Топология вычислительной сети

Способ соединения друг с другом сетевых устройств и кабельной инфраструктуры назы- вается топологией сети. Распространенными базовыми сетевыми топологиями являются: шина, звезда и кольцо.

  Топология «шина» (Bus)                                                                                                         

Среда передачи данных представляется в форме коммуникационного пути, доступного для всех рабочих станций, подключенных к нему. Каждая из них может вступать в кон- такт с любой рабочей станцией сети (рис. 5).

 

 

Рис. 5. Топология «шина»

 

Если компьютеры расположены близко друг к другу, то организация сети с шинной топо- логией недорога и проста. Для ее создания надо проложить кабель от одного компьютера к другому, а затем установить на обоих концах оконечные нагрузки (терминаторы).

Достоинства топологии «шина»:

- Простая и дешевая технология;

- Сеть легко можно развивать, добавляя новые разветвления;

- Функционирование сети не зависит от состояния отдельной рабочей станции, по- этому рабочие станции в любое время, без прерывания работы всей сети, могут быть отключены или подключены к ней.

Недостатки:

- При разрыве центрального кабеля вся сеть теряет свою работоспособность;

- Ограничение на число компьютеров, подключаемых к сети, так как при продви- жении по кабелю сигнал ослабляется (для предотвращения этого используется специальное сетевое оборудование, усиливающее сигнал на определенных участ- ках шины)

- в каждый момент времени передачу может вести только один из компьютеров. Если передачу одновременно начинают два или больше компьютеров, то возни- кают коллизии, ведущие к тому, что данные приходится передавать вновь. Произ- водительность такой сети при большом объеме передаваемой информации и чис- ле компьютеров снижается.

  Топология «звезда» (Star)                                                                                                        

Между компьютерами нет прямых соединений. Вместо этого они все объединены друг с другом через концентратор (или хаб), каждый – с помощью своего кабеля (рис. 6).

Концентратор ( англ. Hub) - разветвлительное устройство, служащее центральным зве- ном в локальных сетях, имеющих топологию "звезда". Концентратор имеет несколько портов для подключения отдельных компьютеров и для соединения с другими хабами.

Пакеты данных передаются от каждого узла концентратору, который в свою очередь пе- ресылает пакеты адресату. Концентратор обычно обеспечивает соединение от 5 до 48 вхо- дов, что определяет число компьютеров, которые можно к нему подключить. В зависимо- сти от числа соединяемых компьютеров может потребоваться несколько концентраторов.

 

 

Рис. 6. Топология «звезда»

 

Достоинства:

- наиболее быстродействующая из всех топологий, поскольку передача данных меж- ду рабочими станциями происходит через центральный узел по отдельным линиям, используемым только этими рабочими станциями;

- нарушение соединения между любым компьютером и концентратором не влияет на остальные узлы сети, так как каждый из них имеет собственное соединение с кон- центратором;

- функционирование сети не зависит от состояния отдельной рабочей станции, по- этому РС в любое время, без прерывания работы всей сети, могут быть отключены или подключены к ней.

Недостатки:

- высокие затраты на прокладку кабелей (расходуется больше кабеля, чем при шин- ной топологии), особенно когда концентратор географически расположен не в цен- тре. Концентратор также представляет собой дополнительную статью расходов;

- в случае выхода из строя концентратора нарушается работа всей сети.

 

Рабочие станции связаны последовательно одна с другой, образуя замкнутый контур (кольцо). Информация по кольцу передается от узла к узлу в одном направлении. Каждый узел принимает сигнал данных, анализирует информацию и, если сообщение адресовано другому узлу, передает его по кольцу следующему узлу.

 

Рис. 7. Топология «кольцо»

 

Достоинства:

- легко локализуются неисправности в кабельных соединениях;

- можно присоединить к сети большое количество узлов, чем при использовании других топологий, так как при просмотре данных каждым узлом происходит уси- ление сигнала, а затем отправка следующему компьютеру. В этом случае потери сигнала меньше, чем при других топологиях;

- не существует ограничений на протяженность сети, поэтому кольцо используется для создания сетей, охватывающих большое географическое пространство;

- Из-за отсутствия коллизий сети обладает устойчивостью к перегрузкам.

Недостатки:

- Прокладка кабелей может быть довольно сложной и дорогостоящей, особенно если географическое расположение рабочих станций далеко от формы кольца (напри- мер, в линию);

- Последовательная дисциплина обслуживания узлов сети снижает ее быстродей- ствие;

- выход из строя одного из узлов или разрыв кабеля нарушает целостность кольца и требует специальных мер для сохранения тракта передачи данных (для предотвра- щения этого иногда используется резервный кабель);

- Подключение новой РС требует выключения сети, так как во время установки кольцо должно быть разомкнуто.

 

Для сравнения достоинства и недостатки рассмотренных технологий объединены в табли- це 1.

Таблица 1. Характеристики сетевых технологий

Особенности	Шина	Звезда	Кольцо
Типичные затраты	Низкие	Средние	Высокие
Доступность компонентов	Хорошая	Отличная	Хорошая
Надежность	Хорошая	Отличная	Отличная
Возможность охвата большой области	слабая	Хорошая	Отличная
Простота поиска неисправностей	затруднен	Отличны	Хороший
Легкость перемещения узла	Затруднено	Хорошо	Хорошо
Пропускная способность узла	Низкая	средняя	высокая

 

Реальные сети постоянно расширяются и модернизируются, поэтому обычно топология сети представляет собой комбинацию нескольких базовых топологий.

