1.2 Топология физических связей
В начале мы рассматривали вырожденную сеть, т.е. состоящую из двух ПК. При объединении же большого числа машин возникает целый комплекс проблем. В первую очередь необходимо понять принципы организации физических связей, ибо они в значительной мере определяют и принципы взаимного обмена сообщениями между ПК.
Под топологией ВС понимается конфигурация графа, где ребрами являются физические линии связи, а в узлах находятся ПК (иногда другое оборудование, например концентраторы).
Можно заметить, что конфигурация физических связей определяется электрическими соединениями ПК между собой и может отличатся от конфигурации логических связей между узлами ВС. Логические связи представляют собой маршруты передачи данных и между узлами ВС и образуются путем соответствующей настройки коммуникационного оборудования.
Выбор топологии сильно влияет на характеристики ВС. Например, резервные связи повышают надежность работы ВС, возможность реконфигурации сети.
Простота присоединения новых узлов в некоторых технологиях, елает ВС легко расширяемой.
В тоже время целесообразно исходить из экономических соображений, когда обеспечивается минимальная длинна линий связи.
Какие же виды топологий встречаются наиболее часто?
Полносвязаная топология. Здесь каждый ПК связан с каждым (рис.6.а). Не смотря на логическую простоту, этот вариант наименее экономически целесообразен и наиболее громоздок. Действительно, здесь каждый ПК должен иметь большое число коммуникационных портов. Для каждой пары ПК должна быть своя линия связи. Такие топологии используются крайне редко. Как правило он наиболее пригоден в глобальных сетях при небольшом числе суперкомпьютеров (иногда в многомашинных комплексах).
а. б. в.
г. д.
Рис.6. Топологии ВС
Во всех других топологиях (ТХ) обмен данными проходит через промежуточные узлы.
Ячеистая топология. Получается из полносвязанной Т-и путем удаления некоторых связей (рис.6.б). В этой топологии непосредственно связаны только ПК между которыми идет интенсивный обмен. Эта Т-я также наиболее присуща Глобальным сетям.
Общая шина. (рис.6. в). Является наиболее распространенной Т-й для локальных ВС (Ethernet). В этом случае все ПК подключены к одному коксиальному кабелю (витой паре) по принципу «монтажного ИЛИ». Передаваемая информация распространяется в обе стороны. В такой топологии существенно снижаются затраты на линию связи, унифицируется процесс подключения. Просто организуется процесс широковещательного обращения ко всем станциям сети.
В тоже время существуют и серьезные недостатки:
1. Низкая надежность, любой дефект кабеля или соединительного разьема парализует всю сеть (одно из условий согласование сети по волновому сопротивлению).
2.Невысокая производительность, так как только один компьютер в ВС может одновременно использовать всю сеть. Поэтому пропускная способность канала делится между всеми узлами.
Топология звезда. (рис.6.г) В этом случае каждый компьютер подключается отдельным кабелем к общему устройству, называемому концентратором, который находится в центре сети. Основная функция концентратора передача информации оному или всем ПК в зависимости от типа логического структурирования ВС. Концентратор Главное преимущество существенно большая надежность. Любые неприятности с кабелем связанны только с ПК присоединенного к этой линии связи. Только неисправность концентратора может обрушить сеть. Кроме того, концентратор может играть роль интеллектуального фильтра: запрет на прохождении данных блокированных администратором.
Недостаток: высокая стоимость, возможность наращивания ограниченна числом портов концентратора.
Топология кольцо. Данные передаются по кольцу от ПК к ПК в одном направлении (Token Ring). Если компьютер распознает данные как свои, тогда он вынимает их из «кольца» и записывает себе в буфер. В такой топологии необходимо принимать специальные меры, чтобы в случае отключения станции или выхода из строя связь не была оборванна.
В тоже время «кольцо» является удобной конфигурацией обеспечивающей обратную связь, сделав оборот, информация возвращается к источнику, что позволяет контролировать процесс доставки данных адресату. Часто это свойство сети используется для тестирования связей сети и поиска узлов работающих некорректно.
В то время как небольшие сети, как правило, имеют четко выраженную стандартную топологию. Для крупных сетей характерно наличие произвольных связей. Т.е. имеет место подсети которые в совокупности образуют гетерогенную структуру.
Организация совместного использования линий связи.
Как уже было сказано, в ВС используются как индивидуальные линии связи, так и разделяемые (Shared), когда одна линия связи попеременно используется несколькими ПК. В этом случае ( часто используется термин разделяемая среда передачи данных Shared media) возникают две проблемы, Первая – логическое разделение во времени доступа к среде. Вторая – обеспечение нужного качества передаваемых сигналов от нескольких ПК.
Классический пример: топология общая шина. Ни один ПК не может владеть связью индивидуально независимо от других ПК, т.к. при одновременной передачи данных наступает полное искажение информации. В топологии «кольцо» или «звезда» принципиально индивидуальное использование возможно. Но и здесь, как правило, только один ПК имеет право отправлять пакеты другим ПК, т.е. также разделяемая среда.
В сетях из-за существенного времени распространения сигналов по линиям связи (для каждого ПК может отличаться) процедура согласования доступа к линии связи может занимать продолжительный отрезок времени.
Имеется понятие задержек доступа к среде передачи данных в сетях Ethernet, Token Ring, FDDI от коэффициента использования сети . Коэффициент использования равен отношению трафика, который должна передавать сеть к ее максимальной пропускной надежности. Суммарный трафик при этом равен сумме интенсивностей трафика генерируемого каждым узлом. Как правило, коэффициент задержки доступа к среде начиная с 50-60 % имеет ярко выраженный экспотенциальный характер. Оптимальная загрузка не должна превышать 50 % иначе пропускная способность резко падает (для Ethernet). Для сети Ethernet допустимое число узлов редко превосходит 30, а при использовании мультимедийных приложений вряд ли превышает 10.
