Мережевий журнал data communications

МЕРЕЖЕВІ ТОПОЛОГІЇ

Любов Горшкова, Григорій Єфімов

Любов Горшкова - незалежного експерта ([email protected]). Григорій Єфімов - науковий співробітник Військової Академії імені Петра Великого ([email protected])

При створенні своєї мережі в першу чергу необхідно вибрати спосіб організації фізичних зв'язків, тобто топологію.

Плідна дебютна ідея

Традиційно під мережею зв'язку або передачі даних розуміють ряд точок або вузлів, з'єднаних між собою каналами зв'язку. З кожною мережею може бути порівняна геометрична конструкція у вигляді графа, вершинами якого є вузли, а ребрами - канали зв'язку. У тих випадках, коли в вузлах мережі знаходяться комп'ютери, а канали зв'язку є каналами передачі даних, мережа є комп'ютерної. Стосовно до мереж під топологією розуміють прикладну науку, що вивчає структуру з'єднань і вузлів мережі без урахування таких характеристик, як довжина ліній і потужність вузлів.

Відповідно, мережевий топологією, або топологією мережі (network topology), називають загальну схему мережі, яка буде показувати фізичне розташування вузлів і з'єднань між ними з урахуванням територіальних, адміністративних та організаційних чинників. Правда, таке визначення ми приймемо з таким застереженням: фізичне переміщення вузлів без зміни з'єднань між вузлами не супроводжується змінами в її топології.

Фізична і логічна топології

Для з'ясування відмінностей між логічного і зниження фізичної топологиями мережі, необхідно розглянути два нижніх рівні еталонної моделі взаємозв'язку відкритих систем (ISO / OSI): фізичний (physical layer) і канальний (data-link layer). При цьому слід враховувати те, що канальний рівень має свої підрівні: управління доступом до середовища (MAC - Media Access Control) і управління логічним каналом (LLC - Logical Link Control). Саме на фізичному і канальному рівнях визначається топологія мережі, яка, відповідно до цими рівнями, може бути фізичної та логічної.

Логічна топологія представляє собою логічну структуру мережі. Така схема визначає, як елементи мережі взаємодіють між собою, як передається інформація в мережі, і який шлях вона при цьому долає.

Фізична топологія визначає розташування монтажних з'єднань мережі. Вона задає схему з'єднання елементів мережі між собою (маються на увазі електричні з'єднання). Фізична топологія визначає, що відбудеться в мережі при виході з ладу будь-якого вузла.

Під базовими ми будемо розуміти топологічні конструкції, які мають принципово різними властивостями. В якості базових топологій сучасних мереж виступають: "зірка", "кільце", "шина" і полносвязная топологія, яка називається також топологією повного графа (див. Рис. 1). Відзначимо, що в математиці додатковим до повного графу вважають безреберний граф, - тобто граф, в якому ребер немає взагалі; а додатковим до графу, відповідному кільцевої топології, є знову-таки "кільцевої" граф (у всякому разі, це справедливо для випадку пятівершінного графа, що і проілюстровано на рис. 1).

При цьому від обраної логічної топології буде залежати вибір методу управління доступом до середовища передачі (наприклад, Ethernet або Token Ring), на основі якого буде функціонувати ваша мережа, а також тип фізичного середовища передачі даних.

"Зірка" найбільш часто використовується в мережах, що складаються з міні-комп'ютерів, і в мережах Arcnet. "Кільце" популярно в мережах Token Ring, топологія шини використовується в мережі Ethernet. Повнозв'язна топологія зазвичай використовується в багатомашинних комплексах або глобальних мережах при невеликій кількості комп'ютерів. Крім того, полносвязная топологія застосовується в радіомережах певного типу - в тих, де застосовуються всеспрямовані антени, і які працюють в режимі циркулярного зв'язку.

Логічна схема мережі може відрізнятися від фізичної. Логічна топологія визначає електричний ланцюг для проходження сигналів; фізична схема встановлює, як розміщуються кабелі, концентратори і вузли. Наприклад, мережа Ethernet повинна мати логічну топологію шини. Однак вона може бути фізично налаштована як "шина" або "зірка". Мережа Token Ring має логічну топологію кільця, але фізично налаштована як "зірка". FDDI - логічне "кільце", а фізично налаштована як "кільце" або як "зірка".

