Топологія мереж

Размещено на http://www.allbest.ru/

Топологія мереж



План

Загальна класифікація топологічних структур мереж

Шинна (магістральна) топологія

Зірка (радіальна конфігурація)

Кільцева топологія мережі

Петлева топологія мережі

Деревовидна топологія мережі

Повнозв'язна топологія мережі

Змішана топологія мережі



1. Загальна класифікація топологічних структур мереж

Топологія мережі визначає розміщення вузлів та з'єднання між ними. Або топологія - метод з'єднання, структура зв'язку абонентів мережі.

З точки зору топології мережі вони класифікуються на три основні структури:

шинна (мережі моноканал) BUS;

зірка (радіальні) STAR;

кільцеві RING;

інші структури являються похідними:

повнозв'язні;

деревовидні TREE;

петлеві;

змішана структура.

Питання побудови локальних мереж на сьогоднішній день стандартизовані.

Стандарт IEEE 802.1 - в якому відображені загальні теоретичні проблеми побудови локальних мереж, а також практичні питання опису та роботи мережі та її компонентів, управління передачею даних, взаємодія декількох мереж. Поряд з цим, даний стандарт описує інтерфейс рівнів, що розглядається ним з верхніми рівнями інформаційно-обчислювальної мережі.

Стандарт IEEE 802.2 являється загальним для всіх типів фізичних засобів з'єднань та не залежить від їх характеристик. Стандарт визначає процедури обміну даними, що здійснюються між абонентськими системами на підрівні управління логічним каналом. Для задоволення різних вимог, що пред'являються до передачі, тут використовують два класи процедур управління логічними каналами. Перший з них забезпечує передачу даних без встановлення канального з'єднання. Цей клас дуже простий, але може використовуватися тоді, коли транспортний рівень протоколів забезпечує управління наскрізну передачу через фізичні засоби з'єднання, перевірку даних, впорядкування послідовності блоків інформації. Другий клас управління логічними каналами визначає встановлення канальних з'єднань, т.б. забезпечує послідовність доставки блоків даних, їх перевірку та виправлення помилок.

Сумісність обладнання досягається на рівні, як мінімум, стандарта IEEE 802.2.

2. Шинна (магістральна) топологія

Фізична структура. Основний вигляд шини для передачі даних, або магістралі являє собою сегмент кабеля, не замкнений в кільце. Один сегмент шинної мережі обов'язково включає хоч б один сервер і декілька робочих станцій, що підімкнені до шини з деякими інтервалами. Кожна робоча станція використовує шину, щоб зв'язатися з сервером або іншою робочою станцією.

Спосіб передачі. Інформація передається в шину через вузли і розповсюджується у всі сторони від них зі швидкістю біля трьох четвертих швидкості світла. Всі вузли, підключені до шини, можуть “чути” кожну передачу. У цьому значенні шина схожа на звичайний радіоканал, коли один або декілька передавачів мають доступ в ефір через свої антени. Їх передача може бути почута будь-яким налаштованим на них приймачем. Спосіб доступу CSMA/CD (Сarrier sense multiple access with collision detection - множинний доступ з контролем несучої та виявлення конфліктів).

Середовище передачі. Канал являє собою 2 лінії, одна з яких інформаційна, а друга “Земля”. Шина має обмеження по довжині, які диктуються можливостями адаптерів і з'єднувальних кабелів. Середовище це кабель (коаксіал, вита пара або спеціально організований багатожильний оптоволоконний кабель), звичайно має на обох кінцях електричні опори - термінатори (50, 100 Ом), запобігаючі паразитні відображення, які створюють перешкоди для передачі, призначені для гасіння в мережі стоячих і відбитих хвиль.

Розширення мережі. Шину можна розширити при використанні повторювача “Repeater”. Існує обмеження на:

на кількість сегментів, що з'єднані через повторювачі, яка диктується можливостями адаптерів;

кількість робочих станцій.

Мережа Х працює з сервером S1, а мережа Y - з сервером S2, але S1 є загальним для обох сегментів і, тому, він більше завантажений. ОС на сервері S1 може обслуговувати звичайно 4 сегменти мережі, якщо необхідно підключити більшу кількість сегментів, то використовується маршрутизатор (router), міст (bridge), повторювач (repeater), шлюз (gateway).



