Топология сети коротко. Основные характеристики современных компьютерных сетей

Термин «топология» характеризует физическое расположение компьютеров, кабелей и других компонентов сети.

Топология – это стандартный термин, который используется профессионалами при описании основной компоновки сети.

Кроме термина «топология», для описания физической компоновки употребляют также следующее:

Физическое расположение;

Компоновка;

Диаграмма;

Топология сети обуславливает ее характеристики. В частности выбор той или иной топологии влияет на:

состав необходимого сетевого оборудования;

характеристики сетевого оборудования;

возможности расширения сети;

способ управления сетью.

Чтобы совместно использовать ресурсы или выполнять другие сетевые задачи, компьютеры должны быть подключены друг к другу. Для этой цели в большинстве случаев используется кабель (реже – беспроводные сети – инфракрасное оборудование). Однако, просто подключить компьютер к кабелю, соединяющему другие компьютеры, недостаточно. Различные типы кабелей в сочетании с различными сетевыми платами, сетевыми операционными системами и другими компонентами требуют и различного взаиморасположения компьютеров.

Каждая топология сети налагает ряд условий. Например, она может диктовать не только тип кабеля, но и способ его прокладки.

Базовые топологии

звезда (star)
кольцо (ring)

Если компьютеры подключены вдоль одного кабеля, топология называется шиной. В том случае, когда компьютеры подключены к сегментам кабеля, исходящим из одной точки, или концентратора, топология называется звездой. Если кабель, к которому подключены компьютеры, замкнут в кольцо, такая топология носит название кольца.

Шина.

Топологию «шина» часто называют «линейной шиной» (linerbus). Данная топология относится к наиболее простым и широко распространенным топологиям. В ней используется один кабель, именуемый магистралью или сегментом, вдоль которого подключены все компьютеры сети.

В сети с топологией «шина» компьютеры адресуют данные конкретному компьютеру, передавая их по кабелю в виде электрических сигналов.

Данные в виде электрических сигналов передаются всем компьютерам в сети; однако информацию принимает тот, адрес которого соответствует адресу получателя, зашифрованному в этих сигналах. Причем в каждый момент времени, только один компьютер может вести передачу.

Так, как данные в сеть передаются только одним компьютером, ее производительность зависит от количества компьютеров, подключенных к шине. Чем их больше, тем медленнее работает сеть. Шина – пассивная топология. Это значит, что компьютеры только «слушают» передаваемые по сети данных, но не перемещают их от отправителя к получателю. Поэтому, если один из компьютеров выйдет из строя, это не скажется на работе остальных. В этой топологии данные распространяются по всей сети – от одного конца кабеля к другому. Если не предпринимать никаких действий, то сигналы, достигнув конца кабеля будут отражаться и это не позволит другим компьютерам осуществлять передачу. Поэтому, после того, как данные достигнут адресата, электрические сигналы необходимо погасить. Для этого на каждом конце кабеля в сети с топологией «шина» устанавливают терминаторы (terminators) (которые еще называют заглушками) для поглощения электрических сигналов.

Преимущества: отсутствие дополнительного активного оборудования (например повторителей) делает такие сети простыми и недорогими.

Схема линейной топологии локальной сети

Однако, недостаток линейной топологии заключается в ограничениях по размеру сети, ее функциональности и расширяемости.

Кольцо

При кольцеобразной топологии каждая рабочая станция соединяется с двумя ближайшими соседями. Такая взаимосвязь образует локальную сеть в виде петли или кольца. Данные передаются по кругу в одном направлении, а каждая станция играет роль повторителя, который принимает и отвечает на адресованные ему пакеты и передает другие пакеты следующей рабочей станции «вниз». В оригинальной кольцеобразной сети все объекты подключались друг к другу. Такое подключение должно было быть замкнутым. В отличии от пассивной топологии «шина», здесь каждый компьютер выступает в роли репитора, усиливая сигналы и передавая их следующему компьютеру. Преимущество такой топологии было предсказуемое время реагирования сети. Чем больше устройств находилось в кольце, тем дольше сеть реагировала на запросы. Наиболее существенный ее недостаток заключается в том, что при выходе из строя хотя бы одного устройства отказывалась функционировать вся сеть.

Один из принципов передачи данных по кольцу носит название передачи маркера. Суть его такова. Маркер последовательно, от одного компьютера к другому, передается до тех пор, пока его не получит тот, который хочет передать данные. Передающий компьютер изменяет маркер, помещает электронный адрес в данные и посылает их по кольцу.

Такую топологию можно улучшить, подключив все сетевые устройства через концентратор (Hub устройство, соединяющие другие устройства). Визуально «подправленное кольцо физически кольцом уже не является, но в подобной сети данные все равно передаются по кругу.

На рисунке сплошными линиями обозначены физические соединения, а пунктирными – направления передачи данных. Таким образом, подобная сеть имеет логическую кольцевидную топологию, тогда как физически представляет собой звезду.

Звезда

При топологии «звезда» все компьютеры с помощью сегментов кабеля подключаются к центральному компоненту, имеющему концентратор. Сигналы от передающего компьютера поступают через концентратор ко всем остальным. В сетях с топологией «звезда» подключение кабеля и управление конфигурацией сети централизованы. Но есть и недостаток: так как все компьютеры подключены к центральной точке, для больших сетей значительно увеличивается расход кабеля. К тому же если центральный компонент выйдет из строя, нарушится работа всей сети.

Преимущество: если нарушится работа в одном компьютере или выйдет из строя кабель, соединяющий один компьютер, то только этот компьютер не сможет получать и передавать сигналы. На остальные компьютеры в сети это не повлияет. Общая скорость работы сети ограничивается только пропускной способностью концентратора.

Звездообразная топология является доминирующей в современных локальных сетях. Такие сети довольно гибкие, легко расширяемые и относительно недорогие по сравнению с более сложными сетями, в которых строго фиксируются методы доступа устройств к сети. Таким образом, «звезды» вытеснили устаревшие и редко используемые линейные и кольцеобразные топологии. Более того, они стали переходным звеном к последнему виду топологии – коммутируемой звезд е.

Коммутатор – это многопортовое активное сетевое устройство. Коммутатор «запоминает» аппаратные (или MAC–MediaAccessControl) адреса подключенных к нему устройств и создает временные пути от отправителя к получателю, по которым и передаются данные. В обычной локальной сети с коммутироуемой топологией предусмотрено несколько соединений с коммутатором. Каждый порт и устройство, которое к нему подключено, имеет свою собственную пропускную способность (скорость передачи данных).

Коммутаторы могут значительно улучшить производительность сетей. Во-первых, они увеличивают общую пропускную способность, которая доступна для данной сети. Например в 8-ми потровом коммутаторе может быть 8 отдельных соединений, поддерживающих скорость до 10 Мбит/с каждое. Соответственно пропускная способность такого устройства – 80Мбит/с. Прежде всего коммутаторы увеличивают производительность сети, уменьшая количество устройств, которые могут заполнить всю пропускную способность одного сегмента. В одном таком сегменте содержится только два устройства: сетевое устройство рабочей станции и порт коммутатора. Таким образом за полосу пропускания в 10 Мбит/с могут «соперничать» всего два устройства, а не восемь (при сипользовании обыкновенного 8-портового концентратора, который не предусматривает такого разделения полосы пропускания на сегменты).

В заключении следует сказать что различают топологию физических связей (физическая структура сети) и топологию логических связей (логическую структуру сети)

Конфигурация физических связей определяется электрическими соединениями компьютеров и может быть представлена в виде графа, узлами которого являются компьютеры и коммуникационное оборудование, а ребра соответствуют отрезкам кабеля, связывающим пары узлов.

Логические связи представляют собой пути прохождения информационных потоков по сети, они образуются путем соответствующей настройки коммуникационного оборудования.

В некоторых случаях физическая и логическая топологии совпадают, а иногда не совпадают.

Сеть показанная на рисунке являет собой пример несовпадения физической и логической топологии. Физически компьютеры соединены по топологии общая шина. Доступ же к шине происходит не по алгоритму случайного доступа, а путем передачи токена (маркер) в кольцевом порядке: от компьютера А – компьютеру В, от компьютера В – компьютеру С и т.д. Здесь порядок передачи токена уже не повторяет физические связи, а определяется логическим конфигурированием сетевых адаптеров. Ничто не мешает настроить сетевые адаптеры и их драйверы так, чтобы компьютеры образовали кольцо в другом порядке, например В, А, С… При этом физическая структура не меняется.

Беспроводные сети.

Словосочетание «беспроводная среда» может ввести в заблуждение, поскольку означает полное отсутствие проводов в сети. В действительности же обычно беспроводные компоненты взаимодействуют с сетью, в которой – как среда передачи – используется кабель. Такая сеть со смешанными компонентами называется гибридной.

В зависимости от технологии беспроводные сети можно разделить на три типа:

локальные вычислительные сети;

расширенные локальные вычислительные сети;

мобильные сети (переносные компьютеры).

Способы передачи:

инфракрасное излучение;

радиопередача в узком спектре (одночастотнная передача);
радиопередача в рассеянном спектре.

Кроме этих способов передачи и получения данных можно использовать мобильные сети, пакетное радио соединение, сотовые сети и микроволновые системы передачи данных.

В настоящее время офисная сеть – это не просто соединение компьютеров между собой. Современный офис сложно представить без баз данных в которых хранится как финансовая отчётность предприятия, так и информация по кадрам. В крупных сетях, как правило, в целях безопасности баз данных, и для увеличения скорости доступа к ним используются отдельные сервера для хранения баз данных. Также сейчас современный офис сложно представить без доступа в сеть Интернет. Вариант схемы беспроводной сети офиса изображён на рисунке

Итак сделаем вывод: будущую сеть необходимо тщательно спланировать. Для этого следует ответить на следующие вопросы:

Для чего вам нужна сеть?

Сколько пользователей будет в вашей сети?

Как быстро сеть будет расширяться?

Нужен ли для данной сети выход в Интернет?

Необходимо ли централизованное управление пользователями сети?

После этого нарисуйте на бумаге приблизительную схему сети. Следует не забывать о стоимости сети.

Как мы с вами определили, топология является важнейшим фактором улучшения общей производительности сети. Базовые топологии могут применяться в любой комбинации. Важно понимать, что сильные и слабые стороны каждой топологии влияют на желаемую производительность сети и зависят от существующих технологий. Необходимо добиться равновесия между реальным расположением сети (например, в нескольких зданиях), возможностями использования кабеля, путями его прокладки и даже его типом.

Термин "сетевая топология" описывает возможные конфигурации компьютерных сетей. Специфика сетевых технологий состоит в необходимости строгого согласования всех характеристик аппаратных и программных сетевых средств для успешного обмена данными. При этом существующие аппаратные средства способны обеспечивать различные возможности (скорость, надежность и т. п.) по передаче данных в зависимости от способа использования этих устройств. Для учета всех этих особенностей режимов работы оборудования и было введено понятие "сетевая топология". В настоящее время для описания конфигурации сети используют два вида топологий: физическую и логическую.

Физические топологии

Физическая топология описывает реально использующиеся способы организации физических соединений различного сетевого оборудования (использующиеся кабели, разъемы и способы подключения сетевого оборудования). Физические топологии различаются по стоимости и функциональности. Ниже мы приведем описание трех наиболее часто использующихся физических топологий с указанием их преимуществ и недостатков.

Физическая шина (Physical Bus)

Самая простая форма топологии физической шины представляет собой один основной кабель, оконцованный с обеих сторон специальными типами разъемов – терминаторами. При создании такой сети основной кабель прокладывают последовательно от одного сетевого устройства к другому. Сами устройства подключаются к основному кабелю с использованием подводящих кабелей и T-образных разъемов. Пример такой топологии приведен на рисунке.

Более сложной формой топологии физической шины является "распределенная шина" (чаще называется "древовидная топология"). В такой топологии основной кабель, начинаясь из одной точки, называемой "корнем" (root), разветвляется в различных направлениях определяемых реальным физическим местоположением сетевых устройств. В отличие от описанной выше топологии, в топологии "распределенная шина" основной кабель имеет более двух окончаний. Разветвление кабеля осуществляется с использованием специальных разъемов. Пример такой топологии приведен на рисунке.

Физическая звезда (Physical Star)

Самая простая форма топологии "физическая звезда" состоит из множества кабелей (по одному на каждое подключаемое сетевое устройство) подключенных к одному, центральному устройству. Это центральное устройство называют концентратором. Примером топологии физической звезды является технология Ethernet 10Base-T или Ethernet 100Base-T. В таких сетях каждое сетевое устройство подключается к концентратору с использованием кабеля типа "витая пара".

В случае использования простой топологии "физическая звезда" реальные пути движения сигналов могут не соответствовать форме звезды. Единственная характеристика, описываемая топологией "физическая звезда" – это способ физического соединения сетевых устройств. Пример самой простой топологии "физическая звезда" приведен на рисунке.

В топологии "распределенная звезда" способы соединения устройств могут быть существенно сложнее. В такой топологии центральные устройства (концентраторы) дополнительно соединяются между собой.

Физическое кольцо с подключением типа "звезда" (Physical Star-Wired Ring)

В этой топологии все сетевые устройства подключаются к центральному концентратору так же, как это происходит при использовании топологии "физическая звезда". Но каждый из концентраторов внутри себя организовывает физические соединения, обеспечивающие построение единого физического кольца. При использовании нескольких концентраторов, кольцо в каждом из концентраторов размыкается, а сами концентраторы подключаются друг к другу с использованием двух кабелей, организуя физическое замыкание кольца.

Топология физического кольца используется в сетях IBM Token-Ring. Пример описанной топологии приведен на рис.

В этой топологии все концентраторы являются "интеллектуальными" устройствами. При возникновении разрыва физического кольца в любой точке сети концентратор автоматически обнаруживает разрыв и восстанавливает кольцо путем замыкания внутри себя соответствующих портов. На рисунке показан пример такого восстановления кольца (концентратор А).

