Тема 3. Топология и способы организации ЛВС
Топологии ЛВС.
Фирмой Novell была разработана операционная система NetWare. Она может использоваться в любой распространенной в настоящее время физической структуре ЛВС: Поэтому сеть, поддерживаемая сетевой ОС NetWare, может иметь шинную, кольцевую и звездообразную топологию. Из-за большой популярности структуры сети Ethernet в дальнейшем рассматривается использование Novell NetWare для этого типа топологии.
ЛВС фирмы Novell представляет собой сеть шинной топологии, для реализации которой используется аппаратура Ethernet.
ЛВС состоит из файлового сервера и рабочих станций, включенных в сетевой сегмент. Сетевой сегмент представляет собой отрезок коаксиального кабеля с подключенными к нему компьютерами. Он может быть отдельной локальной компьютерной сетью либо частью сети. Основным типом передающей среды для ЛВС является коаксиальный кабель. Максимальная длина сетевого сегмента составляет 185 м, с помощью повторителей можно соединить до пяти сегментов. В состав одного сегмента входит до 30 рабочих станций.
В последнее время большую популярность получил вариант сети на базе витой пары проводов. Он предусматривает подключение рабочих станций к концентратору. Например, один концентратор в состоянии поддержать работу 12 станций, расположенных на расстоянии 120 метров от него. Концентраторы можно соединять каскадами, и максимальное число сегментов в одной сети может составлять 1024.
Таким образом, реализация локальной сети фирмы Novell возможна на двух типах топологии: шинной и звездообразной. За рубежом предпочтение отдается витой паре из-за дешевизны. В России используется главным образом тонкий коаксиальный кабель.
Структурные схемы ЛВС на тонком кабеле и витой паре соответственно приведены на рис. 13.
В локальной сети с централизованным управлением большую роль играет выделенный сервер, который может выполнять разные функции: файл-сервера, сервера печати, сервера баз данных и т.д.
Основным ресурсом ЛВС Novell является файловый сервер. На нем размещается сетевая операционная система, база данных и прикладные программы пользователей. Файл-сервер должен быть самым мощным компьютером в сети, так как него зависят производительность и функциональные возможности сети в целом.
Для реализации файл-сервера необходим персональный компьютер с объемом оперативной памяти не менее 8 Мбайт. Желательно, чтобы объем оперативной памяти составлял 16 ÷ 32 Мбайт с учетом возможности расширения сети. Емкость винчестера файл-сервера – главного разделяемого ресурса поддерживаемой им сети должна составлять 500-800 Мбайт.
Ввиду того, что надежность работы файл-сервера определяет надежность работы всей сети, необходимо принимать специальные меры для защиты информации на жестком диске от сбоев и потерь. Одной из таких мер является зеркальное отображение диска. К контроллеру жесткого диска файл-сервера подключаются два дисковода и информация записывается на оба диска одновременно. При отказе одного из дисководов автоматически осуществляется переход на другой. Но этот способ все же не спасает при выходе из строя контроллера.
Большую надежность обеспечивает способ дублирования дисков. В этом случае на файл-сервере устанавливаются два контроллера, каждый из которых обслуживает свой диск. Таким образом создаются два независимых канала записи на жестких дисках. Информация на обоих дисках дублируется. Поэтому при выходе из строя одного контроллера начинает работать другой. А вероятность отказа двух контроллеров
|
одновременно очень мала. Используется также включение в состав одного сетевого сегмента двух файловых серверов. Кроме того, файл-серверы подключаются к электрической сети через источник бесперебойного питания.
Необходимым ресурсом в ЛВС является также и принтер, обеспечивающий выполнение функций сетевой печати. Для этой роли можно использовать отдельный компьютер, а можно совмещать функции печати с функциями файл-сервера.
Компьютер, выполняющий функции рабочей станции, должен обеспечить пользователю возможность решение всех его прикладных задач.
Если рабочая станция ориентирована только на сетевой режим работы, то ей, в сущности, не нужны ни винчестер, ни гибкие диски. Появляется возможность использовать бездисковые рабочие станции. Операционная система на такой станции загружается дистанционно из файл-сервера под управлением постоянного запоминающего устройства, установленного в сетевой плате рабочей станции.
Бездисковые рабочие станции значительно дешевле дисковых, работа на них исключает возможность занесения в сеть вируса. В то же время в ЛВС, построенной на базе бездисковых рабочих станций, резко возрастает нагрузка на файл-сервер и исключается возможность работы на станции в автономном режиме. Вполне естественно, что требования к рабочим станциям более скромные, чем к файл-серверу. Большую часть пользователей вполне удовлетворяет объем оперативной памяти 8-16 Мбайт и винчестер 650 Мбайт.
