Материал: Лекція 1

3 Топологія локальних мереж

Під топологією (компонуванням, конфігурацією, структурою) комп'ютерної мережі звичайно розуміється фізичне розташування комп'ютерів мережі щодо один одного й спосіб з'єднання їх лініями зв'язку. Важливо відзначити, що поняття топології відноситься, насамперед, до локальних мереж, у яких структуру зв'язків можна легко простежити. У глобальних мережах структура зв'язків звичайно прихована від користувачів і не надто важлива, тому що кожен сеанс зв'язку може відбуватися по власному шляху.

Топологія визначає вимоги до встаткування, типу використовуваного кабелю, припустимі й найбільш зручні методи керування обміном, надійність роботи, можливості розширення мережі. І хоча вибирати топологію користувачеві мережі доводиться нечасто, знати про особливості основних топологій, їхніх перевагах і недоліках треба.

Існує три базові топології мережі:

• Шина (bus) - всі комп'ютери паралельно підключаються до однієї лінії зв'язку. Інформація від кожного комп'ютера одночасно передається всім іншим комп'ютерам (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Мережна топологія шина

• Зірка (star) - до одного центрального комп'ютера приєднуються інші периферійні комп'ютери, причому кожний з них використає окрему лінію зв'язку (рис. 1.6). Інформація від периферійного комп'ютера передається тільки центральному комп'ютеру, від центрального - одному або декільком периферійним.

Рис. 1.6. Мережна топологія зірка

• Кільце (ring) - комп'ютери послідовно об'єднані в кільце. Передача інформації в кільці завжди виробляється тільки в одному напрямку. Кожний з комп'ютерів передає інформацію тільки одному комп'ютеру, що випливає в ланцюжку за ним, а одержує інформацію тільки від попередні в ланцюжку комп'ютера (рис. 1.7).

Рис. 1.7. Мережна топологія кільце

На практиці нерідко використають й інші топології локальних мереж, однак більшість мереж орієнтована саме на три базові топології.

Перш ніж перейти до аналізу особливостей базових мережних топологій, необхідно виділити деякі найважливіші фактори, що впливають на фізичну працездатність мережі й безпосередньо пов'язані з поняттям топологія.

• Справність комп'ютерів (абонентів), підключених до мережі. У деяких випадках поломка абонента може заблокувати роботу всієї мережі. Іноді несправність абонента не впливає на роботу мережі в цілому, не заважає іншим абонентам обмінюватися інформацією.

• Справність мережного встаткування, тобто технічних засобів, безпосередньо підключених до мережі (адаптери, трансивери, роз’єми й т.д.). Вихід з ладу мережного встаткування одного з абонентів може позначитися на всій мережі, але може порушити обмін тільки з одним абонентом.

• Цілісність кабелю мережі. При обриві кабелю мережі (наприклад, через механічні впливи) може порушитися обмін інформацією у всій мережі або в одній з її частин. Для електричних кабелів настільки ж критично коротке замикання в кабелі.

• Обмеження довжини кабелю, пов'язане із загасанням сигналу, що поширюється по ньому. Як відомо, у будь-якому середовищі при поширенні сигнал послабляється (загасає). І чим більшу відстань проходить сигнал, тим більше він загасає (мал. 1.8). Необхідно стежити, щоб довжина кабелю мережі не була більше граничної довжини L_гр, при перевищенні якої загасання стає вже неприйнятним (приймаючий абонент не розпізнає ослабілий сигнал).

Рис. 1.8. Загасання сигналу при поширенні по мережі

3.1 Топологія шина

Топологія шина (або, як її ще називають, загальна шина) самою своєю структурою припускає ідентичність мережного встаткування комп'ютерів, а також рівноправність всіх абонентів по доступі до мережі. Комп'ютери в шині можуть передавати інформацію тільки по черзі, тому що лінія зв'язку в цьому випадку єдина. Якщо кілька комп'ютерів будуть передавати інформацію одночасно, вона спотвориться в результаті накладення (конфлікту, колізії). У шині завжди реалізується режим так званого напівдуплексного (half duplex) обміну (в обох напрямках, але по черзі, а не одночасно).

