Topologia di rete

Da Wikipedia, l'enciclopedia libera.
Varie topologie di rete. Dall'alto in basso, da sinistra a destra: ad anello, a mesh, a stella, totalmente connessa, daisy-chaining lineare, ad albero, a bus.

In telecomunicazioni la topologia di rete è il modello geometrico (grafo) finalizzato a rappresentare le relazioni di connettività, fisica o logica, tra gli elementi costituenti la rete stessa (detti anche nodi).

Il concetto di topologia si applica a qualsiasi tipo di rete di telecomunicazioni: telefonica, rete di computer, Internet eccetera.

Definizioni di base[modifica | modifica sorgente]

Gli elementi fondamentali della topologia sono i nodi e i rami. Il nodo individua un elemento della rete connotato da specifiche funzionalità mentre il ramo evidenzia la relazione di connettività tra i nodi. La topologia viene rappresentata quindi sotto forma di grafo in cui i nodi in grado di scambiarsi direttamente l'informazione sono collegati tra loro tramite uno o più rami.

Il significato di queste entità geometriche è diverso a seconda del tipo di rete e del tipo di operatività che si considera. Per esempio, in una rete informatica a seconda del livello applicativo considerato, un nodo può rappresentare un computer o un elemento di commutazione a livelli differenti (come un router piuttosto che uno switch), mentre un ramo può rappresentare la connettività fisica effettiva oppure la connettività logica come appare a un determinato livello protocollare di pacchetto (per esempio a livello IP piuttosto che Ethernet).

Due nodi possono essere messi in comunicazione in due modi differenti:

  • con una connessione fisica, quando fra i due nodi è presente un canale fisico che li collega in modo diretto; in questo caso, il ramo rappresenta anche un'entità fisica vera e propria;
  • con una connessione logica, quando la rete assume le dimensioni WAN e quindi è impossibile pensare ad un collegamento fisico per ciascuna coppia di nodi oppure quando si vuole considerare lo schema di distribuzione dell'informazione secondo un particolare punto di vista. In questo caso, il ramo rappresenta la relazione logica tra i nodi, astraendo dal livello fisico propriamente detto.

La topologia di rete è determinata soltanto dalla configurazione dei collegamenti tra i nodi. Per la precisione, non riguardano la topologia di rete: le distanze tra i nodi, le tecnologie usate per le interconnessioni fisiche, le velocità di trasmissione, il tipo di segnale (elettrico, ottico, elettromagnetico eccetera).

Topologie elementari[modifica | modifica sorgente]

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:

  1. 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;
  2. 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 un solo ramo al nodo di gerarchia superiore e 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;
  3. la topologia a maglia o magliata, in cui ogni nodo è connesso direttamente agli altri nodi, usando per ciascun collegamento un ramo dedicato;
  4. 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.

Topologie lineari semplici[modifica | modifica sorgente]

Topologia lineare aperta[modifica | modifica sorgente]

Rappresentazione di una rete lineare

In questo tipo di topologia, spesso chiamata anche daisy-chain, a ogni nodo fanno capo due rami, ad eccezione dei nodi terminali da cui parte un solo ramo. 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:

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.

Per questi motivi, nell'ambito pratico la topologia lineare rimane confinata in un ambito periferico, sostanzialmente per il collegamento verso strutture di rete più complesse di nodi terminali isolati o di derivazione (spur).

Topologia ad anello[modifica | modifica sorgente]

Rappresentazione di una 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 N nodi, il numero di rami necessari per il collegamento tra tutti i nodi è dato dalla relazione:

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. 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 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[1] 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).

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.

