1.18. Понятие топологии сети. Средства объединения сетей с произвольной топологией.
Как только компьютеров становится больше двух, возникает 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 конфигураций резко возрастает при увеличении числа связываемых устройств.
От выбора топологии связей зависят многие характеристики сети. Например, наличие между узлами нескольких путей повышает надежность сети и делает возможной 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 топологиясоответствует сети, в которой каждый компьютер непосредственно связан со всеми остальными. Несмотря на логическую простоту, это вариант громоздкий и неэффективный. Чаще этот вид топологии используется в многомашинных комплексах или в сетях, объединяющих небольшое количество компьютеров.
Все другие варианты основаны на неполносвязныхтопологиях, когда для обмена данными между двумя компьютерами может потребоваться промежуточная передача данных через другие узлы сети.
Ячеистаятопология (mesh1) получается из полносвязной путем удаления некоторых возможных связей. Ячеистая топология допускает соединение большого количества компьютеров и характерна для крупных сетей.
В сетях с кольцевойконфигурацией данные передаются по кольцу от одного компьютера к другому. Главное достоинство «кольца» в том, что оно по своей природе обладает свойством резервирования связей. 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» образуется в том случае, когда каждый компьютер с помощью отдельного кабеля подключается к общему центральному устройству, называемому концентратором. В функции концентратора входит направление передаваемой компьютером информации одному или всем остальным компьютерам сети. В роли 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, связанная с необходимостью приобретения специализированного центрального устройства. Кроме того, возможности наращивания количества узлов в сети ограничиваются количеством портов концентратора.
Иногда имеет смысл строить сеть с использованием нескольких концентраторов, иерархически соединенных между собой связями типа «звезда». Получаемую в результате структуру называют также деревом. В настоящее время дерево является самым распространенным типом топологии связей, как в локальных, так и в глобальных сетях.
Особым частным случаем конфигурации звезда является конфигурация «общая шина«. Здесь в роли центрального элемента выступает пассивный кабель, к которому по схеме «монтажного ИЛИ» подключается несколько компьютеров. Основными преимуществами такой схемы являются низкая стоимость и простота наращивания, т.е. присоединения новых узлов к сети. Самым серьезным недостатком «общей шины» является ее недостаточная надежность. Другой недостаток «общей шины» — невысокая производительность.
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.
Современные вычислительные сети часто строятся с использованием нескольких различных базовых технологий — Ethernet, Token Ring или FDDI. Такая неоднородность возникает либо при объединении уже существовавших ранее сетей, использующих в своих транспортных подсистемах различные протоколы канального уровня, либо при переходе к новым технологиям, таким, как Fast Ethernet или 100VG-AnyLAN.
Именно для образования единой транспортной системы, объединяющей несколько сетей с различными топологиями и принципами передачи информации между конечными узлами, и служит сетевой уровень. Когда две или более сетей организуют совместную транспортную службу, то такой режим взаимодействия обычно называют межсетевым взаимодействием (internetworking). Для обозначения составной сети в англоязычной литературе часто также используется термин интерсеть (internetwork или internet).
Создание сложной структурированной сети, интегрирующей различные базовые технологии, может осуществляться и средствами канального уровня: для этого могут быть использованы некоторые типы мостов и коммутаторов. Однако возможностью трансляции протоколов канального уровня обладают далеко не все типы мостов и коммутаторов, к тому же возможности эти ограничены. В частности, в объединяемых сетях должны совпадать максимальные размеры полей данных в кадрах, так как канальные протоколы, как правило, не поддерживают функции фрагментации пакетов.
Реализация протокола сетевого уровня подразумевает наличие в сети специального устройства — маршрутизатора. Маршрутизаторы объединяют отдельные сети в общую составную сеть. К каждому маршрутизатору могут быть присоединены несколько сетей (по крайней мере две). В сложных составных сетях почти всегда существует несколько альтернативных маршрутов для передачи пакетов между двумя конечными узлами.
Зам.Под физической топологией понимается конфигурация связей, образованных отдельными частями кабеля, а под логической — конфигурация информационных потоков между компьютерами сети. Во многих случаях физическая и логическая топологии сети совпадают. (Олиферы)
Звезда с интеллектуальным центром
Если в предыдущей топологии заменить пассивный концентратор на активное оборудование — интеллектуальный концентратор, коммутатор или маршрутизатор, то появится возможность отказаться от неэффективной передачи данных по всем линиям, когда получатель подключен только к одной из них. Активное оборудование обладает информацией о структуре сети и может выбирать путь передачи данных, передавая данные только тому участнику, для которого они предназначены и не загружая остальные линии.
- Кольцо
При кольцеобразной топологии каждый участник соединен отдельной линией передачи данных с двумя соседями. Данные по каждой линии передаются обычно только в одном направлении. Блоки данных ретранслируются каждым очередным участником до тех пор, пока не попадут к получателю. Как правило, после этого блок продолжают передавать по кольцу дальше. Отправитель, получив свой блок, прошедший полный круг, изымает его из кольца и удаляет. Основной недостаток кольцевой топологии – при обрыве хотя бы одной линия, или выходе из строя хотя бы одного участника, сеть перестает функционировать.
