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ネットワークトポロジーとは、通信ネットワークの要素（リンク、ノードなど）の配置のことです。 [ 1 ] [ 2 ]ネットワークトポロジーは、コマンドおよび制御無線ネットワーク、[ 3 ]産業用フィールドバス、コンピュータネットワークなど、さまざまな種類の電気通信ネットワークの配置を定義または記述するために使用できます。
ネットワークトポロジーは、ネットワークのトポロジー構造[ 4 ]であり、物理的または論理的に表現できます。これはグラフ理論[ 3 ]の応用であり、通信デバイスはノードとしてモデル化され、デバイス間の接続はノード間のリンクまたは線としてモデル化されます。物理トポロジーは、ネットワークのさまざまなコンポーネントの配置（デバイスの位置やケーブルの設置など）であり、論理トポロジーは、ネットワーク内でデータがどのように流れるかを示します。ノード間の距離、物理的な相互接続、伝送速度、または信号の種類は、2つの異なるネットワーク間で異なる場合がありますが、それらの論理トポロジーは同一である可能性があります。ネットワークの物理トポロジーは、OSIモデルの物理層で特に重要になります。
ネットワークトポロジーの例としては、一般的なコンピュータネットワーク構成であるローカルエリアネットワーク（LAN ）が挙げられます。LAN内の任意のノードは、ネットワーク内の他のデバイスと1つ以上の物理リンクで接続されています。これらのリンクをグラフィカルにマッピングすると、ネットワークの物理トポロジーを記述するために使用できる幾何学的形状が得られます。LANでは、リング、バス、メッシュ、スターなど、さまざまな物理トポロジーが使用されています。逆に、コンポーネント間のデータフローをマッピングすると、ネットワークの論理トポロジーが決定されます。これに対し、車両でよく見られるコントローラエリアネットワーク（CAN）は、主に1つ以上のコントローラがセンサーやアクチュエータと相互接続された分散制御システムネットワークであり、常に物理的なバストポロジーで接続されています。
ネットワークトポロジーには、物理トポロジーと論理トポロジーという2つの基本的なカテゴリが存在する。[ 5 ]
デバイスを接続するために使用される伝送媒体のレイアウトは、ネットワークの物理トポロジーです。導電性媒体または光ファイバー媒体の場合、これはケーブルのレイアウト、ノードの位置、およびノードとケーブル間のリンクを指します。[ 1 ]ネットワークの物理トポロジーは、ネットワークアクセスデバイスと媒体の機能、必要な制御またはフォールトトレランスのレベル、およびケーブルまたは通信回線に関連するコストによって決定されます。
対照的に、論理トポロジーは、信号がネットワーク メディア上でどのように動作するか、またはデバイスの物理的な相互接続に関係なく、データがネットワークを介してデバイスからデバイスへと通過する方法です。[ 6 ][ 7 ]ネットワークの論理トポロジーは、必ずしも物理トポロジーと同じではありません。たとえば、リピーター ハブを使用するオリジナルのツイスト ペア イーサネットは、物理的なスター トポロジー上で実現される論理バス トポロジーでした。トークン リングは論理リング トポロジーですが、メディア アクセス ユニットから物理的にスターとして配線されています。物理的には、アビオニクス全二重スイッチ イーサネット(AFDX) は、複数の二重冗長イーサネット スイッチのカスケード スター トポロジーにすることができます。ただし、AFDX の仮想リンクは、時間スイッチングシングル トランスミッタ バス接続としてモデル化されているため、航空機で以前使用されていたシングル トランスミッタ バス トポロジーの安全モデルに従います。論理トポロジーは、多くの場合、メディア アクセス制御方式およびプロトコルと密接に関連しています。一部のネットワークでは、ルータおよびスイッチの構成変更によって論理トポロジーを動的に変更できます。
コンピュータネットワークを構築するためにデバイスを接続するために使用される伝送媒体（文献では物理媒体と呼ばれることが多い）には、電気ケーブル（イーサネット、HomePNA、電力線通信、G.hn）、光ファイバー（光ファイバー通信）、および電波（無線ネットワーク）が含まれます。OSIモデルでは、これらは第1層と第2層、すなわち物理層とデータリンク層で定義されます。
