3. Базовые топологии локальных сетей: шинная, звездообразная (радиальная), кольцевая – достоинства и недостатки. Физическая и логическая топологии.

Термин топология, или сетевая топология – это способ организации связей ком-ров в сети. Топология – это стандартный термин, кот-м польз-ся специалисты, когда характеризуют физические или логические связи компьютеров в сети.

Следует различать физическую и логическую топологии.

Физическая топология определяет конфигурацию физических связей, т.е. электрических соединений компьютеров в сети.

Логическая топ-ия определяет маршруты передачи данных между компонентами сети и определяется способом работы коммуникационного оборудования.

Существует три базовых (основных) топологии сети:

• Шинная (bus), при кот. все раб-ие станции подключ-ся к общей магистрали (шине) с помощью сетевых адаптеров (устройств сопряжения компьютера с линией связи; конструктивно адаптер, как правило, представ-ет собой плату, встраиваемую в компьютер, хотя возможно автономное его исполнение для nootbooks). Аналогичным образом к шине подключ-ся и другие сетевые устройства (рис.1.2).

• Звездообразная (star), при кот. к 1 центр-му узлу присоед-ся все остальные комп-ы, причем каждый из них исп-ет свою отдельную линию связи (1.3). В процессе работы сети сообщ-я от передающей станции поступают на адаптеры всех рабочих станций,однако восприним-ся только адаптером той станции, кот. они адресованы.

• Кольцевая (ring), при которой компьютеры объединены в замкнутое однонаправленное кольцо (рис.1.4).

Рис. 1.2. Сетевая топология «шина»

Рис.1.3. Сетевая топология «звезда»

Рис.1.4. Сетевая топология «кольцо»

Шинная топология

В шинной топологии сообщения от передающей станции поступают на адаптеры всех рабочих станций, но воспринимается только адаптером той станции, которой она адресована.

В каждый текущий момент времени передачу данных может вести только одна станция. В противном случае информация будет искажаться в результате наложения (конфликтов, коллизий, столкновений) передаваемых сигналов. Говорят, что в шине реализуется режим полудуплексного (hulf duplex) обмена, при котором информация передается в обоих направлениях, но поочередно.

Поскольку сигнал посылается по всей сети, он достигает концов кабеля, соединяющего компьютеры. При достижении конца кабеля возникает отраженный сигнал, который, распространяясь по кабелю, не позволяет станциям начать передачу после завершения работы станции, породившей этот сигнал. Кроме того, возможны коллизии (collision), т.е. столкновение передаваемого и отраженного сигналов: обнаружив отраженный сигнал (collision detection), передающая рабочая станция воспринимает его как сигнал другой станции и прекращает передачу. Следовательно, должны быть приняты меры по устранению возможности распространения отраженного сигнала по сети.

Для поглощения отраженного от концов кабеля сигнала применяется устройство, которое устанавливается на концах кабеля. Это устройство представляет собой резистор, сопротивление которого равно волновому сопротивления кабеля, и называется – терминатор (terminator – ограничитель, гаситель). Один из терминаторов обязательно заземляется.

При наличии терминаторов отраженный сигнал поглощается и после окончания работы передающей станции кабель освобождается для работы других станций.

Шина – пассивная топология. Компьютеры на шине только «слушают» передаваемые по сети данные. Они не участвуют в перемещении данных от одного компьютера к другому.

Распространение сигнала по линии связи сопровождается его ослаблением. При этом станции сети могут получать сигналы разного уровня, в зависимости от расстояния до передающей станции. Это предъявляет дополнительные требования к приемным узлам сетевого оборудования. Для увеличения длины сети с шинной топологией сеть делят на сегменты (каждый из которых представляет общую шину), соединяемые с помощью репитеров (повторителей) – устройств для восстановления сигналов (рис.5).

Рис. 5. Соединение сегментов сети типа «шина» с помощью репитера

Такое наращивание не может быть бесконечным, так как существуют ограничения, связанные с конечной скоростью распространения сигнала по линиям связи.

Достоинства шинной топологии

1. Добавление новых абонентов в шину довольно просто и возможно даже во время работы сети.

2. Если любой из компьютеров выходит из строя, это не приводит к выходу из строя («падению») сети. Остальные компьютеры продолжают работать.

3. Отсутствие центрального узла, через который передается вся информация, повышает надежность сети (при отказе любого центра перестает работать любая управляемая им система).

4. Как правило, шинная топология требует минимальное количество соединительного кабеля по сравнению с другими топологиями.

Недостатки шинной топологии

1. При передаче данных информаци­онные сигналы ослабляются и никак не восстанавливаются, что наклады­вает жесткие ограничения на суммарную длину линий связи, кроме того, каждый абонент может получать из сети сигналы разного уровня в зави­симости от расстояния до передающего абонента. Это приводит к усложнению приемных узлов сетевого оборудования.

