Физическая и логическая топология сети кратко

Обновлено: 05.07.2024

Локальные сети состоят из конечных устройств и промежуточных устройств, соединенных кабельной системой. Определим некоторые основные понятия.

Узлы сети (nodes) — конечные устройства и промежуточные устройства, наделенные сетевыми адресами. К узлам сети относятся компьютеры с сетевым интерфейсом, выступающие в роли рабочих станций, серверов или в обеих ролях; сетевые периферийные устройства (принтеры, плоттеры, сканеры); сетевые телекоммуникационные устройства (модемные пулы, модемы коллективного использования); маршрутизаторы.

Кабельный сегмент — отрезок кабеля или цепочка отрезков кабелей, электрически (оптически) соединенных друг с другом, обеспечивающие соединение двух или более узлов сети.

Сегмент сети (или просто сегмент) — совокупность узлов сети, использующих общую (разделяемую) среду передачи. Применительно к технологии Ethernet это совокупность узлов, подключенных к одному коаксиальному кабельному сегменту, одному хабу (повторителю), а также к нескольким кабельным сегментам и/или хабам, связанным между собой повторителями. Применительно к Token Ring это одно кольцо.

Сеть (логическая) — совокупность узлов сети, имеющих единую систему адресации третьего уровня модели OSI. Примерами могут быть IPX-сеть, IP-сеть. Каждая сеть имеет свой собственный адрес, этими адресами оперируют маршрутизаторы для передачи пакетов между сетями. Сеть может быть разбита на подсети (subnet), но это чисто организационное разделение с адресацией на том же третьем уровне. Сеть может состоять из множества сегментов, причем один и тот же сегмент может входить в несколько разных сетей.

Облако (cloud) — коммуникационная инфраструктура с однородными внешними интерфейсами, подробностями организации которой не интересуются. Примером облака может быть городская-междугородная-международная телефонная сеть: в любом ее месте можно подключить телефонный аппарат и связаться с любым абонентом.

Различают физическую и логическую топологию. Логическая и физическая топологии сети независимы друг от друга. Физическая топология - это геометрия построения сети, а логическая топология определяет направления потоков данных между узлами сети и способы передачи данных.

В настоящее время в локальных сетях используются следующие физические топологии:

· физическая "шина" (bus);

· физическая “звезда” (star);

· физическое “кольцо” (ring);

· физическая "звезда" и логическое "кольцо" (Token Ring).

Методы доступа к среде передачи данных

В локальных сетях, использующих разделяемую среду передачи данных (например, локальные сети с топологией шина и физическая звезда), актуальным является доступ рабочих станций к этой среде, так как если два ПК начинают одновременно передавать данные, то в сети происходит столкновение.

Для того чтобы избежать этих столкновений необходим специальный механизм, способный решить эту проблему. Шинный арбитраж - это механизм призванный решить проблему столкновений. Он устанавливает правила, по которым рабочие станции определяют, когда среда свободна, и можно передавать данные.

Существуют два метода шинного арбитража в локальных сетях:

Обнаружение столкновений

Когда в локальных сетях работает метод обнаружения столкновений, компьютер сначала слушает, а потом передает. Если компьютер слышит, что передачу ведет кто-то другой, он должен подождать окончания передачи данных и затем предпринять повторную попытку.

В этой ситуации (два компьютера, передающие в одно и то же время) система обнаружения столкновений требует, чтобы передающий компьютер продолжал прослушивать канал и, обнаружив на нем чужие данные, прекращал передачу, пытаясь возобновить ее через небольшой (случайный) промежуток времени.

Прослушивание канала до передачи называется “прослушивание несущей” (carrier sense), а прослушивание во время передачи — обнаружение столкновений (collision detection). Компьютер, поступающий таким образом, использует метод, называющийся “обнаружение столкновений с прослушиванием несущей”, сокращенно CSCD.

Передача маркера в локальных сетях

Системы с передачей маркера работают иначе. Для того чтобы передать данные, компьютер сначала должен получить разрешение. Это значит, он должен “поймать” циркулирующий в сети пакет данных специального вида, называемый маркером. Маркер перемещается по замкнутому кругу, минуя поочередно каждый сетевой компьютер.

Классификация топологических элементов сетей

В настоящее время в локальных сетях используются следующие физические топологии:

· физическая "шина" (bus);

· физическая “звезда” (star);

· физическое “кольцо” (ring);

· физическая "звезда" и логическое "кольцо" (Token Ring).

Методы доступа к среде передачи данных

Существуют два метода шинного арбитража в локальных сетях:

Обнаружение столкновений

Передача маркера в локальных сетях

Топология сети - это описание расположения узлов (например, коммутаторов и маршрутизаторов) и соединений в сети, часто представляемых в виде графика..

Независимо от того, насколько идентичны две организации, нет двух одинаковых сетей. Тем не менее, многие организации полагаются на устоявшиеся модели топологии сети. Топологии сети описывают, как устройства соединяются вместе и как данные передаются от одного узла к другому..

топология логической сети это концептуальное представление о том, как устройства работают на определенных уровнях абстракции. физическая топология подробно, как устройства физически связаны. Логические и физические топологии могут быть представлены как визуальные диаграммы.

