Сайт о телевидении

Сетевая топология

(от греч. τόπος, - место) - способ описания конфигурации сети, схема расположения и соединения сетевых устройств. Термин «топология», или «топология сети», характеризует физическое расположение компьютеров, кабелей и других компонентов сети. Топология - это стандартный термин, который используется профессионалами при описании основной компоновки сети. Если Вы поймете, как используются различные топологии, Вы сумеете понять, какими возможностями обладают различные типы сетей. Чтобы совместно использовать ресурсы или выполнять другие сетевые задачи, компьютеры должны быть подключены друг к другу. Для этой цели в большинстве сетей применяется кабель. Однако просто подключить компьютер к кабелю, соединяющему другие компьютеры, не достаточно. Различные типы кабелей в сочетании с различными сетевыми платами, сетевыми операционными системами и другими компонентами требуют и различного взаимного расположения компьютеров. Каждая топология сети налагает ряд условий. Например, она может диктовать не только тип кабеля, но и способ его прокладки. Топология может также определять способ взаимодействия компьютеров в сети. Различным видам топологий соответствуют различные методы взаимодействия, и эти методы оказывают большое влияние на сеть.

Сетевая топология может быть

физической - описывает реальное расположение и связи между узлами сети.

логической - описывает хождение сигнала в рамках физической топологии.

информационной - описывает направление потоков информации, передаваемых по сети.

управления обменом - это принцип передачи права на пользование сетью.

Существует множество способов соединения сетевых устройств, из них можно выделить восемь базовых топологий:

B. Решётка

C. Звезда

D. Кольцо

E. Шина

ü Двойное кольцо

ü Ячеистая топология

A - линия; B - решетка;

C - звезда; D - кольцо;

E - шина ; F - дерево.

Остальные способы являются комбинациями базовых. В общем случае такие топологии называются смешанными или гибридными, но некоторые из них имеют собственные названия, например «Дерево».

Базовые топологии

Все сети строятся на основе трех базовых топологий:

ü шина (bus) – (компьютеры подключены вдоль одного кабеля)

ü звезда (star) – (компьютеры подключены к сегментам кабеля, исходящим из одной точки, или концентратора)

ü кольцо (ring) – (кабель, к которому подключены компьютеры, замкнут в кольцо)

Хотя сами по себе базовые топологии несложны, в реальности часто встречаются довольно сложные комбинации, объединяющие свойства нескольких топологий.

Шина

Топологию «шина» часто называют «линейной шиной» (linear bus). 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.

Взаимодействие компьютеров

В сети с топологией «шина» компьютеры адресуют данные конкретному компьютеру, передавая их по кабелю в виде электрических сигналов. Чтобы понять процесс взаимодействия компьютеров по шине, Вы должны уяснить следующие понятия:

• передача сигнала;
• отражение сигнала;
• терминатор.

Передача сигнала

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. Ибо, кроме числа компьютеров, на быстродействие сети влияет множество факторов, в том числе:

ü характеристики аппаратного обеспечения компьютеров в сети;

ü частота, с которой компьютеры передают данные;

ü тип работающих сетевых приложений;

ü тип сетевого кабеля;

ü 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.

Отражение сигнала

Данные, или электрические сигналы, распространяются по всей 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.

Терминатор

Чтобы предотвратить отражение электрических сигналов, на каждом конце кабеля устанавливают терминаторы (terminators), 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.

Нарушение целостности сети

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. Сеть «падает». Сами по себе компьютеры в сети остаются полностью работоспособными, но до тех пор, пока сегмент разорван, они не могут взаимодействовать друг с другом.

Звезда

При топологии «звезда» все компьютеры с помощью сегментов кабеля подключаются к центральному компоненту, именуемому концентратором (hub). 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.

Здесь подключение кабеля и управление конфигурацией сети централизованны.

Недостатки :

• так как все компьютеры подключены к центральной точке, для больших сетей значительно увеличивается расход кабеля .
• если центральный компонент выйдет из строя, нарушится работа всей сети.

Достоинства:

• 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.
• Пропускная способность такой локальной вычислительной гарантирована для каждой рабочей станции сети и зависит только от вычислительной мощности узла. Возникновение коллизий в сети такой топологии невозможно.
• Сети, построенные по топологии «звезда» имеют максимально возможное быстродействие , так как данных между рабочими станциями передаются через центральный узел по отдельным линиям, которые используются исключительно этими станциями. Частота запросов для передачи информации между станциями относительно невелика.

