Топології зв’язків у локальних мережах

Під топологією мережі розуміють конфігурацію графа вершинами котрого є кінцеві вузли мережі (комп’ютери) та комунікаційне обладнання (мости, маршрутизатори і ін.), а ребрами – електричні та інформаційні зв’язки між ними.

Від вибору топології суттєво залежать характеристики мережі. Наприклад, наявність між двома вузлами декількох шляхів підвищує надійність мережі і дозволяє балансувати завантаження каналів. Однак економічні розрахунки часто приводять до вибору топологій із мінімальною кількістю зв’язків.

Всю множину можливих конфігурацій ділять на повнозв’язні і неповнозв’язні.

Повнозв’язна топологія (рис.2.а) відповідає мережі, в якій кожен комп’ютер безпосередньо зв’язаний із всіма іншими. Ця топологія застосовується рідко із-за апаратурної складності: для зв’язку N вузлів вимагається N*(N-1) дуплексних ліній зв’язку.

 

Рис. 2. Типові топології мереж

 

Всі інші варіанти засновані на неповнозв’язних топологіях, коли для обміну даними між двома комп'ютерами може бути потрібна проміжна передача даних через інші вузли мережі.

Комірчаста топологія (mesh) утворюється із повнозв’язної шляхом видалення деяких можливих зв'язків (мал. 2.б). Комірчаста топологія допускає з'єднання великої кількості комп'ютерів і характерна, як правило, для великих мереж.

У мережах з кільцевою конфігурацією (мал. 2.е) дані передаються по кільцю від одного комп'ютера до іншого. Головною перевагою кільця є те, що воно по своїй природі має властивість резервування зв'язків. Дійсно, будь-яка пара вузлів з'єднана тут двома шляхами - по годинниковій стрілці й проти . Кільце являє собою дуже зручну конфігурацію й для організації зворотного зв'язку - дані, зробивши повний оберт, повертаються до вузла-джерела. Тому відправник може контролювати процес доставки даних адресатові. Часто ця властивість кільця використовується для тестування зв’язності мережі й пошуку вузла, що працює некоректно. У той же час у мережах з кільцевою топологією необхідно приймати спеціальні міри, щоб у випадку виходу з ладу або відключення якої-небудь станції не переривався канал зв'язку між іншими станціями кільця.

Топологія зірка (мал. 2.г) утвориться у випадку, коли кожен комп'ютер підключається окремим кабелем до загального центрального пристрою, названого концентратором. У функції концентратора входить пересилання переданої комп'ютером інформації одному або всім іншим комп'ютерам мережі. Як концентратор може виступати як комп'ютер, так і спеціалізований пристрій (багатовходовий повторювач, комутатор або маршрутизатор). До недоліків топології типу зірка відносять більш високу вартість мережевого устаткування через необхідність придбання спеціалізованого центрального пристрою. Крім того, можливості по нарощуванню кількості вузлів у мережі обмежуються кількістю портів концентратора. Іноді має сенс будувати мережу з використанням декількох концентраторів, ієрархічно з'єднаних між собою зв'язками типу зірка (мал. 2.д). Одержувану в результаті структуру називають також деревом. На сучасному етапі дерево є найпоширенішим типом топології зв'язків, як у локальних, так і глобальних мережах.

Особливим випадком зірки є конфігурація загальна шина (мал. 2.в). Тут як центральний елемент виступає пасивний кабель, до якого за схемою "монтажного АБО" підключається кілька комп'ютерів (таку ж топологію мають багато мереж, що використовують бездротовий зв'язок - роль загальної шини тут грає загальне радіосередовище). Передана інформація поширюється по кабелю й доступна одночасно всім комп'ютерам, приєднаним до цього кабелю. Основними перевагами такої схеми є її дешевина й простота нарощування - тобто приєднання нових вузлів до мережі. Найбільший недолік загальної шини полягає в її низькій надійності: будь-який дефект кабелю або якого-небудь із численних рознять повністю паралізує всю мережу. Іншим недоліком загальної шини є її невисока продуктивність, тому що при такому способі підключення в кожен момент часу тільки один комп'ютер може передавати дані по мережі, тому пропускна здатність каналу зв'язку завжди ділиться тут між всіма вузлами мережі. Донедавна загальна шина була однією із найбільш популярних топологій для локальних мереж.

