1.4. Топология сети
При объединении в сеть большого числа компьютеров в первую очередь необходимо выбрать способ организации физических связей, то есть, топологию.
Под топологией вычислительной сети понимается конфигурация графа, вершинам которого соответствуют компьютеры сети (иногда и другое оборудование, например коммутаторы), а ребрам – физические связи между ними. Характеристики сети зависят от типа устанавливаемой топологии. В частности, выбор той или иной топологии влияет на:
состав необходимого сетевого оборудования;
возможности сетевого оборудования;
возможности расширения сети;
способ управления сетью.
Например, наличие резервных связей повышает надежность сети, простота присоединения новых узлов делает сеть легко расширяемой и т.д.
Чтобы совместно использовать ресурсы сети или выполнять другие сетевые задачи, компьютеры должны быть подключены друг к другу. Для этих целей в большинстве сетей применяется кабель. Однако просто подключить компьютер к кабелю, соединяющему другие компьютеры, недостаточно. Различные типы кабелей в сочетании с различными сетевыми платами, сетевыми ОС и другими компонентами требуют и различных методов реализации.
Топология также определяет и способ взаимодействия компьютеров в сети. Различным видам топологий соответствуют различные методы взаимодействия, влияющие на работу сети.
Рассмотрим некоторые наиболее встречающиеся топологии.
1.4.1. Базовые топологии
Все сети строятся на основе трех базовых топологий, известных как:
шина (bus);
звезда (star);
кольцо (ring);
ячеистая.
Если компьютеры подключены вдоль одного кабеля (сегмента), топология называется «шиной». В том случае, когда компьютеры подключены к сегментам кабеля, исходящим из одной точки (коммутатора), топология называется «звездой». Если кабель, к которому подключены компьютеры, замкнут в кольцо, такая топология носит название «кольцо», а если все компьютеры соединены друг с другом отдельными кабелями, топология называется ячеистой.
Сами по себе базовые топологии несложны, однако на практике часто встречаются довольно сложные их комбинации, сочетающие свойства и характеристики нескольких топологий.
Топология «шина» часто называемая «общая шина» (рис.1.6) является наиболее простой и распространенной топологией для локальных сетей. В ней используется один кабель, именуемый магистралью, к которому подключены все компьютеры сети. Концы кабеля не соединяются друг с другом, а заканчиваются заглушками (терминаторами).
Рисунок 1.6. Сеть с топологией «шина»
В сетях, построенных по топологии «шина», информация может распространяться в обе стороны. Компьютеры адресуют данные конкретному компьютеру, передавая их по кабелю в виде электрических сигналов. Данные передаются всем компьютерам сети; однако информацию принимает только тот компьютер, чей адрес совпадает с адресом получателя. В каждый момент времени данные в сеть передаются лишь одним компьютером, поэтому производительность сети зависит от количества компьютеров, подключенных к шине. Чем больше компьютеров, тем большее их число ожидает передачи, и тем медленнее сеть. Кроме этого на быстродействие сети влияет и множество других факторов, например:
тип аппаратного обеспечения сетевых компьютеров;
частота, с которой компьютеры передают данные;
тип работающих сетевых приложений;
тип сетевого кабеля;
расстояние между компьютерами в сети.
Компьютеры в сети с топологией «шина» только «слушают» передаваемые по сети данные, но не перемещают их от отправителя к получателю. Поэтому, если какой-либо компьютер выйдет из строя, это не скажется на работе сети. При разрыве сетевого кабеля или отсоединении одного из его концов компьютеры не смогут взаимодействовать друг с другом, хотя и будут работоспособными.
Для расширения сети с топологией «шина» кабель обычно удлиняют двумя способами.
Для соединения двух отрезков кабеля используют баррел-коннектор. Однако лучше использовать один длинный кабель, чем соединять несколько коротких: при большом количестве «стыковок» происходит искажение сигнала.
Для соединения двух отрезков кабеля используют повторитель. В отличие от коннектора, повторитель усиливает сигнал перед подачей его в следующий сегмент. Поэтому его лучше использовать, чем баррел-коннектор или даже длинный кабель: сигналы на большие расстояния передаются без искажения. В настоящее время для построения сетей эта топология не используется.
При топологии «звезда» (рис.1.7) все компьютеры с помощью сегментов кабеля подключаются к центральному устройству, называемому соединительным модулем коммутатором. Сигналы от передающего компьютера поступают через коммутатор к одному или ко всем остальным компьютерам сети.
Рисунок 1.7. Сеть с топологией «звезда»
Главное преимущество такой топологии перед «шиной» – большая надежность. При выходе из строя одного из компьютеров или кабеля, соединяющего его с коммутатором, оставшаяся часть сети продолжает работать. Только отказ коммутатора выводит из строя всю сеть.
К недостаткам топологии относится более высокая стоимость сетевого оборудования из-за необходимости приобретения коммутаторов. Кроме того, возможности по наращиванию количества узлов в сети ограничиваются количеством портов коммутатора. Поэтому, имеет смысл, строить сеть с использованием нескольких коммутаторов, соединенных между собой связями типа звезда (рис.1.8). В настоящее время такая топология является самой распространенной как в локальных, так и в глобальных сетях.
Рисунок 1.8.Соединение коммутаторов связями типа «звезда»
При топологии «кольцо» (рис.1.9) компьютеры подключаются к общему кабелю, концы которого соединены друг с другом в виде кольца. Сигналы передаются по кольцу в одном направлении и проходят через каждый компьютер. При такой схеме соединения каждый компьютер выступает в роли повторителя, усиливая сигналы и передавая их следующему компьютеру. Поэтому, если выйдет из строя один компьютер, прекращает функционировать вся сеть.
Рисунок 1.9. Сеть с топологией «кольцо»
Один из способов передачи данных по кольцевой сети называется передачей маркера. Маркер – это специальная последовательность бит, передающаяся по сети; в каждой сети существует только один маркер. Маркер последовательно, от одного компьютера к другому, передается до тех пор, пока его не получит тот компьютер, который «хочет» послать данные. Передающий компьютер видоизменяет маркер, добавляет к нему данные и адрес получателя и отправляет его дальше по «кольцу».
Данные проходят через каждый компьютер до тех пор, пока не попадают к тому, чей адрес совпадает с адресом получателя.
После этого принимающий компьютер посылает передающему сообщение, в котором подтверждает факт приема данных. Получив подтверждение, передающий компьютер создает новый маркер и возвращает его в сеть.
Сеть с «ячеистой» топологией обладает высокой избыточностью и надежностью, так как каждый компьютер такой сети соединен с любым другим отдельным кабелем (рис.1.10). Сигнал от компьютера-отправителя до компьютера-получателя может проходить по разным маршрутам, поэтому разрыв кабеля не сказывается на работоспособности сети. Основной недостаток такой топологии – большие затраты на прокладку кабеля, что компенсируется высокой надежностью и простотой обслуживания. Ячеистая топология применяется, как правило, в комбинации с остальными топологиями при построении относительно больших сетей, таких как Frame Relay или ATM, где требуется большая производительность и надежность.
Рисунок 1.10. Сеть с ячеистой топологией