コンピュータネットワークはトポロジーに従って何に分割されますか?

コンピュータネットワークは、トポロジーに従って、スタートポロジー、バストポロジー、リングトポロジー、ツリートポロジー、ハイブリッドトポロジー、メッシュトポロジー、スイッチング電源トポロジーに分類されます。その中でも、スター型ネットワーク トポロジは最も広く使用されているネットワーク トポロジです。

このチュートリアルの動作環境: Windows 7 システム、Dell G3 コンピューター。

コンピュータ ネットワークはトポロジに従って何に分類されますか?

コンピュータ ネットワークのトポロジは、オンライン コンピュータまたは機器と伝送メディアによって形成されるノードとラインの物理的な構成パターンを指します。ネットワーク ノードには 2 種類あり、1 つは情報の変換と交換を行う転送ノード (ノード スイッチ、ハブ、端末コントローラなど)、もう 1 つはアクセス ノード (コンピュータ ホストや端末など) です。線は、有形無形のさまざまな伝達メディアを表します。

特定のタイプ:

スター トポロジ

スター トポロジは、中央ノードとポイントツーポイント通信で構成されます。チェーン セントラル ノードに接続されたさまざまなサイトで構成されます。セントラル ノードは集中的な通信制御戦略を実装するため、セントラル ノードは非常に複雑ですが、各サイトの通信処理の負担は非常に小さくなります。スター型ネットワークで使用されるスイッチング方式には、回線交換とメッセージ交換が含まれますが、回線交換の方が一般的です。この構造でチャネル接続が確立されると、接続された 2 つのサイト間で遅延なくデータを送信できます。人気の PBX (構内交換機) は、スター トポロジの典型的な例です。

スター型トポロジの利点

(1) シンプルな構造、便利な接続、比較的容易な管理と保守、および高い拡張性。

(2) ネットワーク遅延時間が小さく、伝送エラーが少ない。

(3) 同一ネットワークセグメント内で複数の伝送メディアをサポートし、セントラルノードに障害が発生しない限り、ネットワークが麻痺しにくい。

(4) 各ノードは中央ノードに直接接続されているため、障害の検出と切り分けが容易で、障害のあるノードの排除も容易です。

したがって、スター ネットワーク トポロジは、最も広く使用されているネットワーク トポロジです。

スター型トポロジのデメリット

(1) 導入・保守コストが高い

(2) リソース共有機能が乏しい

( 3) 通信回線は回線上のセントラルノードとエッジノードのみで使用されており、通信回線の利用率は高くありません

(4) セントラルノードの要求は非常に高いです。中央ノードに障害が発生すると、ネットワーク全体が麻痺します。

スター トポロジは、ネットワーク インテリジェンスが中央ノードに集中している状況で広く使用されています。傾向から判断すると、コンピュータの発展は集中ホストシステムから多数の強力なマイクロコンピュータやワークステーションへと発展しており、この状況下では従来のスター型トポロジの使用は減少するでしょう。

バス トポロジ

バス トポロジでは、伝送媒体としてチャネルが使用され、すべてのステーションは、対応するハードウェア インターフェイスを介してこの公衆伝送媒体に直接接続されます。バスといいます。任意のステーションによって送信された信号は、伝送媒体に沿って伝播し、他のすべてのステーションによって受信されます。

すべてのステーションが共通の伝送チャネルを共有しているため、一度に信号を送信できるデバイスは 1 つだけです。通常、分散制御戦略は、どのステーションが送信できるかを決定するために使用されます。送信するとき、送信ステーションはメッセージをパケットに分割し、これらのパケットを 1 つずつ送信します。メディア上で送信するために他のステーションからのパケットと交互に送信する場合もあります。パケットが各ステーションを通過すると、宛先ステーションはパケットによって運ばれる宛先アドレスを認識し、これらのパケットの内容をコピーします。

バス トポロジの利点

(1) バス構造は必要なケーブルの数が少なく、ケーブル長が短く、配線と保守が容易です。

(2) バス構造がシンプルでソースから動作し、信頼性が高い。通信速度は最大1～100Mbpsと高速です。

(3) 拡張が容易、ユーザーの追加や削減に便利、構造が簡単、ネットワーク構築が簡単、ネットワーク拡張が便利

(4) 複数のノードが伝送チャネルを共有し、チャネル稼働率が高いです。

バストポロジのデメリット

(1) バスの伝送距離には限界があり、通信範囲が制限されます。

(2) 障害の診断と切り分けが困難。

(3) 分散プロトコルはタイムリーな情報送信を保証できず、リアルタイム機能もありません。サイトはスマートでメディア アクセス制御機能を備えている必要があるため、サイトのハードウェアとソフトウェアのオーバーヘッドが増加します。

