Типовые топологии вычислительных сетей (диплом)

 

Содержание
Введение 3
1 Анализ физических топологий вычислительных сетей 6
1.1 Базовые топологии вычислительных сетей 6
1.2 Прочие топологии вычислительных сетей 14
2 Анализ логических топологий вычислительный сетей 21
2.1 Кольцевая топология вычислительной сети 21
2.2 Шинная топология вычислительных сетей 27
2.3 Звездообразная топология вычислительных сетей 32
3 Особенности технологий локальных вычислительных сетей 38
3.1 Технология Ethernet 38
3.2 Технология FDDI 50
3.3 Беспроводные сети 56
Заключение 66
Список использованных источников 71
Приложения 75

 

 

Содержание

 

Введение 3
1 Анализ физических топологий вычислительных сетей 6
1.1 Базовые топологии вычислительных сетей 6
1.2 Прочие топологии вычислительных сетей 14
2 Анализ логических топологий вычислительный сетей 21
2.1 Кольцевая топология вычислительной сети 21
2.2 Шинная топология вычислительных сетей 27
2.3 Звездообразная топология вычислительных сетей 32
3 Особенности технологий локальных вычислительных сетей 38
3.1 Технология Ethernet 38
3.2 Технология FDDI 50
3.3 Беспроводные сети 56
Заключение 66
Список использованных источников 71
Приложения 75

 

Введение

Актуальность темы исследования. Среди топологий вычислительных сетей можно отметить выделить  шинные (линейные), кольцевые (петлевые),  радиальные (звездообразные), распределенные радиальные (сотовые), иерархические (древовидные), полносвязные (сетка), смешанные (гибридные) [7, c.392].

Сети с шинной топологией используют линейный моноканал передачи данных, к которому все узлы подсоединены через интерфейсные платы посредством относительно коротких соединительных линий. Данные от передающего узла сети распространяются по шине в обе стороны. Промежуточные узлы не ретранслируют поступающих сообщений. Информация поступает на все узлы, но принимает сообщение только тот, которому оно адресовано.

Шинная топология — одна из наиболее простых топологий. Такую сеть легко наращивать и конфигурировать, а также адаптировать к различным системам; она устойчива к возможным неисправностям отдельных узлов. Сеть шинной топологии применяют широко известная сеть Ethernet.

В сети с кольцевой топологией все узлы соединены в единую замкнутую петлю (кольцо) каналами связи. Выход одного узла сети соединяется со входом другого. Информация по кольцу передается от узла к узлу и каждый узел ретранслирует посланное сообщение. В каждом узле для этого имеются свои интерфейсная и приемо-передающая аппаратура, позволяющая управлять прохождением данных в сети.  Ввиду своей гибкости и надежности работы сети с кольцевой топологией получили также широкое распространение на практике (например, сеть Token Ring).

Основу последовательной сети с звездообразной топологией составляет специальный компьютер — сервер, к которому подсоединяются рабочие станции, каждая по своей линии связи. Вся информация передается через центральный узел, который ретранслирует, переключает и маршрутизирует информационные потоки в сети.

Последовательные радиальные сети используются в офисах с явно выраженным централизованным управлением. Но используются и широковещательные радиальные сети с пассивным центром — вместо центрального сервера в таких сетях устанавливается коммутирующее устройство, обычно концентратор, обеспечивающий подключение одного передающего канала сразу ко всем остальным [7, c.394].

При организации компьютерной сети исключительно важным является выбор топологии, то есть компоновки сетевых устройств и кабельной инфраструктуры. Нужно выбрать такую топологию, которая обеспечила бы надежную и эффективную работу сети, удобное управление потоками сетевых данных. Желательно также, чтобы сеть по стоимости создания и сопровождения получилась недорогой, но в то же время оставались возможности для ее дальнейшего расширения и, желательно, для перехода к более высокоскоростным технологиям связи.

При этом следует различать понятия физической топологии, то есть способа размещения компьютеров, сетевого оборудования и их соединения с помощью кабельной инфраструктуры, и логической топологии — структуры взаимодействия компьютеров и характера распространения сигналов по сети. Таким образом, тема исследования является актуальной.

