Топологии сетей.

Существует три основные топологии: звезда, кольцо или шина. Иногда эти топологии комбинируются для получения гибридной или ячеистой сети.

Шинная топология.

Ш инная топология (bus topology) – самая простая и наиболее часто используемая рис. 3.1. При этом каждый узел подключается к отрезку кабеля, который соединяет все станции последовательно. Концы кабеля не соединяются друг с другом, а заканчиваются каким-либо образом.

Недостаток такой сети состоит в том, что обрыв кабеля в каком-то месте выводит из строя всю сеть. Хотя шину очень легко проложить, необходимо тщательно спланировать расположение узлов, поскольку после прокладки шины не будет возможности перемещать рабочие станции.

Кольцевая топология.

В кольцевой топологии (ring topology) каждый узел подключается к общему кабелю, концы которого соединены друг с другом в виде кольца рис. 3.2. Архитектуры, основанные на этой топологии (как Token Ring или FDDI), устойчивы к отказам связи с отдельными узлами; для выхода из строя всей сети должен произойти обрыв кольцевого кабеля.

Топология звезды.

В топологии звезды (star topology) каждый узел соединен с центром – соединительным модулем (hub) или концентратором (concentrator); он действует как центральный узел связи всей сети рис. 3.3. Некоторые модели соединительных модулей и концентраторов имеют встроенные диагностические средства, управляемые соответствующим программным обеспечением.

Преимущество такой топологии заключается в том, что при обрыве связи между одним из узлов и центром оставшаяся часть продолжает работать. Только отказ соединительного модуля или концентратора воздействует более чем на одну станцию.

Гибридная топология.

Гибридная топология – это комбинация нескольких различных топологий.

Гибридная топология популярна в глобальных сетях и сетях предприятий, в которых имеется основное – “становое” – кольцо, к которому подключаются остальные сети.

Ячеистая топология.

Наиболее отказоустойчивая топология сети – ячеистая (mesh topology). Каждый узел сети соединяется со всеми остальными рис. 3.4. Основное преимущество такой сети – она продолжает работать при отказе отдельного узла или разрыве любого кабеля. При обрыве кабельной секции данные могут быть перенаправлены через другие узлы и все равно достигнут места назначения.

К сожалению, такие сети чрезвычайно дороги и сложны в монтаже. Обычно эта топология используется в больших сетях, таких как Frame Relay или ATM, когда стоимость отступает на задний план перед производительностью и надежностью.

Архитектуры сетей.

Спросите любого администратора о том, какую сеть он использует, и его ответ наверняка будет начинаться со слов Ethernet, Token Ring или названия какой-то другой архитектуры. Архитектура сети определяет скорость передачи, стоимость и тип кабеля для сети.

В начале этого раздела описаны три сформировавшиеся архитектуры: Ethernet, Token Ring и ARCnet. Затем рассмотрены более новые и высокопроизводительные системы – FDDI, ATM и Ethernet со скоростью 100 Мбит/с. Сравнение различных архитектур сетей приведено в таблице.

Тип сети	Скорость передачи, Мбит/с	Типы кабелей	Топологии
Ethernet	10	Coax, UTP	Звезда, шина
Token Ring	4 или 16	UTP, STP	Звезда, кольцо
ARCnet	2,5	Coax, UTP	Звезда, шина
FDDI	100	Fiber optic	Звезда, кольцо
CDDI	100	UTP, STP	Звезда, кольцо
ATM	155 – 622	UTP, STP, fiber optic	Звезда
100VG-AnyLAN	100	UTP, STP	Звезда
100BaseX	100	UTP	Звезда

Ethernet.

Это, вероятно, самый старый тип сетей – он был изобретен Xerox Corporation в 1973 г. Несмотря на возраст, эта архитектура наиболее часто используется в сетях, так как обладает удачным сочетанием низкой стоимости и высокой производительности.

Ethernet – идеал для небольших и средних сетей. Его основные преимущества:

• Недорогие карты адаптеров. Сетевые карты (NIC) для Ethernet гораздо доступнее, чем карты для других сетей, таких как Token Ring или FDDI.

• Простота установки. В Ethernet можно использовать различные типы кабелей, и установка сети проста и дешева. В ряде случаев можно использовать существующий телефонный кабель.

