Топологии локальных сетей

 Компьютеры могут объединяться в сеть разными способами. Логический и физический способы соединения компьютеров, кабелей и других компонентов в локальную сеть, называются ее топологией. Физическая топология определяет тип применяемого кабеля, а также способ его прокладки. Логическая топология описывает путь, по которому передаются сигналы в сети. Топология характеризует свойства сетей, не зависящие от их размеров. При этом не учитывается производительность и принцип работы этих объектов, их типы, длины каналов, хотя при проектировании эти факторы очень важны.

Выделяют пять наиболее широко распространенных топологий локальных сетей:

- звезда;

- кольцо;

- шина;

- ячеистая;

- смешанная.

Топология типа “звезда” – одна из наиболее распространенных топологий, применяемых в процессе построения локальных сетей. В процессе формирования сети подобного типа каждый компьютер соединяется с центральным концентратором. Структура топологии ЛВС в виде “звезды” изображена на рис. 3.1. Применяемый в этом случае концентратор может быть активным, пассивным или интеллектуальным. Пассивный концентратор служит для реализации физического соединения, совершенно не потребляя при этом энергии. 

Наиболее распространен активный концентратор, который фактически является многопортовым повторителем. Этот вид концентраторов выполняет усиление передаваемых сигналов. Если активный концентратор снабжен диагностическим оборудованием, его называют интеллектуальным концентратором.

Рис. 3.1 – Структура топологии ЛВС в виде “звезды”

В процессе конструирования сетей звездообразной топологии применяется кабель неэкранированной витой пары (архитектура Ethernet, 10BaseT или 100BaseT). В обычной звездообразной сети сигнал передается от сетевых адаптеров, установленных в компьютерах, к концентраторам. Затем производится усиление сигнала с последующей его обратной передачей сетевым адаптерам.

Топология в виде звезды является наиболее быстродействующей из всех топологий вычислительных сетей, поскольку передача данных между рабочими станциями проходит через центральный узел (при его хорошей производительности) по отдельным линиям, используемым только этими рабочими станциями.

Частота запросов передачи информации, от одной станции к другой, невысокая по сравнению с достигаемой в других топологиях. Производительность вычислительной сети в первую очередь зависит от мощности центрального файлового сервера. Он может быть узким местом вычислительной сети. В случае выхода из строя центрального узла нарушается работа всей сети.

Центральный узел управления – файловый сервер реализует оптимальный механизм защиты против несанкционированного доступа к информации. Вся вычислительная сеть может управляться из ее центра.

Преимущества звездообразной топологии:

- повышенная устойчивость сети;

- легкость добавления/исключения нового компьютера в сети;

- простота диагностики и устранения неполадок.

Недостатки звездообразной топологии:

- повышенный расход кабеля при прокладке сети;

- необходимость приобретения дорогостоящего концентратора.

Кольцевая топология. При кольцевой топологии сети рабочие станции связаны одна с другой по кругу, т.е. рабочая станция 1 с рабочей станцией 2, рабочая станция 2 с рабочей станцией 3, рабочая станция 3 с рабочей станцией 4 и т.д. Последняя рабочая станция связана с первой. Коммуникационная связь замыкается в кольцо. Структура кольцевой топологии ЛВС изображена на рис. 3.2.

В кольцевой сети передача сигнала происходит в одном направлении. Каждый компьютер принимает сигнал от соседа слева и передает его соседу справа. Подобный вид топологии именуется активным, поскольку в процессе передачи происходит дополнительное усиление сигнала. 

Рис. 3.2 – Структура кольцевой топологии ЛВС.

Чаще всего кольцевая топология реализуется практически в виде архитектуры Token Ring. В этом случае применяется концентратор Token Ring, также именуемый MSAU (Multistation Access Unit, Модуль многостанционного доступа).

Прокладка кабелей от одной рабочей станции до другой может быть довольно сложной и дорогостоящей, особенно если географическое расположение рабочих станций далеко от формы кольца (например, в линию).

Преимущества сетей с кольцевой топологией:

- простота физической реализации;

- легкость при устранении различного рода неполадок.

Некоторые недостатки, связанные с применением кольцевых сетей:

- невысокая степень надежности (при разрыве кольца вся сеть выходит из строя);

- трудность добавления новых компьютеров.Специальной формой кольцевой топологии является логическая кольцевая сеть. Структура логической кольцевой цепи ЛВС изображена на рис. 3.3

Рис. 3.3 – Структура логической кольцевой цепи ЛВС.

Физически она монтируется как соединение звездных топологий. Отдельные звезды включаются с помощью специальных коммутаторов (англ. Hub – концентратор), которые по-русски также иногда называют “хаб”. В зависимости от числа рабочих станций и длины кабеля между рабочими станциями применяют активные или пассивные концентраторы. Активные концентраторы дополнительно содержат усилитель для подключения от 4 до 16 рабочих станций. Пассивный концентратор является исключительно разветвительным устройством (максимум на три рабочие станции). Управление отдельной рабочей станцией в логической кольцевой сети происходит так же, как и в обычной кольцевой сети.

Каждой рабочей станции присваивается соответствующий ей адрес, по которому передается управление (от старшего к младшему и от самого младшего к самому старшему). Разрыв соединения происходит только для нижерасположенного (ближайшего) узла вычислительной сети, так что лишь в редких случаях может нарушаться работа всей сети.

