Лекция "Основные сетевые топологии"

тема 4 вопрос 6 основные топологии сетей 10.3. Основные сетевые топологии         Топология – это конфигурация соединения элементов.  Сетевая топология описывает  способ сетевого объединения различных устройств. Топология во многом определяет такие важнейшие характеристики сети, как ее надежность, производительность, стоимость,  защищенность и т.д.       Одним из подходов к классификации топологий локальных вычислительных сетей  является выделение двух основных классов топологий: широковещательных и  последовательных.     В широковещательных конфигурациях каждый персональный компьютер передает  сигналы, которые могут быть восприняты остальными компьютерами. К таким  конфигурациям относятся топологии "общая шина", "дерево", "звезда с пассивным  центром". Сеть типа "звезда с пассивным центром" можно рассматривать как  разновидность "дерева", имеющего корень с ответвлением к каждому подключенному  устройству.     В последовательных конфигурациях каждый физический подуровень передает  информацию только одному персональному компьютеру. Топологии сетей отличаются  друг от друга по трем основным критериям:    режиму доступа к сети;  средствам контроля передачи и восстановления данных;  возможностью изменения числа узлов сети.  Рассмотрим основные топологии ­ звезда, кольцо и шина. Сравнение этих топологий  представлено в таблице 1. Табл. 1. Сравнительные характеристики основных топологий Сравнительные  характеристики Звезда Кольцо Шина 1. Режим доступа Доступ и управление  через центральный узел Децентрализованное  управление. Доступ от  узла к узлу Возможен  централизованный и  децентрализованный  доступ 2. Надежность Сбой центрального узла ­ сбой всей системы Разрыв линии связи  приводит к сбою всей  сети Ошибка одного узла не  приводит к сбою всей  сети 3. Расширяемость Ограничено числом  физических портов на  центральном узле Возможно расширение  числа узлов, но время  ответа снижается Возможно расширение  числа узлов, но время  ответа снижается Топология "звезда"      В данной топологии вся информация передается через некоторый центральный узел, так  называемый обрабатывающий компьютер (Рис.1). Каждое устройство имеет свою собственную среду  соединения. Все периферийные станции могут обмениваться друг с другом только через  центральный узел. Преимущество этой структуры в том, что никто другой не может влиять на среду передачи. Один  сервер управляет и владеет ею.     С другой стороны, центральный узел должен быть исключительно надежным устройством как в  смысле логического построения сети (отслеживание конфликтных ситуаций и сбоев), так и  физического, поскольку каждое периферийное устройство имеет свой физический канал связи и,  следовательно, все они должны обеспечивать одинаковые возможности доступа. Дополнительное  устройство может быть включено в сеть только в том случае, если организован порт для его  подсоединения к центральному узлу. Топология "кольцо"      В кольцевой структуре информация передается от узла к узлу по физическому кольцу (Рис.2).  Приемник копирует данные, регенерирует их вместе со своей квитанцией подтверждения  следующему устройству в сети. Когда начальный передатчик получает свою собственную квитанцию, это означает, что его информация была корректно получена адресатом. В кольце не существует  определенного централизованного контроля. Каждое устройство получает функции управляющего  контроллера на строго определенный промежуток времени. Отказ в работе хотя бы одного узла  приводит к нарушению работы кольца, а, следовательно, и к остановке всех передач. Чтобы этого  избежать, необходимо включать в сеть автоматические переключатели, которые берут на себя  инициативу, если данное устройство вышло из режима нормальной работы. То есть, они позволяют  включать/выключать отдельные узлы без прерывания нормальной работы. Топология "шина"      В любой шинной структуре все устройства подсоединены к общей среде передачи данных, или  шине. В отличие от "кольца" адресат получает свой информационный пакет без посредников (Рис.3).    "фиксированный мастер" (централизованный контроль шины) ­ доступ к шине  Процесс подключения дополнительных узлов к шине не требует аппаратных доработок со стороны  уже работающих узлов сети, как это имеет место в случае топологии "звезда". Однако шинная  топология требует жесткой регламентации доступа к среде передачи. Существует два метода  регулирования такого доступа, известного еще под термином "шинный арбитраж":   контролируется центральным мастер­узлом;   собственному интеллекту каждое устройство само определяет регламент доступа к шине.      