Опис мережевих технологій

1 Опис мережевих топологій

При проектуванні мереж в  першу чергу необхідно вибрати  спосіб організації фізичних зв'язків, тобто топологію. Під топологією обчислювальної мережі розуміється конфігурація графа, вершинам якого відповідають комп'ютери мережі а ребрам - фізичні зв'язки між ними. Комп'ютери, підключені до мережі, часто називають станціями або вузлами мережі.

Вибір топології електричних  зв'язків істотно впливає на багато характеристик мережі. Наприклад, наявність  резервних зв'язків підвищує надійність мережі і робить можливим балансування завантаження окремих каналів. Простота приєднання нових вузлів, властива деяким топологіям, робить мережу легко розширюваною. Економічні міркування часто приводять до вибору топології, для яких характерна мінімальна сумарна довжина ліній зв'язку.

Розглянемо деякі найпоширеніші  топології: шинну, зіркоподібну, деревоподібну, кільце.

1. Шинна топологія.

 Шинна топологія часто  застосовується в невеликих, простих  або тимчасових мережних інсталяціях.

Принцип роботи шинної топології. У типовій мережі з шинною топологією кабель містить одну або більше пар провідників, а активні схеми посилення сигналу або передачі його від одного комп'ютера до іншого відсутні. Таким чином, шинна топологія є пасивною. Коли одна машина посилає сигнал по кабелю, всі інші вузли отримують цю інформацію, але тільки один з них приймає її. Останні відкидають повідомлення.

У кожен момент часу відправляти  повідомлення може тільки один комп'ютер, тому число підключених до мережі машин значно впливає на її швидкодію. Перед передачею даних комп'ютер повинен чекати звільнення шини. Вказані  чинники діють також в кільцевій  і зіркоподібній мережах.

Ще одним важливим чинником є крайове навантаження. Оскільки шинна топологія є пасивною, електричний сигнал від передавального комп'ютера вільно подорожує по всій довжині кабелю. Без крайового навантаження сигнал досягає кінця кабелю, відбивається і йде у зворотному напрямі. Така луна віддзеркалення і подорож сигналу туди і назад по кабелю називається зацикленням. Для запобігання подібному явищу до обох кінців кабельного сегменту підключається крайове навантаження (термінатори).Термінатори поглинають електричний сигнал і запобігають його віддзеркаленню. У мережах з шинною топологією кабелі не можна залишати без крайового навантаження.

Мал.  «Типові топології мереж».

Прикладом недорогої мережі з шинною топологією є Ethernet 10Base-2

Переваги шинної топології:

- вона надійно працює  в невеликих мережах, проста  у використанні і зрозуміла;

- шина вимагає менше  кабелю для з'єднання комп'ютерів  і тому дешевше, ніж інші  схеми кабельних з'єднань;

- шинну топологію легко  розширити. Два кабельні сегменти  можна зістикувати в один довгий  кабель за допомогою циліндрового з'єднувача BNC. Це дозволяє підключити до мережі додаткові комп'ютери;

- для розширення мережі  з шинною топологією можна використовувати повторювач. Повторювач підсилює сигнал і дозволяє передавати його на великі відстані.

Недоліки шинної топології:

- інтенсивний мережний  трафік значно знижує продуктивність такої мережі. Оскільки будь-який комп'ютер може передати дані в довільний момент часу, і в більшості мереж вони не координують один з одним моменти передачі. У мережі з шинною топологією з великим числом комп'ютерів станції часто переривають один одного, і чимала частина смуги втрачається даремно. При додаванні комп'ютерів до мережі проблема ще більш посилюється;

- кожен циліндровий з'єднувач  ослабляє електричний сигнал, і  велике їх число перешкоджатиме  коректній передачі інформації  по шині;

- мережі з шинною топологією  важко діагностувати. Розрив кабелю  або неправильне функціонування  одного з комп'ютерів може привести  до того, що інші вузли не  зможуть взаємодіяти один з  одним. В результаті вся мережа  стає непрацездатною.

1.2 Зіркоподібна топологія.

Зіркоподібна мережа характеризується наявністю центрального вузла комутації мережного сервера, до якого надсилаються всі повідомлення. На мережний сервер, крім основних функцій, можуть бути покладені додаткові функції з узгодження швидкостей роботи станцій і перетворення протоколів обміну, це дозволяє в рамках однієї мережі об'єднувати різнотипні робочі станції.