ローカルエリアネットワーク（ LAN）技術で広く採用されている伝送媒体群は、総称してイーサネットと呼ばれています。イーサネットを介してネットワーク機器間の通信を可能にする媒体およびプロトコル規格は、IEEE 802.3で定義されています。イーサネットは、銅線ケーブルと光ファイバーケーブルの両方でデータを伝送します。無線LAN規格（例えば、IEEE 802.11で定義されているもの）は電波を使用し、その他は赤外線信号を伝送媒体として使用します。電力線通信は、建物の電力ケーブルを使用してデータを伝送します。
以下の有線技術の順序は、おおよそ伝送速度が遅い順から速い順です。
価格は、企業における有線技術と無線技術の選択肢を区別する主要な要素です。無線オプションは価格が高くなるため、有線コンピュータ、プリンタ、その他のデバイスを購入する方が経済的に有利になる場合があります。有線技術製品の購入を決定する前に、選択肢の制約と制限を検討する必要があります。ビジネスや従業員のニーズは、コストに関する考慮事項よりも優先される場合があります。[ 12 ]
これまで、特殊な媒体を介してデータを転送する様々な試みが行われてきた。
どちらの場合も往復遅延時間が長いため、双方向通信は遅くなるが、大量の情報を送信することは可能である。
ネットワークノードは、伝送媒体を介して伝送される電気信号、光信号、または無線信号の送信機と受信機との接続点です。ノードはコンピュータに関連付けられる場合もありますが、ノードにマイクロコントローラのみを持つものや、プログラム可能なデバイスがまったくないものもあります。最も単純なシリアル構成では、1つのRS-232送信機を1つの受信機に一対のワイヤで接続し、1つのリンク上に2つのノード、つまりポイントツーポイントトポロジーを形成します。一部のプロトコルでは、単一のノードが送信または受信のいずれかのみを行うことが許可されています（例：ARINC 429）。他のプロトコルでは、ノードが単一のチャネルで送信と受信の両方を行うことができます（例：CANでは、 1つのバスに多数のトランシーバを接続できます）。コンピュータネットワークの従来のシステム構成要素には、ネットワークインターフェイスコントローラ（NIC）、リピーター、ハブ、ブリッジ、スイッチ、ルータ、モデム、ゲートウェイ、ファイアウォールなどがありますが、これらのほとんどは物理的なネットワークトポロジーを超えたネットワーク上の問題に対応しており、特定の物理ネットワークトポロジー上の単一のノードとして表現できます。
ネットワークインターフェースコントローラ（NIC）は、コンピュータが伝送媒体にアクセスできるようにするコンピュータハードウェアであり、低レベルのネットワーク情報を処理する機能も備えています。例えば、NICにはケーブルを受け入れるためのコネクタや、無線送受信用のアンテナ、および関連回路などが含まれます。
NICは、NICまたはコンピュータ全体のネットワークアドレス宛てのトラフィックに応答します。
イーサネットネットワークでは、各ネットワークインターフェースコントローラに固有のメディアアクセスコントロール（MAC）アドレスが割り当てられており、通常はコントローラの永続メモリに格納されています。ネットワークデバイス間のアドレス競合を回避するため、電気電子学会（IEEE）はMACアドレスの一意性を維持・管理しています。イーサネットMACアドレスのサイズは6オクテットです。上位3オクテットはNICメーカーを識別するために予約されています。これらのメーカーは、割り当てられたプレフィックスのみを使用して、製造するすべてのイーサネットインターフェースの下位3オクテットを一意に割り当てます。
リピーターは、ネットワーク信号を受信し、不要なノイズを除去して再生する電子機器です。信号は、障害物の向こう側へ、場合によっては異なる伝送媒体を使用して、より高い電力レベルで再送信または再生成されるため、信号は劣化することなくより長い距離を伝送できます。市販のリピーターは、 RS-232セグメントを 15 メートルから 1 キロメートル以上に延長しました。[ 15 ]ほとんどのツイストペア Ethernet 構成では、100 メートルを超えるケーブルにはリピーターが必要です。光ファイバーでは、リピーターは数十キロメートルまたは数百キロメートル離れていることもあります。
