Классификация сетей по топологии

Сети можно классифицировать также по их физической или логической топологии. Физическая топология означает форму сети, т.е. путь прокладки кабеля. Логическая топо­логия означает путь, по которому сигналы проходят из одной точки сети в другую.

Физическая и логическая топологии могут совпадать. Например, в сети, физически реализованной в виде шины, данные проходят от одного компьютера к следующему "по прямой линии". Однако физическая и логическая топологии могут и не совпа­дать. Например, в звездообразной топологии все компьютеры соединены кабелями с одним концентратором, образуя звезду, однако внутри концентратора соединения могут быть построены так, что сигнал проходит по кругу от одного порта к другому, образуя логическое кольцо.

Перечислим наиболее распространенные топологии локальных сетей:

• шинная;

• кольцевая;

• звездообразная;

• ячеистая;

• смешанная.

Сети с шинной топологией

Шина представляет собой сеть, проложенную по линии. Кабель проходит от од­ного компьютера к следующему, затем к следующему и т.д. Шинная топология пока­зана на рис. 2.9.

Поскольку у каждой линии есть начало и конец, на каждом конце шины должен быть терминатор (оконечное устройство, оконечная нагрузка шины). Если оба конца кабеля не подключены к терминаторам, то происходит отражение сигнала, нарушаю­щее нормальную работу сети. Один из концов шины (но не оба) обязательно должен быть заземлен.

Для завершения шины терминатор подключается к "пустой" стороне Т-образного разъема сетевого адаптера в первом и последнем компьютерах.

В сетях с шинной топологией может использоваться как толстый, так и тонкий ко­аксиальный кабель. Обычно в таких сетях используется архитектура 10Base2 или 10Base5.

Принцип действия сети с шинной топологией

В сети с шинной топологией сообщения, посылаемые каждым компьютером, по­ступают на все компьютеры, подключенные к шине. Каждый сетевой адаптер анали­зирует заголовки сообщений и таким образом определяет, предназначено ли сообще­ние для этого компьютера. Если да, то сообщение обрабатывается, в противном слу­чае отбрасывается.

Преимущества сети с шинной топологией

Шинную топологию очень просто реализовать. Она относительно дешевая, потому что требует меньше кабелей, чем другие топологии. Это решение особенно пригодно для небольших сетей, которые будут использоваться всего несколько дней или недель, например в классной комнате.

Недостатки сети с шинной топологией

Шинная топология называется пассивной, поскольку компьютеры не регенерируют сигналы, а просто передают их дальше. Поэтому сигналы в такой сети подвержены затуханию, т.е. интенсивность сигнала с расстоянием уменьшается. Эту проблему можно решить с помощью повторителей.

Другой недостаток шинной топологии состоит в том, что если происходит раз­рыв кабеля (или один из пользователей вынимает разъем из гнезда, чтобы отклю­читься от сети), то вся сеть разрывается. При этом происходит не только разрыв связи между двумя группами изолированных компьютеров, но и возникает отра­жение сигнала из-за отсутствия терминаторов на концах, вследствие него вся сеть выходит из строя.

Сети с кольцевой топологией

Если соединить последний в магистрали компьютер с первым, то получится кольцевая топология. В кольце каждый компьютер соединен с двумя другими и сигнал может проходить по кругу (рис. 2.10). Поскольку кольцо не имеет конца, терминаторы не нужны (и даже невозможны).

Физически в кольцевой сети, как и в шинной, используется коаксиальный кабель. В сети Token Ring, представляющей собой логическое кольцо, согласно спецификаци­ям IEEE 802.5 используется кабель STP (типа IBM).

Принцип действия кольцевой сети

В кольцевой сети сигнал проходит в одном направлении. Каждый компьютер при­нимает сигнал от верхнего по течению соседа и посылает сигнал соседу, нижнему по те­чению. Кольцевая топология называется активной, потому что каждый компьютер, прежде чем передать сигнал дальше, регенерирует его.

Чаще всего кольцевая топология используется в архитектуре Token Ring. В этой архитектуре кольцо всегда является логическим кольцом, круг реализуется в Koimertf траторе Token Ring, который называется MSAU (Multistation Access Unit).

Преимущества кольцевой сети

В кольце сравнительно легко устранять неполадки. Как и шину, кольцо просто реализовать. Для установки кольца требуется больше кабеля, чем для шины, и мень­ше, чем в звездообразной топологии.

