Топологии локальных сетей

1.6 Топологии локальных сетей Топология компьютерной сети – это физическое расположение компьютеров сети друг относительно друга и способ соединения их линиями связи. Понятие топологии относится прежде всего к локальным сетям, в которых структуру связей можно легко проследить. Топология определяет требования к оборудованию, тип используемого кабеля, возможные и наиболее удобные методы управления обменом информацией, надежность работы, возможности расширения сети. Существуют три основных топологии сети: • шина, при которой все компьютеры параллельно подключаются к одной линии связи и информация от каждого компьютера одновременно передается всем остальным компьютерам (рис. 1.1); 12 Рис. 1.1. Топология «шина» • звезда, при которой к одному центральному компьютеру под- ключаются остальные периферийные компьютеры, каждый из которых использует свою отдельную линию связи (рис. 1.2); Рис. 1.2. Топология «звезда» • кольцо, когда каждый компьютер передает информацию всегда только одному компьютеру, следующему за ним в цепочке, а получает информацию только от предыдущего, и эта цепочка замкнута в кольцо (рис. 1.3). 13 Рис. 1.3. Топология «кольцо» На практике могут применяться и комбинации базовых топологий, но большинство сетевых стандартов ориентированы именно на эти три. 1.6.1 Топология «шина» Топология «шина» (или «общая шина») своей структурой предполагает идентичность сетевого оборудования компьютеров и равноправие всех абонентов. При таком соединении компьютеры могут передавать данные только по очереди, так как линия связи единственная, и в противном случае передаваемая информация будет искажаться в результате наложения сигналов, называемого конфликтом или коллизией. Таким образом, в шине реализуется режим полудуплексного обмена информацией (в обоих направлениях, но не одновременно, а по очереди). В топологии «шина» отсутствует центральный абонент, через которого передается вся информация, что увеличивает ее надежность. До14 бавление новых абонентов в шину довольно просто и обычно возможно во время работы сети. В большинстве случаев при использовании шины требуется минимальное количество соединительного кабеля по сравнению с другими топологиями. Так как разрешение возможных конфликтов в шине ложится на сетевое оборудование каждого отдельного абонента, аппаратура сетевого адаптера при использовании шинной топологии получается сложнее, чем при других топологиях. Шине не страшны отказы отдельных компьютеров, так как все остальные компьютеры сети могут нормально продолжать обмен. Может показаться, что шине не страшен и обрыв кабеля, поскольку в этом случае мы получим две вполне работоспособные шины. Однако из-за особенностей распространения электрических сигналов по длинным линиям связи необходимо предусматривать включение на концах шины специальных согласующих устройств – терминаторов. Без включения терминаторов сигнал отражается от конца линии и искажается так, что связь по сети становится невозможной. Так что при разрыве или повреждении кабеля нарушается согласование линии связи и прекращается обмен даже между теми компьютерами, которые остались соединенными между собой. Короткое замыкание в любой точке кабеля шины выводит из строя всю сеть. Любой отказ сетевого оборудования в шине очень трудно локализовать, так как все адаптеры включены параллельно. При прохождении по линии связи сети с топологией "шина" информационные сигналы ослабляются и никак не восстанавливаются, что накладывает жесткие ограничения на суммарную длину линий связи. Кроме того, каждый абонент может получать из сети сигналы разного уровня в зависимости от расстояния до передающего абонента. Это предъявляет дополнительные требования к приемным узлам сетевого оборудования. Для увеличения длины сети с топологией «шина» часто используют несколько сегментов, каждый из которых представляет 15 Рис. 1.4. Соединение сегментов сети с помощью повторителя собой шину, соединенных между собой с помощью специальных восстановителей сигналов – репитеров, или повторителей (рис. 1.4). Однако такое наращивание длины сети не может продолжаться бесконечно, так как существуют еще и ограничения, связанные с конечной скоростью распространения сигналов по линиям связи. 1.6.2 Топология «звезда» Топология «звезда» – это топология с явно выделенным центром, к которому подключаются все остальные абоненты. Весь обмен информацией производится исключительно через центральный компьютер, на который таким образом ложится большая нагрузка, поэтому центральный компьютер, как правило, занимается только управлением обменом. Появление конфликтов в сети с топологией «звезда» в принципе невозможно, так как управление полностью централизовано. Выход из строя периферийного компьютера никак не отражается на функционировании оставшейся части сети, зато любой отказ центрального компьютера делает сеть полностью неработоспособной. Поэтому должны приниматься специальные меры по повышению надежности 16 центрального компьютера и его сетевой аппаратуры. Обрыв любого кабеля или короткое замыкание в нем при топологии «звезда» нарушает обмен только с одним компьютером, а все остальные компьютеры могут нормально продолжать работу. В отличие от шины в звезде на каждой линии связи находятся только два абонента: центральный и один из периферийных. Чаще всего для их соединения используются две линии связи, каждая из которых передает информацию только в одном направлении. Таким образом, на каждой линии связи имеется только один приемник и один передатчик. Все это существенно упрощает сетевое оборудование по сравнению с шиной и избавляет от необходимости применения дополнительных внешних терминаторов. Проблема затухания сигналов в линии связи также решается в «звезде» проще, чем в «шине», ведь каждый приемник всегда получает сигнал одного уровня. Серьезный недостаток топологии «звезда» состоит в жестком ограничении количества абонентов. Обычно центральный абонент может обслуживать не более 8-16 периферийных абонентов. Если в этих пределах подключение новых абонентов довольно просто, то при их превышении оно просто невозможно. Иногда в «звезде» может быть предусмотрена возможность наращивания, то есть подключение вместо одного из периферийных абонентов еще одного центрального абонента (в результате получается топология из нескольких соединенных