Мережеві топології, контент-платформа

Термін "мережева топологія" описує можливі конфігурації комп'ютерних мереж. Специфіка мережевих технологій полягає в необхідності суворого узгодження всіх параметрів апаратних і програмних мережевих засобів для успішного обміну даними. При цьому існуючі апаратні засоби здатні забезпечувати різні можливості (швидкість, надійність і т. П.) З передачі даних в залежності від способу використання цих пристроїв. Для обліку всіх цих особливостей режимів роботи обладнання і було введено поняття "мережева топологія". В даний час для опису конфігурації мережі використовують два види топологій: фізичну і логічну.

Фізична топологія описує реально використовуються способи організації фізичних з'єднань різного мережевого обладнання (використовуються кабелі, роз'єми і способи підключення мережевого обладнання). Фізичні топології розрізняються по вартості і функціональності. Нижче ми наведемо опис трьох найбільш часто використовуються фізичних топологій із зазначенням їх переваг і недоліків.

Фізична шина (Physical Bus)

Найпростіша форма топології фізичної шини являє собою один основний кабель, оконцованнимі з обох сторін спеціальними типами роз'ємів - терминаторами. При створенні такої мережі основний кабель прокладають послідовно від одного мережевого пристрою до іншого. Самі пристрої підключаються до основного кабелю з використанням підвідних кабелів і T-подібних роз'ємів. Приклад такої топології наведено на малюнку.

Складнішою формою топології фізичної шини є "розподілена шина" (частіше називається "деревоподібна топологія"). У такій топології основний кабель, починаючись з однієї точки, званої "коренем" (root), розгалужується в різних напрямках визначаються реальним фізичним місцем розташування мережевих пристроїв. На відміну від описаної вище топології, в топології "розподілена шина" основний кабель має більше двох закінчень. Розгалуження кабелю здійснюється з використанням спеціальних роз'ємів. Приклад такої топології наведено на малюнку.

Фізична зірка (Physical Star)

Найпростіша форма топології "фізична зірка" складається з безлічі кабелів (по одному на кожне підключається мережевий пристрій) підключених до одного, центрального пристрою. Це центральний пристрій називають концентратором. Прикладом топології фізичної зірки є технологія Ethernet 10Base-T або Ethernet 100Base-T. У таких мережах кожне мережеве пристрій підключається до концентратора за допомогою кабелю типу "вита пара".

У разі використання простий топології "фізична зірка" реальні шляхи руху сигналів можуть не відповідати формі зірки. Єдина характеристика, описувана топологією "фізична зірка" - це спосіб фізичного з'єднання мережевих пристроїв. Приклад найпростішої топології "фізична зірка" наведено на малюнку.

У топології "розподілена зірка" способи з'єднання пристроїв можуть бути істотно складніше. У такій топології центральні пристрої (концентратори) додатково з'єднуються між собою.

Фізичне кільце з підключенням типу "зірка" (Physical Star-Wired Ring)

У цій топології всі мережеві пристрої підключаються до центрального концентратора так само, як це відбувається при використанні топології "фізична зірка". Але кожен з концентраторів всередині себе організовує фізичні з'єднання, що забезпечують побудову єдиного фізичного кільця. При використанні декількох концентраторів, кільце в кожному з концентраторів розмикається, а самі концентратори підключаються один до одного з використанням двох кабелів, організовуючи фізичне замикання кільця.

Топологія фізичного кільця використовується в мережах IBM Token-Ring. Приклад описаної топології наведено на рис.

У цій топології все концентратори є "інтелектуальними" пристроями. При виникненні розриву фізичного кільця в будь-якій точці мережі концентратор автоматично виявляє розрив і відновлює кільце шляхом замикання в собі відповідних портів. На малюнку показаний приклад такого відновлення кільця (концентратор А).

В даний час найбільшою популярністю користується зіркоподібна топологія, оскільки вона забезпечує найпростіший спосіб підключення нових пристроїв в мережу. У більшості випадків включення нового пристрою в мережу полягає лише в прокладці відрізка кабелю, що з'єднує підключається мережевий пристрій з концентратором.

Логічна топологія визначає реальні шляхи руху сигналів при передачі даних по використовуваної фізичної топології. Таким чином, логічна топологія описує шляхи передачі потоків даних між мережевими пристроями. Вона визначає правила передачі даних в існуючому середовищі передачі з гарантуванням відсутності перешкод впливають на коректність передачі даних.

Оскільки логічна топологія описує шлях і напрямок передачі даних, то вона тісно пов'язана з рівнем MAC (Media Access Control) моделі OSI (підрівень канального рівня). Для кожної з існуючих логічних топологій існують методи контролю доступу до середовища передачі даних (MAC) дозволяють здійснювати моніторинг і контроль процесу передачі даних. Ці методи будуть обговорюватися разом з відповідною їм топологією.

