2. Топологии локальных вычислительных сетей
При создании компьютерной сети передачи данных, когда соединяются все компьютеры сети и другие сетевые устройства, формируется топология компьютерной сети.
Сетевая топология (от греч. τоπος, — место) — способ описания конфигурации сети, схема расположения и соединения сетевых устройств.
Физическая топология сети передачи данных
Исторически сложились определённые типы физических топологий сети. Рассмотрим некоторые, наиболее часто встречающиеся топологии.
Общая шина являлась до недавнего времени самой распространенной топологией для локальных сетей. В этом случае компьютеры подключаются к одному коаксиальному кабелю по схеме «монтажного ИЛИ». Передаваемая информация, в этом случае, распространяется в обе стороны.
Применение топологии «общая шина» снижает стоимость кабельной прокладки, унифицирует подключение различных модулей, обеспечивает возможность почти мгновенного широковещательного обращения ко всем станциям сети. Основными преимуществами такой схемы являются дешевизна и простота разводки кабеля по помещениям. 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 в сеть. Поэтому пропускная способность канала связи всегда делится здесь между всеми узлами сети.
Рисунок 5. Схема подключения компьютеров по схеме «общая шина».
В этом случае каждый компьютер подключается отдельным кабелем к общему устройству, называемому коммутатором (концентратором, хабом) который находится в центре сети. В функции коммутатора входит направление передаваемой компьютером информации одному или всем остальным компьютерам сети. Главное преимущество этой топологии перед общей шиной — значительно большая надежность. Любые неприятности с кабелем касаются лишь того компьютера, к которому этот кабель присоединен, и только неисправность коммутатора может вывести из строя всю сеть. Кроме того, коммутатор может играть роль интеллектуального фильтра информации, поступающей от узлов в сеть, и при необходимости блокировать запрещенные администратором передачи.
Сетевой концентратор или Хаб (жарг. от англ. hub — центр деятельности)— сетевое устройство, предназначенное для объединения нескольких устройств Ethernet в общий сегмент сети. Устройства подключаются при помощи витой пары, коаксиального кабеля или оптоволокна. Термин концентратор (хаб)применим также к другим технологиям передачи данных: USB, FireWire и пр.
В настоящее время сетевые хабы не выпускаются— им на смену пришли сетевые коммутаторы (switch), выделяющие каждое подключённое устройство в отдельный сегмент.
Рисунок 6. Схема подключения компьютеров по схеме «звезда»
В информационно вычислительных сетях с кольцевой конфигурацией данные передаются по кольцу от одного компьютера к другому, как правило, в одном направлении. Если компьютер распознает данные как «свои», то он копирует их себе во внутренний буфер. Кольцо представляет собой очень удобную конфигурацию для организации обратной связи — данные, сделав полный оборот, возвращаются к узлу-источнику. Поэтому этот узел может контролировать процесс доставки данных адресату. Часто это свойство кольца используется для тестирования связности сети и поиска узла, работающего некорректно. Для этого в сеть посылаются специальные тестовые сообщения.
В сети с кольцевой топологией необходимо принимать специальные меры, чтобы в случае выхода из строя или отключения какой-либо станции не прервался канал связи между остальными станциями.
Поскольку такое дублирование повышает надёжность системы, данный стандарт с успехом применяется в магистральных каналах связи.
Данная физическая топология с успехом реализуется в сетях, созданных с использованием технологии FDDI .
FDDI (англ. Fiber Distributed Data Interface — распределённый волоконный интерфейс данных) — стандарт передачи данных в локальной сети , протяжённостью до 200 километров . Стандарт основан на протоколеToken Bus. В качестве среды передачи данных в FDDI рекомендуется использовать волоконно-оптический кабель , однако можно использовать и медный кабель, в таком случае используется сокращение CDDI (Copper Distributed Data Interface). В качестве топологии используется схема двойного кольца , при этом данные в кольцах циркулируют в разных направлениях. Одно кольцо считается основным, по нему передаётся информация в обычном состоянии; второе — вспомогательным, по нему данные передаются в случае обрыва на первом кольце. Для контроля за состоянием кольца используется сетевой маркер , как и в технологии Token Ring.
Рисунок 7. Схема подключения компьютеров по схеме «кольцо»
Полносвязная топология
Полносвязная топология соответствует сети, в которой каждый компьютер сети связан со всеми остальными. Несмотря на логическую простоту, этот вариант оказывается громоздким и неэффективным. Действительно, 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 электрическая линия связи. Полносвязные топологии применяются редко, так как не удовлетворяют ни одному из приведенных выше требований. Чаще этот вид топологии используется в многомашинных комплексах или глобальных сетях при небольшом количестве компьютеров.
Рисунок 8.Схема подключения компьютеров по схеме «полносвязная топология»
Ячеистая топология (англ. mesh-ячейка сети) получается из полносвязной путем удаления некоторых возможных связей. В сети с ячеистой топологией непосредственно связываются только те компьютеры, между которыми происходит интенсивный обмен данными, а для обмена данными между компьютерами, не соединенными прямыми связями, используются транзитные передачи через промежуточные узлы. Ячеистая топология допускает соединение большого количества компьютеров и характерна, как правило, для глобальных сетей.
Рисунок 9. Схема подключения компьютеров по схеме «ячеистая топология»
В то время как небольшие сети, как правило, имеют типовую топологию — звезда, кольцо или общая шина, для крупных сетей характерен симбиоз различных топологий. В таких сетях можно выделить отдельные произвольно связанные фрагменты (подсети), имеющие типовую топологию, поэтому их называют сетями со смешанной топологией.
