топологія шина

Топологія шина (або, як її ще називають, загальна шина) самою своєю структурою припускає ідентичність мережного устаткування комп'ютерів, а також рівноправність всіх абонентів по доступу до мережі. Комп'ютери в шині можуть передавати інформацію тільки по черзі, тому що лінія зв'язку в даному випадку єдина. Якщо кілька комп'ютерів будуть передавати інформацію одночасно, вона спотвориться в результаті накладення (конфлікту. Колізії). У шині завжди реалізується режим полудуплексного обміну.

У топології шина відсутній явно виражений центральний абонент, через який передається вся інформація, це збільшує її надійність (адже при відмові центру перестає функціонувати вся керована їм система). Додавання нових абонентів у шину досить просто і звичайно можливо навіть під час роботи мережі. У більшості випадків при використанні шини потрібна мінімальна кількість сполучного кабелю в порівнянні з іншими топологиями.

Оскільки центральний абонент відсутній, розв'язання можливих конфліктів у цьому випадку лягає на мережне обладнання кожного окремого абонента. У зв'язку з цим мережева апаратура при топології шина складніше, ніж при інших топологіях. Проте через широке поширення мереж з топологією шина (насамперед найбільш популярної мережі Ethernet) вартість мережного устаткування не надто висока.

Мал. 5 Обрив кабелю в мережі з топологією шина

Важлива перевага шини полягає в тому, що при відмові будь-якого з комп'ютерів мережі, справні машини зможуть нормально продовжувати обмін.

Здавалося б, при обриві кабелю виходять дві цілком працездатні шини (рис. 5). Однак треба враховувати, що через особливості поширення електричних сигналів по довгих лініях зв'язку необхідно передбачати включення на кінцях шини спеціальних узгоджувальних пристроїв, термінаторів. показаних на рис. 5 у вигляді прямокутників. Без включення термінаторів сигнал відбивається від кінця лінії і спотворюється так, що зв'язок по мережі стає неможливою. У разі розриву або пошкодження кабелю порушується узгодження лінії зв'язку, і припиняється обмін навіть між тими комп'ютерами, які залишилися з'єднаними між собою. Коротке замикання в будь-якій точці кабелю шини виводить з ладу всю мережу.

Відмова мережевого обладнання будь-якого абонента в шині може вивести з ладу всю мережу. До того ж така відмова досить важко локалізувати, оскільки всі абоненти включені паралельно, і зрозуміти, який з них вийшов з ладу, неможливо.

При проходженні по лінії зв'язку мережі з топологією шина інформаційні сигнали послабляються й ніяк не відновлюються, що накладає жорсткі обмеження на сумарну довжину ліній зв'язку. Причому кожен абонент може одержувати з мережі сигнали різного рівня залежно від відстані до передавального абонента. Це висуває додаткові вимоги до прийомних вузлів мережного обладнання.

Якщо прийняти, що сигнал у кабелі мережі послабляється до гранично допустимого рівня на довжині L пр. то повна довжина шини не може перевищувати величини Lпр. У цьому сенсі шина забезпечує найменшу довжину в порівнянні з іншими базовими топологиями.

Для збільшення довжини мережі з топологією шина часто використовують кілька сегментів (частин мережі, кожен з яких представляє собою шину), з'єднаних між собою за допомогою спеціальних підсилювачів і відновників сигналів - репітерів або повторювачів (на рис. 6 показано з'єднання двох сегментів, гранична довжина мережі в цьому випадку зростає до 2 Lпр. так як кожен з сегментів може бути довжиною Lпр). Однак таке нарощування довжини мережі не може тривати нескінченно. Обмеження на довжину пов'язані з кінцевою швидкістю поширення сигналів по лініях зв'язку.

