Топология локальной промышленной сети

Международный институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEЕЕ) разработал стандарты для протоколов передачи данных в локальных сетях. Эти стандарты, описывающие методы доступа к сетевым каналам данных, получили название IEEE 802.

По мере эволюции вычислительных систем сформировались следующие разновидности архитектуры компьютерных сетей:

– одноранговая архитектура;

– классическая архитектура «клиент-сервер»;

– архитектура «клиент-сервер» на основе web-технологии.

При одноранговой архитектуре все ресурсы вычислительной системы, включая информацию, сконцентрированы в центральном компьютере, называемом еще мэйнфреймом (main frame – центральный блок компьютера). В качестве основных средств доступа к информационным ресурсам использовались однотипные алфавитно-цифровые терминалы, соединенные с центральным компьютерным кабелем. При этом не требовалось никаких специализированных действий со стороны пользователя по настройке и конфигурированию программного обеспечения.

Очевидные недостатки, присущие одноранговой архитектуре, и развитие инструментальных средств привели к появлению вычислительных систем с архитектурой «клиент-сервер». Особенность данного класса систем состоит в децентрализации архитектуры автономных вычислительных систем и их объединении в глобальные компьютерные сети. Создание данного класса систем связано с появлением персональных компьютеров, которые взяли на себя часть функций центральных компьютеров. В результате появилась возможность создания глобальных и локальных вычислительных сетей, объединяющих персональные компьютеры (клиенты или рабочие станции), использующих ресурсы, и компьютеры (серверы), представляющих те или иные ресурсы для общего использования.

Любое программное приложение можно представить в виде структуры из трех компонентов:

– компонент представления, реализующий интерфейс с пользователем;

– прикладной компонент, который обеспечивает выполнение прикладных функций;

– компонент доступа к информационным ресурсам или менеджер ресурсов, выполняющий накопление информации и руководство данными.

На основе распределения перечисленных компонентов между рабочей станцией и сервером сети выделяют следующие модели архитектуры «клиент-сервер»:

– модель доступа к данным, которые были уничтожены;

– модель сервера управления данными;

– модель комплексного сервера;

– трехзвенную архитектуру «клиент-сервер».

Модель доступа к уничтоженным данным, при которой на сервере расположены только данные, имеет следующие особенности:

– невысокую производительность, так как вся информация обрабатывается на рабочих станциях;

– снижение общей скорости обмена при передаче с сервера на рабочие станции больших объемов информации для обработки.

При использовании модели сервера управления данными кроме самой информации на сервере размещается менеджер информационных ресурсов (например, система управления базами данных). Компонент представления и прикладной компонент совмещены и выполняются на компьютере-клиенте, который поддерживает как функции ввода и отображения данных, так и чисто прикладные функции. Доступ к информационным ресурсам обеспечивается либо операторами специального языка (например, SQL в случае использования базы данных), либо вызовами функций специализированных программных библиотек. Запросы к информационным ресурсам направляются по сети менеджеру ресурсов (например, серверу базы данных), который обрабатывает запросы и возвращает клиенту блоки данных. Наиболее существенные особенности данной модели:

– уменьшение объемов информации, передаваемой по сети, так как выборка необходимых информационных элементов осуществляется на сервере, а не на рабочих станциях;

– унификация и широкий выбор средств создания приложений;

– отсутствие четкого разграничения между компонентом представления и прикладным компонентом, что делает затруднительным совершенствование вычислительной системы.

Модель сервера управления данными целесообразно использовать в случае обработки умеренных (не увеличиваются со временем) объемов информации. При этом сложность прикладного компонента должна быть невысокой.

Модель комплексного сервера строится из соображения, что процесс, выполняемый на компьютере-клиенте, ограничивается функциями представления, а собственно прикладные функции и функции доступа к данным выполняются сервером.

Преимущества модели комплексного сервера:

– высокая производительность;

– централизованное администрирование;

– экономия ресурсов сети.

Модель комплексного сервера является оптимальной для крупных сетей, ориентированных на обработку больших и увеличивающихся с течением времени объемов информации.

Архитектуру «клиент-сервер», при которой прикладной компонент расположен на рабочей станции вместе с компонентом представления (модели доступа к уничтоженным данным и сервера управления данными) или на сервере вместе с менеджером ресурсов и данными (модель комплексного сервера), называют двухзвенной архитектурой.

При существенном усложнении и увеличении ресурсоемкости прикладного компонента для него может быть выделен отдельный сервер, названный сервером приложений. В этом случае говорят о трехзвенной архитектуре «клиент-сервер». Первое звено – компьютер-клиент, второе – сервер приложений, третье – сервер управления данными. В рамках сервера приложений может быть реализовано несколько прикладных функций, каждая из которых оформляется как отдельная служба, предоставляющая некоторые услуги всем программам. Серверов приложения может быть несколько, каждый из них ориентирован на предоставление некоторого набора услуг.

Топология сети описывает способ объединения различных сетевых устройств. Выбор топологии влияет на характеристики сети: способ доступа к сети, возможность ее расширения, надежность. Основными топологиями являются: шина (bus), кольцо (ring), звезда (star).

При построении сетей используются два варианта подключения сетевых устройств: радиальное и магистральный:

– радиальное соединение между двумя сетевыми устройствами (компьютером, PLC и т. п.) называется соединением точка к точке (point to point interface);

– магистральное соединение сетевых устройств, при котором сетевые устройства независимо выходят на общую линию передачи, называется многоточечным соединением (multipoint).

Топология «Шина» (магистраль). Наиболее простые и распространенные сети. Для объединения группы устройств в сеть здесь используется единственный (магистральный) кабель, который имеет несколько промежуточных ответвлений, используемых для соединения магистрального провода с сетевыми устройствами (рисунок 1.6). Тип соединения – многоточечное. Каждая сетевое устройство может передавать данные только в том случае, если другие «молчат».

Сеть с такой топологией отличается легкостью расширения, однако, чем больше абонентских узлов в сети, тем ниже ее продуктивность. Выход из строя магистрального кабеля ведет за собой остановку всей сети, однако выход из строя одного узла не нарушает работоспособности сети.

 

Рисунок 1.6 – Топология «Шина»

 

Топология «Кольцо». Информация передается от узла к узлу последовательно по физическому кольцу. Каждый узел передает информацию только одному из узлов (рисунок 1.7). Тип соединения – точка к точке. Приемный узел выступает в роли повторителя, регенерирующего полученную информацию.

 

Рисунок 1.7 – Топология «Кольцо»

К передатчикам и приемникам здесь предъявляются более низкие требования, чем в широковещательных конфигурациях, где передаваемые данные получают все узлы сети. На разных участках сети могут использоваться различные виды физической передаваемой среды. Выход из строя линии связи приводит к отказу сети.

Топология «Звезда». Все сетевые узлы подключены собственным физическим каналом связи к центральному концентратору или промышленному контроллеру (рисунок 1.8). Тип соединения – точка к точке. Информация от периферийного передающего узла поступает к другим периферийным узлам через центральный узел. Центральный узел должен отличаться повышенной надежностью, поскольку выход его из строя останавливает всю сеть.

Рисунок 1.8 – Топология «Звезда»

Выход из строя периферийного узла или одного физического канала связи отключает только один сетевой узел и не влияет на работоспособность остальной сети.