карта топологии сети это карта, которая позволяет администратору видеть физическое расположение подключенных устройств. Наличие карты топологии сети под рукой очень полезно для понимания того, как устройства соединяются друг с другом, и лучших методов устранения неполадок..

Существует много различных типов топологий, которые корпоративные сети построили сегодня и в прошлом. Некоторые из топологий сети, которые мы собираемся рассмотреть, включают топология шины, кольцевая топология, звездная топология, топология сетки, и гибридная топология.

Топология шины

Топология шины - это тип сети, где каждое устройство подключается к одному кабелю, который проходит от одного конца сети к другому. Этот тип топологии часто называют линейная топология. В топологии шины данные передаются только в одном направлении. Если топология шины имеет две конечные точки, она называется топология линейной шины.

Меньшие сети с топологией этого типа используют коаксиальный кабель или кабель RJ45 для объединения устройств. Однако схема топологии шины устарела, и вы вряд ли встретите компанию, использующую топологию шины сегодня..

преимущества

Топологии шины часто использовались в небольших сетях. Одна из главных причин заключается в том, что они сделай макет простым. Все устройства подключены к одному кабелю, поэтому вам не нужно управлять сложной топологической настройкой..

Расположение также помогло сделать экономическую топологию шины экономически выгодной, потому что они можно запустить с помощью одного кабеля. Если требуется добавить больше устройств, вы можете просто подключить свой кабель к другому кабелю..

Недостатки

Однако использование одного кабеля означает, что топологии шины имеют единую точку отказа. Если кабель выходит из строя, вся сеть будет повреждена. Отказ кабеля стоил бы организациям много времени, пока они пытаются возобновить обслуживание. В дополнение к этому, высокий сетевой трафик снизит производительность сети потому что все данные проходят через один кабель.

Это ограничение делает топологии шины подходящими только для небольших сетей. Основная причина в том, что чем больше у вас узлов, тем ниже будет ваша скорость передачи. Стоит также отметить, что шинные топологии ограничены в том смысле, что они полудуплекс, это означает, что данные не могут быть переданы в двух противоположных направлениях одновременно.

Смотрите также: Мониторинг сети, сервера и приложений для малого и среднего бизнеса

Кольцевая топология

В сетях с кольцевой топологией компьютеры соединяются друг с другом в кольцевом формате. Каждое устройство в сети будет иметь двух соседей и не больше или не меньше. Кольцевые топологии обычно использовались в прошлом, но вам было бы трудно найти предприятие, все еще использующее их сегодня.

Первый узел подключен к последнему узлу, чтобы связать цикл вместе. Как следствие размещения в этом формате пакеты должны проходить через все узлы на пути к месту назначения..

В рамках этой топологии один узел выбран для настройки сети и мониторинга других устройств. Кольцевые топологии полудуплекс, но также может быть сделан дуплекс. Чтобы сделать кольцевые топологии полнодуплексными, вам потребуется два соединения между сетевыми узлами для формирования Топология двойного кольца.

Топология двойного кольца

Как упомянуто выше, если кольцевые топологии сконфигурированы, чтобы быть двунаправленными, то они упоминаются как топологии с двумя кольцами. Топологии с двумя кольцами обеспечивают каждый узел двумя соединениями, по одному в каждом направлении. Таким образом, данные могут передаваться в по часовой стрелке или против часовой стрелки направление.

преимущества

В кольцевых топологиях риск коллизий пакетов очень низок из-за использования основанных на токене протоколов, которые позволяют только одной станции передавать данные в данный момент времени. Это усугубляется тем, что данные могут перемещаться по узлам на высоких скоростях который может быть расширен при добавлении большего количества узлов.

Топологии с двумя кольцами обеспечили дополнительный уровень защиты, потому что они были более устойчивы к сбоям. Например, если кольцо выходит из строя внутри узла, то другое кольцо может подняться и поддержать его. Кольцевые топологии были также низкая стоимость установки.

Недостатки

Одна из причин, по которой кольцевые топологии были заменены, заключается в том, что они очень уязвимы к сбоям. еAilure одного узла может вывести из строя всю сеть. Это означает, что сети с топологией кольца должны постоянно управляться, чтобы гарантировать, что все узлы находятся в хорошем состоянии. Тем не менее, даже если узлы были в добром здравии вашей сети все еще может быть сбит в автономном режиме из-за отказа линии электропередачи!

Кольцевые топологии также повышенные проблемы масштабируемости. Например, полоса пропускания используется всеми устройствами в сети. К тому же, больше устройств, которые добавляются в сеть чем больше задержка связи сеть переживает. Это означает, что количество устройств, добавленных в топологию сети, необходимо тщательно контролировать, чтобы убедиться, что сетевые ресурсы не были растянуты за их пределы..

Внесение изменений в кольцевую топологию также было сложным, потому что вы необходимо выключить сеть, чтобы внести изменения к существующим узлам или добавить новые узлы. Это далеко не идеально, так как вам нужно учитывать время простоя каждый раз, когда вы хотите внести изменения в топологическую структуру!