В даний час існує три базові логічні топології: "логічна шина", "логічне кільце" і "логічна зірка" (комутація). Кожна з цих топологій забезпечує переваги в залежності від способів використання. Використовуючи розглянуті раніше малюнки, присвячені фізичним топологиям, завжди пам'ятайте, що логічна топологія визначає напрямок і спосіб передачі, а не схему з'єднання фізичних провідників і пристроїв.

У топології "логічна шина" середовище передачі спільно і одночасно використовується всіма пристроями передачі даних. Для запобігання перешкод при спробах одночасної передачі даних декількома станціями, тільки одна станція в будь-який момент часу має право передавати дані. Таким чином, повинен існувати метод визначення того, яка станція має право передавати дані в кожен конкретний момент часу. Відповідно до цих вимог були створені методи контролю доступу до середовища передачі, які ми оглядово розглянули в розділі "Процес обміну даними".

Найбільш часто використовуваним при організації топології логічної шини методом контролю доступу до середовища передачі є CSMA / CD - "метод прослуховування несучої, з організацією множинного доступу і виявленням колізій" (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection). Цей метод доступу дуже схожий на розмову декількох людей в одній кімнаті. Для того, щоб не заважати один одному, в будь-який момент часу говорить тільки одна людина, а всі інші слухають. А починати говорити будь-хто може тільки, переконавшись в тому, що в кімнаті запанувала мовчанка. Точно таким же чином працює і мережа. Коли будь-яка станція збирається передавати дані, спочатку вона "прослуховує" (carrier sense) середу передачі даних з метою виявлення будь-якої вже передавальної дані станції. Якщо яка-небудь станція в даний момент виконує передачу, то станція чекає закінчення процесу передачі. Коли середовище передачі звільняється, чекала станція починає передачу своїх даних. Якщо в цей момент починається передача ще однією або декількома станціями теж очікували звільнення середовища передачі, то виникає "колізія" (collision). Всі передавальні станції виявляють колізію і посилають спеціальний сигнал інформує всі станції мережі про виникнення колізії. Після цього всі станції замовкають на випадковий проміжок часу перед повторною спробою передачі даних. Після цього алгоритм роботи починається спочатку.

Мережа, що базується на топології логічної шини, може також використовувати і технологію "передачі маркера" (token passing) для контролю доступу до середовища передачі даних. При використанні цього методу контролю кожної станції призначається порядковий номер вказує черговість в передачі даних. Після передачі даних станцією з максимальним номером, черга повертається до першої станції. Порядкові номери, що призначаються станціям, можуть не відповідати реальній послідовності фізичного підключення станцій до середовища передачі даних. Для контролю того, яка станція в поточний момент часу має право передати дані, використовується контрольний кадр даних, званий "маркером доступу". Цей маркер передається від станції до станції в послідовності, відповідної їх порядковими номерами. Станція, що отримала маркер, має право передати свої дані. Однак, кожна станція передачі обмежена часом, протягом якого їй дозволяється передавати дані. Після закінчення цього часу станція зобов'язана передати маркер наступної станції.

Робота такої мережі починається з того, що перша станція, що має маркер доступу, передає свої дані і отримує на них відповіді протягом обмеженого проміжку часу (time slot). Якщо станція завершує обмін даними раніше закінчення виділеного їй часу, вона просто передає маркер станції з наступним порядковим номером. Далі процес повторюється. Такий послідовний процес передачі маркера триває безперервно, надаючи можливість кожній станції через строго певний проміжок часу отримати можливість передати дані.

Топологія "логічної шини" базується на використанні топологій "фізична шина" і "фізична зірка". Метод контролю доступу потрібно використовувати та фізичних топологій вибираються в залежності від вимог до проектованої мережі. Наприклад, кожна з мереж: Ethernet, 10Base-T Ethernet і ARCnet® використовують топологію "логічна шина". Кабелі в мережах Ethernet (тонкий коаксіальний кабель) підключаються з використанням топології "фізична шина", а мережі 10Base-T Ethernet і ARCnet базуються на топології "фізична зірка". Разом з тим, мережі Ethernet (фізична шина) і 10Base-T Ethernet (фізична зірка) використовують CSMA / CD в якості методу контролю доступу до середовища передачі даних, а в ARCnet (фізична зірка) застосовується маркер доступу.

На першому малюнку показана мережа Ethernet (фізична шина, логічна шина), а на другому - проілюстрована мережу 10Base-T Ethernet (фізична зірка, логічна шина). На обох малюнках зверніть увагу на те, що сигнал (показаний стрілками) виходить від однієї (передавальної в даний момент) станції і поширюється в усіх напрямках існуючої середовища передачі.

