Топология локальных компьютерных сетей

Топология, т.е. конфигурация соединения элементов в ЛВС, привлекает к себе внимание в большей степени, чем другие характеристики сети. Это связано с тем, что именно топология во многом определяет ряд важных свойств сети, например, как надежность (живучесть), производительность и др.

Существуют разные подходы к классификации топологий ЛВС. Согласно одному из них конфигурации локальных сетей делят на два основных класса: широковещательные и последовательные. В широковещательных конфигурациях каждый абонент (приемопередатчик физических сигналов) передает сигналы, которые могут быть восприняты остальными абонентскими системами. К таким конфигурациям относятся общая шина, дерево, звезда с пассивным центром. В последовательных конфигурациях каждый физический подуровень передает информацию только одной абонентской системе. Отсюда ясно, что широковещательные конфигурации - это, как правило, ЛВС с селекцией информации, а последовательные - ЛВС с маршрутизацией информации.

В широковещательных конфигурациях должны применяться сравнительно мощные приемники и передатчики, которые могут работать с сигналами в большом диапазоне уровней. Эта проблема частично решается введением ограничений на длину кабельного сегмента и на число подключений или использованием повторителей (усилителей). Поскольку в широковещательных ЛВС в любой момент времени может работать только одна станция (абонентская система), то передаваемая служебная информация используется для установления контроля станции над сетью на время распространения сигнала по сети, его обработки в сети.

Основной тип широковещательной конфигурации - общая шина (рис.4.2). Достоинствами ЛВС шинной топологии являются: простота расширения сети и используемых методов управления, возможность работы в параллельном коде (при наличии дополнительных каналов передачи данных), отсутствие необходимости в централизованном управлении, минимальный расход кабеля.

Общая шина представляет собой пассивную среду и поэтому обладает очень высокой надежностью. Кабель шины очень часто прокладывается в фальшпотолках зданий, а к каждой сетевой станции делаются специальные ответвления. Желательно, чтобы соединения ответвлений выполнялись пассивными, так как в этом случае уменьшается интенсивность физического доступа к главной шине. Для повышения надежности вместе с основным кабелем прокладывают и запасной, на который станции переключаются в случае неисправности основного.

Рис. 4.2. Топология "Шина"

Конфигурация типа «дерево» (рис. 4.3.) представляет собой более развитый вариант конфигурации типа «шина». Дерево образуется путем соединения нескольких шин активными повторителями или пассивными «размножителями» - концентраторами (концентратор – устройство, служащее для объединения каналов передачи данных отдельных участков сети). Оно обладает необходимой гибкостью для того, чтобы охватить средствами ЛВС несколько этажей в здании или несколько зданий на одной территории. При наличии активных повторителей отказ одного сегмента не приводит к выходу из строя остальных. В случае отказа повторителя дерево разветвляется на два поддерева или на две шины.

Рис. 4.3. Топология "Дерево"

Широкополосные ЛВС с конфигурацией типа «дерево» часто имеют так называемый корень - управляющую позицию, в которой размещаются самые важные компоненты сети. К надежности этого оборудования предъявляются высокие требования, поскольку от него зависит работа всей сети. По этой причине оборудование часто дублируется.

Развитие конфигурации типа «дерево» - сеть типа «звезда» (рис. 4.4.), которую можно рассматривать как дерево, имеющее корень с ответвлениями к каждому подключенному устройству. В ЛВС в центре звезды может находиться пассивный соединитель или активный повторитель - достаточно простые и надежные устройства. Звездообразные ЛВС обычно менее надежны, чем сети с топологией типа «шина» или «дерево», но они могут быть защищены от нарушений в кабеле с помощью центрального реле, которое отключает вышедшие из строя кабельные лучи. Заметим, что топология типа «звезда» требует большего количества кабеля для реализации чем «шина» или «кольцо».

Рис.4.4. Топология "Звезда"

В последовательных конфигурациях каждый физический подуровень передает информацию только одной рабочей станции. К передатчикам или приемникам станции здесь предъявляются более низкие требования, чем в широковещательных конфигурациях, и на различных участках сети могут использоваться разные виды физической передающей среды.

