campo che contiene il bit del token, il bit di monitoraggio e i bit di priorità.
• Il controllo del frame (1 byte)
• L’indirizzo di destinazione (6 byte) – definisce un indirizzo MAC del dispositivo di destinazione.
• L’indirizzo di origine (6 byte) – definisce un indirizzo MAC del mittente.
• I dati utili (pacchetto IP) trasferiti in un frame e le dimensioni del payload possono variare da 0 al massimo tempo di detenzione del token.
• Il checksum (4 byte), chiamato anche sequenza di controllo del frame o CRC (controllo di ridondanza ciclica), viene utilizzato per controllare gli errori nel frame. I frame corrotti vengono scartati.
• Il delimitatore finale (1 byte) segna la fine del frame.
• Lo stato del frame (1 byte) è un campo utilizzato per terminare un frame dati e funge da ACK. Questo campo può essere impostato da un ricevitore e indica se l’indirizzo MAC è stato riconosciuto e il frame è stato copiato.

La difficoltà dell’installazione della topologia ad anello è media. Se si desidera aggiungere o rimuovere un dispositivo di rete, è necessario modificare solo due collegamenti. La topologia ad anello non è costosa da installare. Ma qui termina l’elenco dei vantaggi.

Ora evidenziamo gli svantaggi della topologia di rete ad anello. Ogni frammento della rete può essere un punto di errore. Un guasto può essere causato da un cavo rotto, un adattatore di rete danneggiato di un computer, una disconnessione del cavo, ecc. Nel caso di guasto del collegamento, l’intera rete fallisce perché un segnale non può viaggiare in avanti e superare il punto di guasto. Il guasto di una stazione provoca il guasto dell’intera rete. Tutti i dati viaggiano intorno all’anello passando attraverso tutti i nodi fino a raggiungere il nodo di destinazione. La risoluzione dei problemi è difficile.

Tutti i nodi nella rete della topologia ad anello condividono la larghezza di banda. Di conseguenza, aggiungendo più nodi all’anello, si verificano ritardi nella comunicazione e degrado delle prestazioni della rete. Per riconfigurare la rete o aggiungere/rimuovere nodi, la rete deve essere disconnessa e rimanere offline. L’interruzione della rete non è conveniente e conveniente per un’organizzazione. Quindi la topologia di rete ad anello non è la scelta migliore per costruire una rete scalabile e affidabile.

La topologia ad anello nelle reti locali era popolare negli anni ’90 fino all’inizio dell’uso su larga scala dello standard Ethernet con cavi in coppia intrecciata e una topologia a stella più progressiva. Oggi la topologia ad anello non è utilizzata e non è raccomandata per uso domestico e ufficio a causa della bassa velocità di rete di 4 o 16 Mbit/s e gli altri svantaggi menzionati.

Il doppio anello

Il doppio anello è una versione modificata della topologia ad anello. Aggiungere una seconda connessione tra nodi in un anello consente il trasferimento di dati in entrambe le direzioni e fa sì che la rete funzioni in modalità full-duplex. I dati vengono inviati in direzioni oraria e antioraria nella rete. Se un collegamento nel primo anello fallisce, il secondo anello può essere utilizzato come backup per continuare l’operazione di rete fino a quando il problema nel primo anello non viene risolto.

L’anello otticonelle reti moderne utilizza la topologia ad anello. Questa topologia di rete è principalmente utilizzata da fornitori di servizi internet (ISP) e fornitori di servizi gestiti (MSP) per creare connessioni in reti a vasta area.

Tecnologie e standard utilizzati per creare un anello in fibra ottica:

• Resilient Packet Ring (RPR) noto come IEEE 802.17
• STP (Spanning Tree Protocol) per evitare loop nella rete
• Multiple section shared protection ring (MS-SPRing/4, MS-SPRing/2, ecc.)
• Subnetwork connection protection (SNCP)
• Four-fiber bidirectional line-switched rings (BLSR/4), BLSR/2, ecc.
• Modulo di trasporto sincrono (STM-4, STM-16, STM-64, ecc.)
• Synchronous Optical Networking (SONET) e Synchronous Digital Hierarchy (SDH)

Gli apparecchi di rete professionali, come gli switch, che supportano gli standard appropriati vengono utilizzati per creare un anello in fibra ottica. Il prezzo per questa hardware è elevato. L’anello ottico con elevata disponibilità è utilizzato per collegare nodi in diversi distretti di una città o in città diverse al cerchio ad alta disponibilità e ad alta velocità.

