Рис. 2.1. Базовые топологии сетей
Топология типа общая шина, представляет собой общий кабель (называемый шиной или магистралью), к которому подсоединены все рабочие станции. На концах кабеля находятся терминаторы (для предотвращения отражения сигнала). Отправляемое рабочей станцией сообщение распространяется на все компьютеры сети. Каждая машина проверяет, кому адресовано сообщение и если ей, то обрабатывает его. Принимаются специальные меры для того, чтобы при работе с общим кабелем компьютеры не мешали друг другу передавать и принимать данные. Для того, чтобы исключить одновременную посылку данных, применяется либо «несущий» сигнал, либо один из компьютеров является главным и «даёт слово» (маркер) остальным станциям. Шина самой своей структурой допускает идентичность сетевого оборудования компьютеров, а также равноправие всех абонентов. При таком соединении компьютеры могут передавать информацию только по очереди, потому что линия связи единственная. В противном случае переданная информация будет искажаться в результате наложения (конфликта, коллизии). Таким образом, в шине реализуется режим полудуплексного (half duplex) обмена (в обоих направлениях, но по очереди, а не одновременно). В топологии «шина» отсутствует центральный абонент, через которого передаётся вся информация, которая увеличивает ее надежность (ведь при отказе любого центра перестаёт функционировать вся управляемая этим центром система). Добавление новых абонентов в шину достаточно простое и обычно возможно даже во время работы сети. В большинстве случаев при использовании шины нужно минимальное количество соединительного кабеля по сравнению с другой топологией. Правда, нужно учесть, что к каждому компьютеру (кроме двух крайних) подходит два кабеля, что не всегда удобно. Шине не страшны отказы отдельных компьютеров, потому что все другие компьютеры сети могут нормально продолжать обмен. Кроме того, так как используется только один кабель, в случае обрыва нарушается работа всей сети. Может показаться, что шине не страшен и обрыв кабеля, поскольку в — 10 —
Ю.В. Земсков. Вычислительные сети. Версия 0.20. — Санкт-Петербургский гос. университет гражданской авиации , 2012
этом случае остаются две полностью работоспособных шины. Однако из-за особенности распространения электрических сигналов по длинным линиям связи необходимо предусматривать включение на концах шины специальных устройств — терминаторов. Без включения терминаторов сигнал отражается от конца линии и искажается так, что связь по сети становится невозможной. Таким образом при разрыве или повреждении кабеля нарушается согласование линии связи, и прекращается обмен даже между теми компьютерами, которые остались соединёнными между собой. Короткое замыкание в любой точке кабеля шины выводит из строя всю сеть. Надежность здесь выше, так как выход из строя отдельных компьютеров не нарушит работоспособность сети в целом. Поиск неисправности в сети затруднен. Любой отказ сетевого оборудования в шине очень трудно локализовать, потому что все адаптеры включены параллельно, и понять, который из них вышел из строя, не так-то просто. При построении больших сетей возникает проблема ограничения на длину связи между узлами, в таком случае сеть разбивают на сегменты. На концах связанных сегментов (вместо повторителей) включают специальные устройства, которые передают информацию из одного сегмента в другой: повторители, концентраторы или хабы. Типичная шинная топология имеет простую структуру кабельной системы с короткими отрезками кабелей. Поэтому по сравнению с другими топологиями стоимость её реализации невелика. Однако низкая стоимость реализации компенсируется высокой стоимостью управления. Фактически, самым большим недостатком шинной топологии является то, что диагностика ошибок и изолирование сетевых проблем могут быть довольно сложными. Так как среда передачи данных не проходит через узлы, подключенные к сети, потеря работоспособности одного из устройств никак не сказывается на других устройствах. Хотя использование всего лишь одного кабеля может рассматриваться как достоинство шинной топологии, однако оно компенсируется тем фактом, что кабель, используемый в этом типе топологии, может стать узким местом. Другими словами, если шина обрывается, то ни одно из подключенных к ней устройств не сможет передавать сигналы. Достоинства шинной топологии: ∙ небольшое время установки сети; ∙ дешевизна (требуется меньше кабеля и сетевых устройств); ∙ простота настройки; ∙ выход из строя рабочей станции не отражается на работе сети. Недостатки: ∙ Неполадки в сети, такие как обрыв кабеля и выход из строя терминатора, полностью блокируют работу всей сети. ∙ Сложная локализация неисправностей. ∙ С добавлением новых рабочих станций падает производительность сети. — 11 —
Ю.В. Земсков. Вычислительные сети. Версия 0.20. — Санкт-Петербургский гос. университет гражданской авиации , 2012
Примеры использования топологии общая шина: ∙ Сеть 10BASE5 (соединение ПК толстым коаксиальным кабелем). ∙ Сеть 10BASE2 (соединение ПК тонким коаксиальным кабелем). ∙ Сегмент компьютерной сети, использующей коаксиальный кабель в качестве носителя и подключенных к этому кабелю рабочих станций. В этом случае шиной будет являться отрезок коаксиального кабеля, к которому подключены компьютеры.