Степень научной разработанности проблемы. Значительная часть публикаций о компьютерных сетях и их возможностях – это переводы трудов зарубежных авторов, среди которых следует выделить фундаментальный труд Э. Таненбаума [41].

Среди отечественных авторов, труды которых пользуются заслуженным авторитетом, следует отметить В.Г. Олифер и Н.А. Олифер, фундаментальные труды которых в области компьютерных сетей и сетевых технологий сочетают ширину охвата с основательным рассмотрением деталей каждой технологии и особенностей оборудования.

Также среди отечественных авторов можно назвать таких как Бройдо В.Л.,          Виснадул Б.Д., Лупин С.А., Сидоров С.В., Чумаченко П.Ю., Заика А., Максимов Н.В., Попов И.И., Мелехин В.Ф., Павловский Е.Г.,  Родичев А.Ю.

Объект исследования. Объектом исследования являются вычислительные сети.

Предмет исследования. Предметом исследования являются топологии вычислительных сетей.

Цель исследования. Цель исследования заключается в изучении типовых топологий вычислительных сетей.

Достижение поставленной цели предполагает решение следующих задач:

- провести анализ физических топологий вычислительных сетей;

- провести анализ логических топологий вычислительный сетей;

- исследовать особенности технологий локальных вычислительных сетей.

Теоретико-методологическая основа исследования. Методология работы заключается, прежде всего, в использовании принципов системности, всесторонности и конкретности исследования, а также применении структурно-функционального подхода. Эмпирическая база работы представлена широким кругом описаний сетевых стандартов и технологий, научной литературой на тему компьютерных сетей и принципов их функционирования.

1 Анализ физических топологий вычислительных сетей

1.1 Базовые топологии вычислительных сетей

На сегодняшний день вычислительная сеть - это сложный комплекс взаимосвязанных программных и аппаратных компонентов [27, c.14]:

- компьютеров;

- коммуникационного оборудования;

- операционных систем;

- сетевых приложений.

Классический пример современной сети - локальная офисная сеть с выходом в Интернет посредством технологии ADSL. Модель данной сети изображена на рис. 1.

 

Рис.1. Модель локальной сети офиса с выходом в сеть Интернет


Для классификации компьютерных сетей используются различные признаки, но чаще всего сети делят на типы по территориальному признаку, то есть по величине территории, которую покрывает сеть.

К локальным сетям - Local Area Networks (LAN) - относят сети компьютеров, сосредоточенные на небольшой территории (обычно в радиусе не более 1-2 км). В общем случае локальная сеть представляет собой коммуникационную систему, принадлежащую одной организации.

Глобальные сети - Wide Area Networks (WAN) - объединяют территориально рассредоточенные компьютеры, которые могут находиться в различных городах и странах.

Городские сети (или сети мегаполисов) - Metropolitan Area Networks (MAN) - являются менее распространенным типом сетей. Эти сети появились сравнительно недавно. Они предназначены для обслуживания территории крупного города – мегаполиса [31, c.129].

Корпоративная сеть - сеть смешанной топологии, в которую входят несколько локальных вычислительных сетей. Корпоративная сеть — коммуникационная система, принадлежащая и/или управляемая единой организацией в соответствии с правилами этой организации.

Корпоративная сеть отличается от сети, например, Интернет провайдера тем, что правила распределения IP адресов, работы с Интернет ресурсами и т. д. едины для всей корпоративной сети, в то время как провайдер контролирует только магистральный сегмент сети, позволяя своим клиентам самостоятельно управлять их сегментами сети, которые могут являться как частью адресного пространства провайдера, так и быть скрыты механизмом сетевой трансляции адресов за одним или несколькими адресами провайдера.

При объединении в сеть большего числа компьютеров возникает целый комплекс проблем. В первую очередь необходимо выбрать способ организации физических связей, то есть топологию. Под топологией вычислительной сети понимается конфигурация графа, вершинам которого соответствуют компьютеры сети (иногда и другое оборудование, например концентраторы), а ребрам - физические связи между ними. Компьютеры, подключенные к сети, называют станциями или узлами сети [12, c.43].

Физическая топология описывает реально использующиеся способы организации физических соединений различного сетевого оборудования (использующиеся кабели, разъемы и способы подключения сетевого оборудования). Физические топологии различаются по стоимости и функциональности.