Производительность ЛВС находится в прямой зависимости от мощности файлового сервера. Если центральный узел выходит из строя, сеть также прекращает работу.

Монтаж кабельного соединения несложен, поскольку каждая рабочая станция связана только с головной машиной, но общая стоимость кабеля может оказаться достаточно большой, и увеличивается в случае расположения главной машины не в центре сети.

Для расширения сети необходим монтаж отдельного кабеля от новой рабочей станции к головной машине.

Управление сетью осуществляется из ее центра, в центре же реализуется механизм защиты информации.

Кольцо

При топологии «кольцо» компьютеры подключаются к кабелю, замкнутому в кольцо. Поэтому у кабеля просто не может быть свободного конца, к которому надо подключать терминатор. Сигналы передаются по кольцу в одном направлении и проходят через каждый компьютер. В отличие от пассивной топологии «шина», здесь каждый компьютер выступает в роли репитера, усиливая сигналы и передавая их следующему компьютеру. Поэтому, если выйдет из строя один компьютер, прекращает функционировать вся сеть.

Передача маркера

Один из принципов передачи данных в кольцевой сети носит название передачи маркера . Суть его такова. Маркер последовательно, от одного компьютера к другому, передается до тех пор, пока его не получит тот, который «хочет» передать данные. Передающий компьютер изменяет маркер, помещает электронный адрес в данные и посылает их по кольцу.

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. Получим подтверждение, передающий компьютер создаёт новый маркер и возвращает его в сеть. На первый взгляд кажется, что передача маркера отнимает много времени, однако на самом деле маркер передвигается приктически со скоростью света. В кольце диаметром 200 м маркер может циркулировать с частотой 10 000 оборотов в секунду.

Достоинства :

Недостаток:

• при выходе из строя хотя бы одной рабочей станции вся сеть становится неработоспособной. Любую неисправность кабельного соединения в такой сети обнаружить несложно.
• Для подключения новой станции в локальную сеть необходимо временное отключение сети.
• Время передачи информации растет с увеличением количества станций в ЛВС.

Протяженность такой сети может быть неограниченной.

Логическая кольцевая локальная вычислительная сеть

Логическая кольцевая локальная вычислительная сеть является специальной формой топологии ЛВС. Она представляет собой соединение нескольких сетей, организованных по топологии звезда. Для подключения в сеть отдельных «звезд» используются специальные концентраторы, которые часто называют хабами. Хабы могут быть активными либо пассивными. Отличие активных концентраторов – в наличии дополнительного усилителя, которых служит для подключения 4 - 16 рабочих станций. Пассивный концентратор рассчитан на три рабочих станции и по своей сути является просто разветвительным устройством. Управление каждой конкретной станцией в сети осуществляется точно так же, как в кольцевой ЛВС. Каждая рабочая станция сети получает собственный адрес, по которому и осуществляется передача управления. Сбой в работе одной из машин может повлиять только на нижестоящие станции, выход из строя всей сети маловероятен.

Водопроводная сеть представляет собой совокупность трубопроводов, по которым вода транспортируется потребителям. Основное назначение водо­проводной сети - подавать потребителям воду в требуемом количестве, хоро­шего качества и с необходимым напором. Обычно водопроводная система на­ряду с подачей воды для хозяйственных нужд обеспечивает ещё и нужды по­жаротушения. Проектируют водопроводную сеть с учётом совместной работы насосных станций, водонапорной башни и других элементов системы водо­снабжения.

Трассировка водопроводной сети заключается в придании ей опреде­лённого геометрического начертания. Она зависит от: конфигурации населён­ного пункта, расположения улиц, кварталов, общественных и производствен­ных зданий, расположения источника водоснабжения и многих других факто­ров.

