22
Рисунок 7 – Кольцевая структура компьютерной сети
Основные принципы работы основаны на том, что каждая рабочая
станция соединяется с ее ближайшими соседями. Общая схема соединения
отражает замкнутое кольцо, в котором передача производится в одном
направлении. В кольцевой структуре сети рабочие станции представлены в
виде ретрансляторов и выполняют функции по приему-передаче
адресованных пакетов [9].
Протоколы доступа в кольцевой структуре предусматривают
реализацию:
1) Метода передачи маркера или эстафетную передачу, установление
маркера, выступающего идентификатором для передачи данных по сети;
2) Метод вставки регистра, в основе которого находится то, что
рабочая станция включает в свой состав регистр или буфер, который
подключается параллельно кольцу.
Достоинства кольцевой структуры:
1) Простота в проектировании;
2) Возможность исключения использования дополнительного
оборудования;
3) Обеспечение устойчивой работы продолжительный период
времени без потери производительности сети, даже в случае интенсивных
нагрузок.
23
Недостатки кольцевой структуры [11]:
1) В случае выхода из строя одной рабочей станции работа сети
останавливается;
2) Сложность в поиске неисправностей и их исправлении;
3) Настройка конфигурации оборудования предусматривает
выделение существенных временных затрат;
4) Для организации работы сети каждая рабочая станция оснащается
двумя сетевыми платами;
5) Для добавления нового узла сети необходимо остановить работу
всей сети.
Сравнительный анализ основных характеристик рассмотренных
топологий сетей представлен в таблице 1.
Таблица 1 – Характеристики топологий вычислительных сетей
Критерий
сравнения
Шинная структура
Звездообразная структура
Кольцевая структура
1
2
3
4
Определение
Топология,
предусматривающая
подключение рабочих
станций к общему
магистральному кабелю
или линейной шине
Топология, основанная на
использовании
центрального устройства,
позволяющего выполнять
управление рабочими
станциями и сетевым
оборудованием
Каждая рабочая станция
с использованием
каналов передачи
данных, связывается с
другими рабочими
станциями. При этом от
одной рабочей станции
получаются данные, а
другой рабочей станцией
осуществляется их
передача.
Физическая
структура
сети
Канал передачи данных
имеет на концевых
участках специальные
разъемы или терминаторы.
Прокладка основного
кабеля выполняется от
одного сетевого
оборудования к другому
Подключение рабочих
станций к центральному
устройству,
представленному виде
концентратора или
коммутатора и
выполняющего функции по
распределению данных по
всей локальной
компьютерной сети
Передача данных в
однонаправленном
режиме
Логическая
топология
шинной
структуры
Отражение определенной
последовательности кадров
в виде сигналов,
одновременно
распределенных в двух
направлениях по сети
Определение параметров
каналов передачи данных, а
также средств коммутации
и установление порядка
очередности передачи
информации
Передача данных по
физическим каналам
передачи данных до тех
пор, пока не будет
пройдена полностью вся
среда передачи данных
24
Продолжение таблицы 1
1
2
3
4
Принципы
работы
Для передачи по шине
собственных сообщений,
рабочая станция должна
иметь соответствующее
право.
Выполняется передача
сообщений коммутатора
только адресату или только
к определенной рабочей
станции
Каждая рабочая станция
соединяется с ее
ближайшими соседями.
Общая схема соединения
отражает замкнутое
кольцо, в котором
передача производится в
одном направлении
Достоинства
1) Выход из работы одной
рабочей станции не
нарушит работу сети.
2) Не вызывает сложностей
в конфигурировании.
3) Возможна экономия на
эксплуатации сети
1) Выход из строя одной
рабочей станции или
повреждение канала
передачи данных не
приведет к остановке всей
работы сети.
2) Высокая скорость
передачи данных за счет
использования
высокоскоростных
каналов передачи данных.
3) Мониторинг и контроль
работы сети за счет
централизации данных
1) Простота в
проектировании
2) Возможность
исключения
использования
дополнительного
оборудования
3) Обеспечение
устойчивой работы
продолжительный
период времени без
потери
производительности
сети, даже в случае
интенсивных нагрузок
Недостатки
1) В сравнении с другими
топологиями сети имеет
низкий уровень
производительности
данных.
2) В случае расширения
сети необходимо выполнить
работы по полной замене
сегментов в уже
используемом
магистральном канале.
1) В сравнении с шинной
структурой сети
предусматривает больше
стоимостных затрат на
организацию канала
передачи данных.
