טופולוגיית רשת

טופולוגיית רשת מתארת את הסידור הפיזי (הממשי) או הלוגי (הווירטואלי) של הרכיבים השונים ברשת מחשבים. ניתן לתאר כל רשת כאוסף של קצוות (nodes), כאשר כל קצה יכול להיות מחובר לקצוות אחרים. קצה הוא כל רכיב המתפקד ברשת, בין אם מדובר במחשב, נתב או כל רכיב תקשורת אחר. טופולוגיית רשת מגדירה אך ורק את הקשרים בין הקצוות, ולכן מהווה חלק מתורת הגרפים. תחומים שונים כמו מרחק גאוגרפי, חיבורים פיזיים, רוחב פס, וצורת שידור לא שייכים לטופולוגיית הרשת, אף על פי שהם עשויים להיות מושפעים ממנה במידה רבה. כל הקצוות מחוברים למרכז אחד. בדרך כלל במרכז יימצא רכיב תקשורת כמו מרכזת (hub), מתג (Switch), או נתב (Router). רשת כזו היא קלה לתחזוקה, וניתן להסיר ולהוסיף אליה קצוות בקלות, עם זאת היא בזבזנית במקצת באורכי הכבלים שהיא דורשת. נקודת החולשה של טופולוגיית הכוכב היא הקצה המרכזי המהווה נקודת כשל בודדת: אם הוא לא פעיל כל הרשת לא יכולה לתפקד. לכן, לרכיב זה יהיו גיבויים וישקיעו בשרידותו (למשל, ריבוי ספקים ומאווררים). אולם אם יש נקודת כשל באחת הקצוות היא לא גורמת להפלת הרשת. במונחי תורת־הגרפים, כוכב הוא עץ שדרגות כל צמתיו, מלבד צומת אחד, השורש, הן 1. טופולוגיית כוכב מורחב (star-bus) היא למעשה טופולוגיית כוכב, כאשר כל אחד מהקצוות החיצוניים הוא מרכזו של כוכב נוסף. לכוכב מורחב יכולות להיות שתי דרגות (כמו בתרשים משמאל) או יותר, ללא הגבלה. כוכב מורחב יורש את היתרונות והמגרעות של טופולוגיית הכוכב, ומאפשר בנוסף חלוקה היררכית של הרשת. טופולוגיה היררכית (hierarchical/tree) היא למעשה כוכב מורחב, שההתייחסות אליו היא שונה במקצת. הקצה המרכזי בטופולוגיית כוכב מורחב עוסק בדרך כלל רק בניתוב, בעוד הקצה המרכזי של טופולוגיה היררכית מהווה גם פרטנר תקשורת חשוב לקצוות שונים ברשת. מערכת ה-DNS היא דוגמה לרשת היררכית. במונחי תורת הגרפים מדובר בעץ בעל שורש. בטופולוגיית אפיק (bus) מחוברים כל הקצוות לשדרה מרכזית אחת (backbone). טופולוגיה זו חסכונית (באופן יחסי) מבחינת הכבילה, ובכך מוזילה את עלויות הקמת המערכת, וכמו כן הוספת והסרת קצוות נעשית בקלות יחסית, ואינה משפיעה על הקצוות האחרים. עם זאת, ככל שמספר המחשבים ברשת גדל כך קטנה יעילותה, שכן רק קצה אחד יכול לשדר בכל זמן נתון, מכיוון שהתווך משותף. בטופולוגיית אפיק, כל קצה ברשת "רואה" את כל התשדורות שעוברות בה. עובדה זו יכולה להוות יתרון אם רוב המידע צריך לעבור לרוב הקצוות, אך גם חיסרון במקרה שמדיניות האבטחה נוקשה. כאשר לוקחים תיל נחושת ומעבירים עליו אות חשמלי האות ינוע לאורך התיל עד לקצה. מכיוון שאין לו לאן להמשיך ומכיוון שאות חשמלי הוא אנרגיה ואנרגיה אינה יכולה להיעלם האות משנה את הכיוון לקצה השני של התיל (לתופעה