コンピュータ ネットワーク(computer network)を構築するには、さまざまな方法があります。メッシュ(Mesh)ネットワーク トポロジは、ホーム ネットワークの新しいゴールド スタンダードになりつつありますが、「メッシュ トポロジ」とはどういう意味ですか?
ネットワーク トポロジーについて知っておく必要がある最も重要なこと、メッシュ テクノロジが独自である理由、およびメッシュ テクノロジが普及している理由について説明します。
「トポロジー」とは？
トポロジーとは、物事が相互にどのように配置されているかを指します。たとえば、地域のトポロジ マップは、詳細なナビゲーションにはあまり使用されませんが、関心のあるポイントの「全体像」の配置を示しています。
コンピュータ サイエンスとネットワークの文脈では、トポロジとは、ネットワークの要素がどのように相互にリンクされているかを指します。ネットワーク上のどのノードが別のノードを通過する前に直接通信できるかを記述します。
その他のタイプのネットワーク トポロジ
ネットワーク トポロジには 5 つの一般的なタイプがあり、それぞれに長所と短所があります。
リニア バス トポロジ(Linear Bus Topology )ネットワークでは、すべてのノードが 1 本のケーブルに接続されています。このケーブルは「バックボーン」接続として知られており、このメイン ケーブルの両端に「ターミネータ」があります。データ(Data)は、「半二重」システムとして知られる、一度に一方向にのみ流れます。
これは、多くのケーブル接続を必要としない単純なネットワーク セットアップです。ただし、バス トポロジの弱点は、バックボーン ケーブルに問題が発生すると、ネットワーク全体が機能しなくなることです。また、ネットワーク上のどのデバイスが問題を引き起こしているかを特定することも難しく、トラブルシューティングに時間がかかります。
リング トポロジ(Ring Topology )ネットワークには、両端にターミネータが付いた単一のケーブルはありません。代わりに、すべてのノードが円形に配置され、すべてのノードが常に両側に別のノードを持ちます。リニア バス トポロジ ネットワークとは異なり、リング トポロジ ネットワークは全二重モードで動作するため、データを同時に送受信できます。バス トポロジと同様に、ケーブルに障害が発生すると、ネットワーク全体がダウンします。
スター トポロジ(Star Topology )ネットワークは、今日最も一般的なタイプのホーム ネットワークです。ここでは、ネットワーク内のすべてのノードが中央デバイスに直接接続されています。これは、ネットワーク スイッチ、ハブ、またはルーターです。すべてのネットワーク トラフィックは、このプライマリ デバイスを通過します。
このトポロジの欠点の 1 つは、ネットワークの輻輳が発生する可能性があり、もちろん、ハブ デバイスが単一障害点になることです。また、有線ネットワークでの上記のネットワーク トポロジよりもはるかに多くのケーブル配線が必要です。
ただし、ほとんどのホーム ネットワークでは、ほとんどのデバイスがWi-Fiを使用してワイヤレス ルーターに接続されており、イーサネット(Ethernet)は少数のデバイス用に予約されているため、これは問題ではありません。
ツリー トポロジ (別名拡張スター トポロジ、別名階層トポロジ)(Tree Topology (aka Expanded Star Topology, aka Hierarchical Topology) )は、スター トポロジ ネットワークの概念を取り入れ、それをツリーのようなアーキテクチャに拡張します。たとえば、ホーム ルーターはスター トポロジの中心ですが、ローカル ルーターを備えたより大きなスター上のノードであり、ローカル ルーターはさらに大きなスター上のノードです。
さまざまなスター トポロジ ネットワークもバックボーン ケーブルに接続されているため、ツリー トポロジの「幹」はリニア バス ネットワークであり、「枝」はスター トポロジ ネットワークです。
メッシュ トポロジを展開するときは、これらの一般的なネットワーク設計を念頭に置いてください。
メッシュ トポロジ
メッシュ トポロジ(Mesh Topology)ネットワークは、任意の 2 つのノード間の直接接続を提供します。バスまたはリング トポロジとは異なり、ネットワーク トラフィックは、宛先に到達するためにネットワーク上のすべてのノードを通過する必要はありません。また、スター トポロジの場合のように、ネットワーク トラフィックが中央ハブを通過する必要もありません。任意の 2 つのノードはプライベートに通信でき、ネットワーク上の他の誰かが傍受できる可能性はありません。
これはフル メッシュ(full mesh)ネットワークにも当てはまりますが、メッシュ ネットワーク トポロジには 2 つのタイプがあるため、最初のタイプについて簡単に説明します。
フル メッシュ トポロジと部分メッシュ トポロジ(Full Mesh Topology Versus Partial Mesh Topology)
メッシュ トポロジには 2 つのタイプがあります。フル メッシュ(Full Mesh )ネットワークでは、ネットワーク上のすべて(every)のノードが、他のすべてのノードへのポイント ツー ポイント接続を持っています。これは、ネットワーク上のどこに 2 つのノードが配置されていても、それらの間に有線または無線の直接接続があることを意味します。これには、ノードが追加されるたびに接続数が急速に増加する最も複雑な配線が必要です。
部分メッシュ(Partial Mesh )ネットワークの設計には、ネットワーク上のノードが他のノードに直接接続するという同じ基本的な考え方がありますが、すべてのノードが他のすべてのノードに接続されているわけではありません。すべてのノードは少なくとも 1 つの他のノードに接続されており、多くの場合は複数のノードに接続されていますが、部分メッシュはそれほど複雑ではありません。
メッシュ トポロジの利点