Topologia di Rete a Stella

La topologia a stella è la topologia di rete più comune utilizzata al giorno d’oggi per i numerosi vantaggi che offre. Questa topologia richiede un’unità centralizzata, chiamata switch, e tutti gli altri dispositivi di rete sono collegati a questo switch con il proprio cavo di rete. Uno switch ha più porte (di solito 4, 5, 8, 16, 24, 48, ecc.), e tutte le stazioni necessarie sono collegate allo switch per interagire tra loro nella rete. In questo caso non ci sono connessioni fisiche dirette tra le due stazioni. Se due stazioni interagiscono tra loro nella rete, un frame lascia l’adattatore di rete del mittente e viene inviato allo switch, e poi uno switch ritrasmette il frame alla scheda di rete della stazione di destinazione.

La topologia a stella è facile da scalare. Se non ci sono porte libere in uno switch, cambia lo switch con uno con più porte o collega un secondo switch allo switch esistente con un cavo di patch per espandere la rete della topologia a stella. Nota che quando la rete è molto carica, questa connessione tra gli switch è un collo di bottiglia perché il tasso di trasferimento dati tra le stazioni collegate a diversi switch può essere inferiore al tasso di trasferimento dati tra le stazioni collegate alle porte dello stesso switch. Se devi aggiungere una stazione alla rete, prendi un cavo di patch, inserisci un’estremità nell’adattatore di rete del dispositivo finale e l’altra estremità nello switch.

Se una delle stazioni collegate a uno switch fallisce, la rete continua a funzionare senza interruzioni. Se uno switch va offline, la rete non può funzionare. Sono supportate modalità full-duplex e half-duplex nella topologia a stella. Questa topologia è facile in termini di manutenzione.

Evita i loop quando colleghi dispositivi di rete. Se ci sono più di due connessioni tra due dispositivi di rete che lavorano al secondo livello, si crea un loop. Ad esempio, se colleghi due switch utilizzando due cavi di patch o inserisci un cavo di patch in due porte di uno switch, ottieni un loop. Il loop porta a interruzioni nella comunicazione all’interno della rete e a tempeste di broadcast che continuano finché non rimuovi il cavo di rete non necessario e spegni lo switch. Se vuoi creare connessioni ridondanti, utilizza dispositivi con più adattatori di rete che supportano il NIC teaming o l’aggregazione di collegamenti.

Hub vs switch: Qual è la differenza?

Entrambi gli hub e i switch sono utilizzati per connettere molti dispositivi in una rete locale area (LAN) che utilizza la topologia a stella. Quando un segnale che codifica un frame arriva su una porta di un hub (una stazione di origine connessa a questa porta tramite un cavo), il segnale viene inviato a tutte le porte dell’hub e, di conseguenza, a tutti i dispositivi connessi all’hub. Soltanto la stazione la cui scheda di rete ha l’indirizzo MAC definito come indirizzo MAC di destinazione nel frame può ricevere il frame. Tutti gli altri dispositivi di rete connessi all’hub che non sono dispositivi di destinazione e che hanno adattatori di rete con altri indirizzi MAC rilevano i segnali inviati e respingono questo frame. Il difetto dell’hub è che la rete viene sovraccaricata. Invece di inviare un frame dall’hub a una scheda di rete di destinazione, il frame viene inviato a tutti i dispositivi connessi alle porte dell’hub. L’inondazione della rete riduce la banda della rete. Gli hub operano al primo layer dell’OSI model (layer fisico).

A switch is a more intelligent device. A switch remembers MAC addresses of connected devices and adds MAC addresses of devices connected to each port of the switch to the MAC address table. When a sender sends a frame to a target device, the frame is sent to the switch. The switch reads the MAC address of the network card of a destination station and checks the internal MAC address table to identify to which port of the switch the destination device is connected. Then, the switch sends the frame only to the port associated with the MAC address of the target device. There is no flooding and network overload. This approach ensures high network performance. There are no collisions when using a switch in a star network topology. A switch operates on the second layer of the OSI model (the data link layer). See the table below to see all OSI layers.

Il Modello di Interconnessione Aperto System (OSI).

Numero di strato	Nome dello strato	Unità di dati del protocollo (PDU)	Esempi di protocolli e standard
7	Applicazione	Dati ricevuti o trasmessi da un’applicazione	HTTP, FTP, POP3, SMTP
6	Presentazione	Dati formattati per la presentazione	SSL, TLS
5	Sessione	Dati passati alla connessione di rete	NetBIOS, SAP
4	Trasporto	Segmenti TCP, Datagrammi UDP	TCP, UDP
3	Rete	Pacchetti	IPv4, IPv6
2	Collegamento dati	Frames	Ethernet, PPP, STP, Token Ring
1	Fisico	Bit	100BaseTX, RS232, ISDN

A switch is more secure than a hub. Since 2011, using hubs to connect network elements is deprecated by IEEE 802.3, the set of standards and protocols for Ethernet networks.

