Класифікація мереж. Топологія мереж

Відкрита обчислювальна мережа (ОМ) чи мережа ЕОМ складається з кінцевих (абонентських) систем, що генерують і (чи) споживають інформацію та мережі передачі даних (мережі зв’язку), нарощування яких щодо числа користувачів та обсягів інформації у ній не підлягає ніяким обмеженням.

У якості кінцевих систем можуть виступати обчислювальні машини, де виконуються програми й обробляються дані, системи збереження даних на магнітних, оптичних і інших носіях (файлові служби, бази даних тощо), інтелектуальні пристрої введення і (чи) відображення даних (служби високоякісного друку, графічні станції, відеотермінали, телекамери, телемонітори тощо), програмувальні пристрої керування (пристрої числового програмного керування верстатами, регуляторами, сенсорами тощо).

Абонентами мережі називаються користувачі чи обчислювальні процеси, що вимагають мережного обслуговування (передачі інформації). Мережа зв’язку складається з фізичних засобів передачі інформації й апаратно-програмних засобів сполучення кінцевих систем. Склад цих засобів залежить від конкретної реалізації мережі. Наприклад, як засоби сполучення можуть виступати контролери мережі і модеми, вмонтовані в кінцеві системи чи виконані у вигляді окремих пристроїв, а як фізичні засоби передачі - блоки доступу (наприклад, прийомопередавачі, повторювачі) і середовище передачі сигналів (наприклад, кабелі). Блоки доступу, модеми, контролери, а також комутаційні пристрої, ретранслятори є зв’язковими пристроями. Сукупність зв’язкових пристроїв і кінцевого устаткування, підключених до середовища передачі в деякій точці, називаються вузлом мережі.

Прикладна галузь визначає географічні масштаби ОМ. Під локальними обчислювальними мережами (ЛОМ) звичайно розуміють ОМ, що з’єднують кінцеві системи в одній кімнаті, будинку чи декількох близько розташованих будинках. ЛОМ належить, як правило, одній організації чи підприємству (міністерству, заводу, інституту, порту, АЕС тощо.). Мережі зв’язку ЛОМ (тобто локальні мережі зв’язку - ЛМЗ) мають у даний час наступні типові характеристики:

- високу швидкість передачі даних (0,1- 100 Мбіт/с),

- невелику довжину (0,1-50 км),

- малу ймовірність помилки передачі даних (10^-8 - 10^-11).

Слід зазначити, що уже в даний час характеристики ЛМЗ частково перекривають характеристики глобальних мереж зв’язку. Можна припустити, що застосування волокнянооптичних кабелів згодом зітре границі між різними типами мереж зв’язку в нашому сьогоднішньому розумінні і локальність мережі зв’язку буде визначатися лише її юридичною приналежністю підприємству чи організації, що не спеціалізуються на комерційному наданні послуг щодо передачі інформації. Далі для стислості відкриті інформаційні мережі зв’язку будемо називати просто мережами.

Під архітектурою ОМ будемо розуміти набір компонентів ОМ і правила їхнього з’єднання.

Топологія мережі визначається способом з’єднання її вузлів із каналами (кабелями) зв’язку. На практиці використовуються п’ять базових топологій: зіркоподібна, кільцева, шинна, змішана чи багатозв’язна та деревоподібна. Топологія мережі впливає на такі її показники, як надійність, розширюваність (нарощуваність), вартість, затримка і перепускна здатність.

Затримка мережі - це час передачі інформаційних повідомлень між абонентами, тобто час між видачею повідомлення з абонента-джерела і його прийомом абонентом-одержувачем (адресатом). Перепускна здатність - це максимальне число бітів абонентських повідомлень, що можуть передаватися через мережу в одиницю часу.

Зіркоподібна топологія. У мережі зі зіркоподібною топологією (рис.4.1) кожен абонент, що посилає і (чи) приймає інформацію, приєднаний одним чи двома виділеними каналами зв’язку до єдиного центрального вузла, через який проходить весь мережевий трафік. Мережі з такою топологією будуються, як правило, на базі методу комутації каналів. У цьому випадку перед початком передачі інформації абонент-ініціатор передачі (викликаючий вузол) запитує в центрального вузла права встановлення фізичного чи логічного з’єднання з абонентом-партнером (викликуваним вузлом). Після встановлення з’єднання відповідний фізичний чи логічний шлях монопольно використовується абонентами-партнерами для обміну інформацією. Після закінчення обміну один із абонентів вимагає від центрального вузла роз’єднання.