Для сетей с селекцией данных характерны широковещательные топологии. Их основные разновидности – шина, дерево, звезда с пассивным центром. Для сетей с маршрутизацией данных характерны последовательные («точка-точка») топологии: звезда с интеллектуальным центром, кольцо, цепочка, полносвязная, произвольная [17, c.96].

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. 2, а) соответствует сети, в которой каждый компьютер сети связан со всеми остальными [28, c.122].



Рис. 2. Типовые топологии сетей

Несмотря на логическую простоту, этот вариант оказывается громоздким и неэффективным, поскольку 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 путем удаления некоторых возможных связей (рис. 2, 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 [30, c.98].

Общая шина (рис. 2, в) является очень распространенной топологией для локальных сетей. 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 [8, c.122].

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.

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 между всеми узлами сети.

Топология звезда (рис. 2, г), предусматривает, что 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.

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 [28, c.125].

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. 2, 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. 2, 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 [15, c.23].

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 [6, c.236].

В таких сетях можно выделить отдельные произвольно связанные фрагменты (подсети), имеющие типовую топологию, поэтому их называют сетями со смешанной топологией (рис. 3).


Рис. 3. Смешанная топология

Только в сети с полносвязной топологией для соединения каждой пары компьютеров имеется отдельная линия связи. Во всех остальных случаях неизбежно возникает вопрос о том, как организовать совместное использование линий связи несколькими компьютерами сети. Как и всегда при разделении ресурсов, главной целью здесь является удешевление сети.

Большинство сетей ориентированы на три базовые топологии: шина, звезда, кольцо [20, c.17] (табл. 1).

Таблица 1.- Характеристики основных топологий вычислительных сетей

Характери­стики

Топология

Звезда

Кольцо

Шина

Стоимость расширения

Незначительная

Средняя

Средняя

Присоединение абонентов

Пассивное

Активное

Пассивное

Защита от от­казов

Незначительная

Незначительная

Высокая

Размеры сис­темы

Любые

Любые

Ограниченны

Защищенность от прослуши­вания

Хорошая

Хорошая

Незначительная

Стоимость подключения

Незначительная

Незначительная

Высокая

Поведение системы при высоких на­грузках

Хорошее

Удовлетворитель­ное

Плохое

Возможность работы в ре­альном режиме времени

Очень хорошая

Хорошая

Плохая

Разводка ка­беля

Хорошая

Удовлетворитель­ная

Хорошая

Обслуживание

Очень хорошее

Среднее

Среднее

Преимущества и недостатки основных топологий вычислительных сетей [35, c.72] представлены в табл. 2.

Таблица 2.- Преимущества и недостатки основных топологий вычислительных сетей

Топология

Преимущества

Недостатки

Шина

Небольшое время установки сети;

Дешевизна (требуется меньше кабеля и сетевых устройств);

Простота настройки;

Выход из строя рабочей станции не отражается на работе сети;

Любые неполадки в сети, как обрыв кабеля, выход из строя терминатора полностью уничтожают работу всей сети;

Сложная локализация неисправностей;

С добавлением новых рабочих станций падает производительность сети

Кольцо

Простота установки;

Практически полное отсутствие дополнительного оборудования;

Возможность работы на высоких скоростях, поскольку данные передаются только в одном направлении.

Выход из строя одной рабочей станции, и другие неполадки (обрыв кабеля), отражаются на работоспособности всей сети;

Сложность конфигурирования и настройки;

Сложность поиска неисправностей;

Звезда

Выход из строя одной рабочей станции не отражается на работе всей сети в целом;

Хорошая масштабируемость сети;

Лёгкий поиск неисправностей и обрывов в сети;

Высокая производительность сети

Гибкие возможности администрирования

Выход из строя центрального концентратора обернётся неработоспособностью сети в целом;

Для прокладки сети зачастую требуется больше кабеля, чем для большинства других топологий;

Конечное число рабочих станций , т.е. число рабочих станций ограничено количеством портов в центральном концентраторе;

Сравнивая основные характеристики этих топологий, можно отдать предпочтение топологии типа «звезда». В то же время, выбор топологии сети - занятие очень специфическое. Окончательное решение принимается после детального рассмотрения требований к производительности, надежности и условиям работы сети.