Nota: Switch, hub, router, modem e punto di accesso Wi-Fi appartengono all’attrezzatura di rete attiva. L’attrezzatura attiva ha circuiti elettronici e ha bisogno di energia elettrica per funzionare. Cavi, connettori, trasmettitori, pannelli di patch, supporti a rack e antenne Wi-Fi sono attrezzature di rete passive che non necessitano di elettricità. Le attrezzature di rete passive vengono utilizzate per collegare le attrezzature di rete attive.

Topologia a stella nella vita reale

Esaminiamo nel dettaglio come le reti Ethernet tradizionali utilizzano la topologia a stella e come funziona lo standard IEEE 802.3. I cavi in coppia intrecciata (4×2 fili) sono i più comuni. Sono solitamente utilizzati per queste reti, e le estremità dei cavi sono crimpati con connettori RJ-45 (noti anche come 8P8C – 8 Posizione 8 Contatto). Entrambe le estremità del cavo vengono crimpati utilizzando lo standard EIA/TIA 568B. È anche possibile crimpare entrambe le estremità di un cavo utilizzando l’EIA/TIA 568A perché il principio di funzionamento rimane lo stesso, ma questa pratica non è comune. Trova ulteriori informazioni sui cavi nella sezione Tipi di cavi alla fine di questo post del blog.

Standard Ethernet

10BASE-T è la prima implementazione di Ethernet e utilizza un cavo in coppia intrecciata (T nel nome significa la coppia Torcita, BASE significa segnalazione in banda base). La velocità massima della rete è di 10 Mbit/s. Il cavo richiesto è UTP Cat.3 o superiore (vengono utilizzate solo le coppie arancione e verde).

100BASE-TX, conosciuto come Fast Ethernet, è stato implementato nel 1995 (IEEE 802.3u). Questo standard fornisce una velocità di 100 Mbit/s nella rete e richiede il cavo UTP Cat 5.

1000BASE-T è conosciuto come Gigabit Ethernet (GbE o 1 GigE) ed è stato descritto nello standard IEEE 802.3ab (ratificato nel 1999). La velocità massima di trasferimento dati è di 1000 Mbit/s (1 Gbit/s). Il cavo richiesto è UTP Cat 5e.

2.5GBASE-T è lo standard noto come IEEE 802.3bz, e la velocità massima di trasferimento dati è di 2.5 Gbit/s. Lo standard IEEE 802.3bz è stato approvato nel 2016. È richiesto il cavo UTP Cat 5e.

5GBASE-T è simile a 2.5GBASE-T ma fornisce una velocità di trasferimento dati di 5 Gbit/s e richiede una classe superiore di cavo – UTP Cat 6.

10GBASE-T è lo standard Ethernet più veloce che utilizza cavi con fili di rame con una velocità massima di 10 Gbit/s. Il cavo richiesto è UTP Cat 6A. Lo standard IEEE 802.3an contiene specifiche per l’uso di una coppia intrecciata per connessioni da 10 Gbit/s.

I connettori RJ-45 vengono utilizzati per i cavi negli standard Ethernet precedenti.

La lunghezza massima del cavo tra le porte di due dispositivi di rete è di 100 metri per ciascuno degli standard sopra citati se sono soddisfatti i requisiti del cavo a doppino intrecciato. Se è necessario collegare due dispositivi di rete distanti 200 metri, utilizzare due segmenti di cavo da 100 m ciascuno e collegarli a uno switch installato a metà strada a 100 m da ciascun dispositivo.

Per ottenere la massima velocità per ciascuno standard, è necessario soddisfare i requisiti minimi: utilizzare il cavo della categoria appropriata, uno switch che supporti la modalità necessaria e schede di rete dei dispositivi collegati allo switch. Ad esempio, se si desidera che i dispositivi nella rete operino a una velocità di 1 Gbit/s, è necessario installare schede di rete da 1-Gbit su questi dispositivi, collegarli a uno switch da 1 Gbit e utilizzare il cavo UTP Cat 5e che è crimpati con connettori RJ-45 come cavo di patch utilizzando lo standard EIA/TIA 568B. Quando tutti i dispositivi collegati funzionano alla velocità di 1 Gb/s, lavorano solo in modalità full-duplex.