Древовидная структура ЛВС.     Наряду с известными топологиями вычислительных сетей «кольцо», «звезда» и «шина», на  практике применяется и комбинированная, например древовидная  структура. Она образуется в виде комбинаций вышеназванных топологий вычислительных сетей (рис.4).     "плавающий мастер" (децентрализованный контроль шины) ­ благодаря Основание дерева вычислительной сети (корень) располагается в точке, в которой собираются  коммуникационные линии информации (ветви дерева). Вычислительные сети с древовидной структурой применяются там, где невозможно  непосредственное применение базовых сетевых структур в чистом виде.    Под топологией понимают способ размещения компьютеров в сети и организации связей между  ними. Обычно используют следующие три базовые топологии: ∙ звезда; ∙ кольцо; ∙ шина. В случае топологии звезда все компьютеры сети (ПК) как рабочие станции, так и серверы  соединяются отдельными каналами связи с центральным узлом коммутации (ЦУК), который и  организует обмен данными между компьютерами. Достоинства: ∙ высокая надежность (выход из строя одного ПК или одного канала связи не отражается на работе  других ПК); ∙ простата расширения (просто добавляется еще один ПК и соответствующий канал связи). Недостатки: ∙ выход из строя ЦУК полностью прекращает работу всей сети; ∙ расходы на создание такой сети достаточно высокие.     В случае топологии кольцо связь между компьютерами сети (ПК) осуществляется с помощью  кабельной системы, имеющей форму замкнутого круга. Информация от компьютеров сети  передается по этому кольцу, но каждый компьютер распознает и получает сообщения, адресованные  только ему.  Достоинства: ∙ простота развертывания сети; ∙ простота расширения сети. Недостаток: ∙ выход из строя всей сети при выходе из строя кольцевого кабеля. В случае топологии шина компьютеры сети соединяются посредством одного кабеля. Данные от  любого компьютера доступны всем другим компьютерам, но воспринимаются тем компьютером,  которому они адресованы. В каждый момент времени только один компьютер может вести передачу  данных.  Достоинства: ∙ низкие расходы на создание сети (благодаря простоте); ∙ простота расширения. Недостатки: ∙ невысокая надежность; ∙ уменьшение пропускной способности при значительных объемах данных. Топологии сетей.  Термин «топология», или «топология сети», характеризует физическое расположение компьютеров,  кабелей и других компонентов сети. Топология — это стандартный термин, который используется  профессионалами при описании основной компоновки сети. 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.  Базовые топологии  Все сети строятся на основе трех базовых топологий:     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.  Шина  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.  шина (bus);  звезда (star);  кольцо (ring). передача сигнала;  отражение сигнала; терминатор.  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, Вы должны уяснить следующие понятия:    Передача сигнала  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.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:       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.  характеристики аппаратного обеспечения компьютеров в сети;  частота, с которой компьютеры передают данные;  тип работающих сетевых приложений;  тип сетевого кабеля;  расстояние между компьютерами в сети. Отражение сигнала  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.  Терминатор  Чтобы предотвратить отражение электрических сигналов, на каждом конце кабеля устанавливают  терминаторы (terminators), поглощающие эти сигналы. Все концы сетевого кабеля должны быть к  чему­нибудь подключены, например к компьютеру или к баррел­коннектору — 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.  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.  Кольцо  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.  Передача маркера  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 приёма данных. Получим подтверждение, передающий  компьютер создаёт новый маркер и возвращает его в сеть. На первый взгляд кажется, что передача  маркера отнимает много времени, однако на самом деле маркер передвигается приктически со  скоростью света. В кольце диаметром 200 м маркер может циркулировать с частотой 10 000  оборотов в секунду.