Иногда имеет смысл строить иерархическую сеть с использованием нескольких концентраторов (коммутаторов). В настоящее время иерархическая звезда самая распространенная топология ВС. Здесь индивидуальные линии связи имеют место на нижнем уровне и разделяемая среда на верхнем. Справедливо отметить, что применение коммутаторов существенно увеличивает стоимость ВС. В тоже время на верхнем уровне лишь пара коммутаторов борется за право владения линией.
Адресация ПК.
К адресу узла ВС и схеме его назначения можно предъявить несколько требований:
Уникальность адреса ПК в сети любого масштаба.
Минимум труда администратора при назначения адресов ПК и исключения их дублирования.
Адрес должен иметь иерархическую структуру, удобную для построения больших сетей (например доставка писем по адресам разных стран). Иначе необходимы сложные таблицы соответствия, состоящие из тысяч записей.
Желательно, чтобы адрес имел символьное представление, например www.ngtu.nsk.ru.
Адрес должен иметь компактное представление, чтобы не перегружать коммуникационную аппаратуру.
Видно, что часть требований противоречивы. Символьный адрес всегда требует больше памяти, чем адрес число (плоский адрес). Из-за сложности совмещения, как правило, ПК имеет несколько адресов –имен. Существуют вспомогательные протоколы (ARP – Address Resolution Protocol – протокол разрешения адреса) и службы (DNS – Domain Name System – система доменных имен) которые по имени одного типа определяют имена других типов.
Наибольшее распространение получили три типа адресов.
1.3 Аппаратные адреса (hardware), предназначены для небольшой сети и не имеют иерархичной структуры. Этот адрес компактен, записывается в двоичного или шестнадцатеричного значения, например 037231р13а9. Эти адреса встраиваются в аппаратуру и не требуют ручной работы. Генерируются при каждом новом запуске оборудования, и уникальны в пределах сети.
Недостаток. При замене аппаратуры (сетевого адаптера) изменяется и адрес ПК. При нескольких адаптеров. Также и несколько адресов у одного и того же ПК.
Символьные адреса. Эти адреса несут четкую смысловую нагрузку и хорошо структурированы. Характерны в частности для сети Internet. Но могут использоваться и в корпоративных сетях. В пределах локальной сети можно использовать младшую часть полного символа.
Числовые составные адреса. Несмотря на удобство символьных адресов. Они имеют переменный формат, длинны и не экономичны для передачи по ВС. Чаще используют составные числовые адреса фиксированного и компактного форматов. Типичные представители это адреса типа IP (сетевой Internen Protocol) и IPX (сетевой Internetworck Packet Exchang сети стека Novell). Здесь имеется деление на старшую и младшую части: адрес сети и номер узла. Такое деление позволяет осуществлять доставку в нужную сеть только на основании номера сети, и только затем используется номер узла.
В современных сетях применяется как правило, все три типа адресации. Пользователи адресуют ПК символьными именами, которые в сообщениях автоматически меняются на числовые и передаются по сети. После доставки в сеть идет замена на аппаратный адрес.
Проблемы установления соответствия могут решаться, как распределено, так и централизованно через службу разрешения имен (DNS).
Во втором случае в сети имеется DNS-сервер, к которому и обращаются все ПК, чтобы найти номер компьютера, с которым надо обменяться данными.
При распределенном подходе используется широковещательная рассылка, когда каждый ПК требует идентифицировать другие ПК свое имя. Тот, кто распознал свое имя, отправляет ответ содержащий его аппаратный адрес, после чего и возможна отправка сообщения по сети.
Этот подход не предполагает наличие сервера, однако при этом широковещательные рассылки сильно перегружают сеть, поэтому обычно применяется в небольших сетях.
Обычно сетевая технология это набор программно-аппаратных средств и соответствующих протоколов (правил) достаточный для построения сети. Так как разработаны базовые технологии (Ethernet, Token Ring, FDDI) и соответствующие им протоколы то при создании ВС обычно пользуются стандартными средствами.
Так в настоящее время стандарт Ethernet,принятый в 1980г. наиболее распространен. Число сетей более 5 млн., пользователей более 50 млн. Основной принцип разделения к среды – случайный метод доступа к линии связи (коксиал, витая пара, оптоволокно), топология «общая шина», скорость 10 Мбит/с.
Суть метода. Если ПК убедился, что сеть свободна начинается передача данных. Время владения сетью определяется длинной кадра. Кадр это единица данных которыми обмениваются ПК сети. Для Ethernet минимальная длина кадра 72 байта (576 бит), максимальная 1526 байт.
Все компьютеры сети при попадании кадра начинают воспринимать его одновременно и все анализируют первые байты сообщения. ПК распознавший свой адрес и помещает информацию в буферный регистр.
При одновременной передачи данных несколькими ПК возможно искажение сообщения – коллизия. Предусмотрен специальный алгоритм обнаружения коллизии (carrier-sense-multiply-access with collision detection, CSMA/CD) –метод коллективного доступа с опознаванием несущей и обнаружение коллизий. Если коллизия есть, то адаптеры пытающиеся передать сообщение, прекращают передачу, а после случайной паузы возобновляют.
Основное достоинство Ethernet: экономичность, простой алгоритм доступа к среде, а соответственно дешевизна адаптеров, драйверов, надежность сети. Кроме того простота расширения сети.