Тема 5. Топологія локальних мереж Тема 5. Топологія локальних мереж Із збільшенням кількості комп'ютерів у мережі різко зростає число можливих конфігурацій, тому постає питання вибору конфігурації фізичних зв'язків. Так, якщо три комп'ютери можна об’єднати в два способи (рис. 5.1), то для чотирьох комп'ютерів можна запропонувати вже шість різних конфігурацій (рис. 5.2). Рис. 5.1. Об’єднання трьох комп’ютерів. Рис. 5.2. Об’єднання чотирьох комп’ютерів. Топологією (компоновкою, конфігурацією, структурою) комп'ютерної мережі називають фізичне розташування комп'ютерів та способи їх об'єднання лініями зв'язку. Це конфігурація графа, вершинам якого відповідають кінцеві вузли мережі (наприклад, комп'ютери) або комунікаційне устаткування (наприклад, маршрутизатори), а ребрам — електричні чи інформаційні зв'язки між ними.^ Мережна топологія визначає вимоги до обладнання, тип використаного кабелю, методи керування обміном даними, надійність роботи, можливості розширення мережі. Від вибору топології зв'язків залежить багато характеристик мережі. Наприклад, наявність між вузлами кількох каналів підвищує надійність мережі і рівномірність завантаження окремих каналів. Простота під’єднання нових вузлів, що властива певним топологіям, робить мережу легко розширюваною. Економічні міркування часто приводять до вибору топологій, для яких характерною є мінімальна сумарна довжина ліній зв'язку. Поняття топології зв’язків відноситься, перш за все, до локальних мереж, де структуру зв'язків можна легко прослідкувати. В глобальних мережах структура зв'язків зазвичай прихована від користувачів і не є дуже важливою, оскільки кожен сеанс передачі даних може відбуватися за іншим шляхом.^ Типи мережних топологій Повнозв'язна топологія За повнозв'язної топології кожний комп'ютер мережі є безпосередньо під'єднаним до решти комп’ютерів (рис. 5.3). Рис. 5.3. Повнозв'язна топологія. Не зважаючи на логічну простоту, це варіант є громіздким і неефективним. Кожний комп'ютер в мережі повинен мати велику кількість комунікаційних портів для зв'язку з кожним з решти комп'ютерів. Для кожної пари комп'ютерів повинна бути відведена окрема фізична лінія зв'язку, в деяких випадках навіть дві, якщо неможливе використання цієї лінії для двосторонньої передачі. Повнозв'язні топології в великих мережах застосовуються рідко. Зазвичай, така топологія використовується в багатомашинних комплексах або в мережах, що об'єднують невелику кількість комп'ютерів. ^ Базові топології мережі Всі інші варіанти з’єднань засновано на неповнозв’язних топологіях, коли для обміну даними між двома комп'ютерами існує проміжна передача даних через інші вузли мережі.^ Топологія «Загальна шина» Топологія «загальна шина» своєю структурою регламентує рівноправність всіх абонентів у доступі до мережі та ідентичність мережного устаткування комп'ютерів (рис. 5.4). Рис. 5.4. Топологія «Загальна шина». В топології «загальна шина» реалізовано режим напівдуплексного обміну даними, тобто в обох напрямах, але по черзі. Якщо кілька комп'ютерів передаватимуть інформацію одночасно, вона буде спотворена в результаті накладання сигналів (конфлікту, колізії). В топології «загальна шина» немає явно вираженого центрального абоненту, через який передається вся інформація, що збільшує її надійність. Додавання нових абонентів до «загальної шини» є досить простим і це можна зробити навіть під час роботи мережі. Для використання «загальної шини» потрібно мінімальну кількість кабелю у порівнянні з іншими топологіями.