Недостатки кольцевой сети

Кольцевой топологии присущи некоторые недостатки шинной топологии. Если круг не разрывается, то это надежная топология. Однако если где-либо происходит разрыв или разъединение, то вся сеть выходит из строя.

Другой недостаток кольца состоит в том, что в сеть трудно добавить новый компь­ютер. Поскольку кабель проходит по кругу, для добавления нового компьютера коль­цо нужно разорвать, при этом сеть становится неработоспособной.

Звездообразные сети

Звезда — одна из наиболее распространенных топологий локальных сетей. Звезда образуется путем соединения каждого компьютера с центральным концен­тратором (рис. 2.11).

Концентратор может быть активным, пассивным или интеллектуальным. Пассив­ный концентратор представляет собой всего лишь точку соединения. Он не потребля­ет электрическую энергию. Активный концентратор (наиболее распространенный) фактически является повторителем со многими портами. Прежде чем передать сигнал другому компьютеру, активный концентратор усиливает его. Интеллектуальный кон­центратор представляет собой активный концентратор с возможностями диагностики. Для этого в нем есть специальная встроенная микросхема.

При звездообразной топологии обычно используются неэкранированные витые пары и архитектура Ethernet 10BaseT или 100BaseT.

Принцип действия звездообразных сетей

В типичной звездообразной сети сигнал передается от сетевого адаптера, установ­ленного в компьютере, к концентратору Здесь сигнал усиливается и передается об­ратно на все порты. В звезде, как и в шине, сообщение получают все компьютеры. Получив сообщение, компьютер анализирует его заголовок и принимает решение об­работать или отбросить сообщение.

Преимущества звездообразных сетей

По сравнению с шинной и кольцевой звездообразная топология имеет два боль­ших преимущества. Во-первых, она значительно устойчивее к сбоям. Другими слова­ми, если один из компьютеров отключается или разрывается кабель, то это влияет только на него, в остальной сети продолжается нормальный процесс коммуникации. Во-вторых, легко изменить конфигурацию сети. Добавление в сеть нового компьюте­ра или удаление компьютера из сети состоит всего лишь в подсоединении или отсо­единении разъема кабеля. В звездообразной сети легко устраняются неполадки на уровне оборудования, особенно если используется интеллектуальный концентратор, предоставляющий диагностическую информацию.

Недостатки звездообразных сетей

Недостатки звездообразной топологии связаны главным образом с финансовыми затратами. Для звездообразной сети нужно больше кабелей, чем для шинной или кольца, потому что отдельный кабель проходит от каждого компьютера к концентра­тору, который может находиться далеко. Кроме кабелей приходится покупать доволь­но дорогой концентратор. К счастью, используемые в звезде витые пары стоят недо­рого, к тому же отпадает необходимость в терминаторах.

Ячеистая топология

Эта топология распространена не так широко, как три предыдущие. При ячеистой топологии каждый компьютер соединен непосредственно с каждым другим компью­тером сети (рис. 2.12).

Благодаря избыточным соединениям ячеистая топология более устойчива к сбоям. Если один путь прохождения сигнала выходит из строя, сигнал может пройти по другому пути.

К сожалению, это преимущество нивелируется высокой стоимостью кабелей, которых нужно огромное количество, и сложностью сети, если в ее состав входит много компьютеров. При добавлении каждого нового компьютера количество со­единений растет экспоненциально. Видимо, недаром в английском языке термин "ячейка" (mesh) звучит как "путаница" (mess) — это именно то, что получается при наращивании сети.

Смешанные топологии

В сетевой терминологии слово смешанный может иметь два разных значения. В данной главе слово смешанный обозначает топологию, объединяющую элементы двух или более стандартных топо­логий (например, ячеистой и звезды).

Смешанные ячеистые сети

Поскольку ячеистая топология с ростом сети быстро становится слишком сложной и неуправляемой, во многих сетях используется полуячеистая топология, в которой соедине­ния установлены не между всеми компьютерами. Такую сеть иногда называют смешанной ячеистой. Избыточные соединения устанавливаются только между наиболее ответствен­ными компьютерами. Пример смешанной ячеистой сети приведен на рис. 2.13.

Смешанная ячеистая топология имеет большинство преимуществ чистой ячеистой топологии при меньшей стоимости. При этом реализовать ее и управлять ею значи­тельно легче.

Комбинированные топологии

Смешанными могут называться не только топологии, но и сети, использующие не­сколько топологий. Такие сети распространены довольно широко Смешанная сеть получается если, например, соединить несколько концентраторов с помощью шины и подключить к каждому концентратору несколько компьютеров (рис. 2.14). Специаль­но для этого во многих концентраторах предусмотрены разъемы BNC для тонких ко­аксиальных кабелей и несколько портов RJ-45 для витых пар.

