Лекция 2. Классификация информационных сетей по скорости передачи, размеру сети и типу структуры

По скорости передачи сообщений ИС делятся на низкоскоростные, среднескоростные и высокоскоростные.

По размеру сети ИС можно подразделить на глобальные (международные, национальные, региональные), охватывающие большие географические территории, и локальные, располагающиеся на ограниченных территориях предприятия, учреждения, здания.

По типу структуры сети ИС делятся на иерархические и неиерархические. Глобальные сети имеют иерархическую структуру, в которой выделяются несколько уровней иерархии, часто получающих собственное название – местные, зоновые, магистральные сети. Большинство сетей общего пользования строятся по иерархической структуре. К достоинствам сетей с иерархической структурой относятся возможность сравнительно просто реорганизовывать сеть при необходимости обслуживания новых регионов и обеспечивать обмен информацией между различными ступенями иерархии. Неиерархические структуры чаще всего используются при создании локальных сетей и имеют обычно одну ступень иерархии.

Выбор той или иной структуры зависит от требований пользователей, величины нагрузки и ряда других факторов. На нижней ступени иерархии и неиерархических сетях наиболее распространенными являются радиальная, кольцевая, шинная, кратчайшесвязная структуры. На верхних уровнях иерархии при необходимости обеспечения весьма высоких показателей надежности используются полносвязные структуры. Высокой надежностью характеризуются сети с алмазной и решетчатой структурой, применяемые для построения сетей для связи с подвижными объектами.

Сети на каждой ступени иерархии, на межступенчатых участках, а также неиерархические сети могут иметь различную топологию.

Топологией сети называется организация внутренних коммуникаций вычислительной системы. Топологию сети определяет множество узлов, объединенных множеством каналов.

В зависимости от того, остается ли конфигурация взаимосвязей неизменной, различают сети со статической и динамической топологией. В сетях со статической топологией структура взаимосвязей фиксирована. В сетях с динамической топологией в процессе функционирования конфигурация взаимосвязей с помощью программных средств может быть оперативно изменена.

При описании топологии сетей их характеризуют с помощью следующих параметров:

- размера сети;

- числа связей;

- диаметра;

- порядка узла;

- пропускной способности;

- задержки;

- связности;

- ширины бисекции.

Размер сети численно равен количеству узлов, объединяемых сетью.

Число связей – это суммарное количество каналов между всеми узлами сети.

Диаметр сети, называемый также коммуникационным расстоянием, определяет минимальный путь, по которому проходит сообщение между двумя наиболее удаленными друг от друга узлами сети. С возрастанием диаметра сети увеличивается общее время прохождения сообщения, поэтому разработчики сетей стремятся по возможности использовать топологии с меньшим диаметром.

Порядок узла. Каждый узел сети связан с прочими узлами множеством входных и выходных каналов. Порядок узла представляет собой сумму числа входных и выходных каналов узла, т.е. равен числу узлов сети, с которыми данный узел связан напрямую. Увеличение значения порядка узла ведет к усложнению коммутационных устройств сети и, как следствие, к дополнительным задержкам в передаче сообщений. С другой стороны, увеличение порядка узлов позволяет использовать топологии, которые имеют меньший диаметр сети. Кроме того, разработчики сетей обычно отдают предпочтение таким топологиям, где порядок всех узлов одинаков, что позволяет строить сети с использованием модульного принципа.

Пропускная способность сети характеризуется количеством информации, которое может быть передано по сети в единицу времени.

Задержка сети – это время, требуемое для прохождения сообщения через сеть. В сетях, где время передачи сообщений зависит от маршрутов, по которым оно может быть передано, вводятся понятия средней, минимальной и максимальной задержки сети.

Связность сети можно определить как минимальное число узлов или каналов связи, которые должны выйти из строя, чтобы сеть распалась на две непересекающиеся сети.

Связность сети характеризует устойчивость сети к повреждениям, то есть ее способность обеспечивать функционирование при отказе компонентов.

Ширина бисекции. Срезом сети C(N₁, N₂) называется множество каналов, разрыв которых разделяет множество узлов сети на два непересекающихся подмножества узлов N₁, и N₂. Каждый элемент среза – это канал, соединяющий узел из набора узлов N₁ с узлом из набора узлов N₂.