リピーターはOSIモデルの物理層内で動作します。つまり、リピーターまたはリピーターペアの両端で異なる物理層が使用される場合でも、リピーターまたはリピーターペア全体で物理プロトコルにエンドツーエンドの変更はありません。リピーターは信号を再生成するためにわずかな時間を要します。これにより伝搬遅延が発生し、ネットワークのパフォーマンスに影響を与え、正常な動作に影響を与える可能性があります。そのため、多くのネットワークアーキテクチャでは、連続して使用できるリピーターの数を制限しています（例：イーサネット5-4-3ルール）。
複数のポートを備えたリピーターはハブと呼ばれ、イーサネットネットワークではイーサネットハブ、 USBネットワークではUSBハブと呼ばれます。
ネットワークブリッジは、OSIモデルのデータリンク層（第2層）において、 2つのネットワークセグメント間のトラフィックを接続およびフィルタリングし、単一のネットワークを形成します。これにより、ネットワークの衝突ドメインは解消されますが、ブロードキャストドメインは統一されます。ネットワークセグメンテーションは、大規模で混雑したネットワークを、より小規模で効率的なネットワークの集合に分割します。
橋には大きく分けて3つの種類があります。
ネットワークスイッチは、各フレームの宛先MACアドレスに基づいてポート間でOSIレイヤ2データグラム（フレーム）を転送およびフィルタリングするデバイスです。 [ 16 ] スイッチは、接続されているすべてのポートではなく、通信に関係する物理ポートにのみフレームを転送するという点でハブとは異なります。マルチポートブリッジと考えることができます。[ 17 ]スイッチは、受信したフレームの送信元アドレスを調べることで、物理ポートとMACアドレスを関連付けることを学習します。未知の宛先がターゲットの場合、スイッチは送信元以外のすべてのポートにブロードキャストします。スイッチは通常、多数のポートを備えているため、デバイスのスター型トポロジーや追加のスイッチのカスケード接続が容易になります。
マルチレイヤースイッチは、レイヤー3アドレス指定または追加の論理レベルに基づいてルーティングを行うことができます。スイッチという用語は、ルーターやブリッジなどのデバイスだけでなく、負荷やアプリケーションコンテンツ（Web URL識別子など）に基づいてトラフィックを分散するデバイスも含む、広義の意味で使われることがよくあります。
ルータは、パケットまたはデータグラム（レイヤ3のインターネットプロトコル情報）に含まれるルーティング情報を処理することで、ネットワーク間でパケットを転送するインターネットワーキングデバイスです。ルーティング情報は、多くの場合、ルーティングテーブル（または転送テーブル）と連携して処理されます。ルータはルーティングテーブルを使用して、パケットの転送先を決定します。ルーティングテーブルの宛先にはブラックホールが含まれる場合があります。これは、データがそこに送られる可能性があるものの、そのデータに対してそれ以上の処理が行われず、つまりパケットが破棄されるためです。
モデム（変調器・復調器）は、本来デジタルネットワークトラフィック用に設計されていない有線ネットワークや無線ネットワークを介してネットワークノードを接続するために使用されます。そのためには、1つまたは複数の搬送波信号をデジタル信号で変調し、伝送に必要な特性を持つように調整可能なアナログ信号を生成します。モデムは、デジタル加入者線（DSL）技術を用いた電話回線で一般的に使用されています。
ファイアウォールは、ネットワークセキュリティとアクセスルールを制御するためのネットワーク機器です。ファイアウォールは通常、認識されていない送信元からのアクセス要求を拒否し、認識されている送信元からの操作を許可するように設定されます。ネットワークセキュリティにおけるファイアウォールの重要な役割は、サイバー攻撃の絶え間ない増加と並行してますます大きくなっています。
ネットワークトポロジーの研究では、ポイントツーポイント、バス、スター、リングまたは円形、メッシュ、ツリー、ハイブリッド、デイジーチェーンの8つの基本的なトポロジーが認識されています。[ 18 ]
