12
подходов и общих функций, а также согласованию стилей их описания. В
результате канальный уровень был разделен на два упомянутых подуровня.
Описание каждой технологии разделено на две части:
-описание уровня MAC;
-описание физического уровня.
Как видно из представленного рисунка, практически у каждой
технологии единственному протоколу уровня MAC соответствует несколько
вариантов протоколов физического уровня. В целях экономии места, на
рисунке 1.2 приведены только технологии Ethernet и Token Ring, но все
сказанное справедливо также и для остальных технологий, таких как ArcNet,
FDDI, l00VG-AnyLAN.
1.2. Топологии вычислительных локальных сетей
Топологией сети называется ее физическая конфигурация в совокупности
с сетевыми логическими характеристиками. Термин «топология» является
стандартом, используемым при описании основной компоновки сети.
Используемые сетевые топологии определяют возможности сетей [1].
Существует два основных типа топологий: физическая и логическая
Логическая топология описывает правила взаимодействия элементов сети
при передаче данных.
Физическая топология определяет, каким образом реализовано соединение
носителей данных.
Топология сети определяет физическое расположение компьютеров,
кабельной инфраструктуры и других сетевых компонентов, а также
обуславливает характеристики сети. Выбор того или иного варианта сетевой
топологии определяет:
- состав сетевого оборудования, необходимого для построения сети;
- характеристики сетевого оборудования;
- возможности дальнейшего расширения сети;
- способ сетевого управления.
13
При выборе той или иной сетевой топологии необходимо учитывать, ее
возможности в отношении обеспечения надежной и эффективной работы сети,
удобство управления потоками данных, циркулирующей в сети. Немаловажное
значение имеет также, стоимость создания сети и дальнейшего ее
сопровождения, а также наличие возможности дальнейшего расширения сети и
перехода к более высокоскоростным технологиям [1].
1.2.1. Физические топологии вычислительных сетей
На настоящее время, существует три базовые сетевые топологии, на
основе которых строится большинство локальных сетей:
-шина (bus). Компьютеры подключены вдоль одного кабеля;
-звезда (star). К сегментам кабеля, исходящим из одной точки;
-кольцо (ring). Компьютеры подключены к, замкнутому в кольцо кабелю.
Все базовые топологии достаточно просты сами собой, но в практической
деятельности, довольно часто встречаются их сложные комбинации,
позволяющие объединять в одной сети свойства нескольких топологий.
В топологии «шина», все элементы сети соединяются друг с другом с
помощью одного кабеля, как это показано на рис. 3
Сервер
Рабочая станция 1 Рабочая станция 2 Рабочая станция 3
Сетевой кабель
Рисунок 3 - Топология «шина»
В сети с шинной топологией, передающая станция адресует данные
конкретному компьютеру, с помощью MAC-адресов. Данные передаются по
кобелю, к которому подключены все компьютеры сети, но информацию
принимает только тот, адрес которого соответствует адресу получателя.
14
Особенностью шинной топологии является то, что в каждый момент
времени, вести передачу может только один компьютер и производительность
такой сети определяется количеством компьютеров, подключенных к шине. Чем
больше компьютеров, тем медленнее работает сеть [7].
Помимо количества подключенных компьютеров, на быстродействие сети
влияет также, ряд факторов, а именно:
- характеристики аппаратных средств сетевых компьютеров;
-частота передачи данных;
-характеристики сетевых приложений;
-тип используемого кабеля;
-расстояние между сетевыми элементами.
«Шина» является пассивной топологией, что предусматривает только
"прослушку" компьютерами, передаваемых по сети данных, но они не
перемещают их от отправителя к получателю. Поэтому, при выходе из строя
одного из них, работа сети не нарушается.
Еще одной особенностью шинной сетевой топологии является то, что,
распространяясь по кабелю и достигнув его конца, сигнал отражается и создает
сильные помехи, не позволяющие осуществлять передачу с остальных
компьютеров. С целью подавления отражений электрических сигналов, на
каждом конце кабеля устанавливают заглушки (терминаторы, terminators) (рис.
4). Все концы сетевого кабеля не должны быть свободными, а должны
подключаться к чему-либо (компьютер или баррел-коннектор). Любой
свободный конец кабеля должен быть оснащен терминатором, для подавления
отражения электрических сигналов [8].