У топології шина відсутня явно виражені центральні абоненти, через якиі передається вся інформація, це збільшує її надійність (адже при відмові центра перестає функціонувати вся керована ним система). Додавання нових абонентів в шину досить просте й зазвичай можливе навіть під час роботи мережі. У більшості випадків при використанні шини потрібне мінімальна кількість сполучного кабелю в порівнянні з іншими топологіями.

Оскільки центральний абонент відсутній, дозвіл можливих конфліктів у цьому випадку лягає на мережне встаткування кожного окремого абонента. У зв'язку із цим мережна апаратура при топології шина складніша, ніж при інших топологіях. Проте через широке поширення мереж з топологією шина (насамперед найбільш популярна мережа Ethernet) вартість мережного встаткування не занадто висока.

Рис. 1.9. Обрив кабелю в мережі з топологією шина

Важлива перевага шини полягає в тому, що при відмові кожного з комп'ютерів мережі, справні машини зможуть нормально продовжувати обмін.

Здавалося б, при обриві кабелю виходять дві цілком працездатні шини (рис. 1.9). Однак треба враховувати, що через особливості поширення електричних сигналів по довгих лініях зв'язку необхідно передбачати включення на кінцях шини спеціальних пристроїв погодження - термінаторів, показаних рис. 1.5 і 1.9 у вигляді прямокутників. Без включення термінаторів сигнал відбивається від кінця лінії й спотворюється так, що зв'язок по мережі стає неможливим. У випадку розриву або ушкодження кабелю порушується узгодження лінії зв'язку, і припиняється обмін навіть між тими комп'ютерами, які залишилися з'єднаними між собою. Докладніше про узгодження буде викладено в спеціальному розділі курсу. Коротке замикання в будь-якій точці кабелю шини виводить із ладу всю мережу.

Відмова мережного встаткування будь-якого абонента в шині може вивести з ладу всю мережу. До того ж таку відмову досить важко локалізувати, оскільки всі абоненти включені паралельно, і зрозуміти, який з них вийшов з ладу, неможливо.

При проходженні по лінії зв'язку мережі з топологією шина інформаційні сигнали послабляються й ніяк не відновлюються, що накладає тверді обмеження на сумарну довжину ліній зв'язку. Причому кожен абонент може одержувати з мережі сигнали різного рівня залежно від відстані до передавального абонента. Це висуває додаткові вимоги до прийомних вузлів мережного встаткування.

Якщо прийняти, що сигнал у кабелі мережі послабляється до гранично припустимого рівня на довжині L_гр, те повна довжина шини не може перевищувати величини L_гр. У цьому випадку шина забезпечує найменшу довжину в порівнянні з іншими базовими топологіями.

Для збільшення довжини мережі з топологією шина часто використають кілька сегментів (частин мережі, кожний з яких являє собою шину), з'єднаних між собою за допомогою спеціальних підсилювачів і відновлювачів сигналів - репітерів або повторювачів (на рис. 1.10 показано з'єднання двох сегментів, гранична довжина мережі в цьому випадку зростає до 2 L_гр, тому що кожний із сегментів може бути довжиною L_гр). Однак таке нарощування довжини мережі не може тривати нескінченно. Обмеження на довжину пов'язані з кінцевою швидкістю поширення сигналів по лініях зв'язку.