2つのエンドポイント間に専用リンクを持つ、最もシンプルなトポロジー。ポイントツーポイントトポロジーのバリエーションの中で最も理解しやすいのは、ユーザーから見ると2つのエンドポイントに恒久的に接続されているように見えるポイントツーポイント通信チャネルです。子供用のブリキ缶電話は、物理的な専用チャネルの一例です。
回線交換方式またはパケット交換方式を用いることで、ポイントツーポイント回線を動的に構築し、不要になった時点で切断することができる。交換方式のポイントツーポイントトポロジーは、従来の電話通信の基本モデルである。
常時接続型のポイントツーポイントネットワークの価値は、2つのエンドポイント間の通信が妨げられない点にある。オンデマンド型のポイントツーポイント接続の価値は、潜在的な加入者ペアの数に比例し、メトカーフの法則として表されている。
デイジーチェーン接続は、各コンピュータを直列に接続することで実現されます。メッセージが途中のコンピュータ宛ての場合、各システムはメッセージを順番に転送し、宛先に到達させます。デイジーチェーンネットワークには、直線型とリング型の2つの基本的な形態があります。
バス型トポロジーを使用するローカルエリアネットワークでは、各ノードはインターフェースコネクタを介して単一の中央ケーブルに接続されます。これが「バス」であり、バックボーンまたはトランク とも呼ばれます。ネットワーク内のノード間のすべてのデータ伝送は、この共通の伝送媒体を介して送信され、ネットワーク内のすべてのノードで同時に受信できます。 [ 1 ]
目的の受信マシンのアドレスを含む信号は、送信元マシンからバスに接続されているすべてのマシンに双方向で送信され、目的の受信マシンが見つかると、そこでデータが受信されます。マシンのアドレスがデータの目的のアドレスと一致しない場合、信号のデータ部分は無視されます。バストポロジーは1本のワイヤのみで構成されているため、他のトポロジーよりも実装コストは低くなりますが、ネットワーク管理コストが高くなるため、コスト削減分は相殺されます。さらに、ネットワークは1本のケーブルに依存しているため、ネットワークの単一障害点となる可能性があります。このトポロジーでは、転送中のデータはどのノードからもアクセスできます。
線形バスネットワークでは、ネットワークのすべてのノードが共通の伝送媒体に接続されており、その伝送媒体には2つの端点しかありません。電気信号がバスの端点に到達すると、信号は線路に沿って反射され、不要な干渉を引き起こします。これを防ぐため、バスの両端は通常、ターミネータと呼ばれるデバイスで終端されます。
分散バスネットワークでは、ネットワークのすべてのノードが、伝送媒体のメインセクションに分岐を追加することによって作成される、2つ以上のエンドポイントを持つ共通の伝送媒体に接続されます。すべてのノードが共通の伝送媒体を共有するため、物理的な分散バストポロジーは、物理的な線形バストポロジーとまったく同じように機能します。
スター型トポロジー（ハブアンドスポーク型とも呼ばれる）では、すべての周辺ノード（コンピュータワークステーションやその他の周辺機器）が、ハブまたはスイッチと呼ばれる中央ノードに接続されます。ハブはサーバーであり、周辺機器はクライアントです。ネットワークが必ずしもスター型である必要はありませんが、ネットワーク上のすべての周辺ノードは、1つの中央ハブに接続されている必要があります。ネットワークを通過するすべてのトラフィックは、信号リピーターとして機能する中央ハブを経由します。
スター型トポロジーは、設計と実装が最も容易なトポロジーと考えられています。スター型トポロジーの利点の1つは、ノードの追加が容易であることです。一方、スター型トポロジーの主な欠点は、ハブが単一障害点となることです。また、すべての周辺機器との通信が中央ハブを経由する必要があるため、中央ハブの総帯域幅が大規模クラスタのネットワークボトルネックとなります。
拡張スター型ネットワークトポロジーは、物理的なスター型トポロジーを、中心ノードと周辺（または「スポーク」）ノードの間に1つ以上のリピーターを追加することで拡張したものです。リピーターは、物理層の最大伝送距離、つまり中心ノードと周辺ノード間のポイントツーポイント距離を延長するために使用されます。リピーターを使用することで、中心ノードの送信電力のみを使用した場合よりも、より長い伝送距離を実現できます。また、リピーターを使用することで、物理層の基盤となる規格の制限を克服することも可能です。
