46. Физическая и логическая организация сетей. Сетевые топологии. Способы маршрутизации.

Сетевая топология описывает то, как сеть спроектирована физически. Наиболее популярные из них – «звезда» и «шина».

Топология «звезда». В центре каждой «звезды» - концентратор или коммутатор, который непосредственно соединен с каждым отдельным узлом сети через тонкий гибкий кабель UTP, часто называемый «витой парой». Кабель соединяет сетевой адаптер с ПК, с одной стороны, с концентратором или коммутатором - с другой. Подробнее о кабельных системах вы узнаете в следующем выпуске. Устанавливать сеть с топологией «звезда» просто и недорого. Число узлов, которые можно подключить к концентратору, определяется возможным количеством портов самого концентратора. Однако имеется ограничение по числу узлов: ваша сеть может иметь максимум 1024 узла. Рабочая группа, созданная по схеме «звезда», может функционировать независимо или может быть связана с другими рабочими группами.

Преимущества топологии «звезда»: цена и простота создания, легкое объединение рабочих групп, простое расширение сети, неисправность одного узла не приводят к остановке работы всей сети.

Недостатки топологии «звезда»: максимальное расстояние между узлом и концентратором не должно превышать 100 метров.

Топология «шина». Согласно схеме «шина», все компьютеры или рабочие группы в сети соединены «цепочкой» с помощью сетевого коаксиального кабеля. Данные передаются от одного узла к другому. В каждом сетевом адаптере, установленном в компьютере, есть соединитель BNC, который подключает компьютер прямо к кабелю.

Преимущества топологии «шина»: очень надежное кабельное соединение, простое расширение сети, не требуется концентратор или другое оборудование.

Недостатки топологии «шина»: не более 30 узлов в сети, общая длина сети не должна превышать 185 метров, неисправность одного узла приводит к неисправности всей сети, трудный поиск неисправностей.

При построении больших сетей, однородная структура связи (использующая типовые топологии, такие как общая шина, кольцо, звезда и полносвязная сеть) превращается из преимущества в недостаток из-за следующих ограничений:

1. на длину связи между узлами;

2. на количество узлов в сети;

3. на интенсивность трафика, который генерируют узлы сети.

Для снятия этих ограничений используются особые методы структуризации сети и специальное структурообразующее оборудование – коммуникационное, т.е. оборудование, с помощью которого отдельные сегменты сети взаимодействуют между собой.

Различают два типа топологии сетей:

1. топология физических связей (физическая структуризация сети). В этом случае конфигурация физических связей определяется электрическими соединениями компьютеров, т.е. рёбрами графа являются отрезки кабеля, связывающие пары узлов;

2. топология логических связей (логическая структура сети). Здесь в качестве логических связей выступают маршруты передачи данных между узлами сети, которые образуются путём соответствующей настройки коммуникационного оборудования.

1. Для физической структуризации сети используются коммуникационные устройства: повторитель и хаб. Повторитель передаёт сигналы, приходящие из одного сегмента сети, в другие её сегменты. Повторитель позволяет преодолеть ограничения на длину линий связи за счёт улучшения качества передаваемого сигнала.

Добавление в сеть концентратора всегда изменяет физическую топологию сети, но при этом оставляет без изменений её логическую топологию.

Во многих случаях физическая и логическая топологии сети совпадают.

Однако бывают случаи, когда они не совпадают.

Физическая структуризация сети с помощью концентраторов полезна не только для увеличения расстояния между узлами сети, но и для повышения её надёжности. Например, концентратор отключает свой порт, если обнаруживает, что присоединённый к нему узел слишком долго монопольно занимает сеть.

2. Логическая структуризация сети. В сетях большого и среднего размера без логической структуры сети обойтись невозможно. Наиболее важной проблемой, не решаемой путём физической структуризации, остаётся проблема перераспределения передаваемого трафика между различными физическими сегментами сети.

В большой сети естественным образом возникает неоднородность информационных потоков: сеть состоит из множества подсетей. В одних случаях наиболее интенсивный обмен данными наблюдается между компьютерами, принадлежащими одной подсети, и только небольшая часть обращений происходит к ресурсам других подсетей. На других предприятиях наблюдается обратная ситуация: интенсивность внешних обращений выше интенсивности обмена между соседними машинами. Но независимо от того, как распределён внешний и внутренний трафик, для повышения эффективности работы сети необходимо учитывать неоднородность информационных потоков.

Например, в сети с общей шиной взаимодействие любой пары компьютеров занимает её на всё время обмена, поэтому при увеличении числа компьютеров в сети шина становится узким местом. Компьютеры одного отдела вынуждены ждать, когда завершит обмен пара компьютеров другого отдела.

На данном рисунке физическая и логическая структуризация совпадают. Такая ситуация возникает из-за того, что логическая структура сети осталась однородной. Она никак не учитывает возможность локальной обработки трафика внутри отдела и предоставляет всем парам компьютеров равные возможности по обмену информацией.

Такая же ситуация может произойти в сети, построенной по принципу общей шины.

Для решения проблемы придётся отказаться от идеи единой однородной разделяемой среды. Кадры, которые передаются внутри подсети, не должны выходить за пределы этой части сети.

В сеть каждого из отделов должны попадать только те кадры, которые адресованы узлам этой сети. При такой организации работы производительность сети существенно повышается, так как компьютеры разных отделов не будут зависеть друг от друга.

Распределение трафика, предназначенного для компьютеров некоторого сегмента сети, только в пределах этого сегмента, называется локализацией трафика. Поэтому логическая структуризация сети – это процесс разбиения сети на сегменты с локализованным трафиком.

Для логической структуризации сети используются коммуникационные устройства: мосты, коммутаторы, маршрутизаторы и шлюзы.

Задача маршрутизации состоит в выборе маршрута для передачи от отправителя к получателю. Она имеет смысл в сетях, где не только необходим, но и возможен выбор оптимального или приемлемого маршрута. Речь идёт прежде всего о сетях с произвольной (ячеистой) топологией, в которых реализуется коммутация пакетов. Однако в современных локальных сетях со смешанной топологией (звездно-кольцевой, звездно-шинной, многосегментной) реально стоит и решается задача выбора маршрута для передачи кадров, для чего используются соответствующие средства, например, маршрутизаторы.

Основные цели маршрутизации заключаются в обеспечении:

- минимальной задержки пакета при его передаче от отправителя к получателю;

- максимальной пропускной способности сети, что достигается в частности нивелировкой загрузки линий связи ТКС;

- максимальной защиты пакета от угроз безопасности содержащейся в нем информации;

- надежности доставки пакета адресату;

- минимальной стоимости передачи пакета адресату.

Различают следующие способы маршрутизации.

1. Централизованная маршрутизация. Реализуется обычно в сетях с централизованным управлением. Выбор маршрута для каждого пакета осуществляется в центре управления сетью, а узлы сети связи только воспринимают и реализуют результаты решения задачи маршрутизации. Такое управление маршрутизацией уязвимо к отказам центрального узла и не отличается высокой гибкостью.

2. Распределенная (децентрализованная) маршрутизация. Выполняется главным образом в сетях с децентрализованным управлением. Функции управления маршрутизацией распределены между узлами сети, которые располагают для этого соответствующими средствами. Распределенная маршрутизация сложнее централизованной, но отличается большей гибкостью.

3. Смешанная маршрутизация. Характеризуется тем, что в ней в определенном соотношении реализованы принципы централизованной и распределенной маршрутизации. К ней относится, например, гибридная адаптивная маршрутизация (см. ниже).