Компоненти мережі складаються із:

центрального каналу;

трійників (їх число дорівнює числу робочих станцій);

пристроїв, що збільшують протяжність каналів, які називаються повторювачами (repeater);

мостів (bridge), які можуть бути реалізовані на сервері і на робочій станції;

маршрутизаторів (router), що дозволяють розподілити потоки між необмеженим числом мереж;

шлюзів (gate), що забезпечують узгодження локальних мереж з різними протоколами;

концентраторів (HUB), які дозволяють розгалужувати мережу.

Спосіб доступу в мережу. У цьому випадку всі робочі станції мають рівні можливості доступу до каналу. Розрізнюють 3 типи організації шинної топології (управління в мережі):

1) децентралізована, коли кожна робоча станція може посилати повідомлення будь-якій іншій робочій станції. Управляючі системи, що обслуговують інші робочі місця мережі, відсутні. Приклад такої організації - мережі загального доступу (Ethernet). У мережі Ethernet станція слухає: зайнятий або не зайнятий канал і, якщо не зайнятий, то захоплює канал. В одному каналі може працювати тільки одна робоча станція. Доступ до каналу іде тільки через сервер.

2) централізована, коли існує одна основна станція (сервер) і багато робочих станцій. Сервер може бути управляючою комутаційною станцією, що виділяє загальну шину який-небудь робочій станції, керуючись певною дисципліною обслуговування. Приклад такої організації - мережі маркерного доступу (Arcnet). У мережі ARCnet доступом управляє сервер в порядку черги.

3) розподілені (MAN, WAN) - це змішаний тип шинної топології, в якій можуть бути присутні декілька сегментів, що підключені за централізованою схемою.

Сервери можуть бути виділеними, коли вони виконують тільки функції обслуговування робочих станцій, і невиділеними, коли вони, крім своїх функцій, виконують функції робочої станції.

Область застосування. Шинна топологія є найбільш поширеною для адміністративних та офісних систем.

Переваги шинної топології:

легко підключаються будь-які пристрої;

всі компоненти легко доступні;

ефективно використовується пропускна спроможність;

монтаж мережі дуже простий;

відсутність проблем маршрутизації;

є можливість підключення декількох малошвидкісних пристроїв через загальний інтерфейсний модуль.

Недоліки шинної топології:

Кожний з підключених користувачів може прослуховувати роботу мережі.

До мережі неможливо підключити звичайні термінали, тільки через адаптери.

Може відбутися інтерференція повідомлень (їх накладення).

Відсутній належний контроль розподілу ресурсів (вільний доступ).

Загальна довжина шинної мережі обмежена, приблизно 1 або 2 км, але насправді вона залежить від багатьох чинників. В мережі відсутній справедливий контроль розподілу ресурсів, оскільки вузли можуть використати передаюче середовище завжди, коли воно вільне. Кожний, що має відповідне обладнання, може прослуховувати передачі, не будучи виявленим і не порушуючи нормального функціонування мережі.

Стандарт IEEE 802.3 описує процедури і характеристики доступу до моноканалу або поліканалу з частотним ущільненням. Цей стандарт передбачає використання методу доступу з контролем перед початком передачі даних і прослуховуванням каналу під час передачі, при цьому швидкість передачі даних рівна 5 або 10 Мбіт/с. Стандарт, що розглядається, що передбачає використання моноканала зі швидкістю 10 Мбіт/с, був узгоджений з відповідними стандартами Європейської асоціації виробників ЕОМ і схвалений в 1983 р. При використанні частотно ущільненого поліканала стандартом розглядається два випадки. У першому з них передача даних здійснюється зі швидкістю 10 Мбіт/с. В широкополосному телевізійному кабелі для цього необхідна смуга, по крайній мірі, еквівалентна двом телевізійним каналам. У другому випадку передача відбувається зі швидкістю 5 Мбіт/с, що вимагає використання смуги тільки одного телевізійного каналу.



3. Зірка (радіальна конфігурація)

топологічний мережа адаптер підсилювач

Фізична структура

Базова структура. До сервера підключаються робочі станції (комп'ютер або термінал) через спеціалізовані контрольні адаптери або через послідовні порти. Щоб підключити 8 терміналів в комп'ютер вставляється плата (мультиплексор). На нижньому рівні можливе радіальне розширення. Використовуються адаптери з маркерною шиною ARCnet з вимогою - всі плати класу ARCnet.