Смотрите также: Инструменты для мониторинга пропускной способности

Топология звезды

преимущества

Звездные топологии наиболее часто используются, потому что вы может управлять всей сетью из одного местаЦентральный выключатель Как следствие, если узел, который не является центральным узлом, выйдет из строя, то сеть останется работоспособной. Это дает топологиям звезд уровень защиты от сбоев, которые не всегда присутствуют при других настройках топологии. Точно так же ты можно добавлять новые компьютеры без необходимости отключать сеть как вы бы сделали с кольцевой топологией.

С точки зрения физической структуры, для топологии типа звезда требуется меньше кабелей, чем для других типов топологии. Это делает их прост в настройке и управлении в долгосрочной перспективе. Простота общего дизайна значительно облегчает администраторам устранение неполадок при работе с ошибками производительности..

Недостатки

Хотя звездные топологии могут быть относительно безопасны от отказа, если центральный коммутатор выйдет из строя, то вся сеть выйдет из строя. Таким образом, администратору необходимо тщательно контролировать состояние центрального узла, чтобы убедиться, что он не выходит из строя. Производительность сети также привязаны к конфигурации и производительности центрального узла. Топологией Star легко управлять в большинстве случаев, но их установка и использование далеко не дешевы.

Топология дерева

Как следует из названия, древовидная топология - это сетевая структура, имеющая форму дерева с множеством ветвей. Топологии деревьев иметь корневой узел который связан с другой иерархией узлов. иерархия родитель-потомок где существует только одна взаимная связь между двумя связанными узлами. Как правило, топология дерева должна иметь три уровня иерархии для классификации таким образом. Эта форма топологии используется в глобальных сетях выдержать много разложенных устройств.

преимущества

Основная причина, почему древовидные топологии используется для расширения топологии шины и звезды. В этом иерархическом формате легко добавить больше узлов в сеть, когда ваша организация увеличивается в размерах. Этот формат также хорошо подходит для поиска ошибок и устранения неполадок потому что вы можете систематически проверять проблемы с производительностью по всему дереву.

Недостатки

Наиболее существенным недостатком топологии дерева является корневой узел. В случае сбоя корневого узла все его поддеревья становятся разделенными. Все еще будет частичное соединение в сети среди других устройств, таких как родительский узел неисправного.

Поддерживать сеть тоже не просто, потому что чем больше узлов вы добавляете, тем сложнее становится управлять сеть. Другим недостатком древовидной топологии является количество необходимых кабелей. Кабели необходимы для подключения каждого устройства по всей иерархии, что делает макет более сложным по сравнению с более простой топологией.

Топология сетки

Топология сетки - это соединение точка-точка, где узлы взаимосвязаны. В этой форме топологии, данные передаются двумя способами: маршрутизации и затопление. В маршрутизации узлы используют логику маршрутизации для определения кратчайшего расстояния до места назначения пакета. Напротив, при затоплении данные отправляются на все узлы в сети. Наводнение не требует никакой формы логики маршрутизации для работы.

Есть две формы топологии сетки: частичная топология сетки и етопология ULL-сетки. При частичной топологии сетки большинство узлов взаимосвязаны, но есть несколько, которые связаны только с двумя или тремя другими узлами. В топологии с полной сеткой каждый узел взаимосвязан.

преимущества

Сетчатые топологии используются в первую очередь потому, что они надежны. взаимосвязанность узлов делает их чрезвычайно устойчивыми к сбоям. Нет ни одного сбоя компьютера, который мог бы сломать всю сеть. Отсутствие единой точки отказа является одной из причин, почему это популярный выбор топологии. Эта настройка также защищена от взлома.

Недостатки

Однако сетчатые топологии далеки от совершенства. Oни требует огромного количества конфигурации как только они развернуты. Топологическая схема более сложна, чем у многих других топологий, и это отражается в том, сколько времени потребуется для ее настройки. Вам нужно будет разместить целый ряд новых проводов, которые могут быть довольно дорогими.

Гибридная топология

Когда топология состоит из двух или более разных топологий, она называется гибридной топологией. Гибридные топологии чаще всего встречается на крупных предприятиях где отдельные отделы имеют сетевые топологии, которые отличаются от другой топологии в организации. Соединение этих топологий вместе приведет к гибридной топологии. Как следствие, возможности и уязвимости зависят от типов топологии, которые связаны.

преимущества

Существует много причин, по которым используются гибридные топологии, но все они имеют одну общую черту: гибкость. Есть несколько ограничений на структуру, которые гибридная топология не может вместить, и вы может включать несколько топологий в одну гибридную установку. Как следствие, гибридные топологии очень масштабируемы. Масштабируемость гибридных установок делает их хорошо подходящими для больших сетей.

Недостатки

К сожалению, гибридные топологии может быть довольно сложным, в зависимости от топологии, которую вы решили использовать. Каждая топология, которая является частью вашей гибридной топологии, должна управляться в соответствии с ее уникальными требованиями. Это усложняет работу администраторов, поскольку им придется пытаться управлять несколькими топологиями, а не одной. Кроме того, настройка гибридной топологии может оказаться довольно дорогостоящим.