Малюнок іллюструє зіроподібну топологію де всі кабелі йдуть до комп'ютерів від центрального вузла – концентратора (hub).

Мал.«Топологія зіркоподібної  мережі».

Принцип роботи зіркоподібної топології. Кожен комп'ютер в мережі з топологією типу "зірка" взаємодіє з центральним концентратором, який передає повідомлення всіх комп'ютерів (у зіркоподібній мережі з широкомовною розсилкою) або тільки комп'ютеру-адресатові (у комутованій зіркоподібній мережі). Мережний сервер підключається до комутатора як робоча станція, але з максимальним пріоритетом. У цьому випадку структура центрального вузла значно спрощується, що у сполученні з високошвидкісними каналами дозволяє досягти досить високої швидкості передачі даних. Так, наприклад, у зірчастій мережі Ultra Net швидкість передачі даних становить 1,4 Гбіт/с .

Мал. «Структура зіркоподібної  мережі з розподіленим керуванням».

Активний концентратор регенерує електричний сигнал і посилає його всім підключеним комп'ютерам. Такий тип концентратора часто називають багато повторним повторювачем. Пасивні концентратори, наприклад, комутаційна кабельна панель або комутаційний блок, діють як точка з'єднання, не підсилюючи і не регенеруючи сигнал.Для реалізації мережі з топологією типу "зірка" можна застосовувати декілька типів кабелів. Гібридний концентратор дозволяє використовувати в одній зіркоподібній мережі різні типи кабелів.

Переваги мережі із зіркоподібною  топологією:

- така мережа допускає  просту модифікацію і додавання  комп'ютерів, не порушуючи інші  її частини. Досить прокласти  новий кабель від комп'ютера  до центрального вузла і підключити  його до концентратора. Якщо  можливості центрального концентратора  будуть вичерпані, слід замінити  його пристроєм з великим числом  портів;

- центральний концентратор  зіркоподібної мережі зручно  використовувати для діагностики.  Інтелектуальні концентратори (пристрої  з мікропроцесорами, доданими для  повторення мережних сигналів) забезпечують  також моніторинг і управління  мережею;

- відмова одного комп'ютера  не обов'язково приводить до  зупину всієї мережі. Концентратор  здатний виявляти відмови і  ізолювати таку машину або  мережний кабель, що дозволяє  решті мережі продовжувати роботу;

- у одній мережі допускається  застосування декількох типів  кабелів (якщо їх дозволяє використовувати  концентратор);

- зіркоподібна топологія відрізняється найбільшою гнучкістю і простотою діагностики у разі відмови.

Недоліки мережі із зіркоподібною  топологією:

- при відмові центрального  концентратора стає непрацездатною  вся мережа;

- багато мереж з топологією  типу "зірка" вимагають застосування  на центральному вузлі пристрою  для ретрансляції широкомовних  повідомлень або комутації мережного  графіка;

- всі комп'ютери повинні  з'єднуватися з центральним вузлом, це збільшує витрату кабелю, а отже, такі мережі дорожчі, ніж мережі з іншою топологією.

1.3 Деревоподібна.

Розширювати зіркоподібну мережу можна шляхом підключення замість  одного з комп'ютерів ще одного концентратора  і під'єднання до нього додаткових машин. Так створюється гібридна зіркоподібна мережа (деревоподібна). Найбільш характерним представником мереж з такою топологією є мережа lOOVG-AnyLan.

Порівняно з шинними і  кільцевими мережами, деревоподібні  мають вищу живучість. Відімкнення  або вихід з ладу однієї з ліній  або комутатора, як правило, не має значного впливу на працездатність частини локальної мережі, що залишилася.

Однією з причин широкого використання мереж із деревоподібною топологією є також те, що ця структура  найбільше відповідає структурі  інформаційних потоків між абонентами мережі.

Мал. «Гібридна зіркоподібна мережа».

1.4 Мережі з кільцевою топологією. У кільцевій мережі кожен комп'ютер пов'язаний з наступним, а останній - з першим. Кільцева топологія застосовується в мережах, що вимагають резервування певної частини смуги пропускання для критичних за часом засобів (наприклад, для передачі відео і аудіо), у високопродуктивних мережах, а також при великому числі клієнтів, що звертаються до мережі (що вимагає її високої пропускної спроможності).

