Топология сети

Классификация компьютерных сетей

Передача данных в сети

Сообщения передаются по каналам связи с использованием следующих методов:

1) симплексный, полудуплексный и дуплексный режимы передачи, которые определяют направления передачи данных;

2) параллельная и последовательная передачи;

3) асинхронная и синхронная передача.

Симплексный режим – передача только в одном направлении, используемая в телевидении и радиовещании;

Полудуплексный режим – передача в обоих направлениях поочередно, применяемая в телеметрии и факсимильной связи;

Дуплексный (полнодуплексный) режим – одновременная передача в обоих направлениях, используемая в глобальных сетях.

Цифровые данные по проводу передаются путем изменения величины некоторой физической характеристики, например фазы электрического тока, его частоты или напряжения (логический 0 или логическая 1). Однако эту смену можно осуществлять как на одном проводнике, так и сразу на нескольких.

Параллельная передача характеризуется тем, что группа битов передается одновременно по нескольким проводникам. Каждый бит передается по собственному проводу.

При последовательной передаче группа битов передается последовательно, один за другим по одной паре проводников. Она медленнее, но экономически более выгодна при передаче на большие расстояния.

Асинхронная передача часто называется старт-стопной передачей. Данные передаются как последовательность нулей и единиц, поэтому приемник должен уметь выделять байты в этом потоке данных. При асинхронной передаче каждый байт обрамляется стартовым и стоповым битами, с помощью которых приемник может байты разделить.

Синхронная передача, более быстрая по сравнению с асинхронной, позволяет передавать информацию большими блоками, не использует старт-стопные биты. Блоки данных обрамляются специальными управляющими символами, которыми манипулируют сложные модемы. При синхронной передаче источник и приемник работают на одной тактовой частоте.

Компьютерные сети классифицируются по ряду признаков:

а) по территориальной распространенности (локальные, региональные, глобальные);

б) по скорости передачи информации (низко-, средне- и высокоскоростные);

в) по типу среды перед ачи (на базе коаксиального кабеля, витой пары. Оптоволокна, радиоканалов, инфракрасного диапазона электромагнитного излучения);

г) по принадлежности (ведомственные, государственные, частные, общие);

д) по способу управления (одноранговые и с выделенным сервером);

е) по технологии передачи сигнала (широковещательные и сети с передачей от узла к узлу).

В зависимости от места расположения, сети могут относиться к следующим типам:

1) локальные (LAN – Local Area Network) представляет собой соединение нескольких компьютеров, находящихся, как правило, в одном здании или в соседних зданиях (обычно в пределах удаленности станции не более чем на несколько десятков или сотен метров друг от друга, реже на 1 – 2 км). Их часто используют для предоставления совместного доступа компьютеров к ресурсам (например, принтерам) и обмена информацией. Отличительной чертой локальных сетей является большая скорость передачи данных, низкий уровень ошибок и использования дешевой среды передачи данных.

2) региональные (MAN – Metropolitan Area Network) объединяют компьютеры, расположенные в пределах города или региона. Такая сеть может поддерживать передачу цифровых данных, звука и включать в себя кабельное телевидение. Обычно региональная вычислительная сеть не содержит переключающих элементов для переадресации пакетов во внешние линии, что упрощает структуру сети. Эти сети сочетают лучшие характеристики локальных сетей с большой географической протяженностью.

3) глобальные (GAN – Global Area Network) охватывают компьютеры, локальные и региональные сети, расположенные в разных странах и континентах. Компьютерная сеть Интернет является наиболее популярной глобальной сетью. В ее состав входит множество свободно соединенных сетей. Внутри каждой сети, входящей в Интернет, существуют конкретная структура связи и определенная дисциплина управления.

По способу управления различают одноранговые сети и сети с выделенным сервером.

В одноранговой сети все компьютеры равноправны. Каждый компьютер функционирует и как клиент, и как сервер. Нет отдельного компьютера, ответственного за администрирование всей сети. Пользователи сами решают, какие ресурсы на своем компьютере сделать доступными в сети.

Одноранговые сети, как правило, объединяют не более 10 компьютеров. Отсюда их другое название – рабочие группы. Одноранговые сети относительно просты, дешевле сетей на основе сервера, но требуют более мощных компьютеров. Требования к производительности и уровню защиты сетевого программного обеспечения ниже, чем в сетях с выделенным сервером. Поддержка одноранговых сетей встроена во многие операционные системы, поэтому для ее организации дополнительного ПО не требуется.

Если в сети более 10 компьютеров, то одноранговая сеть становится недостаточно производительной. Поэтому большинство сетей имеют другую конфигурацию – они работают на основе выделенного сервера. Выделенным сервером называется такой компьютер, который функционирует только как сервер и не используется в качестве клиента или рабочей станции. Он специально оптимизирован для быстрой обработки запросов от сетевых клиентов и обеспечивает защиту файлов и каталогов. Сети на основе сервера стали промышленным стандартом.

Сети на основе сервера, в отличие от одноранговых сетей, способны поддерживать тысячи пользователей. При этом к характеристикам компьютеров и квалификации пользователей предъявляются более мягкие требования, чем в одноранговых сетях.

По технологии передачи сигналов различают широковещательные сети и сети с передачей от узла к узлу.

Широковещательные сети обладают единым каналом связи, совместно используемым всеми машинами сети. Короткие сообщения, называемые пакетами, посылаемые одной машиной, принимаются всеми машинами. Поле адреса в пакете указывает, кому направляется сообщение. При получении пакета машина проверяет его адресное поле. Если пакет адресован этой машине, она обрабатывает пакет. Пакеты, адресованные другим машинам, игнорируются.

