Data Communication and Network Network Topology

Line Configuration รูปแบบที่เครื่องคอมพิวเตอร์ หรืออุปกรณ์สื่อสารตั้งแต่สองตัวขึ้นไป ทำการเชื่อมต่อกันโดยผ่านสื่อกลาง (Transmission Medium) ในการสื่อสารข้อมูล ซึ่งสื่อกลางนั้นอาจจะเป็นสื่อกลางที่เป็นแบบสาย (Guided Media) หรือ สื่อกลางแบบไร้สาย (Unguided Media) ก็ได้ ลักษณะการเชื่อมต่อนั้นมีอยู่สองประเภทใหญ่ๆ คือ แบบ point-to-point (จุดต่อจุด) และ แบบ multipoint (หลายจุด)

Point-to-Point Line Configuration การเชื่อมต่อแบบจุดต่อจุด คือการที่อุปกรณ์สื่อสาร หรือเครื่องคอมพิวเตอร์แต่ละคู่ มีจุดเชื่อมต่อกันแน่นอน และใช้เฉพาะคู่ของอุปกรณ์นั้นเท่านั้น ปริมาณหรืออัตราในการสื่อสารทั้งหมดของจุดเชื่อมต่อนั้นใช้สำหรับคู่ของอุปกรณ์ สื่อกลางที่ใช้อาจจะเป็นแบบสาย หรือแบบไร้สายก็ได้

Multipoint Line Configuration การเชื่อมต่อแบบหลายจุด เป็นการใช้สื่อกลางในการสื่อสารร่วมกันของอุปกรณ์สื่อสาร หรือคอมพิวเตอร์ มากกว่าสองเครื่องขึ้นไป

Topology โครงสร้างการเชื่อมต่อกันของแต่ละโหนด (อุปกรณ์สื่อสาร หรือ คอมพิวเตอร์) ภายในเครือข่าย Topology ของเครือข่ายเป็นรูปลักษณ์ทางเรขาคณิตของความสัมพันธ์ในการสื่อสารข้อมูลของแต่ละโหนดในเครือข่าย ซึ่งสามารถแบ่งออกได้เป็น 5 ประเภท Mesh, Star, Tree, Bus และ Ring

Mesh Topology การเชื่อมต่อแบบนี้ ทุกโหนดจะมีจุดเชื่อมต่อ (Link) โดยตรงไปยังโหนดอื่นๆทุกโหนดในเครือข่าย ดังนั้นจำนวนของจุดเชื่อมต่อของเครือข่ายรูปแบบ Mesh ที่มีจำนวนโหนดอยู่ n โหนด คือ n(n-1) / 2 จุดเชื่อมต่อ โหนดแต่ละตัวจะต้องมี port I/O ในการเชื่อมต่อ (n-1) port

ข้อดี ข้อเสีย ของ Mesh Topology มีข้อดีเหนือกว่ารูปแบบการเชื่อมต่อประเภทอื่นๆ อยู่หลายอย่างๆ เช่น อัตราความเร็วในการส่งข้อมูล ความเชื่อถือได้ของระบบ, ง่ายต่อการตรวจสอบความผิดพลาด และ ข้อมูลมีความปลอดภัยและมีความเป็นส่วนตัว ส่วนข้อเสีย คือจำนวนจุดที่ต้องใช้ในการเชื่อมต่อ และจำนวน Port I/O ของแต่ละโหนดมีจำนวนมาก (ตามสูตรข้างต้น) ถ้าในกรณีที่จำนวนโหนดมาก เช่นถ้าจำนวนโหนดทั้งหมดในเครือข่ายมีอยู่ 100 โหนด จะต้องมีจำนวนจุดเชื่อมต่อถึง 4,950 เส้น เป็นต้น

