17.4.1. Топология сетей
Этот классификационный признак определяет схемы соединения компьютеров в сети.
Радиальная топология представлена на рис. 17.13 (УК – устройство коммутации –техническое устройство, возможно, компьютер, для сопряжения каналов связи). Используется в учрежденческих системах управления с централизованным хранением информации, которое выполняет УК (в этом случае в его роли выступает ЭВМ). Эта топология не надежна, так как выход из строя УК разрушает всю сеть. Кроме того, она характеризуется значительным потреблением кабеля, что повышает ее стоимость.
Э
ВМ
ЭВМ
УК
ЭВМ ЭВМ
Рис. 17.13. Схема радиальной топологии (УК – устройство коммутации)
Кольцевая топология (рис. 17.14) обеспечивает передачу информации по кольцу только в одном направлении, что уменьшает надежность сети. Для повышения надежности при неисправности кабеля вводят дополнительное кольцо, что приводит к удорожанию сети.
ЭВМ
ЭВМ
ЭВМ ЭВМ
Рис. 17.14 Схема кольцевой топологии
Многосвязная топология (рис. 17.15) наиболее сложная и дорогая, применяется очень редко для обеспечения высокой скорости и надежности.
ЭВМ ЭВМ
ЭВМ ЭВМ
Рис. 17.15. Схема многосвязной топологии
Топология типа общая шина (рис. 17.16) использует в качестве обслуживающего устройства одну из ЭВМ, которая обеспечивает централизованный доступ к общей информации и ресурсам. Эта топология характеризуется низкой стоимостью, высокой гибкостью и скоростью передачи данных.
ЭВМ ЭВМ ЭВМ
Рис. 17.16. Схема топологии «общая шина»
Иерархическая топология (рис. 17.17) образуется с помощью нескольких топологий типа «общая шина»: они объединяются в дерево с корнем в виде ЭВМ, где размещаются самые важные компоненты сети. Эта топология используется в сложных системах с десятками и сотнями пользователей.
ЭВМ
УК
УК
ЭВМ ЭВМ ЭВМ ЭВМ ЭВМ ЭВМ
Рис. 17.17. Схема иерархической топологии
17.4.2. Методы передачи данных в сетях
Метод коммутации каналов требует предварительного установления прямого физического соединения между источником и получателем сообщения на все время передачи сообщения, что является недостатком данного метода. Схема передачи данных представлена на рис. 17.18.
А В С Д
t0
t1
t2
t3
t4
t5
t6
t7
t8
t t t t
Рис. 17.18. Схема передачи данных методом коммутации каналов
На этом рисунке представлены четыре узла сети (ЭВМ), между которыми передается сообщение. Его источник – узел А, получатель – узел Д. Между А и Д сообщение проходит узлы В и С.
В отрезки времени (t0 – t1), (t2 – t3), (t4 – t5) служебный сигнал перемещается между соответствующими узлами. Назначение этого сигнала – занять пройденный канал, т.е. заблокировать его от других сигналов. В общем случае последующие каналы оказываются занятыми в моменты прихода в узел служебного сигнала, поэтому в отрезки времени (t1 – t2), (t3 – t4) сигнал ожидает освобождения канала.
В момент времени t5 служебный сигнал достигает получателя, а все пройденные каналы являются заблокированными. В этот момент сигнал возвращается к источнику сообщения за отрезок времени (t5 – t6).
В момент времени t6 начинается передача нужного сообщения (передача сообщения показана жирными линиями). В соответствии с объемом сообщения и пропускной способностью канала связи это занимает в источнике отрезок времени (t6 – t7). В момент времени t8 получатель сообщения принял его целиком. Передача закончена, и заблокированные каналы высвобождаются для последующего использования.
Метод коммутации сообщений (рис. 17.19) требует последовательное физическое соединение лишь между двумя соседними узлами. Таким образом, часть каналов может использоваться для передачи других сообщений.
