Проблемы связи нескольких компьютеров
Аннотация: В лекции обсуждаются различные типы физической конфигурации сетей, их достоинства и недостатки. Описываются иерархическая и плоская схемы адресации, числовые и символьные адреса, групповые, широковещательные и индивидуальные адреса.
Топология физических связей
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. Так, если три компьютера мы можем связать двумя способами, то для четырех компьютеров (рис. 4.1) можно предложить уже шесть топологически различных конфигураций (при условии неразличимости компьютеров).
Мы можем соединять каждый компьютер с каждым или же связывать их последовательно, предполагая, что они будут общаться, передавая друг другу сообщения «транзитом». При этом транзитные узлы должны быть оснащены специальными средствами, позволяющими выполнять эту специфическую посредническую операцию. В роли транзитного узла может выступать как универсальный компьютер , так и специализированное устройство.
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 топология (рис. 4.2) соответствует сети, в которой каждый компьютер непосредственно связан со всеми остальными. Несмотря на логическую простоту, это вариант громоздкий и неэффективный. Действительно, каждый компьютер в сети должен иметь большое количество коммуникационных портов, достаточное для связи с каждым из остальных компьютеров. Для каждой пары компьютеров должна быть выделена отдельная физическая линия связи . (В некоторых случаях даже две, если невозможно использование этой линии для двусторонней передачи.) Полносвязные ; топологии в крупных сетях применяются редко, так как для связи N узлов требуется N(N-1)/2 физических дуплексных линий связи, т.е. имеет место квадратичная зависимость. Чаще этот вид топологии используется в многомашинных комплексах или в сетях, объединяющих небольшое количество компьютеров.
Все другие варианты основаны на неполносвязных топологиях , когда для обмена данными между двумя компьютерами может потребоваться промежуточная передача данных через другие узлы сети.
Ячеистая топология ( mesh 1 Иногда термин «mesh» используют и для обозначения полносвязной или близкой к полносвязной топологий. ) получается из полносвязной путем удаления некоторых возможных связей. Ячеистая топология допускает соединение большого количества компьютеров и характерна для крупных сетей (рис 4.3).
В сетях с кольцевой конфигурацией (рис. 4.4) данные передаются по кольцу от одного компьютера к другому. Главное достоинство «кольца» в том, что оно по своей природе обладает свойством резервирования связей. Действительно, любая пара узлов соединена здесь двумя путями — по часовой стрелке и против. «Кольцо» представляет собой очень удобную конфигурацию и для организации обратной связи — данные, сделав полный оборот, возвращаются к узлу-источнику. Поэтому отправитель в данном случае может контролировать процесс доставки данных адресату. Часто это свойство «кольца» используется для тестирования связности сети и поиска узла, работающего некорректно. 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» (рис.4.5) образуется в том случае, когда каждый компьютер с помощью отдельного кабеля подключается к общему центральному устройству, называемому концентратором 2 В данном случае термин «концентратор» используется в широком смысле, им обозначается любое многовходовое устройство, способное служить центральным элементом, например коммутатор или маршрутизатор. . 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» (рис. 4.6). 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» (рис. 4.7). Здесь в роли центрального элемента выступает пассивный кабель, к которому по схеме «монтажного ИЛИ» подключается несколько компьютеров (такую же топологию имеют многие сети, использующие беспроводную связь — роль общей шины здесь играет общая радиосреда). Передаваемая информация распространяется по кабелю и доступна одновременно всем присоединенным к нему компьютерам.
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 : любой дефект кабеля или какого-нибудь из многочисленных разъемов полностью парализует всю сеть . Другой недостаток «общей шины» — невысокая производительность , так как при таком способе подключения в каждый момент времени только один компьютер может передавать данные по сети, поэтому пропускная способность канала связи всегда делится между всеми узлами сети. До недавнего времени «общая шина» являлась одной из самых популярных топологий для локальных сетей.
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 (рис. 4.8).
3. Топологии локальных сетей. Выбор топологии сети
Компьютеры и другие компоненты локальной сети могут соединяться между собой различными способами. Используемая схема физического расположения сетевых компонентов называется топологией (Topology). Топология сети определяется геометрической фигурой, образованной линиями связи между компьютерами, или физическим расположением по отношению друг к другу компьютеров, связанных между собой. Топология сети может служить одной из характеристик для сравнения и классификации различных компьютерных сетей.
Существуют три основные топологии построения локальной сети:
В сети с топологией «звезда» все компьютеры соединены с центральным компьютером, или (hub – центр). Все данные поступают на центральный узел, который передает их получателю непосредственно. В этой топологии отсутствуют прямые связи между компьютерами сети. Передача всей информации происходит только через хаб (центральный компьютер). В качестве хаба может использоваться специальное устройство – концентратор, представляющий собой многопортовый репитер (repeater – повторитель). Основная функция репитера – получив данные на одном из портов, немедленно перенаправить их на другие порты.