Середовище передачі. Кабельна система може бути або коаксіальна, або вита пара (ARCnet менш критичний до типу кабеля). Радіальне підключення дозволяє на кожному сегменті використати свій кабель.

Розширення мережі. Основні розширення ARCnet низькорівневі.

1 спосіб: допускається до одного входу (порту) підключати через узгоджувальний блок декілька станцій. Узгоджувальний пасивний Hub ( P-Hub).

2 спосіб: використання активного Hub (А-Hub). Активний Hab це досить складний пристрій, який, на відміну від пасивного, не обмежує відстань віддалення робочих станцій і дозволяє включати в мережу робочі станції які вже встановлені на своїх робочих місцях. Це були зовнішні HUB.

3 спосіб: використання внутрішнього HUB. Hab вміщується в робочу станцію, яка підключається до ньому через адаптер. Інші виходи HUB йдуть на порт сервера і на інші хаби.

4 спосіб: міст на базі сервера або робочій станції.

5 спосіб: фірмою Compex була випущена новітня розробка - плата під назвою “Arc array adapter”, яка дозволяє розгалужувати систему будь-якої топології. Вона містить 4 оброблюючих пристроїв. За її допомогою може бути побудована мережа типу дерево.

Спосіб передачі. Зірка - це традиційна UNIX'совська топологія. Вона з'явилася раніше, ніж шина. Найбільш поширений спосіб управління - маркерний. У мережу сервером посилається маркер, якщо станція отримала даний маркер, то вона може почати процес передачі. Сервер генерує маркер для всіх зареєстрованих активних робочих станцій. Маркер - це самий короткий пакет. При отриманні маркера робоча станція може або захопити його, або відіслати вільним.

Область застосування. Технологічні об'єкти, що вимагають гарантований доступ в мережу.

Переваги мереж з топологією типу зірка:

Можна завжди точно передбачити максимальний час, через який конкретна робоча станція отримає доступ до передачі інформації.

На різних сегментах можуть використовуватися різні типи каналів і швидкості передачі.

Кожний радіальний напрям незалежний один від одного.

У радіальній системі можна забезпечити високий рівень захисту доступу до даних.

Процеси виявлення несправностей і їх усунення значно простіші, ніж в шинній.

Радіальна мережа придатна для підключення віддалених терміналів.

Ідеальна для ситуацій, коли потрібний доступ багатьох абонентів до одного обслуговуючого центру; придатна для підключення найпростіших терміналів.

Адресація проста і контролюється центром.

Економічно виправдана вартість передачі голосових повідомлень.

Допускає інтеграцію передачі даних і голосу (інтеграція обробки закладської інформації).

Недоліки:

Чим більше робочих станцій, тим більше цикл опитування.

Залежність радіальної мережі від центральної станції.

Висока сумарна вартість ліній зв'язку.

Складна технологія, що вимагається від центрального вузла, а звідси висока вартість.

В центральному вузлі для підключення кожної із станцій необхідно мати свій порт або адаптер.

Неефективно використовується пропускна здатність всієї системи, навантаження на сегментах неоднакове. Інтенсивність потоків даних звичайно менша, ніж в кільцевій або шинної топології, оскільки потрібна їх обробка в центральному вузлі.

В деревовидній структурі для віддалених станцій можлива втрата маркера, отже, збільшується число помилкових пакетів і час доступу, робота станції сповільнюється.

Стандарт IEEE 802.4, як і попередній, передбачає використання моноканалу або частотно ущільненого поліканала. Однак, тут вибраний інший спосіб доступу - передача повноважень. Методика передачі повноваження будується на основі багаторівневої ієрархії пріоритетів використання моноканалу або поліканалу. В поліканалі встановлюється петлевий коаксіальний кабель, одна частина якого приймає дані від всіх абонентських систем, а друга передає їх цим системам. В поліканалі виділяються частотні смуги, створюючи частотні канали, кожний з яких може передавати дані зі швидкістю 1,5 або 10 Мбіт/с. Швидкість передачі даних по моноканалу рівна 1,5; 10 або 20 Мбіт/с.

