Топологии вычислительных сетей

Сетевая топология – способ описания конфигурации сети, схема расположения и соединения сетевых устройств.

Существует множество способов соединения сетевых устройств. Выделяют 3 базовых топологии: шина, звезда, кольцо.

ШИНА.

Топология типа общая шина, представляет собой общий кабель (называемый шина или магистраль), к которому подсоединены все рабочие станции. На концах кабеля находятся терминаторы, для предотвращения отражения сигнала. При построении больших сетей возникает проблема ограничения на длину связи между узлами, в таком случае сеть разбивают на сегменты. Сегменты соединяются различными устройствами — повторителями, концентраторами или хабами.

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 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.

Шина самой своей структурой допускает идентичность сетевого оборудования компьютеров, а также равноправие всех абонентов. При таком соединении компьютеры могут передавать информацию только по очереди, потому что линия связи единственная. В противном случае переданная информация будет искажаться в результате наложения (конфликта, коллизии). Таким образом, в шине реализуется режим полудуплексного (halfduplex) обмена (в обоих направлениях, но по очереди, а не одновременно).

Добавление новых абонентов в шину достаточно простое и обычно возможно даже во время работы сети. В большинстве случаев при использовании шины нужно минимальное количество соединительного кабеля по сравнению с другой топологией.

Шине не страшны отказы отдельных компьютеров, потому что все другие компьютеры сети могут нормально продолжать обмен.

Однако так как используется только один кабель, при разрыве или повреждении кабеля нарушается согласование линии связи, и прекращается обмен даже между теми компьютерами, которые остались соединенными между собой. Это происходит потому, что без включения терминаторов сигнал отражается от конца линии и искажается так, что связь по сети становится невозможной.

Применение: Ethernet.

ЗВЕЗДА

Звезда — базовая топология компьютерной сети, в которой все компьютеры сети присоединены к центральному узлу (обычно сетевой концентратор), образуя физический сегмент сети. Подобный сегмент сети может функционировать как отдельно, так и в составе сложной сетевой топологии (как правило, «дерево»). Весь обмен информацией идет исключительно через центральный компьютер, на который таким способом возлагается очень большая нагрузка, поэтому ничем другим, кроме сети, он заниматься не может. Как правило, именно центральный компьютер является самым мощным, и именно на него возлагаются все функции по управлению обменом. Никакие конфликты в сети с топологией звезда в принципе не возможны, потому что управление полностью централизовано.

2 типа топологии «звезда»:

§ Активная звезда. В центре сети содержится компьютер, который выступает в роли сервера.

§ Пассивная звезда. В центре сети с данной топологией содержится концентратор или коммутатор (повторитель). Он возобновляет сигналы, которые поступают, и пересылает их в другие линии связи.

Достоинства

§ 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 (при условии правильного проектирования);

§ гибкие возможности администрирования.

Недостатки

§ выход из строя центрального концентратора обернётся неработоспособностью сети (или сегмента сети) в целом;

§ для прокладки сети зачастую требуется больше кабеля, чем для большинства других топологий;

§ конечное число рабочих станций в сети (или сегменте сети) ограничено количеством портов в центральном концентраторе.

КОЛЬЦО.

При топологии “кольцо” компьютеры подключаются к кабелю, замкнутому в кольцо. Поэтому у кабеля просто не может быть свободного конца, к которому надо подключать терминатор. Сигналы передаются по кольцу в одном направлении и проходят через каждый компьютер. В отличие от пассивной топологии “шина”, здесь каждый компьютер выступает в роли репитера, усиливая сигналы и передавая их следующему компьютеру. Поэтому, если выйдет из строя один компьютер, прекращает функционировать вся сеть.

Один из принципов передачи данных в кольцевой сети 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.

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 приема данных. Получив подтверждение, передающий компьютер создает новый маркер и возвращает его в сеть.