リング トポロジ

リング トポロジでは、各ノードは、リング インターフェイスを介してエンドツーエンドで接続された閉じたリング通信回線で接続されます。情報の送信をリクエストできます。リクエストが承認されると、情報がリングに送信されます。リング ネットワーク内のデータは一方向または双方向に送信できます。リングはパブリックであるため、ノードから送信された情報はリング内のすべてのリング インターフェイスを通過する必要があり、情報フロー内の宛先アドレスがリング上のノードのアドレスと一致すると、その情報はリング インターフェイスで受信されます。その後、情報は、情報を送信したループ インターフェイス ノードに戻るまで、次のループ インターフェイスに流れ続けます。

リングトポロジーのメリット

(1) ケーブル長が短い。リング トポロジ ネットワークに必要なケーブル長は、バス トポロジ ネットワークのケーブル長と同様ですが、スター トポロジ ネットワークよりもはるかに短くなります。

(2) ワークステーションを追加・削減する場合も、簡単な接続作業だけで済みます。

(3) 光ファイバーが使用可能です。光ファイバーの伝送速度は非常に高いため、リングトポロジの一方向伝送に非常に適しています。

リング トポロジの欠点

(1) ノード障害により、ネットワーク全体が停止します。これは、リング上のデータ送信はリングに接続されているすべてのノードを経由する必要があり、リング内のノードに障害が発生するとネットワーク全体に障害が発生するためです。

(2) 故障検出が難しい。これはバス トポロジと似ていますが、集中制御ではなく、障害検出はネットワーク上の各ノードで実行する必要があるため、それほど簡単ではありません。

(3) リング トポロジのメディア アクセス制御プロトコルはすべてトークン パッシングを使用するため、負荷が非常に軽い場合、チャネル使用率は比較的低くなります。

ツリー トポロジ

ツリー トポロジは、複数レベルのスター構造で構成されると考えることができますが、この複数レベルのスター構造が上から下まで三角形である点が異なります。それらは木のように分布しており、上部では枝と葉が少なく、中央では枝と葉が多く、下部ではほとんどの枝と葉が存在します。ツリーの下部はネットワークのエッジ層に相当し、ツリーの中間部分はネットワークのアグリゲーション層に相当し、ツリーの上部はネットワークのコア層に相当します。階層型集中制御方式を採用しており、伝送媒体は複数分岐可能ですが閉ループを形成しておらず、各通信回線は双方向伝送に対応している必要があります。

ツリートポロジのメリット

(1) 拡張が容易。この構造は多くのブランチとサブブランチを拡張でき、これらの新しいノードと新しいブランチをネットワークに簡単に追加できます。

(2) 障害の切り分けが容易になります。特定のブランチ上のノードまたは回線に障害が発生した場合、障害が発生したブランチをシステム全体から簡単に分離できます。

ツリー トポロジの欠点

各ノードはルートに依存しすぎているため、ルートに障害が発生すると、ネットワーク全体が正常に動作しなくなります。この観点から見ると、ツリー トポロジの信頼性はスター トポロジの信頼性にある程度似ています。

ハイブリッド トポロジ

ハイブリッド トポロジは、2 つの単一トポロジを混合し、両方の利点を活用するトポロジです。

1 つはスター トポロジとリング トポロジが混合された「スター リング」トポロジであり、もう 1 つはスター トポロジとバス トポロジが混合された「スター トータル」トポロジです。

これら 2 つのハイブリッド構造には類似点があり、バス トポロジの 2 つのエンドポイントを接続すると、リング トポロジになります。

ハイブリッド トポロジでは、アグリゲーション レイヤ デバイスはリング トポロジまたはバス トポロジを形成し、アグリゲーション レイヤ デバイスとアクセス レイヤ デバイスはスター トポロジを形成します。

ハイブリッド トポロジの利点

(1) 障害の診断と切り分けがより便利になります。ネットワーク障害が発生した場合は、どのネットワーク デバイスに障害があるかを診断し、そのネットワーク デバイスをネットワーク全体から隔離するだけで済みます。

(2)拡張が容易。ユーザーを拡大する場合は、新しいネットワーク デバイスを追加するか、設計時に新しいサイトに接続できる予備の接続ポートを各ネットワーク デバイスに残しておくことができます。

(3) 取り付けが簡単です。ネットワークのメイン リンクはアグリゲーション レイヤ デバイスに接続するだけでよく、その後ブランチ リンクを介してアグリゲーション レイヤ デバイスとアクセス レイヤ デバイスを接続します。

