Сетевая топология

Понятие топологии сети

Топология — это физическая конфигурация сети в совокупности с ее логическими характеристиками. Топология — это стандартный термин, который используется при описании основной компоновки сети. Если понять, как используются различные топологии, то можно будет определить, какими возможностями обладают различные типы сетей.

Существует два основных типа топологий:

физическая

логическая

Логическая топология описывает правила взаимодействия сетевых станций при передаче данных.

Физическая топология определяет способ соединения носителей данных.

Термин «топология сети» характеризует физическое расположение компьютеров, кабелей и других компонентов сети. Топология сети обуславливает ее характеристики.

Выбор той или иной топологии влияет на:

состав необходимого сетевого оборудования

характеристики сетевого оборудования

возможности расширения сети

способ управления сетью

Конфигурация сети может быть или децентрализованной (когда кабель «обегает» каждую станцию в сети), или централизованной (когда каждая станция физически подключается к некоторому центральному устройству, распределяющему фреймы и пакеты между станциями). Примером централизованной конфигурации является звезда с рабочими станциями, располагающимися на концах ее лучей. Децентрализованная конфигурация похожа на цепочку альпинистов, где каждый имеет свое положение в связке, а все вместе соединены одной веревкой. Логические характеристики топологии сети определяют маршрут, проходимый пакетом при передаче по сети.

При выборке топологии нужно учитывать, чтобы она обеспечивала надежную и эффективную работу сети, удобное управление потоками сетевых данных. Желательно также, чтобы сеть по стоимости создания и сопровождения получилась недорогой, но в то же время оставались возможности для ее дальнейшего расширения и, желательно, для перехода к более высокоскоростным технологиям связи. Это непростая задача! Чтобы ее решить, необходимо знать, какие бывают сетевые топологии.

Способы передачи информации, коммутация в сетях

Передача данных
в сетях производится следующими
традиционными методами: коммутацией
каналов, коммутацией сообщений и
коммутацией пакетов.

Коммутация– это метод
установления связи, который обеспечивает
передачу информации из одной точки
(узла сети) в другую между динамически
меняющимися источниками и приемниками
данных. Каналом связи называют физическую
среду и аппаратные средства, осуществляющие
передачу информации от одного узла
коммутации к другому либо к адресату
связи. Канал связи, оснащенный аппаратурой
для передачи дискретной информации,
называют каналом
передачи данных

(информационным
каналом
).

Коммутация
пакетов
предусматривает,
что перед отправкой информации
передаваемое сообщение подвергается
в интерфейсных процессорах пакетированию
– разбивается на пакеты ограниченной
длины. Каждый пакет сопровождается
служебной информацией (заголовком), где
указываются адреса отправителя и
получателя информации, номер пакета в
сообщении и другая системная информация
(например, о типе пакета – служебный
или содержащий данные и т.п.). Пакеты
являются независимыми единицами
информации, передаваемыми по сети. По
одному и тому же каналу в одно и то же
время могут вперемежку передаваться
пакеты, принадлежащие разным сообщениям.
Пакеты одного сообщения могут передаваться
адресату разными маршрутами. Это
уменьшает время передачи, увеличивает
надежность и защищенность. В пункте
назначения интерфейсный процессор
должен сформировать из полученных
пакетов сообщение в его исходной форме.
Общедоступные сети передачи данных
обеспечивают коммутацию данных в виде
пакетов.

Виды ЛВС

На сегодняшний день топология ЛВС делится на два типа — полносвязная и неполносвязная. К первой относятся такие соединения, в которых любое сетевое устройство имеет непосредственную связь с другими. Является редко применяемым, поскольку вызывает сомнения в эффективности. Кроме этого, она очень громоздкая, так как каждое устройство должно работать в паре с большим количеством портов для коммутации и контакта со всеми другими приборами.