Взагалі кажучи, більшість мереж повинні мати логічну повнозв'язну топологію, тобто забезпечувати зв'язок типу "кожен з кожним". Число таких зв'язків в мережі з n кінцевими вузлами дорівнює числу сполучень з n по 2, тобто n (n-1) / 2. Реалізувати таку топологію фізично вкрай важко, внаслідок чого на фізичному рівні застосовуються інші базові топології, що допускають можливість передачі інформації між двома кінцевими вузлами через деякий проміжний вузол.

Перед детальним розглядом основних типів топологій обговоримо маленьку деталь - число вузлів в мережі. Справа в тому, що при наявності тільки двох вузлів ні про яку топології мови бути не може - все базові топології зображуються одним і тим же графом з двома вершинами і одним ребром. При трьох вузлах "шина" збігається з "зіркою", а кільцева топологія - з повно-. І тільки при чотирьох і більше вузлах мережі з різними топологиями будуть відрізнятися один від одного істотно.

Базові топології використовуються при побудові реальних мереж, в яких можуть застосовуватися різні комбіновані варіанти базових топологій. При цьому базові топології, як правило, лежать в основі побудови окремих сегментів або підмереж загальної мережі. Такі топології прийнято називати змішаними.

До недавнього часу зіркоподібна топологія, здебільшого, лежала в основі мереж, що складаються з міні-комп'ютерів і мейнфреймів. Такі мережі зазвичай складаються з системи терміналів або ПК, причому кожен з них з'єднаний з центральним процесором.

Таке рішення пояснюється найкращою стійкістю роботи мережі з формою "зірки" у порівнянні з іншими основними топологиями. Так, в мережі із зіркоподібною топологією відмова одного вузла призведе до порушення роботи тільки в тому випадку, якщо це - центральний вузол, що зазвичай є концентратором. Щоб запобігти виникненню такої ситуації, іноді використовують резервування за допомогою центрального комп'ютера, підключеного паралельно. Крім того, зіркоподібна топологія дозволяє додавати і видаляти вузли мережі, не порушуючи її роботи.

Зіркоподібна топологія ідеальна для глобальних мереж, в яких віддалені офіси повинні зв'язуватися з центральним офісом. Також перевагою зіркоподібній топології є те, що вона не тільки дозволяє централізувати основні мережеві ресурси, такі як концентратори або обладнання узгодження лінії передачі, а й дає адміністратора центральний вузол для мережевого управління. У мережі з такою топологією легко знаходити несправні вузли мережі. Однак зіркоподібна мережа вимагає значних витрат на кабельне господарство.

Каскадна "зірка". Топологія каскадної "зірки" - фізична топологія мережі, що представляє собою "зірку", один або кілька променевих вузлів якої є центральними вузлами інших "зірок".

Використання модульного многопортового повторювача (також відомого як хаб, або концентратор) з мережею Ethernet дозволяє створювати великі мережі, побудовані у вигляді каскадної "зірки". У такій структурі один централізований багатопортовий повторювач служить центральним вузлом для багатьох інших повторителей і, по суті, створює ряд зіркоподібних мереж Ethernet (див. Рис. 2).

Вита пара мережі Ethernet часто використовується при побудові мереж у вигляді каскадної "зірки". У такій мережі модульні багатопортовий повторювачі з'єднані один з одним і з центральним повторителем. Використання модульних багатопортових повторителей дозволяє з'єднувати в одній великій мережі звездообразную і шінообразную організацію. При цьому модульний повторювач повинен приймати модулі, які забезпечують сумісність з мережею Ethernet.

Розподілена "зірка". Топологія розподіленої "зірки" є фізичною топологією, що включає два концентратора або більше, кожен з яких виступає в якості центру зірки (див. Рис. 2). Хорошим прикладом такої топології може служити мережа Arcnet, що має, принаймні, один активний концентратор і один або більше пасивних концентраторів.

Ієрархічна "зірка". В ієрархічних топологиях використовуються кілька рівнів концентраторів. Так, в топології мережі "ієрархічна зірка" один рівень організовується для з'єднання з користувачами і серверами, а другий рівень функціонує в якості загальної магістралі передачі даних.

Розглядаючи топологію "кільце", потрібно відразу обумовити відмінності між фізичною й логічною топологиями.

При логічної топології кільця пакети поширюються послідовно від вузла до вузла в заздалегідь визначеному порядку. Вузли утворюють замкнене коло і, таким чином, вузол, який відправив пакет, є останнім з вузлів, який його отримає. Мережі Token Ring є кращим прикладом логічної топології кільця.