Рис. 1.10. З'єднання сегментів мережі типу шина за допомогою репітера

3.2 Топологія зірка

Зірка - це єдина топологія мережі з явно виділеним центром, до якого підключаються всі інші абоненти. Обмін інформацією йде винятково через центральний комп'ютер, на який лягає більше навантаження, тому нічим іншим, крім мережі, він, як правило, займатися не може. Зрозуміло, що мережне встаткування центрального абонента повинне бути істотно більш складним, чим устаткування периферійних абонентів. Про рівноправність всіх абонентів (як у шині) у цьому випадку говорити не доводиться. Звичайно центральний комп'ютер самий потужний, саме на нього покладають всі функції по керуванню обміном. Ніякі конфлікти в мережі з топологією зірка в принципі неможливі, тому що керування повністю централізоване.

Якщо говорити про стійкість зірки до відмов комп'ютерів, то вихід з ладу периферійного комп'ютера або його мережного встаткування ніяк не відбивається на функціонуванні частини, що залишилася, зате будь-яка відмова центрального комп'ютера робить мережу повністю непрацездатною. У зв'язку із цим повинні прийматися спеціальні заходи щодо підвищення надійності центрального комп'ютера і його мережних апаратур.

Обрив кабелю або коротке замикання в ньому при топології зірка порушує обмін тільки з одним комп'ютером, а всі інші комп'ютери можуть нормально продовжувати роботу.

На відміну від шини, у зірці на кожній лінії зв'язку перебувають тільки два абоненти: центральний й один з периферійних. Найчастіше для їхнього з'єднання використається дві лінії зв'язку, кожна з яких передає інформацію в одному напрямку, тобто на кожній лінії зв'язку є тільки один приймач й один передавач. Це так звана передача точка-точка. Все це істотно спрощує мережне встаткування в порівнянні із шиною й рятує від необхідності застосування додаткових, зовнішніх термінаторів.

Проблема загасання сигналів у лінії зв'язку також вирішується в зірці простіше, ніж у випадку шини, адже кожен приймач завжди одержує сигнал одного рівня. Гранична довжина мережі з топологією зірка може бути вдвічі більше, ніж у шині (тобто 2 L_гр), тому що кожний з кабелів, що з'єднує центр із периферійним абонентом, може мати довжину L_гр.

Серйозний недолік топології зірка полягає у жорсткому обмеженні кількості абонентів. Звичайно центральний абонент може обслуговувати не більше 8 – 16 периферійних абонентів. У цих межах підключення нових абонентів досить просте, але за ними воно просто неможливе. У зірці припустиме підключення замість периферійного ще одного центрального абонента (у результаті виходить топологія з декількох з'єднаних між собою зірок).

Зірка, показана на рис. 1.6, зветься активною або справжньою зіркою. Існує також топологія, називана пасивною зіркою, що тільки зовні схожа на зірку (рис. 1.11). У цей час вона поширена набагато більш широко, ніж активна зірка. Досить сказати, що вона використається в найбільш популярній сьогодні мережі Ethernet.

У центрі мережі з даною топологією міститься не комп'ютер, а спеціальний пристрій - концентратор або, як його ще називають, хаб (hub), що виконує ту ж функцію, що й репітер, тобто відновлює прихожі сигнали й пересилає їх в усі інші лінії зв'язку.

Рис. 1.11. Топологія пасивна зірка і її еквівалентна схема

Виходить, що хоча схема прокладки кабелів подібна справжній або активній зірці, фактично мова йде про шинну топологію, тому що інформація від кожного комп'ютера одночасно передається до всіх інших комп'ютерів, а ніякого центрального абонента не існує. Безумовно, пасивна зірка дорожче звичайної шини, тому що в цьому випадку потрібно ще й концентратор. Однак вона надає цілий ряд додаткових можливостей, пов'язаних з перевагами зірки, зокрема, спрощує обслуговування й ремонт мережі. Саме тому останнім часом пасивна зірка усе більше витісняє справжю зірку, що вважається малоперспективною топологією.

Можна виділити також проміжний тип топології між активною й пасивною зіркою. У цьому випадку концентратор не тільки ретранслює поступаючі на нього сигнали, але й керує обміном, однак сам в обміні не бере участь (так зроблено в мережі 100VG-AnyLAN).