Шинная топология представляет собой быстрейший и про­стейший способ установки маленькой или временной сети. К недостаткам такой топологии следует отнести уязвимость при неполадках в магистральном кабеле и трудность изоляции от­дельных станций или других компонентов при неправильной ра­боте [33, c.119].

Ориентируясь на вышеизложенный материал, можно отдать предпочтение топологии типа «звезда», которая на сегодняшний день является наиболее распространенной и популярной, так как она оптимально сочетает в себе самые такие качества как производительность, невысокая цена (на «витой паре»), надежность, простота установки.

Преимущества топологии «звезда» по сравнению с «общей шиной» заключаются в более высокой надежности и отказоустойчивости локальной сети, в ней значительно реже возникают «заторы», конечное оборудование работает по «витой паре» на порядок быстрее. При этом в случае выхода из строя одного из узлов сети вся остальная система продолжает работать стабильно: полный отказ такой локальной сети происходит только при поломке концентратора.

Организация сетевой системы на основе топологии «звезда» требует значительно больших финансовых затрат, но они целиком и полностью оправдываются, когда речь заходит о необходимости обеспечить надежную связь между работающими в сети компьютерами.

1.2 Прочие топологии вычислительных сетей

На практике нередко используют и другие топологии локальных сетей, например цепочечная, полносвязная, ячеистая, комбинированная. Цепочечная топология получается из кольца при удалении одной из линий. В отличие от кольца, линии должны передавать данные в обоих направлениях.

Полносвязная топология - предельный максимальный случай, полносвязная сеть «каждый с каждым», при n участниках требует наличия n*(n-1)/2 линий передачи данных и n*(n-1) сетевых интерфейсов [36, c.202].

Выход из строя любой одной линии передачи данных (возможно, даже нескольких линий) не влияет на работу сети – можно найти другой маршрут для передачи данных. Недостаток – наибольшее среди всех топологий количество оборудования и кабелей.

Произвольная топология - топология, получаемая из полносвязной удалением одной или нескольких линий. Единственное ограничение – полученная сеть должна быть связанной. Такая топология позволяет обеспечить высокую надежность связи (за счет нескольких возможных путей передачи данных) там, где это нужно, не расходуя лишние средства на оборудование и кабель там, где этого не требуется.

Довольно часто применяются и комбинированные топологии, среди которых наибольшее распространение получили звездно-шинная.

В звездно-шинной (star-bus) топологии используется комбинация шины и пассивной звезды. В этом случае к концентратору подключаются как отдельные компьютеры, так и целые шинные сегменты, то есть на самом деле реализуется физическая топология «шина», включающая все компьютеры сети. В данной топологии может использоваться и несколько концентраторов, соединенных между собой и образующих так называемую магистральную, опорную шину [41, c.55].

К каждому из концентраторов при этом подключаются отдельные компьютеры или шинные сегменты. Таким образом, пользователь получает возможность гибко комбинировать преимущества шинной и звездной топологий, а также легко изменять количество компьютеров, подключенных к сети.

В случае звездно-кольцевой (star-ring) топологии в кольцо объединяются не сами компьютеры, а специальные концентраторы, к которым в свою очередь подключаются компьютеры с помощью звездообразных двойных линий связи.

В действительности все компьютеры сети включаются в замкнутое кольцо, так как внутри концентраторов все линии связи образуют замкнутый контур. Данная топология позволяет комбинировать преимущества звездной и кольцевой топологий. Например, концентраторы позволяют собрать в одно место все точки подключения кабелей сети.

Реальные компьютерные сети постоянно расширяются и модернизируются. Поэтому почти всегда такая сеть является гибридной, т. е. ее топология представляет собой комбинацию нескольких базовых топологий. Легко представить себе гибридные топологии, являющиеся комбинацией «звезды» и «шины», либо «кольца» и «звезды» [39, c.273].

Однако особо следует выделить топологию «дерево» (tree), которую можно рассматривать как объединение нескольких «звезд» (рис. 4).

Рис. 4. Сеть с топологией «дерево»

Именно эта топология сегодня является наиболее популярной при построении локальных сетей.

