ОСТВПД / ОСТ__ИТ_ЗФ_2013 / Практические занятия / Топология_1зан

Топологии физических связей в сетях передачи данных

Под топологией сети понимается конфигурация графа, вершинам которого соответствуют конечные узлы сети (например, компьютеры) и/или коммутационное оборудование (например, коммутаторы или маршрутизаторы), а ребрам – каналы связи между ними. От выбора топологии существенно зависят многие характеристики сети. Наличие между отдельными узлами нескольких путей повышает надежность сети. Если топология позволяет легко подсоединять новые узлы, сеть является легко расширяемой. Если на первом месте стоят экономические соображения, выбирают топологию, при которой суммарная длина линий связи минимальна.

Различают два типа топологий сети: физическая и логическая. Физическая топология – это расположение физических устройств и связь между ними. Логическая топология отражает путь передачи данных по сети.

В сетях передачи данных используются понятия “точка-точка” (непосредственное взаимодействие двух устройств по линии связи), и “точка-мультиточка” (взаимодействие трех и более устройств, причем одно из них действует в качестве корневого узла).

В первом случае не требуется адресация устройств (она и так понятна), во втором случае требуется разделять канал передачи данных между устройствами, указывать адреса устройств и определить метод доступа в канал передачи данных.

Можно выделить следующие классы сетевых топологий: полносвязная, смешанная, радиально-узловая (звезда, иерархическая звезда), кольцо, шина, гибридная. Следует обратить внимание на то, что не существует стандарта на эти понятия.

Полносвязная топология

При этой топологии устройства в сети (nodes, узлы) соединяются по принципу «каждый с каждым». Эта топология не используется в современных сетях, так как при наличии N узлов каждый узел должен иметь (N-1) внешний интерфейс (внешний порт), что абсолютно не реально.

Полносвязная сеть является наименее экономичной, но обладает наибольшей структурной надежностью (отказоустойчивостью) или живучестью. Число ребер в полносвязной сети равно Nреб=N(N-1)/2, где N – число узлов сети. В такой сети любой соединительный тракт проходит не более, чем через два узла и одну линию связи между ними. Сеть имеет большое число обходных путей для передачи блоков данных.

Смешанная топология

В такой сети каждый узел соединяется с несколькими соседними узлами, так что в сети образуются петли. Смешанная топология используется при построении крупных, территориально распределенных сетей.

Древовидная или узловая топология

При необходимости покрыть небольшую территорию (офис, здание) и/или небольшом числе компьютеров используется радиальная топология – звезда. Центральное устройство, к которому подключены остальные компьютеры, выполняет функции многовходового повторителя или чаще коммутатора.

Звезда

Все устройства сети подключены по топологии «точка-точка» к центральному устройству. Центральным устройством в такой сети является хаб (hub -повторитель, концентратор) или коммутатор (switch). Хабы и коммутаторы могут соединяться друг с другом по топологии «иерархическая звезда».

Сеть с физической топологией «звезда»

Пассивный концентратор осуществляет простое соединение без регенерации и усиления сигнала (в оптоволоконных системах – это сплиттеры). Активные концентраторы, помимо соединения всех устройств, регенерируют и усиливают сигнал (физический уровень), а также осуществляют управление сетевым трафиком. Если хаб выполняет трансляцию входного сигнала с входного порта на все остальные порты, то сеть имеет логическую топологию «шина».

Современные коммутаторы выполняют в сети функции до 3-4-го уровня ЭМВОС (OSI).

Шина

Используется линейное подключение устройств к отрезку кабеля. Очень экономная и простая топология, но трудно локализовать неисправности оборудования и сбой матобеспечения сети (МО). Сеть неэффективна с точки зрения модификации (расширения) системы. Примером являются старые версии Ethernet на коаксиальном кабеле (10Base-5 и 10Base-2).

Сеть с физической топологией «шина»

На больших территориях и/или при большом числе компьютеров экономичнее использовать радиально-узловые структуры. Радиально-узловая топология образуется с использованием нескольких концентраторов/коммутаторов, иерархически соединенных между собой связями типа «звезда».

В такой сети узлы соединяются между собой минимальным количеством ребер без образования петель - замкнутых путей. Между каждой парой узлов имеется только один путь.

Древовидные сети имеют наименьшую структурную надежность. Стоимость такой сети минимальна, а число ребер равно Nреб=(N-1).

Кольцо

Представляет собой кольцо повторителей или коммутаторов. Такая сеть обеспечивает соединение «точка-точка» между двумя соседними узлами. Подчеркнем, что это не кольцо рабочих станций. Примером может служить сеть FDDI.

