Топології локальних обчислювальних мереж

Комп'ютерні мережі розрізняються за багатьма ознаками:

– за швидкістю передачі;

– за типом використовуваного кабелю;

– за фізичним розташуванням кабелю;

– за форматом пакетів (кадрів).

Для класифікації мереж часто використовуються два терміни: архітектура і топологія. Архітектура описує конкретний стандарт мережі − Ethernet, Token Ring, ARCnet. Архітектура мережі визначає швидкість передачі, вартість і тип кабелю для мережі. Топологія відноситься до фізичного розташування кабелю.

У мережі всі робочі станції фізично сполучені між собою каналами зв'язку по певній структурі, яка називається топологією – це опис фізичних з'єднань в мережі, вказуючий які робочі станції можуть зв'язуватися між собою. Тип топології визначає продуктивність, працездатність і надійність експлуатації робочих станцій, а також час звернення до файлового сервера.

Топологія мережі обумовлює її характеристики. Зокрема, вибір тієї або іншої топології впливає на:

– склад необхідного мережного устаткування;

– характеристики мережного устаткування;

– можливості розширення мережі;

– спосіб керування мережею.

Якщо комп'ютери підключені уздовж одного кабелю, топологія називається шиною. У тому випадку, коли комп'ютери підключені до сегментів кабелю, що витікають з однієї крапки, або концентратора, топологія називається зіркою. Якщо кабель, до якого підключені комп'ютери, замкнутий в кільце, така топологія носить назву кільця.

Розрізняють чотири основні (базові) типи мережних топологій: “шина”, “кільце”, “зірка”, “крапка − крапка”.

2.1.1 Топологія «шина»

Шина − найбільш проста і широко використовувана топологія (daisy chain, з англ. − шлейфове підключення) (рис. 2.1).

 

Рисунок 2.1 − Мережна топологія “шина”

 

У цьому випадку всі вузли (комп’ютери) мережі пов’язані лінійно.У мережі з топологією "шина" комп'ютери адресують дані конкретному комп'ютеру, передаючи їх по кабелю у вигляді електричних сигналів. Дані у вигляді електричних сигналів передаються всім комп'ютерам мережі; проте інформацію приймає тільки той, адреса якого відповідає адресі одержувача, зашифрованій в цих сигналах. Причому в кожен момент часу тільки один комп'ютер може вести передачу. Оскільки дані передаються лише одним комп'ютером, продуктивність мережі залежить від кількості комп'ютерів, підключених до шини. Чим їх більше, тобто чим більше комп'ютерів, що чекають передачі даних, тим повільніше мережа. Шина пасивна топологія. Це означає, що комп'ютери тільки "слухають" дані, які передаються по мережі, але не переміщають їх від відправника до одержувача. Тому, якщо один з комп'ютерів вийде з ладу, це не позначиться на роботі інших. У активних топологіях комп'ютери регенерують сигнали і передають їх по мережі.

Дані, або електричні сигнали, розповсюджуються по всій мережі − від одного кінця кабелю до іншого. Якщо не робити ніяких спеціальних дій, сигнал, досягаючи кінця кабелю, відбиватиметься і передаватиме в інший кінець і не дозволить іншим комп'ютерам здійснювати передачу даних. Тому, після того, як дані досягнуть адресата, електричні сигнали необхідно погасити.

Щоб запобігти віддзеркаленню електричних сигналів, на кожному кінці кабелю встановлюють спеціальні пристрої термінатори, що поглинають ці сигнали (рис. 2.2).

Шинна топологія характеризується стійкістю роботи мережі до можливих несправностей окремих вузлів, гнучкістю, економічністю і хорошою пристосованістю до більшості систем. Мережі даного типу мають невелику протяжність.

 

Рисунок 2.2 – Термінатор. (Bus topology)

 

Шинна топологія має декілька переваг:

– вона надійно працює в невеликих мережах, проста у використанні і зрозуміла;

– шина вимагає менше кабелю для з'єднання комп'ютерів і тому дешевше ніж інші схеми кабельних з'єднань;

– шинну топологію легко розширити. Два кабельних сегменти можна зістикувати в один довгий кабель за допомогою циліндричного з'єднувача BNC. Це дозволяє підключити до мережі додаткові комп'ютери.

Недоліки шинної топології:

– інтенсивний мережний трафік значно знижує продуктивність такої мережі;

– кожен циліндричний з'єднувач послабляє електричний сигнал. Тому велике їх число буде перешкоджати коректній передачі інформації із шини;

– мережу із шинною топологією важко діагностувати. Розрив кабелю або неправильне функціонування одного з комп'ютерів може привести до того, що інші вузли не зможуть взаємодіяти один з одним. У результаті вся мережа стає непрацездатною.

Якщо кінці такої шини з'єднати між собою, то утвориться інша − кільцева топологія.

