Топологии компьютерных сетей

Все компьютеры в локальной сети соединены линиями связи. Геометрическое расположение линий связи относительно узлов сети и физическое подключение узлов к сети называется физической топологией. В зависимости от топологии различают сети: шинной, кольцевой, звездной, иерархической и произвольной структуры.

Сетевая топология может быть:

• 1. Физической — описывает реально расположение и связи между узлами сети;
• 2. Логической — описывает хождение сигнала в рамках физической топологии;
• 3. Информационной — описывает направление потоков информации, передаваемых по сети.
• 4. Управления обменом — это принцип передачи права на пользование сетью

В настоящее время, существует множество способов объединения сетевых устройств. Выделяют 3 базовые топологии:

• 1. Шина;
• 2. Звезда;
• 3. Кольцо.

Топологию «Шина» часто называют «Общей шиной». Данная топология относится к наиболее простым и широко распространенным топологиям. В ней используется один кабель, именуемый магистралью или сегментом, вдоль которого подключены все компьютеры сети.

Сигнал проходит по сети через все компьютеры, отражаясь от конечных терминаторов.

Рисунок 1.2.1 — Топология «Общая шина» .

В сети с топологией «Шина» или «Общая шина», компьютеры адресуют данные конкретному компьютеру, передавая их по кабелю в виде электрических сигналов. Чтобы понять процесс взаимодействия компьютеров по шине.

Данные в виде электрических сигналов передаются всем компьютерам сети. Однако информацию принимает только тот, адрес которого соответствует адресу получателя, зашифрованному в этих сигналах. Причем в каждый момент времени, только один компьютер может вести передачу.

Так как данные в сеть передаются лишь одним компьютером, ее производительность зависит от количества компьютеров, подключенных к шине. Чем их больше, т. е. чем больше компьютеров, ожидающих передачи данных, тем медленнее сеть.

Однако вывести прямую зависимость между пропускной способностью сети и количеством компьютеров в ней нельзя.

Кроме числа компьютеров, на быстродействие сети влияет множество факторов, в том числе:

• 1. Характеристики аппаратного обеспечения компьютеров в сети;
• 2. Частота, с которой компьютеры передают данные;
• 3. Тип работающих сетевых приложений;
• 4. Тип сетевого кабеля;
• 5. Расстояние между компьютерами в сети.

Шина — пассивная топология. Это значит, что компьютеры только «слушают» передаваемые по сети данные, но не перемещают их от отправителя к получателю. Поэтому, если один из компьютеров выйдет из строя, это не скажется на работе остальных.

В активных топологиях компьютеры регенерируют сигналы и передают их по сети.

Данные, или электрические сигналы, распространяются по всей компьютерной сети — от одного конца кабеля к другому. Если не предпринимать никаких специальных действий, сигнал, достигая конца кабеля, будет отражаться и не позволит другим компьютерам осуществлять передачу. Поэтому, после того как данные достигнут адресата, электрические сигналы необходимо погасить. Чтобы предотвратить отражение электрических сигналов, на каждом конце кабеля устанавливают терминаторы, поглощающие эти сигналы. Все концы сетевого кабеля должны быть к чему-нибудь подключены, например, к компьютеру или к баррел-коннектору — для увеличения длины кабеля. К любому свободному, неподключенному концу кабеля должен быть подсоединен терминатор, чтобы предотвратить отражение электрических сигналов.

Разрыв сетевого кабеля происходит при его физическом разрыве или отсоединении одного из его концов. Возможна также ситуация, когда на одном или нескольких концах кабеля отсутствуют терминаторы, что приводит к отражению электрических сигналов в кабеле и прекращению функционирования сети. Сами по себе компьютеры в сети остаются полностью работоспособными, но до тех пор, пока сегмент разорван, они не могут взаимодействовать друг с другом.

Достоинства данной топологии:

• 1. Небольшое время установки сети;
• 2. Дешевизна (требуется кабель меньшей длины и меньше сетевых устройств);
• 3. Простота настройки;
• 4. Выход из строя одной рабочей станции не отражается на работе всей сети.

Недостатки:

• 1. Неполадки в сети, такие как обрыв кабеля или выход из строя терминатора, полностью блокируют работу всей сети;
• 2. Затрудненность выявления неисправностей;
• 3. С добавлением новых рабочих станций падает общая производительность сети.

При топологии «звезда» все компьютеры с помощью сегментов кабеля подключаются к центральному компоненту, именуемому концентратором. Сигналы от передающего компьютера поступают через концентратор ко всем остальным. Эта топология возникла на заре вычислительной техники, когда компьютеры были подключены к центральному, главному, компьютеру.

Рисунок 1.2.2 — Топология «Звезда» .

