Курс лекций "Сетевым технологиям"

Топологии сети

Tопология сети — это схема соединения компьютеров и других сетевых устройств с помощью кабеля или другой сетевой среды.

Топология сети  - это конфигурация графа  вершинам которого соответствуют конечные узлы( компьютеры) и коммуникационное оборудование (маршрутизаторы), а ребрам – физические или информационные связи между ними.

 Сетевая  топология непосредственно связана с используемым типом кабеля. Нельзя выбрать кабель определенного типа и использовать его в сети с произвольной топологией. Однако Вы вольны создать несколько ЛВС с разными кабелями и топологиями и соединить их с помощью мостов, коммутаторов и маршрутизаторов. При выборе кабеля и других сетевых компонентов топология всегда будет одним из важнейших критериев.

Основные  сетевые топологии — «шина», «звезда» и «кольцо». Но Вам понадобятся  также знания о таких дополнительных топологиях, как «иерархическая звезда* (hierarchical star), ячеистая (mesh) и беспроводная (wireless).

Топология «шина»

В сети с топологией «шина» (bus) компьютеры расположены на одной линии, при этом каждая система последовательно соединена кабелем со следующей системой (рис. 2.) Раньше в системах Ethernet топология «шина» использовалась с коаксиальным кабелем, но теперь сети такого типа встречаются нечасто. В зависимости от типа кабеля различают «толстый» (thick) и «тонкий» (thin) Ethernet. В сетях типа «толстый» Ethernet компьютеры подключаются к общему коаксиальному кабелю с помощью кабелей меньшего размера, называемых кабелями AUI (Attachment Unit Interface) или трансиверами. В сети типа «тонкий» Ethernet компьютеры связаны друг с другом отдельными отрезками коаксиального кабеля меньшей толщины.

Примечание Трансивер (transceiver) — интегральный компонент сетевого интерфейса, отвечающий как за передачу данных по сети, так и за их прием. «Толстый» Ethernet — единственная форма сети Ethernet, в которой трансивер отделен от сетевого адаптера. Трансивер подключается к коаксиальному кабелю с помощью так называемого «вампира» (vampire tap), получившего свое имя за металлические зубья, которые пронзают изоляцию кабеля до непосредственного контакта с медной жилой. К сетевому адаптеру трансивер подключается с помощью AUI-кабеля. Во всех других стандартах физического уровня сети Ethernet трансиверы интегрированы в сетевые платы и не требуют использования отдельных АUI-кабелей.

  Когда один из компьютеров сети передает данные, сигналы движутся по кабелю в обоих направлениях, достигая всех остальных систем. В сети с топологией «шина» всегда два свободных окончания, которые необходимо особым образом блокировать. Для сброса приходящего сигнала установите на концы шины специальные устройства — терминаторы (terminator). Без терминатора сигнал, достигший конца шины, будет отражаться и создавать помехи сигналам, переданным позднее.

  Главная беда топологии «шина» в том, что  разрыв кабеля или выход из строя единственного разъема или терминатора нарушают функциональность системы в целом. Сигнал, который не может пройти дальше определенной точки, недосягаем для всех компьютеров, расположенных за ней. Кроме того, разорванный кабель — это конечная точка сети без терминатора. В той части сети, по которой перемещается переданный сигнал, на него может повлиять сигнал, отраженный от точки разрыва. Все это объясняет, почему сети с топологией «шина» сейчас почти не используются.

Топология «звезда»

В отличие  от сети с топологией «шина», в которой  компьютеры соединены последовательно, в сети с топологией «звезда» есть центральный узел — хаб (hub), или концентратор (concentrator). Каждый компьютер подсоединяется к концентратору отдельным кабелем (рис.2.). Топология «звезда» сейчас используется в большинстве сетей Ethernet, а также в сетях с другими протоколами. В сети с такой топологией могут применяться кабели нескольких различных видов, в том числе «витая пара» и оптоволокно.

Рис. 2. В сети с топологией «звезда» для каждого компьютера используется отдельное соединение

  Топология «звезда» обычно используется в сетях  Ethernet на основе кабеля UTP. Функционально в ней, как и в топологии «шина», используется общая сетевая среда. Хотя каждый компьютер подсоединен к концентратору собственным кабелем, концентратор передает поступающие в него сигналы на все порты. Поэтому сигнал, переданный одним компьютером, поступает на все остальные компьютеры ЛВС.

