Локальные вычислительные сети

 

3.2 Топологии вычислительной сети

 

Топология сети – это логическая схема соединения каналами связи компьютеров (узлов сети). Чаще всего в локальных сетях используется одна из трех основных топологий: моноканальная, кольцевая и звездообразная. Большинство других топологий являются производными от перечисленных. Для определения последовательности доступа узлов сети к каналу и предотвращения наложения передач пакетов данных различными узлами необходим метод доступа.

Метод доступа – это набор правил, определяющий использование канала передачи данных, соединяющего узлы сети на физическом уровне. Самыми распространенными методами доступа в локальных сетях перечисленных топологий являются Ethernet, Token-Ring, Arcnet, реализуемые соответствующими сетевыми платами (адаптерами). Сетевая плата является физическим устройством, которое устанавливается в каждом компьютере сети и обеспечивает передачу и прием информации по каналам связи

Топология типа звезда

Концепция топологии сети в виде звезды (рисунок 1) пришла из области больших ЭВМ, в которой головная машина получает и обрабатывает все данные с периферийных устройств как активный узел обработки данных. Этот принцип применяется в системах передачи данных, например, в электронной почте RELCOM. Вся информация между двумя периферийными рабочими местами проходит через центральный узел вычислительной сети.

 

Рисунок 1 - Топология в виде звезды

 

Пропускная способность сети определяется вычислительной мощностью узла и гарантируется для каждой рабочей станции. Коллизий (столкновений) данных не возникает.

Кабельное соединение довольно простое, так как каждая рабочая станция связана с узлом. Затраты на прокладку кабелей высокие, особенно когда центральный узел географически расположен не в центре топологии.

При расширении вычислительных сетей не могут быть использованы ранее выполненные кабельные связи: к новому рабочему месту необходимо прокладывать отдельный кабель из центра сети.

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 может реализовать оптимальный механизм защиты против несанкционированного доступа к инфо ии. Вся вычислительная сеть может управляться из ее центра.рмац.

Кольцевая топология

При кольцевой топологии (рисунок 2) сети рабочие станции связаны одна с другой по кругу, т.е. рабочая станция 1 с рабочей станцией 2, рабочая станция 3 с рабочей станцией 4 и т.д. Последняя рабочая станция связана с первой. Коммуникационная связь замыкается в кольцо.

 

Рисунок 2 - Кольцевая топология

 

Прокладка кабелей от одной рабочей станции до другой может быть довольно сложной и дорогостоящей, особенно если географически рабочие станции расположены далеко от кольца (например, в линию).

Сообщения циркулируют регулярно по кругу. Рабочая станция посылает по определенному конечному адресу информацию, предварительно получив из кольца запрос. Пересылка сообщений является очень эффективной, так как большинство сообщений можно отправлять “в дорогу” по кабельной системе одно за другим. Очень просто можно сделать кольцевой запрос на все станции. Продолжительность передачи информации увеличивается пропорционально количеству рабочих станций, входящих в вычислительную сеть.

Основная проблема при кольцевой топологии заключается в том, что каждая рабочая станция должна активно участвовать в пересылке информации, и в случае выхода из строя хотя бы одной из них вся сеть парализуется. Неисправности в кабельных соединениях локализуются легко.

Подключение новой рабочей станции требует кратко срочного выключения сети, так как во время установки кольцо должно быть разомкнуто. Ограничения на протяженность вычислительной сети не существует, так как оно, в конечном счете, определяется исключительно расстоянием между двумя рабочими станциями.

Шинная топология

При шинной топологии (рисунок 3) среда передачи информации представляется в форме коммуникационного пути, доступного дня всех рабочих станций, к которому они все должны быть подключены. Все рабочие станции могут непосредственно вступать в контакт с любой рабочей станцией, имеющейся в сети.

 

Рисунок 3 -  Шинная топология

Рабочие станции в любое время, без прерывания работы всей вычислительной сети, могут быть подключены к ней или отключены. Функционирование вычислительной сети не зависит от состояния отдельной рабочей станции.

В стандартной ситуации для шинной сети Ethernet часто используют тонкий кабель или Cheapernet-кaбeль с тройниковым соединителем. Выключение и особенно подключение к такой сети требуют разрыва шины, что вызывает нарушение циркулирующего потока информации и зависание системы.