В настоящее время наибольшей популярностью пользуется звездообразная топология, поскольку она обеспечивает самый простой способ подключения новых устройств в сеть. В большинстве случаев включение нового устройства в сеть заключается лишь в прокладке отрезка кабеля, соединяющего подключаемое сетевое устройство с концентратором.

Логические топологии

Логическая топология определяет реальные пути движения сигналов при передаче данных по используемой физической топологии. Таким образом, логическая топология описывает пути передачи потоков данных между сетевыми устройствами. Она определяет правила передачи данных в существующей среде передачи с гарантированием отсутствия помех влияющих на корректность передачи данных.

Поскольку логическая топология описывает путь и направление передачи данных, то она тесно связана с уровнем MAC (Media Access Control) модели OSI (подуровень канального уровня). Для каждой из существующих логических топологий существуют методы контроля доступа к среде передачи данных (MAC) позволяющие осуществлять мониторинг и контроль процесса передачи данных. Эти методы будут обсуждаться вместе с соответствующей им топологией.

В настоящее время существует три базовые логические топологии: "логическая шина", "логическое кольцо" и "логическая звезда" (коммутация). Каждая из этих топологий обеспечивает преимущества в зависимости от способов использования. Используя рассмотренные ранее рисунки, посвященные физическим топологиям, всегда помните, что логическая топология определяет направление и способ передачи, а не схему соединения физических проводников и устройств.

Логическая шина

В топологии "логическая шина" последовательности данных, называемые "кадрами" (frames), в виде сигналов распространяются одновременно во всех направлениях по существующей среде передачи. Каждая станция в сети проверяет каждый кадр данных для определения того, кому адресованы эти данные. Когда сигнал достигает конца среды передачи, он автоматически гасится (удаляется из среды передачи) соответствующими устройствами, называемыми "терминаторами" (terminators). Такое уничтожение сигнала на концах среды передачи данных предотвращает отражение сигнала и его обратное поступление в среду передачи. Если бы терминаторов не существовало, то отраженный сигнал накладывался бы на полезный и искажал его.

В топологии "логическая шина" среда передачи совместно и одновременно используется всеми устройствами передачи данных. Для предотвращения помех при попытках одновременной передачи данных несколькими станциями, только одна станция в любой момент времени имеет право передавать данные. Таким образом, должен существовать метод определения того, какая станция имеет право передавать данные в каждый конкретный момент времени. В соответствии с этими требованиями были созданы методы контроля доступа к среде передачи, которые мы обзорно рассмотрели в разделе "Процесс обмена данными".

Наиболее часто используемым при организации топологии логической шины методом контроля доступа к среде передачи является CSMA/CD – “метод прослушивания несущей, с организацией множественного доступа и обнаружением коллизий” (Carrier Sense Multiple Access/ Collision Detection). Этот метод доступа очень похож на разговор нескольких людей в одной комнате. Для того, чтобы не мешать друг другу, в любой момент времени говорит только один человек, а все остальные слушают. А начинать говорить кто-либо может только, убедившись в том, что в комнате воцарилось молчание. Точно таким же образом работает и сеть. Когда какая-либо станция собирается передавать данные, сначала она "прослушивает" (carrier sense) среду передачи данных в целях обнаружения какой-либо уже передающей данные станции. Если какая-либо станция в данный момент выполняет передачу, то станция ждет окончания процесса передачи. Когда среда передачи освобождается, ожидавшая станция начинает передачу своих данных. Если в этот момент начинается передача еще одной или несколькими станциями тоже ожидавшими освобождения среды передачи, то возникает "коллизия" (collision). Все передающие станции обнаруживают коллизию и посылают специальный сигнал информирующий все станции сети о возникновении коллизии. После этого все станции замолкают на случайный промежуток времени перед повторной попыткой передачи данных. После этого алгоритм работы начинается сначала.

Сеть, базирующаяся на топологии логической шины, может также использовать и технологию "передачи маркера" (token passing) для контроля доступа к среде передачи данных. При использовании этого метода контроля каждой станции назначается порядковый номер указывающий очередность в передаче данных. После передачи данных станцией с максимальным номером, очередь возвращается к первой станции. Порядковые номера, назначаемые станциям, могут не соответствовать реальной последовательности физического подключения станций к среде передачи данных. Для контроля того, какая станция в текущий момент времени имеет право передать данные, используется контрольный кадр данных, называемый "маркером доступа". Этот маркер передается от станции к станции в последовательности, соответствующей их порядковым номерам. Станция, получившая маркер, имеет право передать свои данные. Однако, каждая передающая станция ограничена временем, в течение которого ей разрешается передавать данные. По окончании этого времени станция обязана передать маркер следующей станции.

Работа такой сети начинается с того, что первая станция, имеющая маркер доступа, передает свои данные и получает на них ответы в течение ограниченного промежутка времени (time slot). Если станция завершает обмен данными ранее окончания выделенного ей времени, она просто передает маркер станции со следующим порядковым номером. Далее процесс повторяется. Такой последовательный процесс передачи маркера продолжается непрерывно, предоставляя возможность каждой станции через строго определенный промежуток времени получить возможность передать данные.

Топология "логической шины" базируется на использовании топологий "физическая шина" и "физическая звезда". Метод контроля доступа и типы физических топологий выбираются в зависимости от требований к проектируемой сети. Например, каждая из сетей: Ethernet, 10Base-T Ethernet и ARCnet® используют топологию "логическая шина". Кабели в сетях Ethernet (тонкий коаксиальный кабель) подключаются с использованием топологии "физическая шина", а сети 10Base-T Ethernet и ARCnet базируются на топологии "физическая звезда". Вместе с тем, сети Ethernet (физическая шина) и 10Base-T Ethernet (физическая звезда) используют CSMA/CD в качестве метода контроля доступа к среде передачи данных, а в ARCnet (физическая звезда) применяется маркер доступа.

На первом рисунке показана сеть Ethernet (физическая шина, логическая шина), а на втором – проиллюстрирована сеть 10Base-T Ethernet (физическая звезда, логическая шина). На обоих рисунках обратите внимание на то, что сигнал (показан стрелками) исходит от одной (передающей в данный момент) станции и распространяется во всех направлениях существующей среды передачи.

Логическое кольцо

В топологии "логическое кольцо" кадры данных передаются по физическому кольцу до тех пор, пока не пройдут через всю среду передачи данных. Топология "логическое кольцо" базируется на топологии "физическое кольцо с подключением типа "звезда"". Каждая станция, подключенная к физическому кольцу, получает данные от предыдущей станции и повторяет этот же сигнал для следующей станции. Таким образом, данные, повторяясь, следуют от одной станции к другой до тех пор, пока не достигнут станции, которой они были адресованы. Получающая станция, копирует данные из среды передачи и добавляет к кадру атрибут, указывающий на успешное получение данных. Далее кадр с установленным "атрибутом доставки" продолжает путешествие по кольцу до тех пор, пока не достигнет станции, изначально отправившей эти данные. Станция, проанализировав "атрибут доставки" и убедившись в успешности передачи данных, удаляет свой кадр из сети. Рисунок демонстрирует процесс передачи данных в виде "логического кольца" в сети, базирующейся на топологии "физическое кольцо с подключением типа "звезда"".

Метод контроля доступа к среде передачи в таких сетях всегда базируется на технологии "маркеров доступа". Однако последовательность получения права на передачу данных (путь следования маркера), не всегда может соответствовать реальной последовательности подключения станций к физическому кольцу. IBM"s Token-Ring является примером сети, использующей топологию "логического кольца", базирующегося на "физическом кольце с подключением типа "звезда"".

Логическая звезда (коммутация)

В топологии "логическая звезда" используется метод коммутации, обеспечивающий ограничение распространения сигнала в среде передачи в пределах некоторой ее части. Механизм такого ограничения является основополагающим в топологии "логическая звезда".

В чистом виде, коммутация предоставляет выделенную линию передачи данных каждой станции. Когда одна станция передает сигнал другой станции подключенной к тому же самому коммутатору, то коммутатор передает сигнал только по среде передачи данных, соединяющей эти две станции. Рисунок показывает способ передачи данных между двумя станциями, подключенными к одному и тому же коммутатору. При таком подходе возможна одновременная передача данных между несколькими парами машин, так как данные, передающиеся между любыми двумя станциями, остаются "невидимыми" для других пар станций.

Большинство технологий коммутации создаются на базе существующих сетевых стандартов, привнося в них новый уровень функциональности. Например, рассмотренный ранее стандарт сети 10Base-T (метод контроля CSMA/CD), позволяет применять коммутацию.

Некоторые коммутаторы разрабатываются для поддержки возможностей одновременного использования нескольких сетевых стандартов. Например, один коммутатор может иметь порты для подключения станций как по стандарту 10Base-T Ethernet, так и FDDI (Fiber Distributed Data Interface).

Коммутаторы имеют встроенную логику, позволяющую им интеллектуально управлять процессом передачи данных между машинами. Внутренней логике коммутаторов свойственно высокое быстродействие, т. к. они должны обеспечивать возможность одновременной передачи данных с максимальной скоростью между каждой парой портов. Таким образом, использование коммутаторов позволяет существенно увеличить производительность сети.

Коммутация иллюстрирует то, что логическая топология определяется не только методом контроля доступа к среде передачи, но и множеством других аспектов схем электронных соединений (коммутатор является достаточно сложным и дорогим электронным устройством). Комбинируя новые технологии коммутации с существующими логическими схемами соединения, инженеры получают возможность создания новых логических топологий.

Несколько коммутаторов могут быть соединены между собой с использованием одной или нескольких физических топологий. Коммутаторы могут быть использованы не только для соединения индивидуальных станций, но и целых групп станций. Такие группы носят название "сегментов сети". Таким образом, по множеству причин коммутация может значительно повысить производительность Вашей сети.

Подключение к простейшей сети

Теперь, когда мы обсудили вопросы связанные с аппаратной реализацией различных компонентов сети и уяснили различия между логическими и физическими топологиями, рассмотрим способы подключения оборудования в простейшей сети. На рисунке показаны некоторые ранее рассмотренные сетевые устройства, подключенные к простейшей компьютерной сети.

Изображенная сеть состоит из следующих компонентов: три компьютера подключены к одному концентратору 10Base-T с использованием неэкранированной витой пары. На каждый компьютер установлены сетевые карты 10Base-T Ethernet. К одному из компьютеров также подключен лазерный принтер.

Компьютер в центральной нижней части рисунка является сервером и осуществляет контроль над всей сетью. Два оставшиеся компьютера – это рабочие станции. Рабочие станции используют сеть, контролируемую сервером. Одна рабочая станция – это персональный компьютер типа IBM PC, другая –компьютер Apple® Macintosh.

Концентратор 10Base-T обеспечивает физическое соединение всех трех компьютеров. Он также несет функции повторителя сигналов.

Линии между различными компонентами сети обозначают среду передачи: витую пару. Эта сеть использует топологию "физическая звезда", но базируется на логической топологии "логическая шина".

Принтер в этой сети подключен непосредственно к серверу с использованием параллельного порта этого компьютера. Такое подключение является стандартным для большинства принтеров. Сервер принимает задания на печать документов поступающих от каждой из рабочих станций. Поступившие задания на печать далее поступают к принтеру через параллельный порт сервера по соответствующему кабелю. Несмотря на то, что такой способ является наиболее простым для предоставления возможности нескольким станциям печатать документы на одном принтере, тем не менее существуют и другие способы подключения принтеров к сети. Вы можете, например, подключить принтер к специальному серверу печати или компьютеру со специальным программным обеспечением , предоставляющим возможность одновременно выполнять функции рабочей станции и сервера печати. Сейчас множество принтеров выпускается со встроенной в него сетевой картой, таким образом, принтер может подключаться непосредственно к среде передачи в любой точке сети.

СовременнАЯ гуманитарнАЯ АКАДЕМИЯ

Направление подготовки / специальность ДОПУСК К ЗАЩИТЕ:

ИНФОРМАТИКА И ВТ Приказ СГА № _______

от «____»______200__г.

Выпускная квалификационная работа

Анализ и оценка типовых топологий вычислительных сетей

_____________________________________________________________

Руководитель: _______________________ / ______________ /

Ф. И. О. подпись

Дата представления работы «____» ______________ 200__г.

Мурманск 2008 г.

1Физические топологии сетей

1.1. Базовые топологии сетей

1.2.Прочие топологии сетей (цепочечная, полносвязная, ячеистая, комбинированная)

2 Логические топологии сетей

2.1 Логическая шина

2.2 Логическое кольцо

2.3 Логическая звезда (коммутация)

3Особенности практической применимости сетей Ethernet различных классов

3.1 Класс 10BaseY

3.2 Класс 100BaseY

3.3 Класс 1000BaseT (GigabitEthernet)

Заключение

Глоссарий

Библиографический список

Приложения

ВВЕДЕНИЕ

1) В современном обществе существует одна из потребностей- это связь между людьми, странами, континентом. Она должна быть быстрой, надежной и удобной.

Связь между компьютерами обеспечивают сети

2)В данной работе будут рассмотрены основные типовые топологии вычислительных сетей.

Актуальность данной работы обусловлена тем, что в связи с распространением персональных компьютеров и созданием на их основе автоматизированных рабочих мест (АРМ) возросло значение локальных вычислительных сетей (ЛВС), являющиеся объектом моего исследования. Предметом исследования являются основные топологии вычислительных сетей. Целью исследования является анализ и оценка основных топологий сетей, а в задачи исследования входит 1)изучение топологий сетей, 2)вывод о работе сетей с различной топологией, 3)выявление достоинств сетей и недостатков, возможность разбираться в преимуществах и недостатках топологий, влияющих на производительность сети.