 

 

Методы доступа к среде

Передающая среда является общим ресурсом для всех узлов сети. Чтобы получить воз- можность доступа к этому ресурсу, необходимы специальные механизмы – методы досту- па, определяющие как компьютеры должны отправлять и принимать данные по сети.

 

Каждый метод доступа определяется набором правил (алгоритмом), используемым сетевым оборудованием, чтобы направлять поток сообщений (данных) через сеть. Метод доступа является одним из основных признаков, по которым различают сетевое оборудо- вание.

Приведем примеры методов доступа.

Рабочая станция осуществляет передачу только после получения разрешения, которое направляется каждой рабочей станции (вторичный узел) по очереди центральным управ- ляющим органом сети. Если подготовленных данных нет, выдается короткий пакет дан- ных типа «данных нет», хотя в современных системах, как правило, реакцией в таких слу- чаях является «молчание». Последовательное обращение к каждому вторичному узлу в порядке очередности, определяемой списком опроса. Цикл завершается после опроса всех вторичных узлов из списка. Для сокращения потерь времени, связанных с опросом неак- тивных вторичных узлов (т.е. узлов, по той или иной причине не готовых к передаче дан- ных), применяются специальные варианты процедуры опроса: наиболее активные вторич- ные узлы опрашиваются несколько раз в течение цикла; наименее активные узлы – один раз в течение нескольких циклов; частота, с которой опрашиваются отдельные узлы, ме- няется динамически в соответствии с изменением активности узлов.

При использовании этого метода инициатива в подаче запроса на обслуживание принад- лежит рабочей станции (вторичный узел), причем запрос подается центральному узлу (первичный узел), если действительно имеется необходимость в передаче данных или в получении данных от другого узла. Эффективность этого метода по сравнению с методом опроса будет тем выше, чем в большей степени вторичные узлы отличаются друг от друга по своей активности, т.е. по частоте подачи запросов на обслуживание. При одних и тех же исходных данных и при условии, когда все абоненты сети являются активными, в се- тях без опроса максимальное время реакции на запрос почти в 2 раза меньше, чем в сетях с опросами, а максимально допустимое число активных абонентов при ограничении вре- мени реакции на запрос – почти в 2 раза больше.

Этот метод широко используется в сетях с магистральной (шинной), звездообразной и кольцевой топологией. Право на передачу данных станции получают в определенном по- рядке, задаваемом с помощью маркера, который представляет собой сообщение опреде- ленного формата, в которое абоненты сети могут помещать свои информационные паке- ты. Магистральные сети, использующие этот метод, называются сетями типа "маркерная шина", а кольцевые сети – сетями типа "маркерное кольцо".

Этот метод применяется, в основном, в локальных сетях. Все станции сети, будучи равно- правными, перед началом передачи работают в режиме прослушивания канала. Если ка- нал свободен, станция начинает передачу; если занят, – станция ожидает завершения пе- редачи. Через некоторое случайное время она снова обращается к каналу.

 

В результате соперничества за канал могут возникнуть коллизии: станция В может пере- дать свой кадр, не зная, что станция А уже захватила канал, поскольку от станции А к станции В сигнал распространяется за конечное время. В результате станция В, начав пе- редачу, вошла в конфликт со станцией А (коллизия со станцией А).

Для разрешения коллизий используется так называемое «окно коллизий», представ- ляющее собой интервал времени, необходимый для распространения сигнала по каналу и обнаружения его любой станцией сети.

Системы с доступом в режиме соперничества реализуются достаточно просто и при малой загрузке обеспечивают быстрый доступ к передающей среде, а также позволяют легко подключать и отключать станции. Они обладают высокой живучестью, поскольку большинство ошибочных и неблагоприятных условий приводит либо к молчанию, либо к конфликту, а обе эти ситуации поддаются обработке. Кроме того, нет необходимости в центральном управляющем органе сети.

Их основной недостаток: при больших нагрузках время ожидания доступа к переда- ющей среде становится большим и меняется непредсказуемо, следовательно, не гаранти- руется обеспечение предельно допустимого времени доставки кадров. Такие системы применяются в незагруженных локальных сетях с небольшим числом абонентских стан- ций (с увеличением числа станций увеличивается вероятность возникновения конфликт- ных ситуаций).

  Методы резервирования времени                                                                                       

Методы, основанные на резервировании времени, принадлежат к числу наиболее ранних и простых. Любая рабочая станция осуществляет передачу только в течение временных ин- тервалов (слотов), заранее для нее зарезервированных. Все слоты распределяются между станциями либо поровну (в неприоритетных системах), либо с учетом приоритетов, когда некоторые рабочие станции за фиксированные интервал времени получают большее число слотов. Станция, владеющая слотом, получает канал в свое полное распоряжение. Такие методы целесообразно применять в сетях с малым числом абонентских систем, так как канал используется неэффективно.

Сеть Internet

Рождение и развитие сети Internet (Интернет) стало началом новой компьютерной эпохи. Интернет перевернул все представления о средствах массовой информации. Он ликвиди- ровал границы между государствами и сделал людей намного ближе друг к другу. Назва- ние InterNet произошло от объединения двух слов Inter connected Net woks (связанные се- ти).