Оскільки центрального абонента в такій топології не передбачено, то вирішення можливих конфліктів в даному випадку перекладається на мережне устаткування кожного окремого абонента. Тому мережне устаткування комп’ютерів при топології «загальна шина» є складнішим, ніж в інших топологіях. Із-за особливостей поширення електричних сигналів по довгих лініях зв'язку на кінцях «загальної шини» розташовують спеціальні пристрої - термінатори. Без наявності термінаторів сигнал відбивається від кінця лінії і спотворюється так, що зв'язок по мережі стає неможливим. При відмові будь-якого з комп'ютерів мережі, справні машини можуть нормально продовжувати обмін.У разі розриву або пошкодження кабелю порушується цілісність лінії зв'язку, і припиняється обмін навіть між тими комп'ютерами, які залишилися сполученими між собою (рис. 5.5). Коротке замикання в будь-якій точці кабелю «загальної шини» виводить з ладу всю мережу. Рис. 5.5. Обрив кабелю в мережі з топологією шина. При проходженні по лінії зв'язку мережі з топологією «загальна шина» інформаційні сигнали згасають, що накладає жорсткі обмеження на сумарну довжину ліній зв'язку. Для збільшення довжини мережі за топологією «загальна шина» часто використовують кілька сегментів (частини мережі, кожна з яких є «загальною шиною»), що сполучені між собою за допомогою спеціальних підсилювачів і відновників сигналів — повторювачів (repeator) (рис. 5.6). Рис. 5.6. З'єднання сегментів мережі «загальна шина» за допомогою повторювача. ^ Топологія «Зірка» Топологія «зірка» — це топологія мережі з явно виділеним центральним елементом, до якого під’єднується решта абонентів. Обмін інформацією відбувається виключно через центральний пристрій, на який припадає більше навантаження, тому, він зазвичай використовується для виконання суто мережних функцій. Зрозуміло, що мережне устаткування центрального абонента повинно бути істотно складнішим, ніж устаткування периферійних абонентів. Жодні конфлікти у мережі з топологією «зірка» в принципі є неможливими, оскільки управління цілком централізоване.Якщо говорити про стійкість «зірки» до відмов комп'ютерів, то вихід з ладу периферійного комп'ютера або його мережного устаткування жодним чином не відбивається на функціонуванні мережі, проте, будь-яка відмова центрального пристрою робить мережу цілком непрацездатною. Обрив кабелю або коротке замикання в топології «зірка» порушує обмін лише з одним комп'ютером, решта комп'ютерів може нормально продовжувати роботу.На відміну від «загальної шини», в «зірці» кожна лінія зв'язку з’єднує лише два абонента: центральний та один з периферійних. Зазвичай, для їх з'єднання використовують дві лінії зв'язку, кожна з яких передає інформацію в одному напрямку, тобто кожна лінія зв'язку містить лише один приймач і один передавач, так звана передача «точка-точка». Це істотно спрощує мережне устаткування у порівнянні з «загальною шиною» і позбавляє від необхідності застосування додаткових, зовнішніх термінаторів.Проблема загасання сигналів в лінії зв'язку вирішується в «зірці» простіше, ніж в топології «загальна шина», оскільки кожен приймач завжди отримує сигнал одного рівня. Гранична довжина мережі з топологією «зірка» може бути вдвічі більшою, ніж в «загальній шині».Серйозний недолік топології «зірка» полягає в жорсткому обмеженні кількості абонентів. Зазвичай, центральний абонент може обслуговувати не більше 16 – 32 периферійних абонентів. Розрізняють топології «пасивна зірка» та «активна зірка». В топології «пасивна зірка» в центрі мережі знаходиться спеціальний пристрій - концентратор або хаб (hub), який відновлює сигнали, що надійшли і пересилає їх у всі інші лінії зв'язку (рис. 5.7). В топології «активна зірка» центральним елементом мережі є комп’ютер (рис.5.8). Рис. 5.7. Топологія «пасивна зірка». Рис. 5.8. Топологія «активна зірка». Існує проміжний тип топології між «активною» і «пасивною зіркою». В цьому випадку концентратор не лише ретранслює сигнали, що поступають до нього, а і керує обміном даними, проте сам в обміні участі не бере.