Компьютерная сеть виды топологий сетей архитектуры сетей
Сетевые топологии, сигналы и кабели являются тремя компонентами, составляющими физический уровень OSI-модели (модели взаимодействия открытых систем — OpenSystemsInterconnection). Физический уровень является первым уровнем OSI-модели и используется для определения характеристик аппаратных компонентов компьютерной сети, например, характеристики сигнала, используемого для передачи двоичных данных, типа сетевой платы, устанавливаемой на каждый компьютер сети, а также типа используемого концентратора. В число других элементов физического уровня входят различные типы медного и оптоволоконного кабеля, а также целый ряд различных средств беспроводной связи. В локальной сети характеристики физического уровня непосредственно связаны с протоколом канального уровня. Это значит, что от выбора протокола канала передачи данных зависит определение’ соответствующих характеристик физического уровня.
Протокол канального уровня связывает между собой сетевое оборудование каждого компьютера с его сетевым программным обеспечением. Протокол канала передачи данных, который был выбран при разработке локальной сети, является важнейшим фактором при определении и установке приобретаемого вами оборудования. Наиболее популярным протоколом канального уровня, используемым для локальных сетей, сегодня является Ethernet. Среди прочих локально-сетевых протоколов стоит упомянуть маркерное кольцо (TokenRing) и распределенный интерфейс передачи по оптоволоконным каналам (FiberDistributedDataInterface, FDDI).
Топологии компьютерных сетей
Термин «топология» выражает то, как компьютеры и другие устройства связаны между собой посредством кабелей. Тип используемого вами кабеля определяет топологию вашей компьютерной сети. Имея один из типов кабеля, невозможно построить компьютерную сеть с любой топологией. Для каждого типа кабеля следует использовать соответствующую топологию. Есть три основных вида топологии, применяемых для локальных компьютерных сетей: шинная, звездообразная и кольцевая. Всего будет рассмотрено семь видов топологии: шинная, звездообразная, шинно-звездообразная, иерархическая звездообразная, кольцеобразная, решетчатая и беспроводная.
При шинной топологии компьютерной сети компьютеры и другие устройства соединены между собой последовательно посредством единого кабеля (шины). Такая конфигурация еще часто называется «гирляндной цепью». Все сигналы, передаваемые системами, входящими в сеть, проходят по шине в обоих направлениях через все другие системы, пока не достигнут пункта назначения. В шинной топологии всегда имеется два открытых конца (рис. 1.1), которые должны завершаться электрическим сопротивлением (оконечной нагрузкой) во избежание отражения сигналов и их последующего смешивания со вновь передаваемыми сигналами. При недостаточной оконечной нагрузке на одном или обоих концах шины компьютеры, которые подключены к ней, не могут правильно взаимодействовать.
В топологии типа «Шина» по стандарту Ethernet используется два вида кабельного соединения: толстый (thick) и тонкий (thin). В стандарте ThickEthernet используется один сплошной коаксиальный кабель. Компьютеры, входящие в такую сеть, присоединяются к этому кабелю посредством небольших кабельных сегментов, называемых интерфейсными кабелями подключаемых устройств (AttachmentUnitInterfacecable, AUI) или кабелями трансивера (transceivercables). В стандарте ThinEthernet используется более тонкий коаксиальный кабель, разделенный на несколько сегментов. Каждый такой сегмент соединяет между собой два компьютера.
Рисунок 1.1 — Шинная топология
Каждый компьютер сети имеет приемопередающее устройство (трансивер), предназначенное для передачи и приема данных через сетевой кабель. Все стандарты физических уровней Ethernet-сетей, за исключением сетей типа ThickEthernet, предусматривают интеграцию приемопередатчика в сетевую интерфейсную плату. ThickEthernet является единственной формой Ethernet-сетей, в которой интерфейс используется отдельно от сетевой платы. Приемопередатчик присоединяется к коаксиальному кабелю при помощи прокалывающего ответвителя, а затем к сетевой плате компьютера при помощи AUI-кабеля.
Основной недостаток шинной топологии заключается в том, что при любом повреждении кабеля, оконечной нагрузки или коннектора нарушается работа всей компьютерной сети. Сеть оказывается разбитой на части, и поэтому взаимодействие между системами становится невозможным. Кроме того, при разрыве внутри компьютерной сети, вызванном нарушением в работе какого-либо ее компонента, каждая часть сети теряет оконечное сопротивление, что приводит к отражению сигнала и искажению данных.
Топология типа «Звезда» (startopology) использует специальное коммутирующее устройство — концентратор (Hub). Каждый компьютер подключается к концентратору при помощи отдельного кабеля (рис. 1.2). В звездообразной топологии используется кабель на основе витой пары, подобный тем, которые описаны в спецификациях lOBaseT и 100BaseT. Большинство локальных сетей, использующих протокол Ethernet, а также многие компьютерные сети, использующие другие протоколы, строятся на основе звездообразной топологии.
Хотя каждый ПК не связан непосредственно с остальными компьютерами и подключен только к концентратору посредством отдельного кабеля, все сигналы, поступающие на любой из портов концентратора, передает на все остальные порты. Таким образом, все сигналы, передаваемые ПК в сеть, достигают всех остальных компьютеров.