  Основное  преимущество топологии «звезда» в  том, что у каждого компьютера имеется собственное соединение с концентратором. Выход из строя кабеля или разъема отражается на работе только одного компьютера. Недостатком топологии «звезда» является использование дополнительного оборудования — концентратора. При неисправности концентратора «падает» вся система. Однако случается такое довольно редко, т. к. концентратор — это относительно простое устройство, которое к тому же обычно устанавливают в закрытом помещении.

Топология «иерархическая звезда»

Может показаться, что размер сети Ethernet с топологией «звезда» ограничен количеством портов в концентраторе. Но, когда Ваша сеть достигнет этого предела, ее можно расширить, добавив второй концентратор, а иногда и третий, и четвертый. Чтобы подключить к сети с топологией «звезда» второй концентратор, подсоедините его к первому концентратору с помощью обычного кабеля и специального каскадирующего (uplink) порта на одном из концентраторов (рис. 2.3). Так создается сеть с топологией «иерархическая звезда» (hierarchical star), которую иногда называют также сетью с древовидной структурой (branching tree network). В обычную сеть Ethernet со скоростью передачи 10 Мбит/сек таким способом можно включить до четырех концентраторов, а в сеть Fast Ethernet — как правило, только два.

Концентратор

Рис. 3. В сети с топологией «иерархическая звезда» используется несколько концентраторов

Топология «кольцо»

Сеть  с топологией «кольцо» похожа на сеть с топологией «шина»: логически компьютеры в ней также соединены друг с другом последовательно. Отличие заключается в том, что в топологии «кольцо» два конца кабеля соединены вместе. Сигнал, сгенерированный одним из компьютеров, движется по кольцу ко всем остальным компьютерам и в конце концов возвращается в исходную точку. Топология «кольцо» применяется в сетях, в которых управление доступом к среде осуществляется с помощью маркеров, например, в сетях Token Ring. Важно понимать, что в большинстве случаев «кольцо» — это логическая, а не физическая конструкция. Точнее, под «кольцом» подразумевается схема подключения проводов, а не способ прокладки кабелей.

  Пусть Вас не смущает, что внешне сеть с  топологией «кольцо» похожа на сеть с  топологией «звезда». Фактически, кабели в сети с топологией «кольцо» также подключаются к концентратору, из-за чего она и выглядит как «звезда» (рис. 4). Сетевое «кольцо» реализовано логически с помощью соединения проводов внутри кабелей и специального концентратора — модуля множественного доступа (multistation access unit, MAU). Он получает данные через один порт и по очереди передает их через все остальные (не одновременно, как концентратор Ethernet). Рассмотрим пример. Компьютер, подключенный к порту № 3 восьмипортового модуля MAU, передает пакет данных. Получив его, MAU передает их только на порт № 4. Получив данные, компьютер, подключенный к порту № 4, немедленно возвращает их в модуль MAU, которые ретранслирует данные через порт № 5. Этот процесс продолжается до тех пор, пока модуль не передаст сигнал всем компьютерам кольца. В конце концов, пакет попадает в компьютер, который его сгенерировал, и там уничтожается Использование физической топологии «звезда» в сети с топологией «кольцо» обеспечивает функционирование сети даже в случае повреждения кабеля или разъема. С помощью специальной схемы модуль множественного доступа просто исключает неисправную рабочую станцию из кольца, сохраняя его логическую топологию. Если бы кабель был проложен буквально по кольцу, без модуля множественного доступа, любое его повреждение приводило бы к прекращению работы сети. Тем не менее среди популярных сетевых протоколов имеется один — FDDI (Fiber Distributed Data Interface) — в котором допускается соединение кабелей в физическое кольцо. Кольцо это должно состоять из двух раздельных физических колец, трафик по которым передается в противоположных направлениях. Если компьютеры подключены к обоим кольцам, сеть может функционировать, даже если одно из них выйдет из строя.

  

•Логически - «кольцо»

    

  Рис. 4. В топологии «кольцо» физически кабели располагаются в форме звезды, а логически образуют кольцо

Полносвязная топология

Полносвязная топология (mesh topology) компьютерных сетей существует скорее в виде теоретической концепции, чем в виде практической реализации. В сети с такой топологией все компьютеры связаны друг с другом отдельными соединениями (рис. 5). В реальности эта топология реализована пока только в сетях с двумя узлами. При увеличении количества компьютеров в сети каждый из них пришлось бы оборудовать сетевыми интерфейсами по числу остальных компьютеров. Например, в сети с пятью узлами на каждом компьютере придется установить по 4 сетевых интерфейса, что, конечно, нереально. С другой стороны, сеть с полносвязной топологией обладает безупречной отказоустойчивостью: любая неисправность в ней сказывается на работоспособности только одного компьютера.