Смотрите также: Инструменты и программное обеспечение для обнаружения сети

Какую топологию выбрать?

Существует ряд факторов, которые необходимо учитывать при выборе топологии. Прежде чем выбрать топологию, вы должны внимательно рассмотреть следующее:

Необходимая длина кабеля
Тип кабеля
Стоимость
Масштабируемость

Во-первых, вам нужно принять во внимание длину кабеля, который вам нужен предоставлять услуги всем вашим сетевым устройствам. Топология шины является наиболее легкой с точки зрения потребностей в кабеле. В этом смысле это будет самая простая топология для установки и покупки кабеля. Это связано со вторым фактором, вам нужно рассмотрите тип кабеля, который вы собираетесь использовать. Типы кабелей варьируются от витых пар до коаксиальных и оптоволоконных кабелей.

Стоимость установки топологии также очень важна. Чем сложнее выбранная топология, тем больше вам придется заплатить с точки зрения ресурсов и времени, чтобы создать эту настройку..

Последний фактор, который вы хотите принять во внимание, - это масштабируемость.. Если вы планируете повысить вашей сетевой инфраструктуры в будущем вы хотите убедиться, что вы использовать сеть, в которую легко добавлять устройства. Сеть со звездообразной топологией идеально подходит для этого, потому что вы можете добавлять узлы с минимальным нарушением работы. Это не так просто в кольцевой сети, потому что вы добавите время простоя, если добавите какие-либо узлы.

ПО для картирования топологии сети

Теперь, когда мы знаем различные типы топологии, пришло время подумать о том, как спроектировать вашу сеть с нуля. Существует ряд программных продуктов, позволяющих создавать собственные диаграммы топологии сети. Диаграммы топологии сети показывают, как ваша сеть соединяется вместе, и помогают вам создать эффективный дизайн сети. Он также предоставляет вам контрольную точку, которая помогает вам при попытке выполнить поиск и устранение неисправностей для устранения неисправностей..

Существует множество различных продуктов для отображения топологии сети, но один из наиболее широко используемых Microsoft Visio. С помощью Microsoft Visio вы можете создать свою сеть, добавив сетевые элементы на холст. Эта программа позволяет вам разработать схему, которая детализирует вашу сеть. Конечно, создание собственной сети не всегда идеально, особенно когда вы пытаетесь отобразить большую сеть.

В результате вы можете рассмотреть возможность использования другого инструмента, такого как Картограф топологии сети SolarWinds который может автоматически обнаруживать устройства, подключенные к вашей сети. Автообнаружение пригодится, потому что это означает, что вам не нужно составлять структуру сети вручную.

Сетевая топология SolarWinds MapperDownload 14-дневная бесплатная пробная версия

Обзор сетевых топологий

Топология сети, которую вы выбираете для своего предприятия, должна основываться на ваших требованиях к использованию. Количество узлов в вашей сети будет определять, сможете ли вы сделать это с помощью топологии шины или вам понадобится развернуть более сложную сетку или гибридную установку.

Помни что все топологии имеют свои преимущества и недостатки в зависимости от среды, в которой они применяются (даже те, которые устарели!). После того, как вы продумали топологию, которую хотите использовать, вы можете приступить к ее развертыванию..

Один хороший способ планировать заранее - использовать инструмент отображения топологии сети составить макет, который вы собираетесь использовать. Используя такой инструмент, как Картограф топологии сети SolarWinds позволит вам построить свою сеть на диаграмме, чтобы увидеть топологическую структуру в одном месте.

Сетевая топология

Термин топология может употребляться для обозначения двух понятий – физической топологии и логической топологии.

Физическая топология – способ физического соединения компьютеров с помощью среды передачи, например, участками кабеля.

Логическая топология определяет реальные пути движения сигналов при передаче данных по используемой физической топологии. Таким образом, логическая топология описывает пути передачи потоков данных между сетевыми устройствами. Логическая топология определяет направление и способ передачи, а не схему соединения физических проводников и устройств.

Топология физических связей

Как только компьютеров становится больше двух, возникает проблема выбора конфигурации физических связей или топологии. Под топологией сети понимается конфигурация графа, вершинам которого соответствуют конечные узлы сети, а ребрам — электрические и информационные связи между ними.

Топология сети обуславливает ее характеристики. В частности, выбор той или иной топологии влияет:

на состав необходимого сетевого оборудования;
характеристики сетевого оборудования;
возможности расширения сети;
способ управления сетью.

Если Вы поймете, как используются различные топологии, Вы сумеете понять, какими возможностями обладают различные типы сетей. Чтобы совместно использовать ресурсы или выполнять другие сетевые задачи, компьютеры должны быть подключены друг к другу. Для этой цели в большинстве сетей применяется кабель.

Однако просто подключить компьютер к кабелю, соединяющему другие компьютеры, не достаточно. Различные типы кабелей в сочетании с различными сетевыми платами, сетевыми операционными системами и другими компонентами требуют и различного взаимного расположения компьютеров.

