1.4. Топология сетей связи
Топологией сетиназывают принятую организацию связей между ее элементами на физическом уровне, или геометрию построения сети.
С позиций топологии различают следующие виды сетей: шинные(линейные),кольцевые(петлевые),радиальные(звездообразные),распределенные радиальные(сотовые),иерархические(древовидные),полносвязные(сетка),смешанные(гибридные).
Рассмотрим основные из них или, иначе говоря, базовые структуры.
Сети с топологией общей шиныиспользуют одиночный линейный канал передачи данных, к которому все узлы подсоединены посредством относительно коротких соединительных линий. Общая шина чаще всего формируется с использованием коаксиального кабеля, называемого магистральным (backbone). Данные от передающего узла сети распространяются по шине в обе стороны. Промежуточные узлы не ретранслируют поступающих сообщений. Информация поступает на все узлы, но принимает сообщение только тот, которому оно адресовано. Для удаления сигнала из кабеля на концах шины должны использоваться специальные прерыватели (terminator). Механическое повреждение магистрали сказывается на работе всех устройств, подключенных к ней. Низкая надежность общей шины – основной недостаток рассмотренной топологии сети. Еще один недостаток сети с общей шиной – ее невысокая производительность, так как при выбранном способе подключения в каждый момент времени данные в сеть может передавать только одна станция, при этом пропускная способность канала связи делится между всеми узлами сети.
Шинная топология – одна из наиболее простых топологий. Такую сеть легко наращивать и конфигурировать, а также адаптировать к различным системам; она устойчива к возможным неисправностям отдельных узлов.
Поскольку в шинной сети используется общее звено передачи данных, требуется использовать некоторый способ управления доступом, чтобы определять, когда станции могут передавать свои данные на шину. Наиболее общий метод доступа, используемый в шинных сетях, – множественный доступ с контролем несущей.
Сеть шинной топологии применяет широко известная сеть Ethernetи организованная на ее базеNetWareNovell, очень часто используемая в офисах. Условно такую сеть можно изобразить, как показано на рис. 1.3.
Рисунок 1.3 – Сеть с шинной топологией
При построении шинной сети допускается использовать несколько взаимосвязанных шин. Сформированную таким образом сеть называют иерархической (древовидной) сетью.
В сети с кольцевой (петлевой) топологиейвсе узлы соединены в единую замкнутую петлю (кольцо) каналами связи. Выход одного узла сети соединяется со входом другого.
Информация по кольцу передается от узла к узлу, и каждый узел ретранслирует посланное сообщение. В каждом узле для этого имеются своя интерфейсная и приемо-передающая аппаратура, позволяющая управлять прохождением данных в сети. Передача данных по кольцу с целью упрощения приемо-передающей аппаратуры выполняется только в одном направлении. Принимающий узел распознает и получает только адресованные ему сообщения. Кольцо представляет собой удобную конфигурацию для организации обратной связи: переданные данные, сделав оборот, возвращаются к источнику. Таким образом можно контролировать процесс доставки данных адресату, а также тестировать сеть с целью поиска некорректно работающего узла.
Ввиду своей гибкости и надежности работы сети с кольцевой топологией получили широкое распространение на практике (например, сеть TokenRing).
Структура сети с кольцевой топологией показана на рис. 1.4.
Рисунок 1.4 – Сеть с кольцевой топологией
Основу сети с радиальной топологией (звезда)составляет центральный узел, который ретранслирует, переключает и маршрутизирует информационные потоки в сети. Центральный узел напрямую соединяется с каждым из узлов сети. В зависимости от типа центрального устройства принимаемый с одного входа сигнал может транслироваться (с усилением или без) на все выходы либо на конкретный выход, к которому подключено устройство — получатель информации.
В такой сети актуальна проблема надежности: при выходе из строя центрального узла вместе с ним выйдет из строя и вся сеть. Для предотвращения таких ситуаций нужно создать в центральном узле высокий уровень избыточности с помощью нескольких процессоров, переключателей, других устройств, чтобы обеспечить необходимое дублирование любой отказавшей части системы. Повышение надежности сказывается на стоимости системы.
Необходимость справляться с запросами всех узлов определяет сложность центрального узла и, соответственно, дороговизну системы в целом.
В качестве недостатков радиальной сети можно отметить:
— большую загруженность центральной аппаратуры;
— полную потерю работоспособности сети при отказе центральной аппаратуры;
— большую протяженность линий связи;
— отсутствие гибкости в выборе пути передачи информации.
Сети с радиальной топологией преимущественно используются в системах с явно выраженным централизованным управлением.
Структура радиальной сети показана на рис. 1.5.
Рисунок 1.5 – Сеть с радиальной топологией
Существуют радиальные сети с пассивным центром – вместо центрального узла в таких сетях устанавливается коммутирующее устройство, обычно концентратор, обеспечивающий подключение одного передающего канала сразу ко всем остальным.
Топология полносвязной (сеточной)вычислительной сети представлена на рис. 1.6.
Эта топология обладает значительной избыточностью и считается непрактичной для организации крупных сетей. Необходимость наличия большого числа коммуникационных портов для каждого из узлов и отдельных электрических линий связи делает такой вариант построения громоздким и неэффективным.
Несмотря на отмеченные недостатки, полносвязная топология обладает высокой отказоустойчивостью.
На практике находит применение частичная сеточная топология – структура, при которой некоторые звенья полносвязной топологии пропускаются, и ряд узлов может связываться с другими только через промежуточные узлы. Такая конфигурация является более практичной: узлы, которые имеют большой трафик, соединяются напрямую, а остальные узлы – через промежуточные.