Методы : 1)анализ литературы;2)интерпретация данных;3)отбор необходимого материала;4)качественное и количественное описание топологии вычислительных сетей

Правильно организованная и умело эксплуатируемая сеть обеспечивает целый ряд преимуществ по сравнению с отдельным компьютером:

1. Распределение данных (Data Sharing). Данные в сети хранятся на центральном РС и могут быть доступны для любого РС, подключенного к сети, поэтому не надо на каждом рабочем месте хранить одну и ту же информацию.

2. Распределение ресурсов (Resource Sharing). Периферийные устройства могут быть доступны для всех пользователей сети, например: принтер, факс-модем, сканер, диски, выход в глобальную сеть.

4. Распределение программ (Software Sharing). Все пользователи сети могут иметь доступ к программам, которые были один раз централизованно установлены.

5. Электронная почта (Electronic Mail). Все пользователи сети могут передавать и принимать сообщения.

6. Обеспечение широкого диапазона решаемых задач, предъявляющих повышенные требования к производительности и объему памяти .

Локальные сети имеют некоторые особенности. Главная из них - это связь. Она должна быть быстрой, надежной и удобной. Обычно, локальные сети не выходят за пределы нескольких комнат или одного здания, поэтому длина линии связи обычно не превышает нескольких сотен метров. Они связывают между собой ограниченное количество компьютеров. Все это позволяет обеспечить качественную связь. Поэтому скорость передачи данных обычно составляет от 10 Мбит/с и выше. К тому же, требуется надежная связь, иначе при исправлении ошибок теряется выигрыш в скорости. Также необходимо небольшое время ожидания установления связи, так как оно включено в общее время передачи информации. При таких высоких требованиях в локальных сетях используются специальные технические средства.

При построении сетей ЭВМ, в т.ч. локальных, говорят об их топологии.

Под топологией (компоновкой, конфигурацией, структурой) компьютерной сети обычно понимается физическое расположение компьютеров сети друг относительно друга и способ соединения их линиями связи. 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 своему собственному пути.
Топология определяет требования к оборудованию, тип используемого кабеля, возможные и наиболее удобные методы управления обменом, надежность работы, возможности расширения сети.

Сетевая топология может быть:

· физической - описывает реальное расположение и связи между узлами сети.

· логической - описывает хождение сигнала в рамках физической топологии.

1 ФИЗИЧЕСКИЕ ТОПОЛОГИИ СЕТЕЙ

Для сетей с селекцией данных характерны широковещательные топологии. Их основные разновидности – шина, дерево, звезда с пассивным центром.

Для сетей с маршрутизацией данных характерны последовательные («точка-точка») топологии: звезда с интеллектуальным центром, кольцо, цепочка, полносвязная, произвольная .

Базовые топологии сетей: шина, звезда и кольцо подробнее будут рассмотрены ниже.

1.1 Базовые топологии сетей

Для организации сети минимально необходимо одна линия передачи данных и по одному сетевому интерфейсу для каждого участника сети. Такая топология называется шинной (другое название - моноканал). К единственной незамкнутой линии передачи данных в произвольных точках подключаются все участники

Шина позволяет легко добавлять новых участников к сети, для прокладки линии требуется минимальное количество кабеля. Основной недостаток – любой разрыв линии делает сеть неработоспособной. К тому же такой отказ довольно трудно локализовать, поскольку все абоненты включены параллельно, и понять, какой из них вышел из строя, невозможно.

В топологии шина отсутствует явно выраженный центральный абонент, через который передается вся информация, это увеличивает ее надежность (ведь при отказе центра перестает функционировать вся управляемая им система).

Поскольку центральный абонент отсутствует, разрешение возможных конфликтов в данном случае ложится на сетевое оборудование каждого отдельного абонента. В связи с этим сетевая аппаратура при топологии шина сложнее, чем при других топологиях. Тем не менее из-за широкого распространения сетей с топологией шина (прежде всего наиболее популярной сети Ethernet) стоимость сетевого оборудования не слишком высока.

Важное преимущество шины состоит в том, что при отказе любого из компьютеров сети, исправные машины смогут нормально продолжать обмен.

В случае разрыва или повреждения кабеля нарушается согласование линии связи, и прекращается обмен даже между теми компьютерами, которые остались соединенными между собой. Подробнее о согласовании будет изложено в специальном разделе книги. Короткое замыкание в любой точке кабеля шины выводит из строя всю сеть.

Отказ сетевого оборудования любого абонента в шине может вывести из строя всю сеть. К тому же такой отказ довольно трудно локализовать, поскольку все абоненты включены параллельно, и понять, какой из них вышел из строя, невозможно.

При прохождении по линии связи сети с топологией шина информационные сигналы ослабляются и никак не восстанавливаются, что накладывает жесткие ограничения на суммарную длину линий связи. Причем каждый абонент может получать из сети сигналы разного уровня в зависимости от расстояния до передающего абонента. Это предъявляет дополнительные требования к приемным узлам сетевого оборудования.

Если принять, что сигнал в кабеле сети ослабляется до предельно допустимого уровня на длине L пр, то полная длина шины не может превышать величины L пр . В этом смысле шина обеспечивает наименьшую длину по сравнению с другими базовыми топологиями.

Для увеличения длины сети с топологией шина часто используют несколько сегментов (частей сети, каждый из которых представляет собой шину), соединенных между собой с помощью специальных усилителей и восстановителей сигналов - репитеров или повторителей. Однако такое наращивание длины сети не может продолжаться бесконечно. Ограничения на длину связаны с конечной скоростью распространения сигналов по линиям связи.

Если несколько шин – сегментов соединить с помощью концентраторов или повторителей, то разрыв в одном сегменте делает неработоспособным только этот сегмент, а все остальные сегменты продолжают функционировать. Такая топология носит название «Дерево»

В звездообразной топологии принято различать два типа топологий:

1. звезда с пассивным центром;

2. звезда с интеллектуальным центром.

Звездообразная топология требует наличия специального многопортового устройства – концентратора.

Концентратор соединяется с каждым участником сети отдельной линей передачи данных. При выходе из строя одной из линий доступ к сети теряет только один участник. Однако, если откажет концентратор, работа сети станет полностью невозможной.

Среди концентраторов выделяются активные (active) и пассивные (passive). Активные концентраторы регенерируют и передают сигналы так же, как это делают репитеры. Иногда их называют многопортовыми репитерами - они имеют от 8 до 12 портов для подключения компьютеров.

Некоторые типы концентраторов являются пассивные, например монтажные панели или коммутирующие блоки. Они просто пропускают через себя сигнал как узлы коммутации, не усиливая и не восстанавливая его . Пассивные концентраторы не надо подключать к источнику питания.

Гибридными (hybrid) называются концентраторы, к которым можно подключать кабели различных типов. Сети, построенные на концентраторах, легко расширить, если подключить дополнительные концентраторы (см. Приложение 1).

Активное оборудование обладает информацией о структуре сети и может выбирать путь передачи данных, передавая данные только одному участнику, для которого они предназначены и не загружая остальные линии.

Большое достоинство звезды (как активной, так и пассивной) состоит в том, что все точки подключения собраны в одном месте. Это позволяет легко контролировать работу сети, локализовать неисправности путем простого отключения от центра тех или иных абонентов (что невозможно, например, в случае шинной топологии), а также ограничивать доступ посторонних лиц к жизненно важным для сети точкам подключения. К периферийному абоненту в случае звезды может подходить как один кабель (по которому идет передача в обоих направлениях), так и два (каждый кабель передает в одном из двух встречных направлений), причем последнее встречается гораздо чаще.

Общим недостатком для всех топологий типа звезда (как активной, так и пассивной) является значительно больший, чем при других топологиях, расход кабеля. Например, если компьютеры расположены в одну линию, то при выборе топологии звезда понадобится в несколько раз больше кабеля, чем при топологии шина. Это существенно влияет на стоимость сети в целом и заметно усложняет прокладку кабеля.

При кольцеобразной топологии каждый участник соединен отдельной линией передачи данных с двумя соседями. Данные по каждой линии передаются обычно только в одном направлении. Блоки данных ретранслируются каждым участником до тех пор, пока не попадут к получателю. Как правило, после этого блок продолжают передавать по кольцу дальше. Отправитель, получив свой блок, прошедший полный круг, изымает его из кольца и удаляет. Основной недостаток кольцевой топологии – при обрыве хотя бы одной линии, или выходе из строя хотя бы одного участника, сеть перестает функционировать.

Если предельная длина кабеля, ограниченная затуханием, составляет L пр, то суммарная длина кольца может достигать NL пр, где N - количество компьютеров в кольце. Полный размер сети в пределе будет NL пр /2, так как кольцо придется сложить вдвое . На практике размеры кольцевых сетей достигают десятков километров (например, в сети FDDI). Кольцо в этом отношении существенно превосходит любые другие топологии.

Четко выделенного центра при кольцевой топологии нет, все компьютеры могут быть одинаковыми и равноправными. Однако довольно часто в кольце выделяется специальный абонент, который управляет обменом или контролирует его. Понятно, что наличие такого единственного управляющего абонента снижает надежность сети, так как выход его из строя сразу же парализует весь обмен.

Строго говоря, компьютеры в кольце не являются полностью равноправными (в отличие, например, от шинной топологии). Ведь один из них обязательно получает информацию от компьютера, ведущего передачу в данный момент, раньше, а другие - позже. Именно на этой особенности топологии и строятся методы управления обменом по сети, специально рассчитанные на кольцо. В таких методах право на следующую передачу (или, как еще говорят, на захват сети) переходит последовательно к следующему по кругу компьютеру. Подключение новых абонентов в кольцо выполняется достаточно просто, хотя и требует обязательной остановки работы всей сети на время подключения. Как и в случае шины, максимальное количество абонентов в кольце может быть довольно велико (до тысячи и больше). Кольцевая топология обычно обладает высокой устойчивостью к перегрузкам, обеспечивает уверенную работу с большими потоками передаваемой по сети информации, так как в ней, как правило, нет конфликтов (в отличие от шины), а также отсутствует центральный абонент (в отличие от звезды), который может быть перегружен большими потоками информации.

Из трех рассмотренных топологий кольцо наиболее уязвимо к повреждениям кабеля, поэтому в случае топологии кольца обычно предусматривают прокладку двух (или более) параллельных линий связи, одна из которых находится в резерве.

Иногда сеть с топологией кольцо выполняется на основе двух параллельных кольцевых линий связи, передающих информацию в противоположных направлениях. Цель подобного решения - увеличение (в идеале - вдвое) скорости передачи информации по сети. К тому же при повреждении одного из кабелей сеть может работать с другим кабелем (правда, предельная скорость уменьшится).

Большинство сетей ориентированы на три базовые топологии: шина, звезда, кольцо. Но, сравнивая основные характеристики этих топологий, можно отдать предпочтение топологии типа «звезда» (см. Таблицу 1.1, Таблицу 1.2).

Таблица 1.1

Характеристики топологий вычислительных сетей

Характеристики	Топология
Характеристики	Звезда	Кольцо	Шина
Стоимость расширения	Незначительная	Средняя	Средняя
Присоединение абонентов	Пассивное	Активное	Пассивное
Защита от отказов	Незначительная	Незначительная	Высокая
Размеры системы	Любые	Любые	Ограниченны
Защищенность от прослушивания	Хорошая	Хорошая	Незначительная
Стоимость подключения	Незначительная	Незначительная	Высокая
Поведение системы при высоких нагрузках	Хорошее	Удовлетворительное	Плохое
Возможность работы в реальном режиме времени	Очень хорошая	Хорошая	Плохая
Разводка кабеля	Хорошая	Удовлетворительная	Хорошая
Обслуживание	Очень хорошее	Среднее	Среднее

Таблица 1.2

Преимущества и недостатки основных топологий компьютерных сетей

Топология	Преимущества	Недостатки
Шина	Небольшое время установки сети; Дешевизна (требуется меньше кабеля и сетевых устройств); Простота настройки; Выход из строя рабочей станции не отражается на работе сети;	Любые неполадки в сети, как обрыв кабеля, выход из строя терминатора полностью уничтожают работу всей сети; Сложная локализация неисправностей; С добавлением новых рабочих станций падает производительность сети
Кольцо	Простота установки; Практически полное отсутствие дополнительного оборудования; Возможность работы на высоких скоростях, поскольку данные передаются только в одном направлении.	Выход из строя одной рабочей станции, и другие неполадки (обрыв кабеля), отражаются на работоспособности всей сети; Сложность конфигурирования и настройки; Сложность поиска неисправностей;
Звезда	Выход из строя одной рабочей станции не отражается на работе всей сети в целом; Хорошая масштабируемость сети; Лёгкий поиск неисправностей и обрывов в сети; Высокая производительность сети Гибкие возможности администрирования	Выход из строя центрального концентратора обернётся неработоспособностью сети в целом; Для прокладки сети зачастую требуется больше кабеля, чем для большинства других топологий; Конечное число рабочих станций, т.е. число рабочих станций ограничено количеством портов в центральном концентраторе;

Выбор топологии сети - занятие очень специфическое. Окончательное решение принимается после детального рассмотрения требований к производительности, надежности и условиям работы сети. Шинная топология представляет собой быстрейший и простейший способ установки маленькой или временной сети. К недостаткам такой топологии следует отнести уязвимость при неполадках в магистральном кабеле и трудность изоляции отдельных станций или других компонентов при неправильной работе. Но, ориентируясь на вышеизложенный материал, можно отдать предпочтение топологии типа «звезда», которая на сегодняшний день является наиболее распространенной и популярной, так как она оптимально сочетает в себе самые такие качества как производительность, невысокая цена (на «витой паре»), надежность, простота установки.

Преимущества топологии «звезда» по сравнению с «общей шиной» заключаются в более высокой надежности и отказоустойчивости локальной сети, в ней значительно реже возникают «заторы», да и конечное оборудование работает по «витой паре» на порядок быстрее. При этом в случае выхода из строя одного из узлов сети вся остальная система продолжает работать стабильно: полный отказ такой локальной сети происходит только при поломке концентратора. Безусловно, организация сетевой системы на основе топологии «звезда» требует значительно больших финансовых затрат, но они целиком и полностью оправдываются, когда речь заходит о необходимости обеспечить надежную связь между работающими в сети компьютерами.

