16. Топологии сетей. Методы доступа к среде передачи данных.

Под топологией вычислительной сети понимается конфигурация графа, вершинам которого соответствуют компьютерные сети (иногда и другое оборудование, например, концентраторы), а ребрам – физические связи между ними. Компьютеры, подключенные к сети, часть называют станциями или узлами сети.

Конфигурация физических связей определяется электрическими соединениями компьютеров между собой и может отличаться от конфигурации логических связей между узлами сети. Логические связи представляют собой маршруты передачи данных между узлами сети и образуются путем соответствующей настройки коммуникационного оборудования.

Полносвязная топология (а) – каждый компьютер сети связан со всеми остальными. Громоздкий и неэффективный. Используется в глобальных сетях при небольшом количестве компьютеров.

Ячеистая топология (б) – из полносвязной путем удаления некоторых связей. Связываются только те компьютеры, между которыми происходит интенсивный обмен данными.

Общая шина (в) – компьютеры подключаются к одному коаксиальному кабелю. Преимущества: низкая стоимость проводки, унификация подключения различных модулей, обеспечение возможности почти мгновенного широковещательного обращения ко всем станциям сети. Недостатки: низкая надежность (любой дефект кабеля или разъема полностью парализует всю сеть), низкая производительность.

Топология звезда (г) – каждый компьютер подключается отдельным кабелем к общему устройству (например, концентратору, хабу и т.д.). Преимущества: большая надежность, только неисправность концентратора может вывести из строя всю сеть, концентратор может играть роль интеллектуального фильтра информации. Недостатки: более высокая стоимость, количество узлов в сети ограничивается количеством портов в концентраторе. Иногда имеет смысл строить сеть с использованием нескольких концентраторов, иерархически соединенных между собой связями типа звезда (д)

Кольцевая топология (е) – как правило данные передаются в одном направлении.

Смешанные топологии объединяют в себе несколько предыдущих топологий.

Метод доступа определяет технологию совместного использования среды передачи данных множеством узлов сети.

Методы доступа к среде делятся на: Вероятностные; Детерминированные.

При вероятностном методе доступа узел, желающий послать кадр в сеть, прослушивает линию. Если линия занята или обнаружена коллизия (столкновение сигналов от двух передатчиков), попытка передачи откладывается на некоторое время. Общий недостаток вероятностных методов доступа - неопределенное время прохождения кадра, резко возрастающее при увеличении нагрузки на сеть, что ограничивает его применение в системах реального времени.

При детерминированном методе узлы получают доступ к среде в предопределенном порядке. Последовательность определяется контроллером сети. Основное преимущество метода - ограниченное время прохождения кадра, мало зависящее от нагрузки.

Сети с большой нагрузкой требуют более эффективных методов доступа. Один из способов повышения эффективности - перенос управления доступом от узлов в кабельные центры. При этом узел посылает кадр в коммуникационное устройство. Задача этого устройства - обеспечить прохождение кадра к адресату с оптимизацией общей производительности сети и обеспечением уровня качества обслуживания, требуемого конкретным приложением.

В сетях с общей шиной, которые работают в режиме коллективного доступа, используется метод доступа к среде передачи данных, называемый методом коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружением коллизий CSMA/CD (carrier-sense-multiply- access with collision detection). Данные, передаваемые по сети, помещаются в кадры и снабжаются адресом станции назначения. Все станции, подключенные к шине, получают кадр, и станция, которая узнает свой адрес в заголовках кадра, записывает его содержимое в свой буфер, обрабатывает данные и посылает по шине ответ по адресу станции-источника из исходного кадра. Если две станции одновременно начнут передачу, то может возникнуть ситуация коллизии. Для предотвращения данной ситуации перед отправкой кадра передающая станция слушает кабель (принимает и анализирует электрические сигналы), чтобы обнаружить, не передается ли по кабелю кадр данных от другой станции. Если опознается несущая частота, то станция откладывает передачу своего кадра до окончания чужой передачи. Но при этом две станции все равно могут начать передавать одновременно свои кадры. Происходит коллизия: содержимое кадров сталкивается на шине, возникают переходные процессы, что приводит к искажению информации.