4. Кільцева топологія

Фізична структура. Ідея використання кільцевої топології в локальних мережах пов'язана з бажанням зменшити залежність мережі від центрального вузла зірки, забезпечуючи в той же час високошвидкісну передачу даних між всіма пристроями мережі. Замість концентрації всього управління мережею в одному дуже складному і дорогому комутаційному вузлі, кожний вузол об'єднаний з повторювачем, який реалізується досить просто, оскільки його логіка повинна забезпечувати лише можливість отримання і передачі даних і доступ до каналу відповідного вузла.

Повідомлення або блоки інформації, що передаються по кільцю, постійно регенеруються, проходячи через кожний повторювач. Вони циркулюють доти, поки не будуть видалені або прийняті яким-небудь вузлом. Звичайно відправник інформації відповідає за її видалення з мережі. У кільцевій мережі кожний вузол приєднаний до двох і тільки до двох інших вузлів, жоден з них не може повністю контролювати доступ до мережі. Вона відрізняється від петлевої мережі тим, що не має виділеного вузла, контролюючого інші вузли і що вирішує, коли вони можуть посилати і приймати повідомлення. Звичайно сам кільцевий канал безпосередньо не з'єднує кінцеві пристрої. Причини цього будуть роз'яснені пізніше. Кільце складається з декількох повторювачів або прийомопередавачів, сполучених фізичним середовищем передачі даних.

Пристрої кінцевого користувача приєднуються до повторювачів.

На відміну від деяких інших топологій локальних мереж, маршрутизація між вузлами в кільці тривіальна, оскільки звичайно є тільки один шлях в повторювач і один шлях з нього. Всі повідомлення повинні пройти по цьому шляху. І повідомлення, і дозвіл на використання кільця послідовно проходять від одного вузла до іншого. Це відбувається незалежно від ширини смуги пропускання каналу. При цьому гарантується справедливе розділення пропускної здатності мережі між всіма вузлами.

Широкомовна (стільникова) передача повідомлень у всі вузли кільця є простою процедурою, оскільки кожний вузол може приймати кожне повідомлення, передане по кільцю. Використовуючи спеціальну адресу, можна легко ідентифікувати широкомовні повідомлення. Однак, якщо не всі вузли посилають підтвердження, то відправник не може дізнатися, які вузли дійсно отримали повідомлення.

Вартість монтажу кільця - одна з самих низьких для локальних мереж. Часто використовується звичайний телефонний двопровідний кабель - вита пара. Повторювачі можуть бути виконані відносно просто. Одним з найбільш відомих прикладів кільцевої локальної мережі є мережа Cambridge ring, що спроектована і встановлена в обчислювальної лабораторії Кембріджського університету. У цьому кільці використовуються дві виті пари і прості повторювачі.

Середовище передачі. Кільцева мережа найбільш зручна при використанні оптоволоконних ліній зв'язку. Кільцева мережа - симплексний канал. Якщо напрям передачі маркера по даному кабелю жорстко визначений, то це симплексний кабель (приклад: типовий режим телебачення). Застосування двох витих пар дозволяє використати простий метод передачі сигналів і підвести живлення до повторювачів. Повторювачі в мережі Cambridge ring повинні відстояти один від одного не більш ніж на 100 м для того, щоб зменшити складності фазування через відмінності між витими парами по довжині і іншим параметрам. Ретельний відбір і узгодження кабелів дозволяють збільшувати відстань в мережі.

Оскільки дані по кільцю звичайно передаються тільки в одному напрямі, то кільцеві мережі ідеальні для застосування волоконно-оптичних кабелів. Однак їх вартість значно вища, ніж вартість звичайних проводів. Для використання вищезазначених кабелів потрібні оптико-електричні і електро-оптичні перетворювачі, оптичні підсилювачі і т. д. Це значно збільшує складність і зменшує загальну надійність мережі. Для живлення повторювачів необхідні окремі електричні кабелі, оскільки волоконно-оптичні кабелі не передають електричну енергію. Крім того, врізка в кабелі для підключення нового вузла складніша, ніж в електричному. Волоконно-оптичні кабелі корисно використати тоді, коли навколишнє середовище має сильні електричні перешкоди, оскільки такі кабелі не схильні до електромагнітних впливів.