Н.С. - насосная станция

Б - водонапорная башня

Рисунок - Схема начертания кольцевой водопроводной сети

Кольцевую сеть применяют в населённых пунктах близ­ких по очертанию к квадрату или прямоугольнику. В этих сетях трубопрово­ды образуют один или несколько замкнутых контуров - колец. Благодаря кольцеванию каждый участок получает питание от двух или нескольких ли­ний, что значительно повышает надёжность работы сети и создаёт ряд других преимуществ. Кольцевые сети обеспечивают бесперебойную подачу воды да­же при авариях на отдельных участках: при выключении аварийного участка подача воды к другим линиям сети не прекращается. Они меньше подвержены авариям, т.к. в них не возникает сильных гидравлических ударов. При быст­ром закрытии какого-либо трубопровода поступавшая к нему вода устремля­ется в другие линии сети и действие гидравлического удара уменьшается. Во­да в сети не замерзает, т.к. даже при небольшом водоразборе она циркулирует по всем линиям, неся с собой тепло. Кольцевые сети обычно несколько длин­нее тупиковых, но устроены из труб меньшего диаметра. Стоимость кольце­вых сетей немного выше тупиковых. Благодаря высокой надёжности они на­ходят широкое применение в водоснабжении. Они полностью отвечают требованиям противопожарного водоснабжения. После того, как выполнен расчёт водопотребления населённого пункта, производится трассировка кольцевой разводящей сети. С этой целью на территории объекта водоснабжения (плане посёлка) вычерчивают трубопроводы, соединяют их концы и начала, образовывая замкнутые контуры-кольца, и подводят воду к крупным объектам. Далее на кольцевой сети намечаются узлы и участки. Каждый участок сети анализируется и замеряется. Все результаты сводятся в таблицу. Следует заметить, что особенностью кольцевых сетей является то, что раздача воды водопотребителям происходит практически на всех её участках, а это значит, что все они являются участками с путевыми расходами. Исклю­чение составляют лишь те участки, где явно нецелесообразно разбирать воду. Это могут быть участки, подводящие воду к крупным водопотребителям (на­пример, бане, больнице, МТФ и пр.).

Рис.3 Топология кольцо

Сеть кольцевой топологии использует в качестве каналов связи замкнутое кольцо из приема-передатчиков, соединенных коаксиальным или оптическим кабелем.

В сетях с кольцевой конфигурацией данные передаются от одного компьютера к другому, как правило, в одном направлении. Если компьютер распознает данные как «свои», то он копирует их себе во внутренний буфер. В сети с кольцевой топологией необходимо принимать специальные меры, чтобы в случае выхода из строя или отключения какой-либо станции не прервался канал связи между остальными станциями. Кольцо представляет собой очень удобную конфигурацию для организации обратной связи – данные, сделав полный оборот, возвращаются к узлу-источнику. Поэтому этот узел может контролировать процесс доставки данных адресату. Часто это свойство кольца используется для тестирования связности сети и поиска узла, работающего некорректно. Для этого в сеть посылаются специальные тестовые сообщения.

Самым распространенным методом доступа в сетях этой топологии является Token-Ring – метод доступа с передачей маркера .

Маркер – это пакет снабженный специальной последовательностью бит. Он последовательно передается по кольцу от узла к узлу в одном направлении. Каждый узел ретранслирует передаваемый маркер. Узел может передать свои данные, если он получил пустой маркер. Маркер с пакетом передается пока не обнаружится узел, которому предназначен пакет. В этом узле данные принимаются, но маркер не освобождается, а передается по кольцу дальше. Только вернувшись к отправителю, который может убедиться, что переданные им данные благополучно получены, маркер освобождается. Пустой маркер передается следующему узлу, который при наличии у него данных, готовых к передаче заполняет его и передает по кольцу. В сетях Token-Ring обеспечивается скорость передачи данных, равная 4-м Мбит/сек.

Ретрансляция данных узлами приводит к снижению надежности сети, так как неисправность в одном из узлов сети разрывает всю сеть.

Смешанные типы топологии

В то время как небольшие сети, как правило, имеют типовую топологию звезда, кольцо, или общая шина, для крупных сетей характерно наличие произвольных связей между компьютерами. В таких сетях можно выделить отдельные произвольно связанные фрагменты (подсети), имеющие типовую топологию, поэтому их называют сетями со смешанной топологией .