Фізична топологія кільця передбачає таку організацію мережі, в якій кожен з вузлів з'єднаний з двома іншими, утворюючи замкнене коло. Інформація пересилається лише в одному з напрямків таким чином, що існує жорсткий зв'язок між кожним з вузлів і двома іншими, один з яких передає йому пакети, а інший отримує їх від нього.

Фізична топологія кільця має істотні недоліки: якщо в роботі будь-якого з вузлів стався збій, то робота всієї мережі буде паралізована; локалізація несправностей через здійснення комунікацій лише в одному напрямку є важким завданням; додавання або видалення вузла руйнує мережу. Через зазначених недоліків така фізична топологія зустрічається досить рідко. Так, зокрема, стандарт Token Ring компанії IBM передбачає логічну топологію - "кільце", а фізичну - "зірка" (див. Рис. 3).

Незважаючи на те, що фізично це "зірка", архітектура Token Ring фірми IBM логічно (тобто з точки зору проходження електричних сигналів) виконана у вигляді кільця. Стрілками на цьому малюнку показані траєкторії руху пакетів вздовж кільця від однієї станції до іншої.

У мережі Token Ring вузли підключаються до одного концентратора - модулю множинного доступу (MSAU - Multi Station Access Unit), іноді званому модулем доступу до середовища (MAU - Media Access Unit). В однобічному логічному кільці MSAU передає маркер від станції до станції по зіркоподібним маршруту.

У мережі з передачею маркера закладені деякі функції відмовостійкості. Наприклад, один з комп'ютерів, призначений на роль монітора, здатний "відловлювати" маркери, нескінченно циркулюють через неполадки з передавальним пристроєм. Крім того, всі комп'ютери кільця беруть участь в локалізації неполадок мережі завдяки процесу "випускання маяка" (beaconing), коли запідозрив неполадку посилає по мережі спеціальний сигнал-маяк (beacon).

Час володіння розділяється середовищем в мережі Token Ring обмежується часом утримання маркера (token holding time), після закінчення якого станція зобов'язана припинити передачу власних даних і передати маркер далі по кільцю.

Ієрархічне "кільце". В ієрархічних кільцях використовується той же принцип різних рівнів концентраторів, що і в ієрархічних "зірок", тільки в цьому випадку застосовується базова топологія "кільце", а не "зірка".

Подвійне "кільце". Представником фізичної і логічної топології мережі "подвійне кільце" є стандарт FDDI (Fiber Distributed Data Interface), який використовує оптоволоконну середу передачі даних. Варто відзначити, що технологія FDDI не передбачена для рівня користувачів. Інакше кажучи, якщо повернутися до раніше описаної ієрархічній структурі мережі, FDDI буде верхнім рівнем, об'єднуючим концентратори.

Особливість FDDI, в порівнянні зі звичайним "кільцем", полягає в використанні двох "кілець": внутрішнього і зовнішнього. При штатному режимі роботи використовується тільки зовнішнє "кільце". При аварії одній зі станцій зовнішнє і внутрішнє "кільця" замикаються в одне "кільце". Доступ же до середи передачі залишається колишнім - через маркер.

Приклад топології "шини" - з'єднання всіх робочих станцій на коаксіальний кабель через спеціальний роз'єм, виконаний за схемою "монтажне АБО".

У фізичної топології шини всі мережеві вузли (станції) рівноправно з'єднані між собою за допомогою відкритого (open ended) кабелю. Цей кабель може підтримувати тільки один канал і називається "шиною" (bus). Обидва кінці кабелю повинні закінчуватися резистивним навантаженням, званої кінцевим резистором або термінатором (terminating resister), - для запобігання відображення сигналів (signal bouncing). Якщо термінатора немає, то сигнал, дійшовши до кінця кабелю, змінює свій напрямок. В результаті одна передача може повністю захопити всю смугу пропускання мережі і перешкоджати передачам від інших станцій.

Позитивними сторонами топології шини є: незначна протяжність кабельних з'єднань, найбільш проста схема монтажу; простота у відключенні і підключенні станції до мережі. Архітектури, засновані на топології загальної шини, є найбільш простими і гнучкими. Недоліки цієї топології наступні: труднощі при діагностиці та технічному забезпеченні; при інтенсивному трафіку станцій доведеться чекати тривалий час, щоб отримати доступ до смуги пропускання.