Такая топология является смешанной, здесь взаимодействуют системы с различными топологиями. Такой способ смешанной топологии чаще всего применяется при построении ЛВС с небольшим количеством сетевых устройств, а также при создании корпоративных ЛВС. Данная топология совмещает в себе относительно низкую себестоимость и достаточно высокое быстродействие, особенно при использовании различных сред передачи данных — сочетании медных кабельных систем, ВОЛС, а также применяя управляемые коммутаторы.
Рисунок 10. Схема подключения компьютеров по схеме «дерево»
В топологиях типа «общая шина» и «кольцо» линии связи, соединяющие элементы сети (компьютеры, сетевые устройства и пр.), являются распределёнными (англ. shared). При совместном использовании ресурс линии делится между сетевыми устройствами, т.е. они являются линиями связи общего использования.
Помимо распределённых, существуют индивидуальные линии связи, когда каждый элемент сети имеет свою собственную (не всегда единственную) линию связи. Пример — сеть, построенная по топологии «звезда», когда в центре располагается устройство типа коммутатор, а каждый компьютер подключён отдельной линией связи.
Общая стоимость сети построенной с применением распределённых линий связи будет гораздо ниже, однако и производительность такой сети будет ниже, потому что сеть с распределённой средой при большом количестве узлов будет работать всегда медленнее, чем аналогичная сеть с индивидуальными линиями связи, так как пропускная способность индивидуальной линии связи достается одному компьютеру, а при ее совместном использовании — делится на все компьютеры сети.
В современных сетях, в том числе глобальных, индивидуальными являются только линии связи между конечными узлами и коммутаторами сети, а связи между коммутаторами (маршрутизаторами) остаются распределёнными, так как по ним передаются сообщения разных конечных узлов.
Рисунок 11. Индивидуальные и распределённые линии связи в сетях на основе коммутаторов
Логическая топология сети передачи данных
Помимо физической топологии сети передачи данных, предполагается и логическая топология сети. Логическая топология определяет маршруты передачи данных в сети. Существуют такие конфигурации, в которых логическая топология отличается от физической. Например, сеть с физической топологией «звезда» может иметь логическую топологию «шина» – все зависит от того, каким образом устроен сетевой коммутатор или интернет-шлюз, маршрутизатор (VLAN, наличие VPN, и т.п.).
Чтобы определить логическую топологию сети, необходимо понять, как в ней принимаются сигналы:
- в логических шинных топологиях каждый сигнал принимается всеми устройствами;
- в логических кольцевых топологиях каждое устройство получает только те сигналы, которые были посланы конкретно ему.
Виды топологий. Методы доступа к среде передачи данных.
1. Топология – это способ организации связей между взаимодействующими узлами в сети.
Топология – это конфигурация графа, вершинами которого являются компьютеры и другое сетевое оборудование, а ребрами – связи между ними.
— физическая – определяет способ организации физических связей (подключений)
— логическая – описывает маршруты передачи данных по физическим соединениям.
1) полносвязная – каждый связан с каждым
«+» — гарантированное обеспечение связи между всеми устройствами
«-» — громоздкая и неэффективная
2) неполносвязная – в этом случае отдельные физические соединения убираются; требуются промежуточные узлы для передачи данных между всеми устройствами сети – транзитные узлы.
Виды неполносвязной топологии
Ячеистая – удаляем некоторые связи из полносвязной топологии, оставляем связи между устройствами, которые интенсивно обмениваются данными. Характерна для глобальной сети.
Общая шина – все устройства подключены к одному кабелю (коаксиальный)
— низкая надежность – любой дефект кабеля и вся сеть «неработоспособна»
— низкая производительность – в один момент времени может передавать данные только одно устройство
топология сети, все станции которой подсоединены к одному кабелю. Каждая станция принимает сигналы, переданные любой другой станцией, распознает предназначенные ей пакеты и имеет возможность проигнорировать к ней не относящиеся.
Звезда – имеет центральный транзитный узел, через который идет обмен данными между всеми устройствами
«+» — большая надежность по сравнению с общей шиной
«-» — «слабое звено» — это центральный транзитный узел
топология сети, в которой соединения между станциями или узлами сети устанавливаются через концентратор. Концентратор (hub) — функциональное устройство, входящее в состав оборудования узла вычислительной сети, которое обеспечивает передачу данных от большого количества источников по меньшему количеству каналов связи
Иерархическая топология – организует иерархию связей сети
Кольцевая – данные передаются по кольцу, как правило, в одном направлении от одного устройства к другому.
топология сети, все станции которой соединены только с двумя соседними. Все данные в этой сети передаются от одной станции к другой в одном направлении. Каждая станция работает как повторитель. Время отклика в кольце зависит от числа подключенных к нему станций — чем их больше, тем длительнее задержка передаваемых данных. Недостатком является и тот факт, что в случае выхода из строя одной из станций кольцо «разрывается». Однако большинство сетей, основанных на этой топологии, имеют средства автоматического восстановления работоспособности после отказа узла.
Смешанная топология – включает все виды топологий
Tree (network) — «Дерево»: топология сети с более чем двумя оконечными и, по крайней мере, двумя промежуточными узлами (концентраторами). В такой сети между любыми двумя узлами существует только один путь
Метод доступа к среде передачи данных
Определяет, каким образом разделяемый общий ресурс (физическая среда, кабель…) предоставляется узлам сети для осуществления передачи данных.
1.1) множественный доступ с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD)/ Узлы прослушивают кабель и ожидают, когда можно будет передавать данные (Ethernet)
1.2) множественный доступ с контролем несущей и предотвращением коллизий (CSMA/CA). Каждый узел перед передачей сигнализирует о своем намерении начать передачу данных (Wi-Fi сети).
Метод доступа определяется топологией.
CSMA/CD – общая шина, звезда (на основе Hub`а)
с передачей маркера – кольцевая топология
приоритет запроса – Ethernet сеть 100VG-Any LAN (802.12)