Обратите внимание! Что касается неполносвязной, то в этом случае применяются специализированные узлы для обмена информацией между устройствами не прямо, а косвенно. Таких схем бывает несколько

Обратите внимание! Каждая схема соединения имеет свои положительные и негативные стороны

Их важно учесть при выборе топологии

«Шина»

Представляет собой наиболее дешевый и простой способ подключения. В таком случае применяется всего лишь одна линия в виде коаксиального кабеля. Именно он является источником и проводником в обмене информацией между пользователями. Особенностью этого класса является наличие на каждом конце «шины» терминатора, который убирает возможные искажения передачи.

Положительные качества:

  • соединенные приборы имеют одинаковые права;
  • неисправность одного устройства никоим образом не влияет на работу других;
  • минимальное использование провода;
  • простое и доступное масштабирование соединения при работе.

Негативные качества:

  • невысокая надежность соединения из-за проблем с разъемами проводов;
  • один канал делится на всех пользователей, что снижает производительность;
  • проблемы с нахождением поломок в связи с параллельным включением адаптеров;
  • возможность использования в сети небольшого количества приборов.

«Звезда»

Данный вид соединения характеризуется наличием сервера, к которому подключаются все сетевые устройства. Доступ к информации и обмен ею происходит только при помощи центрального сервера.

Обратите внимание! Представленная схема более сложная, чем «шина». Для нее характерно применение различного дополнительного оборудования

Минусы:

  • при поломке или сбое в сервере соединение полностью или частично теряет работоспособность, то есть нормальное функционирование зависит только от одного компьютера;
  • большой расход провода, что повышает затраты.

Плюсы:

  • полное отсутствие сетевых конфликтов при схеме с управлением одним компьютером;
  • неисправность одного из устройств или повреждение кабеля не влияет на работу;
  • максимально упрощенное сетевое оборудование. Это связано с тем, что только один ПК является главным;
  • один из наиболее безопасных методов подключения, обладает свойствами простого контроля за сетью и позволяет максимально ограничить доступ «лишних» участников.

Сетевая топология

«Кольцо»

Соединение происходит за счет контакта одного рабочего узла с другими двумя: один отвечает за прием информации, а по второму осуществляется передача. Получается схема, в которой все устройства соединены в одно кольцо специальными каналами, применяемые для передачи информации. Выход одного узла соединен со входом другого, то есть информация, переданная из одной точки, попадает на начало кольца.

Обратите внимание! Примечательно, что движение данных проходит всегда в одном направлении. Положительные черты:

Положительные черты:

  • возможность быстрого создания и настройки подобного рода подключения;
  • простое масштабирование. В отличие от «шины», необходимо отключение сети при создании дополнительного узла;
  • практически неограниченное количество пользователей;
  • минимизация конфликтов в сети и высокая устойчивость;
  • при наличии ретрансляции можно увеличивать топологию почти без ограничений.

Негативные качества:

повреждение линии ограничивает работоспособность полной сети.

Ячеистая

Представленный тип является результатом удаления определенных связей из полносвязной топологии локальных сетей. В таком случае имеется возможность создания подключения с большим числом участников. В результате были созданы различные версии и конфигурации распространенных способов подключения, такие как: «решетка», двойное или тройное «кольцо», «дерево», «снежинка», сеть Клоза и др.

Обратите внимание! Представленными конфигурациями ячеистая структура не ограничена, возможны различные другие вариации сетевых соединений, многие из которых даже не имеют наименований

Смешанная

Такой тип получается в результате смешения нескольких схем соединений в одну. Она состоит из различных кластеров, которые в свою очередь могут быть стандартными топологиями.

Сетевая топология

Централизация

Топология « звезда» снижает вероятность сбоя сети за счет подключения всех периферийных узлов (компьютеров и т. Д.) К центральному узлу. Когда физическая звездообразная топология применяется к сети логической шины, такой как Ethernet , этот центральный узел (традиционно концентратор) ретранслирует все передачи, полученные от любого периферийного узла, на все периферийные узлы в сети, иногда включая исходный узел. Таким образом, все периферийные узлы могут обмениваться данными со всеми остальными посредством передачи и приема только от центрального узла. Недостаточность из линии передачи ссылки любого периферийного узла к центральному узлу приведет к выделению этого периферийного узла от всех остальных, а остальные периферийные узлы не будут затронуты. Однако недостатком является то, что отказ центрального узла вызовет отказ всех периферийных узлов.