2.2. Кольцевая топология сети
Кольцо — это топология, в которой каждый компьютер соединен линиями связи только с двумя другими: от одного он только получает информацию, а другому только передаёт. На каждой линии связи, как и в случае звезды, работает только один передатчик и один приёмник. Это позволяет отказаться от применения внешних терминаторов. Работа в сети кольца заключается в том, что каждый компьютер ретранслирует сигнал, то есть выступает в роли репитера (повторителя), поэтому затухание сигнала во всем кольце не имеет никакого значения, важно только затухание между соседними компьютерами кольца. Чётко выделенного центра в этом случае нет, все компьютеры могут быть одинаковыми. Однако достаточно часто в кольце выделяется специальный абонент, который управляет обменом или контролирует обмен. Понятно, что наличие такого управляющего абонента снижает надежность сети, потому что выход его из строя сразу же парализует весь обмен. Компьютеры в кольце не являются полностью равноправными (в отличие, например, от шинной топологии). Одни из них обязательно получают информацию от компьютера, который ведёт передачу в этот момент, раньше, а другие — позже. Именно на этой особенности топологии и строятся методы управления обменом по сети, специально рассчитанные на «кольцо». В этих методах право на следующую передачу (или, как ещё говорят, на захват сети) переходит последовательно к следующему по кругу компьютеру. Подключение новых абонентов в «кольцо» обычно совсем безболезненно, хотя и требует обязательной остановки работы всей сети на время подключения. Как и в случае топологии «шина», максимальное количество абонентов в кольце может быть достаточно велико (до тысячи и больше). Кольцевая топология обычно является самой стойкой к перегрузкам, она обеспечивает уверенную работу с самыми большими потоками переданной по сети информации, потому что в ней, как правило, нет конфликтов (в отличие от шины), а также отсутствует центральный абонент (в отличие от звезды). В кольце, в отличие от других топологий (звезда, шина), не используется конкурентный метод посылки данных, компьютер в сети получает данные от стоящего предыдущим в списке адресатов и перенаправляет их далее, если они адресованы не ему. — 12 —
Ю.В. Земсков. Вычислительные сети. Версия 0.20. — Санкт-Петербургский гос. университет гражданской авиации , 2012 Достоинства: ∙ простота установки; ∙ практически полное отсутствие дополнительного оборудования; ∙ возможность устойчивой работы без существенного падения скорости передачи данных при интенсивной загрузке сети, поскольку использование маркера исключает возможность возникновения коллизий. Недостатки: ∙ выход из строя одной рабочей станции, и другие неполадки (обрыв кабеля), отражаются на работоспособности всей сети; ∙ сложность конфигурирования и настройки; ∙ сложность поиска неисправностей. Необходимость иметь две сетевые платы, на каждой рабочей станции. Наиболее широкое применение кольцевая топология получила в воло- конно-оптических сетях. Используется в стандартах FDDI, Token ring. Существует модификация кольцевой топологии: двойное кольцо — это сеть, построенная на двух (обычно оптоволоконных) кольцах, соединяющих компьютеры с двумя сетевыми картами. Для повышения отказоустойчивости сеть строится на оптоволоконных кольцах, образующих основной и резервный путь для передачи данных. Первое кольцо используется для передачи данных, а второе включается в работу только при выходе из строя первого кольца.