2) Зависимость от
производительности и
технических параметров
используемого сетевого
оборудования и сервера.
1) В случае выхода из
строя одной рабочей
станции работа сети
останавливается.
2) Сложность в поиске
неисправностей и их
исправлении.
На основании сравнительного анализа различных базовых топологий
компьютерной сети можно сказать, что наибольшие возможности в
настоящее время создает звездообразная структура сети, которая имеет
простоту в проектировании, создает возможность исключения установки
дополнительного оборудования, обеспечивает устойчивую работу
продолжительный период времени без потери производительности сети,
даже в случае интенсивных нагрузок. Поэтому выбираем ее для
выполнения практической части работы в третьей главе.
25
1.3 Принципы построения вычислительных сетей по способу передачи
данных
В основе принципов построения вычислительных сетей по способу
передачи данных находится процесс коммутации, который
предусматривает соединение различных пользователей компьютерной сети
с использованием транзитивных узлов [14].
В качестве пользователей могут выступать рабочие станции и
определенные сегменты компьютерных сетей. Для того чтобы подключить
рабочие станции с коммутатором, используют каналы передачи данных,
каждый из которых характеризуется своими параметрами и
характеристиками для установления соединения.
По способу организации передачи информации можно выделить сети
с маршрутизацией информации на основе [18]:
- выделенных каналов (физических или логических),
обеспечивающих постоянно действующую связь, которая базируется на
физическом выделении линейного ресурса (проводной пары, кванта
времени, частотного диапазона) и закреплении его за абонентом;
- коммутации каналов, в которых ресурс выделяется на время
соединения;
- коммутации пакетов, в которых используются средства разбиения
потока данных на отдельные фрагменты (пакеты), независимо
перемещающиеся в среде доступных каналов передачи, с последующей их
сборкой, причем «по такой схеме построено подавляющее большинство
компьютерных сетей»;
- использования смешанных систем передачи данных;
- с селекцией информации и использованием моноканала.
Среди методов передачи данных следует выделить [20]:
- симплексную передачу, обеспечивающую передачу данных в одну
сторону с использованием одного и того же канала связи;
26
- полудуплексную передачу, обеспечивающую поочередный прием и
передачу данных между двумя абонентами;
- дуплексную передачу, обеспечивающую двустороннюю связь,
которая может одновременно реализовываться по одному каналу связи.
Кроме того, можно выделить сети с динамической (сети локальные,
телефонные общего пользования, TCP/IP) и постоянной (сети технологии
SDH) коммутацией. Оба режима работы могут поддерживать, например,
сети ATM и X.25 [24].
Основные способы коммутации в сетях представлены на рисунке 8.
Рисунок 8 – Основные способы коммутации в сетях
Рассмотрим подробнее наиболее распространенные способы
организации передачи информации в сетях.
1.3.1. Сети коммутацией каналов
Сети с коммутацией каналов – это вид компьютерной сети, в
котором между двумя сегментами на первоначальном этапе
организовывается работа канала, в котором затем осуществляется обмен
различными данными. При этом установленное соединение в течение
определенного промежутка времени может применяться только для двух
сегментов сети (рисунок 9).
27
Рисунок 9 – Структурная схема сети с коммутацией каналов
Отличительной особенностью сетей с коммутацией каналов является
возможность их использования для организации общения в режиме
реального времени, за счет того, что в них отсутствуют задержки при
передаче данных [2].
Основные принципы работы сети с коммутацией каналов
реализованы в методах временного мультиплексирования TDM (Time
Division Multiplexing) и частотного мультиплексирования FDM (Frequency
Division Multiplexing).
В случае сетей с коммутацией каналов на основе частотного
мультиплексирования на вход коммутатора пользователь передает сигнал.
Полученные сигналы от пользователей коммутатор использует для
заполнения полосы сигнала. При этом он использует методы частотной
модуляции сигнала, а далее за счет демодуляции выделяет каждый из
сигналов и передает его вместо назначения.
Основные характеристики сетей с коммутацией каналов следующие:
28
- для соединения каналов необходимо использовать специальное
оборудование, представленное коммутаторами, которые устанавливаются
в узлах сети;
- применяются для создания между сегментами сети общего и
неразрывного канала передачи данных, в котором существует возможность
транспортировки пакетов в непрерывном режиме времени и с одинаковой
скоростью.
Достоинства сетей с коммутацией каналов:
1) Возможность определения скорости передачи данных в общем
канале.
2) Невысокие затраты на организацию сети
3) Отсутствие задержек времени, что позволяет организовать онлайн
общение.