15
Рисунок 4 - Установка терминатора
Нарушение функционирование сети может быть обусловлено физическим
обрывом сетевого кабеля или отключения одного из его концов. При отсутствии
терминаторов на одном или нескольких концах кабеля приводит к
возникновению отражений электрических сигналов и нарушению
функционирования сети. Сами по себе компьютеры в сети сохраняют
работоспособность, но не могут взаимодействовать друг с другом.
Существенными недостатками топологии «шина» являются:
-трудности дальнейшего расширения сети;
-невысокая скорость работы сети, обусловленная тем, что в один момент
времени передачу может осуществлять только одно устройство;
-компьютеры только «слушают» кабель и не имеют возможности
восстановления, затухающих при передаче по сети, сигналов;
-невысокая надежность сети.
Недостатки, свойственные для шинной топологии, свели на нет прошлую
популярность таких сетей, и в настоящее время, эта топология уже практически
не используются.
Топология сети типа «шина» известна как логическая топология Ethernet
10 Мбит/с.
При увеличении количества рабочих станций, эффективность работы сети
снижается. В этом случае, выходом является увеличение количества сегментов
для обслуживания групп с меньшим числом пользователей [2].
16
В качестве сетевого сегмента может выступать шина или единичный
пользователь. Для организации шинных сегментов применяется коаксиальный
кабель [4].
Топология «звезда» возникла еще на заре вычислительной техники.
Данная топология предполагает подключение всех компьютеров сети к
центральному, главному, компьютеру, именуемому концентратором (hub).
Схема топологии "звезда" приведена на рис. 5.
Рабочая станция 1
Рабочая станция 2
Рабочая станция 3
Рабочая станция 4
Сегменты кабеля
Рисунок 5 - Схема топологии «звезда»
Через концентратор, сигналы от передающего компьютера передаются ко
всем остальным.
«Звезда» является одной из наиболее распространенных топологий, что
связано с простой обслуживания такой сети. В сетях с топологией «звезда», в
основном используется кабель витая пара UTP категория 3 или 5 и
обеспечивается хорошая масштабируемость сети и гибкое администрирование.
К особым недостаткам можно отнести: выход из строя центрального
концентратора приводит к полной неработоспособности сети и увеличенный
расход кабеля при организации сети [1].
Топология типа «звезда» нашла свое отражение в технологии Fast Ethernet.
При организации сети по топологии «кольцо», сетевой кобель замыкается
в «кольцо», и к нему подключаются компьютеры. Сетевой кабель не имеет
свободного конца, поэтому отпадает необходимость в использовании
терминаторов. Схема сети на основе кольцевой топологии приведена на рис. 6.
17
Сервер
Рабочая станция 1
Рабочая станция 2
Рабочая станция 3
Рабочая станция 4
Рисунок 6 - Схема сети по топологии «кольцо»
Передача сигналов по кольцу осуществляется в одном направлении, при
этом сигналы проходят через каждый компьютер. В результате, каждый
компьютер является репитером, усиливая сигналы и передавая их следующему
компьютеру. В этом заключается главное отличие «звезды» от пассивной
шинной топологии. Но в этом заключается и главный недостаток топологии
«звезда», при выходе из строя одного компьютера, прекращает
функционировать вся сеть [1].
Одним из принципов передачи данных в сети, построенной на основе
топологии «кольцо», является передача маркера. Данный принцип сводится к
тому, что маркер последовательно передается от одного компьютера к другому,
пока его не получит тот, который готов к передаче данных. Передающий
компьютер модифицирует маркер, добавляет адрес получателя в данные и
посылает их по кольцу.
Данные последовательно проходят через каждый компьютер, пока не
достигнут того, чей адрес соответствует, указанному в них, адресу получателя.
Далее, принимающий компьютер посылает подтверждение о получении
данных, в адрес передающей машины. После получения подтверждения,
передающий компьютер создает новый маркер и возвращает его в сеть.
Использование маркера исключает возможность возникновения коллизий [1].
18
Скорость передвижения маркера по кольцу, достигает очень высоких
значений. В кольце диаметром 200 метров маркер может циркулировать с
частотой 10 000 оборотов в секунду.
Существенным недостатком кольцевой топологии является то что,
выход из строя одной рабочей станции, нарушает работоспособность сети
в целом.
Наиболее широкое распространение кольцевая топология получила в
сетях на основе оптоволоконного кабеля, к примеру, Gigabit Ethernet.
