Проблеми зв’язку декількох комп’ютерів. Топологія кільце. Переваги і недоліки.

Як тільки комп’ютерів стає більше два, з’являється проблема вибору конфігурації фізичних зв’язків, або топології. Під топологією мережі розуміється конфігурація графа, вершинам якого відповідають кінцеві вузли мережі (наприклад, комп’ютери) і комунікаційне устаткування (наприклад, маршрутизатори), а ребрам – електричні і інформаційні зв’язки між ними.

 

Число можливих варіантів конфігурацій різко зростає при збільшенні числа зв’язуваних пристроїв. Так якщо три комп’ютери ми можемо зв’язати двома способами (мал. 1, а), то для чотирьох комп’ютерів можна запропонувати вже шість топологічно різних конфігурацій (за умови невиразності комп’ютерів), що і ілюструє мал. 1, 6.

 

Ми можемо сполучати кожен комп’ютер з кожним або ж зв’язувати їх послідовно, припускаючи, що вони спілкуватимуться, передаючи повідомлення один одного «транзитом». При цьому транзитні вузли повинні бути оснащені спеціальними засобами, що дозволяють їм виконувати цю специфічну посередницьку операцію.

Як транзитний вузол може виступати як універсальний комп’ютер, так і спеціалізований пристрій.

Від вибору топології зв’язків істотно залежать багато характеристик мережі. Наприклад, наявність між вузлами декількох шляхів підвищує надійність мережі і робить можливим балансування завантаження окремих каналів. Простота приєднання нових вузлів, властива деяким топологиям, робить мережу легко розширюваною.

Економічні міркування часто приводять до вибору топологий, для яких характерна мінімальна сумарна довжина ліній зв’язку.

Серед безлічі можливих конфігурацій розрізняють повнозв’язні і неполносвязниє.

Полпосвязная топологія (мал. 2, а) відповідає мережі, в якій кожен комп’ютер безпосередньо пов’язаний зі всіма іншими. Не дивлячись на логічну простоту, цей варіант виявляється громіздким і неефективним. Дійсно, у такому разі кожен комп’ютер в мережі повинен мати велику кількість комунікаційних портів, достатню для зв’язку з кожним з решти комп’ютерів мережі.

Для кожної пари комп’ютерів повинна бути виділена окрема фізична лінія зв’язку. (В деяких випадках навіть дві, якщо неможливе використання цієї лінії для двосторонньої передачі.) Повнозв’язні топології в крупних мережах застосовуються рідко, оскільки для зв’язку N вузлів потрібний N(N- l) /2 фізичних дуплексних ліній зв’язків, тобто має місце квадратична залежність.

Частіше цей вид топології використовується в багатомашинних комплексах або в мережах, об’єднуючих невелику кількість комп’ютерів.

Всі інші варіанти засновані на неполносвязних топологиях, коли для обміну даними між двома комп’ютерами може потрібно проміжна передача даних через інші вузли мережі.

У комп'ютерній мережі з топологією «кільце» комп'ютери підключаються до кабелю, замкнутого в коло. Тому у кабелі просто не може бути вільного кінця, на який треба поставити термінатор. Сигнали передаються по кільцю в одному напрямі і проходять через кожен комп'ютер. На відміну від пасивної топології «шина», тут кожен комп'ютер виступає в ролі повторювача, підсилюючи сигнали і передаючи їх наступному комп'ютеру. Тому, якщо вийде з ладу один комп'ютер, припиняє функціонувати вся мережа.

Переваги:

- Простота установки;

- Практично повна відсутність додаткового устаткування;

- Можливість стійкої роботи без істотного падіння швидкості передачі даних при інтенсивному завантаженні мережі, оскільки використання маркера виключає можливість виникнення колізій.

 

Недоліки:

- Вихід з ладу однієї робочої станції, і інші неполадки (обрив кабелю), відбиваються на працездатності всієї мережі;

- Складність конфігурації і налаштування;

- Складність пошуку несправностей.

- Необхідність мати дві мережеві плати, на кожній робочій станції.