Рис. 4.1. Мережа типу “Зірка”

Сучасні аналогові і цифрові установські автоматизовані телефонні станції (УАТС) використовують метод комутації каналів - у першому випадку фізичних, а в іншому - логічних. При комутації логічних каналів на одному фізичному каналі зв’язку абонента з центральним комутуючим вузлом мультиплексуються в часі кілька логічних каналів.

Із погляду надійності роботи відмова центрального вузла викликає відмову всієї мережі, тому часто потрібне резервування найбільш важливих пристроїв. Проте, якщо з ладу виходить який-небудь канал чи кінцевий вузол, то легко визначити, який радіальний зв’язок містить дефект, і при необхідності від’єднати його, не порушуючи працездатності іншої частини мережі.

Розширюваність мережі обмежується можливостями центрального вузла щодо підключення каналів зв’язку з кінцевими системами.

Центральний вузол є досить дорогим пристроєм, оскільки виконує всі основні функції щодо керування мережею. Вартість кабелів і вартість їхнього прокладання вища, ніж при інших топологіях із таким же числом вузлів.

Перепускна здатність мережі визначається продуктивністю центрального вузла і навантаженням, що створюють абоненти. Для аналогових УАТС продуктивність центрального вузла виміряється числом фізичних з’єднань, що комутуються, між абонентами в секунду і перепускною здатністю абонентських каналів зв’язку, а для цифрових УАТС - числом логічних з’єднань, що комутуються, між абонентами в секунду і перепускною здатністю абонентських каналів. Значення цих параметрів для сучасних цифрових УАТС (установчих автоматичних телефонних станцій) перебувають у діапазоні відповідно 2000-4000 з’єднань/с (56-64 кбіт/с).

Одним із варіантів зіркоподібної топології ЛОМ може служити розподілена зіркоподібна топологія, відповідно до якої кінцеві системи з’єднуються кабелями з центральною "точкою", де розміщена сполучна коробка, яку називають концентратором кабелів. Останній може приєднати до мережі не більше чотирьох-восьми кінцевих систем. Концентратори кабелів з’єднуються між собою спільним розподільчим кабелем. Така топологія широко застосовується в ЛОМ персональних ЕОМ, коли кінцеві системи широко розкидані по будинку установи.

Кільцева топологія. У мережі з кільцевою топологією (рис. 4.2)вузли підключаються до повторювачів сигналів, зв’язаних у односпрямоване кільце, чи до двох повторювачів, зв’язаних у два різноспрямованих кільця. Через простоту реалізації найбільше поширення одержали мережі з одним кільцем. В односпрямованому кільці пари суміжних повторювачів зв’язані секцією кабеля - виділеним каналом зв’язку.

Кожне повідомлення має ідентифікатор (адресу) вузла-одержувача.

Передане з вузла-джерела повідомлення проходить по кільцю до вузла-споживача, що розпізнає свою адресу в повідомленні й або приймає і поглинає повідомлення, або приймає і ретранслює повідомлення, що переміщається по кільцю до вузла-джерела, де поглинається. Кожному з цих двох способів поглинання повідомлення відповідає реалізація у вузлах і повторювачах визначеного протоколу. Найбільше поширення знайшло поглинання повідомлення вузлом-джерелом, оскільки це дозволяє проконтролювати правильність передачі повідомлення.

Рис. 4.2. Кільцева мережа

При великій довжині кільця, коротких повідомленнях і (чи) великій швидкості передачі можлива одночасна передача по ньому більше ніж одного повідомлення, оскільки кільце починає працювати як лінія затримки з пам’яттю.

Можна виділити два основних типи кільцевих мереж, обумовлених методом доступу до середовища передачі.

1. Маркерне кільце. У таких мережах кільцем передається спеціальний керуючий маркер, що дозволяє передачу повідомлень із вузла, що ним володіє. Якщо вузол одержав маркер і в нього є повідомлення для передачі, то він захоплює маркер і передає повідомлення. Маркер буде переданий далі кільцем після того, як даний вузол прийме і поглине своє власне повідомлення. При відсутності у вузлі повідомлень, що підлягають передачі, він просто пропускає маркер.

2. Тактоване кільце. По кільцевій мережі безупинно обертається замкнута послідовність тактів - спеціально закодованих інтервалів фіксованої довжини. У кожному такті наявний біт - покажчик зайнятості. Вільні такти можуть заповнюватися переданими повідомленнями в міру необхідності, або за кожним вузлом закріплюються визначені такти.

