Топологія комп’ютерних мереж

Поняття комп'ютерної мережі

План заняття

Лекція 4. Основні поняття й терміни в комп'ютерних мережах і телекомунікаціях. Локальні та глобальні мережі. Топологія комп’ютерних мереж. Глобальна співдружність комп'ютерних мереж Internet

1. Поняття комп'ютерної мережі.

2. Топологія комп’ютерних мереж

3. Особливості середовища передавання.

4. Глобальна комп'ютерна мережа Internet

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.

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 імовірність помилки передачі даних (10^-8 - 10^-11).

Слід зазначити, що уже в даний час характеристики ЛМЗ частково перекривають характеристики глобальних мереж зв’язку.

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

Рисунок 1. Топологія «Зірка»

Зіркоподібна топологія. У мережі зі зіркоподібною топологією 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. Кожен комп'ютер підключається окремим кабелем до загального пристрою, який має назву концентратор та розташовується в центрі мережі. У функції концентратора входить спрямування переданої комп'ютером інформації одному чи всім іншим комп'ютерам мережі. Головна перевага цієї топології перед спільною шиною — значна надійність. Будь-які неприємності з кабелем стосуються лише того комп'ютера, до якого цей кабель приєднаний, і лише зіпсованість концентратора може вивести з ладу цілу мережу. Крім того, концентратор може відігравати роль інтелектуального фільтра інформації, що надходить від вузлів у мережу, і за необхідності блокувати заборонені адміністратором передачі.

До недоліків топології типу зірка відноситься більш висока вартість мережного устаткування через необхідність придбання концентратора. Крім того, можливості з нарощування кількості вузлів у мережі обмежуються кількістю портів концентратора.

Часом має сенс будувати мережу з використанням декількох концентраторів, ієрархічно з'єднаних між собою зв'язками типу зірка В даний час ієрархічна зірка є найпоширенішим типом топології зв'язків яку локальних, так і в глобальних мережах.

Кільцева топологія. У мережі з кільцевою топологією вузли підключаються до повторювачів сигналів, зв’язаних у односпрямоване кільце, чи до двох повторювачів, зв’язаних у два різноспрямованих кільця. У мережах з кільцевою конфігурацією дані передаються по колу від одного комп'ютера до іншого — як правило, в одному напрямку. Якщо комп'ютер розпізнає дані як «свої», то він копіює їх собі у внутрішній буфер.

У мережі з кільцевою топологією необхідно вживати спеціальних заходів, щоб у разі виходу з ладу чи відключення якоїсь станції не перервався канал зв'язку між іншими станціями. Кільце являє собою дуже зручну конфігурацію для організації зворотного зв'язку — дані, зробивши повний оберт, повертаються до вузла-джерела. Тому цей вузол може контролювати процес доставки даних адресату. Часто ця властивість кільця використовується для тестування зв'язності мережі та пошуку вузла, що працює некоректно. Для цього в мережу посилаються спеціальні тестові повідомлення.

У той час, як невеликі мережі, як правило, мають типову топологію — зірка, кільце чи спільна шина, для великих мереж характерна наявність довільних зв'язків між комп'ютерами. У таких мережах можна виділити окремі довільно зв'язані фрагменти(підмережі), що мають типову топологію, тому їх називають мережами зі змішаною топологією.

Рисунок 2. Кільцева мережа

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. Актоване 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.

Шинна топологія. Спільна шина є вельми розповсюдженою топологією для локальних мереж (рис. 3). У цьому випадку комп'ютери підключаються до одного коаксіального кабелю. Передана інформація може поширюватися в обидва боки. Канал закінчується з двох сторін пасивними термінаторами, що поглинають передані сигнали, оскільки за своєю природою передача в такій мережі є широкомовною.

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.

Застосування спільної шини знижує вартість проводки, уніфікує підключення різних модулів, забезпечує можливість майже миттєвого широкомовного звернення до всіх станцій мережі. Таким чином, основними перевагами такої схеми є невелика вартість і простота розведення кабелю по приміщеннях. Найсерйозніший недолік загальної шини в низькій надійності: будь-який дефект кабелю або якого-небудь з численних роз'ємів цілком паралізує всю мережу. На жаль, дефект коаксіального роз'єму не є рідкістю. Іншим недоліком спільної шини є її невисока продуктивність, тому що за такого способу підключення в кожен момент часу тільки один комп'ютер може передавати дані в мережу. Тому пропускна здатність каналу зв'язку завжди розподіляється тут між усіма вузлами мережі.

Змішана топологія. Мережа зі змішаною топологією 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.

Рисунок 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.

Рисунок 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.