Мережа Cambridge ring в Кембріджі включає дільницю з волоконно-оптичним кабелем. Це ілюструє той факт, що передаюче середовище кільця може бути виконано з різних матеріалів.

Компоненти. Адаптери і підсилювачі

Способи доступу і управління. Існує 2 типи структури кільцевої топології:

кільцева мережа з передачею маркера;

кільцева мережа з тактуючим доступом, ( Slotted ring network), тобто передача даних здійснюється в суворо певні інтервали часу синхронно для всіх станцій.

По реалізації алгоритмів управління мережа є однією з самих простих. Заснована на принципі розсилки маркера (російська термінологія - естафетне кільце, іноземна термінологія - Token ring).

Від станції до станції, в певному напрямі, розсилається маркер. Така топологія використовується, як правило, в межах кімнати або офісу.

Переваги мереж з топологією типу КІЛЬЦЕ:

Пропускна здатність розділяється між всіма користувачами рівномірно;

Може бути відсутнім центральний керуючий пристрій;

Несправні канали легко ідентифікуються;

Легко організувати автоматичне підтвердження прийому;

Доступ до каналу гарантований навіть при сильно завантаженій мережі;

Є можливість реалізувати дуже високу швидкість передачі;

Можна використати змішане передаюче середовище.

Маршрутизація надзвичайно проста;

- просто здійснюється контроль помилок при передачі;

- просто здійснюється широкомовна передача всім вузлам;

- ймовірність помилки дуже мала;

Недоліки:

Надійність мережі залежить від всіх кабелів і всіх повторювачів;

Додати нову станцію неможливо без розриву кільця;

Повторювачі вносять затримку сигналу. Тому існує обмеження на число станцій в мережі.

Сервер посилає маркер на робочу станцію і, якщо через будь-який час відповідь не прийшла, то вважають, що станції немає. Цей час називають time-out.

Звичайно на практиці потрібно моніторний пристрій;

Повторювачі звичайно повинні бути досить близько розташовані;

Трасування кабелю може бути складним.

Стандарт IEEE 802.5 описує мережу, ядром якої є циклічне кільце. Доступ до цього кільця заснований на передачі повноваження, яке системи передають один одному. Стандарт визначає використання двох типів циклічних кілець. Низькошвидкісне кільце будується на базі захищеної витої пари проводів, що має хвильовий опір 150 Ом. Це кільце працює із швидкістю 1 або 4 Мбіт/с. У високошвидкісному кільці використовується коаксіальний кабель з хвильовим опором 75 Ом. Тут передача даних по кільцю йде зі швидкістю 10 або 20 Мбіт/с.

Таким чином, стандарти 802 визначають два методи доступу до фізичних засобів з'єднання: випадковий доступ і передачу повноваження. Вид випадкового доступу тут прийнятий наступний: контроль передачі і виявлення зіткнень. Цей метод використовується в двох типах фізичних засобів з'єднання - моноканалі і поліканалі. Метод передачі повноважень застосовується у всіх трьох типах фізичних засобів з'єднання - в моноканалі, поліканалі і циклічному кільці.



5. Петлева топологія мережі

Фізична структура. Всі вузли з'єднані між собою в кільце, але один з них управляє іншими і визначає, який з вузлів повинен використовувати канал зв'язку. Це централізована кільцева мережа. Її відмінність від кільцевої в тому, що вона має сервер.

Петлева мережа за формою дуже схожа на кільцеву. Ці мережі розрізнюються методами розділення передаючого середовища. Петлева мережа показана на рисунку. Один з вузлів повністю визначає, який вузол може використати мережу і для яких цілей. Це досягається циклічним опитуванням кожного вузла або, наприклад, посиланням пустих пакетів - контейнерів, які доступні будь-якому пристрою ланцюга.

Петлеві мережі найкращим чином підходять для управління низькошвидкісними пристроями, такими як термінал. Контроллер петлевої мережі відповідає за роботу декількох терміналів, які приєднуються до віддаленої обчислювальної системи. Контролер може бути частиною іншої мережі, можливо, зірки з головною обчислювальною системою в центрі і контролерами петель на кінцях радіальних зв'язків.