2 ЛОГИЧЕСКИЕ ТОПОЛОГИИ СЕТЕЙ

Поскольку логическая топология описывает путь и направление передачи данных, то она тесно связана с уровнем MAC (Media Access Control) модели OSI (подуровень канального уровня). Для каждой из существующих логических топологий существуют методы контроля доступа к среде передачи данных (MAC) позволяющие осуществлять мониторинг и контроль процесса передачи данных . Эти методы будут обсуждаться вместе с соответствующей им топологией.

Логическая топология – это схема соединения, связанная с методом доступа к передающей среде.

В настоящее время существует три базовые логические топологии: «логическая шина», «логическое кольцо» и «логическая звезда» (коммутация). Каждая из этих топологий обеспечивает преимущества в зависимости от способов использования. Используя рассмотренные ранее рисунки, посвященные физическим топологиям, всегда нужно помнить, что логическая топология определяет направление и способ передачи, а не схему соединения физических проводников и устройств.

В таблице 2.2 представлены сводные данные по основным видам локальных сетей (см. Приложение 3).

В топологии «логическая шина» последовательности данных, называемые «кадрами» (frames), в виде сигналов распространяются одновременно во всех направлениях по существующей среде передачи. Каждая станция в сети проверяет каждый кадр данных для определения того, кому адресованы эти данные. Когда сигнал достигает конца среды передачи, он автоматически гасится (удаляется из среды передачи) соответствующими устройствами, называемыми «терминаторами» (terminators). Такое уничтожение сигнала на концах среды передачи данных предотвращает отражение сигнала и его обратное поступление в среду передачи. Если бы терминаторов не существовало, то отраженный сигнал накладывался бы на полезный и искажал его.

В топологии «логическая шина» среда передачи совместно и одновременно используется всеми устройствами передачи данных. Для предотвращения помех при попытках одновременной передачи данных несколькими станциями, только одна станция в любой момент времени имеет право передавать данные. Таким образом, должен существовать метод определения того, какая станция имеет право передавать данные в каждый конкретный момент времени.

Наиболее часто используемым при организации топологии логической шины методом контроля доступа к среде передачи является CSMA/CD – «метод прослушивания несущей, с организацией множественного доступа и обнаружением коллизий» (Carrier Sense Multiple Access/ Collision Detection). Этот метод доступа очень похож на разговор нескольких людей в одной комнате. Для того, чтобы не мешать друг другу, в любой момент времени говорит только один человек, а все остальные слушают. А начинать говорить кто-либо может только, убедившись в том, что в комнате воцарилось молчание. Точно таким же образом работает и сеть. Когда какая-либо станция собирается передавать данные, сначала она «прослушивает» (carrier sense) среду передачи данных в целях обнаружения какой-либо уже передающей данные станции. Если какая-либо станция в данный момент выполняет передачу, то станция ждет окончания процесса передачи. Когда среда передачи освобождается, ожидавшая станция начинает передачу своих данных. Если в этот момент начинается передача еще одной или несколькими станциями тоже ожидавшими освобождения среды передачи, то возникает "коллизия" (collision). Все передающие станции обнаруживают коллизию и посылают специальный сигнал информирующий все станции сети о возникновении коллизии. После этого все станции замолкают на случайный промежуток времени перед повторной попыткой передачи данных. После этого алгоритм работы начинается сначала.

Сеть, базирующаяся на топологии логической шины, может также использовать и технологию «передачи маркера» (token passing) для контроля доступа к среде передачи данных. При использовании этого метода контроля каждой станции назначается порядковый номер, указывающий очередность в передаче данных. После передачи данных станцией с максимальным номером, очередь возвращается к первой станции. Порядковые номера, назначаемые станциям, могут не соответствовать реальной последовательности физического подключения станций к среде передачи данных. Для контроля того, какая станция в текущий момент времени имеет право передать данные, используется контрольный кадр данных, называемый «маркером доступа». Этот маркер передается от станции к станции в последовательности, соответствующей их порядковым номерам. Станция, получившая маркер, имеет право передать свои данные. Однако, каждая передающая станция ограничена временем, в течение которого ей разрешается передавать данные. По окончании этого времени станция обязана передать маркер следующей станции.

Топология «логической шины» базируется на использовании физических топологий «шина» и «звезда». Метод контроля доступа и типы физических топологий выбираются в зависимости от требований к проектируемой сети. Например, каждая из сетей: Ethernet, 10Base-T Ethernet и ARCnet® используют топологию «логическая шина». Кабели в сетях Ethernet (тонкий коаксиальный кабель) подключаются с использованием физической топологии «шина», а сети 10Base-T Ethernet и ARCnet базируются на топологии «звезда». Вместе с тем, сети Ethernet (шина) и 10Base-T Ethernet (звезда) используют CSMA/CD в качестве метода контроля доступа к среде передачи данных, а в ARCnet (звезда) применяется маркер доступа.

2.2 Логическое кольцо

В топологии «логическое кольцо» кадры данных передаются по физическому кольцу до тех пор, пока не пройдут через всю среду передачи данных. Топология «логическое кольцо» базируется на физической топологии «кольцо». Каждая станция, подключенная к физическому кольцу, получает данные от предыдущей станции и повторяет этот же сигнал для следующей станции. Таким образом, данные, повторяясь, следуют от одной станции к другой до тех пор, пока не достигнут станции, которой они были адресованы. Получающая станция, копирует данные из среды передачи и добавляет к кадру атрибут, указывающий на успешное получение данных. Далее кадр с установленным «атрибутом доставки» продолжает путешествие по кольцу до тех пор, пока не достигнет станции, изначально отправившей эти данные. Станция, проанализировав «атрибут доставки» и убедившись в успешности передачи данных, удаляет свой кадр из сети .

Метод контроля доступа к среде передачи в таких сетях всегда базируется на технологии «маркеров доступа». Однако последовательность получения права на передачу данных (путь следования маркера), не всегда может соответствовать реальной последовательности подключения станций к физическому кольцу.

Классификация кольцевых систем основывается на применении разных методов множественного доступа. Наиболее известны петли с жезловым (маркерным) управлением, которое реализовано в сети Token Ring фирмы IBM и волоконно-оптической сети FDDI (Fiber Distributed Data Interface), имеющей пропускную способность 100 Мбит/с и использующей топологию двойного (избыточного) кольца. IBM"s Token-Ring является примером сети, использующей топологию «логического кольца», базирующегося на физической топологии «кольцо». Token Ring (маркерное кольцо) - архитектура сетей с кольцевой логической топологией и детерминированным методом доступа с передачей маркера. Стандарт определен документом IEEE802.5, но IBM - основной проводник этой архитектуры - использует несколько отличающуюся спецификацию.

Логическое кольцо реализуется на физической звезде, в центре которой находится MAU (Multistation Access Unit) - хаб с портами подключения каждого узла. Для присоединения кабелей используются специальные разъемы, обеспечивающие замыкание кольца при отключении узла от сети. При необходимости сеть может расширяться за счет применения дополнительных хабов, связанных в общее кольцо. Требование безразрывности кольца усложняет кабельное хозяйство Token Ring, использующее четырехпроводные экранированные и неэкранированные витые пары и специальные коммутационные средства.

Основное преимущество Token Ring - заведомо ограниченное время ожидания обслуживания узла (в отличии от Ethernet не возрастающее при усилении трафика), обусловленное детерминированным методом доступа и возможностью управления приоритетом. Это свойство позволяет использовать Token Ring в системах реального времени. Кроме того, сети Token Ring легко соединяются с сетями на больших машинах (IBM Mainframe).

Недостатками Token Ring являются высокая стоимость оборудования и сложность построения больших сетей (WAN).

Топология FDDI является протоколом с передачей маркера, подобным TokenRing. Он использует либо топологию "двойное кольцо", либо топологию «Звезда». В отличие от Token Ring, в котором сетевое кольцо является логическим, а не физическим, изначальная спецификация FDDI предназначалась для систем, действительно замкнутых кабелем в кольцо. Однако в рассматриваемом случае - это уже двойное кольцо. Двойное кольцо (double ring), также называемое магистральным кольцом (trunk ring), состоит из двух отдельных колец, - основного или первичного (primary) и дополнительного (вторичного, secondary), по которым трафик движется в противоположных направлениях, обеспечивая отказоустойчивость. Длина двойного кольца может достигать 100 км, и рабочие станций могут быть расположены на расстоянии до 2 км.

Рабочие станции, присоединенные к обоим кольцам, называются станциями с двойным подключением (DASs, dual attachment stations). В случае обрыва кабеля или неисправности узла трафик перенаправляется в дополнительное кольцо и распространяется в противоположном направлении, сохраняя возможность доступа к данным любой другой системы сети. Кольцо FDDI, работающее в описанном режиме, называется свернутым кольцом (wrapped ring).

В случае свернутого кольца, если возникнет повреждение во втором кабеле, сеть распадется на два изолированных кольца, и взаимодействия в ней будут прерваны. Вдобавок, свернутое кольцо менее эффективно, чем полнофункциональное кольцо, поскольку трафик вынужден пройти дополнительное расстояние для достижения места назначения, поэтому рассмотренный резервный режим - только временная мера до тех пор, пока неисправность не будет устранена.

Архитектура FDDI обеспечивает совместимость с Token Ring, поскольку у них одинаковые форматы кадров. Однако есть и различия. В сети FDDI компьютер:

· захватывает маркер на определенный интервал времени;

· за этот интервал передает столько кадров, сколько успеет;

· завершает передачу либо по окончании выделенного интервала времени, либо из-за отсутствия передаваемых кадров .

Поскольку компьютер, завершив передачу, сразу освобождает маркер, могут остаться несколько кадров, одновременно циркулирующих по кольцу. Этим объясняется более высокая производительность FDDI, чем Token Ring, которая позволяет циркулировать в кольце только одному кадру.

2.3 Логическая звезда (коммутация)

В чистом виде, коммутация предоставляет выделенную линию передачи данных каждой станции. Когда одна станция передает сигнал другой станции подключенной к тому же самому коммутатору, то коммутатор передает сигнал только по среде передачи данных, соединяющей эти две станции. При таком подходе возможна одновременная передача данных между несколькими парами машин, так как данные, передающиеся между любыми двумя станциями, остаются "невидимыми" для других пар станций.

Коммутаторы имеют встроенную логику, позволяющую им интеллектуально управлять процессом передачи данных между машинами. Внутренней логике коммутаторов свойственно высокое быстродействие, т.к. они должны обеспечивать возможность одновременной передачи данных с максимальной скоростью между каждой парой портов. Таким образом, использование коммутаторов позволяет существенно увеличить производительность сети.

Несколько коммутаторов могут быть соединены между собой с использованием одной или нескольких физических топологий. Коммутаторы могут быть использованы не только для соединения индивидуальных станций, но и целых групп станций. Такие группы носят название «сегментов сети». По множеству причин коммутация может значительно повысить производительность сети.

Характеристики логических топологий вычислительных сетей приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1

Характеристики логических топологий вычислительных сетей

Логическая топология

Кабели

Макс. длина кабеля

Мин. длина кабеля

Макс. число станций на один кабель

Макс. число станций в логич. сети

Макс. число сегмен-тов

Макс. общая длина логич. сети

«Шина»

Ethernet 10 Мбит/с

тонкий коакси-альный

185 м

4,63 м

1024

5 только к 3-м могут быть подключены рабочие станции

925 м

«Звезда»

Ethernet 10 Мбит/с

«витая пара»,
волоконно-оптический

«витая пара» - 100 м,
волоконно-оптический - 925 м

Нет

для обоих типов кабелей

1024

для обоих типов кабелей

925 м

Ethernet 100 Мбит/с - Fast Ethernet

«витая пара»,
волоконно-оптический

«витая пара» - 100 м,
волоконно-оптический - 200 м

Нет

2 для обоих типов кабелей

1024

для обоих типов кабелей

200 м

1 Гбит/с Ethernet

«витая пара»,
волоконно-оптический

«витая пара» - 100 м,
волоконно-оптический - 5046 м

2 для обоих типов кабелей

1024

для обоих типов кабелей

200 м

Token Ring

«витая пара» - 4 Мбит/с

На 1 кольце

рованная «витая пара» - 260,
Неэкра-нирова-нная «витая пара» - 72

1000 м

Логическая топология

Кабели

Макс. расстояние между узлами

Макс. длина сети

Скорость передачи данных

Макс. число станций в кольце

«Кольцо»

Token Ring

«витая пара» - волоконно-оптический -

1000 м

«витая пара» - 4 Мбит/с
волоконно-оптический - 16 Мб/с

Экранированная «витая пара» - 260,
Неэкранированная «витая пара» - 72

(физ. топология - двойное кольцо)

волоконно-оптический

2 км

100 км на одно кольцо

100 Мбит/с

500, 1000 соединений

Таким образом, логическая топология сети указывает на характер связей между компьютерами, 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.

3 Классы сетей Ethernet

Ethernet - архитектура сетей с разделяемой средой и широковещательной передачей (все узлы получают пакет одновременно) и методом доступа CSMA/CD. Стандарт определен документом IEEE802.3. Физическая топология:

Шина для коаксиала,

Звезда - для витой пары,

Двухточечное соединение - для оптоволокна.

В настоящее время термин Ethernet используется для описания всех локальных сетей, использующих метод коллективного доступа к среде передачи данных с опознанием несущей и обнаружением коллизий.

