Типы локальных сетей

Выбор топологии электрических связей существенно влияет на многие характеристики сети. Например, наличие резервных связей повышает надежность сети и делает возможным балансирование загрузки отдельных каналов. Простота присоединения новых узлов, свойственная некоторым топологиям, делает сеть легко расширяемой. Экономические соображения часто приводят к выбору топологий, для которых характерна минимальная суммарная длина линий связи.

3. Топология «общая шина»

Рис.1 топология шина

Сеть  с топологией шина использует один канал связи, объединяющий все компьютеры сети.

Самым распространенным методом доступа  в сетях  этой топологии является метод доступа с прослушиванием несущей частоты и обнаружением конфликта. При этом методе доступа, узел прежде чем послать данные по коммуникационному каналу, прослушивает его и только убедившись, что канал свободен, посылает пакет. Если канал занят, узел повторяет попытку передать пакет через случайный промежуток времени. Данные, переданные одним узлом сети, поступают во все узлы, но только узел, ля которого предназначены эти данные, распознает и принимает их. Несмотря на предварительное прослушивание канала, в сети могут возникать конфликты, заключающиеся в одновременной передачи пакетов двумя узлами. Конфликты связана с тем, что имеется временная задержка сигнала при прохождении его по каналу: сигнал послан, но не дошел до узла, прослушивающего канал, в следствие чего узел счел канал свободным и начал передачу.

Характерным примером сети с этим методом доступа  является сеть Ethernet. В сети Ethernet обеспечивается скорость передачи данных для локальных сетей, равная 10 Мбит/сек.

Топология шина обеспечивает эффективное использование пропускной способности канала, устойчивость к неисправности отдельных узлов, простоту реконфигурации и наращивания сети.

Общая шина является очень распространенной (а до недавнего времени самой  распространенной) топологией для локальных сетей. Передаваемая информация может распространяться в обе стороны. Применение общей шины снижает стоимость проводки, унифицирует подключение различных модулей, обеспечивает возможность почти мгновенного широковещательного обращения ко всем станциям сети. Таким образом, основными преимуществами такой схемы являются дешевизна и простота  разводки кабеля по помещениям. Самый серьезный недостаток общей шины заключается в ее низкой надежности: любой дефект кабеля или какого-нибудь из многочисленных разъемов полностью парализует всю сеть. К сожалению, дефект коаксиального разъема редкостью не является. Другим недостатком общей шины является ее невысокая производительность, так как при таком способе подключения в каждый момент времени только один компьютер может передавать данные в сеть. Поэтому пропускная способность канала  связи всегда делится здесь между всеми узлами сети.

4. Топология «звезда»

    Рис.2 Топология звезда 

Сеть  звездообразной топологии имеет  активный центр (АЦ) – компьютер (или  иное сетевое устройство), объединяющий все компьютеры в сети. Активный центр полностью управляет компьютерами, подключенными к нему через концентратор, которой выполняет функции распределения и усиления  сигналов. В функции концентратора входит направление передаваемой компьютером информации одному или всем остальным компьютерам сети. От надежности активного центра полностью зависит работоспособность сети.

В качестве примера метода доступа с АЦ можно  привести Arcnet. Этот метод доступа также использует маркер для передачи данных. Маркер предается от узла к узлу (как бы по кольцу), обходя узлы в порядке возрастания их адресов. Как и в кольцевой топологии, каждый узел регенерирует маркер. Этот метод доступа обеспечивает скорость передачи данных 2 Мбит/сек.

Главное преимущество этой топологии перед  общей шиной - существенно большая  надежность. Любые неприятности с  кабелем касаются лишь того компьютера, к которому этот кабель присоединен, и только неисправность концентратора может вывести из строя всю сеть. Кроме того, концентратор может играть роль интеллектуального фильтра информации, поступающей от узлов в сеть, и при необходимости блокировать запрещенные администратором передачи.

К недостаткам  топологии типа звезда относится  более высокая стоимость сетевого оборудования из-за необходимости приобретения концентратора. Кроме того, возможности  по наращивания количества узлов  сети ограничиваются количеством портов концентратора. Иногда имеет смысл строить сеть с использованием нескольких концентраторов, иерархически соединенных между собой связями типа звезда.

5. Топология «кольцо»

     Рис.3 Топология кольцо 

Сеть  кольцевой топологии использует в качестве каналов связи замкнутое кольцо из приема-передатчиков, соединенных коаксиальным или оптическим кабелем.

