Компоновка сети
Термин “топология”, или “топология сети”, характеризует физическое расположение компьютеров, кабелей и других компонентов сети. Топология – это стандартный термин, который используется при описании основной компоновки сети. Кроме термина “топология” для описания физической компоновки употребляют также следующие:
Топология сети обуславливает ее характеристики. В частности, выбор той или иной топологии влияет:
- на состав необходимого сетевого оборудования;
- характеристики сетевого оборудования;
- возможности расширения сети;
- способ управления сетью.
Если Вы поймете, как используются различные топологии, Вы сумеете понять, какими возможностями обладают различные типы сетей.
Чтобы совместно использовать ресурсы или выполнять другие сетевые задачи, компьютеры должны быть подключены друг к другу. Для этой цели в большинстве сетей применяется кабель.
Однако просто подключить компьютер к кабелю, соединяющему другие компьютеры, не достаточно. Различные типы кабелей в сочетании с различными сетевыми платами, сетевыми операционными системами и другими компонентами требуют и различного взаимного расположения компьютеров.
Каждая топология сети налагает ряд условий. Например, она может диктовать не только тип кабеля, но и способ его прокладки.
Топология может также определять способ взаимодействия компьютеров в сети. Различным видам топологий соответствуют различные методы взаимодействия, и эти методы оказывают большое влияние на сеть.
Все сети строятся на основе трех базовых топологий: шина (bus); звезда (star); кольцо (ring).
Если компьютеры подключены вдоль одного кабеля [сегмента (segment)], топология называется шиной. В том случае, когда компьютеры подключены к сегментам кабеля, исходящим из одной точки, или концентратора, топология называется звездой. Если кабель, к которому подключены компьютеры, замкнут в кольцо, такая топология носит название кольца.
Хотя сами по себе базовые топологии несложны, в реальности часто встречаются довольно сложные комбинации, объединяющие свойства нескольких топологий.
Топологию “шина” часто называют “линейной шиной” (linear bus). Данная топология относится к наиболее простым и широко распространенным топологиям. В ней используется один кабель, именуемый магистралью или сегментом, вдоль которого подключены все компьютеры сети.
Взаимодействие компьютеров
В сети с топологией “шина” компьютеры адресуют данные конкретному компьютеру, передавая их по кабелю в виде электрических сигналов. Чтобы понять процесс взаимодействия компьютеров по шине, нужно уяснить следующие понятия: передача сигнала; отражение сигнала; терминатор.
Данные в виде электрических сигналов передаются всем компьютерам сети; однако информацию принимает только тот, адрес которого соответствует адресу получателя, зашифрованному в этих сигналах. Причем в каждый момент времени только один компьютер может вести передачу.
Рис. 8. Простая сеть с топологией “шина”
Так как данные в сеть передаются лишь одним компьютером, ее производительность зависит от количества компьютеров, подключенных к шине. Чем их больше, т.е. чем больше компьютеров, ожидающих передачи данных, тем медленнее сеть.
Однако вывести прямую зависимость между пропускной способностью сети и количеством компьютеров в ней нельзя. Ибо, кроме числа компьютеров, на быстродействие сети влияет множество факторов, в том числе:
- характеристики аппаратного обеспечения компьютеров в сети;
- частота, с которой компьютеры передают данные;
- тип работающих сетевых приложений;
- тип сетевого кабеля;
- расстояние между компьютерами в сети.
Шина – пассивная топология. Это значит, что компьютеры только “слушают” передаваемые по сети данные, но не перемещают их от отправителя к получателю. Поэтому, если один из компьютеров выйдет из строя, это не скажется на работе остальных. В активных топологиях компьютеры регенерируют сигналы и передают их по сети.
Данные, или электрические сигналы, распространяются по всей сети – от одного конца кабеля к другому. Если не предпринимать никаких специальных действий, сигнал, достигая конца кабеля, будет отражаться и не позволит другим компьютерам осуществлять передачу. Поэтому, после того как данные достигнут адресата, электрические сигналы необходимо погасить.
Чтобы предотвратить отражение электрических сигналов, на каждом конце кабеля устанавливают терминаторы (terminators), поглощающие эти сигналы.
Все концы сетевого кабеля должны быть к чему-нибудь подключены, например, к компьютеру или к баррел-коннектору – для увеличения длины кабеля. К любому свободному – неподключенному – концу кабеля должен быть подсоединен терминатор, чтобы предотвратить отражение электрических сигналов.
Нарушение целостности сети
Разрыв сетевого кабеля происходит при его физическом разрыве или отсоединении одного из его концов. Возможна также ситуация, когда на одном или нескольких концах кабеля отсутствуют терминаторы, что приводит к отражению электрических сигналов в кабеле и прекращению функционирования сети. Сеть “падает”.
Сами по себе компьютеры в сети остаются полностью работоспособными, но до тех пор, пока сегмент разорван, они не могут взаимодействовать друг с другом.
Увеличение участка, охватываемого сетью, вызывает необходимость ее расширения. В сети с топологией “шина” кабель обычно удлиняется двумя способами. Для соединения двух отрезков кабеля можно воспользоваться баррел-коннектором (barrel connector). Но злоупотреблять ими не стоит, так как сигнал при этом ослабевает. Лучше применить один длинный кабель, чем соединять несколько коротких отрезков. При большом количестве “стыковок” нередко происходит искажение сигнала. Для соединения двух отрезков кабеля служит репитер (repeater). В отличие от коннектора, он усиливает сигнал перед передачей его в следующий сегмент. Поэтому предпочтительнее использовать репитер, чем баррел-коннектор или даже один длинный кабель: сигналы на большие расстояния пойдут без искажений.