קוראים גלים חוזרים) ולכן בטופולוגיית אפיק חייבים לשים בשני קצוות הכבל סיומת המאפשרת לאות החשמלי להתפרק כשהוא מגיע לקצה הכבל. בטופולוגיית טבעת (ring) כל קצה מחובר לשני הקצוות הסמוכים אליו, ליצירת "טבעת" של קצוות וחיבורים. טופולוגיה פיזית כזו היא חסכונית יחסית בעלות הכבילה, אך כל קצה בה תלוי בקצוות האחרים להעברת הנתונים לשאר חלקי הרשת, אם שני קצוות לא סמוכים מפסיקים לתפקד הם למעשה מחלקים את הרשת לשני "איים" שאין אפשרות להעביר ביניהם מידע. טופולוגיית טבעת מיושמת ברוב המקרים ברמה הלוגית בלבד (ברשתות Token ring למשל) והרמה הפיזית מתבססת על טופולוגיה אחרת. הרעיון הוא שבכל פעם רק אחד יכול לקבל תשדורת עד שהוא עובר לשני. במונחי תורת־הגרפים, טבעת היא מעגל פשוט. טופולוגיית טבעת כפולה (Dual ring) היא טופולוגיית טבעת בה כל חיבור בין שני קצוות הוכפל. שיטה זו מכפילה את עלות הכבילה, אך מאפשרת שרידות גבוהה יותר של הרשת (למשל במקרה שמתגלה כשל האחד הכבלים), וכן מאפשרת להכפיל את כמות הנתונים שמועברת ברשת. במונחי תורת־הגרפים מדובר במעגל פשוט בהיפרגרף שבו על כל צלע בין שני צמתים נוספה צלע מקבילה. ברשת אריג (Mesh), לכל פרט יש חיבור אחד או יותר על מנת ליצור שרידות. טופולוגיה זו עמידה מאוד בפני תקלות כך שאם יש כשל בכבל אחד, יעבור המידע על פני כבל אחר. רשתות אריג אינן מעשיות בדרך כלל ברשת LAN עקב עלות החיבורים וכן התקנה ותחזוקה מסובכים. רשת האינטרנט בנויה למעשה בטופולוגיית אריג כאשר כל נקודה היא נתב. מקרה פרטי של רשת אריג היא רשת בחיבור מלא (Fully Mesh), שבה לכל מחשב ברשת יש חיבור ישיר אל כל מחשב אחר ברשת. בטופולוגיית חיבור מלא כל קצה ברשת מחובר ישירות לכל קצה אחר. טופולוגיה כזו היא בזבזנית במיוחד מבחינת הכבילה, אך מבטיחה את הנגישות הגבוהה ביותר ואת השרידות הגבוהה ביותר של הרשת. קצה שמפסיק לתפקד ברשת כזו לא ישפיע על הקצוות האחרים, וכל חיבור שמפסיק לתפקד ניתן לעקוף במספר דרכים שונות. רשתות חיבור מלא קיימות רק במקומות בהן שרידות ונגישות הרשת הכרחיות, כמו בכורים גרעיניים. במונחי תורת־הגרפים, חיבור מלא שבו n {\displaystyle n} נקודות הוא הגרף השלם על n {\displaystyle n} צמתים ( K n {\displaystyle K_{n}} ). קל להוכיח שמספר הקשתות (הכבלים) בגרף כזה הוא n ( n − 1 ) 2 {\displaystyle {\frac {n(n-1)}{2}}} (כל נקודה ברשת מחוברת לכל n − 1 {\displaystyle n-1} אחרות, כאשר החיבור הוא הדדי). חישוב זה מראה את הבזבזנות של החיבור המלא: בעוד שבמבנה הכוכב דרושים n − 1 {\displaystyle n-1} כבלים (גידול ליניארי), הרי שכאן דרושים ( n 2 − n ) ⋅ 0.5 {\displaystyle (n^{2}-n)\cdot 0.5} כבלים. בעוד שלחיבור שלושים מחשבים במבנה כוכב נצטרך 29 כבלים, בחיבור מלא נצטרך 