Каждая топология сети налагает ряд условий. Например, она может диктовать не только тип кабеля, но и способ его прокладки. Топология может также определять способ взаимодействия компьютеров в сети. Различным видам топологий соответствуют различные методы взаимодействия, и эти методы оказывают большое влияние на сеть.

Базовые топологии

Все сети строятся на основе трех базовых топологий:

общая шина (bus);
звезда (star);
кольцо (ring).

Хотя сами по себе базовые топологии несложны, в реальности часто встречаются довольно сложные комбинации, объединяющие свойства нескольких топологий.

Общая шина

Топология шина

Рис. 1 Сетевая топология шина

Взаимодействие компьютеров

передача сигнала;
отражение сигнала; терминатор.

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.

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.

Терминатор

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

Рис. 2. Терминатор

Нарушение целостности сети

Сами по себе компьютеры в сети остаются полностью работоспособными, но до тех пор, пока сегмент разорван, они не могут взаимодействовать друг с другом.

Звезда

Так же одним из основных недостатков этой топологии являются коллизии. В определённый момент времени только одна машина в сети может пересылать данные. Если на концентратор одновременно приходят два пакета, то происходит коллизия: обе посылки оказываются не принятыми, а отправителям нужно будет подождать случайный промежуток времени, чтобы возобновить передачу данных. Этот недостаток отсутствует на сетевом устройстве более высокого уровня – коммутаторе, который, в отличие от концентратора, подающего пакет на все порты, подает лишь на определенный порт – получателю. Одновременно может быть передано несколько пакетов. Сколько – зависит от коммутатора.

Но, если выйдет из строя только один компьютер (или кабель, соединяющий его с концентратором), то лишь этот компьютер не сможет передавать или принимать данные по сети. На остальные компьютеры в сети это не повлияет.

Кольцо

В сетях с кольцевой конфигурацией данные передаются по кольцу от одного компьютера к другому. Главное достоинство “кольца” в том, что оно по своей природе обладает свойством резервирования связей. Действительно, любая пара узлов соединена здесь двумя путями — по часовой стрелке и против. “Кольцо” представляет собой очень удобную конфигурацию и для организации обратной связи — данные, сделав полный оборот, возвращаются к узлу-источнику. Поэтому отправитель в данном случае может контролировать процесс доставки данных адресату. Часто это свойство “кольца” используется для тестирования связности сети и поиска узла, работающего некорректно. В то же время в сетях с кольцевой топологией необходимо принимать специальные меры, чтобы в случае выхода из строя или отключения какой-либо станции не прерывался канал связи между остальными станциями “кольца”.

Передача маркера

Рис. 4. Передача маркера

На первый взгляд кажется, что передача маркера отнимает много времени, однако на самом деле маркер передвигается практически со скоростью света. В кольце диаметром 200 м маркер может циркулировать с частотой 10 000 оборотов в секунду.

Полносвязная топология

Полносвязная топология — топология компьютерной сети, в которой каждая рабочая станция подключена ко всем остальным (рис. 5). Этот вариант является громоздким и неэффективным, несмотря на свою логическую простоту. Для каждой пары должна быть выделена независимая линия, каждый компьютер должен иметь столько коммуникационных портов сколько компьютеров в сети. По этим причинам сеть может иметь только сравнительно небольшие конечные размеры. Чаще всего эта топология используется в многомашинных комплексах или глобальных сетях при малом количестве рабочих станций.

Рис. 5. Полносвязная топология

Адресация узлов сети

Еще одной проблемой, которую нужно учитывать при объединении более 2-х компьютеров, является проблема их адресации, точнее сказать адресации их сетевых интерфейсов. Один компьютер может иметь несколько сетевых интерфейсов.

Адреса могут использоваться для идентификации:

отдельных интерфейсов;
групп интерфейсов групповые адреса С помощью групповых адресов данные могут направляться сразу нескольким узлам;
всех интерфесовшироковещательные адреса(broadcast)

Данные, направленные по такому адресу, должны быть доставлены всем узлам сети.
Адреса могут быть:

числовыми и символьными;
аппаратными и сетевыми;
плоскими и иерархическими.

Множество всех адресов, которые являются допустимыми в рамках некоторой схемы адресации, называется адресным пространством. Адресное пространство может иметь плоскую (линейную) или иерархическую организацию.
Примеры:

Плоский
Множество адресов никак не структурировано.
Примером плоского числового адреса является МАС-адрес, используемый для однозначной идентификации сетевых интерфейсов в локальных сетях.

Иерархический
При иерархической схеме адресации оно организовано в виде вложенных друг в друга подгрупп, которые, последовательно сужая адресуемую область, в конце концов определяют отдельный сетевой интерфейс.

Символьный

Символьные адреса или имена предназначены для запоминания людьми и поэтому обычно несут смысловую нагрузку.

Как это выглядит в сетях

Установление соответствия между адресами

Проблема установления соответствия между адресами различных типов, которой занимаются протоколы разрешения адресов, может решаться как централизованными, так и распределенными средствами.

Обобщенная задача коммутации

Если топология сети не полносвязная, то обмен данными между произвольной парой конечных узлов (абонентов) должен идти в общем случае через транзитные узлы.