Технические характеристики ЛВС определяются ее функциональным назначением, сложностью прикладных задач пользователей и экономическими возможностями предприятия, использующего ЛВС.
Простейшей физической средой в ЛВС, соединяющей рабочие станции, концентраторы и серверы является витая проводная пара. Ее использование снижает стоимость ЛВС, во-первых, по причине дешевизны самого носителя, а во-вторых, благодаря наличию на многих объектах резервных пар в телефонных кабелях, которые могут быть выделены для передачи данных. К недостаткам витой пары как среды передачи данных относятся плохая защищенность от электрических помех, простота несанкционированного подключения, ограничения на дальность (сотни метров и скорость передачи данных (несколько сотен килобитов в секунду)).
Единая операционная поддержка, включая метод теледоступа, предусмотрена в однородных ЛВС. Сложнее состоит дело с ЛВС, использующих ЭВМ различных классов и моделей, например, мини-ЭВМ и большие вычислительные машины.
Методы теледоступа поддерживают многоуровневые системы интерфейсов. Различают многоуровневые (модель открытых систем и двухуровневые ЛВС). К двухуровневых применяют двухуровневые терминальные комплексы со стандартными методами теледоступа (базисный телекоммуникационный метод доступа – БТМД).
Многожильные кабели значительно дороже, чем витая пара, хотя и обладают примерно такими же свойствами.
Следующей распространенной средой передачи данных в современных ЛВС является коаксиальный кабель. Он прост по конструкции, имеет небольшую массу и умеренную стоимость и в то же время обладает хорошей электрической изоляцией, допускает работу на довольно больших расстояниях (сотни метров – километры) и высоких скоростях (десятки Мегабитов в секунду).
В последнее время все большее применение находят оптоволоконные кабели (световоды), которые обладают рядом преимуществ. Они имеют небольшую массу, способны передавать информацию с очень высокой скоростью (свыше 1 Гбит/сек), невосприимчивы к электрическим помехам, сложны для несанкционированного подключения, пожаро- и взрывобезопасны. В то же время с ними связан ряд проблем: сложность технологии сращивания, возможность передачи данных только по одному направлению, высокая стоимость модемов, ослабление сигнала при подключении ответвлителей и др.
Радиосреда в ЛВС используется мало из-за экранированности зданий, ограничений организационно-юридического плана, низких скоростей передачи (до 2 Мбит/с), слабой помехозащищенности, относительно высокой стоимости оборудования и низкой защищенности от несанкционированного доступа (снятия информации). Основное достоинство радиоканала – отсутствие кабеля, возможность обслуживания мобильных станций, работа с неограниченным количеством рабочих станций.
Для передачи информации в ЛВС может также использоваться инфракрасный диапазон волн, хорошо обеспечивающих передачу цифровых сигналов в пределах одного помещения. Установленная на потолке «интеллектуальная лампочка» служит интерфейсом с сетью здания, а так же управляет сигналами на локальной «инфракрасной шине»
Средства реализации ЛВС.
Рассмотрим подробнее оборудование, используемое в локальных сетях.
Сетевые адаптеры (СА). Основные функции адаптеров и их технические характеристики определяются поддерживаемым уровнем протокола ЛВС в соответствии с архитектурой семиуровневой эталонной модели ВОС.
Адаптер (adapter) - устройство либо программа, предназначенные для согласования параметров входных и выходных сигналов в целях сопряжения объектов.
По выполняемым функциям СА разделяются на две группы:
1. Реализующие функции физического и канального уровней.
Такие адаптеры, выполненные в виде интерфейсных плат, отличаются технической простотой и невысокой стоимостью. Они применяются в сетях с простой технологией, где почти отсутствует необходимость выполнения таких функций, как маршрутизация пакетов, формирование из поступающих пактов сообщений, согласование протоколов различных сетей и др.
2. Реализующие функции первых четырех уровней модем ВОС – физического, канального, сетевого и транспортного. Эти адаптеры, кроме функций СА первой группы, могут выполнять функции маршрутизации, ретрансляции данных, формирования пакетов из передаваемого сообщения (при передаче), сборки пакетов в сообщение (при приеме), согласование протоколов передачи данных различных сетей, сокращая таким образом затраты вычислительных ресурсов ЭВМ на организацию сетевого обмена. Технически они могут быть выполнены на базе микропроцессоров. Естественно, что такие адаптеры применяются в ЛВС, где имеется необходимость в реализации перечисленных функций.