Чтобы распознать и обработать коллизию, станции сравнивают возникающие на кабеле сигналы. Если передаваемые и наблюдаемые сигналы отличаются, то фиксируется коллизия. Ситуация коллизии усиливается, так как станции источники, после своих кадров, посылают последовательность бит, называемую jam-последовательностью. После обнаружения коллизии передающая станция прекращает передачу и ожидает в течение случайного интервала времени окончания переходных процессов, а затем снова пытается передать кадр. Недостаток метода заключается в том, что вероятность успешной работы в общей среде зависит от загруженности сети.

Распознавание коллизий станциями сети является необходимым условием правильной работы сети. Если станция не распознает коллизию, то кадр данных будет утерян. Искаженная информация будет повторно передана транспортным или прикладным протоколом верхнего уровня, но это приведет к снижению пропускной способности сети.

Для решения проблемы коллизий разработан приоритетный метод доступа с рассылкой предупреждений аналогичный первому. Метод применяется в беспроводной технологии Radio Ethernet. Перед отправкой пакета в сети высылает предупреждение о том, что сейчас будет происходить передача, и тем самым исключаются коллизии. Для распознавания коллизий минимальная длина поля данных кадра должна быть не менее 46 байт. Длина кабельной системы выбирается таким образом, чтобы за время передачи кадра минимальной длины сигнал коллизии успел распространиться до самого дальнего узла сети. Это определяет существующие ограничения на максимальный диаметр локального сегмента сети. На рассмотренном алгоритме доступа CSMA/CD базируется большая часть современных локальных сетей.

Следующим по популярности является маркерный доступ (в сетях Token Ring и FDDI), который обеспечивает приоритетный метод обслуживания станций сети. Его массовому внедрению препятствует сложность и дороговизна. Кольцо рассматривается как общий разделяемый ресурс, и для доступа к нему используется алгоритм передачи станциями права на использование кольца с помощью кадра, называемого маркером или токеном. Сетевой маркер - уникальный объект структурированных данных или сообщение, постоянно циркулирующее между узлами кольцевой сети и описывающее ее текущее состояние.

Станция кольца может начать передачу данных только после получения маркера. В одном кольце может быть только один маркер и, соответственно, только одна станция в момент времени имеет право передачи данных. Получив маркер, станция анализирует его и при отсутствии у нее данных для передачи пересылает его к следующей. Станция, которая имеет данные для передачи, при получении маркера изымает его из кольца. Это дает ей право доступа к среде и передачи своих данных. Станция посылает в кольцо кадр данных. Переданные данные проходят по кольцу в одном направлении от одной станции к другой. При поступлении кадра данных к станциям приемникам, эти станции копируют для себя кадр, вставляют в него флаг подтверждения приема и отсылают дальше. Станция источник получает кадр с подтверждением, изымает его из кольца и выдает маркер для обеспечения возможности другим станциям передавать данные.

Время удержания одной станцией маркера ограничено тайм-аутом удержания маркера, по истечении которого станция обязана передать маркер далее по кольцу, даже если она не получит подтверждения приема. Одна из станций кольца обозначается как активный монитор, который осуществляет управление тайм-аутом в кольце, порождает новые маркеры, чтобы сохранить рабочее состояние, и генерирует диагностические кадры.

В глобальных сетях используются методы доступа, в основном исключающие коллизии:

мультиплексирование с временным разделением каналов связи TDM (Time Division Multiplexing) - каждому клиенту для передачи пакетов данных выделяется определенный временной интервал. Когда наступает временной интервал и клиент имеет кадр, предназначенный для отправки, он делает это.

мультиплексирование с частотным разделением каналов связи FDM (Frequency Division Multiplexing) - каждому клиенту для передачи пакетов данных выделяется определенный частотный диапазон. Пересылаемые данные модулируются на соответствующих несущих частотах.

В обоих случаях временные интервалы или частотные диапазоны используются клиентом по мере необходимости и могут определенное время простаивать. Такие протоколы доступа также используются в мобильной связи.