 

Древовидная структура ЛВС

Наряду с известными топологиями вычислительных сетей кольцо, звезда и шина, на практике применяется и комбинированная, на пример древовидная (рисунок 4) структура. Она образуется в основном в виде комбинаций вышеназванных топологий вычислительных сетей. Основание дерева вычислительной сети располагается в точке (корень), в которой собираются коммуникационные линии информации (ветви дерева).

Вычислительные сети с древовидной структурой применяются там, где невозможно непосредственное применение базовых сетевых структур в чистом виде.

 

Рисунок 4 - Древовидная структура

 

3.4 Типы построения сетей по методам передачи информации

 

Локальная сеть Token Ring

Этот стандарт разработан фирмой IBM. В качестве передающей среды применяется неэкранированная или экранированная витая пара (UPT или SPT) или оптоволокно. Скорость передачи данных 4 Мбит/с или 16Мбит/с. В качестве метода управления доступом станций к передающей среде используется метод - маркерное кольцо (Тоken Ring). Основные положения этого метода:

 устройства подключаются к сети по топологии кольцо;

 все устройства, подключенные к сети, могут передавать данные, только получив разрешение на передачу (маркер);

 в любой момент времени только одна станция в сети обладает таким правом.

В IВМ Тоkеn Ring используются три основных типа пакетов:

 пакет управление/данные (Data/Соmmand Frame);

 маркер (Token);

 пакет сброса (Аbort).

Пакет Управление/Данные. С помощью такого пакета выполняется передача данных или команд управления работой сети.

Маркер. Станция может начать передачу данных только после получения такого пакета, В одном кольце может быть только один маркер и, соответственно, только одна станция с правом передачи данных.

Пакет Сброса. Посылка такого пакета называет прекращение любых передач.

В сети можно подключать компьютеры по топологии звезда или кольцо.

Локальная сеть Ethernet

Спецификацию Ethernet в конце семидесятых годов предложила компания Xerox Corporation. Позднее к этому проекту присоединились компании Digital Equipment Corporation (DEC) и Intel Corporation. В 1982 году была опубликована спецификация на Ethernet версии 2.0. На базе Ethernet и нститутом IEEE был разработан стандарт IEEE 802.3. Различия между ними незначительные.

Основные принципы работы.

На логическом уровне в Ethernet применяется топология шина:

 все устройства, подключенные к сети, равноправны, т.е. любая станция может начать передачу в любой момент времени (если передающая среда свободна);

 данные, передаваемые одной станцией, доступны всем станциям сети.

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Методы доступа в ЛВС.
5. У компьютеров, объединённых в сеть, существует общая передающая среда. Передающая среда имеет две составляющие:

Физическая 

Логическая

К первой относятся непосредственно средства, с помощью которых компьютеры объединены друг с другом.  Ко второй – так называемые протоколы, т.е. наборы  правил  и  описаний, которые регулируют передачу информации.

В глобальном масштабе, или в крупных сетях, которые связывают машины на далёких расстояниях,  используются такие средства как:

Телефонные линии (информация переводится в сигналы определенной частоты с помощью модема). Такой способ является наиболее популярным, поскольку телефон как средство коммуникации является уже общедоступным, а также повсеместно распространённым. Телефонные линии опутывают почти все страны мира.

Спутники, для функционирования которых требуется иметь наземные станции и  антенны; кроме того на спутнике необходимо иметь корректирующие двигатели и соответствующие системы управления, работающие по командам с Земли и т.д. все эти условия делают спутниковую связь более дорогостоящей, чем связь посредством телефонных линий. В общем балансе связи на спутниковые системы поэтому пока приходится примерно 3 % мирового трафика. Но потребности в спутниковых линиях продолжают расти, поскольку при дальности свыше 800 км спутниковые каналы становятся экономически более выгодными по сравнению с другими видами дальней связи.

Радиорелейная связь. Освоение диапазона ультракоротких волн позволило создать радиорелейные линии. Недостатком радиорелейных линий связи является необходимость установки через определенные промежутки ретрансляционных станций, их обслуживание и т.д.

Стандартные кабели, с помощью которых создаются обычные локальные сети на базе стандартов Ethernet или Arcnet  в рамках предприятия, небольшого города или просто ограниченной местности.