В сетях с топологией «звезда» подключение кабеля и управление конфигурацией сети централизованны. В виду этого, все компьютеры подключены к центральной точке, следовательно, для больших сетей значительно увеличивается расход кабеля. К тому же, если центральный компонент выйдет из строя, нарушится работа всей сети. А если выйдет из строя только один компьютер (или кабель, соединяющий его с концентратором), то лишь этот компьютер не сможет передавать или принимать данные по сети. На остальные компьютеры в сети это не повлияет. В функции концентратора входит направление передаваемой компьютером информации одному или всем остальным компьютерам сети. Главное преимущество этой топологии перед топологией «Общая шина» заключается в существенно большей надежности. Кроме того, концентратор может играть роль интеллектуального фильтра информации, поступающей от узлов в сеть, и при необходимости блокировать запрещенные администратором передачи. Устанавливать сеть топологию «Звезда» легко и недорого. Число узлов, которые можно подключить к концентратору, определяется возможным количеством портов самого концентратора, однако имеются ограничения по числу узлов (максимум 1024). Рабочая группа, созданная по данной схеме, может функционировать независимо или может быть связана с другими рабочими группами.

К достоинствам топологии «Звезда» относятся:

• 1. Выход из строя одной рабочей станции не отражается на работе всей сети в целом;
• 2. Хорошая масштабируемость сети;
• 3. Лёгкий поиск неисправностей и обрывов в сети;
• 4. Высокая производительность сети (при условии правильного проектирования);
• 5. Гибкие возможности администрирования.

Недостатки топологии «Звезда» :

• 1. Выход из строя центрального концентратора обернётся неработоспособностью сети (или сегмента сети) в целом;
• 2. Для прокладки сети зачастую требуется больше кабеля, чем для большинства других топологий;
• 3. Конечное число рабочих станций в сети (или сегменте сети) ограничено количеством портов в центральном концентраторе.

При топологии «Кольцо» компьютеры подключаются к кабелю, замкнутому в кольцо.

Рисунок 1.2.3 — Топология «Кольцо» .

Поэтому у кабеля просто не может быть свободного конца, к которому надо подключать терминатор. Работа в сети кольца заключается в том, что каждый компьютер ретранслирует (возобновляет) сигнал, то есть выступает в роли повторителя, потому затухание сигнала во всём кольце не имеет никакого значения, важно только затухание между соседними компьютерами кольца. Данные проходят через каждый компьютер, пока не окажутся у того, чей адрес совпадает с адресом получателя, указанным в данных. После этого принимающий компьютер посылает передающему сообщение, где подтверждает факт приёма данных. Получив подтверждение, передающий компьютер создаёт новый маркер и возвращает его в сеть. Чётко выделенного центра в этом случае нет, все компьютеры могут быть одинаковыми. Однако достаточно часто в кольце выделяется специальный абонент, который управляет обменом или контролирует обмен. Понятно, что наличие такого управляющего абонента снижает надёжность сети, потому что выход его из строя сразу же парализует весь обмен.

Компьютеры в кольце не являются полностью равноправными (в отличие, например, от шинной топологии). Одни из них обязательно получают информацию от компьютера, который ведёт передачу в этот момент, раньше, а другие — позже. Именно на этой особенности топологии и строятся методы управления обменом по сети, специально рассчитанные на «кольцо». В этих методах право на следующую передачу (или, как ещё говорят, на захват сети) переходит последовательно к следующему по кругу компьютеру.

Подключение новых абонентов в «кольцо» обычно совсем безболезненно, хотя и требует обязательной остановки работы всей сети на время подключения. Как и в случае топологии «шина», максимальное количество абонентов в кольце может быть достаточно большое (1000 и больше). Кольцевая топология обычно является самой стойкой к перегрузкам, она обеспечивает уверенную работу с самыми большими потоками переданной по сети информации, потому, что в ней, как правило, нет конфликтов (в отличие от шины), а также отсутствует центральный абонент (в отличие от звезды).

Достоинства:

• 1. Простота установки;
• 2. Практически полное отсутствие дополнительного оборудования;
• 3. Возможность устойчивой работы без существенного падения скорости передачи данных при интенсивной загрузке сети, поскольку использование маркера исключает возможность возникновения коллизий.

Недостатки:

• 1. Выход из строя одной рабочей станции и другие неполадки (обрыв кабеля) отражаются на работоспособности всей сети;
• 2. Сложность конфигурирования и настройки;
• 3. Сложность поиска неисправностей;
• 4. Необходимость иметь две сетевые платы, на каждой рабочей станции;
• 5. Добавление/удаление станции требует временной остановки работы сети.

Существует так же ряд дополнительных (производных) физических топологий, таких как:

• 1. Двойное кольцо;
• 2. Ячеистая топология;
• 3. Решётка;
• 4. Дерево;
• 5. Fat Tree;
• 6. Снежинка;
• 7. Полносвязная.

Дополнительные способы являются комбинациями базовых топологий. В общем случае такие топологии называются смешанными или гибридными.