Инфокоммуникационные системы и сети (ИКСС)
Под топологией [1] (компоновкой, конфигурацией, структурой) компьютерной сети понимается взаимное физическое расположение компьютеров сети и способ соединения их линиями связи. Это понятие относится, прежде всего, к локальным сетям, в которых структуру связей можно легко проследить. Топология определяет требования к оборудованию, тип среды передачи данных, возможные и наиболее рациональные методы управления обменом, надежность работы, возможности модернизации сети.
В настоящее время используют три базовые сетевые топологии:
Шина (bus) — все компьютеры параллельно подключаются к одной линии связи. Информация от каждого компьютера одновременно передается всем остальным компьютерам.
Звезда (star) — к одному центральному компьютеру присоединяются периферийные компьютеры, при этом каждый из них использует отдельную линию связи. Информация от периферийного компьютера передается только центральному компьютеру, от центрального — нескольким периферийным.
Кольцо (ring) — компьютеры последовательно объединены в кольцо.
Передача информации в кольце производится в одном направлении, каждый из компьютеров передает информацию только одному компьютеру, следующему за ним, а получает информацию от предыдущего.
На практике возможно использование и других топологий локальных вычислительных сетей, однако большинство сетей ориентировано именно на три базовые топологии.
Топология шина по своей структуре предполагает идентичность сетевого оборудования компьютеров и равноправие всех абонентов по доступу к сети. Компьютеры в шине передают информацию только по очереди, так как линия связи в данной топологии единственная. Если несколько компьютеров будут передавать информацию одновременно, она исказится в результате наложения (конфликта, коллизии). В шине реализуется режим полудуплексного (half duplex) обмена (в обоих направлениях), но не одновременно.
В топологии шина отсутствует явно выраженный центральный абонент, через которого передается вся информация — это увеличивает ее надежность (при отказе центра перестает функционировать вся управляемая им система). Добавление новых абонентов в шину достаточно простая процедура, оно возможно даже во время работы сети. Как правило, при использовании шины требуется минимальное количество соединительного кабеля по сравнению с другими топологиями.
При отсутствии центрального абонента разрешение возможных конфликтов ложится на сетевое оборудование каждого отдельного абонента. В связи с этим сетевая аппаратура при топологии шина несколько сложнее, чем в других топологиях.
Одним из преимуществ шины является то, что при отказе любого из компьютеров сети, исправные машины смогут нормально продолжать взаимодействие.
Для увеличения длины сети с топологией шина используют несколько сегментов (частей сети с шинной топологией), соединенных между собой с помощью специальных усилителей и восстановителей амплитуды сигналов — репитеров (повторителей).
Однако такое наращивание длины сети возможно только в определенных пределах. Ограничения на длину связаны с конечной скоростью распространения сигналов в среде передачи данных.
Звезда — это единственная топология сети с явно выделенным центральным компьютером, к которому подключаются все остальные абоненты. Обмен информацией идет исключительно через центральный компьютер, на который приходится вся сетевая нагрузка. Оборудование центрального абонента существенно более сложное, чем оборудование периферийных абонентов. Обычно центральный компьютер самый мощный, именно на него возлагаются все функции по управлению обменом. Никакие конфликты в сети с топологией звезда в принципе невозможны, так как управление осуществляется центральным абонентом [2] .
Если говорить об устойчивости топология звезда к отказам абонентов, то выход из строя периферийного компьютера или его сетевого оборудования не приводит к ухудшению функционирования оставшейся части сети, но поломка центрального компьютера делает сеть полностью неработоспособной. В связи с этим принимаются специальные меры по повышению надежности центрального компьютера и его сетевого оборудования. Обрыв кабеля или короткое замыкание в нем при топологии звезда нарушает обмен только с одним компьютером, а все остальные компьютеры могут продолжать сетевое взаимодействие.
В отличие от шины, в звезде на каждой линии связи находятся только два абонента: центральный и один из периферийных. В звезде допустимо подключение вместо периферийного еще одного центрального абонента (топология из нескольких соединенных между собой звезд).
Большое достоинство звезды состоит в том, что все точки подключения находятся в одном месте. Благодаря этому можно контролировать работу сети, локализовать неисправности путем простого отключения от центра тех или иных абонентов (что невозможно в случае шинной топологии), а также организовать контроль доступа посторонних лиц к важным для сети точкам подключения.
Одним из основных недостатков топологии звезда является жесткое ограничение количества абонентов. Как правило, центральный абонент не может обслуживать более 8 — 16 периферийных абонентов. Кроме того, общим недостатком для всех топологий типа звезда является значительно больший, чем при других топологиях, расход кабеля, что при современных ценах на него не является существенным.
Кольцо — это топология, в которой каждый компьютер соединен линиями связи только с двумя соседними: от одного он получает информацию, а другому передает. На каждой линии связи, как и в случае звезды, работают только два абонента: один передатчик и один приемник (связь типа точка-точка). При этом каждый компьютер ретранслирует (восстанавливает, усиливает) приходящий к нему сигнал, то есть выступает в роли репитера. В этом случае затухание сигнала во всем кольце не имеет большого значения, важно только затухание между соседними компьютерами кольца. Размеры кольцевых сетей на практике достигают десятков километров (сети FDDI), кольцо в этом отношении существенно превосходит любые другие сетевые топологии.
Явно выделенного центра при кольцевой топологии нет, все компьютеры могут быть одинаковыми и равноправными. Однако часто в кольце выделяется специальный абонент, который управляет обменом и контролирует его. На этой особенности топологии строятся методы управления обменом по сети, рассчитанные специально на кольцо. В таких методах право на следующую передачу переходит последовательно к следующему по кругу компьютеру с использованием эстафеты — специального «маркера». Подключение новых абонентов в топологии кольцо выполняется относительно просто, хотя при этом необходима остановка работы всей сети на время подключения. Количество абонентов в кольце может быть достаточно большим (до тысячи и больше). Эта топология обладает высокой устойчивостью к перегрузкам, обеспечивает надежную работу с большими объемами передаваемой по сети информации, так как в ней отсутствуют коллизии (в отличие от шины), а также нет центрального абонента (в отличие от звезды), который может быть перегружен большими потоками данных.
Сигнал в кольце проходит последовательно через все абоненты сети, поэтому выход из строя любого из них (или его сетевого оборудования) нарушает работу всей сети — это является существенным недостатком кольца. Короткое замыкание или обрыв в любом из кабелей кольца так же делает неработоспособной сеть с данной топологией.
[1] Кондратенко С., Новиков Ю. Основы локальных сетей [Электронный ресурс]
[2] Кондратенко С., Новиков Ю. Основы локальных сетей [Электронный ресурс]