L’auto-negoziazione è una funzione utilizzata per determinare la velocità di rete ottimale e la modalità di trasferimento dati (full-duplex o half-duplex) per una porta collegata alla porta di un altro dispositivo collegato. L’auto-negoziazione determina automaticamente la configurazione di una porta che è collegata all’altro capo del cavo e imposta il tasso di trasferimento dati in base al valore più basso. Se si collega una scheda di rete da 100 Mbit a uno switch da 1 Gbit con un cavo di patch (Cat 5e), allora la velocità della connessione di rete è di 100 Mbit/s. La compatibilità inversa con gli standard Ethernet precedenti a velocità inferiori è una caratteristica utile.

Formato del frame

La lunghezza di un frame Ethernet standard IEEE 802.3 è di 1518 byte, e l’MTU (unità di trasmissione massima) standard è di 1500 byte. Se è necessario che le stazioni nella rete scambino grandi quantità di dati, configurarle per utilizzare frame jumbo che consentono ai frame di utilizzare l’MTU di 9000 byte. I frame jumbo possono contribuire a migliorare le prestazioni durante il trasferimento dei dati perché il rapporto tra informazioni utili e informazioni di servizio nei frame è maggiore. Non tutti i dispositivi supportano frame jumbo.

Un altro vantaggio nell’uso della topologia a stella è che le reti Ethernet che utilizzano questo tipo di topologia fisica supportano l’etichettatura VLAN. Le etichette VLAN vengono utilizzate per dividere una rete fisica in reti logiche utilizzando la stessa infrastruttura fisica. Le reti logiche vengono separate al secondo livello del modello OSI utilizzando le etichette VLAN scritte nei frame. L’hardware deve supportare l’etichettatura VLAN per utilizzare questa funzione. L’ID VLAN può variare da 0 a 4094. 4094 è il numero massimo di reti VLAN in una singola rete fisica.

Lascia che ti illustri i formati dei frame per le reti Ethernet IEEE 802.3 che utilizzano la topologia a stella.

• Il preambolo (7 byte) indica l’inizio del frame e viene utilizzato per la sincronizzazione tra mittente e destinatario.
• Il delimitatore di inizio del frame (1 byte) è il campo che viene sempre impostato su 10101011. Il SFD (delimitatore di inizio del frame) segna la fine del preambolo e l’inizio del frame Ethernet, preparandosi per i prossimi bit dell’indirizzo di destinazione. Questo campo è l’ultima possibilità per il dispositivo o i dispositivi di rete di sincronizzarsi.
• L’indirizzo di destinazione (6 byte) contiene l’indirizzo MAC di una scheda di rete di destinazione (ad esempio, E8:04:62:A0:B1:FF). L’indirizzo di destinazione può essere unicast, multicast, broadcast (FF:FF:FF:FF:FF:FF).
• L’indirizzo di origine (6 byte) contiene l’indirizzo MAC della scheda di rete di origine del dispositivo mittente. L’indirizzo di origine è sempre unicast.
• Il tipo (tipo Ethernet) o la lunghezza (2 byte) definisce la lunghezza del frame Ethernet. Il campo tipo indica il protocollo di livello 3 (L3) (0x0800 – IPv4, 0x86DD – IPv6), se il frame sta utilizzando l’etichettatura VLAN 802.1q (0x8100), ecc.
• Il payload dati (massimo 1500 byte per frame standard o 9000 byte per frame jumbo) è un pacchetto L3 incapsulato che viene trasportato da un frame. Un pacchetto è una tipica PDU (unità di dati di protocollo) per il terzo livello del modello OSI (il livello di Rete).
• Il checksum, FSC o CRC (4 byte) viene utilizzato per verificare l’integrità del frame. Il CRC viene calcolato dal mittente, quindi un destinatario riceve il frame, calcola questo valore e lo confronta con il valore CRC ricevuto nel frame.

A 14-byte header of an Ethernet frame contains the destination address, source address, and type (length). If VLAN tagging is used, an additional 4-byte VLAN tagging field is added to a frame after the source address field.

Connessione ottica

La topologia di rete a stella viene anche utilizzata per costruire reti basate su cavi ottici (fibra ottica) se è necessario avere segmenti di cavo più lunghi o una latenza inferiore. 10GBASE-S e 10GBASE-E sono standard moderni per reti da 10 Gbit/s che utilizzano la fibra ottica per stabilire connessioni. In questo caso è necessario uno switch con trasceivers e connettori SFP per costruire una rete a topologia stellare.