2.3. Звезда
При топологии «звезда» все компьютеры с помощью сегментов кабеля подключаются к центральному компоненту, именуемому концентратором (hub). Сигналы от передающего компьютера поступают через концентратор ко всем остальным. Эта топология возникла на заре вычислительной техники, когда компьютеры были подключены к центральному, главному, компьютеру. В сетях с топологией «звезда» подключение кабеля и управление конфигурацией сети централизованны. Но есть и недостаток: так как все компьютеры подключены к центральной точке, для больших сетей значительно увеличивается расход кабеля. К тому же, если центральный компонент выйдет из строя, нарушится работа всей сети. А если выйдет из строя только один компьютер (или кабель, соединяющий его с концентратором), то лишь этот компьютер не сможет передавать или принимать данные по сети. На остальные компьютеры в сети это не повлияет. Активная звезда. В центре сети содержится компьютер, который выступает в роли сервера. Пассивная звезда. В центре сети находится не компьютер, а концентратор (хаб, hub), который выполняет ту же функцию, что и репитер. Он повто-
Ю.В. Земсков. Вычислительные сети. Версия 0.20. — Санкт-Петербургский гос. университет гражданской авиации , 2012 ряет сигналы, которые к нему поступают, и пересылает их в другие линии связи. Достоинства: ∙ выход из строя одной рабочей станции не отражается на работе всей сети в целом; ∙ хорошая масштабируемость сети; ∙ лёгкий поиск неисправностей и обрывов в сети; ∙ высокая производительность сети (при условии правильного проектирования); ∙ гибкие возможности администрирования. Недостатки: ∙ выход из строя центрального концентратора обернётся неработоспособностью сети (или сегмента сети) в целом; ∙ для прокладки сети зачастую требуется больше кабеля, чем для большинства других топологий; ∙ конечное число рабочих станций в сети (или сегменте сети) ограничено количеством портов в центральном концентраторе. Кроме рассмотренных трёх базовых топологий, иногда используются более общие способы построения сетей: ∙ Дерево — произвольные (по выбору разработчика сети, но без замкнутых циклов) связи между компьютерами. Активное дерево — в узлах сети находятся только компьютеры. Пассивное дерево — используются концентраторы. ∙ Полносвязная сеть — каждый компьютер непосредсвенно связан с любым другим. ∙ Ячеистая топология (mesh networking) — вся сеть делится на несколько ячеек, в пределах каждой ячейки используется полносвязная сеть. Применяются также различные комбинированные решения: звезда–шина, звезда–кольцо и т. п. Вопросы. 1. Что включает в себя понятие топологии сети? 2. Какие базовые топологии используются при построении сетей? 3. Сколько (полу)дуплексных физических линий связи потребуется для того, чтобы организовать полносвязную сеть из компьютеров? Сколько сетевых интерфейсов должен иметь в этом случае каждый компьютер? 4. Сколько (полу)дуплексных физических линий связи потребуется для того, чтобы организовать пассивную звезду из компьютеров? 5. Сколько симплексных физических линий связи потребуется для того, чтобы организовать сеть с кольцевой топологией из компьютеров? Изменится ли ответ, если использовать (полу)дуплексные линии связи? — 14 —
Ю.В. Земсков. Вычислительные сети. Версия 0.20. — Санкт-Петербургский гос. университет гражданской авиации , 2012 6. Постройте таблицу сравнительных характеристик различных сетевых топологий. По строкам напишите рассматриваемые характеристики, по столбцам — названия топологий. В ячейки таблицы впишите знаки « + », « − », « ± » или « » в зависимости от того, насколько та или иная топология отвечает данной характеристике.