Классы Ethernet различаются, прежде всего, пропускной способностью линий, типом используемого кабеля, топологией и некоторыми иными характеристиками. Каждый из классов сетей Ethernet имеет собственное обозначение, отражающее его технические характеристики, такое обозначение имеет вид XBase/BroadY, где X - пропускная способность сети, обозначение Base или Broad говорит о методе передачи сигнала - основополосный (baseband) или широкополосный (broadband), и, наконец, число Y отображает максимальную длину сегмента сети в сотнях метров, либо обозначает тип используемого в такой системе кабеля, который и накладывает ограничения на максимально возможное расстояние между двумя узлами сети, исходя из собственных технических характеристик . Например, сеть класса 10Base2 имеет пропускную способность 10 Мбит/с, использует метод передачи данных baseband и допускает максимальную длину сегмента в 200 м.(рис. 3.0)

К классу 10BaseY можно отнести: Класс 10Base5 (Thick Ethernet), класс 10Base2 (Thin Ethernet), класс 10BaseT (Ethernet на «витой паре»), класс 10BaseF (Fiber Optic).

Класс 10Base5 (Thick Eternet), который также иногда называют «толстым Ethernet», - это один из наиболее старых стандартов локальных сетей. Сегодня уже очень трудно отыскать в продаже оборудование этого типа, тем более трудно найти действующую сеть, работающую с данным типом устройств.

Сети стандарта 10Base5 использовали топологию «общая шина» и создавались на основе коаксиального кабеля с волновым сопротивлением 50 Ом и пропускной способностью 10 Мбит/с. Общая шина локальной сети ограничивалась с обеих сторон терминаторами, однако помимо Т-коннекторов в подобных системах использовались специальные устройства, получившие общее название «трансиверы», которое произошло от совмещения английских понятий transmitter (передатчик) и receiver (приемник). Собственно, трансиверы являлись приемниками и передатчиками данных между работающими в сети компьютерами и самой сетью (см. Рис. 3.1). Помимо функций собственно приемника-передатчика информации, трансиверы обеспечивали надежную электроизоляцию работающих в сети компьютеров, а также выполняли функции устройства, снижающего уровень посторонних электростатических помех. Максимальная длина коаксиального кабеля, протянутого между трансивером и сетевым адаптером компьютера (трансиверного кабеля) в таких сетях может достигать 25 м, максимальная длина одного сегмента сети (отрезка сети между двумя терминаторами) - 500 м, а минимальное расстояние между точками подключения - 2,5 м. Всего в одном сегменте сети 10Base5 может работать не более 100 компьютеров, при этом количество совместно работающих сегментов сети не должно превышать пяти.

Локальные сети, относящиеся к классу 10Base2, который также иногда называют Thin Ethernet, являются прямыми «наследницами» сетей 10Base5. Как и в предыдущем случае, для соединения компьютеров используется тонкий экранированный коаксиальный кабель с волновым сопротивлением 50 Ом, оснащенный Т-коннекторами и терминаторами, однако в такой конфигурации Т-коннекторы подключаются к разъему сетевой карты напрямую, без использования каких-либо промежуточных устройств (рис. 3.1). Соответственно, такая сеть имеет стандартную конфигурацию «общая шина». Максимальная длина одного сегмента сети 10Base2 может достигать 185 м, при этом минимальное расстояние между точками подключения составляет 0,5 м. Наибольшее число компьютеров, подключаемых к одному сегменту такой сети, не должно превышать 30, максимально допустимое количество сегментов сети составляет 5. Пропускная способность данной сети, как это следует из обозначения ее класса, составляет 10 Мбит/с.

Одним из наиболее распространенных сегодня классов локальных сетей Ethernet являются сети 10BaseT. Как и стандарт 10Base2, такие сети обеспечивают передачу данных со скоростью 10 Мбит/с, однако используют в своей архитектуре топологию «звезда» и строятся с применением специального кабеля, называемого twisted pair, или «витая пара». Фактически витая пара представляет собой восьмижильный провод, в котором для обмена информации по сети используется лишь две пары проводников: одна - для приема сигнала, и одна - для передачи. В качестве центрального звена в звездообразной структуре локальной сети 10BaseT применяется специальное устройство, называемое хабом, или концентратором. Для построения распределенной вычислительной системы, состоящей из нескольких сетевых сегментов, возможно подключение нескольких хабов в виде каскада, либо присоединение через хаб к сети 10BaseT локальной сети другого класса (см. Рис. 3.2), однако следует учитывать то обстоятельство, что общее число точек подключения в такой системе не должно превышать 1024. Максимально допустимое расстояние между узлами сети 10BaseT составляет 100 м, но можно сказать, что это значение взято скорее из практики построения таких сетей, поскольку стандарт 10BaseT предусматривает иное ограничение: затухание сигнала на отрезке между приемником и источником не должно превышать порога в 11,5 децибела . Именно данный класс локальных сетей наравне с 10Base2 будет подробно рассматриваться далее.

К классу10BaseF (другое название - Fiber Optic) принято относить распределенные вычислительные сети, сегменты которых соединены посредством магистрального оптоволоконного кабеля, длина которого может достигать 2 км. Очевидно, что в силу высокой стоимости такие сети используются в основном в корпоративном секторе рынка и по карману они достаточно крупным предприятиям, располагающим необходимыми средствами для организации подобной системы.

Сеть10BaseF имеет звездообразную топологию, которая, однако, несколько отличается от архитектуры, принятой для сетей 10BaseT (см. Рис. 3.3).

Компьютеры каждого сегмента такой сети подключаются к хабу, который, в свою очередь, соединяется с внешним трансивером сети10BaseF посредством специального коммуникационного шнура, подключаемого к 15-контактному разъему AUI (Attachment Unit Interface). Задача трансивера состоит в том, чтобы, получив из своего сегмента сети электрический сигнал, трансформировать его в оптический и передать в оптоволоконный кабель. Приемником оптического сигнала является аналогичное устройство, которое превращает его в последовательность электрических импульсов, направляемых в удаленный сегмент сети.

Преимущества оптических линий связи перед традиционными неоспоримы. Прежде всего диэлектрическое волокно, используемое в оптоволоконных кабелях в качестве волноводов, обладает уникальными физическими свойствами, благодаря которым затухание сигнала в такой линии крайне мало: оно составляет величину порядка 0,2 дБ на километр при длине волны 1,55 мкм, что потенциально позволяет передавать информацию на расстояния до 100 км без использования дополнительных усилителей и ретрансляторов. Кроме того, в оптических линиях связи частота несущего сигнала достигает 1014 Гц, а это означает, что скорость передачи данных по такой магистрали может составлять 1012бит в секунду . Если принять во внимание тот факт, что несколько световых волн может одновременно распространяться в световоде в различных направлениях, то эту скорость можно значительно увеличить, организовав между конечными точками оптоволоконного кабеля двунаправленный обмен данными. Другой способ удвоить пропускную способность оптической линии связи заключается в одновременной передаче по оптоволокну нескольких волн с различной поляризацией. Фактически можно сказать, что на сегодняшний день максимально возможная скорость передачи информации по оптическим линиям пока еще не достигнута, поскольку достаточно жесткие ограничения на «быстродействие» подобных сетей накладывает конечное оборудование. Оно же «ответственно» и за относительно высокую стоимость всей системы в целом, поскольку диэлектрический кварцевый световод сам по себе значительно дешевле традиционного медного провода. В завершение можно упомянуть и тот факт, что оптическая линия в силу естественных физических законов абсолютно не подвержена воздействию электромагнитных помех, а также обладает существенно большим ресурсом долговечности, чем линия, изготовленная из стандартного металлического проводника.

В таблице 3.1 представлены физические интерфейсы стандарта EthernetIEEE 802.3i и их основные характеристики

Таблица 3.1

Физический интерфейс	10Base5	10Base2	10BaseT	10BaseFL
Порт устройства	AUI	BNC	RJ-45 (MDI или MDI-X)	ST
Среда передачи	Толстый коакс. кабель (50 Ом)	Тонкий коакс. кабель (50 Ом)	Витая пара UTP cat.3 и выше	Оптическое волокно mm/sm*
Сигнальный код	Манчестер	Манчестер	Манчестер	Манчестер / on-off
Физическая топология	Шина	Шина	Звезда, дерево	Звезда, дерево
Логическая топология	Шина	Шина	Шина	Шина
Макс. длина сегмента (м)	500	185	100	mm - 2000, sm -***
Количество узлов на сегмент	100 смешанный сегмент	30 смешанный сегмент	- соединение точка-точка	- соединение точка-точка
Диаметр кабеля (mm)	10	5	0,4-0,6	62,5/125 мкм, 50/125 мкм

3.2 Классы 100BaseT, 100BaseTX, 100ВаsеТ4 и 100BaseFX

Кклассу 100BaseY можноотнести: Класс 100BaseT (Fast Ethernet), класс 100BaseTX , класс100BaseT4, класс100BaseFX.

Класс локальных сетей 100BaseT, называемый также Fast Ethernet, появился относительно недавно: он был создан в 1992 году группой разработчиков, называемой Fast Ethernet Alliance (FEA). Фактически Fast Ethernet является «наследником» сетей стандарта 10BaseT, однако в отличие от них позволяет передавать данные со скоростью до 100 Мбит/с. Так же как и сети 10BaseT, локальные сети Fast Ethernet имеют звездообразную топологию и могут быть собраны с использованием кабеля различных типов, наиболее часто применяемым из которых является витая пара. В 1995 году данный стандарт был одобрен Институтом инженеров по радиотехнике и электронике (Institute of Electrical and electronic Engineers, IEEE) и вошел в спецификацию IEEE 802.3 (это расширение спецификации получило обозначение IEEE 802.3u), обретя тем самым официальный статус.

Поскольку класс сетей 100BaseT является прямым потомком класса 10BaseT, в таких системах используются стандартные для Ethernet протоколы передачи данных, а также стандартное прикладное программное обеспечение, предназначенное для администрирования локальной сети, что значительно упрощает переход от одного типа сети к другому. Предполагается, что в не столь отдаленном будущем эта технология вытеснит большинство действующих на сегодняшний день «устаревших» стандартов, поскольку в процессе разработки данной спецификации одной из основных задач являлось сохранение совместимости новой разновидности локальных сетей с различными типами кабеля, используемого в сетях старого образца, было создано несколько модификаций стандарта Fast Ethernet. Технология 100BaseTX подразумевает использование стандартной витой пары пятой категории, в которой задействовано только четыре проводника из восьми веющихся: два - для приема данных, и два - для передачи. Таким образом, сети обеспечивается двунаправленный обмен информацией и, кроме того, остается потенциальная возможность для дальнейшего наращивания производительности всей распределенной вычислительной системы. В сетях 100BaseT4 также используется витая пара, однако в ней задействованы все восемь жил проводника: одна пара работает только на прием данных, одна - только на передачу, а оставшиеся две обеспечивают двунаправленный обмен информацией. Поскольку технология 100BaseT4 подразумевает разделение всех передаваемых по сети данных на три независимых логических канала (прием, передача, прием-передача), пропорционально уменьшается частота сигнала, что позволяет прокладывать такие сети с использованием менее качественного и, следовательно, более дешевого кабеля 3 или 4 категории, наконец, последний стандарт в семействе Fast Ethernet носит наименование 100BaseFX. Предназначен он для работы с оптоволоконными линиями связи.
Максимальная длина одного сегмента в сетях 100BaseT (кроме подкласса 100BaseFX) не превышает 100 м, в качестве конечного оборудования используются сетевые адаптеры и концентраторы, поддерживающие этот стандарт. Существуют также универсальные сетевые адаптеры 10BaseT/ 100BaseT. Принцип их работы состоит в том, что в локальных сетях этих двух классов используются одинаковые линии с одним и тем же типом разъемов, а задача автоматического распознавания пропускной способности каждой конкретной сети (10 Мбит/с или 100 Мбит/с) возлагается на протокол канального уровня, являющийся частью программного обеспечения самого адаптера. Алгоритм работы такого устройства можно проиллюстрировать на простом примере. При включении компьютера, оснащенного сетевым адаптером 10BaseT/100BaseT, последний выдает в сеть сигнал, информирующий другие сетевые устройства о том, что он способен поддерживать скорость передачи данных до 100 Мбит/с. Если оборудование локальной сети (например, хаб, к которому подключен данный компьютер) обеспечивает аналогичную скорость соединения, оно генерируют ответный сигнал, после чего адаптер продолжает работать в режиме 100BaseT. Если отклика не поступает, сетевая карта автоматически переходит в режим передачи данных со скоростью 10 Мбит/с, то есть переключается на работу в стандарте 10BaseT .

Несмотря на все преимущества спецификации 100BaseT, такие сети по сравнению с более старыми реализациями Ethernet не лишены и ряда недостатков, унаследованных ими от своего прародителя - стандарта 10BaseT. Прежде всего, в моменты пиковой нагрузки, то есть в случае возникновения ситуации, при которой к ресурсам сети одновременно обращается более 50% всех узлов, на линии образуется хорошо знакомый пользователям 10BaseT «затор» - другими словами, сеть начинает заметно «тормозить». И во-вторых, если в распределенной вычислительной системе применяется комбинированная технология (одна часть сети работает со стандартом 10BaseT, другая - со стандартом 100BaseT), высокая скорость соединения будет возможна только на участке, поддерживающем пропускную способность в 100 Мбит/с. Поэтому даже если ваш компьютер оснащен сетевым адаптером 100BaseT, при обращении к удаленному узлу, оборудованному сетевой картой 10BaseT, скорость соединения не превысит 10 Мбит/с.