У той час як невеликі мережі, як правило, мають типову топологію - зірка, кільце або загальна шина, для великих мереж характерна наявність довільних зв'язків між комп'ютерами. У таких мережах можна виділити окремі, довільно зв'язані фрагменти (підмережі), що мають типову топологію, тому їх називають мережами зі змішаною топологією.

У мережах з невеликою (10-30) кількістю комп'ютерів найчастіше використовується одна з типових топологій — загальна шина, кільце, зірка або повнозв’язна мережа. Усі перераховані топології мають властивість однорідності, тобто всі комп'ютери в такій мережі мають однакові права у відношенні доступу до інших комп'ютерів (за винятком центрального комп'ютера при з'єднанні зірка). Така однорідність структури робить простою процедуру нарощування числа комп'ютерів, полегшує обслуговування й експлуатацію мережі.

Однак при побудові великих мереж однорідна структура зв'язків перетворюється з переваги в недолік. У таких мережах використання типових структур породжує різні обмеження, найважливішими з яких є:

- обмеження на довжину зв'язку між вузлами;

- обмеження на кількість вузлів у мережі;

- обмеження на інтенсивність трафіку, породжуваного вузлами мережі.

Для зняття цих обмежень використовуються спеціальні методи структуризації мережі і спеціальне структуроутворююче устаткування — повторювачі, концентратори, мости, комутатори, маршрутизатори. Устаткування такого роду також називають комунікаційним, оскільки з його допомогою окремі сегменти мережі взаємодіють між собою.

Розрізняють топологію фізичних зв'язків (фізичну структуру мережі) і топологію логічних зв'язків (логічну структуру мережі). Конфігурація фізичних зв'язків визначається електричними з'єднаннями комп'ютерів, тут ребра графа відповідають відрізкам кабелю, що зв'язує пари вузлів. Логічні зв'язки являють собою маршрути передачі даних між вузлами мережі й утворюються шляхом відповідного настроювання комунікаційного устаткування.

У багатьох випадках фізична і логічна топології мережі збігаються. Наприклад, мережа, представлена на мал. 3.а, має фізичну топологію кільце. Комп'ютери цієї мережі одержують доступ до кабелів кільця за рахунок передачі один одному спеціального кадру — маркера, причому цей маркер також передається послідовно від комп'ютера до комп'ютера в тім же порядку, у якому комп'ютери утворять фізичне кільце, тобто комп'ютер А передає маркер комп'ютерові В, комп'ютер B — комп'ютерові С и т. д.

- Фізичне кільце

- - - Логічне кільце

Фізична загальна шина

Рис. 3.Логічна і фізична топології мережі

 

Мережа, показана на мал. 3.б, виявляє собою приклад розбіжності фізичної і логічної топологій. Фізично комп'ютери з'єднані по топології загальна шина. Доступ же до шини відбувається не по алгоритму випадкового доступу, застосовуваному в технології Ethernet, а шляхом передачі маркера в кільцевому порядку: від комп'ютера А — комп'ютерові В, від комп'ютера В — комп'ютерові С и т. д. Тут порядок передачі маркера вже не повторює фізичні зв'язки, а визначається логічним конфігуруванням драйверів мережевих адаптерів. Ніщо не заважає настроїти мережеві адаптери і їхні драйвери так, щоб комп'ютери утворили кільце в іншому порядку, наприклад: В, А, С... При цьому фізична структура мережі ніяк не змінюється.

