Сетевые топологии

Под физической топологией вычислительной сети понимается конфигурация соединительных устройств в сети и подключенных узлов. Компьютеры (иногда и другое оборудование вроде концентраторов, коммутаторов и др.) подключенные к сети называют узлами сети. Конфигурация физических связей определяется электрическими соединениями компьютеров между собой и может отличаться от конфигурации логических связей между узлами сети. Логические связи представляют из себя маршруты передачи данных между узлами сети и образуются путем настройки коммуникационного оборудования. Таким образом, под физической топологией понимается конфигурация связей, образованных отдельными частями сетевого кабеля, а под логической – конфигурация информационных потоков между компьютерами сети. Во многих случаях эти топологии совпадают. Например, при использовании физической топологии «общая шина», логическая топология также представляет из себя общую шину. Например, при использовании в технологи Ethernet физической топологии «звезда», построенной на концентраторе (хабе), логическая топология представляет из себя общую шину, поскольку хаб (концентратор) работает на физическом уровне модели OSI и никак не обрабатывает физические адреса узла отправителя и узла назначения. А следовательно, пришедшую информацию широковещательно направляет на все свои порты, кроме порта, на который пришла эта информация (который ее принял). Такой механизм передачи данных используется в топологии «общая шина». Существует 5 разновидностей физических сетевых топологий:

1. Полносвязная топология. Она соответствует сети, в которой каждый компьютер сети связан со всеми остальными. Недостаток – каждый компьютер должен иметь много портов для связи с остальными компьютерами сети. В реальности практически не используется.

2. Ячеистая топология. Она получается из полносвязной удалением некоторых возможных связей. В сети с ячеистой топологией непосредственно связываются только те компьютеры, между которыми происходит интенсивный обмен данными, а для остальных используется транзитные передачи через промежуточные узлы. Ячеистая топология допускает соединение большого числа компьютеров и характерно для глобальных сетей.

3. Общая шина. До недавнего времени, эта физическая топология являлась самой распространенной топологией для локальных сетей. На рисунке показан сегмент ЛВС с общей шиной. Сегмент(подсеть), предполагающий непосредственный обмен данными между узлами сети в топологии «общая шина» всегда выделяется терминаторами (один из которых заземляется). Значение терминаторов – предотвращение эхо-сигнала, позволяет избежать «стоячих волн» (из-за которых некоторым узлам сети приходит либо слишком слабый сигнал, что не позволяет сетевой карте его обработать, либо слишком сильный). На рисунке показан только один сегмент сети, хотя данная топология допускает и большее количество сегментов, которые соединяются друг с другом посредством повторителей (репитеров).

Передаваемая информация в топологии «общая шина» может передаваться в обе стороны от узла, который инициирует передаваемую информацию. Применение общей шины снижает стоимость прокладки сетевого кабеля, унифицирует подключение различных модулей, обеспечивает возможность почти мгновенного широковещательного обращения ко всем узлам сети. Главным недостатком «общей шины» является ее низкая надежность: любой дефект сетевого кабеля, дефект какого-либо из разъемов, выход из рабочего состояния терминатора полностью останавливает работу всей сети (подсети). Другим недостатком является ее невысокая производительность (передача данных по сетевому кабелю осуществляется со скоростью 10Мбит/сек). В этой топологии взаимодействие любой пары компьютеров занимает сеть на все время обмена, поэтому при увеличении числа компьютеров в сети общая шина становится узким местом. Например: компьютеры одного отдела вынуждены ждать, когда закончится обмен данными между любой парой компьютеров другого отдела и это при том, что связь между компьютеров разных отделов возникает редко и требует совсем не большой пропускной способности.

4. Топология «Звезда». В этой топологии каждый узел сети подключается своим кабелем к общему устройству (концентратору - Hub). Главное преимущество перед «общей шиной» - надежность: выход из строя отдельного сетевого кабеля касается только того компьютера, к которому он подключен. Неисправность концентратора может вывести из строя всю сеть, однако здесь следует учитывать, что отдельные фирмы (напр. 3Com) дают пожизненную гарантию на свои концентраторы (за исключением блоков питания).

К недостаткам топологии «звезда» относится более высокая стоимость сетевого оборудования.

Возможности по наращиванию количества узлов в сети ограничены количеством портов концентратора, однако как правило концентраторы имеют в своем составе порт Up-Link, позволяющий соединить концентраторы иерархически (объединение в стек). Покажем на рисунке использование этого порта на примере кабеля «витая пара».

5. «Кольцевая топология». В этой топологии данные передаются по кольцу от одного компьютера к другому, как правило, в одном направлении.

Если компьютер распознает MSAU как свои (совпадение MAC-адреса назначения пакета и MAC-адреса сетевой карты), то сетевая карта копирует пакет в свой буфер. В сети с кольцевой топологией необходимо принимать специальные меры, чтобы выход из строя или отключение какой-либо рабочей станции или сети не прерывал канал связи между остальными станциями.

В то время, как небольшие сети как правило имеют типовую физическую топологию (звезда, кольцо или общая шина) для достаточно крупных сетей характерно наличие произвольных связей между компьютерами. В таких сетях можно выделить отдельные произвольно связанные подсети, которые имеют типовую физическую топологию. Такие сети часто называют сетями со смешенной топологией. Приведем пример такой сети, используя две физические топологии: «общая шина» и «звезда». Ясно, что для построения общей шины используется кабель коаксиальный, а, следовательно, он обжимается со своим типом коннекторов. А в звезде будет использован кабель типа «витая пара», которая обжимается с коннектором RJ-45. При построении сети с такой топологией должна использоваться и специальная модель концентратора, допускающая подключение различных типов сетевого кабеля.

Лекция №3