СРАВНИТЕЛЬНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Вычислительная сеть – территориально распределенная вычислительная система, состоящая из взаимодействующих вычислительных машин, абонентских пунктов и терминалов (узлов сети), связанных между собой каналами передачи данных с целью коллективного использования аппаратных, программных и информационных ресурсов.

Как следует из определения, любая вычислительная сеть состоит из набора абонентских систем (это ответ на вопрос: “что?”) и сети передачи данных (а это уже ответ на вопрос: “как?”). В качестве первых могут выступать любые генераторы, хранители, переработчики или потребители информации. “Начальник” любой из этих систем – абонент. Сеть связи состоит из физических средств передачи информации и аппаратно-программных средств сопряжения абонентских систем. Физические средства передачи – приемопередатчики, повторители и собственно среда передачи сигнала – носителя информации. К средствам сопряжения относятся модемы, контроллеры, коммутаторы, разветвители, бриджи и программы-протоколы, регламентирующие работу связных устройств (средств сопряжения).

Определение, кроме того, отвечает и на вопрос: “во имя чего?”. Ведь своевременно достигнутая цель построения и эксплуатации вычислительной сети позволяет не только получить больший результат с меньшими затратами, но и повысить живучесть всей системы.

Сети могут быть однородными и неоднородными, централизованными и децентрализованными, глобальными, региональными и локальными, с коммутацией каналов, сообщений, пакетов. Различаются они и по размещению, т.е. по топологии.

На практике применяются пять базовых видов топологии вычислительных сетей: звездообразная, кольцевая, шинная, древовидная и многосвязная. Выбор той или иной топологии сети определяется такими критериями, как надежность, расширяемость, стоимость, пропускная способность, скорость работы (задержка сети). Большинство критериев выбора топологии в пояснениях не нуждаются. А под задержкой сети подразумевается время между выдачей сообщения абонентом-источником (отправителем) и получением этого сообщения абонентом-получателем (адресатом). Выбор топологии – это лишь один из шагов проектирования сети. Эффективность связи в большей степени зависит как от характеристик каналов связи, так и от мощности оборудования в узлах сети, а также от параметров нагрузки, характеристик потока передаваемых сетью данных - трафика. Тем не менее, проектные решения, принятые в отношении каналов связи, зачастую наиболее долгосрочны, так как для их изменения могут потребоваться большие затраты. Это позволяет нам рассматривать каналы связи как фактор, наиболее полно характеризующий сеть на каждом этапе ее жизненного цикла.

Рассмотрим каждый из базовых видов топологии вычислительной сети.

Звезда

Рис.1.1.Топология «Звезда»

В сетях этой топологии (рис.1.1) каждый абонент, будь то отправитель или получатель, непосредственно каналом связи соединен с центральным узлом сети, который и является регулировщиком всех информационных потоков сети.

При этом сначала идет запрос на соединение (физическое или логическое), после установления соединения – обмен, по окончании обмена – снова запрос на разрыв связи. С точки зрения надежности сети отказ центрального узла равносилен отказу всей сети. Отказ одного из лучей звезды не влияет на функционирование всех остальных. Расширяемость определяется емкостью центрального узла, который сам по себе довольно дорог. В этой топологии достаточно высока цена собственно кабелей и их прокладки, больше, чем в сетях других топологий с тем же числом узлов (больше шести). Пропускная способность определяется производительностью центрального узла – коммутатора и нагрузкой, создаваемой абонентами. Современные электронные учрежденческие коммутационные станции обеспечивают порядка 4000 соединений в секунду со скоростью обмена по каналу 64 кбит/с (это без уплотнения, а с использованием уплотнения – до 128 кбит/с). Приведенные и другие оценки характеристик сети топологии “Звезда” представим в виде табл. 1.1.

Таблица 1.1

Характеристики сети топологии “Звезда”

Окончание табл. 1.1

Кольцо

Рис.1.2. Топология сети типа “Кольцо”

В таких (рис.1.2) сетях каждый узел подключен к повторителю (одному или двум), которые объединены кабельным кольцом с однонаправленным потоком. Таких колец может быть два с противоположными направлениями движения (как на Кольцевой линии московского метро). Это ускоряет доставку сообщений, но удорожает сеть.