 

2.1.2 Топологія «кільце»

При топології “кільце” комп'ютери підключаються до кабелю, замкнутого в кільце. (рис. 2.3)

Рисунок 2.3 − Мережна топологія “кільце”

Тому у кабелю просто не може бути вільного кінця, до якого треба підключати терминатор. 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 репітера, підсилюючи сигнали і передаючи їх наступному комп'ютеру. Тому, якщо вийде з ладу один комп'ютер, припиняє функціонувати вся мережа.

Кільцева топологія, як і шинна, немає керуючого центрального вузла. Це підвищує її надійність.

Зазвичай кабельні центри наділені власним мікропроцесором, який дозволяє за потребою імітувати шинну або кільцеву топологію. Завдяки цьому розрізняють фізичну та логічну топології мережі.

Кожен тип кабелю має обмеження на максимальну довжину одного неперервного відрізка (для різних типів коаксіального кабелю це 200 або 500м, для витої пари - 100м) та кількість вузлів, що можуть бути об'єднані в локальну мережу. У зв'язку з цим для побудови корпоративних мереж, які є об'єднанням багатьох локальних, використовують спеціальні з'єднувальні елементи та відповідне програмне забезпечення. До з'єднувальних елементів належать мости, маршрутизатори та шлюзи.

Маршрутизатор (router) — пристрій для з'єднання мереж різного типу, що використовують різну архітектуру. Маршрутизатори працюють на Мережному рівні моделі OSI: можуть спрямовувати пакети через декілька мереж. Обмінюючись службовою інформацією, маршрутизатори визначають кращий шлях для передачі даних. Крім того, здійснюють фільтрацію широкомовних повідомлень.

Мережа з кільцевою топологією має наступні переваги:

– оскільки всім комп'ютерам дається рівний доступ до маркера, ніхто з них не зможе монополізувати мережу;

– справедливе спільне використання мережі забезпечує поступове зниження ії продуктивності у випадку збільшення числа користувачів і перевантаження.

Недоліки мережі з кільцевою топологією:

– відмова одного комп'ютера в мережі може вплинути на працездатність усієї мережі;

– кільцеву мережу важко діагностувати;

– додавання або видалення комп'ютера змушує розривати мережу.

 

2.1.3 Топологія «зірка»

Однією з найбільш популярних сьогодні є зіркова топологія. У такій мережі до кожного вузла під’єднаний власний кабель від центрального комп'ютера або ж пункту комутації, який називають концентратором, кабельним центром або хабом (Hub) (рис. 2.4).

Рисунок 2.4 − Мережна топологія “зірка”

Концентратор (hub) — зв’язуючий компонент, до якого підключаються всі комп'ютери в мережі топології «зірка». Активні концентратори повинні бути підключені до джерела електроенергії; вони можуть відновлювати і ретранслювати сигнали. Пасивні концентратори просто виконують комутацію.

Сигнали від комп'ютера − відправника поступають через концентратор до всіх інших. Оскільки всі комп'ютери підключені до центрального вузла, для великих мереж значно збільшується витрата кабелю. Якщо центральний компонент вийде з ладу, порушується робота всієї мережі. А якщо вийде з ладу тільки один комп'ютер, то лише цей комп'ютер не зможе передавати або приймати дані по мережі. На решту комп'ютерів в мережі це не вплине.

Концентратор використовують для централізації трафіку мережі в одній крапці. Концентратори дозволяють досить просто розширювати мережу і застосовувати різні типи кабелів.

“Зірка” значно спрощує взаємодію вузлів мережі, дозволяє використовувати простіші мережні адаптери. Цілісність такої мережі вирішальним чином залежить від працездатності центрального вузла.

Переваги мережі з зіркоподібною топологією:

– така мережа допускає просту модифікацію і додавання комп'ютерів, не порушуючи іншої її частини. Досить прокласти новий кабель від комп'ютера до центрального вузла і підключити його до концентратора;

– центральний концентратор зіркоподібної мережі зручно використовувати для діагностики. Інтелектуальні концентратори (пристрої з мікропроцесорами, встановленими для повторення мережних сигналів) забезпечують також моніторинг і керування мережею;

– відмова одного комп'ютера не обов'язково приводить до зупинення всієї мережі. Концентратор здатен виявляти відмови та ізолювати таку машину чи мережний кабель, що дозволяє іншій мережі продовжувати роботу;

– в одній мережі допускається застосування декількох типів кабелів (якщо їх дозволяє використовувати концентратор);

– з трьох типів мереж зіркоподібна відрізняється найбільшою гнучкістю і простотою в діагностиці у випадку відмови.

Недоліки мережі з зіркоподібною топологією:

– при відмові центрального концентратора стає непрацездатною вся мережа;

– багато мереж з топологією типу “зірка” вимагають застосування на центральному вузлі пристрою для ретрансляції широкомовних повідомлень або комутації мережного трафіку;

– усі комп'ютери повинні з'єднуватися з центральною крапкою, що збільшує витрати кабелю. Тому собівартість таких мереж обходяться дорожча, ніж мереж з іншою топологією.