リピーターをハブやスイッチに置き換えた物理的な拡張スター型トポロジーは、ハイブリッドネットワークトポロジーの一種であり、物理的階層型スター型トポロジーと呼ばれますが、一部の文献ではこの2つのトポロジーを区別していません。
物理的な階層型スター型トポロジーは、ティアスター型トポロジーとも呼ばれます。このトポロジーは、スター型ネットワークの接続方法においてツリー型トポロジーとは異なります。ティアスター型トポロジーは中央ノードを使用するのに対し、ツリー型トポロジーは中央バスを使用するため、スターバス型ネットワークとも呼ばれます。
分散型スターとは、物理的なスター型トポロジーに基づいて個々のネットワークが直線的に接続された（つまり、デイジーチェーン接続された）ネットワークトポロジーであり、中央または最上位の接続ポイントはありません（たとえば、2 つ以上のスタックされたハブと、それらに関連付けられたスター接続ノードまたはスポーク）。
リングトポロジーは、閉じたループ内のデイジーチェーンです。データはリング内を一方向に伝わります。あるノードが別のノードにデータを送信すると、データは宛先に到達するまでリング上の各中間ノードを通過します。中間ノードは、信号を強く保つためにデータを中継（再送信）します。[ 5 ]すべてのノードはピアであり、クライアントとサーバーの階層的な関係はありません。あるノードがデータを再送信できない場合、そのノードはバス内のそのノードの前後のノード間の通信を遮断します。
利点：
デメリット：
完全メッシュネットワークの価値は、加入者数の指数に比例します。ただし、通信する任意の 2 つのエンドポイントのグループ (すべてのエンドポイントを含む) は、リードの法則によって近似されると仮定します。
完全接続ネットワークでは、すべてのノードが相互に接続されています。（グラフ理論では、これを完全グラフと呼びます。）最も単純な完全接続ネットワークは、2ノードネットワークです。完全接続ネットワークでは、パケット交換やブロードキャストを使用する必要はありません。ただし、接続数はノード数の2乗に比例して増加するため、次のようになります。
そのため、大規模ネットワークには不向きです。このタイプのトポロジーでは、ネットワーク内の他のノードに影響を与えることなく、障害が発生しません。
部分接続ネットワークでは、特定のノードは他のノードと正確に1つだけ接続されていますが、一部のノードはポイントツーポイントリンクで2つ以上の他のノードに接続されています。これにより、物理的に完全に接続されたメッシュトポロジーの冗長性を、ネットワーク内のすべてのノード間を接続するために必要なコストと複雑さを伴わずに活用することが可能になります。
ハイブリッドトポロジーは、ハイブリッドネットワークとも呼ばれます。[ 19 ]ハイブリッドネットワークは、2 つ以上のトポロジーを組み合わせることで、結果として得られるネットワークが標準的なトポロジー (バス、スター、リングなど) の 1 つも示さないようにします。たとえば、ツリーネットワーク(またはスターバスネットワーク) は、スターネットワークがバスネットワークを介して相互接続されたハイブリッドトポロジーです。[ 20 ] [ 21 ]ただし、別のツリーネットワークに接続されたツリーネットワークは、トポロジー的にはツリーネットワークであり、別のネットワークタイプではありません。ハイブリッドトポロジーは、2 つの異なる基本ネットワークトポロジーが接続されたときに必ず生成されます。
スターリングネットワークは、マルチステーションアクセスユニット（MAU）を中央ハブとして使用して接続された2つ以上のリングネットワークで構成されます。
雪の結晶トポロジーは中心部がメッシュ状だが、端は樹形になっている。[ 22 ]
他の2つのハイブリッドネットワークタイプは、ハイブリッドメッシュと階層型スターである。[ 20 ]