Если центральный узел пассивен , исходный узел должен быть в состоянии выдержать прием эхо-сигнала своей собственной передачи, задержанного на время двусторонней передачи в оба конца (т.е. к центральному узлу и от него) плюс любая задержка, генерируемая в центральный узел. Активная звезда сеть имеет активный центральный узел , который обычно имеет средства для предотвращения эха проблем , связанных с .

Топологии дерева ( так называемый иерархическая топология ) можно рассматривать как совокупность звездных сетей , расположенные в иерархии . Это дерево имеет отдельные периферийные узлы (например, листья), которые необходимы для передачи и приема только от одного другого узла и не обязаны действовать как повторители или регенераторы. В отличие от звездообразной сети, функциональность центрального узла может быть распределенной.

Таким образом, как и в обычной звездообразной сети, отдельные узлы могут быть изолированы от сети из-за одноточечного отказа пути передачи к узлу. Если звено, соединяющее лист, выходит из строя, этот лист изолируется; если соединение с нелистовым узлом не удается, весь участок сети становится изолированным от остальных.

Чтобы уменьшить объем сетевого трафика, который исходит от широковещательной передачи всех сигналов всем узлам, были разработаны более совершенные центральные узлы, которые могут отслеживать идентификаторы узлов, подключенных к сети. Эти сетевые коммутаторы будут «узнать» расположение сети пути «прослушивание» на каждом порту во время нормальной передачи данных, рассматривая пакеты данных и записи адреса / идентификатор каждого подключенного узла , и какой порт он подключен к в справочной таблице , состоявшейся в памяти. Эта таблица поиска затем позволяет пересылать будущие передачи только по назначению.

Топологии

Сетевая топология
Схема различных топологий сети.

Существуют две основные категории сетевых топологий: физические топологии и логические топологии .

Схема среды передачи, используемая для соединения устройств, представляет собой физическую топологию сети. Для проводящих или волоконно-оптических сред это относится к компоновке кабелей , расположению узлов и каналам связи между узлами и кабелями. Физическая топология сети определяется возможностями устройств доступа к сети и средами, желаемым уровнем контроля или отказоустойчивости, а также стоимостью, связанной с прокладкой кабелей или телекоммуникационными цепями.

Напротив, логическая топология — это способ воздействия сигналов на сетевые носители или способ передачи данных по сети от одного устройства к другому безотносительно к физическому соединению этих устройств. Логическая топология сети не обязательно совпадает с ее физической топологией. Например, исходная витая пара Ethernet с концентраторами повторителей представляла собой топологию логической шины с физической звездообразной топологией. Token Ring — это топология логического кольца, но она подключена как физическая звезда от блока доступа к среде . Физически AFDX может представлять собой каскадную звездообразную топологию нескольких коммутаторов Ethernet с двойным резервированием; тем не менее, AFDX моделируются как шинные соединения с одним передатчиком с временной коммутацией , таким образом, следуя модели безопасности топологии шины с одним передатчиком, ранее использовавшейся в самолетах. Логические топологии часто тесно связаны с методами и протоколами управления доступом к среде передачи. Некоторые сети могут динамически изменять свою логическую топологию путем изменения конфигурации своих маршрутизаторов и коммутаторов.

Централизованная система

Представленный тип является наиболее распространенным и популярным.

Обратите внимание! При определенном количестве пользователей внутри сети все подсоединены к основному центру — так называемому серверу. Именно на нем находятся все архивы данных, через него принимается и передается информация между пользователями

Плюсы данного типа:

  • высокая скорость работы сетевого соединения;
  • одна система, отвечающая за безопасность;
  • единая база данных;
  • простота в контроле и управлении подключением.