Рисунок 1.2 — Звездообразная топология
Благодаря тому, что каждый ПК имеет выделенное соединение с концентратором, топология типа «Звезда» обеспечивает более надежную работу сети, чем шинная, т.к. повреждение какого-либо кабеля затрагивает работу только одного компьютера, использующего этот кабель, и не влияет на работу остальной части сети. Недостатком звезды является то, что для нее требуется дополнительное устройство — концентратор. Выход из строя концентратора затрагивает всю сеть, — она вся целиком перестает работать.
Топология типа «Звезда — Шина»
Топология типа «Звезда — Шина» позволяет увеличить количество топологических звезд в локальной сети. При таком расширении несколько звездообразных структур связываются между собой при помощи специальной шины, соединяющей их концентраторы (рис. 1.3). Каждый концентратор передает поступающие в него данные через свой шинный порт на аналогичный порт концентратора другой звезды, что позволяет всем компьютерам локальной компьютерной сети взаимодействовать между собой. Данная топология изначально была разработана для расширения Ethernet-сетей спецификации lOBaseT, но из-за снижения производительности работы компьютерной сети, вызванного низкой пропускной способностью коаксиальной шины, сегодня она редко используется.
Рисунок 1.3 — Топология типа «звезда — шина»
Для увеличения производительности звездообразной компьютерной сети сверх тех возможностей, которые дает ее изначальный концентратор, можно воспользоваться иерархической звездообразной топологией (рис. 1.4), также называемой «разветвленной компьютерной сетью». Для расширения звездообразной сети ее концентратор подключается ко второму концентратору посредством стандартного кабеля, присоединенного к специально предназначенному для этого порту, называемому «связным» (uplinkport), при этом трафик, поступающий на любой из этих концентраторов, передается и на другой концентратор, а также на присоединенные к нему компьютеры. Количество концентраторов, которое может поддерживать одна сеть, определяется используемым в ней протоколом. Например, компьютерные сети типа FastEthernet обычно могут поддерживать только два концентратора.
Рисунок 1.4 — Иерархическая звездообразная топология
Топология типа «Кольцо» похожа на шинную топологию тем, что каждый компьютер в ней соединен с другим компьютером. Однако концы шины не заделываются резисторами, а связываются друг с другом, образуя кольцо (рис. 1.5). При такой топологии сигналы перемещаются по кольцу от одного компьютера к другому и, в конце концов, возвращаются в исходную точку. В большинстве случаев кольцеобразная топология в строгом смысле реализуется логически, а не физически, поскольку кабели подводятся к концентратору и принимают форму звезды. В кольцеобразной топологии можно использовать несколько разных типов кабеля. В сетях с FDDI-интерфейсом применяется оптоволоконный кабель, а в сетях на основе маркерного кольца (tokenringnetworks) — кабель на основе витой пары. В компьютерных сетях типа TokenRing используется особый тип концентратора, называемый модулем множественного доступа (MultistationAccessUnit, MAU). MAU-модуль принимает каждый входящий сигнал через один порт и передает его последовательно через все остальные порты. Этот процесс является не одновременным, как в концентраторе сети Ethernet, а последовательным. Например, когда компьютер, подключенный к порту 7 в 16-портовом MAU-модуле, передает пакет данных, MAU-модуль принимает этот пакет, а затем передает его только на порт 8. Когда компьютер, подключенный к порту 8, получает этот пакет данных, он сразу же возвращает его в MAU-модуль, который затем передает его на порт 9, и т.д. MAU-модуль продолжает этот процесс до тех пор, пока он не передаст пакет данных на каждый компьютер, входящий в данную сеть. Когда ПК, отправивший этот пакет, получает его обратно, он должен вывести его из кольца.
Рисунок 1.5 — Кольцеобразная топология
Структура этой топологии позволяет компьютерной сети сохранять свою работоспособность, даже если какой-то кабель или коннектор выходит из строя, поскольку MAU-модуль содержит специальную схему, которая исключает неисправный ПК из кольца. MAU-модуль в этом случае сохраняет логическую топологию, и компьютерная сеть продолжает функционировать без участия неисправной рабочей станции.
Применение топологии типа «Решетка» в локальной сети, по крайней мере, нерационально. При такой топологии каждый компьютер имеет выделенное соединение с каждым другим компьютером, входящим в локальную сеть. Эта топология полезна только в том случае, когда сеть является двухузловой. Для построения решетчатой сети, объединяющей три или более компьютеров, потребовалось бы, чтобы каждый ПК имел отдельную сетевую плату для каждого другого компьютера. Например, в семиузловой решетчатой сети каждый компьютер должен был бы иметь по шесть сетевых плат. Хотя такая топология является непрактичной для ЛС, она обладает превосходной отказоустойчивостью. Повреждение сети в одной из точек может нарушить работу только одного компьютера, но не всей сети целиком.
Рисунок 1.6 — Топология «Решетка»
Применение решетчатой топологии становится полезным в компьютерных сетевых комплексах. Существование множества маршрутов, связывающих любые две точки, позволяет применять резервные маршрутизаторы (рис. 1.6). Такая топология часто встречается в больших компьютерных сетях, т.к. она делает сети более устойчивыми к возможным отказам, вызванным неисправностями кабелей, концентраторов и маршрутизаторов.