3.3 Класс1000BaseT (Gigabit Ethernet)

Чем быстрее растут вычислительные мощности современных персональных компьютеров, тем больше становится среднестатистический объем обрабатываемых с их помощью файлов. Соответственно возникает потребность в пропорциональном увеличении пропускной способности линий связи. В итоге это заметно ускорило процесс эволюции сетевых технологий: не успел окончательно прижиться стандарт 100BaseT, как ему на смену подоспел новый класс локальных сетей, позволяющих передавать информацию со скоростью до гигабита в секунду. Эти сети получили обозначение 1000BaseT и альтернативное название Gigabit Ethernet.
В архитектуре сетей1000BaseT используется топология «звезда» на базе высококачественного кабеля «витая пара» категории 5, в котором задействованы все восемь жил, причем каждая из четырех пар проводников используется как для приема, так и для передачи информации . По сравнению с технологией 100BaseT, несущая частота в сетях 1000BaseT увеличена вдвое, благодаря чему достигается десятикратное увеличение пропускной способности линии связи. При переходе от стандарта 10BaseT или 100BaseT к 1000BaseT особые требования предъявляются к качеству монтажа сетевых розеток и разъемов: если сеть проложена в полном соответствии с существующими стандартами, она, скорее всего, сможет обеспечить требуемую скорость передачи данных, если же монтаж был выполнен с отклонениями от требований спецификации Ethernet, возникающие в соединениях помехи не позволят добиться расчетных характеристик. Как и в более ранних классах сетей XBaseT, длина одного сегмента Gigabit Ethernet не должна превышать 100 м.

Стандарт 1000BaseT был официально подтвержден Институтом инженеров по радиотехнике и электронике (Institute of Electrical and Electronic Engineers, IEEE) в 1999 году, и включен в спецификацию IEEE 802.3. В настоящее время оборудование для данного типа сетей выпускается несколькими независимыми производителями компьютерного «железа».

В таблице 3.2 приведены физические характеристики различных спецификаций Ethernet.

Таблица 3.2.

Стандарт	Физическая спецификация	Кабели, разъемы	Ограничения на длину физ. сегмента, м	Макс. число повторителей	макс. число станций	Диаметр сети, м
		Толстый коаксиал RG‑8/11, разъемы AUI	500 min 2,5 м	4 (2 сегмента без узлов)	100	2500
	10Base2 (Cheapernet)	Тонкий коаксиал RG‑58A/U, разъемы BNC		4 (2 сегмента без узлов)	30	925
	10BaseTX	2ВП UTP3-4-5, RJ-45	100	4	1024	500
	10BaseF	ОМ ОВ / ММ ОВ 62.5, разъемы ST	1000/5000	-	2	1000/ 5000
Fast Ethernet (IEEE 802.3u)	100BaseTX	2ВП UTP, STPType 1, разъемы RJ-45	100	1 класса I / 2 класса II (кабель между повторит. – до 5 м)	1024	200-320
	100BaseFX	ММ ОВ 62.5, 125 мкм, разъемы ST, SC	412 (полудуплекс)/ 2000 (полнодуплексн.)
	100BaseT4	4ВП UTP3-4-5, RJ-45	100
Gigabit Ethernet	1000BaseLX	ММ ОВ / ОМ ОВ, разъемы ST, SC	316 (550/3000)	-	2	550/ 3000
	1000BaseSX	ММ ОВ 62.5/50 мкм разъемы ST, SC	275 (300/550)	-		300/ 550
	1000BaseCX	коаксиал, (ВП STP), RJ-45	25	-		25
(802.3ab)	1000BaseT	ВП STP5-6 RJ-45	100	-		100

Стандарты Ethernet определяют проводные соединения и электрические сигналы на физическом уровне, формат пакетов и протоколы управления доступом к среде - на канальном уровне модели OSI. Ethernet в основном описывается стандартами IEEE группы 802.3. Ethernet стал самой распространённой технологией ЛВС в середине 90-х годов прошлого века, вытеснив такие технологии, как Arcnet, FDDI и TokenRing. Поскольку при технологии Ethernet все компьютеры локальной сети имеют возможность одновременного доступа к передающей среде, логическая топология является «шиной». Несмотря на изменение физической топологии в Fast Ethernet, при этом не изменился метод доступа к среде, следовательно, логическая топология также не изменилась.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

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. Более того, физическое расположение компьютеров, соединяемых сетью, почти не влияет на выбор топологии. Как бы ни были расположены компьютеры, их можно соединить с помощью любой заранее выбранной топологии (см. рис 4.1).

В том случае, если соединяемые компьютеры расположены по контуру круга, они могут соединяться, как звезда или шина. Когда компьютеры расположены вокруг некоего центра, их допустимо соединить с помощью топологий шина или кольцо. Наконец, когда компьютеры расположены в одну линию, они могут соединяться звездой или кольцом. Другое дело, какова будет требуемая длина кабеля.

Строго говоря, при упоминании о топологии сети, мы можем подразумевать четыре совершенно разные понятия, относящиеся 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. 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 мало чувствительна к отказам отдельных компьютеров.

Топология локальной сети является одним из самых критичных факторов, влияющих на производительность. В случае необходимости четыре основные топологии (коммутируемую, звездообразную, кольцевую и шинную) можно комбинировать произвольным образом. Возможные комбинации не ограничены рассмотренными в этой дипломной работе. Большинство современных технологий локальных сетей не только приветствуют, но даже обязывают использовать творческий подход. Очень важно разбираться в преимуществах и недостатках топологий, влияющих на производительность сети. Кроме того, следует учитывать и такие казалось бы необъективные факторы, как расположение рабочих станций в здании, пригодность кабеля, а также даже тип и способ проводки.

В конечном счете основным критерием выбора удачной топологии являются требования пользователей к производительности. Такие факторы, как стоимость, предполагаемая модернизация и ограничения существующих технологий, играют второстепенную роль.

Итак, в данной работе были рассмотрены основные топологии вычислительных сетей. Основная цель данного исследования заключалась не только в детальном рассмотрении основных топологий вычислительных сетей, но и в их сравнительной оценке, выявлении их достоинств и недостатков. Топологии различаются требуемой длиной соединительного кабеля, удобством соединения, возможностями подключения дополнительных абонентов, отказоустойчивостью, возможностями управления обменом. Топологическая структура влияет на пропускную способность и стоимость локальной сети. Каждая топология сети налагает ряд условий. Например, она может диктовать не только тип кабеля, но и способ его прокладки. На основе проведенного исследования можно сделать выбор наиболее подходящей для определенных целей топологии вычислительной сети.

Практическая значимость проведенного исследования вполне очевидна – материалы и выводы данной работы помогут разбираться в преимуществах и недостатках топологий, влияющих на производительность сети, могут быть использованы для выбора наиболее подходящей топологии при проектировании компьютерных сетей предприятий.

ГЛОССАРИЙ

Витая пара	среда передачи информации из двух перекрученных между собой электрических проводов, характеризующаяся наибольшей простотой монтажа и низкой стоимостью.
Диаметр сети	путь максимальной длины в сети Ethernet, то есть путь между двумя абонентами с максимальной для данной сети задержкой распространения сигнала.
Затухание сигнала	ослабление передаваемого сигнала при его прохождении по сети, доля мощности сигнала, потерянная при прохождении по кабелю. Измеряется в децибелах (дБ).
Звезда (star)	вид топологии локальной сети, в котором к одному цен, тральному абоненту (концентратору) подключаются несколько периферийных абонентов; при этом все управление сетью и (или) передачу всей информации в ней осуществляет центральный абонент.
Зона конфликтов (область коллизий)	множество абонентов (узлов) сети Ethernet, осуществляющих доступ к сети по методу CSMA/CD. Часть сети, на которую распространяется ситуация конфликта. Может включать в себя всю сеть.
Коаксиальный кабель	Среда передачи информации, электрический кабель, состоящий из центрального проводника и металлической оплетки, разделенных диэлектриком.
Коллизия	ситуация, при которой в сеть передаются несколько пакетов одновременно, что вызывает искажение информации. Называется также конфликтом или столкновением.
Кольцо (ring)	вид топологии локальной сети, в котором все абоненты последовательно передают информацию друг другу по цепочке, замкнутой в кольцо.
Концентратор (hub)	устройство, служащее для объединения нескольких сегментов единой сети и не преобразующее передаваемую информацию.
Конфликт, коллизия (collision)	ситуация, при которой в сеть передаются несколько
Локальная сеть	компьютеры или другие устройства, соединенные линиями связи для передачи информации между ними, как правило, на сравнительно небольшие расстояния.
Маркер	уникальная комбинация битов или пакет специального вида, использующийся для процедуры захвата сети.
Маркерное кольцо	детерминированный метод доступа в локальных сетях, альтернативный случайному методу доступа CSMA/CD и обеспечивающий, в отличие от него, отсутствие коллизий и гарантированное сверху время доставки данных в сетях при отсутствии перегрузок. Допускает организацию системы приоритетов между абонентами
Оптоволоконный кабель	среда передачи информации, представляющая собой стеклянное или пластиковое волокно в оболочке, по которому распространяется световой сигнал.
Ошибки передачи	искажения передаваемой информации в сетях вследствие внешних помех, некачественных кабелей, неисправностей сетевого оборудования, неправильного согласования электрических кабелей, отсутствия гальванической развязки, а также вследствие конфликтов (коллизий)передачи.
Пакет	единица информации, передаваемой по сети. Могут быть короткими (порядка десятков байт и даже единиц байт), а также длинными (порядка нескольких килобайт). Включают в себя данные (необязательно), адреса и управляющие коды.
Петля	замкнутый контур передачи информации в топологии сети.
Перегрузка (overload)	ситуация, при которой сеть не может работать при полной нагрузке большую часть времени. В сетях, использующих метод доступа CSMA/CD, перегрузка связана с ростом числа коллизий из-за конкуренции абонентов в сети.

1. Барановская Т. П., Лойко В. И., Семенов М. И., Трубилин А. И. Архитектура компьютерных систем и сетей. – М.: Финансы и статистика, 2003. – 256с.

2. Березин С. Интернет у вас дома. – 2-е изд. – СПб.: VHB, 2000. – 735с.

3. Блэк Ю. Сети ЭВМ: протоколы, стандарты, интерфейсы. – М.: Мир, 1998. – 510с.

4. Бройдо В.Л. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: Учебник для вузов. – СПб.: Питер, 2002. – 688с.

5. Бумфрей Ф. XML. Новые перспективы WWW. – М.: ДМК, 2000. – 688с.

6. Ветров C. Компьютерное «железо». – М.: СОЛОН-Р, 2002. – 559 стр.

7. Гук М. Аппаратные средства локальных сетей. Энциклопедия. – СПб.: Питер, 2000. – 576с.

8. Зима В. Безопасность глобальных сетевых технологий. – СПб.: BHV, 2001. – 320 с.

9. Ибе О. Сети и удаленный доступ. Протоколы, проблемы, решения. – М.: ДМК Пресс, 2003. – 336с.

10. Иртегов Д. В. Введение в сетевые технологии. – СПб.: BHV, 2004. – 560с.

11. Кульгин М. Практика построения компьютерных сетей. Для профессионалов. – СПб.: Питер, 2001. – 320с.

13. Максимов Н. В., Попов И. И. Компьютерные сети. – М.: Форум, 2007. – 448с.

14. Мизин И.А. и др. Сети коммутации пакетов. – М.: Радио и связь, 1986. – 405с.

15. Морозевич А.Н. Основы информатики: Учебное пособие для студентов вузов. – М.: Новое знание, 2001. – 544с.

16. Новиков Ю. В., Кондратенко С. В. Основы локальных сетей. Курс лекций. – СПб.: Интуит, 2005. – 360с.

17. Олифер В. Новые технологии и оборудование IP-сетей. – СПб.: BHV, 2001. – 512 с.

18. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. – СПб.: Питер, 2000. – 672с.

19. Олифер Н.А. Сетевые операционные системы: Учебное пособие для студентов вузов. – СПБ.: Питер, 2001. – 544с.

20. Поляк-Брагинский А. В. Сеть под Microsoft Windows. – СПб.: BHV, 2003. – 336с.

21. Пятибратов А.П. и др. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации: Учебник. – М.: Финансы и статистика, 1998 г. – 266с.

22. Роберт Педжен, Тодд Леммл. Удаленный доступ. – М.: ЛОРИ, 2002. – 360с.

23. Русев Д. Технологии беспроводного доступа: Справочник. – СПб.: BHV, 2002. – 352с.

24. Симонович С., Г.Евсеев. Практическая информатика. – М.: ACT, 2000. – 479с.

25. Спортак М., Паппас Ф. Компьютерные сети и сетевые технологии. – М.: Diasoft, 2005. – 720с.

26. Таненбаум Э. Компьютерные сети. – 4-е изд. – СПб.: Питер, 2002. – 991с.

27. Флинт Д. Локальные сети ЭВМ. – М.: Финансы и статистика, 1986. –158с.

28. Фролов А.В., Фролов Г.В. Локальные сети персональных компьютеров. Использование протоколов IPX, SPX, NetBIOS. Библиотека системного программиста. – М.: Диалог-мифи, 1993. – 160с.

29. Халеби С. Принципы маршрутизации в Internet. –2 изд. – М.: Диалектика, 2001. – 448с.

30. Чуркин В.И. Проектирование вычислительных сетей: Учебное пособие. – СПб.: СПИАП, 1992. – 86с.

Иртегов Д.В. Введение в сетевые технологии. СПб., 2004. – С.86

Ибе О. Сети и удаленный доступ. Протоколы, проблемы, решения. М., 2003. – С.241

Шиндер Д. Основы компьютерных сетей. М., 2002. – С.89

Бройдо В.С. Вычислительные системы, сети и телекоммуникации. СПб., 2002. – С.358

Блэк Ю. Сети ЭВМ: Протоколы, стандарты, интерфейсы. М., 1998. – С.156

Гук М. Аппаратные средства локальных сетей. Энциклопедия. СПб., 2000. – С.115

Кульгин М. Практика построения компьютерных сетей. Для профессионалов. СПб., 2001. – С.45

Максимов Н.В., Попов И.И. Компьютерные сети. М., 2007. – С.352

Одной из важных технологий любой серьезной системы мониторинга сетей является метод обнаружения связей сетевых элементов на 2-м и 3-м уровне модели OSI.

С точки зрения алгоритмов эта задача является одной из самых интересных встреченных нами во время разработки нашей системы.