Как и любая другая, такая система имеет свои минусы:

  • сервер, требующий постоянного контроля и своевременного обслуживания;
  • необходимость в наличии администратора центрального компьютера;
  • высокая стоимость серверного оборудования.

2.1 Топология сети типа «шина» (bus)

В этой топологии все компьютеры соединяются друг с другом одним кабелем (рисунок 1).

Рисунок 1 — Схема топологии сети тип «шина»

В сети с топологией «шина» компьютеры адресуют данные конкретному компьютеру, передавая их по кабелю в виде электрических сигналов — аппаратных MAC-адресов. Чтобы понять процесс взаимодействия компьютеров по шине, нужно уяснить следующие понятия:

передача сигнала

отражение сигнала

терминатор

1. Передача сигнала

Данные в виде электрических сигналов, передаются всем компьютерам сети; однако информацию принимает только тот, адрес которого соответствует адресу получателя, зашифрованному в этих сигналах. Причем в каждый момент времени только один компьютер может вести передачу. 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.

2. Отражение сигнала

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.

3. Терминатор

Чтобы предотвратить отражение электрических сигналов, на каждом конце кабеля устанавливают заглушки (терминаторы, terminators), поглощающие эти сигналы (Рисунок 2). 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.

Рисунок 2 — Установка терминатора

Нарушение целостности сети может произойти, если 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.

У такой топологии сети есть достоинства и недостатки. К достоинствам можно отнести:

небольшое время установки сети

дешевизна (требуется меньше кабеля и сетевых устройств)

простота настройки

выход из строя рабочей станции не отражается на работе сети

Недостатки такой топологии следующие.

такие сети трудно расширять (увеличивать число компьютеров в сети и количество сегментов — отдельных отрезков кабеля, их соединяющих).

поскольку шина используется совместно, в каждый момент времени передачу может вести только один из компьютеров.

«шина» является пассивной топологией — компьютеры только «слушают» кабель и не могут восстанавливать затухающие при передаче по сети сигналы.

надежность сети с топологией «шина» невысока. Когда электрический сигнал достигает конца кабеля, он (если не приняты специальные меры) отражается, нарушая работу всего сегмента сети.

Проблемы, характерные для топологии «шина», привели к тому, что эти сети, столь популярные еще десять лет назад, сейчас уже практически не используются.

Топология сети типа «шина» известна как логическая топология Ethernet 10 Мбит/с.

Децентрализация

В частично связанной топологии ячеистой сети имеется по крайней мере два узла с двумя или более путями между ними, чтобы обеспечить избыточные пути в случае отказа канала, обеспечивающего один из путей. Децентрализация часто используется для компенсации недостатка единой точки отказа, который присутствует при использовании одного устройства в качестве центрального узла (например, в сетях типа «звезда» и «дерево»). Особый вид сетки, ограничивающий количество переходов между двумя узлами, — это гиперкуб . Количество произвольных вилок в ячеистых сетях затрудняет их проектирование и реализацию, но их децентрализованный характер делает их очень полезными. В 2012 году Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE) опубликовал протокол Shortest Path Bridging , упрощающий задачи настройки и позволяющий активировать все пути, что увеличивает пропускную способность и избыточность между всеми устройствами.

В некоторой степени это похоже на грид-сеть , где линейная или кольцевая топология используется для соединения систем в нескольких направлениях. Например, многомерное кольцо имеет тороидальную топологию.

Полностью подключенная сеть , полная топология , или полная ячеистая топология представляет собой топологию сети , в которой существует прямая связь между всеми парами узлов. В полностью связанной сети с n узлами имеется n (n-1) / 2 прямых ссылок. Сети, спроектированные с такой топологией, обычно очень дороги в настройке, но обеспечивают высокую степень надежности из-за множественных путей для данных, которые предоставляются большим количеством избыточных каналов между узлами. Эта топология чаще всего встречается в военных приложениях.

Базовые топологии сети

Существует три базовые топологии, на основе которых строится большинство сетей.

шина (bus)

звезда (star)

кольцо (ring)

Если компьютеры подключены вдоль одного кабеля, 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.