Недостатки сетей с коммутацией каналов:
1) Возможные задержки времени во время установления соединения
и создания общего канала.
2) При организации непрерывного канала передачи данных
возможно возникновение отказов в обработке запросов.
3) Сложно реализовать механизмы буферизации данных,
полученных от пользователей.
1.3.2. Сети коммутацией сообщений
Сети с коммутацией сообщений – это вид компьютерной сети, в
которой предусмотрен обмен данными без сквозных соединений, а
сформированные сообщения поступают в коммутационный узел и
распределяются по сегментам сети [13].
Для того чтобы реализовать сеть с организацией коммутации
сообщений необходимо предусмотреть работу логического канала, в
котором будет осуществляться последовательная передача сообщений
через сегменты сети адресатом, указанным в заголовке сообщение.
29
При этом каждый узел будет осуществлять прием сообщения, его
запись с обработкой заголовка, выбора маршрута и передачи его в
следующий узел сети.
Для того чтобы определить время доставки сообщения используют
параметры обработки информации в каждом из сегментов сети, с учетом
производительности сети и организованных в ней узлов. Когда будет
завершаться передача данных из узла, и он будет становиться свободным,
необходимо использовать его для организации связи с другими
пользователями сети [15].
Поскольку схема организации маршрутизации с коммутацией
сообщений достаточно сложна в проектировании, то в настоящее время
специалистами она используется довольно редко.
Основные принципы работы сети с коммутацией сообщений
аналогичны принципам сетей с коммутацией пакетов. Для того чтобы
передавать блоки информации используются механизмы временной
буферизации. В отличии от пакетов передаваемые сообщение могут быть
произвольной длины, но зависят от типа информации входящей в
сообщения (рисунок 10).
Рисунок 10 – Структурная схема сети с коммутацией сообщений
Основные характеристики сетей с коммутацией сообщений:
30
- возможность хранения передаваемого сообщения в буфере памяти;
- существует возможность установки соединения внутри сети, как и в
случае сетей с коммутацией каналов и пакетов.
Достоинства сетей с коммутацией сообщений [19]:
1) Возможность использования временного буфера памяти;
2) Реализация механизма хранения передачи данных;
3) Отсутствует сквозные соединения при передаче информации.
Недостатки сетей с коммутацией сообщений:
1) Низкий уровень пропускной способности в компьютерной сети;
2) Предусматривает выделение существенных затрат на
эксплуатацию сети;
3) За счет снижения количества транзитных компьютеров имеют
сложность в расширении.
1.3.3. Сети коммутации пакетов
Сеть с коммутацией пакетов – это вид сети, в которой передаваемые
данные рабочим станциям в исходном узле разбиваются на отдельные
части, представленные в виде пакетов [16].
Отличительной чертой сети с коммутацией пакетов позволяет
передавать различный по размерам компьютерный трафик, поэтому
наиболее часто их применяют для организации конвергентной сети.
Процессы коммутации пакетов пользователям предусматривают
разбиения сообщений на отдельные пакеты. В отличие от коммутаторов
передаваемые пакеты включаются в состав внутренней буферной памяти, в
которой хранятся пакеты, если выходной порт коммутатора во время
принятия пакетов осуществляет передачу других пакетов.
Основные принципы работы сети с коммутацией пакетов отличаются
от приведенных выше сетей, поскольку используется внутренняя буферная
память для организации временного хранения передаваемых пакетов. Если
выходной порт коммутатора во время передачи данных будет занят, то
31
пакет будет вступать в очередь пакетов, а затем при освобождении канала
передаваться на коммутатор.
Реализация такого метода создает возможности сглаживания
трафика и повышения производительности сети (рисунок 11).
Рисунок 11 – Структурная схема сети с коммутацией пакетов
К основным характеристикам сетей с коммутацией пакетов
относится:
- каждый пакет имеет заголовок отражающий адрес, пункт
назначения и номер пакета;
- передаваемые сообщения могут быть произвольной длины;
- существуют ограничения к передаваемым пакетам – размеры
пакетов должны находиться в границах от 46 до 1500 байт.
Достоинства сети с коммутацией пакетов:
1) Высокая скорость передачи данных за счет реализации механизма
динамического распределения пропускной способности;
2) Устойчивость возникающим сбоям и ошибкам при передаче
данных; устойчивость пульсирующим трафиком.
Недостатки сети с коммутацией пакетов:
1) Возможна потеря данных в случае переполнения временного
буфера хранения данных;
2) При передаче данных возможны задержки пакетов;