 

4.1 Физическая среда передачи в локальных сетях

 

Весьма важный момент – учет факторов, влияющих на выбор физической среды передачи (в ЛВС - кабельной системы). Среди них можно перечислить следующие:

1)Требуемая пропускная способность, скорость передачи в сети;

2) Размер сети;

3)Требуемый набор служб (передача данных, речи, мультимедиа и т.д.), который необходимо организовать.

4)Требования к уровню шумов и помехозащищенности;

5)Общая стоимость проекта, включающая покупку оборудования, монтаж и последующую эксплуатацию.

Основная среда передачи данных ЛВС –  витая пара, коаксиальный кабель,  оптоволокно.

Наиболее дешевым кабельным соединением является витое двухжильное проводное соединение часто называемое “витой парой” (англ. twisted pair).

Она позволяет передавать информацию со скоростью до 10Мбит/с, легко наращивается, однако является помехонезащищенной. Длина кабеля не может превышать 1000 м при скорости передачи 1 Мбит/с. Преимуществами являются низкая цена и беспроблемная установка. Для повышения помехозащищенности информации часто используют экранированную витую пару, т.е. витую пару, помещенную в экранирующую оболочку, подобно экрану коаксиального кабеля. Это увеличивает стоимость витой пары и приближает ее цену к цене коаксиального кабеля.

Коаксиальный кабель

Имеет среднюю цену, хорошо помехозащищен и применяется для связи на большие расстояния (несколько километров). Скорость передачи информации от 1 до 10 Мбит/с, а в некоторых случаях может достигать 50 Мбит/с. Коаксиальный кабель используется для основной и широкополосной передачи информации. Широкополосный коаксиальный кабель невосприимчив к помехам, легко наращивается, но цена его высокая. Скорость передачи информации равна 500 Мбит/с. При передачи информации в базисной полосе частот на расстояние более 1,5 км требуется усилитель, или так называемый репитер (англ. repeater – повторитель). Поэтому суммарное расстояние при передаче информации увеличивается до 10 км. 

Ethernet-кабель

Также является коаксиальным кабелем с волновым сопротивлением 50 Ом. Его называют еще толстый Ethernet (англ. thick) или желтый кабель (англ. yellow cable). Он использует 15–контактное стандартное включение. Вследствие помехозащищенности является дорогой альтернативой обычным коаксиальным кабелям. Средняя скорость передачи данных 10 Мбит/с. Максимально доступное расстояние без повторителя не превышает 500 м., а общее расстояние сети Ethernet – около 3000 м. Ethernet-кабель, благодаря своей магистральной топологии, использует в конце лишь один нагрузочный резистор.

Более дешевым, чем Ethernet–кабель является соединение Cheapernet-кабель (RG–58) или, как его часто называют, тонкий (англ. thin) Ethernet.

Это также 50-омный коаксиальный кабель со скоростью передачи информации в 10 Мбит/с. При соединении сегментов Cheapernet–кабеля также требуются повторители. Вычислительные сети с Cheapernet–кабелем имеют небольшую стоимость и минимальные затраты при наращивании. Соединения сетевых плат производится с помощью широко используемых малогабаритных байонетных разъемов (СР–50). Дополнительное экранирование не требуется. Кабель присоединяется к ПК с помощью тройниковых соединителей (T–connectors). Расстояние между двумя рабочими станциями без повторителей может составлять максимум 300 м, а минимум – 0,5 м, общее расстояние для сети на Cheapernet–кабеля – около 1000 м. Приемопередатчик Cheapernet расположен на сетевой плате как для гальванической развязки между адаптерами, так и для усиления внешнего сигнала

Наиболее дорогими являются оптопроводники, называемые также стекловолоконным кабелем.

Скорость распространения информации по ним достигает 100 Мбит/с, а на экспериментальных образцах оборудования – 200 Мбит/с. Допустимое удаление более 50 км. Внешнее воздействие помех практически отсутствует. На данный момент это наиболее дорогостоящее соединение для ЛВС. Применяются там, где возникают электромагнитные поля помех или требуется передача информации на очень большие расстояния без использования повторителей. Они обладают противоподслушивающими свойствами, так как техника ответвлений в оптоволоконных кабелях очень сложна.