I trasceivers SR (short reach) sono utilizzati per una distanza fino a 300 metri.

I trasceivers LR (long reach) supportano lunghezze di cavo nell’intervallo da 300 m a 3 km.

I trasceivers ER (extended reach) supportano lunghezze di cavo da 30 km a 40 km.

Il cavo ottico multimodale (MM) è utilizzato per brevi distanze (meno di 300 m).

Il cavo ottico monomodale (SM) è utilizzato per lunghe distanze (più di 300 m).

Ci sono trasceivers che ti consentono di collegare cavi in rame Cat 6A con connettori RJ-45 alle porte SFP+ per massima compatibilità. Il cavo ottico è collegato ai trasceivers utilizzando connettori LC. Costruire una rete fisica utilizzando cavi ottici è più difficile rispetto alla costruzione di una rete utilizzando cavi in rame di Cat 6A.

Vantaggi della topologia a stella

La topologia di rete a stella è eccezionale. La stella è il tipo di topologia di rete più comune al giorno d’oggi. Riassumiamo i vantaggi di questo tipo di topologia di rete.

• Una scheda di rete per stazione è sufficiente
• Installazione e manutenzione semplici
• Risoluzione dei problemi semplice
• Alta affidabilità e compatibilità
• Velocità elevata
• Supporto di cavi in ​​coppia intrecciata e ottici
• Flessibilità e scalabilità

Connessione Wi-Fi

Se una connessione di rete wireless viene utilizzata installando un punto di accesso a casa o in ufficio, la rete wireless di solito utilizza la topologia di rete a stella. In questo caso viene utilizzato lo standard 802.11n (a/b/g/n). Il punto di accesso Wi-Fi funge da switch collegato con adattatori di rete wireless delle stazioni e rappresenta la topologia a stella.

Topologia di rete ad albero

La topologia a albero è un’estensione della topologia a stella ed è largamente utilizzata in questi giorni. L’idea della topologia a albero è che si può collegare molti stelle come rami in un complesso di reti utilizzando connessioni tra i switch. Le stazioni sono collegate ai portali di questi switch. Se uno dei switch fallisce, la relativa sezione di rete diventa offline. Se il switch principale situato in cima alla topologia a albero diventa offline, le ramificazioni della rete non possono più collegarsi tra loro, ma i computer delle ramificazioni continuano a comunicare tra di loro. La fallita di qualsiasi stazione collegata alla rete non influenza la ramificazione o l’intera rete. La topologia a albero è affidabile e semplice da installare, mantenere e risolvere i problemi, e offre una alta scalabilità. C’è una connessione tra ogni nodo della rete quando si utilizza questa topologia (vedere il diagramma di topologia di rete sottostante).

Per la topologia a albero vengono utilizzati i protocolli e standard applicabili per la topologia a stella (inclusi i switch, i cavi e i connettori). Anche i router possono essere utilizzati per dividere le reti sottostanti tra loro al terzo livello del modello OSI. Come risultato, vengono utilizzati i protocolli di rete del terzo layer e si effettua la configurazione appropriata del dispositivo di rete. La topologia a albero è largamente utilizzata nelle grandi organizzazioni perché è semplice da installare e gestire. La struttura di rete gerarchica è presente. È consigliabile collegare tutti i switch delle ramificazioni alla switch principale per evitare la creazione di una lunga catena di switch che può causare bottleneck e ridurre le prestazioni della rete durante il trasferimento di dati tra segmenti attraverso i switch.

Esempio di configurazione di rete

Guardiamo un esempio della topologia di rete ad albero e come questo tipo di topologia di rete viene utilizzato in pratica. Ad esempio, c’è un’organizzazione con diversi dipartimenti, e ciascun dipartimento occupa un ufficio in un edificio. I dipartimenti sono situati su piani diversi dell’edificio. Installare una rete utilizzando una topologia a stella singola non è razionale perché ciò comporterebbe un consumo aggiuntivo di cavo per collegare tutte le stazioni in diverse posizioni dell’edificio a un unico switch. Inoltre, il numero di stazioni può essere superiore al numero di porte nello switch. In questo caso, la soluzione più razionale è installare uno switch dedicato nell’ufficio principale di ciascun dipartimento, collegare tutte le stazioni di ciascun dipartimento allo switch appropriato e collegare tutti gli switch dei dipartimenti allo switch principale situato nella sala server. Lo switch principale è in cima alla gerarchia ad albero in questo esempio. Lo switch principale può essere collegato a un router per accedere a Internet. Se c’è un dipartimento situato in un altro edificio e la distanza dal tuo switch nell’edificio principale è superiore a 100 metri, è possibile utilizzare uno switch aggiuntivo con un cavo UTP. Questo switch suddivide la distanza in segmenti che sono inferiori a 100 metri. Come alternativa, utilizzare il cavo ottico (e i convertitori o switch appropriati) per collegare questo ufficio remoto allo switch principale.