フル メッシュ ネットワークの主な利点は、冗長接続です。任意の数のノード間の直接接続に障害が発生した場合でも、別のネットワーク ノードを介してルーティングすることで、たとえそれがそれほど高速でなくても、いつでも接続できます。さらに良いことに、設計上、どこに障害があるかを簡単に特定できるため、問題を修正するのは比較的簡単です。
その意味で、フル メッシュ ネットワークは全体としてインターネットに似ており、大規模なネットワーク セグメントがダウンした場合でも、少なくとも 1 つの有効なデータ転送ルートが常に利用可能です。部分メッシュ ネットワークでは冗長性が低くなりますが、ネットワーク設計者は、最も重要なノードに多くの接続を提供し、冗長性、コスト、および複雑さのバランスを取ることに専念できます。
冗長性に加えて、メッシュ ネットワークはネットワーク パフォーマンスに関して大きな利点があります。これは、ノードがすべて同時にデータを送受信し、ネットワークを介して最も効率的なルートを選択できるためです。これは、スマート ホームのIoT (モノのインターネット)(Internet)セットアップ(Things)に最適な、信頼性の高い低遅延のネットワーク パフォーマンスを意味します。
メッシュ(Mesh)ネットワークは、フル メッシュ システムのネットワーク デバイス間でデータが移動するため、優れたプライバシーを備えています。
最後に、メッシュ ネットワークは、ネットワークのパフォーマンスや帯域幅に悪影響を与えることなく、優れたスケーラビリティを備えています。メッシュ ネットワークは、新しいノードを追加し、それらを最も近いノード (部分メッシュ) または他のすべてのノード (フル メッシュ) に接続することで、時間の経過とともに有機的に成長できます。
メッシュ トポロジの欠点
メッシュ トポロジの 2 つの主な欠点は、コストと複雑さです。部分メッシュ セットアップはこれらの問題のバランスをとるのに役立ちますが、フルメッシュの有線ネットワークは接続の蜘蛛の巣のようなものです。
メッシュ(Mesh)ネットワークは、他のネットワーク タイプよりも消費電力が高くなります。これは、データのルーティング パスを提供するために、すべてのノードがアクティブでオンになっている必要があるためです。また、ネットワークのパフォーマンスを維持するには、何らかの理由で問題が発生した個々のノードを修正または交換する必要があるため、メンテナンスの負担も大きくなります。
家庭内のワイヤレス メッシュ ネットワーク
家庭で使用されるローカルエリア ネットワーク(Area Networks)( LAN(LANs) ) は、従来、スター トポロジ ネットワークでした。すべてのデバイスは、 Wi-Fi(Wi-Fi)かイーサネット(Ethernet)かを問わず、中央ルーターに接続します。スマート デバイスや家電製品の台頭に伴い、家全体でのインターネット接続の必要性が高まっています。
集中化されたデバイスは、パフォーマンスのボトルネックを引き起こし、リピーターやエクステンダー(repeaters or extenders)を使用しないと、有線接続とワイヤレス信号の両方の到達範囲を制限する可能性があります。リピーターとエクステンダーは構成が複雑で、ネットワーク パフォーマンスが低下するため、家全体のネットワークに最適なソリューションではありません。
家庭内のメッシュ(Mesh)ネットワーク ルーターは、部分メッシュ ネットワークの例、またはハイブリッド トポロジの一種です。すべてのノードがすべてのノードに接続されているわけではありません。代わりに、プライマリ ノードはWAN (ワイド エリア ネットワーク(Wide Area Network)) に接続します。これは、ホーム ネットワークを超えたより大きなインターネットを指す別の方法です。
そのプライマリ ノードは、ラップトップやスマートフォンなどのデバイスに直接接続されますが、他のメッシュ ネットワーク ユニットへの専用ワイヤレス接続も設定します。すべて(Every)のメッシュ ルーターは、最高の接続速度と信頼性を備えた次のメッシュ ユニットに接続します。その接続は、Wi-Fi またはイーサネットの「(Ethernet “)バックホール」経由で行うことができます。この場合、高速ケーブルがメッシュ ルーター ユニットを接続します。
デバイスが家の中を移動すると、それぞれがインターネットへのパスを中継するため、メッシュ ユニット間でシームレスにハンドオフされます。スマートフォンなどのクライアントノードは、メッシュの一部として使用されません。(Client)あるクライアント デバイスを介して直接別のクライアント デバイスにトラフィックがルーティングされることはありません。すべてのトラフィックは、最も近いメッシュ ルーター ノードに渡されます。パフォーマンスやカバレッジを改善するためにネットワークを拡張する場合は、メッシュ ユニットを追加します。
ご覧のとおり、家庭用の「メッシュ」ワイヤレス ネットワークは、実際のメッシュ ネットワークのテンプレートとは完全には一致しません。代わりに、専用のメッシュ サブ接続のセットによってリンクされた複数のスター トポロジ ネットワークを持つようなものです。
それでも、これは最も高度でシームレスなホーム ネットワーク ソリューション(seamless home network solution)です。予算がこの新しいテクノロジーにまで及ぶと仮定すると、誰にでもお勧めできます。
What Is Mesh Network Topology?
There are mаny different ways to build a computer network. Mesh network topology is slowly becoming the new gold standard for home networks, but what does it mean to have a “mesh topology”?