Последовательность транзитных узлов (сетевых интерфейсов) на пути от отправителя к получателю называется маршрутом.

В самом общем виде задача коммутации — задача соединения конечных узлов через сеть транзитных узлов — может быть представлена в виде нескольких взаимосвязанных частных задач:

Определение информационных потоков

Понятно, что через один транзитный узел может проходить несколько маршрутов, Транзитный узел должен уметь распознавать поступающие на него потоки данных, чтобы обеспечивать их передачу именно на те свои интерфейсы, которые ведут к нужному узлу.

Информационным потоком (data flow, data stream) называют последовательность данных, объединенных набором общих признаков, который выделяет эти данные из общего сетевого трафика.

Поток от одного компьютера может быть разделен на подпотоки.

Понятие потока используется при решении различных сетевых задач и, в зависимости от конкретного случая, определяется соответствующий набор признаков. В задаче коммутации, суть которой — передача данных из одного конечного узла в другой, при определении потоков в роли обязательных признаков потока, очевидно, должны выступать адрес отправителя и адрес назначения данных. Тогда каждой паре конечных узлов будет соответствовать один поток и один маршрут.

Кроме того, даже для данных, предъявляющих к сети одинаковые требования, может прокладываться несколько маршрутов, чтобы за счет распараллеливания добиться одновременного использования различных каналов и тем самым ускорить передачу данных. В данном случае необходимо “пометить” данные, которые будут направляться по каждому из этих маршрутов.

Определить потоки – это значит задать для них набор отличительных признаков, на основании которых коммутаторы смогут направлять потоки по предназначенным для них маршрутам.

Определение маршрутов

Определение пути, то есть последовательности транзитных узлов и их интерфейсов, через которые надо передавать данные, чтобы доставить их адресату — сложная задача, особенно когда конфигурация сети такова, что между парой взаимодействующих сетевых интерфейсов существует множество путей.
Задача определения маршрутов состоит в выборе из всего этого множества одного или нескольких путей.

И хотя в частном случае множества имеющихся и выбранных путей могут совпадать, чаще всего выбор останавливают на одном оптимальном по некоторому критерию маршруте.

В качестве критериев выбора могут выступать, например:

номинальная пропускная способность;
загруженность каналов связи;
задержки, вносимые каналами;
количество промежуточных транзитных узлов;
надежность каналов и транзитных узлов.

Заметим, что даже в том случае, когда между конечными узлами существует единственный путь, его определение при сложной топологии сети может представлять собой нетривиальную задачу.

Определить маршрут — однозначно задать последовательность транзитных узлов и их интерфейсов, через которые надо передавать данные, чтобы доставить их адресату.

Оповещение сети о выбранном маршруте

Передача информации о выбранных маршрутах так же, как и определение маршрута, может осуществляться и вручную, и автоматически. Администратор сети может зафиксировать маршрут, выполнив конфигурацию устройства вручную, например, жестко скоммутировав на длительное время определенные пары входных и выходных интерфейсов.

Оповестить сеть о найденных маршрутах — это значит вручную или автоматически настроить каждый коммутатор таким образом, чтобы он “знал”, в каком направлении следует передавать каждый поток.

Продвижение — распознавание потоков и коммутация на каждом транзитном узле
Когда сеть оповещена о маршрутах, она может начать выполнять свои функции по соединению или коммутации абонентов. Для каждой пары абонентов эта операция может быть представлена совокупностью нескольких (по числу транзитных узлов) локальных операций коммутации. Отправитель должен выставить данные на тот свой порт, из которого выходит найденный маршрут, а все транзитные узлы должны соответствующим образом выполнить “переброску” данных с одного своего порта на другой, другими словами — выполнить коммутацию.

Устройство, предназначенное для выполнения коммутации, называется коммутатором (switch). Коммутатор производит коммутацию входящих в его порты информационных потоков, направляя их в соответствующие выходные порты.

Однако, прежде чем выполнить коммутацию, коммутатор должен распознать поток. Для этого поступившие данные проверяются на предмет наличия признаков какого-либо из потоков, заданных в таблице коммутации. Если произошло совпадение, то эти данные направляются на тот интерфейс, который был определен для них в маршруте.

Коммутатором может быть как специализированное устройство, так и универсальный компьютер со встроенным программным механизмом коммутации, в этом случае коммутатор называется программным. Компьютер может совмещать функции коммутации данных, направляемых на другие узлы, с выполнением своих обычных функций конечного узла.

Мультиплексирование и демультиплексирование

Прежде чем выполнить переброску данных на определенные для них интерфейсы, коммутатор должен понять, к какому потоку они относятся. Эта задача должна решаться независимо от того, поступает ли на вход коммутатора только один поток в “чистом” виде, или “смешанный” поток, который объединяет в себе несколько потоков. В последнем случае к задаче распознавания добавляется задача демультиплексирования.

Задача демультиплексирования (demultiplexing) — разделение суммарного агрегированного потока, поступающего на один интерфейс, на несколько составляющих потоков.

Как правило, операцию коммутации сопровождает также обратная операция — мультиплексирование.