В сетях  с кольцевой конфигурацией данные передаются от одного компьютера к  другому, как правило, в одном  направлении. Если компьютер распознает данные как «свои», то он копирует их себе во внутренний буфер. В сети с кольцевой топологией необходимо принимать специальные меры, чтобы в случае выхода из строя или отключения какой-либо станции не прервался канал связи между остальными станциями. Кольцо представляет собой очень удобную конфигурацию для организации обратной связи – данные, сделав полный оборот, возвращаются к узлу-источнику. Поэтому этот узел может контролировать процесс доставки данных адресату. Часто это свойство кольца используется для тестирования связности сети и поиска узла, работающего некорректно. Для этого в сеть посылаются специальные тестовые сообщения.

Самым распространенным методом доступа  в сетях этой топологии является Token-Ring – метод доступа с передачей маркера.

Маркер – это пакет снабженный специальной последовательностью бит. Он последовательно передается по кольцу от узла к узлу в одном направлении. Каждый узел ретранслирует передаваемый маркер. Узел может передать свои данные, если он получил пустой маркер. Маркер с пакетом передается пока не обнаружится узел, которому предназначен пакет. В этом узле данные принимаются, но маркер не освобождается, а передается по кольцу дальше. Только вернувшись к отправителю, который может убедиться, что переданные им данные благополучно получены, маркер освобождается. Пустой маркер передается следующему узлу, который при наличии у него данных, готовых к передаче заполняет его и передает по кольцу. В сетях Token-Ring обеспечивается скорость передачи данных, равная 4-м Мбит/сек.

Ретрансляция  данных узлами приводит к снижению надежности сети, так как неисправность в одном из узлов сети разрывает всю сеть.

6. Смешанные типы топологии

В то время  как небольшие сети, как правило, имеют типовую топологию звезда, кольцо, или общая шина, для крупных  сетей характерно наличие произвольных связей между компьютерами. В таких сетях можно выделить отдельные произвольно связанные фрагменты (подсети), имеющие типовую топологию, поэтому их называют сетями со смешанной топологией. 

По мере все белее широкого распространения  локальных сетей, возникают проблемы, связанные с обменом информацией между сетями. Так, в рамках университета в нескольких учебных классах могут использоваться локальные сети, причем это могут быть сети разных типов. Для обеспечения связи между этими сетями используются средства межсетевого взаимодействия, называемые мостами и маршрутизаторами. В качестве моста и маршрутизатора могут использоваться компьютеры, в которых установлено по 2 или более сетевых адаптера. Каждый из адаптеров обеспечивает связь с одной из связываемых сетей. Мост или маршрутизатор получает пакеты, посылаемые компьютером одной сети компьютеру другой сети, переадресует их и отправляет по указанному адресу. Мосты, как правило используются для связи сетей с одинаковыми коммуникационными системами, например, для связи 2-х сетей Ethernet или 2-х сетей Arcnet. Маршрутизаторы связывают сети с разными коммуникационными системами, так как имеют средства преобразования пакетов одного формата в другой. Существуют мосты-маршрутизаторы, объединяющие функции обоих средств. Для обеспечения связи тетей с различными компьютерными системами предназначены шлюзы. Например, через шлюз локальная сеть может быть связана с большой ЭВМ.

3. Локальная сеть с несколькими  файловыми серверами

В том  случае, если локальная сеть имеет большую протяженность или большое количество абонентов (пользователей), целесообразно такую сеть разбить на более мелкие сети, каждая из которых должна содержать свой файловый сервер. Это приводит к тому, что повышается производительность сети, улучшается ее надежность и, если происходят повреждения в одной из сетей, остальная сеть не теряет свою работоспособность. В компьютер, выполняющий роль моста или маршрутизатора, устанавливается по одному сетевому адаптеру. Как правило, мост используется для объединения нескольких сетей с одинаковыми коммуникационными системами. Пакеты, поступающие на мост переадресовываются и посылаются в другую сеть по указанному адресу. Маршрутизаторы в случае надобности, преобразуют пакеты из одного формата в другой.