При отправке каждое сообщение снабжается адресом получателя, который опознается каждым повторителем кольца. В случае несовпадения с собственным адресом сообщение идет дальше, иначе – повторитель принимает его и либо только поглощает для своего узла, либо поглощает и посылает дальше до поглощения узлом- источником сообщения в качестве квитанции доставки адресату.

По типу доступа к сети различают методы маркерного кольца и тактовой последовательности. Вращающийся по кольцу управляющий маркер разрешает передачу от своего владельца. Если узел, имеющий сообщение для передачи, получил маркер, он его захватывает и удерживает, пока не получит от адресата подтверждение о получении его отправления (посланное сообщение сделало круг и вернулось к отправителю). Отпущенный маркер идет к следующему узлу.

Если по кольцу вращается тактовая последовательность, то каждый такт снабжается флажком занятости. Дисциплина заполнения тактов может либо быть свободной, либо состоять в закреплении одного такта за одним узлом. Если число вагонов поезда метро (тактов в последовательности) равно числу станций (узлов в кольце), то на каждой станции сесть можно либо в “свой“ вагон, либо в свободный, но в “занятый” – нельзя, так как он не открывается не на “своей” станции.

Наименее надежным элементом в кольце является повторитель. Он либо лишает свой узел входа в сеть, либо стопорит весь поток. Поэтому повторители включают в себя резервирование с питанием от автономного источника. Резервная схема шунтирует повторитель и просто исключает “свой” узел из сети.

Расширять кольцо легко, но включение каждого нового повторителя увеличивает задержку сети на 4,8 мкс. Пропускная способность и задержка определяются организацией работы повторителя. Скорость передачи носителей информации в кольце может превышать 100 Мбит/с.

Для сети кольцевой топологии составим аналогичную таблицу характеристик (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Характеристики сети топологии “Кольцо”

Окончание табл. 1.2

Шина

Рис.1.3. Топология сети типа “Шина”

Узлы сети этой топологии (рис.1.3) подключаются к одному каналу связи с помощью приемо-передатчиков. С концов канал заглушается пассивными терминаторами, поглощающими (убивающими) сигналы для исключения эха. В большинстве случаев передающая среда представляет собой одну или несколько секций кабеля, связанных специальными соединителями, и образующих так называемый сегмент кабеля. Подключиться к шине означает создать контакт приемо-передатчика узла с информационным каналом. Это удобно сделать в точке соединения двух секций кабеля. Однако, если для шины применен коаксиальный кабель, то подключение узла в любом месте (эти места на кабеле с шагом 2,5 м отмечены цветовыми метками) может обеспечить “врезка” - игла, прокалывающая кабель до центральной жилы.

Каждый узел имеет свой уникальный адрес и принимает сообщение только при совпадении адреса получателя со своим адресом или в случае передачи сообщения “для всех”.

Для организации общего пользования каналом вводится дисциплина – метод доступа. Он может быть детерминированным, подчиненным заранее выбранному порядку, или инициализация обмена генерируется узлом в случайные моменты времени.

Маркерный доступ – пример детерминированного метода доступа. При этом все узлы логически упорядочены в кольцо, каждый узел “знает” соседа слева и справа, владелец маркера (как в кольцевой топологии) имеет право на передачу. Если узлу нечего передавать, маркер переходит к соседу. Один узел владеет маркером, остальные – нет (почти как в футболе, хоккее и других игровых видах спорта). Это и означает детерминированность, определенность.

Наибольшее распространение среди методов случайного доступа получил метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением конфликтов (МДКН/ОК). Наличие в канале несущей (колебаний несущей частоты, подверженных модуляции того или иного вида) – сигнал занятости канала. Если несущей нет, то канал свободен, т.е. можно начать передачу. Но любой сигнал имеет конечную скорость распространения. И другой узел, пока до него не дошел сигнал от узла, начавшего передачу, также может начать свою передачу. Вот здесь и возникает конфликт (наложение передач). Узлы, “узнав” о конфликте (приняв сигнал “для всех” от узла, обнаружившего конфликт первым), откладывают свои передачи и через случайное время ожидания повторяют их вновь. Эта ситуация иллюстрируется схемой на рис. 1.4.