При такой топологии (см. рис 2.14) коаксиальный кабель, соединяющий концен­траторы, называется магистральным или магистралью. В этом случае магистраль явля­ется компонентом сети, объединяющим ее части, называемые сегментами Путем подключения к магистрали новых сегментов можно создать довольно большую сеть.

Классификация сетей по архитектуре

Еще один способ классификации сетей — по архитектуре. В общем случае понятие сетевой архитектуры подразумевает набор спецификаций, определяющих физическую и логическую топологии, типы кабелей, ограничения на расстояние, методы сетевого доступа, размер пакетов, структуру заголовков и другие факторы. Иногда эти специ­фикации называются протоколами канального уровня.

В настоящее время наиболее популярными архитектурами локальных сетей явля­ются Ethernet и Token Ring. Архитектуры AppleTalk и ARCnet получили меньшее рас­пространение. Все эти архитектуры рассматриваются в следующих разделах.

Сети Ethernet

Архитектура Ethernet, разработанная в 1960-х годах и усовершенствованная компания­ми Xerox, Digital и Intel с целью соответствия спецификациям IEEE 802.3, на сегодняшний день является наиболее распространенной сетевой архитектурой.

Сети Ethernet физически конфигурируются как шины или звезды. В качестве ме­тода сетевого доступа в Ethernet используется множественный доступ с контролем не­сущей и обнаружением конфликтов (Carrier Sense Multiple Access Collision Detect — CSMA/CD). Пропускная способность стандартной Ethernet ограничена 10 Мбит/с. В настоящее время уже довольно распространена Fast Ethernet с пропускной способно­стью 100 Мбит/с и в ближайшем будущем на рынке должна появиться Gigabit Ethernet, перешагнувшая рубеж 1 Гбит/с.

В зависимости от используемого типа кабеля выделяются следующие архитектуры Ethernet:

• 10Base5;

• 10Base2;

• 10BaseT;

• 100BaseT;

• 1000BaseT;

• 100Base VG-Any LAN;

• 10BaseFL;

• 100BaseFL.

Ethernet 10Base5

Сеть 10Base5 иногда называют стандартной Ethernet, хотя в настоящее время она уже не так распространена, как некоторые другие типы Ethernet. В сети 10BaseS ис­пользуется толстый коаксиальный кабель RG-8 или RG-11 (толщиной немного боль­ше сантиметра), поэтом ее называют толстой сетью

Число 10 в названии 10Base5 означает максимальную пропускную способность: 10 Мбит/с. Число 5 означает максимальную длину сегмента: 500 метров. В толстых сетях используется шинная топология.

По ряду причин с толстыми сетями труднее работать, чем с Ethernet, в которых используются другие типы кабелей. Во-первых, толстый кабель менее гибок из-за большого диаметра. Во-вторых, в соединении используется специальное устройство — пронзающий ответвитель, или "зуб вампира", при этом для соединения с разъемом в кабеле нужно просверлить небольшое отверстие. В сетях 10Base5 используются внешние трансиверы. Трансивер представляет собой устройство, генерирующее и при­нимающее сигналы данных. В других архитектурах Ethernet трансиверы встроены в сетевой адаптер. Для подключения трансивера к сетевому адаптеру в сетях 10Base5 используется разъем DIX и кабель AUI.

Ethernet 10Base2

Довольно распространены коаксиальные сети 10Base2, в которых используется более тонкий кабель (приблизительно полсантиметра диаметром). Эти сети де­шевле, а кабель более гибкий, чем у 10Base5. Число 2 в названии сети означает округленное значение максимальной длины сегмента, которая равна 185 метров. Как и в 10BaseS, в тонких сетях используется шинная топология с терминаторами на каждом конце.

На физическом уровне сеть 10Base2 легче установить, чем толстую сеть. Для под­соединения кабеля к Т-образному разъему сетевого адаптера используется поворот­ный разъем BNC (рис. 2.15). Трансивер встроен в сетевой адаптер.

Кабели тонких сетей иногда называются дешевыми, потому что с ними установка сети обходится дешевле, чем с толстыми кабелями. Погонная стоимость (стоимость одного метра) тонкого кабеля обычно выше, чем витой пары, однако благодаря шин­ной топологии в коаксиальной сети расход кабеля меньше.