Задача мультиплексирования (multiplexing) — образование из нескольких отдельных потоков общего агрегированного потока, который можно передавать по одному физическому каналу связи.

Операции мультиплексирования/демультиплексирования имеют такое же важное значение в любой сети, как и операции коммутации, потому что без них пришлось бы все коммутаторы связывать большим количеством параллельных каналов, что свело бы на нет все преимущества неполносвязной сети.

Разделяемая среда передачи данных

В телекоммуникационных сетях используется и другой вид подключения, когда к одному каналу подключается несколько интерфейсов. Такое множественное подключение интерфейсов порождает уже рассматривавшуюся выше топологию “общая шина”, иногда называемую также шлейфовым подключением. Во всех этих случаях возникает проблема согласованного использования канала несколькими интерфейсами.

Совместно используемый несколькими интерфейсами физический канал называют разделяемым (shared). Часто используется также термин “разделяемая среда” (shared media) передачи данных. Разделяемые каналы связи используются не только для связей типа коммутатор-коммутатор, но и для связей компьютер-коммутатор и компьютер-компьютер.

Существуют различные способы организации совместного доступа к разделяемым линиям связи. В одних случаях используют централизованный подход, когда доступом управляет специальное устройство — арбитр, в других — децентрализованный. В сетях организация совместного доступа к линиям связи имеет свою специфику из-за существенно большего времени распространения сигналов по линиям связи. Из-за этого процедуры согласования доступа к линии связи могут занимать слишком много времени и приводить к значительному снижению производительности сети.

Часто сталкиваюсь с тем, что дети не верят в то, что могут учиться и научиться, считают, что учиться очень трудно.

Лекция 02. Топология локальных сетей. Состав и конфигурация сетевой аппаратуры в зависимости от топологии сети.

Топология локальных сетей.

Состав и конфигурация сетевой аппаратуры в зависимости от топологии сети.

1. Понятие топологии сети

Общая схема соединения компьютеров в локальные сети называется топологией 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:

Логическая топология описывает правила взаимодействия сетевых станций при передаче данных.

Физическая топология определяет способ соединения носителей данных.

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.

По топологии связей различают:

2. Базовые топологии сети

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

шина (bus)
звезда (star)
кольцо (ring)

"Шиной" называется топология, в которой компьютеры подключены вдоль одного кабеля.

"Звездой" называется топология, в которой компьютеры подключены к сегментам кабеля, исходящим из одной точки, или концентратора.

"Кольцом" называется топология, если кабель, к которому подключены компьютеры, замкнут в кольцо.

2.1 Топология сети типа "шина" (bus)

В этой топологии все компьютеры соединяются друг с другом одним кабелем. Каждый компьютер присоединяется к общему кабелю, на концах которого устанавливаются терминаторы. Сигнал проходит по сети через все компьютеры, отражаясь от конечных терминаторов.

Схема топологии сети тип "шина"

Топология "шина" порождается линейной структурой связей между узлами. Аппаратно такая топология может быть реализована, например, путём установки на центральные компьютеры двух сетевых адаптеров. В целях предотвращения отражения сигнала на концах кабеля должны быть установлены терминаторы, поглощающие сигнал.

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.

Чтобы предотвратить отражение электрических сигналов, на каждом конце кабеля устанавливают заглушки (терминаторы, terminators), поглощающие эти сигналы. 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 ни к чему) концу кабеля должен быть подсоединен терминатор, чтобы предотвратить отражение электрических сигналов.

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.

Достоинств топологии "шина":

небольшое время установки сети
дешевизна (требуется меньше кабеля и сетевых устройств)
простота настройки
выход из строя рабочей станции не отражается на работе сети

Недостатки топологии "шина":

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 сейчас уже практически не используются.

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

2.2 Базовая топология сети типа "звезда" (star)

При топологии "звезда" все компьютеры подключаются к центральному компоненту, именуемому концентратором (hub). Каждый компьютер подсоединяется к сети при помощи отдельного соединительного кабеля. Сигналы от передающего компьютера поступают через концентратор ко всем остальным.

Эта топология возникла на заре вычислительной техники, когда компьютеры были подключены к центральному, главному, компьютеру.

Схема топологии сети типа "звезда"

Достоинства типологии "звезда":

выход из строя одной рабочей станции не отражается на работе всей сети в целом
хорошая масштабируемость сети
лёгкий поиск неисправностей и обрывов в сети
высокая производительность сети (при условии правильного проектирования)
гибкие возможности администрирования

Недостатки типологии "звезда":

выход из строя центрального концентратора обернётся неработоспособностью сети (или сегмента сети) в целом
для прокладки сети зачастую требуется больше кабеля, чем для большинства других топологий
конечное число рабочих станций в сети (или сегменте сети) ограничено количеством портов в центральном концентраторе.

Топология типа "звезда" нашла свое отражение в технологии Fast Ethernet6.

2.3 Базовая топология сети типа "кольцо" (ring)

При топологии "кольцо" компьютеры подключаются к кабелю, замкнутому в кольцо. Поэтому у кабеля просто не может быть свободного конца, к которому надо подключать терминатор. 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, если выйдет из строя один компьютер, прекращает функционировать вся сеть.