 

Протоколи локальних мереж

При організації взаємодії вузлів в локальних мережах основна роль відводиться протоколу канального рівня. Проте для того, щоб канальний рівень міг справитися з цим завданням, структура локальних мереж повинна бути цілком визначеною, так, наприклад, найбільш популярний протокол канального рівня - Ethernet - розрахований на паралельне підключення всіх вузлів мережі до загальної для них шини - відрізка коаксіального кабелю або ієрархічної деревовидної структури сегментів, утворених повторителями. Протокол Token Ring також розрахований на цілком певну конфігурацію - з'єднання комп'ютерів у вигляді логічного кільця.

Подібний підхід, що полягає у використанні простих структур кабельних з'єднань між комп'ютерами локальної мережі, відповідав основній меті, яку ставили перед собою розробники перших локальних мереж в другій половині 70-х років. Ця мета полягала в знаходженні простого і дешевого рішення для об'єднання в обчислювальну мережу декількох десятків комп'ютерів, що знаходяться в межах однієї будівлі. Рішення повинне було бути недорогим, оскільки в мережу об'єднувалися недорогі комп'ютери - що з'явилися і швидко розповсюдилися тоді міні-комп'ютери вартістю в 10 000-20 000 доларів. Кількість їх в одній організації було невеликим, тому межа в декілька десятків (максимум - до сотні) комп'ютерів представлялася цілком достатньою для зростання практично будь-якої локальної мережі.

Для спрощення і, відповідно, здешевлення апаратних і програмних рішень розробники перших локальних мереж зупинилися на сумісному використанні кабелів всіма комп'ютерами мережі в режимі розділення часу, тобто режимі TDM. Найбільш явним чином режим сумісного використання кабелю виявляється в класичних мережах Ethernet, де коаксіальний кабель фізично є неподільним відрізком кабелю, загальним для всіх вузлів мережі. Але і в мережах Token Ring і FDDI, де кожна сусідня пара комп'ютерів сполучена, здавалося б, своїми індивідуальними відрізками кабелю з концентратором, ці відрізки не можуть використовуватися комп'ютерами, які безпосередньо до них підключені, в довільний момент часу. Ці відрізки утворюють логічне кільце, доступ до якого як до єдиного цілого може бути отриманий тільки по цілком певному алгоритму, в якому беруть участь всі комп'ютери мережі. Використання кільця як загального ресурсу, що розділяється, спрощує алгоритми передачі по ньому кадрів, оскільки в кожен конкретний момент часу кільце зайняте тільки одним комп'ютером.

Використання середовищ (shared media), що розділяються, дозволяє спростити логіку роботи мережі. Наприклад, відпадає необхідність контролю переповнювання вузлів мережі кадрами від багатьох станцій, що вирішили одночасно обмінятися інформацією. У глобальних мережах, де відрізки кабелів, що сполучають окремі вузли, не розглядаються як загальний ресурс, така необхідність виникає, і для вирішення цієї проблеми в протоколи обміну інформацією вводяться вельми складні процедури управління потоком кадрів, що запобігають переповнюванню каналів зв'язку і вузлів мережі.

Використання в локальних мережах дуже простих конфігурацій (загальна шина і кільце) разом з позитивними мало і негативні наслідки, з яких найбільш неприємними були обмеження по продуктивності і надійності. Наявність тільки одного шляху передачі інформації, що розділяється всіма вузлами мережі, в принципі обмежувала пропускну спроможність мережі пропускною спроможністю цього шляху (яка ділилася в середньому на число комп'ютерів мережі), а надійність мережі - надійністю цього шляху. Тому у міру підвищення популярності локальних мереж і розширення їх сфер застосування все більше почали застосовуватися спеціальні комунікаційні пристрої - мости і маршрутизатори, - які значною мірою знімали обмеження єдиного середовища передачі даних, що розділялося. Базові конфігурації у формі загальної шини і кільця перетворилися на елементарні структури локальних мереж, які можна тепер сполучати один з одним складнішим чином, утворюючи паралельні основні або резервні шляхи між вузлами.