Рис.1.4.Конфликт в сети и его разрешение

Узел А без конфликта передал сообщение узлу В. Узел С начал передачу сообщения узлу А, но вскоре узел В начал свою передачу в адрес узла С. Как только сигнал передачи от С дошел до В, передающий узел В прекратил передачу сам и сформировал сигнал “затора” “для всех”. Узел С, приняв сигнал “затора”, тоже прекратил передачу. Наступила пауза. Она была нарушена через случайное время Т_ож узлом В. В этот раз передача прошла бесконфликтно. Узел С решил сделать паузу Т_ож С, более продолжительную (она столь же случайна), и для него сеанс связи завершился благополучно.

В шине сигнал затухает, поэтому на большое количество абонентов такую сеть не строят. По этой же причине подключения и общее число узлов имеют ограничения. Например, для сети Ethernet на коаксиальном кабеле общее число врезок и соединителей не должно превышать 100; сами врезки должны отстоять друг от друга не менее, чем на 2,5 м (как уже отмечалось, на кабеле Ethernet имеются специальные цветные метки) при общей длине сегмента до 500 м.

Пропускная способность шины и задержка зависят от метода доступа, полосы пропускания, числа узлов, длины сообщений и т.д. В случайной шине (в шине со случайным методом доступа) коэффициент использования канала может достигать 95 %, но он резко падает при увеличении длины сообщений, общей длины кабеля и росте числа конфликтов при повышении нагрузки на сеть. Эффективность маркерной шины близка к эффективности маркерного кольца.

Древовидные сети

Сети этой топологии (рис.1.5) строятся на базе техники кабельного телевидения. Это означает применение аналоговых устройств – частотных ретрансляторов, двунаправленных усилителей, объединителей - расщепителей, ответвителей, радиочастотных модемов, фильтров. Основное преимущество этой топологии – большая протяженность (до 50 км) и возможность параллельной передачи изображений, речи, данных за счет частотного, а не временного, как в сетях других топологий, уплотнения канала. Оба эти приема уплотнения будут рассмотрены ниже.

Наращивание сети с передачей голоса и картинки связано с установкой дорогих и сложных аналоговых компонентов, требующих к тому же периодической настройки. Поэтому перспектива расширения должна быть заложена при проектировании мест установки аппаратуры и трассировке кабеля.

Надежность сети достигается за счет структурного резервирования технических средств с временем наработки на отказ до 400 тыс. ч. Полоса пропускания 400 МГц и более позволяет реализовать уже упомянутое частотное уплотнение.

Оценки характеристик сетей двух последних топологий весьма близки, поэтому для них будет общая таблица (табл. 1.3).

Рис.1.5. Топология сети типа «Дерево»

Таблица 1.3

Характеристики сетей топологий “Шина ” и “Дерево”

Многосвязные сети

Глобальные сети строятся на многосвязной, смешанной топологии (рис. 1.6). Их характеристики часто суммируют показатели использованных схем. Это, в частности, связано с неоднозначностью пути следования сообщения от отправителя к адресату и проблемами маршрутизации. Но в то же время повышается надежность доставки сообщений – не одним, так другим путем. Кроме того, смешанная топология более адекватно отражает структуру информационных потоков между узлами, а также более полно учитывает требования аппаратного резервирования и комплекс расходов, связанных с установкой, эксплуатацией и развитием сети.

Рис.1.6. Топология многосвязной сети

Вопросы для самопроверки:

1. Дайте определение вычислительной сети и объясните его структуру.

2. Перечислите базовые топологии сетей.

3. Задержка сети. В какой топологии она наименьшая, а в какой наибольшая?

4. Оцените время ожидания отправки в кольце с маркерным доступом протяженностью 1,5 км и числом узлов – 20.

5. Оцените сверху время риска столкновения (конфликта) в случайной шине 100 м.

6. Приведите пример массового производства устройства с организацией по шинной топологии.

7. Назовите качественное отличие одной из топологий от всех остальных.