У маркерному кільці існує можливість втрати маркера, що вимагає або уведення одного керуючого вузла, що стежить за збереженням маркера, або розподілом функцій спостереження за маркером за усіма вузлами із виконанням цих функцій у кожний момент часу тільки одним вузлом. На керуючий вузол покладаються також функції усування зациклених повідомлень. Така ситуація має місце у випадку перекручування ідентифікатора вузла-одержувача, коли цей ідентифікатор не розпізнається жодним із вузлів.

Із погляду надійності найслабшим місцем у кільцевих мережах є повторювачі. Відмова повторювача може або вивести з ладу всю мережу, або заблокувати доступ у мережу вузла, підключеного до цього повторювача. Тому повторювачі складаються з двох частин - основної, із електроживленням від вузла, та інтерфейсної, із електроживленням від автономного джерела та побудованої на релейній схемі. При відмовленні повторювача його інтерфейсна частина прямо з’єднує вхідний і вихідний канали зв’язку повторювача.

Розширюваність кільцевої мережі досить висока. Для простого підключення нового вузла необхідно привласнити йому ідентифікатор, відмінний від ідентифікаторів інших вузлів мережі, і включити до складу кільця новий повторювач. Підключення нових вузлів із подовженням власне кільцевої мережі, як правило, трудомістка операція. Тому відразу намагаються здійснити трасування кабеля таким чином, щоб він проходив через усі ті місця, де може знадобитися підключення кінцевих систем. Це ускладнює трасування кабелів перед розгортанням мережі. Включення нового повторювача збільшує затримку мережі.

Перепускна здатність і затримка кільцевої мережі залежать від методу передачі повідомлень, реалізованого в повторювачі. У найпростішому випадку повідомлення повністю накопичуються в кожному повторювачі для аналізу адреси вузла-одержувача і лише потім, при необхідності, передаються сусідньому повторювачу. Проте існують методи передачі повідомлень, що дозволяють звести затримку в повторювачі до часу передачі одного біта повідомлення.

У даний час у кільцевих мережах досяжна швидкість передачі повідомлень порядку 100 Мбіт/с.

Шинна топологія. У мережах із шинною топологією (рис. 4. 3) усі вузли підключаються до одного каналу зв’язку за допомогою прийомо-передавачів.

Рис. 4. 3. Шинна мережа

Канал закінчується з двох сторін пасивними термінаторами, що поглинають передані сигнали, оскільки за своєю природою передача в такій мережі є широкомовною. У більшості реалізацій фізичне середовище передачі шинної мережі може складатися з однієї чи декількох секцій кабеля, зв’язаних спеціальними з’єднувачами. У результаті утвориться так званий сегмент кабеля.

Вузли підключаються до шини безпосередньо до з’єднувачів кабельних секцій або за допомогою спеціальної урізки, що просто проколює коаксіальний кабель до контакту з центральним провідником.

Кожний вузол має унікальний ідентифікатор і приймає повідомлення, якщо в ньому адреса вузла-одержувача або збігається з його власним ідентифікатором, або є ідентифікатором широкомовного чи групового повідомлення.

Оскільки один загальний канал зв’язку (шина) розділяється між всіма абонентами мережі, такі мережі називаються також моноканальними, і необхідна деяка децентралізована процедура доступу до каналу, що забезпечує його використання в кожний конкретний момент часу одним абонентом, тобто тимчасове ущільнення каналу. Ця процедура (метод доступу) може бути випадковою чи детермінованою.

Найбільше поширення серед методів випадкового доступу одержав метод множинного доступу з контролем несучої і виявленням конфліктів (МДКН/ВК), а серед методів детермінованого доступу - маркерний доступ. Відповідні мережі іноді називаються випадковою чи маркерною шинами. У першому випадку зайнятість шини характеризується наявністю в каналі несучого сигналу повідомлення. Відсутність несучої означає приступність каналу. Усі вузли "прослуховують" канал, щоб знайти несучу. Однак через скінченність часу поширення сигналу в обидва боки від місця підключення вузла-відправника до каналу кілька вузлів можуть порахувати канал вільним і почати передачу повідомлень, що веде до конфліктів (накладання) передач. Вузли, виявивши конфлікт, відкладають свої передачі, а потім через випадковий час знову намагаються повторити їх. У випадку маркерної шини усі вузли мережі логічно упорядковані в кільце. У кожному вузлі відомі ідентифікатори його безпосередніх сусідів у логічному кільці. Передаючи один одному логічним кільцем маркер, вузли передають тим самим один одному право передачі повідомлень, що і забезпечує детермінованість їхнього доступу до каналу зв’язку. Аналогічно до маркерного кільця тут також існує можливість утрати маркера, тому виникає необхідність у керуючому вузлі.