435 כבלים (מצד שני: כדי שמחשב ינותק מהרשת בחיבור כוכבי דרושה חבלה או פגם בכבל אחד, בעוד שכאן על 29 כבלים לכל הפחות להיות בלתי־שמישים). פרק זה לוקה בחסר. אנא תרמו לוויקיפדיה והשלימו אותו. ייתכן שתמצאו פירוט בדף השיחה. הכלאה טופולוגית היא שילוב בין טופלוגיות רשת שונות. לדוגמה, השילוב בין תצורת טבעת לבין תצורת כוכב, או שילוב בין תצורת כוכב לתצורת אפיק. לדוגמה שתי טופולוגיות שמחוברות בצורת כוכב והכבל שמחבר ביניהם הוא אפיק - זו טופולגיית כוכב אפיק. אף על פי שטופולוגית רשת עוסקת בעיקרה בקישוריות בין מוקדים, היא עלולה להיות מושפעת גם מפרמטרים מורפולוגיים שונים; מרחק, מיקום, צפיפות, גודל ועוד. השפעות אלו יכולות להתקיים על רשתות שאינן סטטיות, כגון רשת רחפנים, בה כל כל מוקד שולח קשרים חדשים בהתאם למיקום שלו ביחס למוקדים האחרים, זאת כדי לנצל באופן אופטימלי את ארנגית הרשת בכללותה. השפעה נוספת יכולה להתקיים גם ברשתות סטטיות, כמו רשת של עיר; תנועה ציבורית מושפעת מרוחב וגודל הצירים, ולא רק הקשרים ביניהם. מצב נוסף בו ניתן לראות השפעות מורפלוגיות על רשת, הוא במסגרת רשת תקשורת בין עצים: זוהי רשת שמתבססת על רשת פנים אדמתית שבנויה ממיקרואורגניזמים מסוג פטריות, אשר מנהלות סימביוזה עם העצים: מספקות לעצים נוטריונים ומים מהאדמה בתמורה לסוכרים שהעצים מספקים דרך תהליך הפוטוסינתזה. הרשת הזו תיבנה באופן שתלוי בנתונים מורפולוגיים - כמות הקשרים והבחירה בין אלו מוקדים לקשר - יהיו תלויים בגיל העצים, גודל הגזע וקוטר העלווה וכדומה. למשל, עצים מוצלים כנראה לא ייקחו חלק דומיננטי ברשת. מונחים ברשת מחשבים מונחים בחומרה טופולוגיה השפעות מורפלוגיות של מבנה עירוני על טופולוגית רשת סוציאלית של התושבים, Built Environment and Physical Functioning in Hispanic Elders: The Role of ""Eyes on the Street מדיה וקבצים בנושא טופולוגיית רשת בוויקישיתוף Seongjoon Park, Hyeong Tae Kim, Hwangnam Kim, Energy-Efficient Topology Control for UAV Networks, Energies 12, 2019-01, עמ' 4523 doi: 10.3390/en12234523 Marcos W. Rodrigues, Wladmir C. Brandao, Luis E. Zarate, Recommending Scientific Collaboration from ResearchGate, 2018 7th Brazilian Conference on Intelligent Systems (BRACIS), IEEE, 2018-10 doi: 10.1109/bracis.2018.00065 Exploring How and Why Trees ‘Talk’ to Each Other, Yale E360 (באנגלית אמריקאית) Underground Networking: The Amazing Connections Beneath Your Feet, www.nationalforests.org (באנגלית) Kevin J. Beiler‏, Suzanne Simard‏, Daniel M. Durall, (PDF) Topology of tree-mycorrhizal fungus interaction networks in xeric and mesic Douglas-fir forests, ResearchGate