Оскільки управління петлевої мережі сконцентровано в одному місці, то легко встановлюються і аналізуються відносні пріоритети пристроїв. Повторювачі використовуються рідко, оскільки доступ до передаючого середовища контролюється централізовано. Петлеві мережі звичайно бувають короткими, а швидкості передачі - низькими.

Оскільки передаюче середовище розділяється всіма пристроями, петлева мережа може розглядатися як локальна. Петлеві структури використовувалися за довго до того, як локальні мережі набули широкого поширення. Вони виникли в системах, в яких термінальним пристроям був потрібен доступ в реальному часі до великої ЕОМ або міні-ЕОМ, і є розвитком принципу багатоточкової лінії з опитуванням. З цієї причини, а також через те, що доступом в мережу управляє контролер, швидкість передачі в петлевій мережі звичайно значно нижче, ніж швидкість передачі в більшості локальних мережах інших топологій. Петлеві мережі обслуговують низькошвидкісні термінали і дуже рідко використовуються для зв'язки декількох інтелектуальних пристроїв, що вимагають високої швидкості передачі даних. Для цього краще підходять кільцеві або шинні мережі. Переконливе пояснення того, чому в петлевих мережах не повинні використати високошвидкісні лінії, відсутнє. До петлі можна буде підключати багато пристроїв, якщо будуть вигадані методи розділення пропускної здатності без значних втрат часу на опитування всіх пристроїв, велика частина яких протягом тривалого часу не має даних для передачі.

Петлеві мережі мають наступні переваги:

зручні для зв'язку пристроїв з малими обчислювальними можливостями;

мають низьку вартість установки кабелю;

використовуються відомі процедури управління терміналами, що пов'язані з головною ЕОМ;

легко підключаються нові пристрої.

Однак петлеві мережі мають наступні недоліки:

функціонування мережі залежить від контролера;

передача даних здійснюється на низьких швидкостях;

звичайно здійснюються взаємодії типу “пристрій - контроллер”.



6. Деревовидна топологія мережі

Вузли пов'язані один з одним розгалуженим каналом зв'язку. У цьому випадку в мережі немає петель.

Деревовидна топологія являє собою декілька шин, що сполучені один з одним. Звичайно є основна магістральна шина, до якої приєднується декілька менших бічних шин, як показано на рисунку.

Магістральна шина забезпечена відповідними розгалуджувачами, а вузли і кінцеві пристрої підключаються до мережі тими ж способами, які застосовуються в звичайних шинних мережах.

В описаному вигляді, що є основним, деревовидна мережа найбільш підходить для передачі модульованих сигналів. Виділяються два частотних канали - один для передачі, а інший - для прийому. Кабельні розгалуджувачі і підсилювачі сигналів легко підключаються до шини, хоч є деякі проблеми, що зумовлені відображеннями сигналів і втратою енергії через додаткові пристрої.

Деревовидна топологія має ті ж переваги і недоліки, що і звичайна шинна топологія.



7. Повнозв'язна топологія мережі

Якщо кожний вузол мережі безпосередньо з'єднаний з будь-яким іншим вузлом каналу, мережу називають повнозв'язною.

Можуть використовуватися різні комбінації вищеперелічених мереж, наприклад декілька зіркоподібних мереж, об'єднаних в кільце. Важливість тієї або іншої топології зумовлюється призначенням мережі.

Локальні мережі звичайно створюються для розділення загальних ресурсів - ресурсів обчислювальних пристроїв, базового передаючого середовища, іноді - комутаційного пристрою. З мережевих топологій, перерахованих вище, зіркоподібна, кільцева і шинна найчастіше зустрічаються в локальних мережах. Вони забезпечують при малих витратах з'єднання обчислювальних машин і пов'язаних з ними пристроїв, полегшуючи одночасне приєднання нових пристроїв і відключення існуючих.

8. Змішана топологія мережі

Якщо вузли мережі з'єднані більш складним зв'язком, який не можна класифікувати як один з попередніх, то мережу можна назвати змішаною. Деякі лінії можуть розділятися потоками даних між двома парами вузлів, що передаються.

Стандарт IEEE 802.6 описує великий поліканал, що охоплює площу до 25 км². Такий поліканал призначений для створення локальної інформаційно-обчислювальної мережі міста. Він базується на техніці кабельного телебачення і призначений для передачі зображення, мови і даних.

Размещено на Allbest.ru

...