Топология компьютерной сети

Под физическойтопологией компьютерной сети обычно понимают физическое расположение компьютеров в сети относительно друг друга и способ соединения их линиями. Топология определяет требования к оборудованию, тип используемого кабеля, методы управления обменом, надежность работы, возможность расширения сети.

Можно дать и другое определение понятия топология. Под топологией сети понимается конфигурация графа, вершинам которого соответствуют конечные узлы сети (например, компьютеры) и коммуникационное оборудование (например, маршрутизаторы), а ребрами – электрические и информационные связи между ними. Число вариантов конфигураций резко возрастает при увеличении числа связываемых устройств (см. рис.26). Для трех компьютеров существует два способа, для четырех можно предложить шесть способов.

Рис.26 Варианты связи компьютеров для случаев трех и четырех узлов

Среди множества возможных конфигураций различают полносвязные и неполносвязные.

Полносвязная топология соответствует сети, в которой каждый компьютер непосредственно связан со всеми остальными (рис.27). Несмотря на логическую простоту, этот вариант оказывается громоздким и неэффективным. Каждый компьютер сети должен иметь большое количество коммуникационных портов, достаточное для связи с каждым из остальных компьютеров сети, для каждой пары компьютеров должна быть выделена отдельная физическая линия связи (в некоторых случаях даже две, если невозможно использование этой линии для двусторонней передачи).

Рис.27 Полносвязная топология

В случае неполносвязной топологии обмен данными между двумя компьютерами может потребность промежуточную передачу данных через другие узлы сети. На практике распространение получили неполносвязные топологии. Все сети строятся на основе трех базовых топологий:

· шина (bus);

• звезда (star);

· кольцо (ring).

Если компьютеры подключены вдоль одного кабеля (сегмента), топология называется шиной. В том случае, когда компьютеры подключены к сегментам кабеля, исходящим из одной точки, или концентратора, топология называется звездой. Если кабель, к которому подключены компьютеры, замкнут в кольцо, такая топология носит название кольца. Хотя сами по себе базовые топологии несложны, в реальности часто встречаются довольно сложные комбинации, объединяющие свойства нескольких топологий.

Шина

Данная топология относится к наиболее простым и широко распространенным топологиям. В ней используется один кабель, именуемый магистралью или сегментом, к которому параллельно подключаются все компьютеры сети (см. рис.28).

ПК

ПК

ПК

терминатор

Рис.28 Шинная топология

При таком способе подключения в каждый момент времени только один компьютер может передавать данные по сети. Данные в виде электрических сигналов передаются всем компьютерам сети; однако информацию принимает только тот, адрес которого соответствует адресу получателя, зашифрованному в этих сигналах. Так как данные в сеть передаются лишь одним компьютером, ее производительность зависит от количества компьютеров, подключенных к шине. Чем их больше, т.е. чем больше компьютеров, ожидающих передачи данных, тем медленнее сеть. Однако вывести прямую зависимость между пропускной способностью сети и количеством компьютеров в ней нельзя. Ибо, кроме числа компьютеров, на быстродействие сети влияет множество факторов, в том числе:

· характеристики аппаратного обеспечения компьютеров в сети;

· частота, с которой компьютеры передают данные;

· тип работающих сетевых приложений;

· тип сетевого кабеля;

· расстояние между компьютерами в сети.

Шина — пассивная топология. Это значит, что компьютеры только «слушают» передаваемые по сети данные, но не перемещают их от отправителя к получателю. Поэтому, если один из компьютеров выйдет из строя, это не скажется на работе остальных. В активных топологиях компьютеры регенерируют сигналы и передают их по сети.

Данные, или электрические сигналы, распространяются по всей сети от одного конца кабеля к другому. Если не предпринимать никаких специальных действий, сигнал, достигая конца кабеля, будет отражаться и не позволит другим компьютерам осуществлять передачу. Поэтому, после того как данные достигнут адресата, электрические сигналы необходимо погасить.

Чтобы предотвратить отражение электрических сигналов, на каждом конце кабеля устанавливают терминаторы, поглощающие эти сигналы. Все концы сетевого кабеля должны быть к чему-нибудь подключены, например, к компьютеру или к баррел-коннектору — для увеличения длины кабеля. К любому свободному — неподключенному — концу кабеля должен быть подсоединен терминатор, чтобы предотвратить отражение электрических сигналов.

Терминатор – обыкновенный резистор, который поглощает электрические сигналы.