Метод контролю доступу до середовища передачі в таких мережах завжди базується на технології "маркерів доступу". Однак послідовність отримання права на передачу даних (шлях прямування маркера), не завжди може відповідати реальній послідовності підключення станцій до фізичного кільцю. IBM's Token-Ring є прикладом мережі, що використовує топологію "логічного кільця", що базується на "фізичному кільці з підключенням типу" зірка "".

Логічна зірка (комутація)

У топології "логічна зірка" використовується метод комутації, що забезпечує обмеження поширення сигналу в середовищі передачі в межах певної її частини. Механізм такого обмеження є основоположним в топології "логічна зірка".

У чистому вигляді, комутація надає виділену лінію передачі даних кожної станції. Коли одна станція передає сигнал іншої станції підключеної до того ж самому комутатора, то комутатор передає сигнал тільки по середовищі передачі даних, що з'єднує ці дві станції. Малюнок показує спосіб передачі даних між двома станціями, підключеними до одного і того ж комутатора. При такому підході можлива одночасна передача даних між декількома парами машин, так як дані, що передаються між будь-якими двома станціями, залишаються "невидимими" для інших пар станцій.

Більшість технологій комутації створюються на базі існуючих мережевих стандартів, привносячи в них новий рівень функціональності. Наприклад, розглянутий раніше стандарт мережі 10Base-T (метод контролю CSMA / CD), дозволяє застосовувати комутацію.

Деякі комутатори розробляються для підтримки можливостей одночасного використання декількох мережевих стандартів. Наприклад, один комутатор може мати порти для підключення станцій як за стандартом 10Base-T Ethernet, так і FDDI (Fiber Distributed Data Interface).

Комутатори мають вбудовану логіку, що дозволяє їм інтелектуально керувати процесом передачі даних між машинами. Внутрішньою логікою комутаторів властиво високу швидкодію, т. К. Вони повинні забезпечувати можливість одночасної передачі даних з максимальною швидкістю між кожною парою портів. Таким чином, використання комутаторів дозволяє істотно збільшити продуктивність мережі.

Комутація ілюструє те, що логічна топологія визначається не тільки методом контролю доступу до середовища передачі, але і безліччю інших аспектів схем електронних з'єднань (комутатор є досить складним і дорогим електронним пристроєм). Комбінуючи нові технології комутації з існуючими логічними схемами з'єднання, інженери отримують можливість створення нових логічних топологій.

Кілька комутаторів можуть бути з'єднані між собою з використанням однієї або декількох фізичних топологій. Комутатори можуть бути використані не тільки для з'єднання індивідуальних станцій, але і цілих груп станцій. Такі групи носять назву "сегментів мережі". Таким чином, з безлічі причин комутація може значно підвищити продуктивність Вашої мережі.

Підключення до найпростішої мережі

Тепер, коли ми обговорили питання пов'язані з апаратною реалізацією різних компонентів мережі і усвідомили різницю між логічними і фізичними топологиями, розглянемо способи підключення обладнання в найпростішої мережі. На малюнку показані деякі раніше розглянуті мережеві пристрої, підключені до найпростішої комп'ютерної мережі.

Зображена мережа складається з наступних компонентів: три комп'ютери підключені до одного концентратора 10Base-T з використанням неекранованої кручений пари. На кожен комп'ютер встановлено мережеві карти 10Base-T Ethernet. До одного з комп'ютерів також підключений лазерний принтер.

Комп'ютер в центральній частині малюнка є сервером і здійснює контроль над всією мережею. Два залишилися комп'ютера - це робочі станції. Робочі станції використовують мережу, контрольовану сервером. Одна робоча станція - це персональний комп'ютер типу IBM PC, інша-комп'ютер Apple® Macintosh.

Концентратор 10Base-T забезпечує фізичне з'єднання всіх трьох комп'ютерів. Він також несе функції повторювача сигналів.

Лінії між різними компонентами мережі позначають середу передачі: виту пару. Ця мережа використовує топологію "фізична зірка", але базується на логічній топології "логічна шина".

Принтер в цій мережі підключений безпосередньо до сервера з використанням паралельного порту цього комп'ютера. Таке підключення є стандартним для більшості принтерів. Сервер приймає завдання на друк документів вступників від кожної з робочих станцій. Надійшли завдання на друк далі надходять до принтера через паралельний порт сервера за відповідним кабелю. Незважаючи на те, що такий спосіб є найбільш простим для надання можливості декільком станціям друкувати документи на одному принтері, проте існують і інші способи підключення принтерів до мережі. Ви можете, наприклад, підключити принтер до спеціального серверу друку або комп'ютера зі спеціальним програмним забезпеченням. надає можливість одночасно виконувати функції робочої станції і сервера друку. Зараз безліч принтерів випускається з вбудованою в нього мережевою картою, таким чином, принтер може підключатися безпосередньо до середовища передачі в будь-якій точці мережі.