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.
§7. Физическая и логическая топология сети.
Физическая топология — это граф, вершинами которого являются узлы сети, а ребрами — физические связи между ними. Логическая топология описывает, как циркулируют потоки информации между узлами. Физическая и логическая топология сети могут не совпадать между собой. Фактически логическая топология определяет алгоритм, согласно которому сетевые узлы будут получать доступ к среде передачи данных (будет описано далее). Определяют следующие физические топологии:Шинная топологияВ этой топологии все узлы подключены непосредственно к сетевой среды. Сейчас такая топология используется достаточно редко из-за значительных недостатков — физический разрыв между любыми узлами приводит к неработоспособности всей сети. Реализовывалась на коаксиальном кабеле.Кольцевая топологияОбладает теми же недостатками, что и шинная, а поэтому на практике реализуется неявно. При явной реализации выход из строя любого узла или связи между ними приводит к неработоспособности сети.
Физические узлы соединены по топологии линейная шина однако доступ к шине происходит в кольцевом порядке от узла 1 к узлу 2, …., от узла 4 к узлу 1.
_______ физическая ——- логическая.
8. Коммуникационное оборудование
Коммутаторы — это программно – аппаратные устройства, которые делят общую среду передачи данных на логические сегменты. Логический сегмент образуется путем объединения нескольких физических сегментов с помощью концентраторов. Каждый логический сегмент подключается к отдельному порту коммутатора. Повторители – это аппаратные устройства, предназначенные для восстановления и усиления сигналов в вычислительных сетях с целью увеличения их длины. Мосты – это программно – аппаратные устройства, которые обеспечивают соединение нескольких локальных сетей между собой или несколько частей одной и той же сети, работающих с разными протоколами. Мосты предназначены для логической структуризации сети или для соединения в основном идентичных сетей, имеющих некоторые физические различия. Мост изолирует трафик одной части сети от трафика другой части, повышая общую производительность передачи данных. Логическая структуризация разделяет общую среду передачи данных на логические сегменты и тем самым устраняет столкновения (коллизии) данных в вычислительных сетях. Логические сегменты или подсети могут работать автономно и по мере необходимости компьютеры из разных сегментов могут обмениваться данными между собой. Протоколы управления в вычислительных сетях остаются теми же, какие применяются и в неразделяемых сетях.
9. Типы кабелей
Витая Пара наиболее распространенное средство для передачи данных между компьютерами. В данном типе кабеля используется медный попарно скрученный провод, что позволяет уменьшить количество помех и наводок, как при передаче сигнала по самому кабелю, так и при воздействии внешних помех. Существует несколько категорий этого кабеля. Перечислим основные из них. Cat 3 – был стандартизирован в 1991 г., электрические характеристики позволяли поддерживать частоты передачи до 16 МГц, использовался для передачи данных и голоса. Более высокая категория –Cat 5, была специально разработана для поддержки высокоскоростных протоколов. Поэтому его электрические характеристики лежат в пределах до 100Мгц. На таком типе кабеля работают протоколы передачи данных 10, 100, 1000 Мбит/с. На сегодняшний день кабель Cat5 практически вытеснил Cat 3. Основное преимущество витой пары перед телефонными и коаксиальными кабелями – более высокая скорость передачи данных. Также использование Cat 5 в большинстве случаев позволяет, не меняя кабельную структуру, повысить производительность сети (переходом от 10 к 100 и от 100 к 1000 Мбит/с).
Коаксиальный Кабель использовался в сетях еще несколько лет назад, но сегодня это большая редкость. Такой тип кабеля по строению практически идентичен обычному телевизионному коаксиальному кабелю – центральная медная жила отделена слоем изоляции от оплетки. Некоторые отличия есть в электрических характеристиках (в телевизионном кабеле используется кабель с волновым сопротивлением 75 Ом, в сетевом – 50 Ом).
Основными недостатками этого кабеля является низкая скорость передачи данных (до 10Мбит/с), подверженность воздействиям внешних помех. Кроме того, подключение компьютеров в таких сетях происходит параллельно, а значит, максимальная возможная скорость пропускания делится на всех пользователей. Но, по сравнению с телефонным кабелем, коаксиал позволяет объединять близко расположенные компьютеры с намного лучшим качеством связи и более высокой скоростью передачи данных.
Оптоволоконный кабель используется для соединения больших сегментов сети, которые располагаются далеко друг от друга, или в сетях, где требуется большая полоса пропускания, помехоустойчивость. Оптический кабель состоит из центрального проводника света (сердцевины) – стеклянного волокна, окруженного другим слоем стекла – оболочкой, обладающей меньшим показателем преломления, чем сердцевина. Распространяясь по сердцевине, лучи света не выходят за ее пределы, отражаясь от покрывающего слоя оболочки. Световой луч обычно формируется полупроводниковым или диодным лазером. В зависимости от распределения показателя преломления и от величины диаметра сердечника различают: одномодовое волокно; многомодовое волокно. Физический уровень также отвечает за преобразование сигналов между различными средами передачи данных. Например, при необходимости соединить сегменты сети, построенные наоптоволокне и витой паре, применяют так называемые конверторы (в данном случае они преобразуют световой импульс в электрический).