Мал. 6 З'єднання сегментів мережі типу шина з допомогою репитера

топологія зірка

Зірка - це єдина топологія мережі з явно виділеним центром, до якого підключаються всі інші абоненти. Обмін інформацією йде винятково через центральний комп'ютер, на який лягає велике навантаження, тому нічим іншим, крім мережі, він, як правило, займатися не може. Зрозуміло, що мережне устаткування центрального абонента повинне бути істотно складнішим, ніж обладнання периферійних абонентів. Про рівноправність всіх абонентів (як в шині) в даному випадку говорити не доводиться. Зазвичай центральний комп'ютер найпотужніший, саме на нього покладаються всі функції по управлінню обміном. Ніякі конфлікти в мережі з топологією зірка в принципі неможливі, тому що керування повністю централізоване.

Якщо говорити про стійкість зірки до відмов комп'ютерів, то вихід з ладу периферійного комп'ютера або його мережевого обладнання ніяк не відбивається на функціонуванні решти мережі, зате будь-яка відмова центрального комп'ютера робить мережу повністю непрацездатною. У зв'язку з цим повинні прийматися спеціальні заходи щодо підвищення надійності центрального комп'ютера і його мережної апаратури.

Обрив кабелю або коротке замикання в ньому при топології зірка порушує обмін тільки з одним комп'ютером, а всі інші комп'ютери можуть нормально продовжувати роботу.

На відміну від шини, у зірці на кожній лінії зв'язку перебувають тільки два абоненти: центральний і один з периферійних. Найчастіше для їх з'єднання використовується дві лінії зв'язку, кожна з яких передає інформацію в одному напрямку, тобто на кожній лінії зв'язку є тільки один приймач і один передавач. Це так звана передача точка-точка. Все це істотно спрощує мережне обладнання в порівнянні з шиною й рятує від необхідності застосування додаткових, зовнішніх термінаторів.

Проблема загасання сигналів в лінії зв'язку також вирішується в зірці простіше, ніж у випадку шини, адже кожен приймач завжди одержує сигнал одного рівня. Гранична довжина мережі з топологією зірка може бути вдвічі більше, ніж в шині (тобто 2 Lпр), так як кожен з кабелів, що з'єднує центр з периферійним абонентом, може мати довжину Lпр.

Серйозний недолік топології зірка складається в жорсткому обмеженні кількості абонентів. Зазвичай центральний абонент може обслуговувати не більше 8-16 периферійних абонентів. У цих межах підключення нових абонентів досить просто, але за ними воно просто неможливо. У зірці допустимо підключення замість периферійного ще одного центрального абонента (у результаті виходить топологія з декількох з'єднаних між собою зірок).

Зірка, показана на рис. 2. носить назву активної або істинної зірки. Існує також топологія, яка називається пасивної зіркою, яка тільки зовні схожа на зірку (рис.7). В даний час вона поширена набагато ширше, ніж активна зірка. Досить сказати, що вона використовується в найбільш популярною сьогодні мережі Ethernet.

У центрі мережі з даною топологією міститься не комп'ютер, а спеціальний пристрій - концентратор або, як його ще називають, хаб (hub), яке виконує ту ж функцію, що і ретрансляція, тобто відновлює які надходять сигнали і пересилає їх в усі інші лінії зв'язку .

Мал. 7. Топологія пасивна зірка і її еквівалентна схема

Виходить, що хоча схема прокладки кабелів подібна істинної або активній зірці, фактично мова йде про шинної топології, тому що інформація від кожного комп'ютера одночасно передається до всіх інших комп'ютерів, а ніякого центрального абонента не існує. Безумовно, пасивна зірка дорожче звичайної шини, тому що в цьому випадку потрібно ще й концентратор. Однак вона надає цілий ряд додаткових можливостей, пов'язаних з перевагами зірки, зокрема, спрощує обслуговування і ремонт мережі. Саме тому останнім часом пасивна зірка все більше витісняє справжню зірку, яка вважається малоперспективною топологією.