Per semplificare l’amministrazione e migliorare la sicurezza, è possibile installare router per ciascun dipartimento e creare subnet per ciascun dipartimento. Ad esempio, gli sviluppatori si trovano nella rete 192.168.17.0/24, i contabili si trovano nella rete 192.168.18.0/24, i tester si trovano nella rete 192.168.19.0/24, i server si trovano nella rete 192.168.1.0/24 (la sottorete principale), ecc.

Cos’è un router?

A router is a device that operates on the third layer of the OSI model (the network layer) and operates with packets (the PDU is a packet). A router can analyze, receive, and forward packets between different IP networks (subnetworks) by using the IP addresses of source hosts and destination hosts. Invalid packets are dropped or rejected. Different techniques are used for routing, such as NAT (network address translation), routing tables, etc. The firewall and network security are additional features of the router. Routers can select the best route to transfer packets. A packet is encapsulated into a frame.

A router has at least two network interfaces (usually LAN and WAN). There are popular models of routers that are combined with a switch in a single device. These routers have one WAN port and multiple LAN ports (usually 4-8 for small office/home office models). Professional routers have multiple ports that are not defined as LAN or WAN ports, and you should configure them manually. You can use a physical Linux server with multiple network adapters and connect this machine as a router. Connect a switch to the LAN network interface of this Linux router to have the tree network topology type.

Connessione Wi-Fi

Esattamente come nella topologia a stella, il wireless network equipment può essere usato per creare segmenti di rete dell’albero topologia in un mix con segmenti di rete cablati. Due accessi Wi-Fi identici possono lavorare in modalità ponte per connettere due segmenti di rete (due stelle). Questo approcio è utile quando è necessario collegarsi a uffici che si trovano più di 100 metri l’uno dall’altro e quando non è possibile installare un cavo tra gli uffici. Il seguente diagramma di topologia di rete a albero spiega questo caso. Un switch è collegato a ciascun accesso Wi-Fi che opera in modalità ponte, due altri accessi Wi-Fi sono collegati al switch corretto, e le postazioni client sono collegate a questi accessi (formando rami dell’albero che sono reti dello schema a stella).

Topologia di rete a griglia

A mesh network topology is a configuration in which each station in the network is connected to the other stations. All devices are interconnected with each other. There are two types of mesh: a full mesh and a partial mesh. In a partially connected mesh, at least two stations of the network are connected to multiple other stations in the network. In a full mesh, each station is connected to all other stations. The number of connections for a full mesh is calculated with the formula Nc=N(N-1)/2 links, where N is the number of nodes in the network (for the full-duplex mode of communication). See the network topology diagram below.

La topologia di rete a griglia fornisce una redondanza per una rete ma può essere costosa a causa del numero elevato di connessioni e della lunghezza totale del cavo utilizzato. Se una stazione fallisce, la rete può continuare a operare utilizzando altri nodi e connessioni. Se i dati erano stati trasferiti tramite il nodo fallito, la rotta viene cambiata, e i dati vengono trasferiti via altri nodi.

Ogni nodo è un router che può creare e modificare le rotte dinamicamente per trasferire i dati nel modo più razionale (in questo caso vengono utilizzati protocolli di routing dinamico). Il numero di hop può variare quando si cambia la rotta tra dispositivo di origine e destinazione. Le tabelle di routing consistono in identificatore di destinazione, identificatore di origine, metriche, tempo di vita e identificatore di broadcast. Il routing funziona al terzo livello del modello OSI. A volte vengono utilizzate tecniche di flooding invece del routing. Questo tipo di topologie di rete possono essere utilizzate per la trasmissione di grandi quantità di traffico grazie alla ridondanza delle connessioni.

È difficile aggiungere una nuova stazione alla rete perché è necessario connettere una nuova stazione a diverse altre stazioni. L’aggiunta o la rimozione dei nodi non interrompe il funzionamento dell’intera rete. Sono necessarie più schede di rete per stazione per stabilire tutte le connessioni necessarie. Dopo l’aggiunta di una nuova stazione, potrebbe essere necessario installare schede di rete aggiuntive su altre stazioni che devono essere collegate alla nuova stazione. La topologia di rete a maglia è scalabile, ma questo processo non è semplice. L’amministrazione può richiedere tempo. La topologia a tolleranza di guasti garantisce un’alta affidabilità. Non ci sono relazioni gerarchiche.