-
Цепочка
Эта топология получается из кольца при удалении одной из линий. В отличие от кольца, линии должны передавать данные в обоих направлениях.
Полносвязная топология
Предельный максимальный случай, полносвязная сеть «каждый с каждым», при n участниках требует наличия n*(n-1)/2 ЛПД и n*(n-1) сетевых интерфейсов. Например, полносвязная сеть, соединяющая 4 компьютера (n=4) состоит из 4*3/2=6 ЛПД и 4*3=12 сетевых интерфейсов (см. рис). Выход из строя любой одной линии передачи данных (возможно, даже нескольких линий) не влияет на работу сети – можно найти другой маршрут для передачи данных. Недостаток – наибольшее среди всех топологий требуемое количество оборудования и кабелей.
Произвольная (ячеистая) топология
Топология, получаемая из полносвязной удалением одной или нескольких линий. Единственное ограничение – полученная сеть должна быть связной. Такая топология позволяет обеспечить высокую надежность связи (за счет нескольких возможных путей передачи данных) там, где это нужно, не расходуя излишние средства на оборудование и кабель там, где этого не требуется.
- селективные методы,
- состязательные методы (методы случайного доступа),
- методы, основанные на резервировании времени,
- кольцевые методы.
Методы доступа и их классификация
4. Топология и виды информационных сетей Топология сетей
Топология (конфигурация) характеризует свойства сетей, систем и программ, не зависящие от их размеров. Она изучает структуру, образуемую физическими объектамии множеством связывающих ихканаловлибо частей каналов.
Конфигурация соединения элементов более интересна, чем другие характеристики сети. Это связано с тем, что именно конфигурация во многом определяет многие важнейшие свойства сети — надежность (живучесть), производительность и др.
Согласно одному из подходов к классификации конфигурации, сети делят на два основных класса:
В широковещательных конфигурациях каждая абонентская система передает сигналы, которые могут быть восприняты остальными системами. К таким конфигурациям относят:
В широковещательных конфигурациях должны применяться сравнительно более мощные приемник и передатчик, которые могут работать с сигналами в большом диапазоне уровней. Эта проблема частично решается введением ограничений на длину кабельного сегмента и на число подключений или использованием цифровых повторителей.
Тип общая шина(см.рис. 1) позволяет значительно упростить логическую и программную структуру сети, снизить расход кабеля.
Конфигурация типа дерево (см.рис.2) представляет собой более развитый вариант конфигурации типа общая шина. Дерево образуется путем соединения нескольких шин активными повторителями или сетевыми концентраторами («хабами»). Оно обладает необходимой гибкостью для того, чтобы охватить средствами ЛС несколько зданий на определенной территории. При наличии активных повторителей отказ одного сегмента не приводит к выходу из строя остальных. В случае отказа повторителя дерево разделяется на два поддерева или на две шины.
Развитием конфигурации типа дерево является сеть типа звезда(см.рис.3), которую можно рассматривать как дерево, имеющее корень с ответвлениями к каждому подключенному устройству. В центре звезды может находиться пассивный соединитель или хаб — достаточно простые и надежные устройства. Звездообразные сети менее надежны, чем шина или дерево, но они могут быть защищены от нарушений в кабеле с помощью центрального реле, которое отключает вышедшие из строя кабельные лучи. Такая звезда требует большого количества кабеля.
В последовательных конфигурациях каждый физический подуровень передает информацию только одной из абонентских систем. К передатчикам или приемникам систем здесь предъявляются более низкие требования, чем в широковещательных, и на различных участках сети могут использоваться разные виды физической среды.
Наиболее распространенные последовательные конфигурации:
5) звезда с «интеллектуальным» центром;
При произвольном соединении (см.рис.4) все устройства соединены непосредственно. Каждая линия может использовать в себе различные методы передачи. Такой способ соединения устройств вполне удовлетворителен для сетей с ограниченным числом соединений. Преимущество данного типа — простота. Однако он имеет высокую стоимость, большое число каналов связи и необходимость маршрутизации информации.
В иерархическом соединении (см.рис.5) промежуточные узлы работают по принципу: “накопи и передай”. Преимущества данного метода — оптимальное соединение элементов сети. Недостатки — сложность логической и программной структуры, различная скорость передачи информации на различных уровнях.
В конфигурациях кольцо, цепочка, звезда с «интеллектуальным» центром, снежинка(см.рис.6-9) для правильного функционирования сети необходима постоянная работа всех блоков. Чтобы уменьшить эту зависимость в каждый блок включают реле, блокирующее блок при неисправностях. Для упрощения сигналы передаются по кольцу только в одном направлении. Недостатки — замедленная передача данных (в зависимости от числа рабочих станций), меньшая надежность. Достоинства — простота методов управления, высокая пропускная способность при меньших энергозатратах, простота расширения сети.