Топологии локальных вычислительных сетей

Локальные вычислительные сети характеризуются также топологией сети. Топология определяет геометрическое размещение (конфигурацию) узлов сети и способ соединений между ними в среде передачи данных. Важно отметить, что понятие топологии относится, прежде всего, к локальным сетям, в которых структуру связей можно легко проследить. В глобальных сетях структура связей обычно скрыта от пользователей и не слишком важна, так как каждый сеанс связи может производиться по собственному пути.

Принято различать три основных вида топологии сети.

1. Топология «звезда» (star) - к одному центральному компьютеру присоединяются остальные периферийные компьютеры, причем каждый из них использует отдельную линию связи (рисунок 5.5). Информация от периферийного компьютера передается только центральному компьютеру, от центрального - одному или нескольким периферийным.

Рисунок 5.5 -Сетевая топология «звезда»

Центр может быть как активным, так и пассивным устройством. Активный центр начинает открытие некоторой передачи, а пассивный центр просто обеспечивает связь между сетевыми устройствами.

Преимущества данного вида топологии:

а) высокий уровень защиты данных в центральном узле;

б) простая адресация, которая контролируется центральным узлом;

в) упрощены процессы поиска неисправностей.

Недостатки вида:

а) зависимость сети от надежности центрального узла, т.к. его отказ приводит к отказу всей сети;

б) сложность центрального узла, на который возложено большинство сетевых функций.

2. Топология «кольцо» (ring) - компьютеры последовательно объединены в кольцо. Передача информации в кольце всегда производится только в одном направлении. Каждый из компьютеров передает информацию только одному компьютеру, следующему в цепочке за ним, а получает информацию только от предыдущего в цепочке компьютера (рисунок 5.6).

Рисунок 5.6 -Сетевая топология «кольцо»

В кольцевой топологии нет выделенного узла, который управляет передачей сообщений. Передача сигнала происходит в большинстве случаев через повторители, к которым подключены узлы сети. Повторитель может быть пассивным или активным устройством. Если доступ в кольце производится через активный повторитель, то он выполняет следующие функции:

– принимает пакет от узла источника и усиливает сигналы;

– делает пакет доступным узлу приемнику;

– разрешает узлу передавать собственный пакет;

– отправляет пакет к следующему узлу или выполняет его буферизацию.

Пассивный повторитель дает узлу лишь возможность соединения со средой передачи.

Преимущества данного вида топологии:

а) используется простая маршрутизация пакетов;

б) легко идентифицируются неисправные узлы и выполняется реконфигурация в случае сбоя или неисправности.

Недостатки вида:

а) выход из строя хотя бы одного компьютера может привести к выходу из строя всей сети.

б) надежность сети существенно зависит от надежности кабельной системы;

в) усложняется решение задачи защиты информации, поскольку данные проходят через узлы сети.

3. Шиннаятопология (bus) - все компьютеры параллельно подключаются к одной линии связи. Информация от каждого компьютера одновременно передается всем остальным компьютерам (рисунок 5.7).

Рисунок 5.7 -Сетевая топология «шина»

Шина - это незамкнутая физически в кольцо среда передачи. Все узлы подключаются к шине одинаковым образом через усилители - повторители сигналов, поскольку сигналы в шине передаются с потерями, то есть затухают.

Сигналы в шине от передающего узла распространяются во все стороны к другим узлам. Так как все принимающие узлы получают предающее сообщение практически одновременно, то необходимо решать проблему права доступа к среде путем применения методов разрешения сетевых коллизий либо путем организации логического кольца узлов.

Преимущества данного вида топологии:

а) легкость подключения новых узлов и их доступность;

б) простота реализации широковещательной передачи;

в) приспособленность к передаче сообщений с резкими колебаниями интенсивности потока сообщений.

Недостатки вида:

а) среда передачи пассивна, поэтому необходимо усиление сигналов, затухающих в среде;

б) затруднена защита информации, так как можно легко присоединяться к сети;

в) при большом числе узлов возможно насыщение среды передачи (резкое снижение пропускной способности);

г) в некоторых случаях отсутствует оптимальный механизм доступа к среде, когда при разрешении, например, коллизий, отдельные узлы сети имеют приоритет.

При различных топологиях сетей используются различные методы доступа к данным:

1. Разделение времени. При данном доступе компьютером или сервером время делится на кванты. В каждый квант времени передается некий объем информации от одной ЭВМ к другой. Данный метод чаще всего используется при звездообразной топологии.

2. Сегментирование. Информация делится на маленькие сегменты, и в каждый квант времени один или несколько сегментов переходят от отправителя к получателю. Метод используется в шинной архитектуре.

3. Маркерный метод (приоритетный). Используется в кольцевой топологии, где маркер бегает по сети и передает информацию.

Кроме трех рассмотренных базовых топологий нередко применяется также сетевая топология «дерево» (tree), которую можно рассматривать как комбинацию нескольких звезд. Причем, как и в случае звезды, дерево может быть активным, или истинным (рисунок 5.8), и пассивным (рисунок 5.9). При активном дереве в центрах объединения нескольких линий связи находятся центральные компьютеры, а при пассивном - концентраторы (хабы).

