Основные топологии вычислительных сетей

По территории, где расположена локальная вычислительная сеть (ЛВС), вычислительные машины могут быть расположены самым причудливым образом. С точки зрения методов управления ЛВС взаимное расположение ЭВМ имеет большое значение.

Наиболее простым способом связи двух устройств является их непосредственное соединение физическим каналом. Такое соединение называется связью «точка-точка» (point-to-point). Соединение компьютера с периферийным устройством чаще всего представляет собой также связь «точка-точка». Для обмена данными между компьютером и периферийным устройством в компьютере предусмотрен внешний интерфейс, или порт, то есть набор проводов, соединяющих компьютер и периферийное устройство, а также набор правил обмена информацией по этим проводам. Интерфейс реализуется со стороны компьютера совокупностью аппаратных и программных средств: контроллером периферийного устройства и специальной программой, которую называют драйвером соответствующего периферийного устройства. Со стороны периферийного устройства интерфейс чаще всего реализуется аппаратным устройством управления периферийного устройства, хотя встречаются и программно-управляемые периферийные устройства.

Связь компьютеров между собой в самом простом случае может быть реализована с помощью тех же самых средств, которые используются для связи компьютера с периферией. При этом, в отличие от процедуры обмена данными компьютера с периферийным устройством, когда программа работает только с одной стороны (со стороны компьютера), происходит взаимодействие двух программ, выполняемых на каждом из компьютеров. Программа, работающая на одном компьютере, не может получить непосредственный доступ к ресурсам другого компьютера – его дискам, файлам, принтеру. Она может «попросить» об этом другую программу, выполняемую на том же компьютере, которому принадлежат эти ресурсы. Эти «просьбы» выражаются в виде сообщений, передаваемым по каналам связи между компьютерами. Сообщения могут содержать не только команды на выполнение некоторых действий, но собственно информационные данные (например, содержимое некоторого файла). Для формирования таких сообщений-запросов к удалённой машине и приёма результатов существует специализированный служебный модуль. Как уже упоминалось, такой модуль называется клиентом. На стороне же второго компьютера, участвующего в обмене данными, должна работать другая специализированная программа – сервер, постоянно ожидающая прихода запросов на удалённый доступ к файлам, расположенным на диске этого компьютера.

При соединении более чем двух компьютеров эти функции выполняются сетевой операционной системой. Это операционная система, дополненная клиентским и серверным модулями, а также средствами передачи данных между компьютерами.

Как только компьютеров становится больше двух, появляется проблема выбора конфигурации физических связей, или топологии.

Топология ЛВС — это усредненная геометрическая схема соединения узлов сети (физические связи). Компьютерная сеть рассматривается как совокупность узлов сети, а узел — это любое устройство, подключенное к передающей среде сети.

Под топологией вычислительной сети понимается конфигурация графа, вершинам которого соответствуют компьютеры сети (иногда и другое оборудование, например концентраторы), а рёбрам - физические связи между ними (отрезки кабеля, связывающие пары узлов). Заметим, что конфигурация физических связей определяется электрическими соединениями компьютеров между собой и может отличаться от конфигурации логических связей между узлами сети. Логические связи представляют собой маршруты передачи данных между узлами сети и образуются путем соответствующей настройки коммуникационного оборудования.

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. Рассмотрим некоторые, наиболее часто встречающиеся топологии.

Полносвязная топология (рис. 1, а) соответствует сети, в которой каждый компьютер сети связан со всеми остальными. Несмотря на логическую простоту, этот вариант оказывается громоздким и неэффективным. Действительно, каждый компьютер в сети должен иметь большое количество коммуникационных портов, достаточное для связи с каждым из остальных компьютеров сети. Для каждой пары компьютеров должна быть выделена отдельная электрическая линия связи. Полносвязные топологии применяются редко. Чаще этот вид топологии используется в многомашинных комплексах или глобальных сетях при небольшом количестве компьютеров.

Все другие варианты основаны на неполносвязных топологиях, когда для обмена данными между двумя компьютерами может потребоваться промежуточная передача данных через другие узлы сети.

Ячеистая топология (mesh) получается из полносвязной путём удаления некоторых возможных связей (рис. 1, б). В сети с ячеистой топологией непосредственно связываются только те компьютеры, между которыми происходит интенсивный обмен данными, а для обмена данными между компьютерами, не соединенными прямыми связями, используются транзитные передачи через промежуточные узлы. Ячеистая топология допускает соединение большого количества компьютеров и характерна, как правило, для глобальных сетей.

Общая шина (рис. 1, в) является очень распространенной (а до недавнего времени самой распространенной) топологией для локальных сетей. Её называют также шлейфовым подключением. В этом случае компьютеры подключаются к одному коаксиальному кабелю по схеме «монтажного ИЛИ». 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 разъёма редкостью не является. Другим недостатком общей шины является её 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.

Рисунок 1

Топология звезда (рис. 1, г). В этом случае каждый компьютер подключается отдельным кабелем к общему устройству, называемому концентратором, который находится в центре сети. В функции концентратора входит направление передаваемой компьютером информации одному или всем остальным компьютерам сети. В данном случае термин «концентратор» обозначает любое многовходовое устройство, способное служить центральным элементом, например коммутатор или маршрутизатор. 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 наращиванию количества узлов в сети ограничиваются количеством портов концентратора. Иногда имеет смысл строить сеть с использованием нескольких концентраторов, иерархически соединенных между собой связями типа звезда (рис. 1, д). В настоящее время иерархическая звезда является самым распространенным типом топологии связей, как в локальных, так и глобальных сетях.

В сетях с кольцевой конфигурацией (рис. 1, е) данные передаются по кольцу 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.

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 (рис. 2).

Рисунок 2