Топологии сетей

При организации компьютерной сети в первую очередь необходимо выбрать способ организации физических связей, т. е. топологию. Под топологией вычислительной сетипонимается конфигурация графа, вершинам которого соответствуют компьютеры сети (иногда и другое оборудование, например концентраторы), а ребрам — физические связи между ними. Компьютеры, подключенные к сети, часто называют станциями, или узлами сети.

Конфигурация физических связейопределяется электрическими соединениями компьютеров между собой и может отличаться от конфигурации логических связей между узлами сети. Логические связи представляют собой маршруты передачи данных между узлами сети и образуются путем соответствующей настройки коммуникационного оборудования.

Выбор топологии электрических связей существенно влияет на многие характеристики сети. Например, наличие резервных связей повышает надежность сети и делает возможным балансирование 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.

Существуют четыре основных типа топологии: шина (bus), кольцо (ring), звезда (star) и ячеистая топология (mesh). Другие топологии обычно являются комбинацией двух и более главных типов. Выбор типа физической топологии для сети является одним из первых шагов планирования сети. Он основывается на множестве факторов, в число которых входят цена, расстояния, вопросы безопасности, предполагаемая сетевая операционная система, а также возможность использования для новой сети существующего оборудования, проводки и т.п.

Физическая топология шина, именуемая также линейной шиной (linear bus), состоит из единственного кабеля, к которому присоединены все компьютеры сегмента. Сообщения посылаются по линии всем подключенным станциям вне зависимости от того, кто является получателем. Каждый компьютер проверяет каждый пакет в проводе, чтобы определить получателя пакета. Если пакет предназначен для другой станции, компьютер отвергает его. Соответственно, компьютер получает и обрабатывает любой пакет на шине, адресованный ему.

Главный кабель шины, называемый магистралью (backbone), имеет на обоих концах заглушки (terminator) для предотвращения отражения сигнала. Без правильно установленных заглушек работа шины будет ненадежной или вообще невозможной.

Шинная топология представляет собой быстрейший и простейший способ установки сети. Она требует меньше оборудования и кабелей, чем другие топологии, и ее легче настраивать. Это хороший способ быстрого построения временной сети и, как правило, лучший выбор для малых сетей (не более 10 компьютеров).

Имеется несколько недостатков, о которых надо знать при решении вопроса об использовании шинной топологии для сети. Неполадки станции или другого компонента сети трудно изолировать. Кроме того, неполадки в магистральном кабеле могут привести к выходу из строя всей сети.

Топология кольцо обычно используется в сетях Token Ring и FDDI (волоконно-оптических). В физической топологии кольцо линия передачи данных фактически образует логическое кольцо, к которому подключены все компьютеры сети. В отличие от шинной топологии, которая использует конкурентную схему, чтобы позволить станциям получать доступ к сетевому носителю, доступ к носителю в кольце осуществляется посредством логических знаков — маркеров (token), которые пускаются по кругу от станции к станции, давая им возможность переслать пакет, если это нужно. Это дает каждому компьютеру в сети равную возможность получить доступ к носителю и, следовательно, переслать по нему данные. Компьютер может посылать данные только тогда, когда владеет маркером.

Так как каждый компьютер при этой топологии является частью кольца, он имеет возможность пересылать любые полученные им пакеты данных, адресованные другой станции. Получающаяся регенерация делает сигнал сильным и позволяет избежать необходимости применения повторителей. Так как кольцо формирует бесконечный цикл, заглушки не требуются. Кольцевая топология относительно легка для установки и настройки, требует минимального аппаратного обеспечения.

Топология физического кольца имеет несколько недостатков. Как и в случае линейной шины, неполадки на одной станции могут привести к отказу всей сети. Поддерживать логическое кольцо трудно, особенно в больших сетях. Кроме того, в случае необходимости настройки и переконфигурации любой части сети прихо­дится временно отключать всю сеть.

Кольцевая топология дает всем компьютерам равные возможности доступа к сетевому носителю.

В топологии звезда все компьютеры в сети соединены друг с другом с помощью центрального концентратора. Все данные, которые посылает станция, направляются прямо на концентратор, который затем пересылает пакет в направлении получателя. Как и при шинной топологии, компьютер в сети типа звезда может пытаться послать данные в любой момент. Однако на деле только один компьютер может в конкретный момент времени производить посылку. Если две станции посылают сигналы на концентратор точно в одно и то же время, обе посылки окажутся неудачными и каждому компьютеру придется подождать случайный период времени, прежде чем снова пытаться получить доступ к носителю. Сети с топологией звезда обычно лучше масштабируются, чем с топологией другого типа.

Главное преимущество внедрения топологии звезда заключается в том, что в отличие от линейной шины неполадки на одной станции не выведут из строя всю сеть. В сетях с этой топологией проще находить обрывы кабеля и прочие неисправности. Кроме того, наличие центрального концентратора облегчает добавление нового компьютера и реконфигурацию сети.

Топологии звезда присущи несколько недостатков. Во-первых, при этом типе конфигурации больше расход кабеля, чем в большинстве других сетей, вследствие наличия отдельных линий, соединяющих каждый компьютер с концентратором. Кроме того, центральный концентратор выполняет большинство функций сети, так что выход из строя одного этого устройства отключает всю сеть.