Прикладом топології шини є стандарт Ethernet, який в даний час є найпоширенішим стандартом для локальних мереж. Існує безліч стандартів Ethernet. Стандарт Ethernet, випущений в 1975 р сьогодні практично не використовується. Ethernet 2 (Ethernet DIX) IEEE 802.3 в літературі зазвичай позначається просто як Ethernet.

Наступний перелік стандартів різниться, в основному, використовується середовищем передачі: Ethernet 10Base-5, 10Base-2 - коаксіальний кабель; 10Base-FOIXL, 10Base-FL, 10Base-FB - волоконно-оптичний кабель; 10Base-T використовує виту пару і передбачає фізичну топологію "зірка".

Новіші версії: Fast Ethernet і Gigabit Ethernet, що викликали включення в IEEE 802.3 додаткових розділів 802.3u і 802.3z відповідно. Fast Ethernet має фізичну топологію - ієрархічну деревоподібну структуру на концентраторах різного рівня. Fast Ethernet передбачає використання в якості середовища кручений пари (стандарт 100Base-TX і 100Base-TH) і оптичного волокна (стандарт 100BaseFX). У Gigabit Ethernet середовищем передачі даних служить оптичне волокно (див. Таблицю).

Новим словом в цій області є стандарт 100VG-AnyLAN. Його головна відмінність від стандарту Ethernet полягає в підтримці двох технологій - Ethernet і Token Ring.

Повнозв'язна (fully-meshed) топологія - це таке розміщення вузлів, при якому кожен вузол з'єднаний з кожним. В даний час в комп'ютерних мережах ця топологія використовується відносно рідко. Однак вона широко застосовується при організації роботи між абонентами, з'єднаними між собою каналами радіозв'язку.

Ще трохи про змішаних топологиях

Ніздрювата (partially-meshed) топологія виходить з повно-шляхом виключення деяких зв'язків (при цьому іноді потрібно збереження мінімум двох зв'язків на один вузол). У деяких джерелах такої топографії називають хаотичної (chaos). В принципі, ячеистой (в широкому сенсі) можна назвати будь-яку неповну топологію (і "зірку", і "шину", і "кільце"), а також будь-яку їх комбінацію. Тому користуватися цим терміном потрібно обережно.

Кільцева топологія розподіленої "зірки". Така топологія іноді називається топологією з концентратором (hub topology) і є гібридної фізичної топологією, що об'єднує властивості топології "зірки" і "кільця". Окремі вузли підключаються до центрального концентратора, як і в зіркоподібною мережі. Однак всередині самого концентратора з'єднання утворюють внутрішнє "кільце". Подібна топологія застосовується в Token Ring, де логічною топологією є "кільце" (див. Рис. 2).

Топологія дерева. Топологія дерева, відома також як розподілена шина або ветвящееся дерево, є гібридної фізичної топологією, що об'єднує властивості топології зірки і загальної шини. Кілька шин можуть бути об'єднані в шлейф або шини можуть відгалужується від місця їх з'єднань концентраторів. Початковий пункт дерева, утворений шинами, називається коренем, або головним вузлом (див. Рис. 2). Прикладом такої топології може служити організація системи кабельного телебачення.

Переваги топології дерева: легко розширюється; легко виявляється несправність. Недоліки: вихід з ладу кореневого вузла означає вихід з ладу всієї системи, вихід з ладу концентратора - вихід з ладу його гілок; якщо мережа дуже велика, то доступ до неї утруднений. Іншим прикладом деревовидної структури є варіант зіркоподібній ієрархічної структури. Це ще раз свідчить про те, що кожна зі змішаних топологій може бути отримана з базових топологій різними способами.

На жаль, реальність часто жорстко диктує вибір топології і методу доступу. Наприклад, організаціям, які використовують обладнання IBM у великому обсязі, найпростіше вибрати Token Ring. Істотними є також фінансові обмеження. Тому більш ймовірно, що реальна мережа буде містити ті чи інші варіації різних топологій.

Такий підхід характеризується відносно високою гнучкістю. Зрештою, наявність декількох альтернативних маршрутів дозволяє вибрати найбільш легкий шлях досягнення поставленої мети, а саме: створення високоефективної мережі при обмеженнях на вартість. Якщо ж при створенні мереж діяти іншим чином, можна потрапити до мережі недобросовісних постачальників та інтеграторів, які проінтегріруют ваш бюджет зі знаком "мінус".