1. Сети  типа Ethernet 10Base2

Самый простой и дешевый способ построения локальной сети, пригодный для  объединения в сеть 10-20 компьютеров  – это соединение их с помощью  тонкого кабеля. Ethernet (Ethernet 10Base2). Для  этого вдоль всех соединяемых  в сеть компьютеров прокладывают специальный тонкий коаксиальный кабель толщиной с карандаш. Затем этот кабель разрезают у каждого компьютера и в каждый разрез вставляют Т-образный соединитель. Третий конец соединителя (ножку буквы “Т”) вставляют в разъем сетевого контроллера на задней стенке компьютера. В результате компьютеры оказываются как бы навешанными на сетевой кабель, как лампочки в гирлянде на новогодней елке. На концах этой «гирлянды» вставляют специальные заглушки-терминаторы. длина этой гирлянды может быть до 200 м – отсюда цифра 2 в названии 10Base-2.Номинальная пропускная способность сети-10 Мбит/с (отсюда число 10 в названии).Реальная пропускная способность- около 4-5 Мбит/с.

2. Недостатки  сетей типа Ethernet 10Base2.

Способ  соединения компьютеров с помощью сети Ethernet 10Base2.

Далеко  не всегда является лучшим. Во-первых, он не очень надежен – при нарушении  любого контакта в «гирлянде» сеть как бы разбивается на два куска  или вообще перестает работать (подобно  тому, как при перегорании одной  лампочки на елочной гирлянде гаснет вся гирлянда). Во-вторых, переделка такой сети при добавлении в нее новых компьютеров весьма затруднена. В третьих, этот способом имеет множество ограничений: максимальной длины кабеля, общего числа подключенных к сети компьютеров и т.д. И в четвертых, ограничение 10 Мбит/сек. относится к суммарной пропускной способности сети, так что при пересылке больших объемов данных сеть может оказаться перегруженной. Поэтому в настоящее время большинство сетей создаются на основе специальных устройств – концентраторов (хабов) и коммутаторов.

Замечание:

Разъем  для тонкого кабеля Ethernet называется BNC, поэтому обычно обозначение BNC в характеристиках того или иного устройства значит, что это устройство может подключаться к локальной сети Ethernet 10Base2.

1. Слово «коаксиальный» означает, что кабель состоит из 2-х проводов, один из которых располагается вокруг другого, то есть является оплеткой другого. Между этими проводами и вокруг внешнего провода, разумеется имеется изоляция. Коаксиальный кабель используется, например, при подключении телевизоров к антенне.
2. Термин Ethernet обозначает тип локальных сетей, в которых все подключенные к сети устройства слышат все передаваемые по сети сигналы и могут в любой момент начать передачу данных в сеть. При этом каждый передаваемый пакет данных в сети Ethernet содержит номер устройства, которому он адресован, так что если устройство слышит чужой пакет данных, то оно его игнорирует. Для каждого пакета данных, принявшее его устройство посылает обратно подтверждение приема. А если два устройства начинают одновременно передачу данных в сеть, то они оба замолкают и возобновляют передачу через случайный период времени. Это обеспечивает устроение коллизий при передаче данных. Пока загрузка сети невелика, сеть работает достаточно эффективно. Но при большой загрузке пропускная способность сети Ethernet может заметно снизиться из-за частых коллизий при попытках передачи данных в сеть.
3. Если требуется создать сеть с длиной кабеля более 200 м., между сегментами кабеля устанавливают репитеры, которые ретранслируют и усиливают поступающие по сети сигналы. Есть и другие варианты (соединение с помощью концентратора, моста и т. д.).

3. Сети типа Ethernet 10BaseТ и 100BaseT

 Более гибкий и удобный способ построения локальных сетей – это подсоединение компьютеров к специальному прибору, называемому концентратором, или хабом. Концентратор имеет несколько (4, 6, 8, 12, 16, 24 и т.д.) портов – гнезд для подключения сетевых кабелей, посредством которых он соединяется с компьютерами (точнее, их сетевыми контроллерами) или иными сетевыми устройствами (например, другими концентраторами). Обычно для соединения концентратора и компьютеров используются кабели на витой паре – они содержат 4 (иногда 2) пары проводов, заключенных в общую оболочку, причем каждая пара проводов скручена в шнурок. Такие кабели весьма прочны и удобны в обращении. На концах кабелей устанавливаются соединители, очень похожие на соединители проводов, которыми импортные телефоны подключаются в телефонную розетку, только чуть побольше размером. Для каждого отрезка провода соединитель на одном его конце вставляется в разъем сетевого контроллера, а соединитель на другом конце  - в разъем (порт) концентратора. Таким образом, концентратор выглядит как паук, от которого тянется «паутина» – провода, соединяющие его с компьютерами сети.