Характеристика топологий вычислительных сетей

Таблица 2.2.

Дерево образуется путем соединения нескольких шин активными повторителями или пассивными размножителями ("хабами"), каждая ветвь дерева представляет собой сегмент. Отказ одного сегмента не приводит к выходу из строя остальных. В ЛВС с топологией типа "звезда" в центре находятся пассивный соединитель или активный повторитель – достаточно простые и надежные устройства. Для защиты от нарушений в кабеле используется центральное реле, которое отличает вышедшие из строя кабельные лучи.

В последовательных конфигурациях, характерных для локальных сетей с маршрутизацией информации, передача данных осуществляется последовательно от одной рабочей станции к соседней, причем на различных участках сети могут использоваться разные виды физической передающей среды. К передатчикам и приемникам здесь предъявляются более низкие требования, чем в широковещательных конфигурациях. К последовательным конфигурациям относятся произвольная (ячеистая), иерархическая, "кольцо", "цепочка", "звезда" с интеллектуальным центром "снежинка". В локальных сетях наибольшее распространение получили "кольцо" и "звезда", а также смешанные конфигурации - звездно-кольцевая и звездно-шинная.

Концепция топологии сети в виде звезды пришла из области больших ЭВМ, в которой вся информация между двумя периферийными рабочими местами проходит через центральный узел (головную машину) вычислительной сети. Производительность вычислительной сети зависит от мощности центрального узла - файлового сервера, который может быть узким местом в вычислительной сети. Выход из строя центрального узла приводит к остановке всей сети.

При кольцевой топологии сети рабочие станции связаны одна с другой по кругу. Коммуникационная связь замыкается в кольцо. Сообщения циркулируют регулярно по кругу. Рабочая станция посылает по определенному конечному адресу информацию, предварительно получив из кольца запрос. Основная проблема 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.

При шинной топологии среда передачи информации представляется в форме коммуникационного пути, доступного для 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. 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. Наряду с известными топологиями вычислительных сетей: кольцо, звезда и шина, на практике применяется комбинированная, образуемая в виде комбинации вышеназванных топологий сетей.

Существуют различные процедуры обмена данными между рабочими станциями абонентских систем сети, реализующие те или иные методы доступа к передающей среде. Эти процедуры называются протоколами передачи данных. Для протоколов передачи данных в локальных сетях разработаны стандарты. При рассмотрении методов доступа к передающей среде выделяют:

¨ селективные методы, при реализации которых с помощью соответствующего протокола передачи данных рабочая станция осуществляет передачу только после получения разрешения, которое либо направляется каждой рабочей станции по очереди центральным управляющим органом сети (такой алгоритм называется циклическим опросом), либо передается от станции к станции (алгоритм передачи маркера);

¨ методы, основанные на соперничестве (методы случайного доступа, методы “состязаний” абонентов), когда каждая рабочая станция пытается “захватить” передающую среду. При этом могут использоваться несколько способов передачи данных: базовый асинхронный, синхронизация режима работы канала путем тактирования моментов передачи кадров, прослушивание канала перед началом передачи данных по правилу “слушай, прежде чем говорить”, прослушивание канала во время передачи данных по правилу “слушай, пока говоришь”. Эти способы используются вместе или раздельно, обеспечивая различные варианты загруженности канала и стоимости сети;

¨ методы, основанные на резервировании времени, принадлежат к числу наиболее ранних и простых. Любая рабочая станция осуществляет передачу только в течение временных интервалов (слотов), заранее для нее зарезервированных. Все слоты распределяются между станциями либо поровну (в неприоритетных системах), либо с учетом приоритетов абонентских систем, когда некоторые рабочие станции за фиксированный интервал времени получают большее число слотов. Станция, владеющая слотом, получает канал в свое полное распоряжение. Такие методы целесообразно применять в сетях с малым числом абонентских систем, т.к. канал используется неэффективно;

¨ кольцевые методы, предназначены специально для локальных сетей с кольцевой топологией (хотя большинство указанных методов могут использоваться в таких сетях). К ним относятся два метода - вставка регистров и сегментированная передача (метод временных сегментов).