Наиболее простой путь построения ЛВС - непосредственное соединение всех устройств, которые должны взаимодействовать друг с другом, посредством каналов передачи данных от устройства к устройству. Каждый канал может использовать в принципе различные методы передачи и различные интерфейсы, выбор которых зависит от структуры и характеристик соединяемых устройств. Такой способ соединения устройств вполне удовлетворителен для ЛВС с ограниченным числом соединений. Основные преимущества данного метода заключаются в необходимости соединения узлов только на физическом уровне, в простоте программной реализации соединения, в простоте структуры интерфейсов. Однако, есть и недостатки, такие как высокая стоимость, большое число каналов, необходимость маршрутизации информации.

Другой распространенный способ соединения абонентских систем в ЛВС при их небольшом числе - иерархическое соединение. В нем промежуточные узлы работают по принципу “накопи и передай”. Основные преимущества данного метода заключаются в возможности оптимального соединения ЭВМ, входящих в сеть. Недостатки связаны в основном со сложностью логической и программной структуры ЛВС. Кроме того, в таких ЛВС снижается скорость передачи информации между абонентами различных иерархических уровней.

Наиболее распространенные последовательные конфигурации – «кольцо» (рис. 4.5.), «цепочка», «звезда с интеллектуальным центром», «снежинка».

Рис. 4.5. Топология "Кольцо

В конфигурациях «кольцо» и «цепочка» для правильного функционирования ЛВС необходима постоянная работа всех блоков. Чтобы уменьшить эту зависимость, в каждый из блоков включается реле, блокирующее блок при неисправностях. Сигналы обычно передаются по кольцу только в одном направлении. Каждая станция ЛВС располагает памятью объемом от нескольких битов до целого пакета. Наличие памяти замедляет передачу данных в кольце и обуславливает задержку, длительность которой зависит от числа станций. Информация передается от станции к станции, возвращаясь снова к станции-отправителю, отправитель в ходе обработки пакета может установить некоторый индикатор подтверждения. Этот индикатор служит для управления потоком и (или) квитирования. Управление потоком предполагает удаление пакетов из кольца станцией-получателем или после завершения полного круга станцией-отправителем. Поскольку любая станция может выйти из строя и пакет может не попасть по назначению, необходимо устанавливать специальный «сборщик мусора», который опознает и уничтожает такие «заблудившиеся» пакеты.

Как последовательная конфигурация, «кольцо» особенно уязвимо в отношении отказов. Выход из строя сегментов кабеля прекращает обслуживание всех пользователей. В то же время, кольцевая структура обеспечивает многие функциональные возможности ЛВС при высокой эффективности использования моноканала, низкой стоимости и достаточной надежности ЛВС. В кольцевой структуре сохраняются достоинства шины: простота расширения ЛВС и методов управления, высокая пропускная способность при малых энергозатратах и среднем быстродействии элементов и узлов ЛВС. Кроме того, в кольцевой ЛВС устраняется ряд недостатков общей шины за счет возможности контроля работоспособности моноканала посылкой по кольцу.

Следует также отметить, что в широковещательных конфигурациях и в большинстве последовательных конфигураций (исключение составляет кольцо) каждый элемент кабеля должен обеспечивать передачу данных в разных направлениях с помощью двух направленных кабелей и применение в широкополосных системах различной несущей частоты для передачи сигналов в двух различных направлениях.

Наличие единственного кабеля обуславливает дополнительную загрузку системы в связи с необходимостью “реверса” направления передачи в кабеле. В больших системах при работе на больших скоростях этот недостаток может стать весьма существенным. При дуплексной передаче должны поддерживаться одинаковые характеристики передачи, что может вызвать определенные технические сложности. Например, усилители кабельного телевидения и оптоволоконные соединители обычно обеспечивают передачу информации только в одну сторону. В этом отношении ЛВС кольцевой топологии имеют преимущество, так как дают возможность использовать однонаправленные усилители сигналов и однонаправленные оптоэлектронные каналы информации в обоих направлениях.

Таким образом, для локальных компьютерных сетей можно выделить следующие характерные признаки: относительная простота конфигурации сети; использование высокоскоростных цифровых каналов передачи данных; высокий уровень функционального взаимодействия пользователей сети; размещение сети на ограниченной территории, на которой замыкаются все основные информационные потоки; сравнительно невысокая стоимость сетевого оборудования, в том числе сетевых адаптеров.