Можна виділити також проміжний тип топології між активною і пасивною зіркою. В цьому випадку концентратор не тільки ретранслює надходять на нього сигнали, але і проводить управління обміном, однак сам в обміні не бере участь. Значна перевага зірки (як активної, так і пасивної) полягає в тому, що всі точки підключення зібрані в одному місці. Це дозволяє легко контролювати роботу мережі, локалізувати несправності шляхом простого відключення від центра тих чи інших абонентів (що неможливо, наприклад, в разі шинної топології), а також обмежувати доступ сторонніх осіб до життєво важливих для мережі точок підключення. До периферійного абонента у випадку зірки може підходити як один кабель (по якому йде передача в обох напрямках), так і два (кожен кабель передає в одному з двох зустрічних напрямків), причому останнє зустрічається набагато частіше.

Загальним недоліком для всіх топологій типу зірка (як активної, так і пасивної) є значно більший, ніж при інших топологіях, витрата кабелю. Наприклад, якщо комп'ютери розташовані в одну лінію, то при виборі топології зірка знадобиться в кілька разів більше кабелю, чим при топології шина. Це істотно впливає на вартість мережі в цілому і помітно ускладнює прокладку кабелю.

топологія кільце

Кільце - це топологія, в якій кожен комп'ютер з'єднаний лініями зв'язку з двома іншими: від одного він отримує інформацію, а іншому передає. На кожній лінії зв'язку, як і у випадку зірки, працює тільки один передавач і один приймач (зв'язок типу точка-точка). Це дозволяє відмовитися від застосування зовнішніх термінаторів.

Важлива особливість кільця полягає в тому, що кожен комп'ютер ретранслює (відновлює, підсилює) приходить до нього сигнал, тобто виступає в ролі репитера. Загасання сигналу у всьому кільці не має ніякого значення, важливо тільки загасання між сусідніми комп'ютерами кільця. Якщо гранична довжина кабелю, обмежена загасанням, становить L пр. то сумарна довжина кільця може досягати NLпр. де N - кількість комп'ютерів в кільці. Повний розмір мережі в межі буде NLпр / 2, так як кільце доведеться скласти вдвічі. На практиці розміри кільцевих мереж досягають десятків кілометрів (наприклад, в мережі FDDI). Кільце в цьому відношенні істотно перевершує будь-які інші топології.

Чітко виділеного центру при кільцевій топології немає, всі комп'ютери можуть бути однаковими і рівноправними. Однак досить часто в кільці виділяється спеціальний абонент, який управляє обміном або контролює його. Зрозуміло, що наявність такого єдиного керуючого абонента знижує надійність мережі, так як вихід його з ладу відразу ж паралізує весь обмін.

Строго кажучи, комп'ютери в кільці не є повністю рівноправними (на відміну, наприклад, від шинної топології). Адже один з них обов'язково отримує інформацію від комп'ютера, що веде передачу в даний момент, раніше, а інші - пізніше. Саме на цій особливості топології і будуються методи керування обміном по мережі, спеціально розраховані на кільце. В таких методах право на наступну передачу (або, як ще кажуть, на захоплення мережі) переходить послідовно до наступного по колу комп'ютера. Підключення нових абонентів в кільце виконується досить просто, хоча і вимагає обов'язкової зупинки роботи всієї мережі на час підключення. Як і в випадку шини, максимальна кількість абонентів у кільці може бути досить велика (до тисячі і більше). Кільцева топологія зазвичай має високу стійкість до перевантажень, забезпечує впевнену роботу з великими потоками переданої по мережі інформації, так як в ній, як правило, немає конфліктів (на відміну від шини), а також відсутній центральний абонент (на відміну від зірки), який може бути перевантажений великими потоками інформації.

Мал. 8. Мережа з двома кільцями

Сигнал в кільці проходить послідовно через всі комп'ютери мережі, тому вихід з ладу хоча б одного з них (або ж його мережного обладнання) порушує роботу мережі в цілому. Це істотний недолік кільця.