Адаптеры ориентированы на определенную архитектуру локальной сети и ее технические характеристики, поэтому по топологии ЛВС адаптеры разделяются на следующие группы: поддерживающие шинную топологию, кольцевую, звездообразную, древовидную, комбинированную (звездно-кольцевую, звездно-шинную).
Дифференциация адаптеров по выполненным функциям и ориентация их на определенную архитектуру ЛВС привели к большому многообразию типов адаптеров и разбросу их характеристик.
Концентраторы (хабы) – concentrator – устройство либо функциональный блок, у которого суммарная пропускная способность входных каналов выше пропускной способности выходного канала. Так как потоки входных данных в концентраторе больше выходного потока, то главной его задачей является концентрация данных. При этом случаются ситуации, когда число блоков данных, поступающее на входы концентратора превышает его возможности. Тогда концентратор ликвидирует часть этих блоков. Ядром концентратора является процессор. Для объединения входной информации чаще всего используется множественный доступ с разделением времени (ТДМА). TDMA – Time Division Multiple Access – множественный доступ по принципу временного мультиплексирования каналов. Функции, выполняемые концентратором, близки к задачам, возложенным на мультиплексор. Наращиваемые (модульные) концентраторы позволяют выбирать их компоненты, не думая о совместимости с уже используемыми. Современные концентраторы имеют порты для подключения к разнообразным локальным сетям. Они удобны для формирования сети произвольной топологии. Выпускается ряд типов концентраторов – пассивных и активных с автономным питанием, выполняющих роль повторителя. Они отличаются по количеству, типу и длине подключаемых кабелей и могут автоматически управлять подсоединенными сегментами (включать и выключать их в случае обнаружения сбоев и обрывов).
Концентраторы характерны практически для всех базовых технологий локальных сетей – Ethernet, Arсnet, Token Ring, FDOI, Fast Ethernet, Gigabit Ethernet, 100VG – AnyLAN.
Следует подчеркнуть, что в работе концентраторов любых технологий много общего – они повторяют сигналы, пришедшие с одного из своих портов, на других своих портах. Разница состоит в том, на каких именно портах повторяются входные сигналы. Так, концентратор Ethernet повторяет входные сигналы на всех своих портах, кроме того, с которого сигналы поступают (рис. 14а). А концентратор Token Ring (рис. 14б) повторяет входные сигналы, поступающие с некоторого порта, только на одном порту – на том, к которому подключен следующий в кольце компьютер. В качестве концентратора может выступать как компьютер, так и специализированное устройство, такое как многовходовой повторитель, коммутатор или Маршрутизатор. Повторитель, который имеет несколько портов и соединяет несколько физических сегментов, называют концентратором или хабом (hub – основа, центр деятельности), который отражает тот факт, что в данном устройстве сосредотачиваются все связи между сегментами сети.
Приемопередатчики (трансиверы) и повторители (репитеры). С помощью этих устройств можно объединить несколько сегментов сети с шинной технологией, увеличивая таким образом общую протяженность сети.
Трансивер (приемопередатчик) – (transmitter+receiver=transceiver) – это устройство, предназначенное для приема пакетов от контроллера рабочих станций и передачи их в шину. Он также разрешает коллизии в шине. Конструктивно приемопередатчик и контроллер могут объединяться на одной плате или находиться в различных узлах.
Трансивер соединяется с сетевым адаптером интерфейсным кабелем длиной 50 м. Допускается подключение к одному сегменту не более 100 трансиверов, причем расстояние между подключениями трансиверов не должно быть меньше 2,5 м.
Трансивер – это часть сетевого адаптера, которая выполняет следующие функции:
- прием и передача данных с кабеля на кабели;
- определение коллизий на кабеле;
- электрическая развязка между кабелем и остальной частью адаптера;
- защита кабеля от некорректной работы адаптера.
Репитер (повторитель) – (repeater) – устройство с автономным питанием, обеспечивающее передачу данных между сегментами определенной длины. Он служит для объединения в одну сеть нескольких сегментов кабеля и увеличения тем самым общей длины сети. Повторитель принимает сигналы из одного сегмента кабеля и побитно синхронно повторяет их в другом сегменте, улучшая форму и мощность импульсов, а также синхронизируя импульсы. Повторитель состоит из двух или нескольких трансиверов, которые присоединяются к сегментам кабеля, а также блока повторения со своим тактовым генератором.