Фізична структуризація мереж здійснюється для всіх базових технологій — Ethernet, Token Ring, FDDI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, за допомогою концентраторів. В роботі концентраторів будь-яких технологій багато загального — вони повторюють сигнали, що прийшли з одного зі своїх портів, на інших своїх портах. Різниця полягає в тому, на яких саме портах повторюються вхідні сигнали. Так, концентратор Ethernet повторює вхідні сигнали на усіх своїх портах, крім того, з якого сигнали надходять, а концентратор Token Ring повторює вхідні сигнали, що надходять з деякого порту, тільки на одному порту — на тому, до якого підключений наступний у кільці комп'ютер. Додавання в мережу концентратора завжди змінює її фізичну топологію, але при цьому залишає без зміни логічну топологію.

Фізична структуризація мережі корисна з багатьох причин, однак у ряді випадків для мереж великого і середнього розміру неможливо обійтися без логічної структуризації мережі. Найбільш важливою проблемою, що не розв'язується шляхом фізичної структуризації, залишається проблема перерозподілу трафіку між різними фізичними сегментами мережі.

У великій мережі природним чином виникає неоднорідність інформаційних потоків: мережа складається з безлічі підмереж груп, відділів, філій підприємства й інших адміністративних утворень. Найбільш інтенсивний обмін даними спостерігається між комп'ютерами, що належать до одної підмережі, і тільки невелика частина звертань відбувається до ресурсів комп'ютерів, що знаходяться поза локальними робочими групами. На інших підприємствах, особливо там, де сформовані централізовані сховища корпоративних даних, активно використовувані всіма співробітниками підприємства, спостерігається зворотна ситуація: інтенсивність зовнішніх звертань вище інтенсивності обміну між «сусідніми» машинами. Але незалежно від того, у якій пропорції розподіляються зовнішній і внутрішній трафіки, для підвищення ефективності роботи мережі неоднорідність інформаційних потоків необхідно враховувати.

Мережа з типовою топологією (шина, кільце, зірка), у якій усі фізичні сегменти розглядаються в якості одного поділюваного середовища, стає неадекватною структурі інформаційних потоків у великій мережі. Наприклад, у мережі з загальною шиною взаємодія будь-якої пари комп'ютерів займає її на увесь час обміну, тому при збільшенні числа комп'ютерів у мережі шина стає вузьким місцем. Комп'ютери одного відділу змушені чекати, коли закінчать обмін пари комп'ютерів іншого відділу, і це при тім, що необхідність у зв'язку між комп'ютерами двох різних відділів виникає набагато рідше і вимагає зовсім невеликої пропускної здатності.

Цей випадок ілюструє мал. 4.а. Тут показана мережа, побудована з використанням концентраторів. Нехай комп'ютер А, що знаходиться в одній підмережі з комп'ютером В, посилає йому дані. Незважаючи на розгалужену фізичну структуру мережі, концентратори поширюють будь-який кадр по всіх її сегментах. Тому кадр, що посилається комп'ютером А комп'ютерові В, хоча і не потрібний комп'ютерам відділів 2 і 3, відповідно до логіки роботи концентраторів надходить на ці сегменти теж. І доти, поки комп'ютер В не одержить адресований йому кадр, жоден з комп'ютерів цієї мережі не зможе передавати дані.

Така ситуація виникає через те, що логічна структура даної мережі залишилася однорідною — вона ніяк не враховує збільшення інтенсивності трафіку усередині відділу і надає всім парам комп'ютерів рівні можливості по обміну інформацією (мал. 4.б).

 

а) Фізична структуризація за допомогою концентраторів

б) Логічна структура мережі залишилася без зміни

Рис. 4.Протиріччя між логічною структурою мережі і структурою інформаційних потоків

 

Вирішення проблеми полягає у відмові від ідеї загального однорідного поділюваного середовища. Наприклад, у розглянутому вище прикладі бажано було б зробити так, щоб кадри, які передають комп'ютери відділу 1, виходили б за межі цієї частини мережі тільки в тому випадку, якщо вони спрямовані якому-небудь комп'ютерові з інших відділів. З іншого боку, у мережу кожного з відділів повинні попадати тільки ті кадри, що адресовані вузлам цієї мережі.