Схема сети типа "кольцо"

Маркер – пакет данных, разрешающий компьютеру передавать данные в сеть.

На первый взгляд, кажется, что передача маркера отнимает много времени, однако на самом деле маркер передвигается практически со скоростью света. В кольце диаметром 200 метров маркер может циркулировать с частотой 10 000 оборотов в секунду.

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, и другие неполадки (обрыв кабеля), отражаются на работоспособности всей сети
сложность конфигурирования и настройки
сложность поиска неисправностей

Наиболее широкое применение получила в оптоволоконных сетях. Используется в стандартах FDDI8, Token ring9.

3. Другие возможные сетевые топологии

Реальные компьютерные сети постоянно расширяются и модернизируются. Поэтому почти всегда такая сеть является гибридной, т.е. ее топология представляет собой комбинацию нескольких базовых топологий. Легко представить себе гибридные топологии, являющиеся комбинацией "звезды" и "шины", либо "кольца" и "звезды".

3.1 Топология сети типа "дерево" (tree)

Топологию "дерево" (tree), можно рассматривать как объединение нескольких "звезд". Именно эта топология сегодня является наиболее популярной при построении локальных сетей.

Схема топологии сети типа "дерево"

В древовидной топологии есть корень дерева, от которого произрастают ветви и листья.

Дерево может быть активным или истинным и пассивным. При активном дереве в центрах объединения нескольких линий связи находятся центральные компьютеры, а при пассивном - концентраторы (хабы).

Рисунок 6 - Схема топологии сети типа "активное дерево"

Рисунок 7 - Схема топологии сети типа "пассивное дерево"

3.2 Комбинированные топологии сети

Довольно часто применяются комбинированные топологии, среди них наиболее распространены звездно-шинная и звездно-кольцевая.

В звездно-шинной (star-bus) топологии используется комбинация шины и пассивной звезды.

Схема комбинированной топологии сети типа "star-bus"

К концентратору подключаются как отдельные компьютеры, так и целые шинные сегменты. На самом деле реализуется физическая топология шина, включающая все компьютеры сети. В данной топологии может использоваться и несколько концентраторов, соединенных между собой и образующих так называемую магистральную, опорную шину. К каждому из концентраторов при этом подключаются отдельные компьютеры или шинные сегменты. В результате получается звездно-шинное дерево. Таким образом, пользователь может гибко комбинировать преимущества шинной и звездной топологий, а также легко изменять количество компьютеров, подключенных к сети. С точки зрения распространения информации данная топология равноценна классической шине.

В случае звездно-кольцевой (star-ring) топологии в кольцо объединяются не сами компьютеры, а специальные концентраторы, к которым в свою очередь подключаются компьютеры с помощью звездообразных двойных линий связи.

Схема комбинированной топологии сети типа "star-ring"

В действительности все компьютеры сети включаются в замкнутое кольцо, так как внутри концентраторов линии связи образуют замкнутый контур (как показано на рисунке 9). Данная топология дает возможность комбинировать преимущества звездной и кольцевой топологий. Например, концентраторы позволяют собрать в одно место все точки подключения кабелей сети. Если говорить о распространении информации, данная топология равноценна классическому кольцу.

3.3 "Сеточная" топология сети

Наконец, следует упомянуть о сетчатой, или сеточной (mesh) топологии, в которой все либо многие компьютеры и другие устройства соединены друг с другом напрямую (рисунок 10).

Рисунок 10 - Схема сеточной топологии сети

Такая топология исключительно надежна - при обрыве любого канала передача данных не прекращается, поскольку возможно несколько маршрутов доставки информации. Сеточные топологии (чаще всего не полные, а частичные) используются там, где требуется обеспечить максимальную отказоустойчивость сети, например, при объединении нескольких участков сети крупного предприятия или при подключении к Интернету, хотя за это, конечно, приходится платить: существенно увеличивается расход кабеля, усложняется сетевое оборудование и его настройка.

В настоящее время, подавляющее большинство современных сетей используют топологию "звезда" или гибридную топологию, представляющую собой объединение нескольких "звезд" (например, топологию типа "дерево"), и метод доступа к среде передачи CSMA/CD (множественный доступ с контролем несущей и обнаружением столкновений).

Фрагмент вычислительной сети

Фрагмент вычислительной сети включает основные типы коммуникационного оборудования, применяемого сегодня для образования локальных сетей и соединения их через глобальные связи друг с другом. Для построения локальных связей между компьютерами используются различные виды кабельных систем, сетевые адаптеры, концентраторы-повторители, мосты, коммутаторы и маршрутизаторы. Для подключения локальных сетей к глобальным связям используются специальные выходы (WAN порты) мостов и маршрутизаторов, а также аппаратура передачи данных по длинным линиям – модемы (при работе по аналоговым линиям) или же устройства подключения к цифровым каналам (TA – терминальные адаптеры сетей ISDN, устройства обслуживания цифровых выделенных каналов типа CSU/DSU и т.п.).

Читайте также: