Физический уровень сетевой модели
При создании систем и сетей передачи информации сетевые элементы объединяются на основе различных топологий. Выбор топологии зависит от типа сети:
- с коммутацией каналов или пакетов;
- транспортные или сети доступа;
- локальные или глобальные.
В различных типах сетей используются различные топологии и различные методы обеспечения надежности. Однако некоторые топологии используются практически во всех типах сетей. Далее рассмотрены широко распространенные топологии локальных сетей .
В инфокоммуникационных сетях различают физическую и логическую топологии сети. Физическая топология представляет собой наиболее общую структуру сети и отображает схему соединения сетевых элементов и узлов кабелями связи. Логическая топология показывает, как по сети передаются определенные единицы информации, и определяет метод доступа к сетевой среде передачи данных. В данном разделе рассматривается, главным образом, физическая топология локальных сетей.
В локальных сетях наибольшее распространение получили следующие физические топологии ( рис. 4.16): шина , кольцо, звезда , расширенная звезда , древовидная (иерархическая) топология , а также полносвязная топология , где все узлы связаны между собой индивидуальными линиями связи.
Разделяемая (shared) линия или среда передачи данных, когда пользователи делят ресурсы линии связи между собой, снижает стоимость сети. Но в каждый момент времени линией может пользоваться только одна пара абонентов, из-за чего могут возникнуть очереди, а также коллизии.
Топология шина ( рис. 4.16а) характеризуется тем, что передачу данных в данный момент времени может вести только один узел. Ожидание своей очереди на передачу данных является недостатком топологии. Если два узла одновременно начали передачу данных, то в сети возникает коллизия . При выходе какого-то узла из строя вся остальная сеть будет функционировать без изменений. Другими достоинствами топологии являются экономное расходование кабеля, простота, надежность и легкость расширения сети. Топология шина характерна для технологий ранних версий локальных сетей Ethernet , когда использовали коаксиальный кабель .
При использовании топологии кольцо ( рис. 4.16б) сигналы передаются в одном направлении от узла к узлу. При выходе из стоя любого узла, прекращается функционирование всей сети, если не предусмотрен обход вышедшего из строя узла. Подобная физическая топология использовалась, например, в технологиях локальных сетей Token Ring , где для исключения коллизий реализован детерминированный доступ к разделяемой среде (кольцу). Передавать данные может только тот узел, который захватывает и удерживает специальный маркер, который циркулирует по кольцу. В настоящее время кольцевая топология широко используется в магистральных транспортных сетях.
Топология звезда ( рис. 4.16в) требует применения центрального устройства, к которому подключены все узлы. Выход из стоя одного узла не влияет на работоспособность остальной сети. Сеть легко модифицируется путем подключения новых узлов, в ней легко организовать управление и обеспечить безопасность . Из недостатков можно отметить уязвимость центра и увеличенный расход кабеля по сравнению с топологией шина .
Топология расширенная звезда ( рис. 4.16г) используется в современных крупных локальных сетях и сетях доступа, где широко распространены технологии GigabitEthernet. В качестве центрального устройства обычно устанавливается коммутатор . Разновидностью топологии расширенная звезда является древовидная или иерархическая ( рис. 4.16д) топология , где функциональные возможности коммутаторов определяются уровнем иерархии.
Для повышения надежности и отказоустойчивости сетей их строят по полносвязной топологии ( рис. 4.16е), где все узлы соединены между собой. Подобная топология характеризуется избыточностью, повышенным расходом кабеля, но все узлы постоянно связаны между собой, имеются запасные пути передачи данных.
На практике широко используется комбинация топологий. Например, ядро сети ( рис. 4.17) содержит сетевые коммутаторы (СК1,…СК5), объединенные для повышения надежности и отказоустойчивости по полносвязной топологии. В целом топология сети представляет собой расширенную звезду или радиально-узловой способ построения сети, когда конечные узлы (У) подключены к концентраторам К, которые в свою очередь , соединены с сетевыми коммутаторами СК ядра сети. Конечные узлы (У) сети вместе с концентраторами (К) образуют локальные сети .
Совокупность локальных сетей образует глобальную (составную, распределенную) сеть (Wide Area Network — WAN ). Объединение нескольких локальных сетей в глобальную сеть (Wide Area Network — WAN ) происходит с помощью устройств и протоколов сетевого Уровня 3 семиуровневой эталонной модели OSI или уровня межсетевого взаимодействия четырехуровневой модели TCP/IP . Если LAN объединяют рабочие станции, периферию, терминалы и другое сетевое оборудование в одной аудитории или в одном здании, то WAN обеспечивают соединение LAN на широком географическом пространстве.
Логическая топология сети определяет, как узлы общаются через среду, т.е. как обеспечивается управление доступом к среде. Наиболее известные логические топологии: » точка-точка » ( point-to-point ), множественного доступа (multi access), широковещательная ( broadcast ) и маркерная ( token passing ).
Логическая топология » точка-точка » обеспечивает передачу данных от одного узла до другого, независимо от промежуточных устройств между ними. Протокол управления передачей данных при такой топологии может быть очень простым, поскольку другие адресаты отсутствуют.
Логическая топология множественного доступа характерна для Ethernet -сетей, реализованных на многопортовых повторителях ( hub ). Доступ к разделяемой общей шине имеют все узлы, но в каждый момент времени передавать данные может только один узел. При этом остальные узлы могут только «слушать».
Использование широковещательной топологии определяет, что узел посылает свои данные всем другим узлам сетевой среды.
Маркерная логическая топология , также как топология множественного доступа реализует разделение общей среды. Однако, если в топологии multi-access Ethernet -сетей доступ к среде случайный (не детерминированный), то в маркерной топологии доступ к среде детерминированный. Электронный маркер ( token ) последовательно передается каждому узлу по кольцу. Узел, получивший маркер, может передавать данные в сеть . Если в узле нет данных для передачи, то он передает маркер следующему узлу и процесс повторяется. Топологию token passing используют сети: Token Ring и Fiber Distributed Data Interface ( FDDI ).
Широко известная сетевая технология Ethernet может использовать концентраторы (hub) и кабель » витая пара » ( рис. 4.18). Физическая топология на рис. 4.18 представляет собой звезду, поскольку все компьютеры подключены к центральному устройству — концентратору ( hub ). Логическая же топология — шина, поскольку внутри концентратора все компьютеры подсоединены к общей магистрали. Поэтому выяснить, о какой топологии идет речь можно только из контекста.
Топология сетей Физическая передающая среда лвс
Физическая средаобеспечивает перенос информации между абонентами вычислительной сети.
Физическая передающая среда ЛВС представлена тремя типами кабелей: витая пара проводов, коаксиальный кабель, оптоволоконный кабель.
Витая парасостоит из двух изолированных проводов, свитых между собой. Скручивание проводов уменьшает влияние внешних электромагнитных полей на передаваемые сигналы. Самый простой вариант витой пары — телефонный кабель.
Достоинство витой пары – дешевизна. Недостаток витой пары – плохая помехозащищенность и низкая скорость передачи информации – 0,25-1 Мбит/с.
Коаксиальный кабельобладает более высокой механической прочностью, помехозащищённостью и обеспечивает скорость передачи информации до 10-50 Мбит/с. Для промышленного использования выпускаются два вида коаксиальных кабелей: толстый (10 мм) и тонкий (4 мм). Толстый кабель более прочен и передает сигналы нужной амплитуды на большее расстояние, чем тонкий. В то же время тонкий кабель значительно дешевле.
Оптоволоконный кабель– идеальная передающая среда. Он не подвержен действию электромагнитных полей и сам практически не имеет излучения. Последнее свойство позволяет использовать его в сетях, требующих повышенной секретности информации.