При такій організації роботи мережі її продуктивність істотно підвищиться, тому що комп'ютери одного відділу не будуть простоювати в той час, коли обмінюються даними комп'ютери інших відділів.

Неважко помітити, що в запропонованому рішенні ми відмовилися від ідеї загального поділюваного середовища в межах усієї мережі, хоча і залишили її в межах кожного відділу. Пропускна здатність ліній зв'язку між відділами не повинна збігатися з пропускною здатністю середовища усередині відділів. Якщо трафік між відділами складає, для прикладу, тільки 20 % від трафіка усередині відділу, то і пропускна здатність ліній зв'язку і комунікаційного устаткування, що з'єднує відділи, може бути значно нижче внутрішнього трафіка мережі відділу.

Поширення трафіка, призначеного для комп'ютерів деякого сегмента мережі, тільки в межах цього сегмента називається локалізацією трафіка. Логічна структуризація мережі — це процес розбивки мережі на сегменти з локалізованим трафіком.

Для логічної структуризації мережі використовуються такі комунікаційні пристрої, як мости, комутатори, маршрутизатори і шлюзи.

Міст (bridge) поділяє поділюване середовище передачі мережі на частині (часто називані логічними сегментами), передаючи інформацію з одного сегмента в іншій тільки в тому випадку, якщо така передача дійсно необхідна, тобто якщо адреса комп'ютера призначення належить іншій підмережі. Тим самим міст ізолює трафік однієї підмережі від трафіку іншої, підвищуючи загальну продуктивність передачі даних у мережі. Локалізація трафіку не тільки заощаджує пропускну здатність, але і зменшує можливість несанкціонованого доступу до даних, тому що кадри не виходять за межі свого сегмента і їх складніше перехопити зловмисникові.

 

Рис. 5.Логічна структуризація мережі за допомогою моста

 

На мал. 5 показана мережа, що була отримана з мережі з центральним концентратором (див. мал. 4.а) шляхом його заміни мостом. Мережі 1-го і 2-го відділів складаються з окремих логічних сегментів, а мережа відділу 3 — із двох логічних сегментів. Кожен логічний сегмент побудований на базі концентратора і має найпростішу фізичну структуру, утворену відрізками кабеля, які зв'язують комп'ютери з портами концентратора.

Мости використовують для локалізації трафіка апаратні адреси комп'ютерів. Це ускладнює розпізнавання належності того або іншого комп'ютера до визначеного логічного сегменту — сама апаратна адреса не містить ніякої інформації про це. Тому міст досить спрощено представляє розподіл мережі на сегменти — він запам'ятовує, через який порт на нього надійшов кадр даних від кожного комп'ютера мережі, і надалі передає кадри, призначені для цього комп'ютера, на цей порт. Точної топології зв'язків між логічними сегментами міст не знає. Через це застосування мостів приводить до значних обмежень на конфігурацію зв'язків мережі — сегменти повинні бути з'єднані таким чином, щоб у мережі не утворювалися замкнуті контури.,

Комутатор (switch) за принципом обробки кадрів нічим не відрізняється від моста. Основна його відмінність від моста полягає в тому, що він є свого роду комунікаційним мультипроцессором, тому що кожен його порт оснащений спеціалізованим процесором, що обробляє кадри по алгоритму моста незалежно від процесорів інших портів. За рахунок цього загальна продуктивність комутатора звичайно набагато вище продуктивності традиційного моста, що має один процесорний блок. Можна сказати, що комутатори - це мости нового покоління, що обробляють кадри в паралельному режимі.