Кольцо и звезда: кто кого?
При построении сетей есть две конкурирующие топологии: это звезда (разных вариантов) и кольцо (разных вариантов). У звезды одно преимущество – низкая переподписка. Недостатки звезды — сложная структура, а соответственно сложность эксплуатации и высокая стоимость. Звезда — это решение для собранных в одно место пользователей на доступе: классическая сеть здания управления в предприятии, но не всегда и даже в этом случае. Ведь опорная сеть здания с соблюдением норм пожарной безопасности всегда будет прокладываться через два кабельных стояка в разных частях здания и это снова – кольцо, а не звезда: одно кольцо/жгут оптики через эти два стояка и два центра ядра сети здания/ЦОД.
Выбор конкретной топологии решения зависит от объекта и его особенностей. Кольцо всегда более выгодно для распределенных сетей, так как сделать звезду на большую распределенную сеть очень и очень дорого и в реальности практически невозможно. Поэтому кольцевая топология — это оптимальная топология для крупных предприятий, перерабатывающих заводов, городских сетей, сетей масштабов страны.
Рис. 1. Модуль АСУТП завода.
Работать по топологии звезды могут все производители сетевого оборудования, а работать по топологии кольца на коммутаторах с распределением виртуальных сетей по всему кампусу без использования сложных и дорогостоящих технологий типа MPLS/VPLS могут только ограниченное число производителей – HP, Huawei, Extreme.
К примеру, возьмем парочку типовых простых «кольцевых» объектов: стадион и аэропорт.
Рис. 2. Сеть стадиона.
Для данных объектов кольцевая топология имеет следующие преимущества, по сравнению со звездой:
- Инсталлировать и поддерживать топологию кольца гораздо проще. Инсталлировать и поддерживать топологию кольца гораздо проще, так как устройства доступа через кольцо сразу попадают или в серверную ферму или в ядро, а звезда еще предполагает промежуточный уровень — агрегация каналов с уровня доступа. Причина уровня агрегации у звезды проста: на уровне агрегации цена за порт гораздо ниже, чем на уровне ядра у звезды,, а также для более гибкого применения различных политик.
- Для современных сетей резервирование каналов связи от уровня доступа в уровень аггрегации и/или ядра что является критическим. Если в звезде делать резервирование кабельных трасс по разным путям, тогда физически получиться кольцо, а логически — звезда. Но при этом для каждого коммутатора на доступе придется тащить в места коммутации отдельные кабельные трассы, так как оптика всегда разрезается и сваривается всем жгутом, а не по отдельным жилам. Каждая сварка оптики на пути движения света в волокне увеличивает потери бюджета оптики, и как следствие, сокращает расстояние работы оптических каналов связи. Также надо учитывать, что и работ по сварке оптики будет в несколько раз больше при топологии звезды, чем при топологии кольцо.
- Для стадионов, аэропортов и для сетей предприятий всегда есть как минимум две отдельных физически разделенных сети. Для кольца – это просто, для звезды у распределенных объектов – реальность печальна.
- Сходимость звезды будет всегда хуже, так как всегда будут петли логических путей между коммутаторами доступа, кроме случая когда в ядре два слотовых коммутатора работают как один. Сходимость топологии кольца от 50 ms (одно кольцо) до 200 ms (к основному кольцу подключаются подкольца).
- У звезды сложности с масштабированием: добавление кабельных трасс в любом месте — это протяжка нового дополнительного кабеля, для кольца — добавочная муфта в существующем оптическом жгуте.
- В случае кольца мы выводим с доступа в ядро всегда нужную и планируемую скорость uplink каналами из коммутаторов, которые наиболее нагружены: то есть платим по мере необходимости за рост полосы. А в случае звезды – мы платим сразу за все и реально не используем полосу пропукания подключенных uplink каналов.
Самые крупные примеры использования кольцевых технологий совместно с технологией стекирования в Азии – это город Пекин, в Европе — французские железные дороги. Но у железных дорог Франции просто не было выбора после того как TR «умер». И это проекты реализованные на оборудовании компании HP (бывшего оборудования 3Com), что дает повод для размышлений и применения на практике описанного кольцевого дизайна для проектировщиков сетей передачи данных.