Якщо кільцеві мережі чутливі до відмов типу розриву каналу зв’язку, то шинні мережі чутливі до заземлення каналу зв’язку чи до подачі на нього надлишкового за рівнем сигналу (електричний розряд, випадкове замикання на посторонній лінії живлення). У прийомопередавачі шинної мережі необхідна деяка електрична (трансформаторна чи оптична) розв’язка його абонентської і канальної частин.

Шинні мережі мають досить обмежені можливості щодо нарощування через загасання сигналів у каналі. Кожне урізка і кожний з’єднувач трохи змінюють характеристики фізичного середовища передачі. Тому для кожної реалізації наявні, як правило, обмеження на загальну довжину кабеля зв’язку і його сегментів, на відстань між сусідніми точками підключення вузлів і на кількість підключень до кабеля. Наприклад, на сегменті кабеля мережі Ethernet загальне число урізок і з’єднувачів не повинно перевершувати 100, відстань між сусідніми точками приєднання до кабеля повинна бути не менше 2,5 м, а довжина сегмента не повинна перевищувати 500 м.

Перепускна здатність і затримка в шинних мережах визначаються великим числом параметрів: методом доступу, смугою перепускання кабелю зв’язку, числом вузлів мережі, довжиною повідомлень тощо. У випадковій шині коефіцієнт використання каналу може досягати 95%, але він падає з ростом довжини повідомлення і довжини кабеля зв’язку між крайніми вузлами мережі через збільшення частоти конфліктів.

Змішана топологія. Мережа зі змішаною топологією (рис. 4.4) є, як правило, неповнозв’язаною мережею вузлів комутації повідомлень (пакетів), до яких приєднуються кінцеві системи. Усі канали зв’язку є виділеними двоточковими. Такого роду зв’язки найбільш часто використовуються у великомасштабній та регіональній обчислювальній мережах, але іноді вони застосовуються й у локальних обчислювальних мережах. Змішану мережу можна розглядати як зіркоподібну мережу, у якої центральний вузол має розподілену архітектуру.

Вузол комутації

Рис. 4.4. Змішана (багатозв’язна) мережа

У вузлах комутації змішаної мережі звичайно реалізується статична (фіксованими шляхами) чи динамічна (адаптивна) маршрутизація повідомлень, переданих у виді дейтаграм чи віртуальними каналами, що веде до необхідності будувати вузли комутації на базі ЕОМ із достатніми швидкодією і місткістю оперативної пам’яті. У результаті для того ж числа кінцевих систем вартість змішаної мережі вища ніж вартість будь-якої іншої мережі.

Надійність змішаної мережі забезпечується таким з’єднанням вузлів комутації каналами зв’язку, щоби між будь-якою парою кінцевих систем були наявні щонайменше два шляхи передачі повідомлень. Уведення надлишкових каналів між вузлами комутації, тобто збільшення зв’язності мережі, - стандартний спосіб підвищення надійності.

Деревоподібна топологія. Деревоподібні мережі будуються на базі техніки кабельного телебачення, тобто з використанням таких засобів зв’язку, як кінцеві частотні ретранслятори, розщеплювачі-об’єднувачі, двонапрямлені посилювачі, відгалужувачі, радіочастотні модеми, фільтри тощо. Основна перевага таких мереж - відносно велика протяжність (до 50 км) та можливість паралельної передачі мови, даних та зображень, що забезпечується за рахунок частотного ущільнення каналів (у описаних вище мережах використовується часове ущільнення каналів). Ось чому деревоподібні мережі також називають багатоканальними.

Рис. 4. 5. Деревоподібна мережа

Можливості щодо нарощування деревоподібних мереж досить таки обмежені через високу вартість їх встановлення та складність їх аналогових компонентів, що вимагають ще й постійного налагоджування. Перед розгортанням мережі необхідна ретельна попередня проробка трас кабелів, місця розміщення ретранслятора, посилювачів, відгалужувачів тощо, які враховують перспективи підключення нових кінцевих систем.

Надійність деревоподібної мережі забезпечується структурним резервуванням її зв’язкових пристроїв, час напрацювання на відмову яких може складати до 400 тис. год.