Рисунок 5.8 -Топология «активное дерево»

К — концентраторы

Рисунок 5.9 -Топология «пассивное дерево»

Довольно часто применяются комбинированные топологии, среди которых наиболее распространены звездно-шинная (рисунок 5.10) и звездно-кольцевая (рисунок 5.11).

Рисунок 5.10 -Пример звездно-шинной топологии

Рисунок 5.11 -Пример звездно-кольцевой топологии

В звездно-шинной (star-bus) топологии используется комбинация шины и пассивной звезды. К концентратору подключаются как отдельные компьютеры, так и целые шинные сегменты. На самом деле реализуется физическая топология шина, включающая все компьютеры сети. В данной топологии может использоваться и несколько концентраторов, соединенных между собой и образующих так называемую магистральную, опорную шину. К каждому из концентраторов при этом подключаются отдельные компьютеры или шинные сегменты. В результате получается звездно-шинное дерево. Таким образом, пользователь может гибко комбинировать преимущества шинной и звездной топологий, а также легко изменять количество компьютеров, подключенных к сети. С точки зрения распространения информации данная топология равноценна классической шине.

В случае звездно-кольцевой (star-ring) топологии в кольцо объединяются не сами компьютеры, а специальные концентраторы, к которым в свою очередь подключаются компьютеры с помощью звездообразных двойных линий связи. В действительности все компьютеры сети включаются в замкнутое кольцо, так как внутри концентраторов линии связи образуют замкнутый контур. Данная топология дает возможность комбинировать преимущества звездной и кольцевой топологий. Например, концентраторы позволяют собрать в одно место все точки подключения кабелей сети. Если говорить о распространении информации, данная топология равноценна классическому кольцу.

В заключение надо также сказать о сеточной топологии (mesh), при которой компьютеры связываются между собой не одной, а многими линиями связи, образующими сетку (рисунок 5.12).

а) б)

Рисунок 5.12 -Сеточная топология: полная (а) и частичная (б)

В полной сеточной топологии каждый компьютер напрямую связан со всеми остальными компьютерами. В этом случае при увеличении числа компьютеров резко возрастает количество линий связи. Кроме того, любое изменение в конфигурации сети требует внесения изменений в сетевую аппаратуру всех компьютеров, поэтому полная сеточная топология не получила широкого распространения.

Частичная сеточная топология предполагает прямые связи только для самых активных компьютеров, передающих максимальные объемы информации. Остальные компьютеры соединяются через промежуточные узлы. Сеточная топология позволяет выбирать маршрут для доставки информации от абонента к абоненту, обходя неисправные участки. С одной стороны, это увеличивает надежность сети, с другой же – требует существенного усложнения сетевой аппаратуры, которая должна выбирать маршрут.

Многозначность понятия топологии. Топология сети указывает не только на физическое расположение компьютеров, как часто считают, но, что гораздо важнее, на характер связей между ними, особенности распространения информации, сигналов по сети. Именно характер связей определяет степень отказоустойчивости сети, требуемую сложность сетевой аппаратуры, наиболее подходящий метод управления обменом, возможные типы сред передачи (каналов связи), допустимый размер сети (длина линий связи и количество абонентов), необходимость электрического согласования и многое другое.

В литературе при упоминании о топологии сети подразумевается четыре совершенно разных понятия, относящихся к различным уровням сетевой архитектуры:

· Физическая топология (географическая схема расположения компьютеров и прокладки кабелей). В этом смысле, например, пассивная звезда ничем не отличается от активной, поэтому ее нередко называют просто звездой.

· Логическая топология (структура связей, характер распространения сигналов по сети). Это наиболее правильное определение топологии.

· Топология управления обменом (принцип и последовательность передачи права на захват сети между отдельными компьютерами).

· Информационная топология (направление потоков информации, передаваемой по сети).

Например, сеть с физической и логической топологией шина может в качестве метода управления использовать эстафетную передачу права захвата сети (быть в этом смысле кольцом) и одновременно передавать всю информацию через выделенный компьютер (быть в этом смысле звездой). Или сеть с логической топологией шина может иметь физическую топологию звезда (пассивная) или дерево (пассивное).

Сеть с любой физической топологией, логической топологией, топологией управления обменом может считаться звездой в смысле информационной топологии, если она построена на основе одного сервера и нескольких клиентов, общающихся только с этим сервером. В данном случае справедливы все рассуждения о низкой отказоустойчивости сети к неполадкам центра (сервера). Точно так же любая сеть может быть названа шиной в информационном смысле, если она построена из компьютеров, являющихся одновременно как серверами, так и клиентами. Такая сеть будет малочувствительна к отказам отдельных компьютеров.

Заканчивая обзор особенностей топологий локальных сетей, необходимо отметить, что топология все-таки не является основным фактором при выборе типа сети. Гораздо важнее, например, уровень стандартизации сети, скорость обмена, количество абонентов, стоимость оборудования, выбранное программное обеспечение. Но, с другой стороны, некоторые сети позволяют использовать разные топологии на разных уровнях. Этот выбор уже целиком ложится на пользователя, который должен учитывать все перечисленные в данном разделе соображения.