Разрешается использовать в сети не более 4-х повторителей и, собственно, не более 5 сегментов кабеля. При максимальной длине сегмента кабеля в 500 м это дает максимальную длину сети в 2500 м. только 3 сегмента из 5 могут быть нагруженными, то есть такими, к которым подключаются конечные узлы. Между нагруженными сегментами должны быть ненагруженные сегменты, так что максимальная конфигурация сети представляет собой два нагруженных крайних сегмента, которые соединяются ненагруженными сегментами еще с одним центральным нагруженным сегментом. На рис. 15 приведена сеть Ethernet, состоящая из трех сегментов, объединенных двумя повторителями. Крайние сегменты являются нагруженными, а промежуточные – ненагруженными.
Мосты – это устройства для логической структуризации сети.
Мост (bridge) – ретрансляционная система, соединяющая два канала передачи данных. Они используются для соединения в основном идентичных сетей, имеющих некоторые физические различия на физическом и канальном уровнях. Мост делит разделяющую среду передачи сети на части (часто называемые логическими сегментами), передавая информацию из одного сегмента в другой только в том случае, если такая передача действительно необходима, то есть если адрес компьютера назначения принадлежит другой подсети. Тем самым мост изолирует трафик одной подсети от трафика другой, повышая общую производительность передачи данных в сети. Промышленностью выпускается довольно широкая номенклатура мостов.
Мосты используются для локализации трафика аппаратного адреса компьютеров. Это затрудняет распознавание принадлежности того или иного компьютера к определенному логическому сегменту - сам адрес не содержит никакой информации. Поэтому мост достаточно упрощенно представляет деление сети на сегменты – он запоминает, через какой порт на него поступает кадр данных от каждого компьютера сети, и в
дальнейшем передает кадры, предназначенные для этого компьютера, на этот порт.
На рис.16 показана логическая структуризация сети с помощью моста. Сети 1-го и 2-го отделов состоят из отдельных логических сегментов. Каждый логический сегмент построен на базе концентратора и имеет простейшую физическую структуру, образованную отрезками кабеля, связывающими компьютеры с портами концентратора.
В соответствии с базовой эталонной моделью ВОС мост описывается протоколами физического и канального уровней, над которыми располагаются канальные процессы – рис.17 (структура моста). Мост опирается на пару связанных им физических средств соединения, которые в этой модели представляют физические каналы. Мост преобразует физический (1А, 1В) и канальный (2А, 2В) уровни различных типов.
Коммутатор (switch) по принципу обработки кадров ничем не отличается от моста. Основное его отличие от моста состоит в том, что он является своего рода коммуникационным мультипроцессором, так как каждый его порт оснащен специализированным процессором, который обрабатывает кадры по алгоритму моста независимо от процессоров других портов. За счет этого общая производительность коммутаторов обычно намного выше производительности традиционного моста, имеющего один процессорный блок. Можно сказать, что коммутаторы – это мосты нового поколения, которые обрабатывают кадры в параллельном режиме. Они обладают большей пропускной способностью, что важно для интерактивного трафика между взаимодействующими рабочими станциями. В сети Ethernet коммутаторы обрабатывают полученный пакет в реальном масштабе времени, обеспечивая нужную латентность и высокую скорость коммутации.
Коммутатор локальной сети (local-area network switch) – устройство, обеспечивающее взаимодействие сегментов одной либо группы локальных сетей. Он, как и обычный коммутатор, обеспечивает взаимодействие подключенных к нему абонентов. Но в дополнение к этому он осуществляет преобразование интерфейса, если соединяются различные типы сегментов локальных сетей. В перечень функций, выполняемых коммутатором локальных сетей, входят:
- обеспечение сквозной коммутации;
- наличие средств маршрутизации;
- поддержка простого протокола управления сетью (SNMP);
- имитация моста либо маршрутизатора;
- организация виртуальных сетей;
- скоростная ретрансляция блоков данных.
Отдельные части локальной сети может соединять шлюз.
Шлюз (gateway) – ретрансляционная система, обеспечивающая взаимодействие двух информационных систем. Шлюзы применяются для различных сетей. Они дают возможность объединить сети с разными типами системного и прикладного программного обеспечения и выполняют протокольные преобразования для всех семи уровней модели ВОС, в частности, маршрутизацию пакетов, преобразование сообщения из одного формата в другой или из одной системы кодирования в другую.