Проте усередині базових структур як і раніше працюють все ті ж протоколи єдиних середовищ передачі даних, які були розроблені більше 15 років тому, що розділяються. Це пов'язано з тим, що хороші швидкісні і надежностные характеристики кабелів локальних мереж задовольняли протягом всіх цих років користувачів невеликих комп'ютерних мереж, які могли побудувати мережу без великих витрат тільки за допомогою мережевих адаптерів і кабелю. До того ж колосальна інсталяційна база устаткування і програмного забезпечення для технологій Ethernet і Token Ring сприяла тому, що склався наступний підхід: в межах невеликих сегментів використовуються старі протоколи в їх незмінному вигляді, а об'єднання таких сегментів в загальну мережу відбувається за допомогою додаткового і достатньо складного устаткування.

У останні декілька років намітився рух до відмови від середовищ передачі даних, що розділялися, в локальних мережах і переходу до застосування активних комутаторів, до яких кінцеві вузли приєднуються індивідуальними лініями зв'язку. У чистому вигляді такий підхід пропонується в технології АТМ (Asynchronous Transfer Mode), а в технологіях, що носять традиційні назви з приставкою switched (комутований): switched Ethernet, switched Token Ring, switched FDDI, зазвичай використовується змішаний підхід, що поєднує середовища передачі даних, що розділяються і індивідуальні. Найчастіше кінцеві вузли з'єднуються в невеликі сегменти, що розділяються, за допомогою повторителей, а сегменти з'єднуються один з одним за допомогою індивідуальних комутованих зв'язків.

Існує і достатньо помітна тенденція до використання в традиційних технологіях так званої мікросегментації, коли навіть кінцеві вузли відразу з'єднуються з комутатором індивідуальними каналами. Такі мережі виходять що дорожче розділяються або змішаних, але продуктивність їх вище.

При використанні комутаторів у традиційних технологій з'явився новий режим роботи - повнодуплексний (full-duplex). У сегменті станції, що розділяється, завжди працюють в напівдуплексному режимі (half-duplex), оскільки в кожен момент часу мережевий адаптер станції або передає свої дані, або приймає чужі, але ніколи не робить це одночасно. Це справедливо для всіх технологій локальних мереж, оскільки середовища, що розділяються, підтримуються не тільки класичними технологіями локальних мереж Ethernet, Token Ring, FDDI, але і всіма новими - Fast Ethernet, 100VG-AnyLAN, Gigabit Ethernet.

У повнодуплексному режимі мережевий адаптер може одночасно передавати свої дані в мережу і приймати з мережі чужі дані. Такий режим нескладно забезпечується при прямому з'єднання з мостом/комутатором або маршрутизатором, оскільки вхід і вихід кожного порту такого пристрою працюють незалежно один від одного, кожен зі своїм буфером кадрів.

Сьогодні кожна технологія локальних мереж пристосована для роботи як в напівдуплексному, так і повнодуплексному режимах. У цих режимах обмеження, що накладаються на загальну довжину мережі, істотно відрізняються, так що одна і та ж технологія може дозволяти будувати вельми різні мережі залежно від вибраного режиму роботи (який залежить від того, які пристрої використовуються для з'єднання вузлів - повторители або комутатори). Наприклад, технологія Fast Ethernet дозволяє для напівдуплексного режиму будувати мережі діаметром не більше 200 метрів, а для повнодуплексного режиму обмежень на діаметр мережі не існує. Тому при порівнянні різних технологій необхідно обов'язково брати до уваги можливість їх роботи в двох режимах. У даному розділі вивчається в основному напівдуплексний режим роботи протоколів, а повнодуплексний режим розглядається в наступному розділі, спільно з вивченням комутаторів.

Несмотря на появление новых технологий, классические протоколы локальных сетей Ethernet и Token Ring по прогнозам специалистов будут повсеместно использоваться еще по крайней мере лет 5-10, в связи с чем знание их деталей необходимо для успешного применения современной коммуникационной аппаратуры. Кроме того, некоторые современные высокопроизводительные технологии, такие как Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, в значительной степени сохраняют преемственность со своими предшественниками. Это еще раз подтверждает важность изучения классических протоколов локальных сетей, естественно, наряду с изучением новых технологий.

 

Билет 17