1.4.3 Кольцевая топология
На рисунке 15 показан пример топологии ЛВС, в которой каждая рабочая станция соединена с двумя другими рабочими станциями. Такая топология называется кольцом (ring).
Рисунок 15 – Кольцевая топология
Кольцевая топология применяется преимущественно в США для сетей, требующих выделения определенной части полосы пропускания для критичных по времени средств (например, для передачи видео и аудио), в высокопроизводительных сетях, а также при большом числе обращающихся к сети клиентов (что требует ее высокой пропускной способности). В сети с кольцевой топологией каждый компьютер соединяется со следующим компьютером, ретранслирующим ту информацию, которую он получает от первой машины. Благодаря такой ретрансляции сеть является активной, и в ней не возникают проблемы потери сигнала, как в сетях с шинной топологией. Кроме того, поскольку «конца» в кольцевой сети нет, никаких оконечных нагрузок не нужно.
Некоторые сети с кольцевой топологией используют метод доступа к среде на основе маркера (метод эстафетной передачи). Специальное короткое сообщение-маркер циркулирует по кольцу пока компьютер не пожелает передать информацию другому узлу. Он модифицирует маркер, добавляет электронный адрес и данные, а затем отправляет его по кольцу. Каждый из компьютеров последовательно получает данный маркер с добавленной информацией и передает его соседней машине, пока электронный адрес не совпадет с адресом компьютера-получателя, или маркер не вернется к отправителю. Получивший сообщение компьютер возвращает отправителю ответ, подтверждающий, что послание принято. Тогда отправитель создает еще один маркер и отправляет его в сеть, что позволяет другой станции перехватить маркер и начать передачу. Маркер циркулирует по кольцу, пока какая-либо из станций не будет готова к передаче и не захватит его.
Все эти события происходят очень часто: маркер может пройти кольцо с диаметром в 200 м примерно 10000 раз в секунду. В некоторых еще более быстрых сетях циркулирует сразу несколько маркеров. В других сетевых средах применяются два кольца с циркуляцией маркеров в противоположных направлениях. Такая структура способствует восстановлению сети в случае возникновения отказов.
Преимущества сети с кольцевой топологией:
- поскольку всем компьютерам предоставляется равный доступ к маркеру, никто из них не сможет монополизировать сеть;
- справедливое совместное использование сети обеспечивает постепенное снижение ее производительности в случае увеличения числа пользователей и перегрузки (лучше, если сеть будет продолжать функционировать, хотя и медленно, чем сразу откажет при превышении пропускной способности).
Недостатки сети с кольцевой топологией:
- отказ одного компьютера в сети может повлиять на работоспособность всей сети;
- кольцевую сеть трудно диагностировать;
- добавление или удаление компьютера вынуждает разрывать сеть.
1.4.4 Смешанные топологии
На основе трех базовых топологий можно создавать так называемые гибридные или смешанные топологии. К этим топологиям относятся:
Шинно-звездообразная топология комбинирует сети типа «звезда» и «шина», связывая несколько концентраторов шинными магистралями (рисунок 16).
Рисунок 16 – Шинно-звездообразная топология
Если один из компьютеров отказывает, концентратор может выявить отказавший узел и изолировать неисправную машину. При отказе концентратора соединенные с ним компьютеры не смогут взаимодействовать с сетью, а шина разомкнется на два не связанных друг с другом сегмента.
В звездообразно-кольцевой топологии (которую называют также кольцом с соединением типа «звезда») сетевые кабели прокладываются аналогично звездообразной сети, но в центральном концентраторе реализуется кольцо (рисунок 17).
Рисунок 17 – Звездообразно-кольцевая топология
С внутренним концентратором можно соединить внешние, тем самым, расширив петлю внутреннего кольца.
Большие, объединенные ВС используют топологию самого общего вида — ячеистую. Узлами ячеистой топологии могут быть самые разнообразные сетевые устройства: повторители, мосты, концентраторы, маршрутизаторы, шлюзы.