Точно так же обрив або коротке замикання в будь-якому з кабелів кільця робить роботу всієї мережі неможливою. З трьох розглянутих топологій кільце найбільш вразливе до пошкоджень кабелю, тому в разі топології кільця зазвичай передбачають прокладку двох (або більше) паралельних ліній зв'язку, одна з яких знаходиться в резерві.

Іноді мережа з топологією кільце виконується на основі двох паралельних кільцевих ліній зв'язку, що передають інформацію в протилежних напрямках (рис. 8). Мета подібного рішення - збільшення (в ідеалі - удвічі) швидкості передачі інформації по мережі. До того ж при пошкодженні одного з кабелів мережа може працювати з іншим кабелем (правда, гранична швидкість зменшиться).

інші топології

Крім трьох розглянутих базових топологій нерідко застосовується також мережна топологія дерево (tree), яку можна розглядати як комбінацію декількох зірок. Причому, як і у випадку зірки, дерево може бути активним або істинним (рис. 9) і пасивним (рис. 10). При активному дереві в центрах об'єднання декількох ліній зв'язку перебувають центральні комп'ютери, а при пасивному - концентратори (хаби).

Мал. 9 Топологія активну дерево

Мал. 10 Топологія пасивне дерево. К - концентратори

Досить часто застосовуються комбіновані топології, серед яких найбільш поширені зоряно-шинна (рис. 11) і зоряно-кільцева (рис 12).

Рис.11 Приклад зоряно-шинної топології

Мал. 12 Приклад зоряно-кільцевої топології

У зірково-шинної (star-bus) топології використовується комбінація шини та пасивної зірки. До концентратора підключаються як окремі комп'ютери, так і цілі шинні сегменти. Насправді реалізується фізична топологія шина, що включає всі комп'ютери мережі. У даній топології може використовуватися і кілька концентраторів, з'єднаних між собою і утворюють так звану магістральну, опорну шину. До кожного з концентраторів при цьому підключаються окремі комп'ютери або шинні сегменти. В результаті виходить зірково-шинне дерево. Таким чином, користувач може гнучко комбінувати переваги шинної і зоряної топологій, а також легко змінювати кількість комп'ютерів, підключених до мережі. З точки зору поширення інформації дана топологія рівноцінна класичній шині.

У разі зірково-кільцевої (star-ring) топології в кільце об'єднуються не самі комп'ютери, а спеціальні концентратори (зображені на рис. 12 в вигляді прямокутників), до яких в свою чергу підключаються комп'ютери за допомогою зіркоподібних подвійних ліній зв'язку. Насправді все комп'ютери мережі включаються в замкнуте кільце, тому що усередині концентраторів лінії зв'язку утворюють замкнутий контур (як показано на рис. 12). Дана топологія дає можливість комбінувати переваги зіркової та кільцевої топологій. Наприклад, концентратори дозволяють зібрати в одне місце всі точки підключення кабелів мережі. Якщо говорити про поширення інформації, дана топологія рівноцінна класичним кільцю.

При гратчастої топології (mesh) комп'ютери зв'язуються між собою не однієї, а багатьма лініями зв'язку, що утворюють сітку (рис. 13).

Мал. 13. Сіткова топологія: повна (а) і часткова (б)

Повною гратчастої топології кожен комп'ютер безпосередньо пов'язаний з усіма іншими комп'ютерами. В цьому випадку при збільшенні числа комп'ютерів різко зростає кількість ліній зв'язку. Крім того, будь-яка зміна в конфігурації мережі вимагає внесення змін до мережеву апаратуру всіх комп'ютерів, тому повна сіткова топологія не отримала широкого розповсюдження.

Часткова сіткова топологія передбачає прямі зв'язки тільки для найактивніших комп'ютерів, що передають максимальні обсяги інформації. Інші комп'ютери з'єднуються через проміжні вузли. Сіткова топологія дозволяє вибирати маршрут для доставки інформації від абонента до абонента, обходячи несправні ділянки. З одного боку, це збільшує надійність мережі, з іншого ж - вимагає істотного ускладнення мережевої апаратури, яка повинна вибирати маршрут.