Бисекция сети – это срез сети, разделяющий ее примерно пополам, т.е. N₂ £ N₁ £ N₂+1.

Ширину бисекции характеризуют минимальным числом каналов, разрываемых при всех возможных бисекциях сети. Ширина бисекции позволяет оценить число сообщений, которые могут быть переданы по сети одновременно, при условии, что это не вызовет конфликтов из-за попытки использования одних и тех же узлов или каналов связи.

Из возможных критериев классификации сетей со статической топологией чаще всего выбирают их размерность. С этих позиций различают:

- одномерные топологии (линейная);

- двумерные топологии (кольцо, звезда, дерево, решетка);

- трехмерные топологии (полносвязная, кратчайшесвязная, хордальное кольцо);

- гиперкубическая топология.

В простейшей линейной топологии узлы сети соединены в цепочку.

Стандартная кольцевая топология представляет собой линейную цепочку, концы которой соединены между собой.

В зависимости от числа однонаправленных каналов между соседними узлами различают однонаправленные и двунаправленные кольца.

Один из способов уменьшения большого диаметра кольцевой сети состоит в добавлении каналов в виде хорд, соединяющих определенные узлы кольца. Такая топология называется хордальным кольцом. Дальнейшее увеличения порядка узлов кольца позволяет добиться еще большего сокращения длины тракта передачи сообщений. Примером такой топологии является кольцевая топология с циклическим сдвигом связей.

Сеть со звездообразной топологией объединяет множество узлов первого порядка посредством специализированного центрального узла, называемого концентратором.

В сетях с древовидной топологией каждый узел более высокого уровня связан с двумя узлами следующего по порядку более низкого уровня. При больших объемах пересылок между несмежными узлами древовидная топология оказывается недостаточно эффективной. Это связано с тем, что на более высоких уровнях сети вероятность затора из-за недостаточной пропускной способности каналов выше.

Этот недостаток устраняется с помощью топологии, называемой «толстым» деревом. Идея «толстого» дерева состоит в увеличении пропускной способности коммуникационных каналов на верхних (прикорневых) уровнях сети. С этой целью на верхних уровнях узлы связываются не одним, а несколькими каналами, причем, чем выше уровень, тем больше число каналов. Для таких топологий вводится еще один параметр, называемый высотой дерева и определяемый как h=max[log₂N].

Простейшим примером сети с решетчатой топологией является плоская прямоугольная матрица узлов, каждый из которых соединен с ближайшими соседями. Если провести операцию свертывания плоской матрицы, соединив информационными каналам одноименные узлы левого и правого столбцов или одноименные узлы верхней и нижней строк плоской матрицы, то из плоской конструкции получается топология типа цилиндра. В цилиндрической топологии каждая строка или столбец матрицы представляют собой кольцо. Если одновременно провести свертывание плоской матрицы в обоих направлениях (то есть по строкам и по столбцам) получим тороидальную топологию сети.

В полносвязной топологии каждый узел напрямую связан со всеми остальными узлами сети.

Рассмотренные вопросы исследуются в лабораторной работе №1 «Модели структур информационных сетей» [1. с. 4-13]

Алгоритм получения сети с гиперкубической топологией можно описать следующим образом. Линия, соединяющая два узла, определяет одномерный гиперкуб. Квадрат, образованный четырьмя узлами – двумерный гиперкуб, а куб из восьми узлов – трехмерный гиперкуб. Из этого логического ряда следует алгоритм получения m-мерного гиперкуба: начинаем с (m-1)-мерного гиперкуба, делаем его идентичную копию и добавляем связи между каждым узлом исходного гиперкуба и одноименным узлом копии.

Характеристики сетей со статической топологией приведены в табл. 1.1.