Шлюз – наиболее сложная ретрансляционная система, обеспечивающая взаимодействие двух (рис.18 – структура шлюза) сетей с различными (1А-7А и 1В-7В) наборами протоколов всех семи уровней. В свою очередь наборы протоколов могут опираться на различные типы физических средств соединения. Штабели протоколов и, естественно, информационные сети объединяются в единое целое специальными прикладными процессами шлюза.
Шлюз осуществляет свои функции на уровне выше сетевого. Он не зависит от используемой передающей среды, но зависит от используемых протоколов обмена данными. Обычно шлюз выполняет преобразование между двумя протоколами. С помощью шлюзов можно подключить ЛВС к главному компьютеру или к глобальной сети.
В тех случаях, когда соединяются информационные сети, созданные по стандартам Международной организации по стандартизации (ISO), то в них часть уровней может иметь одни и те же протоколы. Ограничения, связанные с применением мостов и коммутаторов – по топологии связей, а так же ряд других причин приводят к тому, что сети соединяются с еще одним коммуникационным устройством – маршрутизатором.
Маршрутизатор (роутер) – router – ретрансляционная система, соединяющая две коммуникационные сети либо их части. Маршрутизаторы образуют логические сегменты посредством явной адресации, поскольку используют не плоские аппаратные, а составные числовые адреса. В этих адресах имеется поле номера сети, так что все компьютеры, у которых значение этого поля одинаково, принадлежат к одному сегменту, называемому в данном случае подсетью (subnet).
Маршрутизаторы более надежно и более эффективно, чем мосты, изолируют трафик отдельных частей сети друг от друга. Кроме локализации трафика маршрутизаторы выполняют еще много других полезных функций. Они могут работать в сети с замкнутыми контурами, при этом осуществляя выбор наиболее рационального маршрута из нескольких возможных.
Сеть, представленная на рис.19, отличается от сети с мостом (рис.16) тем, что между подсетями отделов 1 и 2 проложена дополнительная связь, которая может использоваться как для повышения производительности сети, так и для повышения ее надежности.
Другой очень важной функцией маршрутизаторов является их способность связывать в единую сеть подсети, построенные с использованием разных сетевых технологий, например, Ethernet и Х.25.
Маршрутизаторы устанавливают соединения на 4-м (транспортном) уровне, при этом верхние уровни сети (5-й, 6-й и 7-й) должны быть одинаковы. Каждый Маршрутизатор (рис.20) реализует протоколы физического уровня (1А, 1В), канального уровня (2А, 2В) и сетевого уровня (3А, 3В). Специальные сетевые процессы соединяют части коммутатора в единое целое. Физические, канальные и сетевые протоколы в разных сетях различны, поэтому соединение пар коммутационных сетей осуществляется через маршрутизаторы, которые при необходимости преобразуют указанные протоколы.
Маршрутизаторы обеспечивают достаточно сложный уровень сервиса: выбор наилучшего маршрута для передачи сообщения, адресованного другой сети; управление сбалансированной нагрузкой в сети путем равномерного распределения потоков данных; защиту данных; буферизацию передаваемых данных; различные протокольные преобразования.
Использование маршрутизаторов при объединении ряда небольших локальных сетей в единую сеть дает следующие преимущества (по сравнению с большой ЛВС, имеющей такое же количество абонентских систем):
- обеспечивается большая безопасность информации, циркулирующей в сети. В большой ЛВС, работающей в широковещательном режиме, информация распространяется по всей кабельной системе, поэтому несанкционированный доступ к ней проще, чем к ЛВС, образованной из нескольких небольших локальных сетей. В этом случае с помощью маршрутизаторов осуществляется межсетевая коммутация, а обычные сетевые потоки данных остаются локальными, то есть работа в широковещательном режиме возможна только в пределах небольшой ЛВС;
- повышается надежность работы сети – выход из строя одной ЛВС не отражается на работе других взаимосвязанных сетей, так как маршрутизаторы, осуществляющие множественное взаимодействие, изолируют отказавшие сети;
- увеличивается производительность в пределах каждой индивидуальной сети, входящей в состав единой сети. В каждой небольшой ЛВС имеются свои средства управления сетью, повышающие степень ее самостоятельности. Кроме того, уменьшаются нагрузки, связанные с потоком данных, генерируемых рабочими станциями;
- увеличивается диапазон действия сети – выполняя функции усилителей сигнала, маршрутизаторы устраняют ограничение по допустимой протяженности длины кабеля.