Star Topology แต่ละโหนดจะทำการเชื่อมต่อโดยตรง กับศูนย์กลางการควบคุมหรือที่เรียกกันโดยทั่วไปว่า Hub โหนดแต่ละโหนดไม่ได้เชื่อมต่อกันโดยตรง การที่โหนดหนึ่งๆจะส่งข้อมูลไปที่โหนดอื่นๆทำได้โดยการส่งข้อมูลผ่าน Hub เท่านั้น วิธีการเชื่อมต่อแบบ Star นี้ทำให้ประหยัดจำนวนสายเชื่อมต่อกว่าแบบ Mesh ได้มาก ในการเชื่อมต่อแบบนี้เช่นเดียวกับการเชื่อมต่อแบบ Mesh ซึ่งถ้าจุดเชื่อมต่อใดเกิดความเสียหาย ก็จะเกิดปัญหาเฉพาะโหนดนั้นเท่านั้น ไม่มีผลกับระบบเครือข่ายโดยรวม อย่างไรก็ตาม ถ้า Hub เกิดความเสียหายระบบโดยรวมก็จะทำงานไม่ได้ทั้งหมด

Tree Topology

Tree Topology การเชื่อมต่อแบบ Tree เป็นการปรับปรุงเปลี่ยนแปลงมาจากรูปแบบ Star ซึ่งแต่ละโหนดเชื่อมต่อกับ Hub ซึ่งมีอยู่สองประเภท คือ Active Hub และ Passive Hub Hub ที่เป็นศูนย์กลางของโครงสร้างต้นไม้ทั้งหมด คือ Active Hub ซึ่งมี Repeater เป็นอุปกรณ์ช่วยในการถ่ายทอดสัญญาณให้มีระยะทางเพิ่มมากขึ้น Hub แบบ Passive จะเป็นตัวที่เชื่อมต่อกับโหนดโดยตรง ข้อดีและข้อเสียของรูปแบบการเชื่อมต่อแบบ Tree นั้นคล้ายคลึงกับแบบ Star อย่างไรก็ตามข้อดีที่เหนือกว่าคือ สามารถเชื่อมต่ออุปกรณ์หรือโหนดได้มากกว่า และสามารถเชื่อมต่อกันได้ในระยะทางที่ไกลมากกว่า

Bus Topology การเชื่อมต่อที่กล่าวมาแล้วข้างต้นทั้งสามแบบ (Mesh, Star, Tree) เป็นรูปแบบการเชื่อมต่อแบบจุดต่อจุด (point-to-point) ส่วนลักษณะการเชื่อมต่อแบบ Bus นั้นใช้รูปแบบการเชื่อมต่อแบบหลายจุดเข้าด้วยกัน (Multipoint) ลักษณะการเชื่อมต่อแบบ Bus นี้จะมีสายเคเบิลเพียงเส้นเดียวที่ใช้เชื่อมต่อโนดทุกโหนดเข้าด้วยกัน ทำหน้าที่เป็นเหมือนกับกระดูกสันหลัง (backbone) ให้กับเครือข่าย โหนดแต่ละโหนดเชื่อมต่อกันได้ผ่านทางสายเคเบิลส่วนกลางนี้

Bus Topology ลักษณะการเชื่อมต่อแบบ Bus ใช้ปริมาณสาย และจำนวนจุดในการเชื่อมต่อน้อยกว่าแบบ Mesh, Star และ Tree สายเคเบิลที่ใช้เป็นสายเคเบิลกลางจะมีจุดปิดหัวปิดท้าย (Cable Terminators) และแต่ละจุดเชื่อมต่อ (tap) ก็จะเป็นจุดที่ใช้เชื่อมต่อระหว่างเคเบิลส่วนกลางกับโหนดในเครือข่าย ข้อเสียของลักษณะการเชื่อมต่อแบบ Bus คือ ถ้าสายเคเบิลกลางเสียหาย ก็จะทำให้ทั้งเครือข่ายทำงานไม่ได้ทั้งระบบ การเพิ่มโหนดใหม่เข้าไปในเครือข่ายทำได้ยากกว่าลักษณะการเชื่อมต่อสามแบบข้างต้น, และการส่งข้อมูลทำได้ช้ากว่าแบบอื่นเพราะต้องใช้เคเบิลกลางร่วมกัน