We’ll explain the most important things you need to know about network topology, why mesh technology is unique, and why it’s becoming so popular.
What Does “Topology” Mean?
Topology refers to how things are arranged in relation to each other. For example, an area’s topological map isn’t used much for detailed navigation, but it shows the “big picture” arrangement of points of interest.
In the context of computer science and networks, topology refers to how the elements of a network are linked together. It describes which nodes on a network can communicate directly before going through another node.
Other Types of Network Topology
There are five general types of network topology, each with its advantages and disadvantages.
Linear Bus Topology networks have all nodes connected to a single cable. This cable is known as a “backbone” connection, with a “terminator” at each end of this main cable. Data only flows in one direction at a time, known as a “half-duplex” system.
This is a simple network setup that doesn’t require much cabling. However, the weakness in a bus topology is that the entire network stops functioning if anything goes wrong with the backbone cable. It’s also hard to pinpoint which device on the network might be causing issues, making troubleshooting time-consuming.
Ring Topology networks don’t have a single cable with terminators on each end. Instead, all the nodes are arranged in a circle, with every node always having another node on both sides. Unlike linear bus topology networks, ring topology networks operate in a full-duplex mode so that data can be sent and received simultaneously. Like bus topology, any fault in the cable brings the whole network down.
Star Topology networks are the most common type of home network today. Here, all of the nodes in the network have a direct connection to a central device. This can be a network switch, hub, or router. All network traffic flows through this primary device.
One disadvantage of this topology is the potential for network congestion and, of course, the hub device as a single point of failure. It also requires much more cabling than the above network topologies in a wired network.
However, in most home networks, this is a non-issue since most devices are connected to the wireless router using Wi-Fi, with Ethernet reserved for a handful of devices.
Tree Topology (aka Expanded Star Topology, aka Hierarchical Topology) takes the idea of a star topology network and expands it into a tree-like architecture. For example, your home router is the center of your star topology, but it’s a node on a bigger star with a local router, which is a node on an even bigger star.