Модем ЛВС.
Модем (modem) – устройство, которое выполняет функции несущей синусоиды на передающей стороне и демодуляции на приемной стороне (модулятор-демодулятор) в аналоговых каналах связи. Модемы, обеспечивая согласование цифровых сигналов компьютера с аналоговыми сигналами телефонной линии, при передаче данных осуществляют модулирование аналоговых сигналов цифровой информацией, а при приеме – демодулирование. Главное отличие между ними – способ модуляции. Различают модемы с частотной, амплитудной и фазовой модуляцией.
В настоящее время все еще широко используются каналы, по которым передаются аналоговые сигналы. Чаще всего – каналы старой телефонной сети. Поэтому здесь между абонентскими системами, оперирующими дискретными сигналами, и аналоговыми каналами устанавливается модем (рис.21). Скорость передачи данных через модемы составляет от 300 бит/с до нескольких десятков килобит в секунду.
Существуют различные методы модуляции. При импульсно-кодовой модуляции существуют три этапа (рис.22). Сначала аналоговый сигнал «а» представляется в виде множества дискретных значений (отображений) – «б», каждое из которых называется сигналом в импульсно-амплитудной модуляции. Затем каждому сигналу в зависимости от требуемой точности преобразования присваивается определенное числовое значение в диапазоне от 1 до 128 или от 1 до 256. Этот процесс называется квантованием (оцифровыванием) – «в». Полученные числовые значения переводятся в двоичный код «г». Для отображения значений разрядов (27=128), а в диапазоне от 1 до 256 – 8 двоичных разрядов (28=256).
Модемы бывают коммутируемые и некоммутируемые, по конструктивному исполнению различают внутренние и внешние модемы, по режиму обмена данными бывают модемы с симплексной, полудуплексной и дуплексной передачей данных. Для системы передачи данных используются факс-модемы, выполняющие и функцию ответов на телефонные звонки, которые позволяют принимать сигналы, осуществлять аналого-дискретное преобразование и сохранять аудио-сообщение во внешней памяти компьютера.
Способы организации ЛВС.
Как известно, компьютеры, входящие в состав ЛВС, могут быть расположены самым случайным образом на территории, где создается вычислительная сеть. Следует иметь в виду, что для способа обращения к передающей среде и методов управления сетью небезразлично, как
 | |||
|
расположены абоненты ЭВМ. Поэтому имеет смысл рассмотреть топологию ЛВС.
Под топологией (topology) сети понимается конфигурация графа, вершинам которого соответствуют конечные узлы сети (компьютеры), а ребрам – электрические и информационные связи между ними.
Существуют два основных класса топологии вычислительных (компьютерных) сетей:
- широковещательные,
- последовательные.
В широковещательных конфигурациях каждый абонент передает сигналы, которые могут быть восприняты остальными абонентскими системами. К таким конфигурациями относятся общая шина, дерево, звезда с пассивным центром.
В последовательных конфигурациях каждый физический подуровень передает информацию только одной абонентской системе. Отсюда ясно, что широковещательные конфигурации, как правило, ЛВС с селекцией информации, а последовательные – ЛВС с маршрутизацией информации.
Любая топология сети может диктовать не только тип кабеля, но и способ его прокладки и определять метод доступа компьютера в сеть.
Топологии вычислительных (компьютерных) сетей могут быть самыми различными, но для ЛВС типичными являются три: «общая шина», «звезда» и «кольцо».
Топология «общая шина» предполагает использование одного сетевого кабеля, именуемого магистралью или сегментом, вдоль которого подключены все рабочие сети (рис.23).
Достоинствами ЛВС шинной топологии являются:
- простота расширения и используемых методов управления;
- экономный (минимальный) расход кабеля;
- недорогая и несложная в использовании среда передачи данных;
- простота системы, отсутствие необходимости в централизованном управлении.
В ЛВС с шинной топологией при передаче пакетов данных каждый компьютер адресует его конкретному компьютеру сети, передавая его по сетевому кабелю в виде электрических сигналов. Пакет в виде электрических сигналов передается по шине в обоих направлениях всем компьютерам сети. Однако информацию принимает только тот адрес, который соответствует адресу получателя, указанному в заголовке пакета. Данные в виде электрических сигналов распространяются по всей сети от одного конца кабеля к другому и, достигая его конца, поглощаются терминатором (заглушкой). Так как в каждый момент времени в сети может вести передачу только одна рабочая станция, то
 |
производительность ЛВС зависит от количества РС, подключенных к шине.
