3.4. Топологія мпд

При об'єднанні в мережу великої кількості комп'ютерів виникає цілий комплекс нових проблем. У першу чергу необхідно вибрати спосіб організації фізичних зв'язків, тобто топологію. Під топологією мережі МПД розуміють конфігурацію графа, вершинам якого відповідають комп'ютери мережі (іноді й інше устаткування, наприклад концентратори), а ребрам - фізичні зв'язки між ними. Комп'ютери, підключені до мережі, часто називають станціями чи вузлами мережі. Конфігурація фізичних зв'язків визначається електричними з'єднаннями комп'ютерів між собою і може відрізнятися від конфігурації логічних зв'язків між вузлами мережі. Логічні зв'язки являють собою маршрути передачі даних між вузлами мережі й утворюються шляхом відповідного настроювання комунікаційного устаткування. Найчастіше зустрічаються методи повнозв 'язної та коміркової топологій.

Вибір топології електричних зв'язків істотно впливає на багато характеристик мережі. Наприклад, наявність резервних зв'язків підвищує надійність мережі й уможливлює балансування завантаження окремих каналів. Простота приєднання нових вузлів, властива деяким топологіям, робить мережу легко розширюваною. Економічні міркування часто приводять до вибору топологій, для яких характерна мінімальна сумарна довжина ліній зв'язку.

Метод повнозв'язної топології відповідає мережі, у якій кожен комп'ютер зв'язаний із всіма іншими. Незважаючи на логічну простоту, цей варіант виявляється громіздким і неефективним. Дійсно, кожен комп'ютер у мережі повиннен мати велику кількість комунікаційних портів, достатню для зв'язку із кожним з інших комп'ютерів мережі. Для кожної пари комп'ютерів повинна бути виділена окрема електрична лінія зв'язку, тому повнозв'язну топологію застосовують рідко. Частіше цей вид топології використовується в багатомашинних комплексах чи в глобальних мережах при невеликій кількості комп'ютерів.

Всі інші варіанти засновані на неповнозв'язних топологіях, коли для обміну даними між двома комп'ютерами може знадобитися проміжна передача даних через інші вузли мережі.

Метод коміркової топології (mesh) отримують з повнозв'язної шляхом видалення деяких можливих зв'язків. У мережі з комірковою топологією безпосередньо зв'язують тільки ті комп'ютери, між якими відбувається інтенсивний обмін даними, а для обміну даними між комп'ютерами, не з'єднаними прямими зв'язками, використовують транзитні передачі через проміжні вузли. Коміркова топологія допускає з'єднання великої кількості комп'ютерів і характерна, як правило, для глобальних мереж.

Топологія загальна шина (А) є дуже розповсюдженою (а донедавна найпоширенішою) топологією для локальних мереж. У цьому випадку комп'ютери підключають до одного коаксіального кабелю за схемою "монтажного АБО". Передана інформація може поширюватися в обидва боки. Застосування загальної шини знижує вартість проводки, уніфікує підключення різних модулів, забезпечує можливість майже миттєвого звертання до всіх станцій мережі. Таким чином, основними перевагами такої схеми є дешевина і простота розведення кабелю по приміщеннях. Найсерйозніший недолік загальної шини полягає в її низькій надійності: будь-який дефект кабелю чи якого-небудь з численних роз'ємів цілком паралізує всю мережу. Іншим недоліком загальної шини є її невисока продуктивність, тому що при такому способі підключення в кожен момент часу тільки один комп'ютер може передавати дані в мережу. Тому перепускна здатність каналу зв'язки завжди поділяється тут між усіма вузлами мережі.

Топологія зірка (В) у цьому випадку кожен комп'ютер підключають окремим кабелем до загального пристрою, який називають концентратором, що знаходиться в центрі мережі. У функції концентратора входить визначення напрямку передачі інформації одному чи всім іншим комп'ютерам мережі. Головна перевага цієї топології перед загальною шиною - істотно велика надійність. Будь-які неприємності з кабелем стосуються лише того комп'ютера, до якого цей кабель приєднаний, і тільки несправність концентратора може вивести з ладу всю мережу. Крім того, концентратор може відігравати роль інтелектуального фільтра інформації, що надходить від вузлів у мережу, і при необхідності блокувати заборонені адміністратором передачі.