Для описания топологии удобно рассматривать OSI-модель сети как многоэтажное здание в основе которого лежит фундамент - это физический уровень, а этажи образуют канальный и сетевой уровни, каждый последующий уровень надстраивает здание и таким образом обеспечивает целостность и функциональность всей конструкции. Задача всего здания обеспечить его жителей, то есть различные приложения, связью друг с другом.

В Network Manager реализован алгоритм поиска связей между разнородными устройствами, поддерживающие различные протоколы конфигурации топологии сети, протокол связующего дерева (STP, Spanning Tree Protocol), протоколы LLDP (Link Layer Discovery Protocol) и CDP (Cisco Discovery Protocol). Архитектура программной системы позволяет реализовать поддержку новых протоколов для обнаружения как связей на 2-м и 3-м уровне модели OSI, так и любых других логических связей между элементами ИТ-инфраструктуры.

На канальном уровне связи между устройствами называются связями второго уровня (или L2-связи). Они могут быть заданы указанием пары портов двух непосредственно связанных коммутаторов, или коммутатора и конечной станции, или коммутатора и маршрутизатора.

Коммутаторы поддерживают динамическую таблицу переадресации (AFT, address forwarding table), хранящую соответствие MAC адреса узла порту коммутатора. Эта информация доступна через динамические таблицы доступные по SNMP в BRIDGE-MIB коммутатора (dot1dBasePortTable , dot1dTpFdbTable ).

Будем говорить, что коммутатор видит на данном порту данное сетевое устройство, если в его динамической таблице переадресации содержится запись, которая указывает перенаправлять дейтаграммы предназначенные этому сетевому устройству через данный порт.

Для коммутатора с поддержкой базы данных BRIDGE-MIB можно, считывая dot1dBasePortTable , определить соответствие между номером интерфейса и номером порта, а доступные интерфейсы определяются базой данных MIB-II (таблица ifTable ). Это позволяет единым образом рассматривать данные о связях 2-го и 3-го уровня.

Для хранения промежуточных результатов в Network Manager используется топологическая база данных, которая предоставляет общий интерфейс для работы с графом сети и его специализациями, предназначенными для работы на канальном и сетевом уровнях.

Автоматическое определение топологии сети разбивается на две фазы: сбор данных и их последующий анализ. Данные с сетевых устройств собираются в топологической базе данных, с помощью SNMP запросов к базам данных сетевых устройств, и определяются типы устройств и их сетевые интерфейсы.

На втором этапе, происходит анализ доступных данных по выбранным протоколам определения топологии сети, для реализации алгоритмов используются доступные в Интернет сети статьи 1, 2 и 5.

Сложность определения топологии разнородной сети состоит в том, что таблицы переадресации коммутаторов динамические, хранят запись соответствия МАС адреса назначения и соответствующего ему порта некоторое ограниченное время, заданное в конфигурации устройства и в общем случае, на момент исследования не все сетевые устройства обменялись дейтаграммами и как результат маршрутизаторы не могут иметь полной информации о всех доступных сетевых устройствах и их связях. Кроме того, во многих корпоративных сетях встречаются неуправляемые коммутаторы, а некоторые коммутаторы могут быть не подключены к системе мониторинга или некорректно поддерживать нужные SNMP MIBы. Однако, если существует сетевое устройство, видимое на всех коммутаторах сети, то по неполным таблицам переадресации можно однозначно восстановить конфигурацию сети (3).

Разнородность сети также влияет на интерпретацию данных полученных от коммутаторов, на которых настроена поддержка протоколов LLDP и CDP, потому что для их корректной работы необходимо, чтобы все ближайшие сетевые устройства поддерживали или LLDP, или CDP протокол. В итоге, информация, полученная из этих протоколов даёт лишь возможность заключить, что два данных сетевых устройства видят друг друга на определённых портах, но не даёт возможности непосредственно определить их как ближайших «соседей».

Алгоритм поиска топологии разнородной сети, реализованный в AggreGate Network Manager, в первую очередь определяет связи между коммутаторами. Общую суть алгоритма можно описать следующим образом:

Рассмотрим два коммутатора «А» и «Б», расположенные в одной подсети. Если коммутатор «А» видит на порту «а» коммутатор «Б», а коммутатор «Б» видит на порту «б» коммутатор «А» и в их таблицах нет другого сетевого устройства, которое одновременно видимо на портах «а» и «б», то коммутаторы «А» и «Б» соединены напрямую на канальном уровне (см. 1, 3 и 5). После нахождения связи мы убираем соответствующие ей интерфейсы из кэша таблиц форвардинга и продолжаем анализ оставшейся в таблицах информации, постепенно находя методом исключения остальные связи.

На следующем этапе определяются возможные связи между коммутаторами и конечными станциями. Для этого используется поиск ближайшего коммутатора: если коммутатор видит на данном порту конечную станцию и на том же самом порту он видит другой коммутатор, то, при отсутствие сетевых концентраторов, данный коммутатор не может быть ближайшим (см. 4). С другой стороны, если коммутатор на исследуемом порту видит только одну конечную станцию, то этот коммутатор и станция ближайшие соседи в нашей сети.

С топологией IP-уровня (L3) дела обстоят значительно проще. Линки 3-го уровня достаточно легко определяются по таблицам маршрутизации (ipRouteTable ), также доступным по SNMP.

Понимая, что универсальность нашего продукта заставит нас в будущем иметь дело с самыми разными видами топологии, мы спроектировали визуальный компонент «граф топологии» таким образом, чтобы он мог работать с произвольными таблицами, содержащими описания узлов и ребер графа топологии. И, как обычно, при наличии инструмента быстро нашлись ему новые применения:

Топология маршрутов EIGRP, OSPF, BPG и т.п.
Визуализация путей в облаке MPLS
SDH/PDH топология
Визуализация связей между гипервизорами и работающими на них виртуальными машинами
Добавленные вручную parent-child связи между узлами
Граф зависимости компонентов ИТ-сервиса от элементов инфраструктуры

Все технологии, описанные в данной статье, протестированы и внедрены в нашем продукте AggreGate Network Manager . Работа алгоритмов определения связей в условиях недостаточности данных (не все коммутаторы и маршрутизаторы подключены по SNMP, некорректная поддержка нужных MIBов и т.д.) далеко не тривиальна, поэтому мы и по сей день продолжаем совершенствовать их.

Лекция 1 Сетевые топологии

Лекция 1

Тема: Сетевая топология. Адресация. Коммутация.

Сетевая топология

Термин топология может употребляться для обозначения двух понятий – физической топологии и логической топологии.

Физическая топология – способ физического соединения компьютеров с помощью среды передачи, например, участками кабеля.

Логическая топология определяет реальные пути движения сигналов при передаче данных по используемой физической топологии. Таким образом, логическая топология описывает пути передачи потоков данных между сетевыми устройствами. Логическая топология определяет направление и способ передачи, а не схему соединения физических проводников и устройств.

Топология физических связей

Как только компьютеров становится больше двух, возникает проблема выбора конфигурации физических связей или топологии. Под топологией сети понимается конфигурация графа, вершинам которого соответствуют конечные узлы сети, а ребрам - электрические и информационные связи между ними.

Топология сети обуславливает ее характеристики. В частности, выбор той или иной топологии влияет:

На состав необходимого сетевого оборудования;

Характеристики сетевого оборудования;

Возможности расширения сети;

Способ управления сетью.

Если Вы поймете, как используются различные топологии, Вы сумеете понять, какими возможностями обладают различные типы сетей. Чтобы совместно использовать ресурсы или выполнять другие сетевые задачи, компьютеры должны быть подключены друг к другу. Для этой цели в большинстве сетей применяется кабель.

Однако просто подключить компьютер к кабелю, соединяющему другие компьютеры, не достаточно. Различные типы кабелей в сочетании с различными сетевыми платами, сетевыми операционными системами и другими компонентами требуют и различного взаимного расположения компьютеров.

Каждая топология сети налагает ряд условий. Например, она может диктовать не только тип кабеля, но и способ его прокладки. Топология может также определять способ взаимодействия компьютеров в сети. Различным видам топологий соответствуют различные методы взаимодействия, и эти методы оказывают большое влияние на сеть.

Базовые топологии

Все сети строятся на основе трех базовых топологий:

Общая шина (bus);

Звезда (star);

Кольцо (ring).

Хотя сами по себе базовые топологии несложны, в реальности часто встречаются довольно сложные комбинации, объединяющие свойства нескольких топологий.

Общая шина

Топологию «общая шина» часто называют «линейной шиной» (linear bus). Данная топология относится к наиболее простым и широко распространенным топологиям. В ней используется один кабель, именуемый магистралью или сегментом, вдоль которого подключены все компьютеры сети (рис. 3.1).

Рис. 1. Топология «общая шина».

Взаимодействие компьютеров

В сети с топологией «общая шина» компьютеры адресуют данные конкретному компьютеру, передавая их по кабелю в виде электрических сигналов. Чтобы понять процесс взаимодействия компьютеров по шине, Вы должны уяснить следующие понятия:

Передача сигнала;

Отражение сигнала; терминатор.

Передача сигнала

Данные в виде электрических сигналов передаются всем компьютерам сети; однако информацию принимает только тот, адрес которого соответствует адресу получателя, " зашифрованному в этих сигналах. Причем в каждый момент времени только один компьютер может вести передачу.

Так как данные в сеть передаются лишь одним компьютером, ее производительность зависит от количества компьютеров, подключенных к шине. Чем их больше, т.е. чем больше компьютеров, ожидающих передачи данных, тем медленнее сеть.

Однако вывести прямую зависимость между пропускной способностью сети и количеством компьютеров в ней нельзя. Ибо, кроме числа компьютеров, на быстродействие сети влияет множество факторов, в том числе:

Характеристики аппаратного обеспечения компьютеров в сети;

Частота, с которой компьютеры передают данные;

Тип работающих сетевых приложений;

Тип сетевого кабеля;

Расстояние между компьютерами в сети.

Шина - пассивная топология. Это значит, что компьютеры только «слушают» передаваемые по сети данные, но не перемещают их от отправителя к получателю. Поэтому, если один из компьютеров выйдет из строя, это не скажется на работе остальных. В активных топологиях компьютеры регенерируют сигналы и передают их по сети.

Отражение сигнала

Данные, или электрические сигналы, распространяются по всей сети -- от одного конца кабеля к другому. Если не предпринимать никаких специальных действий, сигнал, достигая конца кабеля, будет отражаться и не позволит другим компьютерам осуществлять передачу. Поэтому, после того как данные достигнут адресата, электрические сигналы необходимо погасить.

Терминатор

Чтобы предотвратить отражение электрических сигналов, на каждом конце кабеля устанавливают терминаторы (terminators), поглощающие эти сигналы (рис. 3.2). Все концы сетевого кабеля должны быть к чему-нибудь подключены, например к компьютеру или к баррел-коннектору - для увеличения длины кабеля. К любому свободному - неподключенному - концу кабеля должен быть подсоединен терминатор, чтобы предотвратить отражение электрических сигналов.

Рис. 2. Терминатор

Нарушение целостности сети

Разрыв сетевого кабеля происходит при его физическом разрыве или отсоединении одного из его концов. Возможна также ситуация, когда на одном или нескольких концах кабеля отсутствуют терминаторы, что приводит к отражению электрических сигналов в кабеле и прекращению функционирования сети. Сеть «падает».

Сами по себе компьютеры в сети остаются полностью работоспособными, но до тех пор, пока сегмент разорван, они не могут взаимодействовать друг с другом.

Звезда

При топологии «звезда» (рис. 3.3) все компьютеры с помощью сегментов кабеля подключаются к центральному компоненту, именуемому концентратором (hub). Сигналы от передающего компьютера поступают через концентратор ко всем остальным. Эта топология возникла на заре вычислительной техники, когда компьютеры были подключены к центральному, главному, компьютеру.

Рис.3. Топология «звезда».

В сетях с топологией «звезда» подключение кабеля и управление конфигурацией сети централизованны. Но есть и недостаток: так как все компьютеры подключены к центральной точке, для больших сетей значительно увеличивается расход кабеля. К тому же, если центральный компонент выйдет из строя, нарушится работа всей сети.

Так же одним из основных недостатков этой топологии являются коллизии. В определённый момент времени только одна машина в сети может пересылать данные. Если на концентратор одновременно приходят два пакета, то происходит коллизия: обе посылки оказываются не принятыми, а отправителям нужно будет подождать случайный промежуток времени, чтобы возобновить передачу данных. Этот недостаток отсутствует на сетевом устройстве более высокого уровня - коммутаторе, который, в отличие от концентратора, подающего пакет на все порты, подает лишь на определенный порт - получателю. Одновременно может быть передано несколько пакетов. Сколько - зависит от коммутатора.

Но, если выйдет из строя только один компьютер (или кабель, соединяющий его с концентратором), то лишь этот компьютер не сможет передавать или принимать данные по сети. На остальные компьютеры в сети это не повлияет.

Кольцо

В сетях с кольцевой конфигурацией данные передаются по кольцу от одного компьютера к другому. Главное достоинство "кольца" в том, что оно по своей природе обладает свойством резервирования связей. Действительно, любая пара узлов соединена здесь двумя путями - по часовой стрелке и против. "Кольцо" представляет собой очень удобную конфигурацию и для организации обратной связи - данные, сделав полный оборот, возвращаются к узлу-источнику. Поэтому отправитель в данном случае может контролировать процесс доставки данных адресату. Часто это свойство "кольца" используется для тестирования связности сети и поиска узла, работающего некорректно. В то же время в сетях с кольцевой топологией необходимо принимать специальные меры, чтобы в случае выхода из строя или отключения какой-либо станции не прерывался канал связи между остальными станциями "кольца".