Topologie lineari complesse[modifica | modifica sorgente]

Topologia ad albero[modifica | modifica sorgente]

Topologia di rete ad albero

La topologia ad albero è una variante più complessa di una struttura lineare, caratterizzata dal fatto che da ciascun nodo possono dipartirsi più catene lineari distinte e non intersecantesi, realizzando così una struttura multilivello. Anche in questo tipo di topologia, per ogni coppia di nodi esiste un solo percorso di collegamento; ogni nodo è collegato a un solo nodo del livello superiore (nodo padre) tramite un solo ramo e a uno o più nodi del livello inferiore (nodi figli) tramite uno o più rami dedicati (diramazione). Il nodo da cui prende origine tutta la topologia viene denominato anche "nodo radice" (root) mentre i nodi terminali vengono denominati "foglie" (leaf).

Essendo sostanzialmente un'estensione della topologia lineare semplice, anche per questa topologia la relazione tra nodi e rami è data da: R = N-1.

Una caratteristica di questa rete è che la comunicazione tra due nodi distinti dello stesso livello può avvenire solo risalendo la struttura fino al primo nodo padre comune, che deve quindi essere dotato di funzionalità di distribuzione più sofisticate per poter determinare la diramazione corretta verso cui instradare il segnale.

Topologia di rete a stella

Topologia a stella[modifica | modifica sorgente]

La topologia a stella è un caso particolare di topologia ad albero caratterizzata dalla presenza di un unico nodo padre (spesso indicato come hub) da cui si dipartono n catene lineari costituite da un singolo nodo figlio (spoke). In altri termini, si tratta di una topologia ad albero ad un solo livello. Anche in questo caso, la comunicazione diretta tra due nodi figli può avvenire esclusivamente attraverso il nodo padre comune.

Vantaggi e svantaggi[modifica | modifica sorgente]

Le topologie ad albero presentano un elevato grado di affidabilità [2]: l'unico punto debole è costituito dai nodi padre, che, in caso di guasto, rendono impossibile l'accesso alla sottorete che si diparte da essi e che rimane quindi isolata. Va osservato che anche in questo caso la sottorete che rimane isolata, a meno che non sia costituita solo da nodi terminali, rimane comunque funzionante e operativa, essendo sempre possibile la comunicazione tra nodi della sottorete facenti capo a nodi padre comuni non guasti. Nella topologia a stella, invece, il guasto dell'hub comporta la perdita totale della funzionalità di rete, risultando di fatto isolati tutti i nodi componenti.

Altro vantaggio importante delle topologie ad albero è l'elevata scalabilità[2]: infatti è possibile aggiungere o togliere nodi e connessioni senza modificare la rete né la sua funzionalità, fino al numero massimo di diramazioni consentite dal nodo padre. Inoltre, è molto facile l'accorpamento di più reti in un'unica rete, collegando direttamente tra loro i relativi nodi radice, senza che questo abbia ripercussioni sulle reti preesistenti.

Questa struttura di rete presenta importanti vantaggi anche in termini di efficienza nella distribuzione del segnale: potendo infatti demandare le funzionalità di indirizzamento nei nodi padre (se dotati di opportuna intelligenza), è possibile smistare il segnale in maniera ottimizzata, di fatto secondo il percorso disponibile più breve. Anche l'elaborazione dell'instradamente e i relativi tempi risultano ottimizzati: infatti, con questa struttura, l'elaborazione dell'indirizzamento è distribuita tra i vari nodi padre, per le relative sottoreti, e non concentrata in un unico dispositivo centrale, e nei dispositivi di instradamento non richiede la conoscenza dell'intera rete ma solo della porzione che serve per gestire correttamente il trasferimento dell'informazione.

Per tutti questi motivi, questa topologia di rete trova larghissimo impiego nelle reti di calcolatori e di telefonia, in particolare per quanto riguarda la parte di rete di distribuzione verso le utenze finali.

Topologie a maglia[modifica | modifica sorgente]

Topologia completamente magliata

Topologia completamente magliata[modifica | modifica sorgente]

La topologia completamente magliata o a maglia completamente connessa è quella di complessità più elevata in quanto prevede che ogni nodo sia collegato direttamente con tutti gli altri nodi della rete con rami dedicati. La relazione tra numero di nodi e rami è di tipo quadratico ed è data da:

R = N*(N-1)/2

La caratteristica più importante di questa rete è che, dato un nodo qualsiasi, esiste sempre almeno un percorso che consente di collegarlo a un altro nodo qualsiasi della rete.