Шинная топология. Локальная сеть, построенная в соответствии с шинной топологией, характеризуется свойством прямолинейности. Сетевой кабель проложен последовательно, от компьютера к компьютеру. В сетях подобного типа обязательно применение терминатора (конечная нагрузка шины). Это устройство предотвращает возможность отражения сигнала, нарушающего работоспособность сети. Один из концов шины следует заземлять. Как правило, в сетях с шинной топологией применяется тонкий или толстый коаксиальный кабель (10Base2 или 10Base5). Подключение подобного кабеля к сетевым адаптерам, установленным в компьютерах, производится с помощью T-образных адаптеров.

В процессе функционирования сетей этого типа сообщения, отсылаемые каждым компьютером, принимаются всеми компьютерами, подключенными к шине. Заголовки сообщений анализируются сетевыми адаптерами. В процессе анализа определяется компьютер-адресат для данного сообщения. Структура шинной топологии локальной сети изображена на рис. 3.4.

Рис. 3.4 – Структура шинной топологии локальной сети.

Рабочие станции в любое время, без прерывания работы всей локальной сети, могут быть подключены к ней или отключены. Функционирование вычислительной сети не зависит от состояния отдельной рабочей станции. Отключение и особенно подключение к такой сети требуют разрыва шины, что вызывает нарушение циркулирующего потока информации и зависание системы.

Сети с шинной топологией обладают следующими преимуществами:

- простота реализации;

- относительная дешевизна.

Недостатки сетей с шинной топологией:

- пассивный характер, приводящий к значительному затуханию сигнала;

- уязвимость сети (одна общая шина).

Новые технологии предлагают пассивные штепсельные коробки, через которые можно отключать и подключать рабочие станции во время работы локальной сети. Благодаря тому, что рабочие станции можно подключать без прерывания сетевых процессов и коммуникационной среды, очень легко прослушивать информацию, то есть ответвлять информацию из коммуникационной среды.

В локальной сети с прямой (не модулируемой) передачей информации всегда может существовать только одна станция, передающая информацию. Для предотвращения коллизий в большинстве случаев применяется метод разделения, согласно которому для каждой подключенной рабочей станции в определенные моменты времени предоставляется исключительное право на использование канала передачи данных. Поэтому требования к пропускной способности локальной сети при повышенной нагрузке повышаются, например, при вводе новых рабочих станций.

Рабочие станции присоединяются к шине посредством устройств ТАР (англ. Terminal Access Point – точка подключения терминала). ТАР представляет собой специальный тип подсоединения к коаксиальному кабелю. Зонд игольчатой формы внедряется через наружную оболочку внешнего проводника и слой диэлектрика к внутреннему проводнику и присоединяется к нему.

В локальной сети с модулированной широкополосной передачей информации различные рабочие станции получают, по мере надобности, частоту, на которой эти рабочие станции могут отправлять и получать информацию. Пересылаемые данные модулируются на соответствующих несущих частотах, т.е. между средой передачи информации и рабочими станциями находятся соответственно модемы для модуляции и демодуляции. Техника широкополосных сообщений позволяет одновременно транспортировать в коммуникационной среде довольно большой объем информации. Для дальнейшего развития дискретной транспортировки данных не играет роли, какая первоначальная информация подана в модем (аналоговая или цифровая), так как она все равно в дальнейшем будет преобразована.

Ячеистая топология. По сравнению с описанными ранее, эта топология не столь распространена. Пример сети с ячеистой топологией изображен на рис. 3.5

. 

Рис. 3.5 – Пример сети с ячеистой топологией

В процессе физической реализации данной топологии каждый компьютер сети соединяется непосредственно с другим компьютером. Этот вид топологии более устойчив к сбоям благодаря наличию различных путей прохождения сигнала.Однако данное преимущество практически полностью нивелируется необходимостью огромного количества кабелей (в случае большого количества компьютеров) и сложностью самой сети. Добавление каждого нового компьютера в состав сети приводит к росту количества необходимых сетевых соединений.

Смешанные топологии. Сети подобного типа характеризуются топологией, объединяющей элементы нескольких стандартных топологий. Сеть со смешанной ячеистой топологией изображена на рис. 3.6.

Рис. 3.6 –  Сеть со смешанной ячеистой топологией

Примером подобной топологии может служить так называемая смешанная ячеистая топология, когда избыточные соединения устанавливаются только между наиболее важными компьютерами.

Термин смешанный может применяться по отношению к сетям, использующим несколько топологий. Сети подобного типа достаточно широко распространены. Сеть со смешанной топологией можно создать, соединив несколько концентраторов с помощью шины, а затем подключив к каждому концентратору несколько компьютеров.

В данном случае кабель, проложенный между концентраторами, называется магистральным. С помощью этого кабеля реализуется соединение между компонентами сети, называемыми сегментами. Благодаря этому можно сформировать достаточно большую и сложную сеть.

Основные характеристики трех наиболее типичных топологий локальных сетей приведены в таблице № 3.1.

Таблица 3.1 – Основные характеристики топологий сетей

Характеристики	Топологии сетей
	Звезда	Кольцо	Шина
Стоимость расширения	Незначительная	Средняя	Средняя
Присоединение абонентов	Пассивное	Активное	Пассивное
Защита от отказов	Незначительная	Незначи-тельная	Высокая
Размеры системы	Любые	Любые	Ограниченны
Защищенность от прослушивания	Хорошая	Хорошая	Незначитель-ная
Стоимость подключения	Незначительная	Незначи-тельная	Высокая
Поведение системы при высоких нагрузках	Хорошее	Удовлетво-рительное	Плохое
Поведение системы при высоких нагрузках	Хорошее	Удовлетво-рительное	Плохое
Возможность работы в реальном режиме времени	Очень хорошая	Хорошая	Плохая
Разводка кабеля	Хорошая	Удовлетво-рительная	Хорошая
Обслуживание	Очень хорошее	Среднее	Среднее