Существующие компьютерные сети подвергаются постоянному
расширению и модернизации. В связи с этим, практически любая сеть
становится гибридной, ее топология, зачастую, представляет собой комбинацию
нескольких базовых топологий. Из подобных комбинаций, особо следует
выделить топологию «дерево» (tree), которая, по сути, представляет собой
объединение нескольких «звезд» (рис. 7). Именно данная топология является
наиболее популярной при организации современных локальных сетей.
Дерево может быть как активным, так и пассивным. В случае активного
дерева, в центрах объединения нескольких линий связи устанавливаются
серверы, а в случае организации сети по схеме «пассивное дерево» -
концентраторы (хабы) [8].
Рисунок 7 - Схема топологии сети типа «дерево»
Достаточно часто используются такие комбинированные топологии, как
звездно-шинная (star-bus) (рис. 8), и звездно-кольцевая топология.
19
Рисунок 8 - Схема комбинированной топологии сети типа «star-bus»
В данном случае, к концентратору подключаются как отдельные
компьютеры, так и целые шинные сегменты. В данной топологии может
использоваться и несколько, соединенных между собой концентраторов,
которые образуют так называемую магистральную, опорную шину. При этом, к
каждому концентратору подключаются отдельные компьютеры или шинные
сегменты, образуя в результате звездно-шинное дерево.
Данная комбинированная топология позволяет легко изменять число,
подключенных к сети компьютеров, а с позиции распространения информации,
эта топология аналогична классической шине.
В случае звездно-кольцевой (star-ring) топологии (рис. 9), в кольцо
объединяются специальные концентраторы, к которым в свою очередь
подключаются компьютеры с помощью звездообразных двойных линий связи.
Рисунок 9 - Схема комбинированной топологии «star-ring»
В случае использования топологии «star-ring», все компьютеры сети в
действительности, включаются в замкнутое кольцо. Данная топология позволяет
20
комбинировать преимущества звездной и кольцевой топологий, а с точки
зрения распространения информации, данная топология аналогична
классическому кольцу [8].
Еще ода комбинированная топология, на которой хотелось бы
остановиться – это сеточная (mesh) топология сети. Схема данной топологии
приведена на рисунке 10.
Такая топология обладает исключительной надежностью. В случае обрыва
любого канала, передача данных не останавливается, что обусловлено наличием
нескольких маршрутов доставки данных и возможностью выбора любого из
них.
Рисунок 10 - Схема сеточной топологии сети
Использование сеточной топологии оправдано там, где требуется
обеспечить максимальную отказоустойчивость сети. Примером такой сети,
может быть сеть, образованная в результате объединения нескольких участков
сети крупного предприятия или при подключении к Интернету.
Недостатками сеточной топологии является существенное увеличение
расхода кабеля, усложнение сетевого оборудования и его настройки. Поэтому,
чаще всего, используют не полные, а частичные сеточные топологии сетей.
При полной сеточной топологии каждый компьютер имеет
непосредственную связь со всеми остальными, что при увеличении числа
21
компьютеров, приводит к резкому возрастанию количества линий связи.
Помимо этого, любое изменение сетевой конфигурации требует внесения
изменений в сетевую аппаратуру всех компьютеров.
Описанные обстоятельства не способствовали широкому
распространению полной сеточной топологии, поэтому гораздо чаще
используется частичная сеточная топология, которая предполагает прямые связи
только для самых активных рабочих станций, передающих максимальные
объемы данных. Остальные компьютеры соединяются с помощью
промежуточных узлов.
Главное достоинство сеточной топология заключается в возможности
выбора маршрута доставки информации от станции к станции, с обходом
неисправных участков. С одной стороны, это позволяет значительно увеличить
надежность сети, с другой, требует существенного усложнения сетевого
аппаратного обеспечения [8].
Логическая топология определяет реальные пути сигналов при
передаче данных в соответствии с используемой физической топологией.
Следовательно, логическая топология описывает пути передачи потоков
данных между устройствами сети и определяет правила передачи данных по
используемой среде передачи с гарантированием отсутствием помех,
влияющих на корректность передачи данных.
Когда сигнал достигает конца среды передачи, он автоматически
удаляется из среды передачи (гасится), соответствующими устройствами,
«терминаторами» (рис. 4), что предотвращает отражение сигнала и его
обратное поступление в среду передачи.
Метод контроля доступа к среде передачи в таких сетях всегда
базируется на технологии «маркеров доступа». Однако последовательность
получения права на передачу данных (путь следования маркера), не всегда
может соответствовать реальной последовательности подключения станций к
физическому кольцу.