Гибридная топология

Гибридные топологии комбинируют топологии звезда, шина, кольцо. Это наиболее часто реально используемая топология. Примером является сеть Token Ring, которая в общем случае имеет комбинированную звездно-кольцевую конфигурацию. Недостатком такой топологии является сложность применяемых протоколов (правил взаимодействия устройств и процессов в сети).

Наиболее экономичными и надежными структурами являются радиально-кольцевая и сочетание сети типа "сетка" с радиальной или радиально-узловой структурой.

Рассмотрим метод синтеза кратчайшесвязной сети по алгоритму Прима.

Пусть задано местоположение некоторого множества узлов в сети и расстояния между ними, т.е. задана матрица расстояний ||L_ij|| .

Структура такой сети оптимизируется по критерию наименьшей общей длины линий L. Требуется соединить эти узлы таким образом, чтобы суммарная длина линий была минимальной.

Пусть задано 5 узлов коммутации и матрица расстояний между узлами ||L_ij||.

	1	2	3	4	5
1	0	3,6	9,6	4,2	3,3
2	3,6	0	6,8	11,5	13,7
3	9,6	6,8	0	7,3	11,8
4	4,2	11,5	7,3	0	5,5
5	3,3	13,7	11,8	5,5	0

• В соответствии с алгоритмом Прима выпишем первую строку матрицы ||L_ij|| без первого столбца, что соответствует организации связи от первого узла к i-му (в данном случае ко второму узлу, третьему, четвертому и пятому).

2	3	4	5
3,6	9,6	4,2	3,3	(1)

Выбираем в этой строке минимальную длину l₁₅ = 3,3.

Вычеркиваем в матрице ||L_ij|| пятый столбец и, двигаясь по пятой строке, сравниваем значение приведенных в ней длин со значениями в первой строке (1) по столбцам (за исключением первого и пятого столбцов). Если значение длины какой-либо ветви в пятой строке оказывается меньше значения, указанного в первой строке, то производится замена значения первой строки на найденное меньшее. В противном случае замена не производится. Таким образом, формируется новая строка (при этом цифра 1 в скобках указывает на то, что в данном случае значения длин взяты из первой строки).

2	3	4
3,6 (1)	9,6 (1)	4,2 (1)	(2)

Выбираем минимальный элемент строки l₁₂ = 3,6.

• Вычеркиваем в матрице ||L_ij|| второй столбец и, двигаясь по второй строке, сравниваем значение приведенных в ней длин со значениями в строке, сформированной на предыдущем этапе (2), по столбцам. Теперь производим сравнение только в 3 и 4 столбцах. Действуя как в предыдущем пункте, получаем новую строку

3	4
6,8 (2)	4,2 (1)	(3)

Выбираем минимальный элемент строки l₁₄ = 4,2.

• Вычеркиваем в матрице ||L_ij|| четвертый столбец и, двигаясь по четвертой строке, сравниваем значение приведенных в ней длин со значениями в строке, сформированной на предыдущем этапе (3). В нашем примере производим сравнение только в 3 столбце.

3

6,8 (2)

l₂₃ = 6,8

Итак, кратчайшесвязная сеть будет содержать ветви l₁₂, l₁₄, l₁₅, l₂₃.

Сеть будет иметь следующую структуру

Для полученной структуры следует записать матрицу связности G и, найти среднюю длину ребра в сети.

Матрицей связности G порядка N называется матрица, в которой число строк равно числу столбцов и равно числу узлов в сети N; по главной диагонали матрицы проставлены черточки, а каждый элемент матрицы g_ij =1, если есть ветвь, соединяющая узлы a_i и a_j, и g_ij =0 - если такой ветви нет.

Средняя длина ребра l_ср определяется по формуле

l_ср = = ,

где L-суммарная протяженность сети; m-число ребер; l_i-длина i-го ребра.

Связностью сети К называется минимальное число независимых путей, имеющихся между каждой парой узлов.

Совокупность каналов, начинающихся в узле a_i, заканчивающихся в узле a_j и не проходящих через другие узлы, называется ребром сети _ij . Любое ребро сети характеризуется длиной l_ij, емкостью (числом каналов), приведенными затратами и надежностью. Надежность характеризуется вероятностью исправного состояния каналов ребра.

Путь - это упорядоченный набор ребер, который начинается в узле a_i и заканчивается в узле a_j и не проходит дважды через один и тот же промежуточный узел. Ранг или длина пути m - это число ребер, входящих в данный путь.