При реализации методов вставки регистра рабочая станция содержит регистр (буфер), подключаемый параллельно к кольцу. В регистр записывается кадр для передачи, и станция ожидает межкадрового промежутка в моноканале. С его появлением регистр включается в кольцо (до этого он был отключен от кольца) и содержимое регистра передается в линию. Если во время передачи станция получает кадр, он записывается в буфер и передается вслед за кадром, передаваемым этой станцией. Этот метод допускает “подсадку” в кольцо нескольких кадров.

При использовании в локальных сетей с кольцевой топологией сегментированной передачи временные сегменты формируются управляющей станцией сети. Они имеют одинаковую протяженность и циркулируют по кольцу. Каждая станция, периодически обращаясь в сеть, может дождаться временного сегмента, помеченного меткой “свободный”. В этот сегмент станция помещает свой кадр фиксированной длины, при этом в сегменте метка “свободный” заменяется меткой “занятый”. После доставки кадра адресату сегмент вновь освобождается. Важным преимуществом такого метода является возможность одновременной передачи кадров несколькими рабочими станциями. Однако передача допускается только кадрами фиксированной длины.

Типичными методами доступа к передающей среде в современных локальных сетях являются: множественный доступ с контролем несущей и обнаружением конфликтов (CSMA/CD), иначе называемый методом доступа Ethernet, так как именно в этой сети получил наибольшее распространение; маркерное кольцо (метод доступа Token Ring); маркерная шина (метод доступа Arcnet). Указанные методы доступа реализованы соответственно на стандартах IEEE802.3, IEEE802.5, IEEE802.4.

Метод доступа Ethernet (метод случайного доступа) был разработан фирмой Xerox в 1975 году. Он обеспечивает высокую скорость передачи данных и надежность, и пользуется наибольшей популярностью. Для данного метода используется топология общая шина. Поэтому сообщение, отправляемое одной станцией, принимается одновременно всеми остальными станциями, подключенными к общей шине. Это метод множественного доступа с прослушиванием несущей и разрешением конфликтов (коллизий). Каждая рабочая станция перед началом передачи определяет, свободен канал или занят. Если канал свободен, рабочая станция начинает передачу данных, осуществляемую пакетами, упакованными в кадры. Из-за различных системных задержек могут возникнуть коллизии. В этом случае станция задерживает передачу на определенное время. Для каждой рабочей станции устанавливается свое время ожидания перед повторной передачей кадра. Коллизии приводят к снижению быстродействия сети только при сравнительно большом количестве активных рабочих станций (до 80-100).

Метод доступа Token-Ring был разработан фирмой IBM, характеризуется дорогим оборудованием и рассчитан на кольцевую топологию сети. Это селективный метод доступа в кольцевой моноканал, именуемый “маркерное кольцо”. В качестве маркера используется уникальная последовательность битов. Маркер не имеет адреса и может находиться в одном из двух состояний - свободном или занятом. Если ни одна рабочая станция не готова к передаче данных, свободный маркер циркулирует по кольцу. Станция, имеющая кадр для передачи, ждет подхода свободного маркера, захватывает его, изменяет состояние маркера на “занятый” и добавляет к нему кадр. Занятый маркер с кадром перемещается по кольцу и возвращается к станции - отправителю, причем при прохождении через узел назначения снимается копия кадра. Станция - отправитель удаляет свой кадр из кольца, изменяет состояние маркера на “свободный” и передает его дальше по кольцу. С этого момента любая станция может изменить состояние маркера на “занятый” и начать передачу данных. Описанная процедура характерна для сети, в которой все станции имеют одинаковый приоритет. В рамках метода “маркерное кольцо” предусматривается возможность передачи кадров станциями с учетом их приоритетов. Тогда станции с низким приоритетом могут захватывать кольцо в случае неактивности станций с более высоким приоритетом.