Рис. 9. Репитер соединяет отрезки кабеля и усиливает сигнал
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.
Рис. 10. Простая сеть с топологией “звезда”
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.
При топологии “кольцо” компьютеры подключаются к кабелю, замкнутому в кольцо. Поэтому у кабеля просто не может быть свободного конца, к которому надо подключать терминатор. Сигналы передаются по кольцу в одном направлении и проходят через каждый компьютер. В отличие от пассивной топологии “шина”, здесь каждый компьютер выступает в роли репитера, усиливая сигналы и передавая их следующему компьютеру. Поэтому, если выйдет из строя один компьютер, прекращает функционировать вся сеть.
Рис. 11. Простая сеть с топологией “кольцо”
Один из принципов передачи данных в кольцевой сети носит название передачи маркера. Суть его такова. Маркер последовательно, от одного компьютера к другому, передается до тех пор, пока его не получит тот, который “хочет” передать данные. Передающий компьютер изменяет маркер, помещает электронный адрес в данные и посылает их по кольцу.
Данные проходят через каждый компьютер, пока не окажутся у того, чей адрес совпадает с адресом получателя, указанным в данных.
После этого принимающий компьютер посылает передающему сообщение, где подтверждает факт приема данных. Получив подтверждение, передающий компьютер создает новый маркер и возвращает его в сеть.
На первый взгляд кажется, что передача маркера отнимает много времени, однако на самом деле маркер передвигается практически со скоростью света. В кольце диаметром 200 м маркер может циркулировать с частотой 10000 проходов в секунду.
В настоящее время одним из стандартных компонентов сетей становится концентратор. А в сетях с топологией “звезда” он служит центральным узлом. Среди концентраторов выделяются активные (active) и пассивные (passive).
Активные концентраторы
Активные концентраторы регенерируют и передают сигналы так же, как это делают репитеры. Иногда их называют многопортовыми репитерами – они имеют от 8 до 12 портов для подключения компьютеров.
Пассивные концентраторы
Некоторые типы концентраторов являются пассивными, например монтажные панели или коммутирующие блоки. Они просто пропускают через себя сигнал как узлы коммутации, не усиливая и не восстанавливая его. Пассивные концентраторы не надо подключать к источнику питания.
Гибридные концентраторы
Гибридными (hybrid) называются концентраторы, к которым можно подключать кабели различных типов. Сети, построенные на концентраторах, легко расширить, если подключить дополнительные концентраторы.
Использование концентраторов дает ряд преимуществ.
Разрыв кабеля в сети с обычной топологией “линейная шина” приведет к “падению” всей сети. Между тем разрыв кабеля, подключенного к концентратору, нарушит работу только данного сегмента. Остальные сегменты останутся работоспособными.
К числу других преимуществ использования концентраторов относятся: простота изменения или расширения сети: достаточно просто подключить еще один компьютер или концентратор: использование различных портов для подключения кабелей разных типов, централизованный контроль за работой сети и сетевым трафиком: во многих сетях активные концентраторы наделены диагностическими возможностями, позволяющими определить работоспособность соединения.
Комбинированные топологии
В настоящее время часто используются топологии, которые комбинируют компоновку сети по принципу шины, звезды и кольца.
Звезда-шина (star-bus) – это комбинация топологий “шина” и “звезда”. Чаще всего это выглядит так: несколько сетей с топологией “звезда” объединяются при помощи магистральной линейной шины.
В этом случае выход из строя одного компьютера не оказывает никакого влияния на сеть – остальные компьютеры по-прежнему взаимодействуют друг с другом. А выход из строя концентратора повлечет за собой остановку подключенных к нему компьютеров и концентраторов.
Рис. 12. Сеть с топологией “звезда-шина”
Звезда-кольцо (star-ring) кажется несколько похожей на звезду-шину. И в той, и в другой топологии компьютеры подключены к концентратору, который фактически и формирует кольцо или шину. Отличие в том, что концентраторы в звезде-шине соединены магистральной линейной шиной, а в звезде-кольце на основе главного концентратора они образуют звезду.
Рис. 13. Сеть с топологией “звезда-кольцо”
Существует множество факторов, которые необходимо учитывать при выборе наиболее подходящей к данной ситуации топологии.
Экономный расход кабеля. Сравнительно недорогая и несложная в использовании среда передачи. Простота, надежность. Легко расширяется
При значительных объемах трафика уменьшается пропускная способность сети. Трудно локализовать проблемы. Выход из строя кабеля останавливает работу многих пользователей
Все компьютеры имеют равный доступ. Количество пользователей не оказывает сколько-нибудь значительного влияния на производительность
Выход из строя одного компьютера может вывести из строя всю сеть. Трудно локализовать проблемы. Изменение конфигурации сети требует остановки работы всей сети
Легко модифицировать сеть, добавляя новые компьютеры. Централизованный контроль и управление. Выход из строя одного компьютера не влияет на работоспособность сети
Выход из строя центрального узла выводит из строя всю сеть