Суттєвою перевагою «зірки» (як активної, так і пасивної) є те, що всі точки під’єднання зібрано в одному місці. Це дозволяє легко контролювати роботу мережі, локалізувати несправності шляхом простого вимикання від центру тих або інших абонентів (що є неможливим, наприклад, у топології «загальна шина»), а також обмежувати доступ сторонніх осіб до важливих для мережі точок під’єднання. До периферійного комп’ютера «зірки» може під’єднуватися як один кабель (за яким відбувається передача в обох напрямках), так і два (кожен кабель передає в одному з двох протилежних напрямків).Загальним недоліком для всіх топологій типу «зірка» (як активної, так і пасивної) є значно більша, ніж в інших топологіях, витрата кабелю, що істотно впливає на вартість мережі в цілому і ускладнює прокладання кабелю.^ Топологія «Кільце» Топологія «кільце» — це топологія, в якій кожен комп'ютер з’єднано лініями зв'язку з двома іншими: від одного він отримує інформацію, а іншому передає. Кожна лінія зв'язку, як і у разі «зірки», має лише один передавач і один приймач (зв'язок типу «точка-точка»). Це дозволяє відмовитися від застосування зовнішніх термінаторів.Важливою особливістю «кільця» є те, що кожен комп'ютер відновлює (ретранслює, підсилює) сигнал, що надходить до нього, тобто виступає в ролі повторювача. Згасання сигналу у всьому «кільці» є не таким важливим, як згасання між сусідніми комп'ютерами «кільця». Розміри кільцевих мереж сягають десятків кілометрів, що істотно перевершує інші топології.Чітко виділеного центру у топології «кільце» немає, всі комп'ютери можуть бути однаковими і рівноправними. Проте, часто в «кільці» виділяється спеціальний комп’ютер, який керує обміном або контролює його. Зрозуміло, що наявність єдиного керуючого абонента, зменшує надійність мережі, оскільки його вихід з ладу відразу ж паралізує весь обмін.Під’єднання нових комп’ютерів до «кільця» відбувається досить просто, хоч і вимагає обов'язкового припинення роботи всієї мережі на час під’єднання. Як і у топології «загальна шина», максимальна кількість абонентів в «кільці» може бути достатньо великою (до тисячі і більше). Топологія «кільце» зазвичай має високу стійкість до перевантажень, забезпечує надійну роботу з великими потоками інформації, що передається по мережі, в ній, зазвичай, немає конфліктів (на відміну від «загальної шини»), а також не є обов’язковим центральний абонент (на відміну від «зірки»), який може бути перевантажений великими потоками інформації.Сигнал в «кільці» проходить послідовно через всі комп'ютери мережі, тому вихід з ладу хоча б одного з них (або ж його мережного устаткування) порушує роботу мережі в цілому. Обрив або коротке замикання в будь-якому з кабелів «кільця» також робить роботу всієї мережі неможливою. З трьох розглянутих топологій «кільце» є самим вразливим до пошкоджень кабелю, тому у топології «кільце» 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. Метою подібного рішення є збільшення вдвічі швидкості передачі інформації по мережі. При пошкодженні одного з кабелів мережа може працювати з іншим кабелем, хоча гранична швидкість буде меншою. Рис. 5.9. Мережа з двома кільцями ^ Комбіновані топології Окрім трьох розглянутих базових топологій, часто застосовується мережна топологія «дерево» (tree), яку можна розглядати як комбінацію кількох «зірок». Причому, як і у топології «зірка», «дерево» може бути активним (рис. 5.10) або пасивним (рис. 5.11). В активному дереві в центрах об'єднання кількох ліній зв'язку знаходяться центральні комп'ютери, а у пасивному — концентратори. Рис. 5.10. Топологія активне дерево. Рис. 5.11. Топологія пасивне дерево.