Ring Topology

Ring Topology ลักษณะการเชื่อมต่อแบบ Ring เป็นการเชื่อมต่อแบบจุดต่อจุด (point-to-point) ประเภทหนึ่ง แต่เป็นการเชื่อมต่อแบบจุดต่อจุดที่ทำการเชื่อมต่อกับโหนดอื่นๆสองโหนดเท่านั้น คือโหนดที่อยู่ก่อนหน้า และโหนดที่อยู่ถัดไป การสื่อสารข้อมูลในเครือข่ายทำได้โดยการส่งข้อมูล ผ่านโหนดต่างๆในเครือข่ายในทิศทางเดียวจนกระทั่งถึงผู้รับ แต่ละโหนดใน Ring ทำหน้าที่เหมือนกับเป็น Repeater คือเมื่อข้อมูลที่ได้รับเข้ามา เป็นข้อมูลของโหนดอื่น ก็จะทำถ่ายทอดการส่งข้อมูลนั้นผ่านออกไปยังโหนดถัดไป

เครือข่ายแบบ Ring นั้นง่ายต่อการติดตั้งและการแก้ไขเปลี่ยนแปลงทำได้ง่าย การเพิ่มโหนดเข้าไปใหม่ทำได้โดยการเปลี่ยนแปลงการเชื่อมต่อเพียงสองจุด อีกทั้งยังมีการใช้จำนวนเส้นทางในการเชื่อมต่อน้อย ข้อมูลในเครือข่ายแบบ Ring เคลื่อนที่ในทิศทางเดียว ทำให้ระยะเวลาในการส่งข้อมูลถึงแม้ว่าโหนดที่อยู่ใกล้เคียงกันก็อาจจะใช้เวลานานได้ (ถ้าโหนดที่จะส่งข้อมูลให้เป็นโหนดก่อนหน้า) เพราะข้อมูลต้องส่งต่อไปจนกระทั่งเกือบครบรอบ อีกทั้งในกรณีที่จำนวนโหนดมีมากทำให้เวลาที่ใช้ในการส่งผ่านข้อมูลนานขึ้นด้วย

Hybrid Topology การเชื่อมต่อกันเป็นเครือข่ายนั้น ไม่จำเป็นต้องมีลักษณะการเชื่อมต่อแบบใดแบบหนึ่งทั้งหมด แต่อาจใช้ลักษณะของเครือข่ายหลายๆประเภทมารวมกันอยู่ในเครือข่ายเดียวกันได้

LAN ตามมาตรฐาน IEEE 802 IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) ซึ่งเป็นองค์กรที่ได้สร้างมาตรฐานสากลทางด้านวิศวกรรมไฟฟ้า และคอมพิวเตอร์ ได้กำหนดมาตรฐาน สำหรับการเชื่อมโยงเครือข่ายคอมพิวเตอร์ เรียกว่า IEEE 802 ซึ่งมาตรฐานนี้อธิบายถึงเครือข่ายทั้งแบบ CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection), แบบโทเคนบัส(Token Bus) และ แบบโทเคนริง (Token Ring) ซึ่งเป็น LAN ทีมีการใช้งานกันแพร่หลาย LAN ทั้งสามประเภทนี้แตกต่างกันในระดับชั้น Physical และระดับชั้นย่อย MAC แต่เนื้อหาในระดับชั้นบนของ Data Link จะเหมือนกัน ซึ่งทำให้การควบคุมการส่งข้อมูลระหว่างปลายทางทั้งสอง ตลอดจนการติดต่อกับระดับชั้น Network อยู่ในรูปแบบเดียวกัน

IEEE 802

IEEE 802.3 Ethernet (1) มาตรฐาน IEEE 802.3 เริ่มมาจากบริษัท Xerox ได้สร้างระบบเครือข่ายเชื่อมต่อคอมพิวเตอร์ 100 เครื่องในบริษัท โดยมีความยาวของเครือข่ายได้ถึง 1 กิโลเมตร และมีอัตราในการส่งข้อมูลถึง 2.94 Mbps ระบบนี้เรียกว่า อีเทอร์เน็ต (Ethernet) ต่อมาบริษัท Xerox, DEC และ Intel ได้ร่วมกันพัฒนามาตรฐานอีเทอร์เน็ตซึ่งมีอัตราส่งข้อมูล 10 Mbps ซึ่งมาตรฐานนี้เป็นพื้นฐานของ IEEE 802.3