Подключение новых абонентов в «кольцо» обычно совсем безболезненно, хотя и требует обязательной остановки работы всей сети на время подключения. Как и в случае топологии «шина», максимальное количество абонентов в кольце может быть достаточно большое (до тысячи и больше). Кольцевая топология обычно является самой стойкой к перегрузкам, она обеспечивает уверенную работу с самыми большими потоками переданной по сети информации, потому что в ней, как правило, нет конфликтов (в отличие от шины), а также отсутствует центральный абонент (в отличие от звезды).

Достоинства

§ Простота установки;

§ Практически полное отсутствие дополнительного оборудования;

§ Возможность устойчивой работы без существенного падения скорости передачи данных при интенсивной загрузке сети, поскольку использование маркера исключает возможность возникновения коллизий.

Недостатки

§ Выход из строя одной рабочей станции, и другие неполадки (обрыв кабеля), отражаются на работоспособности всей сети;

§ Сложность конфигурирования и настройки;

§ Сложность поиска неисправностей.

Применение: волоконно-оптические сети, TokenRing (IBM).

 

Архитектура сетей Ethernet.

Ethernet – пакетная технология передачи данных преимущественно локальных компьютерных сетей. Является самым распространенным на сегодняшний день стандартом локальных сетей.

Ethernet в основном описывается стандартами IEEE группы 802.3.

В зависимости от типа физической среды передачи данных стандарт IEEE 802.3 имеет различные модификации:

§ 10Base5 (толстый коаксиальный кабель);

§ 10Base2 (тонкий коаксиальный кабель);

§ 10Base-Т (витая пара);

§ 10Base-F (оптоволоконный кабель).

В основе Ethernet лежат следующие технологии:

§ В качестве физической топологии передачи данных могут быть использованы топологии шины, звезды и дерева;

§ В качестве логической топологии используется топология «шина»;

§ Метод доступа к среде - CSMA/CD;

§ Для передачи двоичной информации по кабелю для всех вариантов физического уровня технологии Ethernet используется манчестерский код;

§ Скорости передачи данных – 10, 100 и 1000 Мбит/с.

Стандарт 10BaseT

Физическая топология представляет собой "звезду" на основе витой пары, соединяющей все узлы сети с концентратором, используя две пары проводов: одну для передачи, другую - для приема (рис. ниже). Логически (т.е. по системе передачи сигналов) данная архитектура представляет собой "шину" как и все архитектуры Ethernet. Концентратор выступает как многопортовыйрепитер. Длина сегмента от 2,5 до 100 м. ЛВС стандарта 10BaseT может обслуживать до 1024 компьютеров.

Стандарт 10Base2

Сеть такого типа ориентирована на тонкий коаксиальный кабель с максимальной длиной сегмента 185 м и возможностью подключения к одному сегменту до 30 ЭВМ (рис. ниже).

Стандарт 10Base5

Сетевая архитектура на толстом Ethernet логически и физически представляет собой "шину" (рис. ниже). Магистральный сегмент (т. е. главный кабель, к которому подключаются трансиверы для связи с РС) имеет длину до 500 м и возможность подключения до 100 компьютеров. С использованием репитеров, которые также подключаются к магистральному сегменту через трансиверы, общая длина сети может составить 2500 м.

 

При описанном подходе (CSMA/CD) возможна ситуация, когда две станции одновременно пытаются передать кадр данных по общему кабелю (происходит коллизия). Для уменьшения вероятности этой ситуации непосредственно перед отправкой кадра передающая станция слушает кабель (то есть принимает и анализирует возникающие на нем электрические сигналы), чтобы обнаружить, не передается ли уже по кабелю кадр данных от другой станции. Если опознается несущая (carrier-sense, CS), то станция откладывает передачу своего кадра до окончания чужой передачи, и только потом пытается вновь его передать.Чтобы корректно обработать коллизию, все станции одновременно наблюдают за возникающими на кабеле сигналами. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется обнаружение коллизии (collisiondetection, CD).

 

Сети 802.11

Как и все стандарты IEEE 802, 802.11 работает на нижних двух уровнях модели ISO/OSI, физическом уровне и канальном уровне. Любое сетевое приложение, сетевая операционная система, или протокол (например, TCP/IP), будут так же хорошо работать в сети 802.11, как и в сети Ethernet.