Разрыв сетевого кабеля происходит при его физическом разрыве или отсоединении одного из его концов. Возможна также ситуация, когда на одном или нескольких концах кабеля отсутствуют терминаторы, что приводит к отражению электрических сигналов в кабеле и прекращению функционирования сети. Сеть «падает». Сами по себе компьютеры в сети остаются полностью работоспособными, но до тех пор, пока сегмент разорван, они не могут взаимодействовать друг с другом.

Достоинства топологии шина:

§ Простота добавления новых узлов в сеть (это возможно даже во время работы сети);

§ Сеть продолжает функционировать, даже если отдельные компьютеры вышли из строя;

§ Недорогое сетевое оборудование за счет широкого распространения такой топологии;

§ Обеспечивает минимальный расход кабеля.

Недостатки:

§ Сложность сетевого оборудования;

§ Сложность диагностики неисправности сетевого оборудования из-за того, что все адаптеры включены параллельно;

§ Обрыв кабеля влечет за собой выход из строя всей сети;

§ Ограничения на максимальную длину линии связи из-за того, что сигналы при передаче ослабляются и никак не восстанавливаются.

Топологию шина имеют многие сети, использующие беспроводную связь – роль общей шины здесь играет общая радиосреда.

Звезда

Топология звезда образуется в случае, когда каждый подключается отдельным кабелем к общему центральному устройству, называемому концентратором (хабом) (см. рис.29). В функции концентратора входит направление передаваемой компьютером информации одному или всем остальным компьютерам сети.

В качестве концентратора может выступать как компьютер, так и специализированное устройство, такое как многовходовый повторитель, коммутатор или маршрутизатор.

ПК

ПК

ПК

ПК

ПК

концентратор

Рис.29 Звездообразная топология

Концентратор работает таким образом, что сигнал, приходящий по одному из его кабелей, мгновенно посылается обратно по всем остальным кабелям, т.е. концентратор является пунктом распределения данных. Топология звезды применяется в самых различных сетях (сети отличаются друг от друга типами используемых кабелей и методами передачи информации по этим кабелям), однако наибольшее распространение она получила в сетях Ethernet. Сети со звездообразной топологией поддерживают технологии FastEthernet и GigabitEthernet, что позволяет увеличивать пропускную способность в десятки и даже сотни раз – 10, 100, 1000 Мбит/с.

Достоинства:

§ Выход из строя периферийного компьютера никак не отражается на функционировании оставшейся части сети;

§ Простота используемого сетевого оборудования;

§ Все точки подключения собраны в одном месте, что позволяет легко контролировать работу сети, локализовать неисправности сети путем отключения от центра тех или иных периферийных устройств;

§ Не происходит затухания сигналов.

Недостатки:

§ Выход из строя центрального компьютера делает сеть полностью неработоспособной;

§ Возможности по наращиванию количества узлов в сети ограничиваются количеством портов концентратора;

§ Значительный расход кабеля;

§ Более высокая стоимость сетевого оборудования из-за приобретения специализированного центрального устройства.

Иногда имеет смысл строить сеть с использованием нескольких концентраторов, иерархически соединенных между собой связями типа звезда (см. рис.30). Получаемую в результате структуру называют также деревом. В настоящее время дерево является самым распространенным типом топологии связей. Как в локальных, так и в глобальных сетях.

Рис. 30 Структура типа «дерево»

Кольцо

При использовании кольцевой топологии каждый компьютер передает информацию всегда только одному компьютеру, следующему в цепочке, а получает информацию только от предыдущего в цепочке компьютера, и эта цепочка замкнута (см. рис.31). Для упрощения функционирования ЛВС с кольцевой структурой сигнал обычно передается по кольцу только в одном направлении.

ПК

ПК

ПК

ПК

Рис.31 Кольцевая топология

Особенностью кольца является то, что каждый компьютер восстанавливает приходящий к нему сигнал, поэтому затухание сигнала во всем кольце не имеет никакого значения, важно только затухание между соседними компьютерами.

Достоинства:

§ Легко подключить новые узлы, хотя для этого нужно приостановить работу сети;

§ Большое количество узлов, которое можно подключить к сети (более 1000);

§ Высокая устойчивость к перегрузкам.

Недостатки:

§ Выход из строя хотя бы одного компьютера нарушает работу сети;

§ Обрыв кабеля хотя бы в одном месте нарушает работу сети.

Обычно кольцевая топология ассоциируется с сетями TokenRing, пропускная способность которых 16 Мбит/с.

В то время как небольшие сети, как правило, имеют типовую топологию – звезда, кольцо или общая шина, для крупных сетей характерно наличие произвольных связей между компьютерами. В таких сетях можно выделить отдельные, произвольно связанные фрагменты (подсети), имеющие типовую топологию, поэтому их называют сетями со смешаннойтопологией (см. рис.32).

Рис. 32 Смешанная топология