К — концентратори Досить часто застосовуються комбіновані топології, серед яких поширеними є «зірка-шина» і «зірка-кільце». Рис. 5.12. Приклад топології «зірка-шина». В топології «зірка-шина» (star-bus) використовується комбінація «шини» і «пасивної зірки» (рис. 5.12). До концентратора під’єднуються як окремі комп'ютери, так і цілі «шинні» сегменти. В даній топології можна використати і кілька концентраторів, що об’єднуються між собою і створюють так звану магістральну, опорну шину. До кожного з концентраторів під’єднують окремі комп'ютери або шинні сегменти. В результаті виходить дерево «зірка-шина». Користувач може гнучко комбінувати переваги топологій «загальна шина» і «зірка», а також легко змінювати кількість комп'ютерів, що під’єднані до мережі. З погляду розповсюдження інформації дана топологія є рівноцінною до класичної топології «загальна шина». Рис. 5.13. Приклад топології «зірка-кільце». В топології «зірка-кільце» (star-ring) в кільце об'єднуються не самі комп'ютери, а спеціальні концентратори, до яких у свою чергу під’єднуються комп'ютери за допомогою зіркоподібних подвійних ліній зв'язку. Насправді, всі комп'ютери мережі об’єднуються у замкнуте кільце, оскільки всередині концентраторів лінії зв'язку утворюють замкнутий контур (рис. 5.13). Дана топологія надає можливість комбінувати переваги топологій «зірка» і «кільце». Наприклад, концентратори дозволяють зібрати в одне місце всі точки під’єднання кабелів мережі. Якщо говорити про поширення інформації, дана топологія є рівноцінною до класичної топології «кільце». ^ Топологія «сітка» (mesh). Тут комп'ютери об'єднані між собою не одною, а кількома лініями зв'язку, що створюють сітку. Рис. 5.14. Топологія «повна сітка». В топології «повна сітка» кожний комп'ютер безпосередньо пов'язаний з рештою комп'ютерів (рис.5.14). 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 мережного устаткування всіх комп'ютерів, тому повна сіткова топологія не набула широкого поширення. Рис. 5.15. Топологія «часткова сітка». Топологія «часткова сітка» припускає прямі зв'язки лише для найактивніших комп'ютерів, що передають максимальні об'єми інформації. Решта комп'ютерів з'єднується через проміжні вузли (рис.5.15). Сіткова топологія дозволяє обирати маршрут для доставки інформації від абонента до абонента, обходячи несправні ділянки. З одного боку, це збільшує надійність мережі, з іншого – вимагає істотного ускладнення мережного обладнання, що має вибирати маршрут. ^ Багатозначність поняття топології Топологія мережі вказує не лише на фізичне розташування комп'ютерів, але і на характер зв'язків між ними та особливості поширення сигналів по мережі. Саме характер зв'язків визначає ступінь відмовостійкості мережі, необхідну складність мережного обладнання, відповідний метод керування обміном, можливі типи середовищ передачі (ліній зв'язку), допустимий розмір мережі (довжина ліній зв'язку і кількість абонентів), необхідність узгодження представлення сигналів та багато іншого.Необхідно виділити важливі чинники, що впливають на фізичну працездатність мережі і є безпосередньо пов'язаними з вибором топології.^ Справність комп'ютерів (абонентів). В деяких випадках поламка абонента може заблокувати роботу всієї мережі, хоча, зазвичай, несправність абонента не впливає на роботу мережі в цілому, не заважає решті абонентів обмінюватися інформацією. ^ Справність мережного обладнання ( роз'єми, адаптери, концентратори тощо). Вихід з ладу мережного устаткування одного з абонентів може позначитися на всій мережі, або порушити обмін лише з одним абонентом. ^ Цілісність кабелю мережі. При обриві кабелю мережі (наприклад, внаслідок механічних пошкоджень) може припинитися обмін інформацією у всій мережі або в певній її частині. В електричних кабелях може статися коротке замикання в кабелі. ^ Обмеження довжини кабелю, що пов'язане із згасанням сигналу. Чим більшу відстань проходить сигнал, тим більше він згасає. Необхідно стежити, щоб довжина кабелю мережі не була більшою за граничну довжину Lгр, при перевищенні якої згасання стає вже неприйнятним.