Topologia parzialmente magliata[modifica | modifica sorgente]

Topologia parzialmente magliata

La topologia parzialmente magliata o a maglia parzialmente connessa è una topologia che, dati N nodi, utilizza solo un sottoinsieme di tutti i collegamenti diretti definibili tra i nodi. Anche in questo caso la relazione tra numero di nodi e rami è non lineare e di tipo tendenzialmente quadratico, con una complessità inferiore rispetto al caso di rete completamente magliata e via via decrescente al decrescere dei rami utilizzati per i collegamenti tra i nodi, ed è espressa da una disuguaglianza:

(N-1) < R < N*(N-1)/2

Da notare che gli estremi della disuguglianza coincidono in un caso con la relazione che definisce le topologie lineari e nell'altro con la relazione che definisce la topologia completamente magliata. Questo indica che una topologia parzialmente magliata è data dalla combinazione di una o più sottoreti magliate con una o più sottoreti lineari.

Vantaggi e svantaggi[modifica | modifica sorgente]

Il vantaggio principale delle topologie magliate è la robustezza di fronte ai guasti nei collegamenti tra i nodi. In una topologia completamente magliata, fino a quando un nodo non rimane completamente isolato, esisterà sempre almeno un percorso in grado di collegare tale nodo con il resto della rete. Questo vuol dire che in una rete di N nodi, prima che un nodo rimanga totalmente isolato devono interrompersi tutti gli N-1 collegamenti con gli altri nodi. Anche le topologie parzialmente magliate presentano un grado di robustezza analogo, via via decrescente a mano a mano che diminuiscono i rami usati per connettere direttamente tra loro i nodi.

Di contro, il rapporto quadratico tra numero di nodi e numero di rami costituisce un grosso ostacolo per la scalabilità: oltre un certo limite, aggiungere un nodo a una topologia completamente magliata richiede l'aggiunta di un numero sempre maggiore di rami, aumentando anche la complessità dell'intera rete. Di fatto, questo tipo di topologia risulta utilizzabile solo fino a quando il numero dei nodi della rete è relativamente limitato e si usa principalmente per le dorsali di traffico (come per esempio l'infrastruttura ad alta capacità che unisce le centrali telefoniche regionali per la distribuzione a livello nazionale).

Topologia a bus[modifica | modifica sorgente]

Rete con topologia a "bus"

Nella topologia a bus, tutti i nodi sono collegati tra di loro per mezzo di un unico ramo condiviso.

Questa topologia è molto efficiente dal punto di vista della scalabilità (l'aggiunta di un nodo non comporta aggiunta di collegamenti né interruzione dei collegamenti esistenti) e della robustezza (la rottura del bus porta ad avere comunque un partizionamento della rete in due topologie a bus) e per questi motivi è molto usata nelle reti dati: per esempio, la rete Ethernet nelle sue versioni iniziali thickwire e thinwire, era fisicamente strutturata a bus.

In questo tipo di topologia, la presenza di un unico collegamento condiviso tra tutti i nodi richiede di utilizzare meccanismi di controllo dell'accesso che evitino le collisioni o le interferenze tra i nodi.

Note[modifica | modifica sorgente]

  1. ^ Hot to work token ring
  2. ^ a b Le topologie

Bibliografia[modifica | modifica sorgente]

  • Alberto León-Garcia, Indra Widjaja: Communication Networks, 2003, McGraw-Hill, New York, ISBN 007246352X 9780072463521

Voci correlate[modifica | modifica sorgente]

Altri progetti[modifica | modifica sorgente]

Telematica Portale Telematica: accedi alle voci di Wikipedia che parlano di reti, telecomunicazioni e protocolli di rete