2. Разрыв кабеля приводит к тому, что на шине «теряется», по крайней мере, один терминатор. Это создает условие для возникновения отраженного сигнала, а, значит, сеть выходит из строя.

Разрыв возникает, если кабель на самом деле разорван (например, поврежден мышами, которые очень любят грызть кабель), либо нарушен контакт в шине.

3. При нарушении контакта кабеля трудно определить место неисправности.

4. Общая передающая среда не позволяет станциям одновременно передавать сообщения, что приводит к замедлению работы сети при большом числе активных (работающих) станций.

Звездообразная (радиальная) топология

«Звезда» - это топология с явно выделенным центром, к которому под­ключаются остальные абоненты. Весь обмен информацией идет через центральный узел.

Существуют разные варианты звездообразной топологии.

Активная звезда. Центральным узлом может быть мощный компьютер, на который возлагаются все функции по управлению обменом: согласование скоростей обмена данными, преобразование протоколов обмена, что позволяет в рамках одной сети объединять разнотипные рабочие станции. Ничем другим, кроме сети, он заниматься не может. Центральный компьютер яв­ляется самым мощным. В этом случае говорят, что имеет место активная или истинная звезда (Рис.3).

При подключении большого числа рабочих станций поддержание высокой скорости коммутации требует значительных аппаратных затрат. Кроме того, значительная функциональная нагрузка центрального узла определяет его сложность, что сказывается на надежности. Поэтому в большинстве современных звездообразных сетей функции коммутации рабочих станций и управление сетью разделены между сервером и коммутатором (рис.3а).

Рис.3а. Звездообразная топология с разделением функций управления сетью между сервером и коммутатором

Сетевой сервер подключается к коммутатору как рабочая станция, но с максимальным приоритетом. При этом структура центрального узла сети существенно упрощается, что в сочетании с использованием высокоскоростных каналов позволяет достичь высокой скорости передачи данных. В частности, в звездообразной сети Ultra Net скорость передачи данных составляет 1,4 Гбит/с.

Пассивная звезда. В настоящее время эта топология распространена гораздо больше, чем активная звезда (она используется в самой популярной на сегодняшний день сети Ethernet).

Рис. 6. Топология «пассивная звезда»

В центре сети с данной топологией (рис.6) помещается не компьютер, а концен­тратор, или хаб (hub), выполняющий ту же функцию, что и репитер. Он восстанавливает приходящие сигналы и пересылает их в другие линии связи.

Можно выделить также промежуточный между активной и пассивной звездой тип топологии. В этом случае концентратор не только ретранслирует поступающие на него сигналы, но и управляет обме­ном, однако сам в обмене не участвует.

Достоинства звездообразной топологии

1. Никакие конфликты в сети с топологией «звезда» в принципе невозможны, так как управление полностью централизовано.

2. Выход из строя периферийного компьютера никак не отражается на функцио­нировании оставшейся части сети.

3. Обрыв любого кабеля или корот­кое замыкание в нем при топологии «звезда» не нарушает работу сети. Нарушается только обмен с одним компьютером (подключенным к поврежденному кабелю), а остальные компьютеры могут нормально про­должать работу.

4. В отличие от шины, в звезде на каждой линии связи находятся только два абонента: центральный и один из периферийных. Чаще всего для их соединения используется две линии связи, каждая из которых передает информацию только в одном направлении. Таким образом, на каждой ли­нии связи имеется только один приемник и один передатчик. Все это су­щественно упрощает сетевое оборудование по сравнению с шиной и из­бавляет от необходимости применения дополнительных внешних терминаторов. Проблема затухания сигналов в линии связи также реша­ется в «звезде» проще, чем в «шине», т.к. каждый приемник всегда по­лучает сигнал одного уровня.

5. Большое достоинство звезды (как активной, так и пассивной) состоит в том, что все точки подключения собраны в одном месте. Это позволяет легко контролировать работу сети, локализовать неисправности сети пу­тем простого отключения от центра тех или иных абонентов (что невозможно, например, в случае шины), а также ограничивать доступ посто­ронних лиц к жизненно важным для сети точкам подключения.

Отмеченные преимущества способствуют тому, что в последнее время пассивная звезда все больше вытесняет истинную шину, которая считается малоперспектив­ной топологией.

Недостатки звездообразной топологии

1. Серьезный недостаток топологии «звезда» состоит в жестком ограниче­нии количества абонентов. Обычно центральный абонент может обслу­живать не более 8-16 периферийных абонентов. Если в этих пределах подключение новых абонентов довольно просто, то при их превышении оно просто невозможно. Однако иногда в звезде предусматривается воз­можность наращивания, то есть подключение вместо одного из перифе­рийных абонентов еще одного центрального абонента (в результате по­лучается топология из нескольких соединенных между собой звезд).