^ Розташування комп'ютерів мережі Фізичне розташування комп'ютерів, що об’єднані у мережу, майже не впливає на вибір топології. При любому розташуванні комп'ютерів, їх можна об'єднати за допомогою будь-якої заздалегідь вибраної топології. Рис. 5.16. Приклади використання різних топологій. Якщо комп'ютери мережі розташовані по контуру круга, вони можуть з'єднуватися за топологією «зірка» або «шина». Якщо комп'ютери розташовані навколо певного центру, їх можна об'єднати за допомогою топологій «шина» або «кільце». Якщо комп'ютери розташовані в одну лінію, їх можна об'єднати за топологією «зіркою» або «кільце», але тут довжина кабелю буде збільшеною.Отже, топологія не є основним чинником при виборі типу мережі. Значно важливішим є, наприклад, рівень стандартизації мережі, швидкість обміну, кількість абонентів, вартість устаткування, вибране програмне забезпечення. З іншого боку, певні мережі дозволяють використовувати різні топології на різних рівнях. Цей вибір цілком покладається на адміністратора та власника мережі, які повинні врахувати всі перелічені чинники. ^ Організація сумісного використання ліній зв'язку В комп’ютерних мережах використовують як індивідуальні лінії зв'язку між комп'ютерами, так роздільні (shared), коли одна лінія зв'язку між кількома комп'ютерами використовується по черзі. З'єднання кожної пари комп'ютерів окремою лінією зв'язку передбачено лише у мережах з повнозв'язною топологією. В решті топологіях неминуче виникає питання про те, як організувати сумісне використання ліній зв'язку кількома комп'ютерами мережі. У разі застосування роздільних ліній зв'язку (часто використовується також термін роздільне середовище передачі даних) виникає комплекс проблем, що пов'язані з їх сумісним використанням, який містить як суто електричні проблеми забезпечення потрібної якості сигналів при під’єднані до одного проводу кількох приймачів та передавачів, так і логічні проблеми розділення в часі доступу до цих ліній.Класичним прикладом мережі з роздільними лініями зв'язку є мережі з топологією «загальна шина», в яких один кабель спільно використовується всіма комп'ютерами мережі. Жоден з комп'ютерів мережі в принципі не може довільно, незалежно від інших комп'ютерів мережі, використовувати кабель, оскільки при одночасній передачі даних кількома вузлами сигнали накладаються і спотворюються. В топологіях «кільце» або «зірка» індивідуальне використання спільних ліній зв'язку є принципово можливим, але ці лінії часто використовують і як роздільні для всіх комп'ютерів, наприклад, лише один комп'ютер кільця має право в даний момент часу відправляти по кільцю пакети інших комп'ютерів.Всередині комп'ютера також існують проблеми розділення ліній зв'язку між різними модулями - прикладом є доступ до системної шини, яким керує або процесор, або спеціальний арбітр шини. В мережах організація сумісного доступу до ліній зв'язку має свою специфіку із-за істотно більшого часу поширення сигналів по довгих проводах, до того ж цей час для різних пар комп'ютерів може бути різним. Тому, процедури узгодження доступу до лінії зв'язку можуть займати певний проміжок часу і приводити до значних втрат продуктивності мережі.Існують різні способи вирішення задачі організації сумісного доступу до роздільних ліній зв'язку. ^ Методи доступу до роздільного середовища Роздільне середовище є загальним ресурсом для всіх вузлів мережі і для того, щоб доступитися до нього існують різні методи доступу.Метод доступу до роздільного середовища забезпечує виконання сукупності правил, за якими вузли мережі дістають доступ до ресурсу.