Лекция № 2 (2 часа)

Тема: Типовые топологии локальных вычислительных сетей.

Цель: Рассмотреть основные топологии, которые используются при построении сети, их достоинства и недостатки.

План

Введение

1. Шинная топология

2. Топология типа звезда

3. Кольцевая топология

4. Смешанные топологии

Введение

При построении сети сначала необходимо выбрать способ организации физических связей - топологию сети.

Топология сети – геометрическая форма и физическое расположение компьютеров по отношению друг к другу и связи между ними.

Топология сети - под топологией понимается конфигурация графа, вершинами (узлами) которого являются компьютеры сети или иное сетевое оборудование (концентраторы), а ребрами - физические связи между ними.

Различают три основных вида топологии:

- шина;

- звезда;

- кольцо;

1. Шинная топология

Топология общая шина - представляет собой общий кабель (называемый шина или магистраль), к которому подсоединены все рабочие станции. На концах кабеля находятся специальные устройства терминаторы, для предотвращения отражения сигнала.

Терминатор - поглотитель энергии (обычно резистор) на конце длинной линии, сопротивление которого равно волновому сопротивлению данной линии.

Рисунок 1. Топология общая шина

Отправляемое рабочей станцией сообщение распространяется на все компьютеры сети. Каждый компьютер проверяет, кому адресовано сообщение и если ему, то обрабатывает его. Принимаются специальные меры для того, чтобы при работе с общим кабелем компьютеры не мешали друг другу передавать и принимать данные. Для того, чтобы исключить одновременную посылку данных, применяется либо «несущий» сигнал, либо один из компьютеров является главным и выдает «Маркер доступа» остальным станциям.

При таком соединении компьютеры могут передавать информацию только по очереди, потому что линия связи единственная. В противном случае переданная информация будет искажаться в результате наложения сигналов, и будут возникать конфликты (коллизии).

В топологии «шина» отсутствует центральный узел, через который передается вся информация, что увеличивает ее надежность, ведь при отказе любого центра перестает функционировать вся управляемая этим центром система. Добавление новых абонентов в шину достаточно простая операция и обычно возможна даже во время работы сети. В большинстве случаев при использовании шины нужно минимальное количество соединительного кабеля по сравнению с другими топологиями. Правда, нужно учесть, что к каждому компьютеру (кроме двух крайних) подходит два кабеля, что не всегда удобно.

Шине не страшны отказы отдельных компьютеров, потому что все другие компьютеры сети могут нормально продолжать обмен данными.

Так как используется только один кабель, в случае обрыва нарушается работа всей сети. Может показаться, что шине не страшен и обрыв кабеля, поскольку в этом случае остаются две полностью работоспособных шины. Однако из-за особенности распространения электрических сигналов по длинным линиям связи необходимо предусматривать включение на концах шины терминаторов.

Без включения терминаторов сигнал отражается от конца линии и искажается так, что связь по сети становится невозможной. Таким образом при разрыве или повреждении кабеля нарушается согласование линии связи, и прекращается обмен даже между теми компьютерами, которые остались соединенными между собой. Короткое замыкание в любой точке кабеля шины выводит из строя всю сеть.

Поиск неисправности в сети затруднен. Любой отказ сетевого оборудования в шине очень трудно локализовать, потому что все адаптеры включены параллельно, и понять, который из них вышел из строя, не так-то просто.

При построении больших сетей возникает проблема ограничения на длину связи между узлами, в таком случае сеть разбивают на сегменты. Сегменты соединяются различными устройствами — повторителями, концентраторами или хабами. Например, технология Ethernet позволяет использовать кабель длиной не более 185 метров при организации соединений между узлами.

Достоинства шинной топологии:

- отказ любой из рабочих станций не влияет на работу всей сети;

- недорогой кабель и разъемы;

- необходимо небольшое количество кабеля;

- прокладка кабеля не вызывает особых сложностей.

Недостатки шинной топологии:

- разрыв кабеля, или другие неполадки в соединении могут остановить работу всей сети;

- ограниченная длина кабеля между узлами;

- трудно обнаружить дефекты соединений;

- невысокая производительность.

- при большом объеме передаваемых данных главный кабель может не справляться с потоком информации, что приводит к задержкам в работе сети.

2. Топология «Звезда»

Топология звезда – базовая и наиболее распространенная топология компьютерной сети, в которой все компьютеры сети присоединены к центральному узлу, обычно коммутатору, образуя физический сегмент сети. Подобный сегмент сети может функционировать как отдельно, так и в составе сложной сетевой топологии. Весь обмен информацией идет исключительно через центральный узел, на который возлагается очень большая нагрузка, поэтому ничем другим, кроме обслуживания сети, он заниматься не может. Вероятность возникновения коллизий доступа к передающей среде в сети с топологией звезда крайне мала, потому что управление полностью централизовано.