ハイブリッドトポロジのデメリット

(1) ネットワーク障害の自動診断や障害ノードの切り分けを実現するには、インテリジェントなネットワーク機器を選択する必要があり、ネットワーク構築コストが比較的高くなります。

(2) スター型トポロジと同様に、アグリゲーション層デバイスからアクセス層デバイスまでのケーブル敷設長が大幅に長くなります。

ネットワーク トポロジ

ネットワーク トポロジ。この構造は広域ネットワークで広く使われており、ボトルネック問題や障害問題の影響を受けにくいという利点があります。ノード間には多数のパスがあるため、障害のあるコンポーネントや過剰な負荷のノードをバイパスして、データ フローの送信に適切なルーティングを選択できます。この構造は比較的複雑でコストが比較的高く、上記の機能を提供するネットワーク プロトコルも比較的複雑ですが、信頼性が高いため依然としてユーザーに歓迎されています。

ネットワーク トポロジのアプリケーションの 1 つは BGP プロトコルです。 IBGP ピア間の接続を確保するには、IBGP ピア間に完全な接続関係、つまりメッシュ ネットワークを確立する必要があります。 AS 内に n 台のルーターがあると仮定すると、確立する必要がある IBGP 接続の数は n(n-1)/2 です。

メッシュ トポロジの利点

(1) ノード間のパスが多く、衝突やブロッキングが減少します。

(2) 局所障害はネットワーク全体に影響を与えず、信頼性が高い。

ネットワーク トポロジの欠点

(1) ネットワーク関係が複雑で、ネットワークの構築が難しく、拡張も容易ではありません。

(2) ネットワーク制御メカニズムは複雑であり、ルーティング アルゴリズムとフロー制御メカニズムを使用する必要があります。

スイッチング電源トポロジ

PWM技術の継続的な開発と改善により、スイッチング電源はそのコストパフォーマンスの高さから広く使用されています。スイッチング電源には多くの回路トポロジがあり、一般的に使用される回路トポロジには、プッシュプル、フルブリッジ、ハーフブリッジ、シングルエンド フォワード、シングルエンド フライバックなどがあります。このうちハーフブリッジ回路ではトランスの一次側に全サイクル通して電流が流れ、磁気コアがフル活用されバイアス問題が発生しないため、パワースイッチ管の耐圧要求が低く、飽和電圧が高くなります。スイッチ管の電圧降下が減少し、入力フィルタコンデンサに必要な電圧も少なくとも低くなります。上記の理由の多くにより、ハーフブリッジ コンバータは高周波スイッチング電源設計で広く使用されています。

スイッチング電源では一般的に約 14 の基本的なトポロジが使用されます。

各トポロジには独自の特徴と適用可能な場面があります。一部のトポロジは、オフライン (グリッド電源) AC/DC コンバータに適しています。低電力出力 ( ～ 200V) または複数のグループ (4 ～ 5 グループ以上) は出力状況で利点があり、同じ出力電力で使用するデバイスの数が少なくなったり、デバイスの数と信頼性の間でより適切な妥協点を持つものもあります。入出力リップルとノイズが小さいことも、トポロジーを選択する際によく考慮される要素です。

一部のトポロジは DC/DC コンバータにより適しています。選択する際には、高電力か低電力か、高電圧出力か低電圧出力か、必要な部品ができるだけ少ないかどうかも考慮する必要があります。さらに、一部のトポロジには独自の欠陥があり、動作させるためには複雑で定量的な分析が難しい追加の回路が必要です。

したがって、トポロジを適切に選択するには、さまざまなトポロジの長所、短所、および適用範囲を理解することが非常に重要です。選択を誤ると、電源設計が最初から失敗する運命に陥る可能性があります。

スイッチング電源の一般的に使用されるトポロジ:

降圧スイッチング レギュレータ トポロジ、昇圧スイッチング レギュレータ トポロジ、逆極性スイッチング レギュレータ トポロジ、プッシュプル トポロジ、フォワード コンバータ トポロジ、ダブルエンド フォワード エキサイタコンバータ トポロジ、インターリーブ フォワード コンバータ トポロジ、ハーフブリッジ コンバータ トポロジ、フルブリッジ コンバータ トポロジ、フライバック コンバータ、電流モード トポロジおよび電流供給トポロジ、SCR 共振トポロジ、CUK コンバータ トポロジ

さまざまなスイッチング電源の集合体電源トポロジでは、まず 6 つの基本的な DC/DC コンバータ トポロジを示します。

順序は、降圧、昇圧、昇降圧、cuk、ゼータ、sepic コンバータです。

ツリー トポロジの欠点:

各ノードはルートに依存しすぎています。

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