2. Общим недостатком для всех топологий типа «звезда» является значи­тельно больший, чем при других топологиях, расход кабеля. Например, если компьютеры расположены в одну линию (как на рис. 2), то при вы­боре топологии «звезда» понадобится в несколько раз больше кабеля, чем при топологии «шина». Это может существенно повлиять на стоимость всей сети в целом.

3. Отказ центрального ком­пьютера делает сеть полностью неработоспособной. Поэтому должны при­ниматься специальные меры по повышению надежности центрального компьютера.

4. Пассивная звезда получается дороже обычной шины, так как в этом слу­чае обязательно требуется еще и концентратор.

Кольцевая топология

«Кольцо» - это топология, в которой каждый компьютер соединен лини­ями связи только с двумя другими: от одного он только получает инфор­мацию, а другому только передает. На каждой линии связи, как и в слу­чае звезды, работает только один передатчик и один приемник. Важная осо­бенность кольца состоит в том, что каждый компьютер ретранслирует (восстанавливает) приходящий к нему сигнал, то есть выступает в роли репитера, поэтому затухание сигнала во всем кольце не имеет никакого значения, важно только затухание между соседними компьютерами коль­ца. Четко выделенного центра в данном случае нет, все компьютеры мо­гут быть одинаковыми. Однако довольно часто в кольце выделяется спе­циальный абонент, который управляет обменом или контролирует обмен. Наличие такого управляющего абонента снижает надежность сети, так как выход его из строя сразу же парализует весь обмен.

Строго говоря, компьютеры в кольце не являются полностью равноправ­ными (в отличие, например, от шинной топологии). Одни из них обяза­тельно получают информацию от компьютера, ведущего передачу в дан­ный момент, раньше, а другие — позже. Именно на этой особенности топологии и строятся методы управления обменом по сети, специально рассчитанные на «кольцо». В этих методах право на следующую переда­чу (или, как еще говорят, на захват сети) переходит последовательно к следующему по кругу компьютеру.

Подключение новых абонентов в «кольцо» обычно совершенно 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 большим (до тысячи и больше). Так как сигнал в кольце проходит через все компьютеры сети, выход из строя хотя бы одного из них (или же его сетевого оборудования) наруша­ет работу всей сети в целом. Точно так же любой обрыв или короткое за­мыкание в любом из кабелей кольца делает работу всей сети невозмож­ной.

«Кольцо» - наиболее уязвимо к повреждениям кабеля, поэтому в этой топологии обычно предусматривают прокладку двух (или более) парал­лельных линий связи, одна из которых находится в резерве. Такие сети известны как сети с переключением колец (рис.4а).

Возможен вариант на основе двух кольцевых ли­ний связи, передающих информацию в противоположных направлени­ях. Цель подобного решения - увеличение (в идеале - вдвое) скорости передачи информации. К тому же при повреждении одного из кабелей сеть может работать с другим кабелем (правда, предельная скорость уменьшится).

Рис.4а. Сеть с переключением колец.

Кольцевые сети на основе безразрывных коммутаторов. С целью повышения надежности кольцевых структур используются безразрывные коммутаторы, позволяющие автоматически отключать неработающие станции или сегменты сети. На рис. 4б. представлена структура кольцевой сети с использованием безразрывного коммутатора, выходные разъемы которого нормально замкнуты, в результате чего образуется внутреннее кольцо передачи данных. При подсоединении нового сегмента в коммутаторе размыкается соответствующий разъем, подключая станцию к кольцу. Соответственно, при отключении станции – соответствующий разъем коммутатора замыкается. Это позволяет в любой момент подключить или отключить станцию без нарушения целостности кольца.

Отключение

абонентских

систем

Рис.4б. Обход абонентской системы при использовании безразрывного коммутатора

Достоинства кольцевой топологии

1. Восстановление сигналов каждым компьютером позволяет существенно увеличить размеры всей сети в целом (порой до нескольких десятков километров). Кольцо в этом отношении существенно превосходит любые другие топо­логии.

2. Кольцевая топология обычно является самой устойчивой к перегруз­кам, она обеспечивает надежную работу с самыми большими потоками передаваемой по сети информации, так как в ней нет конф­ликтов (в отличие от шины), а также отсутствует центральный абонент (в отличие от звезды).

Недостатки кольцевой топологии

1. Недостатком кольца (по сравнению со звездой) можно считать то, что к каждому компьютеру сети необходимо подвести два кабеля.

2. Кольцо наиболее уязвимо к повреждениям кабеля.