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.
4.3.Топология «кольцо» (Ring)
Рабочие станции связаны одна с другой по кругу, то есть первая рабочая станция связана со второй, вторая — с третьей и т.д., а последняя рабочая станция связана с первой. Коммуникационная сеть замыкается в кольцо. Можно начать движение из любой точки сети и потом вернуться в стартовую точку, потому что данные здесь перемещаются по кольцу от узла к узлу только в одном направлении. Каждый узел принимает сигнал данных, анализирует информацию и, если сообщение адресовано другому узлу, передает его по кольцу к следующему узлу (рис. 3).
Рис. 3. Топология сети «кольцо»
Достоинства топологии «кольцо»:
• легко локализуются неисправности в кабельных соединениях;
• можно подсоединить к сети большее количество узлов, чем при использовании других топологий, так как при просмотре данных каждым узлом происходит очистка и усиление сигнала, а затем отправка следующему компьютеру. Поэтому потери сигнала меньше, чем при других топологиях;
• не существует ограничений на протяженность сети, поэтому кольцо используется для создания сетей, охватывающих большое географическое пространство.
Недостатки топологии «кольцо»:
• прокладка кабелей может быть довольно сложной и дорогостоящей, особенно если географическое расположение рабочих станций далеко от формы кольца (например, в линию);
• подключение новой рабочей станции требует краткосрочного выключения сети, так как во время установки кольцо должно быть разомкнуто;
• требуется непрерывное соединение между всеми сетевыми компьютерами, так как разрыв в любом месте вызовет прекращение работы всей сети (для предотвращения этого иногда используется резервный кабель для передачи данных).
Достоинства и недостатки трех существующих топологий объединены в таблице 1.
Характеристики сетевых топологий
Возможность охвата большой области
Простота поиска неисправностей
Легкость перемещения узла
Пропускная способность узла
Итак, наиболее часто используется сетевая топология — звезда.
От выбранной топологии зависит используемая сетевая технология, которая определяет правила обмена данными между компьютерами в сети (часто называют архитектурой сети). Наиболее популярны две сетевых технологии: Ethernet и Token Ring.
1. Технология Ethernet используется для топологий шина (на коаксиальном кабеле) и звезда (на витой паре).
В такой сети, прежде чем начать передачу данных, каждый узел проверяет сетевой трафик на шине. Если один узел видит, что другой ведет передачу данных, то он ждет, пока эта передача закончится, и только после этого начинает передавать свои данные.
Несмотря на существующие правила передачи данных, часто случается так, что два узла пытаются сделать это одновременно. Тогда возникает столкновение данных (коллизия), в результате чего теряется информация. В этом случае система обнаружения столкновений Ethernet требует, чтобы узлы прекратили передачу информации, и каждый из них ожидает некоторое время, прежде чем снова попробовать передать свои данные.
2. Технология Token Ring (эстафетное кольцо) является гибридной смесью звездообразной и кольцевой топологий (разработка компании IВМ).
В ней используется звездообразная топология совместно с центральным концентратором MAU (Multistation Access Unit — многостанционный модуль доступа). При этом каждый компьютер в сети соединяется с концентратором при помощи двух кабелей (кольцевая топология): компьютер передает данные концентратору по одной линии, а принимает их по другой.
Технология Token Ring предотвращает столкновение данных, требуя, чтобы узлы получали разрешение от сети прежде, чем они смогут начать передачу данных. Для этого узел должен захватить специальный пакет данных (маркер). Если он не используется никакими узлами сети, то он свободен, и узел может захватить его, а затем использовать для передачи данных. Один разрешающий маркер непрерывно перемещается по кольцу в одном направлении, ожидая, пока какой-нибудь узел не воспользуется им.
В зависимости от выбранной топологии и технологии сети подбирается необходимая сетевая среда — линии связи, по которым распространяются электрические сигналы. Так для построения сети на базе технологии Ethernet можно применять пять различных типов кабеля: коаксиальный (тонкий и толстый), витую пару (неэкранированную и экранированную) и волоконно-оптический кабель.
1. Тонкий коаксиальный кабель (Thin Coaxial Cable — 10BASE2) типа RG-58 используется для дешевой сетевой топологии
«шина». Скорость передачи данных — 10 Мбит/с. Максимальная длина используемого кабеля — 190 м (при необходимости большей длины ставятся повторители).
2. Толстый коаксиальный кабель (Thick Coaxial Cable —10BASE5) часто используется в качестве магистрали (главного кабеля, к которому подключаются тонкие кабели, соединяющие ПК с сетью). К нему можно подключать до 100 узлов. Скорость передачи данных — такая же (10 Мбит/с). Максимальная длина используемого кабеля — 500 м.
3. Неэкранированная витая пара (Unshielded Twisted Pair — UTP — 10BASE—T) используется в сетевой топологии «звезда», часто для сокращения расходов (примерно в два раза дешевле экранированной). Скорость передачи данных — такая же (10Мбит/с). Максимальная длина используемого кабеля— 110м.
4. Экранированная витая пара (Shielded Twisted Pair —STP — 100BASE-T) используется в сетевой топологии «звезда», особенно, при наличии высоких уровней электромагнитных или радиочастотных помех. Скорость передачи данных (по кабелю 5 уровня) — 100 Мбит/с.
5. Волоконно-оптический кабель (Fiber—optical cable — FOC) используется для соединения офисов, расположенных на больших расстояниях (несколько км), а также при наличии сильных электромагнитных или радиочастотных помех. Скорость передачи данных — несколько Гбит/с. Самая дорогая сетевая среда.