Network topology in computer network - Hình trạng mạng trong mạng máy tính

I. Mở đầu

Mạng máy tính là một hệ thống lớn bao gồm nhiều thiết bị hoạt động tương tác với nhau nhằm truyền tải thông tin. Chúng ta có thể phân loại dựa trên các đặc điểm chung như: vùng địa lý/diện hoạt động (Mạng LAN, WAN, ...), chế độ truyền dẫn, ... Tiếp nối bài viết "Cấu hình đường truyền trong mạng máy tính", chúng ta sẽ tìm hiểu sâu hơn các hình trạng mạng (Network topology) trong mạng máy tính, từ đó cung cấp thêm một cách nhận diện và phân loại hệ thống mạng máy tính tới bạn đọc.

Hình trạng mạng (hay còn gọi là mô hình ghép nối mạng) mô tả chi tiết sự kết nối giữa các nodes (nút) và links (liên kết), hay cách thức các thiết bị trong mạng giao tiếp với nhau. Có nhiều kiểu topology khác nhau như:

Star topology
Bus topology
Ring topology
Mesh topology
Tree topology
Hybrid topology ...

Mỗi hình trạng mạng có những ưu điểm và hạn chế riêng, và việc lựa chọn mô hình phù hợp phụ thuộc vào nhu cầu cụ thể của từng môi trường mạng.

II. Topology

1. Topo star (Mạng hình sao)

Mạng hình sao có tất cả các thiết bị được liên kết với một thiết bị trung tầm, tùy thuộc vào từng trường hợp thiết bị trung tâm đó có thể là switch, router, hub hay máy chủ trung tâm. Thiết bị trung tâm thực hiện nhân gói tin phát từ trạm gốc và chuyển tiếp gói tin đến trạm đích. Liên kết điểm - điểm được thể hiện ở sự kết nối của thiết bị trung tâm với từng trạm.

Giả sử cần thiết lập cấu trúc liên kết cho $N$ thiết bị, khi sử dụng mạng hình sao, chúng ta cần:

$N$ dây cáp cho mỗi thiết bị, dễ dàng trong việc thiết lập.
Mỗi thiết bị yêu cầu một cổng kết nối, nên cần tương ứng $N$ cổng liên kết tới thiết bị trung tâm.
Trong trường hợp một liên kết bị lỗi, điều đó không ảnh hưởng tới $N-1$ liên kết còn lại.
Thông thường, chúng ta sử dụng cáp đồng trục trong trường hợp này giúp tiết kiệm chi phí.

Chúng ta cũng có thể thấy rõ điểm yếu duy nhất của mạng hình sao chính là thiết bị trung tâm - đóng vai trò như bộ não của mô hình này. Khi thiết bị trung tâm trục trặc sẽ đồng nghĩa với toàn bộ liên kết gặp vấn đề. Hiệu suất của topology này cũng phụ thuộc hoàn toàn vào thiết bị trung tâm.

Câu hỏi cho bạn đọc: Giả sử bạn đang làm việc cho một công ty vừa và nhỏ, bạn được giao nhiệm vụ thiết kế một mạng máy tính cho văn phòng của công ty. Công ty muốn sử dụng kiến trúc mạng hình sao (star network) để kết nối các máy tính của nhân viên với nhau và với máy chủ chính. Mạng này cần phải hỗ trợ khoảng $30$ máy tính. Bạn sẽ sử dụng thiết bị trung tâm loại nào, có bao nhiêu cổng, và loại dây cáp bạn lựa chọn là gì?

2. Topo bus (Mạng hình bus)

Cấu trúc liên kết bus sử dụng một đường truyền chung (bus) kết nối với tất cả trạm. Bus thường là cáp đồng trục, có giới hạn hai đầu bằng hai đầu nối đặc biệt gọi là điểm đầu cuối. Bus cũng là đường truyền dữ liệu duy nhất, chạy qua toàn bộ mạng. Mỗi máy tính hoặc thiết bị (nút) được kết nối trực tiếp với đường truyền này qua đầu nối chữ T hoặc thông qua một thiết bị giao diện, hoặc thiết bị thu phát.

Khi một máy tính gửi thông tin, tín hiệu được truyền qua bus và do đó tất cả các máy tính trên mạng đều có thể nhận tín hiệu đó. Tuy nhiên chỉ có máy tính có địa chỉ đích phù hợp mới xử lý dữ liệu, các máy tính khác sẽ bỏ qua tín hiệu này.

Giả sử cần thiết lập cấu trúc liên kết cho $N$ thiết bị, khi sử dụng mạng hình bus, chúng ta cần:

Một đường truyền dữ liệu chính (thường là cáp đồng trục) chạy qua toàn bộ mạng.
Cáp kết nối từng thiết bị với bus. Ở đây chúng ta cần $N$ đoạn cáp kết nối.
Mỗi thiết bị cần có một bộ giao diện mạng Network Interface Card (NIC) tương thích với loại cáp sử dụng trong mạng. Tức là cần $N$ NIC.
Hai thiết bị kết thúc mạng (terminators) ở hai đầu của đường truyền.
Trong trường hợp mạng có chiều dài lớn, có thể cần sử dụng bộ khuếch đại tín hiệu để duy trì chất lượng của tín hiệu trên toàn bộ đường truyền.

Với mô hình mạng bus, khi có một nút mạng hỏng, hoặc đường truyền bus bị hỏng (chẳng hạn đứt cáp) sẽ dẫn tới toàn bộ mạng bị ảnh hưởng. Ngoài ra, do tất cả máy tính chia sẻ cùng một đường truyền nên có thể gây ra nghẽn mạng khi lưu lượng truy cập tăng cao.