Организация сети с топологией «звезда» проста и эффективна. При обрыве одного из кабелей, соединяющего отдельный компьютер сети с хабом, связь между остальными компьютерами, включенными по данной схеме, останется работоспособной. Если же из строя будет выведен сам центральный компьютер, то передача данных между компьютерами такой сети будет невозможна.
Достоинства звездообразной топологии:
– нарушение соединения в одном месте, кроме центрального узла, не прерывает работы локальной сети;
– при подключении большого количества компьютеров не происходит снижения производительности;
– безопасность информации обеспечивается на высоком уровне, так как компьютеры не получают чужих данных.
Недостатки звездообразной топологии:
– большой расход соединительного кабеля;
– поломка центрального узла приводит к неработоспособности всей сети;
– наращивание сети сопряжено с большими финансовыми затратами.
В топологии типа «кольцо» отсутствуют концевые точки соединения, т.е. сеть получается замкнутой в неразрывное кольцо.
В сети, построенной по кольцевой топологии, данные передаются в одном направлении от одного компьютера «кольца» к другому. Компьютер не передает информацию, пока не получит специальный маркер.
Достоинства кольцевой топологии:
– при подключении большого количества компьютеров происходит лишь незначительное снижение производительности.
Недостатки кольцевой топологии:
– нарушение соединения в одном месте приводит к прекращению работы всей локальной сети;
– безопасность информации обеспечивается не на очень высоком уровне: данные, посланные одним компьютером сети другому, могут быть легко перехвачены любым из компьютеров сети, которому они не предназначены, что может нарушить конфиденциальность передаваемой информации.
Топология «шина» использует для передачи данных один общий канал связи (чаще всего выполненный на основе коаксиального кабеля), к которому подключаются все компьютеры локальной сети.
Работа в сети с топологией «шина» осуществляется следующим образом. Когда один из компьютеров локальной сети с шинной топологией отправляет данные, они передаются по кабелю в обоих направлениях и принимаются всеми без исключения компьютерами, но использует их только тот из них, кому они были предназначены. Данные в сети с топологией «шина» могут следовать в любом направлении одновременно. На противоположных концах шины устанавливаются специальные заглушки – терминаторы.
Достоинства шинной топологии:
– легкость наращивания сети;
– не очень высокая стоимость оборудования.
Недостатки шинной топологии:
– нарушение соединения в одном месте приводит к неработоспособности всей локальной сети;
– при подключении большого количества компьютеров к одной шине происходит резкое снижение производительности;
– безопасность информации обеспечивается не на высоком уровне
Рассмотрев топологии локальных сетей я выбрала топологию-звезда. Из-за достоинств этой топологии. Рассмотрим данную топологию подробней. Звезда – это наиболее распространенная в России и Европе топология. Звезда имеет центральный блок – концентратор (hub) или коммутатор (switch). Концепция топологии сети в виде звезды пришла из области больших ЭВМ, в которой головная машина получает и обрабатывает все данные с периферийных устройств как активный узел обработки данных. Этот принцип применяется в системах передачи данных, например, в электронной почте сети RelCom. Вся информация между двумя периферийными рабочими местами проходит через центральный узел вычислительной сети.
Структура топологии ЛВС в виде «звезды»
Пропускная способность сети определяется вычислительной мощностью узла и гарантируется для каждой рабочей станции. Кабельное соединение довольно простое, так как каждая рабочая станция связана с узлом. Затраты на прокладку кабелей высокие, особенно когда центральный узел географически расположен не в центре топологии.
При расширении вычислительных сетей не могут быть использованы ранее выполненные кабельные связи: к новому рабочему месту необходимо прокладывать отдельный кабель из центра сети.
Топология в виде звезды является наиболее быстродействующей из всех топологий вычислительных сетей, поскольку передача данных между рабочими станциями проходит через центральный узел (при его хорошей производительности) по отдельным линиям, используемым только этими рабочими станциями. Частота запросов передачи информации от одной станции к другой невысокая по сравнению с достигаемой в других топологиях.
Центральный узел управления – сервер реализует оптимальный механизм защиты против несанкционированного доступа к информации. Вся вычислительная сеть может управляться из ее центра. Но есть и недостаток: если центральный компонент выйдет из строя – остановится вся сеть. А если выйдет из строя только один компьютер (или кабель, соединяющий его с концентратором (коммутатором)), то лишь этот компьютер не сможет передавать или принимать данные по сети. На остальные компьютеры по сети этот сбой не повлияет.