Основная архитектура, особенности и службы 802.11a/b/g определяются в первоначальном стандарте 802.11. Спецификация 802.11a/b/g затрагивает только физический уровень, добавляя лишь более высокие скорости доступа.

Режимы работы 802.11

802.11 определяет два типа оборудования – клиент, который обычно представляет собой компьютер, укомплектованный беспроводной сетевой интерфейсной картой (NetworkInterfaceCard, NIC), и точку доступа (Accesspoint, AP), которая выполняет роль моста между беспроводной и проводной сетями. Точка доступа обычно содержит в себе приёмопередатчик, интерфейс проводной сети (802.3), а также программное обеспечение, занимающееся обработкой данных.

Стандарт IEEE 802.11 определяет два режима работы сети – режим "Ad-hoc" и клиент/сервер. В режиме клиент/сервер беспроводная сеть состоит из как минимум одной точки доступа, подключенной к проводной сети, и некоторого набора беспроводных оконечных станций. Так как большинству беспроводных станций требуется получать доступ к файловым серверам, принтерам, Интернет, доступным в проводной локальной сети, они будут работать в режиме клиент/сервер.

Режим "Ad-hoc" (также называемый точка-точка) – это простая сеть, в которой связь между многочисленными станциями устанавливается напрямую, без использования специальной точки доступа. Такой режим полезен в том случае, если инфраструктура беспроводной сети не сформирована (например, отель, выставочный зал, аэропорт), либо по каким-то причинам не может быть сформирована.

 

На физическом уровне определены два широкополосных радиочастотных метода передачи и один – в инфракрасном диапазоне.

Канальный уровень 802.11 состоит из двух подуровней: управления логической связью (LogicalLinkControl, LLC) и управления доступом к носителю (MediaAccessControl, MAC). 802.11 использует тот же LLC и 48-битовую адресацию, что и другие сети 802, что позволяет легко объединять беспроводные и проводные сети, однако MAC уровень имеет кардинальные отличия.

Стандарт 802.11 предусматривает использование полудуплексных приёмопередатчиков, поэтому в беспроводных сетях 802.11 станция не может обнаружить коллизию во время передачи. Чтобы учесть это отличие, 802.11 использует модифицированный протокол, известный как CarrierSenseMultipleAccesswithCollisionAvoidance (CSMA/CA). CSMA/CA пытается избежать коллизий путём использования явного подтверждения пакета (ACK), что означает, что принимающая станция посылает ACK пакет для подтверждения того, что пакет получен неповреждённым.

CSMA/CA работает следующим образом. Станция, желающая передавать, тестирует канал, и если не обнаружено активности, станция ожидает в течение некоторого случайного промежутка времени, а затем передаёт, если среда передачи данных всё ещё свободна. Если пакет приходит целым, принимающая станция посылает пакет ACK, по приёме которого отправителем завершается процесс передачи. Если передающая станция не получила пакет ACK, в силу того, что не был получен пакет данных, или пришёл повреждённый ACK, делается предположение, что произошла коллизия, и пакет данных передаётся снова через случайный промежуток времени.

MAC уровень 802.11 предоставляет возможность расчёта CRC и фрагментации пакетов. Каждый пакет имеет свою контрольную сумму CRC, которая рассчитывается и прикрепляется к пакету. Здесь наблюдается отличие от сетей Ethernet, в которых обработкой ошибок занимаются протоколы более высокого уровня (например, TCP). Фрагментация пакетов позволяет разбивать большие пакеты на более маленькие при передаче по радиоканалу, что полезно в очень "заселённых" средах или в тех случаях, когда существуют значительные помехи, так как у меньших пакетов меньше шансы быть повреждёнными. Этот метод в большинстве случаев уменьшает необходимость повторной передачи и, таким образом, увеличивает производительность всей беспроводной сети. MAC уровень ответственен за сборку полученных фрагментов, делая этот процесс "прозрачным" для протоколов более высокого уровня.

Также MAC-подуровень обеспечивает механизмы шифрования данных, управление питанием, а также управляет процессом подключения абонента к сети.