Рисунок 1.6 – Полносвязная топология вычислительной сети
Одна из разновидностей сеточной топологии – сотовая (cellular), использующая беспроводные соединения между узлами сети. В ней сетевые устройства и компьютеры объединяются в зоны – ячейки (cell), взаимодействуя только с приемо-передающим устройством ячейки. Передача информации между ячейками осуществляется приемо-передающими устройствами.
Небольшие сети, как правило, имеют типовую топологию. Для крупных сетей характерно наличие разнообразных связей между узлами. В таких сетях можно выделить отдельные фрагменты (подсети) с типовой топологией, а топологию сети в целом называют гибридной (смешанной).
4. Типовые топологии и адресация в сетях эвм
Как только компьютеров становится больше двух, появляется проблема выбора конфигурации физических связей, или топологии.
Под топологией сети понимается конфигурация графа, вершинам которого соответствуют конечные узлы сети (например, компьютеры) и коммуникационное оборудование (например, маршрутизаторы), а ребрам — электрические и информационные связи между ними. Число возможных вариантов конфигураций резко возрастает при увеличении числа связываемых устройств. Так если три компьютера мы можем связать двумя способами, то для четырех компьютеров можно предложить уже шесть топологически разных конфигураций (при условии неразличимости компьютеров). От выбора топологии связей существенно зависят многие характеристики сети.Например, наличие между узлами нескольких путей повышает надежность сети и делает возможным балансировку загрузки отдельных каналов.
Простота присоединения новых узлов, свойственная некоторым топологиям, делает сеть легко расширяемой. Экономические соображения часто приводят к выбору топологий, для которых характерна минимальная суммарная длина линий связи.
Среди множества возможных конфигураций различают полносвязные и неполносвязные. Полносвязная топология (рис. 4а) соответствует сети, в которой каждый компьютер непосредственно связан со всеми остальными. Несмотря на логическую простоту, этот вариант оказывается громоздким и неэффективным. Действительно, в таком случае каждый компьютер в сети должен иметь большое количество коммуникационных портов, достаточное для связи с каждым из остальных компьютеров сети. Для каждой пары компьютеров должна быть выделена отдельная физическая линия связи. Полносвязные топологии в крупных сетях применяются редко. Чаще этот вид топологии используется в многомашинных комплексах или в сетях, объединяющих небольшое количество компьютеров.
Рис. 4. Типовые топологии сетей
Все другие варианты основаны на неполносвязных топологиях, когда для обмена данными между двумя компьютерами может потребоваться промежуточная передача данных через другие узлы сети.
Ячеистая топология получается из полносвязной путем удаления некоторых возможных связей (рис. 4б). Ячеистая топология допускает соединение большого количества компьютеров и характерна, как правило, для крупных сетей.
В сетях с кольцевой конфигурацией (рис. 4е) данные передаются по кольцу от одного компьютера к другому. Главным достоинством кольца является то, что оно по своей природе обладает свойством резервирования связей. Действительно, любая пара узлов соединена здесь двумя путями — по часовой стрелке и против нее. Кольцо представляет собой очень удобную конфигурацию и для организации обратной связи — данные, сделав полный оборот, возвращаются к узлу- источнику. Поэтому отправитель может контролировать процесс доставки данных адресату. Часто это свойство кольца используется для тестирования связности сети и поиска узла, работающего некорректно.В то же время в сетях с кольцевой топологией необходимо принимать специальные меры, чтобы в случае выхода из строя или отключения какой-либо станции не прерывался канал связи между остальными станциями кольца.
Топология звезда (рис. 4г) образуется в случае, когда каждый компьютер подключается отдельным кабелем к общему центральному устройству, называемому концентратором. В функции концентратора входит направление передаваемой компьютером информации одному или всем остальным компьютерам сети. В качестве концентратора может выступать как компьютер, так и специализированное устройство, такое как многовходовый повторитель, коммутатор или маршрутизатор. К недостаткам топологии типа звезда относится более высокая стоимость сетевого оборудования из-за необходимости приобретения специализированного центрального устройства. Кроме того, возможности по наращиванию количества узлов в сети ограничиваются количеством портов концентратора.
Иногда имеет смысл строить сеть с использованием нескольких концентраторов, иерархически соединенных между собой связями типа звезда (рис. 4д). Получаемую в результате структуру называют деревом. В настоящее время дерево является самым распространенным типом топологии связей, как в локальных, так и глобальных сетях.
Особым частным случаем звезды является конфигурация общая шина (рис. 4в). Здесь в качестве центрального элемента выступает пассивный кабель, к которому но схеме «монтажного ИЛИ» подключается несколько компьютеров (такую же топологию имеют многие сети, использующие беспроводную связь — роль общей шины здесь играет общая радиосреда). Передаваемая информация распространяется по кабелю и доступна одновременно всем компьютерам, присоединенным к этому кабелю. Основными преимуществами такой схемы являются ее дешевизна и простота наращивания. Самый серьезный недостаток общей шины заключается в ее низкой надежности: любой дефект кабеля или какого-нибудь из многочисленных разъемов полностью парализует всю сеть. Другим недостатком общей шины является ее невысокая производительность, так как при таком способе подключения в каждый момент времени только один компьютер может передавать данные по сети, поэтому пропускная способность канала связи всегда делится здесь между всеми узлами сети.
В то время как небольшие сети, как правило, имеют типовую топологию — звезда, кольцо или общая шина, для крупных сетей характерно наличие произвольных связей между компьютерами. В таких сетях можно выделить отдельные, произвольно связанные фрагменты (подсети), имеющие типовую топологию, поэтому их называют сетями со смешанной топологией.