Метод доступа Arcnet разработан фирмой Dataрoint Corр и получил широкое распространение в 80-х годах, благодаря дешевому оборудованию. Arcnet был ориентирован на использование в локальных сетях с топологией “звезда” и “общая шина”. Это селективный метод доступа в моноканал, называемый “маркерная шина”. Маркер создается одной из станций сети и имеет адресное поле, где указывается номер (адрес) станции, владеющей маркером. Передачу производит только та станция, которая в данный момент владеет маркером (эстафетной палочкой). Остальные станции работают на прием. Последовательность передачи маркера от одной станции к другой задается управляющей станцией сети. Станции, последовательно получающие маркер для передачи кадров, образуют “логическое кольцо”. Станция, получившая маркер (полномочия на передачу информации), передает свой подготовленный кадр в шину. Если кадра для передачи нет, сразу посылает маркер другой станции согласно установленному порядку передачи полномочий. Так продолжается до тех пор, пока управляющая станция не инициирует новую последовательность передач маркера. Станция назначения, получившая маркер с кадром, “отцепляет” кадр от маркера и передает маркер той станции, которая является следующей в установленной последовательности передач. При таком методе доступа в моноканал имеется возможность обеспечить приоритетное обслуживание абонентов, например в течение одного цикла, когда маркер совершает полный оборот по “логическому кольцу”, станции с более высоким приоритетом получают маркер не один раз, а несколько.

До сих пор рассматривались протоколы передачи данных нижнего уровня, работающие на первых трех уровнях семиуровневой модели взаимодействия открытых систем и реализующие методы доступа к передающей среде. В соответствии с этими протоколами передачи данных сообщения передаются между рабочими станциями, но не решаются вопросы, связанные с сетевыми файловыми системами и переадресацией файлов. Эти протоколы не включают никаких средств обеспечения правильной последовательности приема переданных данных и средств идентификации прикладных программ, нуждающихся в обмене данными.

В отличие от протоколов нижнего уровня, обеспечивающих доступ к передающей среде, протоколы верхнего уровня[23] служат для обмена данными. Они предоставляют программным решениям интерфейс для передачи данных методом дейтаграмм, когда пакеты адресуются и передаются без подтверждения получения, и методом сеансов связи, когда устанавливается логическая связь между взаимодействующими станциями (источником и адресатом) и доставка сообщений подтверждается. В качестве примера рассмотрим протокол IPX/SPX. Этот протокол является набором протоколов IPX и SPX. Фирма Nowell в сетевой операционной системе Netware применяет протокол IPX для обмена дейтаграммами и протокол SPX для обмена в сеансах связи.

Протокол IPX используется маршрутизаторами в Netware. Он соответствует сетевому уровню модели взаимодействия открытых систем и выполняет функции адресации, маршрутизации и переадресации в процессе передачи пакетов сообщений. Несмотря на отсутствие гарантий доставки сообщений (адресат не передает отправителю подтверждения о получении сообщения) в 95% случаев не требуется повторной передачи. На уровне IPX выполняются служебные запросы к файловым серверам и каждый такой запрос требует ответа со стороны сервера. Этим и определяется надежность работы методом дейтаграмм, так как маршрутизаторы воспринимают реакцию сервера на запрос как ответ на правильно переданный пакет.

Протокол SPX работает на транспортном уровне модели взаимодействия открытых систем, но имеет и функции, свойственные протоколам сеансового уровня. Он осуществляет управление процессами установки логической связи, обмена и окончания связи между любыми двумя узлами (рабочими станциями) сети. После установления логической связи сообщения могут циркулировать в обоих направлениях с гарантией того, что пакеты передаются без ошибок. Протокол SPX гарантирует очередность приема пакетов согласно очередности отправления.

Как отмечалось выше, аппаратное обеспечение локальных сетей характеризуется сетевыми адаптерами, разъемами, кабелем. В качестве средств коммутации наиболее часто используются: витая пара проводов, коаксиальный кабель, оптоволоконный кабель. Основные показатели трех сред для передачи информации приведены в табл.2.3.