Існують два основні типи методів доступу: Детерміновані.Недетерміновані.^ Детерміновані методи При детермінованих методах доступу роздільне середовище розподіляється між вузлами за допомогою спеціального механізму керування, що гарантує передачу даних з вузла протягом певного, достатньо малого інтервалу часу. Поширеними детермінованими методами доступу є метод суперництва і метод передачі права. ^ Метод суперництва використовується переважно в мережах з топологією «зірка». Він передбачає для всіх абонентів рівний статус в ініціативі початку передачі повідомлення. Це забезпечує високу оперативність роботи, але виникає проблема зіткнення повідомлень у роздільному середовищі. Якщо два комп’ютери мережі намагаються одночасно встановити зв'язок між собою і скеровують до роздільного середовища свої запити, то відбувається колізія. В цьому випадку відбувається скидання стану відправлення запиту на обох комп’ютерах. Згодом посилаються повторні запити, але з різною часовою затримкою для кожного абонента.^ Метод передачі права застосовується в мережах з топологією «кільце». Він заснований на передачі по мережі спеціального повідомлення - маркера. Маркер - це службове повідомлення певного формату, в яке абоненти мережі можуть поміщати свої інформаційні пакети.Маркер циркулює по кільцю, і будь-який вузол, що має дані для передачі, розміщає їх у вільний маркер, встановлює ознаку про зайнятість маркера і передає його по кільцю. Вузол-одержувач приймає повідомлення, встановлює ознаку про підтвердження прийому інформації і знов відправляє маркер у кільце.Вузол-відправник після отримання підтвердження, звільняє маркер і відправляє його у мережу. Існують методи доступу, що використовують кілька маркерів.^ Недетерміновані методи Недетерміновані (випадкові) методи доступу передбачають конкуренцію всіх вузлів мережі за право передачі бо одночасні спроби передачі з боку кількох вузлів спричиняють колізії.Найбільш поширеним недетермінованим методом доступу є множинний метод доступу з контролем поточної частоти і виявленням колізій. Він є подібним до режиму суперництва і зазвичай використовується в мережах з топологією «загальна шина». Контроль поточної частоти полягає в тому, що вузол, який має передати повідомлення, «прослуховує» роздільне середовище і чекає на його звільнення. Якщо середовище є вільним, вузол починає передачу. ^ Практичне застосування ліній зв’язку Мережа з роздільним середовищем за наявності великої кількості вузлів працюватиме завжди повільніше, ніж аналогічна мережа з індивідуальними лініями зв'язку, оскільки пропускна здатність індивідуальної лінії зв'язку дістається одному комп'ютеру, а при її сумісному використанні - поділяється на всі комп'ютери мережі.Часто з такою втратою продуктивності миряться заради збільшення економічної ефективності мережі. Не зважаючи на ці складнощі, в локальних мережах роздільні лінії зв'язку використовуються дуже часто. Цей підхід, зокрема, реалізовано в широко поширених класичних технологіях Ethernet і Token Ring.На сьогоднішній день, спостерігається тенденція відмови від роздільних середовищ передачі даних.^ Контрольні запитання Що називають топологією комп'ютерної мережі? Які особливості притаманні для повноз’язної мережі?Яким чином об’єднані комп’ютери в топології «загальна шина»?Що є центральним елементом в топологіях «активна зірка» і «пасивна зірка»?Яким чином забезпечується надійність передачі даних в топології «кільце»?Які переваги надає застосування змішаних топологій?Які чинники впливають на фізичну працездатність мережі?З яких міркувань в мережах застосовують роздільні лінії зв’язку?Яким чином організовують сумісне використання ліній зв'язку?Який метод доступу до роздільного середовища застосовано в топології «загальна шина»?