Рис. 5. В сети с полносвязной топологией любая пара компьютеров соединена между собой

  А вот в интерсетях полносвязная топология уже используется. В полносвязной интерсети благодаря использованию избыточных маршрутизаторов данные могут добраться от одной системы к другой несколькими путями (рис. 6). Эта топология часто применяется в крупных корпоративных сетях, поскольку она защищает их от неисправностей маршрутизаторов, концентраторов, кабелей и др. Чаще всего, когда говорят о ячеистой топологии, имеют в виду именно такое ее применение. 
 
 
 

Маршрутизатор

Маршрутизатор        Маршрутизатор 

Рис. 6. Интерсеть с полносвязной топологией

Ячеистая  топология

Данная  топология получается из полносвязной путем удаления некоторых связей. Ячеистая топология допускает соединение большого количества компьютеров и характерна, как правило, для крупных сетей. Иногда ячеистой называют полносвязную или близкую к полносвязной топологию.

Беспроводные  технологии

Топологией  обычно называют способ соединения компьютеров  с помощью кабелей, но на самом деле смысл этого слова несколько шире. Обычно в беспроводных сетях используются несвязанные среды (unbounded media), но это не означает, что в соединении компьютеров отсутствует какая-либо структура. В беспроводных ЛВС используются в основном две топологии — одноранговая, или «каждый с каждым» (ad hoc), и инфраструктура (infrastructure). В сети с одноранговой топологией все компьютеры оборудованы беспроводными адаптерами сетевого интерфейса и способны беспрепятственно общаться друг с другом. Их можно как угодно перемещать, при условии, что они остаются в пределах действия беспроводной технологии. Такой вариант приемлем для домашних или небольших офисных сетей, состоящих из небольшого числа компьютеров, в обстоятельствах, когда установка кабеля неудобна, непрактична или невозможна.

Сеть  с топологией «инфраструктура» состоит  из компьютеров, оборудованных беспроводными интерфейсами, которые обмениваются данными с сетью при помощи беспроводных трансиверов, подключенных к сети обычными кабелями. Эти трансиверы называются точками доступа к сети (network access points). В сети с такой топологией компьютеры непосредственно друг с другом данными не обмениваются. Обмен осуществляется через кабельную сеть и точки доступа к ней. Эта топология больше подходит для крупной сети, в которой беспроводными интерфейсами оборудовано лишь несколько компьютеров, например, портативных. Обмениваться данными непосредственно друг с другом пользователям этих компьютеров не приходится. Все, что им нужно, — это доступ к серверам и другим ресурсам корпоративной сети.

Основные  программные и  аппаратные компоненты сети

Даже  в результате достаточно поверхностного рассмотрения работы в сети становится ясно, что вычислительная сеть — это сложный комплекс взаимосвязанных и согласованно функционирующих программных и аппаратных компонентов. Изучение сети в целом предполагает знание принципов работы ее отдельных элементов:

•   компьютеров;

•   коммуникационного оборудования;

•   операционных систем;

•   сетевых приложений.

Весь  комплекс программно-аппаратных средств  сети может быть описан многослойной моделью. В основе любой сети лежит аппаратный слой стандартизованных компьютерных платформ. В настоящее время в сетях широко и успешно применяются компьютеры различных классов — от персональных компьютеров до мэйнфреймов и суперЭВМ. Набор компьютеров в сети должен соответствовать набору разнообразных задач, решаемых сетью.

Второй  слой — это коммуникационное оборудование. Хотя компьютеры и являются центральными элементами обработки данных в сетях, в последнее время не менее важную роль стали играть коммуникационные устройства. Кабельные системы, повторители, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы и модульные концентраторы из вспомогательных компонентов сети превратились в основные наряду с компьютерами и системным программным обеспечением как по влиянию на характеристики сети, так и по стоимости. Сегодня коммуникационное устройство может представлять собой сложный специализированный мультипроцессор, который нужно конфигурировать, оптимизировать и администрировать. Изучение принципов работы коммуникационного оборудования требует знакомства с большим количеством протоколов, используемых как в локальных, так и глобальных сетях.