17.1.3 Топология компьютерных сетей
Компьютерную сеть представляют как совокупность узлов (компьютеров и сетевого оборудования) и соединяющих их ветвей (каналов связи). Ветвь сети – это путь, соединяющий два смежных узла. Различают узлы оконечные, расположенные в конце только одной ветви, промежуточные, расположенные на концах более чем одной ветви, и смежные – такие узлы соединены по крайней мере одним путём, не содержащим никаких других узлов. Набор правил, определяющий использование канала передачи данных, соединяющего узлы сети на физическом уровне называется методом доступа к среде передачи данных. Компьютеры могут объединяться в сеть разными способами.
Логический и физический способы соединения компьютеров, кабелей и других компонентов, в целом составляющих сеть, называется ее топологией. Топология характеризует свойства сетей, не зависящие от их размеров. Вид топологии определяет состав сетевого оборудования, возможности расширения сети, а также способ управления сетью. Топология определяет вид кабеля, способ его прокладки и способ взаимодействия компьютеров.
Топология как математическое понятие: Топология (от греч. topos – место и ... логия), раздел математики, изучающий топологические свойства фигур, т. е. свойства, не изменяющиеся при любых деформациях, производимых без разрывов и склеиваний. Примерами топологических свойств фигур являются размерность, число кривых , ограничивающих данную область и т. д. Так, окружность, эллипс, контур квадрата имеют одни и те же топологические свойства, т. к. эти линии могут быть деформированы одна в другую описанным выше образом; в то же время кольцо и круг обладают различными топологическими свойствами: круг ограничен одним контуром, а кольцо – двумя. (Советский энциклопедический словарь, 1979).
Наиболее распространенные виды топологий сетей:
Линейная сеть или «шина». Содержит только два оконечных узла, любое число промежуточных узлов и имеет только один путь между любыми двумя узлами.
Рисунок 17.5. Схема топологии «общая шина»
Подобная топология получила название «общая шина» (англ. Bus). Линейная шина – самая простая топология. При использовании общей шины все устройства подключаются к одному кабелю, на концах которого
Рисунок 17.6. Сеть на основе общей шины
расположены терминаторы. Терминатор – как заглушка на конце сети, устанавливается для предотвращения отражения сигнала в конце шины. Данные передаются в виде электрических импульсов всем компьютерам сети, а принимает только тот, чей адрес закодирован в передаче. Шина – широковещательный способ (данные передаются всем компьютерам). Производительность сети зависит от количества компьютеров. Шина – пассивная топология (компьютеры только слушают сигналы, но не регенерируют их). Таким образом, производительность принятия на конце сети будет ниже. Неработоспособность компьютера в такой топологии не влияет на работоспособность сети. Поломка общего кабеля или терминатора приводит к выходу из строя всей сети, к тому же нельзя без специальных приборов сразу определить место повреждения кабеля, что может повлечь относительно длительную неработоспособность всей сети. Необходимо, переключая терминатор, методом последовательных приближений искать это место. К плюсам, пожалуй, можно отнести только небольшую длину необходимого для прокладки сети кабеля.
Звездообразная сеть или «звезда» (Star). Сеть, в которой имеется только один промежуточный узел.
Рисунок 17.7.Схема топологии «звезда»
В сетевой топологии «звезда» используется сетевой концентратор (hub), к которому отдельным кабелем подключается каждая рабочая станция.
Рисунок 17.8.Сеть на основе «звезды»
При выходе из строя одного из кабелей доступ к сети теряет только подключенный этим кабелем компьютер, а остальная часть сети продолжает работать. Правда, сам концентратор тоже может выйти из строя, но опыт показывает, что при использовании качественного концентратора это произойдет не скоро. Достоинствами подобной топологии являются: 1) централизованное подключение, а значит и контроль; 2) выход из строя одного компьютера не разрушает сеть. К недостаткам можно отнести: 1) очень большой расход кабеля; 2) выход из строя концентратора приводит к неработоспособности всей сети.
