Топология компьютерных сетей

Топология сети – это схема соединения каналами связи компьютеров (узлов сети). Важной характеристикой сети является топология, определяемая структурой соединения ПК в сеть. В сетях существует 2 вида топологии – физическая и логическая. Под физической топологией понимается реальная схема соединения узлов сети каналами связи, а под логической – структура маршрутов потоков данных между узлами. Понятия физической и логической топологии не всегда совпадают (локальная сеть, физическая топология сети PLAN 4000 фирмы Nestar Systems – звездообразная, а логическая – кольцевая)

Существуют следующие виды топологии локальной сети: шинная (моноканальная), звездообразная, кольцевая, древовидная и полная (многосвязная).

Шинная (моноканальная).

Это самая простая структура. В этом виде – сеть моноканальной топологии использует один канал связи, объединяющий все ПК сети.

При этом методе доступа узел, прежде чем послать данные по коммуникационному каналу, прослушивает его, и только убедившись, что канал свободен, посылает пакет. Если канал занят, узел повторяет попытку передать пакет через определенный промежуток времени. Данные, переданные одним узлом сети, поступают во все узлы, но только узел, для которого предназначены эти данные, распознает и принимает их. Несмотря на предварительное прослушивание канала, в сети могут возникать конфликты, заключающиеся в одновременной передаче пакетов двумя узлами. Они связаны с тем, что существует временная задержка сигнала при прохождении его по каналу: сигнал послан, но не дошел до узла, прослушивающего канал, вследствие чего узел счел канал свободным и начал передачу (например: сеть Ithernet). Данная топология эффективно использует пропускную способность канала, устойчивость к неисправности отдельных узлов, простоту конфигурации и наращивание сети.

Недостатки: Однако данный вид является не лучшим.

Во-первых, он не очень надежен – при нарушении любого контакта в “гирлянде” сеть как бы разбивается на 2 куска или вообще перестает работать (как елочная гирлянда).

Во-вторых, переделка такой сети при добавлении в нее новых компьютеров весьма затруднена.

В-третьих, существует множество ограничений: максимальной длины кабеля, общего числа подключенных к сети компьютеров и т.д.

В-четвертых, объем передаваемых данных – 10 Мбит/с относится к суммарной пропускной способности сети, но при пересылке больших объемов данных сеть может оказаться перегруженной (поэтому используется – концентраторы – усилители).

Сеть кольцевой топологии.

При кольцевой топологии сети рабочие станции связаны одна с другой по кругу, т.е. рабочей станции 2, рабочей станции 3 с рабочей станцией 4 и т. д. Последняя рабочая станция связана с первой. Коммуникационная связь замыкается в кольцо.

Прокладка кабелей от одной рабочей станции до другой может быть довольно сложной и дорогостоящей, особенно если географически рабочие станции расположены далеко от кольца (например, в линию)

Сообщение циркулирует регулярно по кругу. Рабочая станция посылает по определенному конечному адресу информацию, предварительно получив из кольца запрос. Пересылка является очень эффективной, т.к. большинство сообщений может отправить “в дорогу” по кабельной системе одно за другим. Очень просто можно сделать кольцевой запрос на все станции. Продолжительность передачи информации увеличивается пропорционально количеству рабочих станций, входящих в вычислительную сеть.

Основная проблема при кольцевой топологии заключается в том, что каждая рабочая станция должна активно участвовать в пересылке информации, и в случае выхода из строя хотя бы одной из них вся сеть парализуется. Неисправность в кабельных соединениях локализуется легко.

Но подключение новой рабочей станции требует краткосрочного выключения сети, т.к. во время установки кольцо должно быть разомкнуто.

Ограничения на протяженность сети не существует, т.к. оно, в конечном счете, определяется исключительно расстоянием между двумя рабочими станциями.

Топология типа звезда.

Концепция топологии сети в виде звезда пришла из области больших ЭВМ, в которой головная машина получает и обрабатывает все данные с периферийных устройств как активный узел (центр) обработки данных. Этот принцип применяется в системах передачи данных, локальной сети, в электронной почте RELCOM, или сеть Spectrum 700.

Вся информация между двумя периферийными рабочими местами проходит через центральный узел вычислительной сети. Пропускная способность сети определяется вычислительной мощностью узла и гарантируется для каждой рабочей станции. Столкновений данных не возникает. Кабельное соединение довольно простое, т.к. каждая рабочая станция связано с узлом. Затраты на прокладку кабеля высокие, особенно когда центральный узел географически расположен не в центре топологии. При расширении вычислительных сетей не могут быть использованы ранее выполненные кабельные связи: к новому рабочему месту необходимо прокладывать отдельный кабель от центра сети.

Топология в виде звезды является наиболее быстродействующей из всех топологий, т.к. передача данных между рабочими станциями проходит через центральный узел (при его хорошей производительности) по отдельным линиям, используемым только этими рабочими станциями. Частота запросов передачи информации от одной станции к другой невысокая по сравнению с достигаемой в других топологиях.

Производительность вычислительной сети в первую очередь зависит от мощности центрального файлового сервера. Он может быть узким местом вычислительной сети. В случае выхода из строя центрального узла нарушается работа всей сети. Центральный узел управления – файловый сервер имеет оптимальный механизм защиты против несанкционированного доступа к информации. Вся вычислительная сеть может управляться из ее центра.

Древовидная топология сетей.

Наряду с вышеназванными топологиями вычислительных сетей – кольцо, звезда и шина, на практике применяется и комбинированная, например, древовидная структура. Она образуется в основном в виде комбинации вышеназванных топологий вычислительных сетей. Основание дерева вычислительной сети располагается в точке (корень), в котором собираются коммуникационные линии информации (ветви дерева). Вычислительные сети с древовидной структурой применяются там, где невозможно непосредственное применение базовых сетевых структур в чистом виде.

Полная (многосвязная) топология.

Наиболее сложная и дорогая топология. В ней каждый узел связан со всеми другими узлами сети. Это топология применяется редко – в тех случаях, когда надо обеспечить исключительно высокие надежность сети и объемность передачи данных.

Замечание: Для определения последовательности доступа узлов сети к каналу и предотвращения наложения передач пакетов данных различными узлами необходим метод доступа.

Метод доступа – это набор правил, определяющий использование канала передачи данных, соединяющего узлы сети на физическом уровне. Самыми распространенными методами доступа в локальных сетях перечисленных топологий являются Ethernet, Token–Ring, Arcnet, реализуемые соответствующими сетевыми палатами (адаптерами). Сетевая плата является физическим устройством, которое устанавливается в каждом компьютере сети и обеспечивает передачу и прием информации по каналам сети.

Замечание: Для создания крупных локальных сетей используются дополнительные сетевые устройства – повторители, концентраторы, мосты и другие.

Повторителем, называется устройство, осуществляющее восстановление исходных значений сигналов и согласование электрических параметров сопрягаемых сетей. В основном они используются для увеличения длины сети и количества подключаемых рабочих станций.

Концентратор – устройство, обеспечивающее радиальное подключение сетевых узлов. Они бывают пассивные и активные.

Пассивный концентратор – устройство, позволяющее подключать к одному кабелю 2-3 сетевых узла. Они не осуществляют восстановление уровня электрического сигнала, поэтому допускается подключение устройств на небольшие расстояния. В основном они используются в низкоскоростных сетях, например в сети ARCNET.

Активный концентратор – осуществляет восстановление формы и уровня передаваемых сигналов.