Câu hỏi cho bạn đọc: Bạn là một kỹ sư mạng được giao nhiệm vụ thiết kế và cài đặt một mạng hình bus cho một văn phòng nhỏ có $10$ máy tính. Mục tiêu là tạo ra một mạng nội bộ hiệu quả và chi phí thấp. Bạn cần sử dụng những thiết bị gì, hãy đưa ra số lượng cụ thể tối thiểu cho mỗi loại thiết bị.

3. Topo ring (Mạng hình vòng)

Trong cấu trúc liên kết vòng, mỗi thiết bị được kết nối với hai thiết bị khác, tạo thành một chuỗi vòng kín. Có thể coi mạng hình vòng là dạng mạng hình bus khép kín.

Dữ liệu trong ring topology di chuyển theo một hướng xác định, có thể là theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ, lần lượt từ nút này sang nút khác, cho tới khi được gửi tới thiết bị đích.

Hình trạng mạng này có cấu trúc đơn giản và dễ quản lý. Dữ liệu chuyển tiếp theo một hướng nên thường có hiệu suất đồng đều và không bị nghẽn như mạng hình bus. Tuy nhiên, nếu một nút trong mạng bị hỏng sẽ ảnh hưởng tới quá trình chuyển tiếp gói tin khi trên hướng di chuyển có đi qua thiết bị hỏng đó. Hiện nay, thiết lập cấu trúc liên kết vòng không được ưa chuộng do khó mở rộng và khó kiểm tra phát hiện lỗi.

4. Topo mesh (Mạng hình lưới)

Mạng hình lưới là một kiến trúc mạng máy tính trong đó mỗi nút kết nối trực tiếp với nhiều nút khác. Trong mạng hình lưới, có hai biến thể chính: mạng lưới đầy đủ (full mesh) và mạng lưới một phần (partial mesh).

Mạng hình lưới đầy đủ giống như một đồ thị đầy đủ, mỗi thiết bị kết nối với tất cả thiết bị còn lại. Trong mạng hình lưới một phần, số liên kết bị giảm đi tùy theo nhu cầu sử dụng và môi trường mạng khác nhau.

Để lắp đặt mạng hình lưới đầy đủ cho $N$ thiết bị, chúng ta cần sử dụng:

Mỗi thiết bị liên kết với $N-1$ thiết bị còn lại, giống với bài toán bắt tay, số liên kết cần sử dụng là $\frac{N\times (N-1)}{2}$
Mỗi thiết bị cần $N-1$ cổng, tổng số cổng cần sử dụng là $N\times (N-1)$

Trong thực tế, người ta sử dụng mạng hình lưới một phần, vì không hoàn toàn cần liên kết từng cặp thiết bị đôi một trong mạng.

Do có nhiều đường dẫn, mạng hình lưới có khả năng chịu lỗi cao. Nếu một kết nối bị hỏng, dữ liệu có thể được chuyển tiếp qua các đường khác. Do đó khả năng giao tiếp giữa các thiết bị được tăng cường và cũng giảm thiểu sự nghẽn mạng. Tuy nhiên, mạng hình lưới yêu cầu số lượng cáp và cổng mạng lớn, nảy sinh chi phí cao và lắp đặt phức tạp.

5. Topo tree (Mạng hình cây)

Giống với định nghĩa cây được học trong các học phần cơ sở ngành, cấu trúc liên kết cây được tổ chức theo dạng cây phân cấp. Một nút gốc (thường là switch hoặc router) được nối đến các nút mức hai, rồi lại nối tiếp tới các nút mức ba, ... Dữ liệu từ một nút di chuyển qua các nhánh để đến được nút đích.

Thực tế, có thể coi tree topology là sự kết hợp của các mạng hình bus, mạng hình sao, ... Trong mỗi phân cấp có thể sử dụng hình trạng mạng phù hợp, cho phép quản lý và mở rộng mạng một cách có tổ chức. Có thể thêm các nhánh mới mà không làm ảnh hưởng đến cấu trúc mạng hiện tại. Tuy nhiên, nếu nút gốc gặp sự cố sẽ ảnh hưởng tới các nút ở nhánh, hay toàn bộ nút hiện tại. Chi phí thiết lập cũng cao do cần sử dụng hệ thống cáp phức tạp.

6. Topo hybrid (Cấu trúc mạng lai)

Cấu trúc mạng lai kết hợp giữa hai hoặc nhiều loại kiến trúc mạng khác nhau để đáp ứng các yêu cầu cụ thể của tổ chức hoặc hệ thống. Thông thường, điều này bao gồm việc kết hợp mạng cáp đồng trục, mạng cáp quang, mạng không dây (wireless), hoặc các loại mạng khác.

Các loại mạng trong hệ thống hoạt động độc lập hoặc kết hợp với nhau thông qua các thiết bị chuyển đổi (switches) hoặc cổng giao tiếp (gateways). Mạng hình lai có thể cho phép các phần của hệ thống kết nối qua mạng cáp đồng trục trong khi các phần khác sử dụng mạng cáp quang hoặc không dây.

Sự kết hợp các loại kiến trúc mạng khác nhau cho phép cấu trúc mạng này khai thác ưu điểm của nhiều loại topology mạng, tính linh hoạt cao, việc mở rộng cũng trở nên dễ dàng hơn. Tuy nhiên, cần có sự tính toán tỉ mỉ khi thiết lập cấu trúc mạng lai do nó phụ thuộc vào nhiều yếu tố trong từng môi trường mạng khác nhau. Giá thành cao do đòi hỏi sử dụng nhiều hub, cáp và thiết bị mạng.