Следует упомянуть о сетчатой, или сеточной (mesh) топологии, в которой все либо многие компьютеры и другие устройства соединены друг с другом напрямую [20, c.27] (рис. 5). Такая топология исключительно надежна — при обрыве любого канала передача данных не прекращается, поскольку возможно несколько маршрутов доставки информации.

 

 

Рис. 5. Сеть с сетчатой топологией

Сеточные топологии (чаще всего не полные, а частичные) используются там, где требуется обеспечить максимальную отказоустойчивость сети, например при объединении нескольких участков сети крупного предприятия или при подключении к Интернету, хотя за это приходится платить: существенно увеличивается расход кабеля, усложняется сетевое оборудование и его настройка [42, c.93].

С сетевой топологией тесно связано понятие способа доступа к среде передачи, под которым понимается набор правил, определяющих, как именно компьютеры должны отправлять и принимать данные по сети.

Таких способов возможно несколько. Основными из них являются [23, c.112]:

- множественный доступ с контролем несущей и обнаружением столкновений;

- множественный доступ с контролем несущей и предотвращением столкновений;

- передача маркера.

При множественном доступе с контролем несущей и обнаружением столкновений (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection, CSMA/CD) все компьютеры (множественный доступ) «слушают» кабель (контроль несущей), чтобы определить, передаются по нему данные или нет. Если кабель свободен, любой компьютер может начать передачу; тогда все остальные компьютеры должны ждать, пока кабель не освободится [5, c.185].

Если компьютеры начали передачу одновременно и возникло столкновение, все они приостанавливают передачу (обнаружение столкновений), каждый — на разные промежутки времени, после чего ретранслируют данные.

Серьезным недостатком этого способа доступа является то, что при большом количестве компьютеров и высокой нагрузке на сеть число столкновений возрастает, а пропускная способность падает, иногда очень существенно.

Однако этот метод очень прост в технической реализации, поэтому именно он используется в наиболее популярной сегодня технологии Ethernet. А чтобы уменьшить количество столкновений, в современных сетях применяются такие устройства, как мосты, коммутаторы и маршрутизаторы.

Метод множественного доступа с контролем несущей и предотвращением столкновений (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance, CSMA/CA) отличается от предыдущего тем, что перед передачей данных компьютер посылает в сеть специальный небольшой пакет, сообщая остальным компьютерам о своем намерении начать трансляцию.

Так другие компьютеры «узнают» о готовящейся передаче, что позволяет избежать столкновений. Конечно, эти уведомления увеличивают общую нагрузку на сеть и снижают ее пропускную способность (из-за чего метод CSMA/CA работает медленнее, чем CSMA/CD), однако они, безусловно, необходимы для работы, например, беспроводных сетей [5, c.186].

В сетях с передачей маркера (Token Passing) от одного компьютера к другому по кольцу постоянно курсирует небольшой блок данных, называемый маркером. Если у компьютера, получившего маркер, нет информации для передачи, он просто пересылает его следующему компьютеру [10, c.78].

Если же такая информация имеется, компьютер «захватывает» маркер, дополняет его данными и отсылает все это следующему компьютеру по кругу. Такой информационный пакет передается от компьютера к компьютеру, пока не достигает станции назначения. Поскольку в момент передачи данных маркер в сети отсутствует, другие компьютеры уже не могут ничего передавать.

Поэтому в сетях с передачей маркера невозможны ни столкновения, ни временные задержки, что делает их весьма привлекательными для использования в системах автоматизации работы предприятий.

Рассмотрев наиболее часто используемые сегодня сетевые топологии и методы доступа, рассмотрим другие факторы, определяющие выбор нужного типа сети. При этом следует учитывать [47, c.144]:

- уже имеющуюся кабельную систему и оборудование — есть ли в вашем доме, школе, офисе сеть, которую нужно просто расширить, или имеются только отдельные компьютеры;

- физическое   месторасположение  —  важно учитывать, как расположены компьютеры и где планируется разместить сетевое оборудование.   Объединить  компьютеры   в  одной комнате довольно просто, однако если компьютеры располагаются на разных этажах здания или даже в нескольких зданиях, наилучшую конфигурацию сети и ее топологию следует тщательно продумать;

 

Заказать диплом

 

Добавить комментарий


Защитный код
Обновить