La topologia di rete a maglia è un esempio di connessione di più siti su Internet. Questa topologia di rete è ampiamente utilizzata per le connessioni WAN (Wide Area Network), per le reti di organizzazioni critiche come le organizzazioni militari, ecc.

Connessione Wi-Fi

La topologia di rete a maglia nelle reti Wi-Fi viene utilizzata per estendere la copertura delle reti wireless chiamate reti mesh wireless. L’architettura della rete di infrastruttura mesh è la più comune per questo tipo di topologie di rete. Le tecnologie wireless utilizzate per creare questo tipo di topologia di rete sono Zigbee e Z-Wave che si basano sul protocollo IEEE 802.15.4, WirelessHART. IEEE 802.11, 802.15 e 802.16. Le reti cellulari possono anche funzionare utilizzando la topologia di rete mesh.

Topologia di rete ibrida

La topologia ibrida combina due o più dei tipi di topologia di rete descritti in precedenza. Un esempio di topologia di rete ibrida è la combinazione dei tipi di topologia a stella e ad anello. A volte potresti aver bisogno della flessibilità di due topologie nella tua rete. La topologia ibrida è di solito scalabile e ha i vantaggi di tutte le topologie figlio. Gli svantaggi delle topologie sono anche combinati, rendendo l’installazione e la manutenzione difficili. La topologia ibrida aggiunge maggiore complessità alla tua rete e potrebbe richiedere costi aggiuntivi.

La topologia a stella-anello è uno degli esempi dei tipi ibridi di topologie di rete che si possono trovare oggigiorno. Parlando della parte ad anello, non intendiamo cavi coassiali con connettori a T e connettori BNC. In una rete moderna, un anello in fibra viene utilizzato per collegare nodi a lunghe distanze. Questa topologia di rete ibrida (anello + stella) viene utilizzata per costruire reti tra edifici diversi situati lontani all’interno di una città o in città diverse. Utilizzare la topologia a stella quando la distanza tra i nodi è elevata è difficile e causa sovraconsumo di cavo.

Il vantaggio dell’anello in fibra con più linee è l’assenza di un singolo punto di guasto. I collegamenti ottici ridondanti forniscono un’elevata disponibilità e affidabilità. In caso di corruzione di un collegamento ottico, vengono utilizzati canali di riserva. Diverse linee in fibra tra i nodi del cerchio possono essere tracciate utilizzando diverse rotte geografiche.

Gli switch/router in fibra che sono nodi dell’anello sono collegati agli switch/router che fanno parte dei segmenti di rete utilizzando la topologia di rete a stella. Tale connessione ha vantaggi per la costruzione di reti locali. I convertitori multimediali in fibra vengono utilizzati per collegare switch/router compatibili con cavi in fibra e connettori correlati a switch/router compatibili con cavi in rame crimpati con i connettori appropriati se un anello e una stella utilizzano diversi tipi di cavi ed equipaggiamenti di rete.

Tipo di Cavi

I cavi sono componenti importanti della topologia di rete fisica. La velocità di rete e i costi complessivi per l’installazione della rete dipendono dalla topologia di rete selezionata, dai cavi e da altri equipaggiamenti di rete. Diversi tipi di cavi sono stati menzionati nel post del blog quando si danno esempi reali di utilizzo di diversi tipi di topologia di rete. Esaminiamo i cavi più utilizzati per i diversi tipi di topologia di rete spiegati in questo post del blog per una migliore comprensione delle topologie fisiche.

Cavo coassiale

Il cavo coassiale è composto da un filo di rame centrale come conduttore interno. Il conduttore centrale può essere in rame massiccio o costituito da diversi sottili fili di rame, a seconda dei modelli di cavo. Questo conduttore interno è circondato da uno strato isolante che protegge il filo centrale. Lo strato isolante è avvolto da nastro di alluminio conduttivo e schermo intrecciato in rame. Lo strato esterno è isolamento polimerico, di colore nero o bianco.