• Широкое использование. Так как Ethernet используется повсеместно, продукцию для нее выпускают многие фирмы, и они могут помочь в оптимизации сети и повышении ее производительности. Другое преимущество – простота стыковки.

• Скорость. В зависимости от загрузки сети скорость передачи Ethernet в достигает 10 Мбит/с.

Однако при выборе Ethernet необходимо иметь в виду следующие ее недостатки:

• Плохая производительность при сильной загрузке. Используемый в Ethernet протокол обмена данными CSMA/CD плохо ведет себя при увеличении нагрузки на сеть. В больших сетях производительность Ethernet сильно падает с ростом потока сообщений в сети.

• Сложность диагностики. Версии Ethernet, основанные на шинной топологии, могут очень плохо поддаваться диагностике отказов. В шинной топологии отказ в одной точке приводит к остановке всей сети.

Протокол CSMA/CD Ethernet. Каждая сетевая архитектура должна иметь метод управления доступом нескольких устройств к одному кабелю. В Ethernet для регулирования доступа нескольких устройств к одному сетевому кабелю используется метод под названием CSMA/CD (carrier sense multiple access with collision detection). Это название расшифровывается как “множественный доступ с обнаружением несущей и разрешением столкновений”.

При работе Ethernet с CSMA/CD узел должен прослушать сетевой кабель перед тем, как пытаться передать что-либо по сети. Если узел не обнаружил в кабеле носителя сигнала, он передает кадр (носителем (carrier) называется электронный сигнал, свидетельствующий о том, что кабель занят другим устройством). Если кабель занят, перед повторной попыткой передачи узел должен определенное время подождать.

Когда адаптер начинает передачу, сигнал не достигает всех частей сети одновременно. На самом деле он передается по кабелю со скоростью, составляющей примерно 80% от скорости света.

После передачи кадра узел продолжает прослушивать кабель для обнаружения возможных столкновений (collisions). Если при занятом кабеле другой узел сети начинает передавать кадр, происходит столкновение. При этом кадры повреждаются. Перед повторной передачей кадров вовлеченные в столкновение станции должны отключиться и выждать случайный промежуток времени.

Перед повтором передачи нужно соблюдать осторожность, иначе сеть может оказаться перегруженной адаптерами, впустую пытающимися передавать, причем каждая передача будет приводить к коллизии. Чтобы избежать таких ситуаций, Ethernet использует стратегию двоичной экспоненциальной задержки, при которой отправитель ждет случайное время после первой коллизии, в два раза дольше, если вторая попытка передать, также привела к коллизии, в четыре раза дольше, если третья попытка привела к коллизии, и так далее. Идея, лежащая в основе экспоненциальной задержки, заключается в том, что при коллизии возможно, что большое число станций будет пытаться передавать одновременно и может возникнуть большие помехи для трафика. При таких помехах существует большая вероятность того, что две станции выберут похожие времена задержки. Поэтому вероятность того, что возникнет новая коллизия, велика. С помощью удвоения случайного времени задержки стратегия экспоненциальной задержки быстро распределяет попытки повторной передачи станций на достаточно большой промежуток времени, что делает вероятность дальнейших коллизий крайне маленькой.

Хотя в каждом кадре присутствует адрес узла назначения, каждый узел должен проверять все проходящие мимо него кадры. Если кадр не предназначен данному узлу, он передается следующему.

Если узел получает пакет, адресованный ему, перед обработкой пакета он должен проверить целостность данных. При этом тщательно проверяются некоторые поля полученного пакета. Первое и самое главное – узел должен проверить, что пакет не слишком длинный. В сетях Ethernet пакеты длиной более 1518 байт считаются слишком длинными; они не могут быть обработаны. Затем проверяется циклический избыточный код (cyclical redundancy check - CRC). И, наконец, последняя проверка – не является ли пакет слишком коротким. Длина пакета не может быть меньше 64 байт. Если пакет прошел эти проверки, он передается сетевому драйверу для дальнейшей обработки.

Вопрос на будущее! Чем объясняются ограничения на размер пакета Ethernet?

С ростом размера сети растет число столкновений в ней и, как следствие, падает производительность. Однако остроту этой проблемы можно сгладить за счет правильного распределения нагрузки на сеть и разбиения ее на сегменты (подсети).