Ячеистая топология предусматривает соединение всех компьютеров попарно. Сети ячеистой топологии используют значительно большее количество кабеля, чем сети любой другой топологии, что делает их дороже. Кроме того, такие сети значительно сложнее устанавливать. Однако ячеистая топология обладает устойчивостью к сбоям (fault tolerance), которая заключается в способности сети работать при наличии повреждений. В сети с поврежденным сегментом это означает обход сегмента. Каждый компьютер имеет много возможностей соединения с другим компьютером по сети, так что отдельный обрыв кабеля не приводит к потере соединения между любыми двумя компьютерами.

Многие организации используют комбинации главных сетевых топологий, получая так называемые смешанные сети.

Смешанная топология звезда на шине (star bus) объединяет топологии шина и звезда. Преимущество этой топологии заключается в том, что никакие неполадки на отдельном компьютере или в сегменте не могут вывести из строя всю сеть. В случае неисправности отдельного концентратора не смогут взаимодействовать по сети только те компьютеры, которые присоединены к этому концентратору, а остальные компьютеры эта проблема не затронет.

Топология звезда на кольце (star ring) известна также под названием Star-wired Ring, поскольку сам концентратор выполнен как кольцо. Сеть топологии звезда на кольце внешне идентична сети топологии звезда, но на самом деле концентратор соединен проводами как логическое кольцо. Эта топология популярна для сетей Token Ring, поскольку легче в реализации, чем физическое кольцо, но дает возможность посылать маркеры внутри концентратора так же, как и в случае физического кольца. Почти так же, как при топологии, кольцо, компьютеры имеют равный доступ к сетевому носителю за счет посылки маркеров. Повреждение отдельного компьютера не может привести к остановке всей сети, но если выходит из строя концентратор, то кольцо, которым он управляет, отключается.

Реализовать настоящую ячеистую топологию в крупных сетях непросто, для этого, как правило, требуются время и значительные материальные затраты. Применение сети гибридной ячеистой топологии (hybrid mesh) может позволить получить некоторые из существенных преимуществ сети настоящей ячеистой топологии без большого расхода кабеля. В большинстве крупных организаций критически важные данные хранятся не на всех компьютерах сети, а на сетевых серверах. Компании, которые хотят обеспечить защиту от сбоев для своих сетей на уровне кабелей, могут ограничиться только компьютерами с критически важными данными. Это означает, что ячеистая топология будет существовать только на части сети, обеспечивая защиту от сбоев для серверов с важной информацией, но не добавляя защиты для отдельных клиентов сети. Сеть гибридной ячеистой топологии стоит меньше, чем сеть, полностью построенная на ячеистой топологии, но не столь защищена от сбоев.

Физическая структуризация сети полезна во многих Отношениях, однако в ряде случаев, обычно относящихся к сетям большого и среднего размеров, невозможно обойтись без логической структуризации сети. Наиболее важной проблемой, не решаемой путем физической структуризации, остается проблема перераспределения передаваемого трафика между различными физическими сегментами сети.

Сегментом сети называется часть сети с общим пространством доступа к среде передачи данных и обнаружения коллизий. Под коллизией понимается отказ в доступе к среде передачи данных из-за совпадения во времени моментов генерации заявок на ее использование, поступающих от различных станций сети.

Основные недостатки сети на одной разделяемой среде начинают проявляться при превышении некоторого порогового количества узлов, подключенных к разделяемой среде. Даже та доля пропускной способности разделяемой среды, которая должна в среднем доставаться одному узлу (например, 10/N Мбит/с для сети Ethernet с N компьютерами), очень часто узлу не достается. Причина заключается в случайном характере метода доступа к среде, используемом во всех технологиях локальных сетей.

Локальные сети, состоящие из одного или двух серверов и небольшого количества рабочих станций, объединяются в корпоративные системы — сложные, высококритичные среды, состоящие из множества серверов различных типов, а также многочисленных рабочих групп, нуждающихся в связи друг с другом. В та­кой среде несегментированная сеть способна привести к снижению производительности, уменьшению надежности и ухудшению безопасности сети.

Обычно крупные сети имеют высокоскоростную магистраль, но если, например, весь сетевой трафик направляется туда, то он может легко исчерпать доступную пропускную способность, сведя на нет все преимущества в производительности, которые организация могла бы извлечь при другом подходе. Ввиду того что рабочие станции взаимодействуют в основном с локальными серверами, имеет смысл сегментировать сеть в соответствии с рабочими группами, в которых большая часть трафика не выходит за пределы локального сегмента. Такой подход позволяет разным группам выделить разную пропускную способность. Например, разработчикам и инженерам выделяется их собственный сегмент на 10 Мбит/с, пользователям из отдела маркетинга — другой сегмент меньшего объема.

Сегментирование повышает также и надежность сети за счет локализации проблем в данном сегменте. Например, если разработчики выведут из строя свой собственный сегмент сети, то на других пользователях это никак не скажется.

Сегментирование предполагает, что пакеты не выходят за пределы текущего сегмента (принимаются только узлами сегмента). Для передачи информации из одного сегмента в другой (объединения сегментов) используют специальные устройства: маршрутизаторы, коммутируемые концентраторы (коммутаторы), мосты.