スター型トポロジーは、すべての周辺ノード（コンピュータなど）を中央ノードに接続することで、ネットワーク障害の発生確率を低減します。イーサネットなどの論理バスネットワークに物理的なスター型トポロジーを適用すると、この中央ノード（従来はハブ）は、任意の周辺ノードから受信したすべての送信を、ネットワーク上のすべての周辺ノード（場合によっては送信元のノードも含む）に再送信します。したがって、すべての周辺ノードは、中央ノードとの間で送受信を行うことで、他のすべてのノードと通信できます。いずれかの周辺ノードと中央ノードを結ぶ伝送線路が故障すると、その周辺ノードは他のすべての周辺ノードから孤立しますが、残りの周辺ノードは影響を受けません。ただし、中央ノードが故障すると、すべての周辺ノードが故障するという欠点があります。
中央ノードがパッシブな場合、送信元ノードは、往復伝送時間 （つまり中央ノードとの往復時間）と中央ノードで発生する遅延分だけ遅延した、自身の送信のエコーを受信することを許容できなければなりません。アクティブスターネットワークは、通常、エコー関連の問題を防止する手段を備えたアクティブな中央ノードを有しています。
ツリー型トポロジー（階層型トポロジーとも呼ばれる）は、階層構造に配置されたスター型ネットワークの集合体と見なすことができます。このツリー構造には、個々の周辺ノード（葉ノードなど）があり、これらのノードは他の1つのノードとの間でのみ送受信を行う必要があり、リピーターやリジェネレーターとして機能する必要はありません。スター型ネットワークとは異なり、中心ノードの機能は分散化することができます。
従来のスター型ネットワークと同様に、個々のノードは、そのノードへの伝送経路の単一障害点によってネットワークから孤立する可能性がある。リーフノードを接続するリンクが故障すると、そのリーフノードは孤立する。リーフノード以外のノードへの接続が故障すると、ネットワークの一部が残りの部分から孤立する。
すべての信号をすべてのノードにブロードキャストすることによって発生するネットワークトラフィック量を軽減するために、ネットワークに接続されているノードの識別情報を追跡できる、より高度な中央ノードが開発されました。これらのネットワークスイッチは、通常のデータ送信中に各ポートでデータパケットをリッスンし、接続されている各ノードのアドレス/識別子と接続されているポートをメモリに保持されたルックアップテーブルに記録することで、ネットワークのレイアウトを学習します。このルックアップテーブルにより、今後の送信は目的の宛先にのみ転送されるようになります。
デイジーチェーン型トポロジーは、ネットワークノードを直線状またはリング状に接続する方式です。メッセージが宛先ノードに到達するまで、あるノードから次のノードへとメッセージを送信するために使用されます。
デイジーチェーンネットワークには、直線型とリング型の2種類があります。直線型デイジーチェーンネットワークは、電気回路の直列接続のようなもので、最初と最後のノードは接続されていません。リング型デイジーチェーンネットワークは、最初と最後のノードが接続され、ループ状になっています。
部分的に接続されたメッシュトポロジーでは、少なくとも 2 つのノードがあり、それらの間に 2 つ以上のパスが存在するため、いずれかのパスを提供するリンクが故障した場合に備えて冗長なパスが提供されます。分散化は、単一のデバイスを中央ノードとして使用する場合に存在する単一障害点の欠点を補うためによく使用されます (たとえば、スター型ネットワークやツリー型ネットワーク)。2 つのノード間のホップ数を制限する特殊なメッシュは、ハイパーキューブです。メッシュネットワークでは任意の分岐が多数存在するため、設計と実装が難しくなりますが、分散型であるため非常に便利です。
これは、複数の方向でシステムを接続するために線形または環状のトポロジーが使用されるグリッドネットワークといくつかの点で類似しています。たとえば、多次元リングはトーラス状のトポロジーを持ちます。
完全接続ネットワーク、完全トポロジー、またはフルメッシュトポロジーとは、すべてのノードペア間に直接リンクが存在するネットワークトポロジーのことです。n個のノードを持つ完全接続ネットワークでは、直接リンク。このトポロジーで設計されたネットワークは通常、構築に非常にコストがかかりますが、ノード間の冗長リンクが多数存在するため、データ伝送経路が複数確保され、高い信頼性を実現します。このトポロジーは主に軍事用途で見られます。
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