между собой звезд). Описанная топология также носит название активной, или истинной, звезды. Существует также топология, называемая пассивной звездой, которая только внешне похожа на звезду. В центре сети с данной топологией помещается не компьютер, а концентратор, или хаб (hub), выполняющий ту же функцию, что и репитер – он восстанавливает приходящие сигналы и пересылает их в другие линии связи. Хотя схема прокладки кабелей подобна истинной звезде, фактически это шинная топология, так как информация от каж17 дого компьютера одновременно передается ко всем остальным компьютерам, а центрального абонента не существует. Пассивная звезда предоставляет целый ряд дополнительных возможностей, связанных с преимуществами звезды. В связи с этим в настоящее время пассивная звезда распространена гораздо шире, чем активная. Эта топология используется в популярном семействе сетевых стандартов Ethernet. Важное достоинство звезды (как активной, так и пассивной) состоит в том, что все точки подключения собраны в одном месте. Это позволяет легко контролировать работу сети, локализовать неисправности сети путем простого отключения от центра тех или иных абонентов (что невозможно, например, в случае шины), а также ограничивать доступ посторонних лиц к жизненно важным для сети точкам подключения. К каждому периферийному абоненту в случае звезды может подходить как один кабель (по которому идет передача в обоих направлениях), так и два кабеля (каждый из них передает в одном направлении), причем вторая ситуация встречается чаще. Недостатком топологии «звезда» является больший, чем при других топологиях, расход кабеля. 1.6.3 Топология «кольцо» В топологии «кольцо» на каждой линии связи, как и в случае звезды, работает только один передатчик и один приемник. Это позволяет отказаться от применения внешних терминаторов. Важная особенность кольца состоит в том, что каждый компьютер восстанавливает приходящий к нему сигнал, что позволяет бороться с затуханием сигнала в кольце. Выделенного центра в сети с кольцевой топологией нет, все компьютеры могут быть одинаковыми. Однако довольно часто в кольце выделяется специальный абонент, который управляет обменом или контролирует обмен. 18 Одни из компьютеров сети получают информацию от компьютера, ведущего передачу в данный 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 переходит последовательно к следующему по кругу компьютеру. Подключение новых абонентов в «кольцо» обычно не вызывает проблем, хотя и требует обязательной остановки работы всей сети на время подключения. Как и в случае топологии «шина» максимальное количество абонентов в кольце может быть довольно велико (до тысячи и больше). Кольцевая топология обычно является самой устойчивой к перегрузкам, обеспечивает уверенную работу с большими потоками передаваемой по сети информации, так как в ней, как правило, нет конфликтов, а также отсутствует центральный абонент. Так как сигнал в кольце проходит через все компьютеры сети, выход из строя хотя бы одного из них (или его сетевого оборудования) нарушает работу всей сети в целом. Точно так же любой обрыв или короткое замыкание в любом из кабелей кольца делает работу всей сети невозможной. Кольцо наиболее уязвимо к повреждениям кабеля, поэтому иногда в этой топологии предусматривают прокладку параллельных линий связи, одна из которых находится в резерве. В то же время важное преимущество кольца состоит в том, что ретрансляция сигналов каждым абонентом позволяет существенно увеличить размеры всей сети в целом (до нескольких десятков километров). Кольцо в этом отношении существенно превосходит любые другие топологии. 1.7 Среды передачи информации Средой передачи информации называются линии связи (или каналы связи), по которым производится обмен информацией между компью19 терами. В подавляющем большинстве компьютерных сетей (особенно локальных) используются проводные каналы связи, хотя существуют и беспроводные сети. Информация в локальных сетях чаще всего передается в последовательном коде, то есть бит за битом, или в параллельном. Последовательная передача медленнее, чем при использовании параллельного кода. Однако надо учитывать то, что при более быстрой параллельной передаче увеличивается количество соединительных кабелей в число раз, равное количеству разрядов параллельного кода (например, в 8 раз при 8-разрядном коде). При значительных расстояниях между абонентами сети стоимость кабеля может быть вполне сравнима со стоимостью компьютеров. К тому же проложить один кабель (реже два разнонаправленных) гораздо проще, чем 8, 16 или 32. Значительно дешевле обойдется также поиск повреждений и ремонт кабеля. Передача на большие расстояния при любом типе кабеля требует сложной передающей и приемной аппаратуры: необходимо формировать мощный сигнал при передаче и распознавать слабый сигнал приемником. При последовательной передаче для этого требуется всего один передатчик и один приемник. При параллельной же передаче количество передатчиков и приемников возрастает пропорционально разрядности используемого параллельного кода. При параллельной передаче очень важно, чтобы длины отдельных кабелей были с высокой точностью равны друг другу, иначе в результате прохождения по кабелям разной длины между сигналами на приемном конце образуется временной сдвиг, который может привести к сбоям в работе или даже к полной неработоспособности сети. В некоторых высокоскоростных локальных сетях все-таки используют параллельную передачу по 2-4 кабелям, что позволяет при заданной скорости передачи применять более дешевые кабели с меньшей полосой пропускания, но допустимая длина кабелей при этом не пре20 вышает сотни метров. Примером может служить спецификация 100BASE-T4 сети Fast Ethernet. Все выпускаемые кабели можно разделить на три большие группы: • кабели на основе витых пар проводов (twisted pair); • коаксиальные кабели (coaxial cable); • оптоволоконные кабели (fiber optic). Каждый тип кабеля имеет свои преимущества и недостатки, так что при выборе типа кабеля надо учитывать как особенности решаемой задачи, так и особенности конкретной сети, в том числе и используемую топологию. В настоящее время действует стандарт на кабели EIA/TIA 568 (Commercial Building Telecommunications Cabling Standard), принятый в 1995 году и заменивший все действовавшие ранее фирменные стандарты.