Передача маркера

Один из принципов передачи данных в кольцевой сети носит название передачи маркера (рис. 3.4). Суть его такова: маркер последовательно, от одного компьютера к другому, передается до тех пор, пока его не получит тот, который «хочет» передать данные. Передающий компьютер изменяет маркер, помещает электронный адрес в данные и посылает их по кольцу.

Рис. 4. Передача маркера.

Данные проходят через каждый компьютер, пока не окажутся у того, чей адрес совпадает с адресом получателя, указанным в данных. После этого принимающий компьютер посылает передающему сообщение, где подтверждает факт приёма данных. Получим подтверждение, передающий компьютер создаёт новый маркер и возвращает его в сеть.

На первый взгляд кажется, что передача маркера отнимает много времени, однако на самом деле маркер передвигается практически со скоростью света. В кольце диаметром 200 м маркер может циркулировать с частотой 10 000 оборотов в секунду.

Полносвязная топология

Полносвязная топология - топология компьютерной сети, в которой каждая рабочая станция подключена ко всем остальным (рис. 3.5). Этот вариант является громоздким и неэффективным, несмотря на свою логическую простоту. Для каждой пары должна быть выделена независимая линия, каждый компьютер должен иметь столько коммуникационных портов сколько компьютеров в сети. По этим причинам сеть может иметь только сравнительно небольшие конечные размеры. Чаще всего эта топология используется в многомашинных комплексах или глобальных сетях при малом количестве рабочих станций.

Рис. 5. Полносвязная топология.

Адресация узлов сети

Еще одной проблемой, которую нужно учитывать при объединении более 2-х компьютеров, является проблема их адресации, точнее сказать адресации их сетевых интерфейсов. Один компьютер может иметь несколько сетевых интерфейсов.

Адреса могут использоваться для идентификации:

Отдельных интерфейсов;

Групп интерфейсов групповые адреса С помощью групповых адресов данные могут направляться сразу нескольким узлам.;

Всех интерфесовшироковещательные адреса(broadcast) Данные, направленные по такому адресу, должны быть доставлены всем узлам сети.

Адреса могут быть:

Числовыми и символьными;

Аппаратными и сетевыми;

Плоскими и иерархическими.

Множество всех адресов, которые являются допустимыми в рамках некоторой схемы адресации, называется адресным пространством. Адресное пространство может иметь плоскую (линейную) или иерархическую организацию.

Множество адресов никак не структурировано.

Примером плоского числового адреса является МАС-адрес, используемый для однозначной идентификации сетевых интерфейсов в локальных сетях.

Иерархический

При иерархической схеме адресации оно организовано в виде вложенных друг в друга подгрупп, которые, последовательно сужая адресуемую область, в конце концов определяют отдельный сетевой интерфейс.

Типичными представителями иерархических числовых адресов являются сетевые IP- и IPX-адреса. В них поддерживается двухуровневая иерархия, адрес делится на старшую часть - номер сети - и младшую - номер узла. Такое разделение позволяет передавать сообщения между сетями только на основании номера сети, а номер узла используется после доставки сообщения в нужную сеть; точно так же, как название улицы используется почтальоном только после того, как письмо доставлено в нужный город.

Символьный

Символьные адреса или имена предназначены для запоминания людьми и поэтому обычно несут смысловую нагрузку.

Как это выглядит в сетях

В современных сетях для адресации узлов, как правило, применяются все три приведенные выше схемы одновременно. Пользователи адресуют компьютеры символьными именами, которые автоматически заменяются в сообщениях, передаваемых по сети, на числовые номера. С помощью этих числовых номеров сообщения передаются из одной сети в другую, а после доставки сообщения в сеть назначения вместо числового номера используется аппаратный адрес компьютера.

Установление соответствия между адресами

Проблема установления соответствия между адресами различных типов, которой занимаются протоколы разрешения адресов, может решаться как централизованными, так и распределенными средствами.

Распределенный подход хорош тем, что не предполагает выделения специального компьютера, на котором к тому же часто приходится вручную вводить таблицу соответствия адресов. Недостатком распределенного подхода является необходимость широковещательных сообщений - такие сообщения перегружают сеть, так как они требуют обязательной обработки всеми узлами, а не только узлом назначения. Поэтому распределенный подход используется только в небольших локальных сетях. В крупных сетях распространение широковещательных сообщений по всем ее сегментам становится практически нереальным, поэтому для них характерен централизованный подход. Наиболее известной службой централизованного разрешения адресов является система доменных имен (Domain Name System, DNS) сети Internet.

Обобщенная задача коммутации

Если топология сети не полносвязная, то обмен данными между произвольной парой конечных узлов (абонентов) должен идти в общем случае через транзитные узлы.

Последовательность транзитных узлов (сетевых интерфейсов) на пути от отправителя к получателю называется маршрутом.

В самом общем виде задача коммутации - задача соединения конечных узлов через сеть транзитных узлов - может быть представлена в виде нескольких взаимосвязанных частных задач:

1. Определение информационных потоков, для которых требуется прокладывать пути.

2. Определение маршрутов для потоков.

3. Сообщение о найденных маршрутах узлам сети.

4. Продвижение – распознавание потоков и локальная коммутация на каждом транзитном узле.

5. Мультиплексирование и демультиплексирование потоков.

Определение информационных потоков

Понятно, что через один транзитный узел может проходить несколько маршрутов, Транзитный узел должен уметь распознавать поступающие на него потоки данных, чтобы обеспечивать их передачу именно на те свои интерфейсы, которые ведут к нужному узлу.

Информационным потоком (data flow, data stream) называют последовательность данных, объединенных набором общих признаков, который выделяет эти данные из общего сетевого трафика.

Поток от одного компьютера может быть разделен на подпотоки.

Понятие потока используется при решении различных сетевых задач и, в зависимости от конкретного случая, определяется соответствующий набор признаков. В задаче коммутации, суть которой - передача данных из одного конечного узла в другой, при определении потоков в роли обязательных признаков потока, очевидно, должны выступать адрес отправителя и адрес назначения данных. Тогда каждой паре конечных узлов будет соответствовать один поток и один маршрут.

Однако не всегда достаточно определить поток только парой адресов. Если на одной и той же паре конечных узлов выполняется несколько взаимодействующих по сети приложений, которые предъявляют к ней свои особые требования, поток данных между двумя конечными узлами должен быть разделен на несколько подпотоков, так чтобы для каждого из них можно было проложить свой маршрут. В таком случае выбор пути должен осуществляться с учетом характера передаваемых данных. Например для файлового сервера важно, чтобы передаваемые им большие объемы данных направлялись по каналам с высокой пропускной способностью, а для программной системы управления, которая посылает в сеть короткие сообщения, требующие обязательной и немедленной отработки, при выборе маршрута важнее надежность линии связи и минимальный уровень задержек. В таком примере набор признаков потока должен быть расширен за счет информации, идентифицирующей приложение.

Кроме того, даже для данных, предъявляющих к сети одинаковые требования, может прокладываться несколько маршрутов, чтобы за счет распараллеливания добиться одновременного использования различных каналов и тем самым ускорить передачу данных. В данном случае необходимо "пометить" данные, которые будут направляться по каждому из этих маршрутов.

Определить потоки – это значит задать для них набор отличительных признаков, на основании которых коммутаторы смогут направлять потоки по предназначенным для них маршрутам.

Определение маршрутов

Определение пути, то есть последовательности транзитных узлов и их интерфейсов, через которые надо передавать данные, чтобы доставить их адресату - сложная задача, особенно когда конфигурация сети такова, что между парой взаимодействующих сетевых интерфейсов существует множество путей.

Задача определения маршрутов состоит в выборе из всего этого множества одного или нескольких путей.

И хотя в частном случае множества имеющихся и выбранных путей могут совпадать, чаще всего выбор останавливают на одном оптимальном по некоторому критерию маршруте.

В качестве критериев выбора могут выступать, например:

Номинальная пропускная способность;

Загруженность каналов связи;

Задержки, вносимые каналами;

Количество промежуточных транзитных узлов;

Надежность каналов и транзитных узлов.

Заметим, что даже в том случае, когда между конечными узлами существует единственный путь, его определение при сложной топологии сети может представлять собой нетривиальную задачу.

Маршрут может определяться эмпирически ("вручную") администратором сети.

Однако эвристический подход к определению маршрутов для большой сети со сложной топологией не подходит. В этом случае такая задача решается чаще всего автоматически. Для этого конечные узлы и другие устройства сети оснащаются специальными программными средствами, которые организуют взаимный обмен служебными сообщениями, позволяющий каждому узлу составить свое представление о топологии сети. Затем на основе этого исследования и математических алгоритмов определяются наиболее рациональные маршруты.

Определить маршрут - однозначно задать последовательность транзитных узлов и их интерфейсов, через которые надо передавать данные, чтобы доставить их адресату.

Оповещение сети о выбранном маршруте

После того, как маршрут определен (вручную или автоматически), следует "сообщить" о нем всем устройствам сети. Сообщение о маршруте должно нести каждому транзитному устройству примерно такую информацию: "Если придут данные, относящиеся к потоку n, то нужно передать их на интерфейс F".

Сообщение о маршруте обрабатывается транзитным устройством, в результате чего создается новая запись в таблице коммутации, в которой локальному или глобальному признаку (признакам) потока (например, метке, номеру входного интерфейса или адресу назначения) ставится в соответствие номер интерфейса, на который устройство должно передать данные, относящиеся к этому потоку.

Конечно, структура сообщения о маршруте и содержимого таблицы коммутации зависит от конкретной технологии, однако эти особенности не меняют сущности рассматриваемых процессов.

Передача информации о выбранных маршрутах так же, как и определение маршрута, может осуществляться и вручную, и автоматически. Администратор сети может зафиксировать маршрут, выполнив конфигурацию устройства вручную, например, жестко скоммутировав на длительное время определенные пары входных и выходных интерфейсов.

Оповестить сеть о найденных маршрутах - это значит вручную или автоматически настроить каждый коммутатор таким образом, чтобы он "знал", в каком направлении следует передавать каждый поток.

Продвижение - распознавание потоков и коммутация на каждом транзитном узле

Когда сеть оповещена о маршрутах, она может начать выполнять свои функции по соединению или коммутации абонентов. Для каждой пары абонентов эта операция может быть представлена совокупностью нескольких (по числу транзитных узлов) локальных операций коммутации. Отправитель должен выставить данные на тот свой порт, из которого выходит найденный маршрут, а все транзитные узлы должны соответствующим образом выполнить "переброску" данных с одного своего порта на другой, другими словами - выполнить коммутацию.

Устройство, предназначенное для выполнения коммутации, называется коммутатором (switch). Коммутатор производит коммутацию входящих в его порты информационных потоков, направляя их в соответствующие выходные порты.

Однако, прежде чем выполнить коммутацию, коммутатор должен распознать поток. Для этого поступившие данные проверяются на предмет наличия признаков какого-либо из потоков, заданных в таблице коммутации. Если произошло совпадение, то эти данные направляются на тот интерфейс, который был определен для них в маршруте.

Коммутатором может быть как специализированное устройство, так и универсальный компьютер со встроенным программным механизмом коммутации, в этом случае коммутатор называется программным. Компьютер может совмещать функции коммутации данных, направляемых на другие узлы, с выполнением своих обычных функций конечного узла.

Мультиплексирование и демультиплексирование

Прежде чем выполнить переброску данных на определенные для них интерфейсы, коммутатор должен понять, к какому потоку они относятся. Эта задача должна решаться независимо от того, поступает ли на вход коммутатора только один поток в "чистом" виде, или "смешанный" поток, который объединяет в себе несколько потоков. В последнем случае к задаче распознавания добавляется задача демультиплексирования.

Задача демультиплексирования (demultiplexing) - разделение суммарного агрегированного потока, поступающего на один интерфейс, на несколько составляющих потоков.

Как правило, операцию коммутации сопровождает также обратная операция - мультиплексирование.

Задача мультиплексирования (multiplexing) - образование из нескольких отдельных потоков общего агрегированного потока, который можно передавать по одному физическому каналу связи.

Операции мультиплексирования/демультиплексирования имеют такое же важное значение в любой сети, как и операции коммутации, потому что без них пришлось бы все коммутаторы связывать большим количеством параллельных каналов, что свело бы на нет все преимущества неполносвязной сети.

Разделяемая среда передачи данных

В телекоммуникационных сетях используется и другой вид подключения, когда к одному каналу подключается несколько интерфейсов. Такое множественное подключение интерфейсов порождает уже рассматривавшуюся выше топологию "общая шина", иногда называемую также шлейфовым подключением. Во всех этих случаях возникает проблема согласованного использования канала несколькими интерфейсами.

Совместно используемый несколькими интерфейсами физический канал называют разделяемым (shared). Часто используется также термин "разделяемая среда" (shared media) передачи данных. Разделяемые каналы связи используются не только для связей типа коммутатор-коммутатор, но и для связей компьютер-коммутатор и компьютер-компьютер.

Существуют различные способы организации совместного доступа к разделяемым линиям связи. В одних случаях используют централизованный подход, когда доступом управляет специальное устройство - арбитр, в других - децентрализованный. В сетях организация совместного доступа к линиям связи имеет свою специфику из-за существенно большего времени распространения сигналов по линиям связи. Из-за этого процедуры согласования доступа к линии связи могут занимать слишком много времени и приводить к значительному снижению производительности сети.

Топология сети коротко. Основные характеристики современных компьютерных сетей

Выпускная квалификационная работа

1 ФИЗИЧЕСКИЕ ТОПОЛОГИИ СЕТЕЙ

1.1 Базовые топологии сетей

Таблица 1.2

Преимущества и недостатки основных топологий компьютерных сетей

2 ЛОГИЧЕСКИЕ ТОПОЛОГИИ СЕТЕЙ

2.2 Логическое кольцо

3 Классы сетей Ethernet

3.2 Классы 100BaseT, 100BaseTX, 100ВаsеТ4 и 100BaseFX

3.3 Класс1000BaseT (Gigabit Ethernet)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Последние

Это нужно знать