IEEE 802.3 Ethernet (2) สำหรับมาตรฐาน 802.3 จะอธิบายถึง LAN ทั้งหมดที่ใช้หลักการของ CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) ที่มีอัตราการส่งข้อมูลตั้งแต่ 1 ถึง 100 Mbps และใช้สายส่งชนิดต่างๆ นอกจากนี้มาตรฐาน IEEE 802.3 และอีเทอร์เน็ตยังมีบางส่วนของส่วนหัวของข้อมูล (Header) แตกต่างกันบ้าง (ฟิลด์ความยาวของ IEEE 802.3 ถูกใช้บ่งบอกชนิดของ Packet ในมาตรฐานอีเทอร์เน็ต) ดังนั้นจะเห็นได้ว่ามาตรฐาน IEEE 802.3 จะอธิบายถึง LAN ที่ใช้วิธีส่งข้อมูลแบบ CSMA/CD ส่วนอีเทอร์เน็ตนั้นจะหมายถึงผลิตภัณฑ์ชนิดหนึ่งของแลนแบบ IEEE 802.3

IEEE 802.3 Ethernet (3) LAN แบบนี้ส่งข้อมูลโดยใช้หลักการคล้ายๆกับการสนทนาระหว่างบุคคลหลายคน หากใครต้องการพูดก็สามารถพูดออกมาได้ในจังหวะที่ไม่มีคนอื่นพูด(เงียบ) แต่ก็อาจเป็นไปได้ที่บุคคล 2 คนจะพูดออกมาพร้อมๆกัน ทำให้เกิดการชนกันของเสียงพูด เมื่อเป็นเช่นนั้นทั้งสองคนจะต้องหยุดพูดทันที แล้วรอจังหวะที่จะพูดใหม่อีกครั้ง ซึ่งหากใครพูดก่อนก็จะสามารถพูดได้ และบุคคลอื่นๆจะต้องฟังอย่างเดียว

IEEE 802.3 Ethernet (4) วิธีการรับส่งข้อมูลของแลน IEEE 802.3 ซึ่งเป็นแบบ CSMA/CD ก็ทำงานในลักษณะเดียวกัน คือโหนดใดที่ต้องการส่งข้อมูลลงในสื่อกลางการส่งข้อมูล จะตรวจสอบดูสัญญาณในสื่อกลาง ถ้าหากสื่อกลางในการส่งข้อมูลว่างก็จะทำการส่งข้อมูลได้ทันที แต่หากโนดตั้งแต่ 2 โนดขึ้นไปส่งข้อมูลลงไปในสื่อกลางพร้อมๆกัน สัญญาณข้อมูลจะเกิดการชนกันขึ้น ทุกๆสถานีจะต้องหยุดการส่งข้อมูลแล้วรอเวลา ซึ่งช่วงเวลาของการรอแต่ละครั้งจะทำการสุ่มขึ้นมา (Random Time) หลังจากหมดเวลารอแล้วก็จะทำการตรวจสอบสัญญาณในสื่อกลางเพื่อส่งข้อมูลลงไปใหม่อีก

Collision Detection (1) เมื่อเกิดการชนกันของสัญญาณข้อมูลแล้ว เวลาจะถูกแบ่งออกเป็นช่องๆ (slots) แต่ละช่องมีช่วงเวลา 51.2 ไมโครวินาที (นั่นคือเวลาสถานีที่ส่งข้อมูลรู้ว่าเกิดการชนกันของข้อมูลหรือไม่ สำหรับความยาวของแลน 2,500 เมตร อัตราการส่งข้อมูล 10 Mbps) หลังจากการชนกันครั้งแรก แต่ละสถานีจะสร้างตัวเลขสุ่ม (Random) ที่มีค่า 0 หรือ 1 (เลขสุ่ม 2^1 ค่า) สถานีที่ได้ค่า 0 จะส่งข้อมูลออกไปในช่องเวลา 0 และสถานีที่ได้ค่า 1 จะส่งข้อมูลในช่องเวลาที่ 1 หากสองสถานีได้ค่าเลขสุ่มเดียวกันและส่งข้อมูลภายในช่องเวลาเดียวกัน จะเกิดการชนกันอีกครั้ง