RG-58 è una versione popolare di cavo coassiale e ha un’impedenza di 50 Ohm. Questo cavo è anche chiamato cavo Thinnet 10Base2. Le lettere RG nel nome significano “radio guide”. Altri esempi di cavi coassiali sono RG-6, RG-8, RG-59. Oggi i cavi coassiali vengono utilizzati per collegare le antenne Wi-Fi all’attrezzatura di rete appropriata (tipi di cavo 5D-FB, 8D-FB, LMR-400).

Coppia intrecciata

I cavi a coppia intrecciata sono ampiamente utilizzati per le reti grazie alla semplicità d’uso, all’ampia banda e al prezzo conveniente. Due fili di rame isolati separatamente (di circa 1mm di diametro) vengono intrecciati insieme per formare una coppia. Da una a quattro coppie vengono utilizzate in diversi tipi e categorie di cavi. Il motivo per l’intrecciatura è ridurre i segnali di rumore. Le coppie intrecciate sono rivestite con uno schermo isolante esterno che protegge il cavo dai danni meccanici. Ci sono tre tipi principali di cavi a coppia intrecciata: UTP, FTP e STP.

UTP (Unshielded Twisted Pair) è un cavo composto da fili e isolanti.

FTP (Foil screened Twisted Pair) o F/UTP è un cavo in cui tutte le coppie intrecciate sono coperte da uno schermo metallico (alluminio). All’interno del cavo è incluso un filo singolo aggiuntivo con un diametro inferiore a 1 mm. Di conseguenza, i cavi FTP supportano la messa a terra se vengono utilizzati i connettori appropriati. Le singole coppie intrecciate non sono schermate.

STP (Shielded Twisted Pair) contiene uno schermo metallico intrecciato intorno alle coppie intrecciate. Ogni coppia intrecciata è schermata con alluminio. L’intero cavo è rigido e è più difficile da intrecciare (il cavo non è flessibile come FTP e UTP). Il cavo STP fornisce una migliore protezione contro il rumore elettromagnetico e i danni meccanici.

Attualmente si utilizza la Categoria 5e o superiore per installare le reti. Maggiore è la categoria, maggiore è la velocità di trasferimento dati (100 MHz, 250 MHz, 500 MHz) e la velocità di trasferimento dati supportata. È possibile utilizzare un cavo FTP o STP della stessa categoria al posto di un cavo UTP. UTP Cat.3 ha solo due coppie intrecciate. UTP Cat.5 e superiori hanno 4 coppie intrecciate. La crimpatrice del cavo è facile e può essere fatta da chiunque abbia uno strumento per crimpare cavi.

Cavo in fibra ottica

Il cavo in fibra ottica offre la latenza più bassa e copre una distanza maggiore con un solo segmento di cavo (senza ripetitori). Il cavo in fibra ottica è sottile e consiste in due strati di vetro. Lo strato di vetro centrale è vetro puro ed è una guida d’onda per i segnali luminosi a lunga distanza. Il rivestimento è uno strato di vetro che circonda il nucleo e ha un indice di rifrazione inferiore rispetto al nucleo. La tecnologia si basa sul principio della riflessione interna totale.

I cavi in fibra ottica monomodale (SMF) e i cavi in fibra ottica multimodale (MMF) vengono utilizzati. I cavi MMF hanno un diametro maggiore e vengono utilizzati per propagare più raggi luminosi (o modalità), ma sono migliori per distanze brevi. Di solito i cavi MMF sono di colore blu. I cavi SMF sono migliori per distanze lunghe e sono di colore giallo. I connettori popolari sono SC, FC, LC e ST.

Il prezzo dei cavi in fibra ottica è elevato. La saldatura della fibra ottica è difficile rispetto alla cablaggio dei cavi a doppino intrecciato o dei cavi coassiali. Il prezzo dei trasmettitori necessari per collegare un cavo ottico a uno switch o a un router aggiunge spese. Le estremità delle fibre ottiche devono sempre essere pulite poiché anche un pezzo di polvere può causare problemi significativi.

Conclusione

Questo post del blog ha trattato le topologie di rete, incluse le topologie fisiche, le topologie logiche ed esempi di utilizzo nella vita reale. Se hai bisogno di costruire una rete locale, utilizza la topologia a stella, che è la topologia di rete più comune oggi, o la topologia ad albero, che è una modifica altamente scalabile della topologia a stella. Le topologie ad anello e a maglia sono principalmente utilizzate dai fornitori di servizi Internet, dai fornitori di servizi gestiti, nei data center. Queste sono più difficili da configurare. La varietà di tipi di topologia di rete, attrezzature di rete, standard e protocolli ti consentono di installare una rete di qualsiasi configurazione nel tuo ambiente a seconda delle tue esigenze.

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