The different star topology networks are also connected to a backbone cable, so the “trunk” of the tree topology is a linear bus network, and the “branches” are star topology networks.
Keep these general network designs in mind as we unpack mesh topology.
Mesh Topology
A Mesh Topology network offers a direct connection between any two nodes. Unlike bus or ring topologies, network traffic doesn’t have to pass through every node on the network to reach its destination. Nor does network traffic have to pass through a central hub as it does with a star topology. Any two nodes can communicate privately, with no chance that anyone else on the network can eavesdrop.
That’s true of full mesh networks, but there are two types of mesh network topology, so let’s briefly unpack the first.
Full Mesh Topology Versus Partial Mesh Topology
There are two types of mesh topology. In Full Mesh networks, every node on the network has a point-to-point connection to every other node. This means that no matter where two nodes are located on the network, there’s a direct wired or wireless connection between them. This requires the most complex wiring with the number of connections rapidly with every node added.
A Partial Mesh network has the same basic philosophy in its design that nodes on the network connect directly to other nodes, but not every node is connected to every other node. Every node is connected to at least one other node, and often more than one, but the partial mesh isn’t nearly as complex.
The Advantages of Mesh Topology
The main advantage of a full mesh network is redundant connections. Even if a direct connection between any number of nodes fails, they can always get through by routing through another network node, even if it isn’t as fast. Even better, it’s easy to pinpoint where the fault is by design, so fixing things is relatively easy.
In that sense, full mesh networks are like the internet as a whole, where at least one viable route for data transmission is always available, even if large network segments go down. Partial mesh networks offer less redundancy, although the network designers can concentrate on giving the most critical nodes the most connections, balancing redundancy, cost, and complexity.
Besides being redundant, mesh networks have a significant advantage regarding network performance since nodes can all send and receive data simultaneously, choosing the most efficient routes through the network. This means reliable, low latency networking performance perfect for IoT (Internet of Things) setups in smart homes.
Mesh networks have exceptional privacy since data moves between network devices in full mesh systems.
Finally, mesh networks have excellent scalability without negatively affecting network performance or bandwidth. A mesh network can grow organically over time by adding new nodes and hooking them into the nearest nodes (partial mesh) or all other notes (full mesh).
The Disadvantages of Mesh Topology
The two main disadvantages of mesh topology are cost and complexity. Partial mesh setups help balance these issues, but a full-mesh, wired network is like a spider’s web of connections.
Mesh networks have higher power consumption than other network types. That’s because all nodes must be active and turned on to provide routing paths for data. There’s also a significant maintenance burden since individual nodes that develop issues for any reason must be fixed or replaced to maintain network performance.
Wireless Mesh Networks in the Home
Local Area Networks (LANs) used in the home have traditionally been star topology networks. All devices connect to a central router, whether by Wi-Fi or Ethernet. The need for internet connectivity in the entire home is growing with the rise of smart devices and home appliances.
A centralized device can cause performance bottlenecks and limit the reach of both wired connections and wireless signals without using repeaters or extenders. Repeaters and extenders come with complex configurations and worse network performance, so they aren’t the ideal solution for whole-home networking.
Mesh network routers in the home are an example of partial mesh networks or perhaps a type of hybrid topology. Not all nodes are connected to every node. Instead, the primary node connects to the WAN (Wide Area Network), which is another way of referring to the greater internet beyond your home network.
That primary node is connected directly to devices like laptops and smartphones, but it also sets up dedicated wireless connections to other mesh network units. Every mesh router connects to the following mesh unit with the best connection speed and reliability. That connection can be over Wi-Fi or through Ethernet “backhaul,” where a high-speed cable connects some mesh router units.
As devices move around the home, they are seamlessly handed off between mesh units as each one relays the path to the internet. Client nodes such as smartphones are not used as part of the mesh. No traffic is routed through one client device directly to another. All traffic passes to the nearest mesh router node. If you want to expand the network to improve performance or coverage, add more mesh units.
As you can see, “mesh” wireless networks for home use don’t quite match the template of an actual mesh network. Instead, it’s more like having several star-topology networks linked together by a set of dedicated mesh sub-connections.
Still, this is the most advanced and seamless home network solution. One we can recommend to anyone, assuming your budget will stretch to this new technology.