Рисунок 2. Топология звезда

В определённый момент времени только один узел сети может пересылать данные, если на концентратор одновременно приходят два пакета данных, обе посылки оказываются не принятыми и отправителям нужно будет подождать случайный промежуток времени, чтобы возобновить передачу данных. Этот недостаток отсутствует, если в качестве центрального узла использовать устройство более высокого уровня - коммутатор, который, в отличие от концентратора, дублирующего пакет на все порты, передает пакет лишь на порт, к которому подключен получатель.

В топологии звезда выделяют два вида организации данной топологии:

- активная звезда;

- пассивная звезда.

Активная звезда - в качестве центрального узла используется компьютер, который выступает в роли сервера.

Пассивная звезда – в качестве центрального узла используется не компьютер, а концентратор, или коммутатор, который выполняет функцию повторителя.

Достоинства топологии звезда:

- выход из строя одной рабочей станции не отражается на работе всей;

- хорошая масштабируемость сети;

- лёгкий поиск неисправностей и обрывов кабеля в сети;

- высокая производительность сети;

Недостатки топологии звезда:

- выход из строя центрального концентратора вызывает неработоспособность сети (или сегмента сети);

- для прокладки сети зачастую требуется больше кабеля, чем для большинства других топологий;

- число рабочих станций в сети (сегменте сети) ограничено количеством портов в центральном концентраторе.

3. Топология «Кольцо»

Топология кольцо - это топология, в которой каждый компьютер соединен линиями связи только с двумя другими: от одного он только получает информацию, а другому только передает.

Рисунок 3. Топология Кольцо

Работа в сети с топологией кольцо заключается в том, что каждый компьютер ретранслирует (возобновляет) сигнал, то есть выступает в роли повторителя, поэтому затухание сигнала во всем кольце не имеет значения, важно только затухание сигнала между соседними компьютерами кольца. Четко выделенного центра в этом случае нет. Однако достаточно часто в кольце выделяется специальный узел, который управляет обменом или контролирует обмен. Наличие такого управляющего узла снижает надежность сети, потому что выход его из строя сразу же парализует всю работу сети.

Компьютеры в кольце не являются полностью равноправными в отличие от шинной топологии. Одни из них обязательно получают информацию от компьютера, который ведет передачу в этот момент, раньше, а другие - позже. Именно на этой особенности топологии и строятся методы управления обменом по сети, специально рассчитанные на «кольцо». В этих методах право на следующую передачу (или, как еще говорят, на захват сети) переходит последовательно от компьютера к компьютеру по кругу. Каждый компьютер получает доступ к сети только при получении маркера доступа, что исключает возникновение коллизий доступа к передающей среде.

Подключение новых абонентов в «кольцо» обычно происходит «безболезненно», хотя и требует обязательной остановки работы всей сети на время подключения.

Кольцевая топология является самой стойкой к перегрузкам, она обеспечивает работу с самыми большими потоками данных передаваемых по сети.

Достоинства топологии кольцо:

- простота установки;

- практически полное отсутствие дополнительного оборудования;

- возможность устойчивой работы без существенного падения скорости передачи данных при интенсивной загрузке сети, поскольку использование маркера исключает возможность возникновения коллизий.

Недостатки топологии кольцо:

- выход из строя одной рабочей станции или обрыв кабеля парализуют работу всей сети;

- сложность конфигурирования и настройки;

- сложность поиска неисправностей.

- необходимость иметь две сетевые платы, на каждой рабочей станции.

4. Смешанные топологии

Наряду с типовыми топологиями вычислительных сетей кольцо, звезда и шина, на практике применяется и комбинированные топологии, например древовидная. Она образуется в основном в виде комбинаций вышеназванных топологий вычислительных сетей. Основание дерева вычислительной сети располагается в точке называемой корнем, в которой собираются коммуникационные линии передачи информации, называемые ветвями дерева.

Вычислительные сети с древовидной структурой используются там, где невозможно непосредственное применение базовых сетевых топологий в чистом виде.

Рисунок 4 Древовидная топология

Так же встречаются различные комбинации и модификации топологий шина, звезда и кольцо.

Рисунок 5. Топология звезда-шина

Рисунок 6. Топология пересекающиеся кольца

Контрольные вопросы

1. Дайте определение понятию топология локальной сети.

2. Опишите процесс функционирования локальной сети при использовании топологии шина.

3. Перечислите основные достоинства и недостатки использования шинной топологии.

4. В каких случаях могут возникать коллизии при доступе к передающей среде.

5. Опишите процесс функционирования локальной сети при использовании топологии звезда.

6. Перечислите основные достоинства и недостатки использования топологии звезда.

7. Опишите процесс функционирования локальной сети при использовании топологии кольцо.

8. Перечислите основные достоинства и недостатки использования топологии кольцо.

9. Что представляют собой смешанные топологии локальных сетей.

10. Где в основном применяются локальные сети со смешанной топологией.