Collision Detection (2) หลังจากการชนกันครั้งที่ 2 แต่ละสถานีจะสร้างตัวเลขสุ่มที่มีค่า 0,1,2, หรือ 3 (นั่นคือเลขสุ่ม 2^2 ค่า) แล้วส่งข้อมูลภายในช่องเวลาของตนเอง หากชนกันอีกก็จะสร้างเลขสุ่มจำนวน 2^3 ค่า กล่าวคือหลังจากการชนกัน i ครั้ง แต่ละสถานีก็จะมีการสร้างเลขสุ่มตั้งแต่ค่า 0 ถึง 2^i-1 ค่า และสถานีก็จะส่งข้อมูลภายในช่องเวลาของตนเอง กระบวนการในการแก้ไขการชนกันของข้อมูลแบบนี้เรียกว่า Binary Exponential Back off ซึ่งจะเห็นได้ว่ากระบวนการนี้ทำให้โอกาสในการที่จะเกิดการชนกันของข้อมูลมีน้อยลง เมื่อจำนวนครั้งของการชนกันของข้อมูลมากขึ้น

10Base5 Thick Coaxial 500 เมตร 100 10Base2 200 เมตร 30 10BaseT ตารางแสดงเคเบิลชนิดต่างๆที่ใช้กันทั่วไปของ IEEE802.3 ชนิด สายเคเบิล ความยาวของ Segment จำนวนโหนดต่อ Segment ข้อดี 10Base5 Thick Coaxial 500 เมตร 100 ใช้เป็น Backbone ของเครือข่าย 10Base2 200 เมตร 30 เป็นระบบที่ถูกที่สุด 10BaseT Twisted Pair 100 เมตร 1,024 ง่ายต่อการดูแลรักษา 10BaseF Fiber Optic 2,000 เมตร เชื่อมโยงเครือข่ายระหว่างตึก

Ethernet Segments

10BASE2

10BASET

Fast Ethernet เนื่องจากในปัจจุบันมัลติมีเดียได้มีการใช้งานกันมาก จึงมีความต้องการเครือข่ายความเร็วสูงในการเชื่อมโยงคอมพิวเตอร์เข้าด้วยกัน กลุ่มคณะทำงานของ IEEE จึงตัดสินใจที่จะปรับปรุงมาตรฐาน 802.3 ให้สามารถ รับส่งข้อมูลด้วยความเร็วสูงขึ้น ซึ่งกลายเป็นมาตรฐานที่เรียกว่า 802.3u ซึ่งเรียกกันโดยทั่วไปว่า Fast Ethernet Fast Ethernet อีเทอร์เน็ตรูปแบบหนึ่งที่มีความเร็วสูงถึง 100 Mbps รูปแบบของเฟรมข้อมูล หรือการควบคุมการชนกันของข้อมูลไม่มีการเปลี่ยนแปลงไปจากอีเทอร์เน็ตปกติ เพียงแต่ลดเวลาการส่งข้อมูลของแต่ละบิตจาก 100 นาโนวินาที เป็น 10 นาโนวินาที จึงทำให้อัตราการส่งข้อมูลสูงขึ้น 10 เท่าจากเดิม

Gigabit Ethernet Gigabit Ethernet เป็นเครือข่ายที่มีอัตราการส่งข้อมูลความเร็วสูงถึง 1000 Mbps หรือ 1 Gbps โดยที่มีการปรับปรุงเปลี่ยนการเข้ารหัสข้อมูล และกระบวนการในการส่งบิตข้อมูล ผ่านทางสายใยแก้วนำแสง (Fiber Optic) แทนที่การใช้สายบิดเกลียวคู่ (Twisted Pair)