Принцип роботи мереж з кільцевою топологією. У мережі з кільцевою топологією кожен комп'ютер з'єднується з наступним комп'ютером, що ретранслює ту інформацію, яку він отримує від першої машини. Завдяки такій ретрансляції мережа є активною, і в ній не виникають проблеми втрати сигналу, як в мережах з шинною топологією. Крім того, оскільки "кінця" в кільцевій мережі немає, ніяких крайових навантажень не потрібно.

Деякі мережі з кільцевою  топологією використовують метод естафетної передачі. Спеціальне коротке повідомлення-маркер циркулює по кільцю, поки комп'ютер не побажає передати інформацію іншому вузлу. Він модифікує маркер, додає електронну адресу і дані, а потім відправляє його по кільцю. Кожен з комп'ютерів послідовно отримує даний маркер з доданою інформацією і передає його сусідній машині, поки електронна адреса не співпаде з адресою комп'ютера-одержувача, або маркер не повернеться до відправника. Комп'ютер, що отримав повідомлення, повертає відправникові відповідь, підтверджуючу, що послання прийняте. Тоді відправник створює ще один маркер і відправляє його в мережу, що дозволяє іншій станції перехопити маркер і почати передачу. Маркер циркулює по кільцю, поки яка-небудь із станцій не буде готова до передачі і не захопить його.

Всі ці події відбуваються дуже часто: маркер може пройти кільце з діаметром в 200 м приблизно 10000 разів в секунду. У деяких ще швидших  мережах циркулює відразу декілька маркерів. У інших мережних середовищах  застосовуються два кільця з циркуляцією  маркерів в протилежних напрямах. Така структура сприяє відновленню  мережі у разі виникнення відмов.

Переваги мережі з кільцевою  топологією:

- оскільки всім комп'ютерам  надається рівний доступ до  маркера жоден з них не може  монополізувати мережу;

Недоліки мережі з кільцевою  топологією:

- відмова одного комп'ютера  в мережі може вплинути на  працездатність всієї мережі;

- додавання або видалення  комп'ютера змушує розривати мережу, усувається завдяки використанню "подвійного" кільця. Для цього до складу локальної мережі включають додаткові лінії зв'язку пристрої реконфігурації — спеціальні перемикальні пристрої, прості й надійні. На мал.показано схему перемикання з одного кільця на інше у випадку виходу з ладу одного із сегментів кільця. 

Мал. «Перемикання кілець».

У разі потреби може бути ізольована одна або декілька робочих  станцій .

а) ізоляція однієї станції 

б) ізоляція двох станцій

Мал. «Ізоляція робочих станцій».

1.5 ЛОГІЧНА ОРГАНІЗАЦІЯ МЕРЕЖІ

Поряд із фізичною топологією, локальна мережа характеризується логічною структурою. На рівні логічної структури визначається логічний канал передачі інформації, порядок доступу робочих станцій до спільного передавального середовища та характер взаємодії комп'ютерів між собою.

Логічний канал задає послідовність передачі інформації робочими станціями. При цьому логічна організація не завжди збігається з топологією мережі. У рамках локальних мереж розрізняють лінійні і кільцеві логічні канали. При лінійній логічній організації всі вузли локальної мережі пов'язані між собою за допомогою спільної логічної шини.

 

Мал. «Напрямок передачі інформації»

Мал. «Логічна лінійна структура».

У цьому випадку інформація від вузла надходить на спільну  логічну шину, після чого залежно  від адреси одержувача, надходить  на один з вузлів локальної мережі. Така організація відповідає лінійній фізичній структурі. Це найпростіший вид логічної організації, який не вимагає спеціального керування. Таке сполучення фізичної і логічної структури використовується в широко відомих мережах Ethernet.

При кільцевій логічній організації використовується спеціальна керуюча інформація, наприклад, у вигляді маркера, який послідовно передається між вузлами мережі. При надходженні маркера вузол отримує можливість передавати інформацію у фізичне середовище. Кільцева логічна організація може використовуватися не тільки в кільцевій, але й у лінійній фізичній структурі локальних мереж.