До недоліків топології типу "Зірка" відносять більш високу вартість мережевого устаткування через необхідність придбання концентратора. Крім того, можливості нарощування кількості вузлів у мережі обмежуються кількістю портів концентратора. Іноді є сенс будувати мережу з використанням декількох концентраторів, ієрархічно з'єднаних між собою зв'язками типу зірка. В даний час ієрархічна зірка є найбільш розповсюдженим типом топології зв'язків як у локальних, так і у глобальних мережах.

У мережах з кільцевою конфігурацією (С) дані передаються по колу від одного комп'ютера до іншого, як правило, в одному напрямку. Якщо комп'ютер розпізнає дані "як свої", то він копіює їх собі у внутрішній буфер. У мережі з кільцевою топологією необхідно приймати спеціальні заходи, щоб у випадку виходу з ладу чи відключення якої-небудь станції не перервався канал зв'язку між іншими станціями. Кільце є дуже зручною конфігурацією для організації зворотного зв'язку - дані, зробивши повний оборот, повертаються до вузла-джерела. Тому цей вузол може контролювати процес доставки даних адресату. Часто ця властивість кільця використовується для тестування зв'язку мережі і пошуку вузла, який працює некоректно. Для цього в мережу посилають спеціальні тестові повідомлення.

Невеликі мережі, як правило, мають типову топологію - зірка, кільце або загальна шина, а для великих мереж характерна наявність довільних зв'язків між комп'ютерами. В таких мережах можна виділити окремі довільно зв'язані фрагменти, які мають типову топологію, тому їх називають мережами із змішаною топологією.

Тільки в мережі з повнозв'язною топологією для з'єднання кожної пари комп'ютерів є окрема лінія зв'язку. В інших випадках виникає питання про те, як організувати спільне використання ліній зв'язку декількома комп'ютерами мережі. Як і завжди при поділі ресурсів, головною метою тут є здешевлення мережі.

Для реалізації розглянутих технологій в обчислювальних мережах використовують як індивідуальні лінії зв'язку між комп'ютерами, так і поділювані (shared), коли одна лінія зв'язку поперемінно використовується декількома комп'ютерами. У випадку застосування поділюваних ліній зв'язку (часто використовується також термін поділюване середовище передачі даних - shared media) виникає комплекс проблем, пов'язаних з їхнім спільним використанням, що включає як чисто електричні проблеми забезпечення потрібної якості сигналів при підключенні до одного проводу декількох приймачів і передавачів, так і логічні проблеми поділу в часі доступу до цих ліній.

Класичним прикладом мережі з поділюваними лініями зв'язку є мережі з топологією "загальна шина", у яких один кабель спільно використовується всіма комп'ютерами мережі. Жоден з комп'ютерів мережі в принципі не може індивідуально, незалежно від усіх інших комп'ютерів, використовувати кабель, тому що при одночасній передачі даних відразу декількома вузлами сигнали змішуються і спотворюються. У топологіях "кільце" і "зірка" індивідуальне використання ліній зв'язку, що з'єднують комп'ютери, принципово можливе, тому ці кабелі часто також розглядають як неподілювані для всіх комп'ютерів мережі, так що, наприклад, тільки один комп'ютер кільця має право в даний момент часу відправляти по кільцю пакети іншим комп'ютерам.

Існують різні способи вирішення завдання організації спільного доступу до розділених ліній зв'язку. В середині комп'ютера проблеми поділу ліній зв'язку між різними модулями також існують - прикладом є доступ до системної шини, яким керує або процесор, або спеціальний арбітр шини. У мережах організація спільного доступу до ліній зв'язку має свою специфіку через істотно більший час поширення сигналів по довгих проводах, до того ж цей час для різних пар комп'ютерів може бути різним. Через це процедури узгодження доступу до лінії зв'язку можуть займати занадто великий проміжок часу і приводити до значних втрат продуктивності мережі.

Незважаючи на всі ці складності, у локальних мережах поділювані лінії зв'язку використовують дуже часто. Цей підхід, зокрема, реалізований у широко розповсюджених класичних технологіях Ethernet і Token Ring. Перший лабораторний варіант технології Ethernet розробила фірма Xerox в 1975 р. У 1980 p. Xerox, DEC та Intel опублікували специфікацію Ethernet, яка охоплювала фізичний та канальний (МАС) рівні протоколу Ethernet, a пізніше було розроблено стандарти ІЕЕЕ-802.3 та ЕСМА-82. Ця технологія завдяки простоті, дешевизні, здатності до масштабування зазнала значного розвитку і стала основою для технологій комутованого Ethernet, Fast Ethernet та Gigabit Ethernet.