А В С Д
t0
t1
t2
t3
t4
t5
t6
t7
t8
t t t t
Рис. 17.19. Схема передачи данных методом коммутации сообщений
Чистое время передачи всего сообщения (передача показана жирными линиями) в схеме рис. 17.18 - отрезок (t6 – t8), в схеме рис. 17.19 – сумма отрезков (t0 – t2), (t3 – t5), (t6 – t8). При всех равных прочих условиях значения этих периодов равны между собой. Если предположить, что время занятости канала между соседними узлами в обеих схемах совпадает, т.е. отрезки времени (t1 – t2) и (t3 – t4) на рис. 17.18 равны, соответственно, отрезкам (t2 – t3) и (t5 – t6) на рис. 17.19, то общее время передачи сигнала по схеме рис. 17.19 меньше времени передачи сигнала по схеме рис. 17.18 на величину (t0 – t1) + (t2 – t3) + (t4 – t6).
Метод коммутации пакетов предполагает разбиение сообщения на части – пакеты – фиксированной длины, снабжаемые адресом получателя. После прихода на место назначения из пакетов формируется сообщение. Достоинством этого метода является то, что разные пакеты могут передаваться между узлами разными каналами связи (если это позволяет топология сети). Это приводит к сокращению общего времени передачи всего сообщения.
Пусть, например, есть многосвязная топология, ЭВМ в которой обозначены символами А, В, С, Д (см. рис. 17.20).
УК УК
А В
С Д
Рис. 17.20. Многосвязная топология
Жирными линиями показаны направления передачи сообщения в соответствии с рис. 17.18 и 17.19. Пусть требуется передать сообщение из узла А в узел Д методом коммутации пакетов. При этом исходное сообщение разбивается на три пакета, которые параллельно передаются по следующим направлениям:
а) А – Д,
б) А – С – Д,
в) А – В – Д.
Следует отметить, что выбор направлений – самостоятельная задача в компьютерных сетях, которая получила название маршрутизации. Ее решение рассмотрено далее.
Тогда имеем схему передачи пакетов между узлами А и Д, представленную на рис. 17.21. Чтобы показать параллельную передачу пакетов, исходная схема декомпозирована на три схемы, показывающие передачу пакетов по направлениям, перечисленным выше.
А
Д А С Д А В Д
t0
t1
t2
t3
t4
а) б) в)
Рис. 17.21. Схема передачи данных методом коммутации пакетов
В моменты времени t0 из пункта А одновременно начинается передача пакетов в направлениях Д, С, В. В моменты времени t2 пакеты получены в указанных пунктах назначения (для простоты время передачи во все три пункта одинаково). Если в пунктах С и В последующие каналы заняты (на схеме они заняты одинаковое время), пакет ожидает освобождения канала (отрезок времени от t2 до t3). В течение времени (t4 – t3) пакет передается в пункт назначения, где из полученных пакетов собирается цельное сообщение.
Рассмотренные методы передачи данных в сетях, как уже отмечалось, сталкиваются с проблемой маршрутизации, которая возникает из-за разветвленности связей узлов сети. В этом случае передаваемые данные должны «знать», как добраться до получателя сообщения. При этом в реальных сетях ставятся две дополнительные задачи: маршрут должен быть минимальным, а загруженность сети должна быть равномерной, т.е. никакие каналы связи не должны простаивать или нагружаться недостаточно интенсивно. Выделяются следующие методы маршрутизации:
-
централизованная. Выбор пути осуществляется центром управления сети – одним из компьютеров, специально выделенным в сети для решения, в частности, задачи маршрутизации (такие компьютеры называют роутерами14 или маршрутизаторами). При этом роутер поддерживает таблицы маршрутов, в которых для каждого компьютера сети отражаются возможные направления передачи данных в порядке убывания их предпочтительности;
-
распределенная. Решение принимается каждым узлом сети независимо на основании аналогичных таблиц, которые касаются только маршрутов, исходящих из данного узла.