В сетях с динамической топологией соединение узлов обеспечивается электронными ключами, варьируя установки которых можно менять топологию сети. В отличие от статических топологий, где роль узлов играют сами объекты информационного обмена, в узлах сетей с динамической топологией располагаются коммутирующие элементы, а устройства, обменивающиеся сообщениями (терминалы), подключаются к их входами и выходам. Обычно ключи в таких сетях группируются в ступени коммутации. В зависимости от того, сколько ступеней коммутации содержит сеть, она может быть одноступенчатой или многоступенчатой. Наличие более чем одной ступени коммутации позволяет обеспечить множественность путей между любыми парами входов и выходов. Минимальным требованием к такой сети является поддержка соединения любого входа с любым выходом. Для этого в сети с n входами и n выходами система ключей обязана предоставлять n! вариантов коммутации входов и выходов. Проблема усложняется, когда сеть должна обеспечить одновременную передачу данных между многими парами терминальных узлов, причем так, чтобы не возникали конфликты или блокировки из-за передачи данных через одни и те же коммутирующие элементы в одно и то же время. Подобные технологии должны поддерживать nⁿ вариантов коммутации.

С этих позиций все динамические топологии разделяются на три типа: неблокирующие, неблокирующие с реконфигурацией и блокирующие. В неблокирующих сетях обеспечивается соединение между любыми парами входных и выходных терминалов без перенастройки коммутирующих элементов сети. В неблокирующих сетях с реконфигурацией также возможна реализация соединений между произвольными входными и выходными терминалами, но для этого необходимо изменить настройку коммутаторов сети и маршруты связи между соединенными терминалами. В блокирующих сетях, если какое-либо соединение уже установлено, это может стать причиной невозможности установления других соединений.

Из всего данного класса сетей ограничимся упоминанием о наиболее простом виде сетей с динамической топологией, какими являются сети с шинной архитектурой. При одношинной топологии все узлы имеют порядок, равный единице, и подключены к одной совместно используемой шине. В каждый момент времени обмен сообщениями может вести только одна пара узлов, то есть на период передачи сообщения шину можно рассматривать как сеть, состоящую из двух узлов, в силу чего ее диаметр всегда равен единице. Также единице равна и ширина бисекции, поскольку топология допускает одновременную передачу только одного сообщения. Одношинная конфигурация может быть полезной, когда число узлов невелико, то есть трафик шины мал по сравнению с ее пропускной способностью.

Одношинную топологию часто используют для объединения нескольких узлов в группу, называемую кластером, после чего из таких кластеров образуют сеть на базе других видов топологии.

Контрольные вопросы к лекции 2

2-1. Как ИС подразделяются по скорости передачи сообщений?

2-2. На какие классы ИС подразделяются по размеру сети?

2-3. Чем отличаются глобальные и локальные ИС?

2-4. На какие классы ИС подразделяются по типу структуры?

2-5. Что является достоинством сетей с иерархической структурой?

2-6. От чего зависит выбор той или иной структуры сети?

2-7. Что называется топологией сети?

2-8. Чем отличаются сети со статической и динамической топологией?

2-9. Перечислите параметры, используемые при описании топологии сети.

2-10. Чему равен размер сети?

2-11. Как определяется число связей сети?

2-12. Что называется диаметром сети?

2-13. Что называется порядком узла?

2-14. К чему приводит увеличение порядка узла?

2-15. Что характеризует пропускная способность сети?

2-16. Что называется задержкой сети?

2-17. Что называется связностью сети?

2-18. Что характеризует связность сети?

2-19. Что называется срезом сети?

2-20. Что называется бисекцией сети?

2-21. Чем характеризуется ширина бисекции сети?

2-22. На какие классы подразделяются топологии сети по размерности?

2-23. Чем характеризуется линейная топология?

2-24. Что представляет собой кольцевая топология?

2-25. Что представляет собой двунаправленное кольцо?

2-26. Что представляет собой хордальное кольцо?

2-27. Чем характеризуется звездообразная топология?

2-28. Чем характеризуется древовидная топология?

2-29. Чем характеризуется топология, называемая толстым деревом?

2-30. Что представляет собой решетчатая топология?

2-31. Что представляет собой цилиндрическая топология?

2-32. Что представляет собой тороидальная топология?

2-33. Что представляет собой полносвязная топология?

2-34. Опишите алгоритм получения сети с гипркубической топологией.

2-35. За счет чего обеспечивается изменение топологии сети в сетях с динамической топологией?

2-36. Чем характеризуются неблокирующие сети?

2-37. Чем характеризуются блокирующие сети?

2-38. К какому типу топологий относится шинная топология?

2-39. Чему равны порядок узла, диаметр и ширина бисекции сети с шинной топологией?

2-40. Что называется кластером?