По мере все белее широкого распространения локальных сетей, возникают проблемы, связанные с обменом информацией между сетями. Так, в рамках университета в нескольких учебных классах могут использоваться локальные сети, причем это могут быть сети разных типов. Для обеспечения связи между этими сетями используются средства межсетевого взаимодействия, называемые мостами и маршрутизаторами . В качестве моста и маршрутизатора могут использоваться компьютеры, в которых установлено по 2 или более сетевых адаптера. Каждый из адаптеров обеспечивает связь с одной из связываемых сетей. Мост или маршрутизатор получает пакеты, посылаемые компьютером одной сети компьютеру другой сети, переадресует их и отправляет по указанному адресу. Мосты, как правило используются для связи сетей с одинаковыми коммуникационными системами, например, для связи 2-х сетей Ethernet или 2-х сетей Arcnet. Маршрутизаторы связывают сети с разными коммуникационными системами, так как имеют средства преобразования пакетов одного формата в другой. Существуют мосты-маршрутизаторы, объединяющие функции обоих средств. Для обеспечения связи тетей с различными компьютерными системами предназначены шлюзы. Например, через шлюз локальная сеть может быть связана с большой ЭВМ.

Топология «кольцо» - это топология, в которой каждый компьютер соединён линиями связи только с двумя другими: от одного он только получает информацию, а другому только передаёт. На каждой линии связи, как и в случае звезды, работает только один передатчик и один приёмник. Это позволяет отказаться от применения внешних терминаторов.
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. 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.
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). В качестве носителя в сети используется витая пара или оптоволокно. Сообщения циркулируют по кругу.
Рабочая станция может передавать информацию другой рабочей станции, только после того, как получит право на передачу (маркер), поэтому коллизии исключены. Информация передается по кольцу от одной рабочей станции к другой, поэтому при выходе из строя одного компьютера, если не принимать специальных мер выйдет из строя вся сеть.
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).

Кольцевая сеть — это сеть которая состоит из двух или более сетевых устройств, которые соединены друг с другом физически или логически, так что они образуют цепочку устройств, причем последнее устройство в цепи подключается к первому устройству. Кольцевая сеть типично спроектирована как топологии одиночного-кольца или двойного-кольца. В разработке также находятся технологии с несколькими кольцами, включающими два или более параллельных кольца.
Сети обычно характеризуются двумя способами: физически и логически. Термин “физическая топология” описывает способ устройства быть физически подключенными вместе, поэтому физическая топология сети кольцо и физические устройства соединены вместе, чтобы сформировать кольцо. Логическое представление топологии связано с потоками информации. В логической перспективе, кольцевая топология сети может иметь устройства физически подключенными вместе, как топология сети звезда, сеть для передачи данных или древовидная сеть, но информация течет от устройства к устройству, как если бы они были связаны в физическом кольце. Например, сеть может быть физически организована как сеть звезда, но информация может передаваться от устройства к устройству, как если бы это была кольцевая сеть.

Одним из основных недостатков одиночной кольцевой сети является то, что разрыв в любом месте кольца может привести к полному сбою потока информации. Для того чтобы помочь предотвратить нарушения этой природы, создают второе параллельное counter-rotating кольцо которое можно добавить и которое посылает информацию в противоположном направлении. Этот тип избыточной сети называется двойной кольцевой сетью. Если одно из колец в двойной кольцевой сети страдает от повреждением, информация всё ещё может достигнуть всех устройств с помощью неповрежденного альтернативного пути.

Второй недостаток кольцевых сетей заключается в том, что информация перемещается медленнее, потому что данные должны проходить через каждое устройство, когда она пробивается через сеть. Несмотря на это ограничение, кольцевая топология всё ещё существует в волоконно-оптических сетях, таких как волоконно распределенном интерфейсе данных (сети fddi) сетей, синхронных оптических сетях (сонет) и сетях синхронной цифровой иерархии (СЦИ). Когда эти высокоскоростные сети включают физическую двойную кольцевую топологию, они тем самым извлекают выгоду от резервирования, обеспеченного этим типом топологии.

Ring networks впервые стала популярной в 1980-х годах, когда топологии логической кольцевой сети были использованы в технологии token ring. Ограничения, присущие кольцевой сети, наряду с проблемами совместимости между маркерным кольцом и другими протоколами, в значительной степени были заменены новыми транспортными методами передачи данных, такими как локальные сети. Несмотря на то, что Ethernet всё чаще продолжает вытеснять протоколы, используемые в волоконно-оптических кольцевых сетях, использование кольцевой сети и разработка для высокоскоростной передачи данных продолжаются.