Сети с передачей от узла к узлу состоят из большого количества соединенных пар машин. В такой сети пакету необходимо пройти через ряд промежуточных машин, чтобы добраться до пункта назначения. Часто при этом существует несколько возможных путей от источника к получателю.

Обычно небольшие сети используют широковещательную передачу, тогда как в крупных сетях применяется передача от узла к узлу.

Под топологией, или конфигурацией, понимают способ организации физических связей компьютеров и других сетевых компонентов.

Существуют пять основных разновидности топологий: шинная, звездная, кольцевая, ячеистая и древовидная.

Шинная топология реализуется кабелем, называемым магистралью или сегментом и прокладываемым от одного компьютера к другому в виде последовательной цепочки (рис.1).

Рис. 1. Шинная топология

С – сервер, ПК – компьютер, Т – терминатор

Все сигналы, передаваемые любым компьютером в сеть, идут по шине в обоих направлениях ко всем остальным компьютерам. Причем в каждый момент времени передачу может вести только один компьютер. Поэтому производительность такой сети зависит от количества компьютеров, подключенных к шине. Два конца шины должны быть «закрыты» при помощи электрических сопротивлений – терминаторов, обнуляющих напряжения, приходящие на эти концы, для того, чтобы сигналы не отражались и не уходили в обратном направлении.

Выход одного или нескольких компьютеров из строя никак не сказывается на работе сети. Дефект кабеля в любом месте его протяженности делит сеть на две части, не способные общаться между собой. Эту архитектуру использует сети, построенные на коаксиальных кабелях.

Звездная топология. При топологии звезда (рис. 2) все компьютеры с помощью сегментов кабеля подключаются к центральному устройству, называемому концентратором (hub). Сигналы от передающего компьютера поступают через концентратор ко всем остальным.

ПК

Рис. 2. Звездная топология

В сетях с топологией звезда концентратор служит центральным узлом. Концентраторы делятся на активные и пассивные. Активные регенерируют и передают сигналы так же, как репитеры. Их называют многопортовыми повторителями. Обычно они имеют от 8 до 12 портов для подключения компьютеров. Активные концентраторы подключаются к электрической сети. К пассивным концентраторам относятся монтажные или коммутирующие панели. Они пропускают через себя сигнал, не усиливая и не восстанавливая его. Пассивные концентраторы не надо подключать к электрической сети.

Недостатки этой топологии: дополнительный расход кабеля, установка концентратора. Главное преимущество этой топологии перед шиной – более высокая надежность. Выход из строя одного или нескольких компьютеров на работу сети не влияет. Любые неприятности с кабелем касаются лишь того компьютера, к которому этот кабель присоединен, и только неисправность концентратора приводит к падению сети. Кроме того, концентратор может играть роль интеллектуального фильтра информации, поступающей от узлов в сеть, и при необходимости блокировать запрещенные передачи.

Кольцевая топология. Компьютеры подключаются к кабелю, замкнутому в кольцо (рис. 3). Сигналы передаются по кольцу в одном направлении и проходят через каждый компьютер. В отличие от пассивной топологии «шина», здесь каждый компьютер выступает в роли репитера (повторителя), усиливая сигналы и передавая их следующему компьютеру. Поэтому выход из строя хотя бы одного компьютера приводит к падению сети.

Рис. 3. Кольцевая топология

Способ передачи данных по кольцу называется передачей маркера. Маркер (token) – это специальная последовательность бит, передающаяся по сети. В каждой сети существует только один маркер. Маркер передается по кольцу последовательно от одного компьютера к другому до тех пор, пока его не захватит тот компьютер, который хочет передать данные. Передающий компьютер добавляет к маркеру данные и адрес получателя, и отправляет его дальше по кольцу. Данные проходят через каждый компьютер, пока не окажутся у того, чей адрес совпадает с адресом получателя. Затем принимающий компьютер посылает передающему сообщение, в котором подтверждает факт приема. Получив подтверждение, передающий компьютер восстанавливает маркер и возвращает его в сеть.

Ячеистая топология. Сеть с ячеистой топологией обладает высокой избыточностью и надежностью, так как каждый компьютер в такой сети соединен с каждым другим отдельным кабелем (рис. 4).

Рис. 5. Ячеистая топология

Сигнал от компьютера-отправителя до компьютера-получателя может проходить по разным маршрутам, поэтому разрыв кабеля не сказывается на работоспособности сети. Основной недостаток – большие затраты на прокладку кабеля, что компенсируется высокой надежностью и простотой обслуживания. Ячеистая топология применяется в комбинации с другими топологиями при построении больших сетей.

Древовидная топология рассматривается как комбинация нескольких «звезд». При активном варианте древовидной топологии в центрах объединения нескольких линий связи находятся центральные компьютеры, а при пассивном – концентраторы (хабы).

Рис. 6. Древовидная топология

а – активный вариант, б – пассивный вариант

Кроме базовых топологий существуют их комбинации – комбинированные топологии. Чаще всего используются две комбинированные топологии: «звезда-шина» и «звезда-кольцо». «Звезда-шина» – несколько сетей с топологией «звезда» объединяются при помощи магистральной линейной шины (к концентратору подключены компьютеры, а сами концентраторы соединены шиной). Выход из строя одного компьютера не сказывается на работе всей сети, а сбой в работе концентратора влечет за собой отсоединение от сети только подключенных к нему компьютеров и концентраторов. «Звезда-кольцо» – отличие состоит только в том, что концентраторы в «звезде-шине» соединяются магистральной шиной, а в «звезде-кольце» концентраторы подсоединены к главному концентратору, внутри которого физически реализовано кольцо.