Шина – пассивная технология. Это означает, что компьютеры только «слушают» передаваемые по сети данные, но не перемещают их от отправителя к получателю, в связи с чем, выход одного компьютера из строя не скажется на работе всей сети.
Однако шинная топология ЛВС имеет и определенные недостатки:
- низкая надежность – любой дефект в кабельной сети полностью ее парализует;
- низкая производительность, так как пропускная способность канала связи определяется всеми узлами сети;
- при значительном объеме трафика уменьшается пропускная способность сети.
При топологии «звезда» все компьютеры с помощью сегментов кабеля подключаются к центральному компоненту – концентратору (рис. 24).пакеты данных от каждого компьютера направляются к центральному концентратору, который, в свою очередь, переправляет их к месту назначения.
В ЛВС с топологией типа «звезда» в центре находится пассивный соединитель или активный повторитель – достаточно простые и надежные устройства. В функции концентратора входит направление передаваемой компьютером информации одному или всем остальным компьютерам сети.
Звездообразные ЛВС обычно менее надежны, чем сети с топологией «шина», но они могут быть защищены от нарушений в кабеле с помощью центрального реле, которое отключает вышедшие из строя кабельные лучи. Основные преимущества топологии звезда:
- легко модулируются и наращиваются, добавляя новые РС;
- имеют централизованный контроль и управление;
- выход из строя РС не влияет на работу сети.
К недостаткам топологии «звезда» следует отнести:
- более высокая стоимость сетевого оборудования из-за наличия центрального устройства;
- наращивание количества узлов в сети ограничено количеством портов концентратора;
- требует большого количества кабеля для реализации сети, чем «шина» и «кольцо»;
- если выходит из строя концентратор, то нарушается работа всей сети.
При топологии «кольцо» сеть замкнута, образуя неразрывное кольцо (рис. 25), в связи с чем у кабеля канала связи не может быть свободного конца, к которому надо подключать терминатор (заглушку). Начав движение в какой-либо точке кольца, пакет данных к конце концов попадает в его начало. Из-за такой особенности данные в кольце движутся всегда в одном направлении. При перемещении кадра по кольцу каждая РС принимает кадр, анализирует его адресное поле, снимает копию кадра, если он адресован данной РС, ретранслирует кадр. Естественно, что все это замедляет передачу данных в кольце, причем длительность задержки определяется числом РС. Удаление кадра из кольца производится обычно станцией-отправителем. В этом случае кадр совершает по кольцу полный круг и возвращается к станции отправителю, которая воспринимает его как квитанцию – подтверждение получения кадра адресатом. Удаление кадра из кольца может осуществляться и станцией получателем, тогда кадр не совершает полного круга, а станция-отправитель не получает квитанцию – подтверждения.
Кольцевая структура обеспечивает довольно широкие функциональные возможности ЛВС при высокой эффективности использования моноканала, низкой стоимости, простота методов управления, возможности контроля работоспособности моноканала.
Основные достоинства топологии «кольцо» ЛВС;
- все РС имеют равный доступ;
- количество пользователей не сказывается на производительности;
- низкая стоимость;
- резервирование связи.
В отличие от пассивной топологии «шина», в «кольце» каждый компьютер выступает в роли репитера (повторителя), усиливая сигналы и передавая их следующему компьютеру.
К недостаткам кольцевой топологии ЛВС относятся;
- выход из строя одной РС выводит из строя всю сеть;
- изменение или модернизация конфигурации сети требует остановки всей сети;
- уязвимость в отношении отказов как последовательная конфигурация сети;
- слабая защищенность: данные проходят через каждый сетевой компьютер, давая возможность для перехвата информации.
Таким образом, для ЛВС можно выделить следующие характерные признаки:
- относительная простота конфигурации сети;
- использование высокоскоростных цифровых каналов передачи данных;
- высокий уровень взаимодействия пользователей сети;
- размещение сети на ограниченной территории, на которой замыкаются все основные информационные потоки;
- сравнительно невысокая стоимость сетевого оборудования, в том числе сетевых адаптеров.
Методы доступа в ЛВС.
При использовании любой топологии, когда два компьютера одновременно начнут передавать данные, в сети происходит столкновение данных (коллизия), которая препятствует правильной передачи данных по сети. Вероятность возникновения коллизии зависит от интенсивности сетевого трафика.