Скорость передачи информации по оптоволоконному кабелю более 50 Мбит/с. По сравнению с предыдущими типами передающей среды он более дорог, менее технологичен в эксплуатации.
Основные топологии лвс
Вычислительные машины, входящие в состав ЛВС, могут быть расположены самым случайным образом на территории, где создается вычислительная сеть.
Топология ЛВС– это усредненная геометрическая схема соединений узлов сети. В топологии сетей применяют несколько специализированных терминов:
- Узел– любое устройство, непосредственно подключенное к передающей среде сети;
- Ветвь сети– путь, соединяющий два смежных узла;
- Оконечный узел– узел, расположенный в конце только одной ветви;
- Промежуточный узел– узел, расположенный на концах более чем одной ветви;
- Смежные узлы– узлы, соединенные, по крайней мере, одним путём, не содержащим никаких других узлов.
Топологии вычислительных сетей могут быть самыми различными, но для ЛВС сетей типичными являются всего три: кольцевая, шинная, звездообразная. Кольцевая топологияпредусматривает соединение узлов сети замкнутой кривой – кабелем передающей среды. Выход одного узла сети соединяется со входом другого. Информация по кольцу передается от узла к узлу. Каждый промежуточный узел между передатчиком и приемником ретранслирует посланное сообщение. Принимающий узел распознает и получает только адресованные ему сообщения. 
Кольцевая топология является идеальной для сетей, занимающих сравнительно небольшое пространство. В ней отсутствует центральный узел, что повышает надежность сети. В качестве передающей среды используются любые типы кабелей. Но последовательная дисциплина обслуживания узлов такой сети снижает ее быстродействие, а выход из строя одного из узлов нарушает целостность. Шинная топология– одна из наиболее простых. Она связана с использованием в качествепередающей среды коаксиального кабеля. Данные от передающего узла сети распространяются по шине в обе стороны. Промежуточные узлы не транслируют поступающих сообщений. Информация поступает на все узлы, но принимает сообщение только тот, которому оно адресовано. Дисциплина обслуживания параллельная. 
Высокое быстродействие ЛВС. Сеть легко наращивать, и конфигурировать, а также адаптировать к различным системам. Сеть устойчива к возможным неисправностям отдельных узлов, но имеет малую протяженность и не позволяет использовать различные типы кабеля в пределах одной сети. На концах сети устанавливают специальные устройства – терминаторы. Звездообразная топологиябазируется на концепции центрального узла, называемогоконцентратором,к которому подключаются периферийные узлы. Каждый периферийный узел имеет свою отдельную линию связи с центральным узлом. Вся информация передается через центральный узел, который ретранслирует, переключает и маршрутизирует информационные потоки в сети. 
Звездообразная топология значительно упрощает взаимодействие узлов ЛВС друг с другом, позволяет использовать более простые сетевые адаптеры. В то же время работоспособность ЛВС со звездообразной топологией целиком зависит от центрального узла. В реальных вычислительных сетях могут использоваться более сложные топологии, представляющие в некоторых случаях сочетания рассмотренных. Выбор той или иной топологии определяется областью применения сети, географическим расположением ее узлов и размерностью сети в целом. Например: Ячеистая топология. Для нее характерна схема соединения узлов, при которой физические линии связи установлены со всеми рядом стоящими компьютерами: 
В сети с ячеистой топологией непосредственно связываются только те компьютеры, между которыми происходит интенсивный обмен данными, а для обмена данными между компьютерами, не соединенными прямыми связями, используются транзитные передачи через промежуточные узлы. Ячеистая топология допускает соединение большого количества компьютеров и характерна, как правило, для глобальных сетей. Достоинства данной топологии в ее устойчивости к отказам и перегрузкам, т.к. имеется несколько способов обойти отдельные узлы. Смешанная топология. В таких сетях можно выделить отдельные подсети, имеющие типовую топологию – звезду, кольцо или общую шину, которые для крупных сетей связываются произвольно. 