Дуплексна технологія Ethernet була запроваджена наприкінці 1993 р. фірмою Kalrana. Мережа для її реалізації складалася з двох каналів, які забезпечували перепускну здатність по 10 Мбіт/с. Один з них використовували для приймання, а інший для передавання двопунктовим сполученням. Сумарна перепускна здатність становила 20 Мбіт/с.

Специфікацію Fast Ethernet подано в комітет ІЕЕЕ-802 у листопаді 1992 р. і затверджено як стандарт ІЕЕЕ-802.Зн, Стандартизацією Fast Ethernet займається комітет ІЕЕЕ-802.3.

Мережі, які використовують технологію Fast Ethernet мають розподілену зіркоподібну тонологію. Відстань між мережевим концентратором і робочою станцією не повинна перевищувати 210 м, а для їх з'єднання можна використовувати мідні провідники (за типом "скручена пара"), а також волоконно-оптичні кабелі.

Стандарт Gigabit Ethernet ІЕЕЕ-802.3 у частині, яка регламентує використання волоконно-оптичного, затверджено в 1998 р. Специфікація застосування скрученої пари виділена в окремий стандарт ІЕЕЕ-802.3аЬ. Головною організацією, яка підтримує цю технологію, є Gigabit Ethernet Alliance (GEA). Застосування багатомодового волоконно-оптичного кабелю завдовжки до 500 м, або одномодового - до 2000 м дозволяє передавати дані зі швидкістю близько 1 Гбіт/с.

Мережа, побудована за технологією Ethernet, складається зі сегментів шини (довжиною до 500 м), сполучених за допомогою повторювачів (repeaters) або концентраторів (hubs, linkbuilders).

Однак в останні роки намітилася тенденція відмовлення від поділюваних середовищ передачі даних і в локальних мережах. Це пов'язано з тим, що за здешевлення мережі, яке досягається таким чином, доводиться розплачуватися продуктивністю мережі.

Мережа з поділюваним середовищем при великій кількості вузлів буде працювати завжди повільніше, ніж аналогічна мережа з індивідуальними лініями зв'язку, тому що перепускна здатність індивідуальної лінії зв'язку дістається одному комп'ютеру, а при її спільному використанні -поділяється між всіма комп'ютерами мережі. Часто з такою втратою продуктивності миряться заради збільшення економічної ефективності мережі. Не тільки в класичних, але й у зовсім нових технологіях, розроблених для локальних мереж, зберігається режим поділюваних ліній зв'язку. Наприклад, розроблювачі технології Gigabit Ethernet, прийнятої в 1998 році як новий стандарт, включили режим поділу передавального середовища у свої специфікації поряд з режимом роботи по індивідуальних лініях зв'язку.

При використанні індивідуальних ліній зв'язку в повнозв'язних топологіях кінцеві вузли повинні мати по одному порту на кожну лінію зв'язку. У зіркоподібних топологіях кінцеві вузли можна підключати по індивідуальних лініях зв'язку до спеціального пристрою - комутатора. У глобальних мережах комутатори використовували вже на початковому етапі, а в локальних - з початку 90-их років. Застосування комутаторів призводить до істотного подорожчання локальної мережі, тому вони поки що є обмеженим. Але зі зниженням вартості комутації цей підхід, можливо, витіснить застосування поділюваних ліній зв'язку. Необхідно підкреслити, що індивідуальними в таких мережах є тільки лінії зв'язку між кінцевими вузлами і комутаторами мережі, а зв'язки між комутаторами залишаються поділюваними, тому що по них передаються повідомлення з різних кінцевих вузлів.

У глобальних мережах відмова від поділюваних ліній зв'язку зумовлена технічними причинами. Тут великі тимчасові затримки поширення сигналів принципово обмежують застосування техніки поділу лінії зв'язку. Комп'ютери можуть затратити більше часу на переговори про те, кому зараз можна використовувати лінію зв'язку, ніж безпосередньо на передачу даних.по цій лінії зв'язку. Однак це не відноситься до ліній зв'язку типу "комутатор-комутатор". У цьому випадку тільки два комутатори борються за доступ до лінії зв'язку, і це істотно спрощує задачу організації спільного використання лінії.