Для решения этой проблемы служат методы доступа – набор правил, по которым РС узнает, когда линия связи свободная и можно передавать данные. Наибольшее распространение при проектировании и построении ЛВС получили два метода:
1. Множественный метод с контролем несущей и обнаружением коллизий (CSMA/CD – Carrier-Sense Multiple Access and Collision Defection).
2. Доступ с передачей маркера.
Первый метод CSMA/CD применяется исключительно в сетях с логической общей шиной (к которым относятся и радиосети, породившие этот метод). Все компьютеры такой сети имеют непосредственный доступ к общей среде, поэтому она может быть использована для передачи данных между любыми двумя узлами сети. Одновременно все компьютеры сети имеют возможность немедленно (с учетом задержки распространения сигнала по физической среде) получить данные, которые любой из компьютеров начал передавать в общую среду. Алгоритм рабочей станции, а точнее ее сетевого адаптера при использовании метода доступа CSMA/CD заключатся в следующем:
- рабочая станция прослушивает канал, стремясь обнаружить чью-либо передачу данных;
- если слышит чью-либо передачу, ожидает ее окончания;
- если канал свободен, начинает передачу пакета;
- при обнаружении коллизии во время передачу прекращает передачу;
- через случайный промежуток времени все повторяется, то есть осуществляет переход к прослушиванию канала.
Второй метод маркерного доступа заключается в том, что пакет особого типа (маркер) перемещается по замкнутому кругу, минуя по очереди все РС пока его не получит тот, который хочет передать данные.
Метод передачи маркера широко используется в сетях магистральной (шинной), звездообразной и кольцевой топологией. Он относится к классу селективных методов: право на передачу данных станции получают в определенном порядке, задаваемом с помощью маркера, который представляет собой уникальную последовательность бит информации (уникальный кадр). Магистральные сети, использующие этот метод, называются сетями типа «маркерная шина», а кольцевые сети – сетями типа «маркерное кольцо».
В сетях типа «маркерная шина» (рис. 26) доступ к каналу обеспечивается таким образом, как если бы канал был физическим кольцом, причем допускается использование канала кольцевого (шинного, звездообразного). Маркер (управляющий кадр) содержит адресное поле, где записывается адрес станции, которой предоставляется право доступа в канал. Станция, получив маркер со своим адресом, имеет исключительное право на передачу данных (кадра) по физическому каналу. После передачи кадра станция отправляет маркер другой станции, которая является очередной по установленному порядку владения правом на передачу. Станции получают маркер в циклической последовательности, при этом в физической шине формируется так называемое логическое кольцо. Работая в режиме прослушивания работы канала, принять передаваемый кадр может только та станция, адрес которой указан в поле адреса получателя этого кадра.
Протокол типа «маркерное кольцо» применяется в сетях с кольцевой топологией, которые относятся к типу сетей с последовательной конфигурацией, где широко вещательный режим работы невозможен. В таких сетях сигналы распространяются через РС. В отличие от сетей с шинной структурой, где РС действуют только как передатчики или приемники и отказ РС не влияет на передачу данных к другим РС, то в кольцевой структуре при передаче данных все РС играют активную роль, участвуя в ретрансляции, анализе и модификации приходящих сигналов.
В протоколе «маркерное кольцо» маркер не имеет адреса. Он снабжается полем занятости, в котором записывается. Один из кодов, обозначающий состояние маркера – свободное или занятое. Если ни один из РС сети не имеет данных для передачи, свободный маркер циркулирует по кольцу, совершая однонаправленное перемещение (рис. 27). В каждой РС маркер задерживается на время, необходимое для его приема, анализа (с целью установления занятости) и ретрансляции. В выполнении этих функций задействованы кольцевые интерфейсные устройства (КИУ).
Получив свободный маркер, РС, готовая к передачи кадра с данными, меняет состояние маркера на «занятый», передает его дальше по кольцу и добавляет к нему кадр (рис. 28). Занятый маркер вместе с кадром совершает полный оборот по кольцу и возвращается к станции-отправителю. По пути станция-получатель, удостоверившись по адресной части кадра, что именно ей он адресован, снимает копию с кадра. Изменить состояние маркера снова на свободный может та РС, которая изменила его на занятое. По возвращению занятого маркера с кадром данных к РС-отправителю кадр удаляется из кольца, а состояние маркера меняется на свободное. Маркер перемещается с большой скоростью. Например, в кольце диаметром 200 м маркер может циркулировать с частотой 10.000 оборотов в секунду.