Кольцевая сеть или «кольцо» (Ring). Сеть, в которой к каждому узлу присоединены две и только две ветви.
Рисунок 17.9.Схема топологии «кольцо»
Передача сигналов в такой сети осуществляется всем компьютерам, пока он не достигнет адресата. Каждый компьютер, принимая сигнал, регенерирует его и отправляет далее по сети.
Рисунок 17.10. Сеть кольцеобразной топологии
Таким образом, сигнал никогда не гаснет, поэтому такая топология является активной. Главным недостатком подобной топологии является то, что выход из строя одного компьютера приводит к выходу из строя всей сети. Подключение новой рабочей станции требует краткосрочного выключения сет, так как во время установки кольцо должно быть разомкнуто. Ограничений на протяженность вычислительной сети не существует, так как оно, в конечном счете, определяется исключительно расстоянием между двумя рабочими станциями. Специальной формой кольцевой топологии является логическая кольцевая сеть. Физически она монтируется как соединение звездных топологий.
Наряду с вышеописанными топологиями вычислительных сетей на практике применяется и комбинированная, например древовидная топология. Она образуется в основном в виде комбинаций вышеназванных топологий вычислительных сетей (шина, кольцо, звезда). Основание дерева вычислительной сети (корень) располагается в точке, в которой собираются коммуникационные линии информации (ветви дерева).
Комбинированная топология совмещает достоинства разных топологий и позволяет создавать более сложные сети, например:
1) Звезда – шина (Star – bus).
Рисунок 17.11. Комбинированная топология «звезда-шина»
2) Звезда – кольцо (Star – Ring).
Рисунок 17.12. Комбинированная топология «звезда-кольцо»
Важнейшая характеристика компьютерной сети – её архитектура.
Архитектура сети — это реализованная структура сети передачи данных, определяющая её топологию, состав устройств и правила их взаимодействия в сети. В рамках архитектуры сети рассматриваются вопросы кодирования информации, её адресации и передачи, управления потоком сообщений, контроля ошибок и анализа работы сети в аварийных ситуациях и при ухудшении характеристик.
Наиболее распространённые архитектуры:
Ethernet (англ. ether – эфир) – широковещательная сеть. Это значит, что все станции сети могут принимать все сообщения. Топология – линейная или звездообразная. Скорость передачи данных 10 или 100 Мбит/сек.
Arcnet (Attached Resource Computer Network – компьютерная сеть соединённых ресурсов) – широковещательная сеть. Физическая топология – дерево. Скорость передачи данных 2,5 Мбит/сек.
Token Ring (эстафетная кольцевая сеть, сеть с передачей маркера) – кольцевая сеть, в которой принцип передачи данных основан на том, что каждый узел кольца ожидает прибытия некоторой короткой уникальной последовательности битов – маркера – из смежного предыдущего узла. Поступление маркера указывает на то, что можно передавать сообщение из данного узла дальше по ходу потока. Скорость передачи данных 4 или 16 Мбит/сек.
FDDI (Fiber Distributed Data Interface) – сетевая архитектура высокоскоростной передачи данных по оптоволоконным линиям. Скорость передачи – 100 Мбит/сек. Топология – двойное кольцо или комбинированная (с включением звездообразных или древовидных подсетей). Максимальное количество станций в сети – 1000. Очень высокая стоимость оборудования.
АТМ (Asynchronous Transfer Mode) – перспективная, пока ещё очень дорогая архитектура. Это новейшая технология построения сетей с коммутацией кадров, обеспечивающая высокоскоростную передачу данных путем посылки ячеек данных (кадров фиксированного размера) по широкополосным локальным и глобальным вычислительным сетям. Обеспечивает передачу разных видов данных: речи, двоичных данных, факсимильных сообщений, видео в реальном режиме времени, звука с качеством CD, изображений – на скоростях в десятки и сотни Мбит/с. Большинство плат АТМ будет передавать данные со скоростью около 155Мбит/с, хотя теоретически скорость может составить 1,2 – 2,5 Гбит/с. Линии связи – оптические.