LAN แบบ IEEE 802.4 แลนแบบโทเคนบัส ซึ่งถูกกำหนดเป็นมาตรฐาน IEEE 802.4 เป็นวิธีหนึ่งที่แก้ปัญหาซึ่ง ไม่สามารถรับประกันได้ว่าในขณะเวลาที่ต้องการส่งข้อมูลนั้น สถานีจะสามารถรับส่งข้อมูลได้หรือไม่ แลนแบบโทเคนบัส นั้นจะมีสายเคเบิลที่เป็นตัวกลางซึ่งโหนดต่างๆต่อเข้านั้น มักจะมีลักษณะเป็นเส้นตรงแบบ Bus แต่ในการทำงานจริง โหนดเหล่านั้นจะประกอบเป็นวงแหวนทางตรรกะ (Logical Ring) โหนดแต่ละตัวจะรู้ที่อยู่ (Address) ของสถานีที่อยู่ทางซ้าย และทางขวาของตัวเอง

LAN แบบ IEEE 802.4 เมื่อวงแหวนถูกสร้างขึ้นแล้ว โทเคน(Token) ก็จะถูกส่งกันไปตามวงแหวนนี้ โนดที่ต้องการที่จะส่งข้อมูลต้องรอให้ตนเองมีสิทธิที่จะส่งข้อมูลโดยการที่มี Token อยู่ ดังนั้นจึงไม่เกิดการชนกันของสัญญาณ เนื่องจากในเวลาใดเวลาหนึ่งจะมีผู้ที่มีสิทธิส่งข้อมูล (มี Token อยู่) อยู่เพียงโหนดเดียวเท่านั้น

LAN แบบ IEEE 802.5 แลน แบบ IEEE 802.5 หรือ แลนแบบ Token Ring โนดแต่ละโหนด เชื่อมโยงเข้าด้วยกันเป็นวงแหวน ซึ่งแตกต่างจาก Ethernet (802.3) และ Token Bus (802.4) ที่ทำงานโดยสัญญาณข้อมูลที่ส่งลงไปในสายจะถูกแพร่ไปสายส่วนกลาง ซึ่งข้อมูลจะรับได้โดยทุกๆโนดที่เชื่อมต่ออยู่ แต่สำหรับแลนแบบ 802.5 นั้นจะเป็นลักษณะที่เมื่อสัญญาณซึ่งเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียว ผ่านโนดต่างๆระหว่างผู้ส่งไปยังผู้รับ

LAN แบบ IEEE 802.5 การทำงานของโทเคนริงนั้น ปกติจะมีโทเคนถูกส่งวิ่งไปรอบวงแหวนในทิศทางเดียว เมื่อโนดใดต้องการส่งข้อมูล ก็จะจับเอาโทเคน ซึ่งผ่านเข้ามาแล้วส่งเฟรมข้อมูลลงไปในวงแหวน เนื่องจากการไหลของข้อมูลเป็นไปในทิศทางเดียว ดังนั้นข้อมูลที่ถูกส่งออกไปเมื่อถึงโหนดปลายทาง ข้อมูลจะถูกตรวจสอบความถูกต้อง แล้วจะตอบกลับไปว่าได้รับข้อมูลเข้ามาแล้วถูกต้องหรือไม่ จากนั้นก็ส่งข้อมูลรวมทั้งผลการตรวจสอบวนกลับยังโหนดผู้ส่งเพื่อให้ผู้ส่งทราบว่าการส่งข้อมูลเรียบร้อยหรือไม่ ถ้าโหนดที่มีโทเคนอยู่และทำการส่งข้อมูลออกไปเรียบร้อยแล้ว ก็จะทำการปล่อยโทเคนให้วิ่งในวงแหวนต่อไป โหนดอื่นที่ต้องการจะส่งข้อมูลต้องรอจนกระทั่งสามารถจับเอาโทเคนมาไว้ได้จึงจะสามารถเริ่มส่งข้อมูลออกไปได้

Token Ring A ส่งข้อมูล ถึง C