Топология сетевых соединений

Под топологией (компоновкой, конфигурацией, структурой) компьютерной сети обычно понимается физическое расположение компьютеров сети друг относительно друга и способ соединения их линиями связи.

Топология определяет требования к оборудованию, тип используемого кабеля, допустимые и наиболее удобные методы управления обменом, надежность работы, возможности расширения сети. И хотя выбирать топологию пользователю сети приходится нечасто, знать об особенностях основных топологий, их достоинствах и недостатках надо.

 

Топология общая шина

Топология «шина» (или, как ее еще называют, «общая шина») в соответствии с рисунком 1 самой своей структурой предполагает идентичность сетевого оборудования компьютеров, а также равноправие всех абонентов по доступу к сети. Компьютеры в шине могут передавать информацию только по очереди, так как линия связи единственная. В противном случае передаваемая информация будет искажаться в результате наложения (конфликта, коллизии). В «общей шине» при передаче данных всегда реализуется полудуплексный режим обмена данными (Данные передаются в обоих направлениях, но по очереди, а не одновременно)

В топологии «общая шина» отсутствует явно выраженный центральный абонент, через которого передается вся информация, что увеличивает ее надежность (ведь при отказе любого центра перестает функционировать вся управляемая этим центром система). Добавление новых абонентов в шину довольно просто и обычно возможно даже во время работы сети. В большинстве случаев при использовании шины требуется минимальное количество соединительного кабеля по сравнению с другими топологиями.

Поскольку центральный абонент отсутствует, разрешение возможных конфликтов в данном случае ложится на сетевое оборудование каждого отдельного абонента. В связи с этим сетевая аппаратура при топологии шина сложнее, чем при других топологиях. Тем не менее из-за широкого распространения сетей с топологией шина (прежде всего наиболее популярной сети Ethernet) стоимость сетевого оборудования не слишком высока.

 

 

Рисунок 1 – Топология общая шина

 

Преимущества топологии общая шина:

1. Настройка является предельно простой для любого продвинутого пользователя;

2. Система достаточно просто устанавливается и при этом обуславливает минимум финансовых затрат.

3. Если топология сломана или начинает давать сбой какая-то конкретная станция в сети, все остальные продолжают работать в прежнем режиме без каких-либо проблем.

 

Недостатки:

1. Неполадки шины в любом месте (обрыв кабеля, выход из строя сетевого коннектора) приводят к неработоспособности сети;

2. Сложность поиска неисправностей в случае их возникновения;

3. Низкая производительность по сравнению в другими топологиями. Это обуславливается тем, что топология сети «общая шина» предусматривает одновременную передачу данных только с одного компьютера, а если же количество рабочих станций увеличивается, параллельно снижается производительность используемой сети;

4. Плохая масштабируемость – для добавления новых рабочих станций необходимо полностью заменять участки существующей «шины».

 

Топология звезда

Звезда — это единственная топология сети с явно выделенным центром, к которому подключаются все остальные абоненты. В соответствии с рисунком 2 обмен информацией идет исключительно через центральный компьютер, на который таким образом ложится очень большая нагрузка, поэтому ничем другим, кроме сети, он заниматься не может.

 

Рисунок 2 – топология звезда

 

Понятно, что сетевое оборудование центрального абонента должно быть существенно более сложным, чем оборудование периферийных абонентов. В тоже время говорить о равноправии всех абонентов (как в шине) в данном случае не приходится. Как правило, именно центральный компьютер является самым мощным, и именно на него возлагаются все функции по управлению обменом. Никакие конфликты в сети с топологией «звезда» в принципе невозможны, так как управление полностью централизовано.

Если говорить об устойчивости звезды к отказам компьютеров, то выход из строя периферийного компьютера никак не отражается на функционировании оставшейся части сети, зато любой отказ центрального компьютера делает сеть полностью неработоспособной. В связи с этим должны приниматься специальные меры по повышению надежности центрального компьютера и его сетевой аппаратуры

Обрыв любого кабеля или короткое замыкание в нем при топологии «звезда» нарушает обмен только с одним компьютером, а все остальные компьютеры могут нормально продолжать работу.

В отличие от шины, в звезде на каждой линии связи находятся только два абонента: центральный и один из периферийных. Чаще всего для их соединения используется две линии связи, каждая из которых передает информацию только в одном направлении, то есть на каждой линии связи имеется только один приемник и один передатчик. Это так называемая передача «точка-точка». Все это существенно упрощает сетевое оборудование по сравнению с шиной и избавляет от необходимости применения дополнительных внешних терминаторов.

Проблема затухания сигналов в линии связи также решается в «звезде» проще, чем в «шине», ведь каждый приемник всегда получает сигнал одного уровня. Предельная длина сети топологии «звезда» может быть в двое больше чем в шине, так как каждый из кабелей, соединяющий центр с периферийным абонентом, может иметь длину 1000 м.

Серьезный недостаток топологии «звезда» состоит в жестком ограничении количества абонентов. Обычно центральный абонент может обслуживать не более 8-16 периферийных абонентов. В этих пределах подключение новых абонентов довольно просто, то при их превышении оно просто невозможно. В звезде предусматривается возможность наращивания, то есть подключение вместо одного из периферийных абонентов еще одного центрального абонента (в результате получается топология из нескольких соединенных между собой звезд).

 

Преимущества топологии звезда:

1. Упрощённая система поиска и устранения поврежденной сети. Происходит это потому, что нахождение всех компьютеров в прямой зависимости от центрального аппарата помогает справиться с неработоспособностью некоторой рабочей точки на основной станции;

2. Пакеты данных не совершают свой путь в этой сетевой топологии;

3. Гарантированная надёжность и защищённость данных. Этому способствует тип передачи пакета данных через три точки: компьютер – коммуникатор – компьютер;

4. Проблемы, связанные с одним из конкретных узлов, не повлияют на производительность других, так как все компьютеры не связаны между собой;

5. Беспрепятственное добавление нового узла или замена устаревших РС.

6. Высокая расширяемость и модернизирование;

7. Этот тип топологии обладает хорошей масштабируемостью, что создаёт каждому абоненту сети необходимое качество службы. Чтобы подключить новую станцию нужно просто-напросто протянуть от сетевого коммутатора ещё один кабель;

8. Высокая продуктивность;

9. Полное отсутствие состыковок, посылаемых данных, так как данные от рабочей станции к серверу посылаются по другому каналу и не затрагивают другие станции.

Недостатки топологии звезда:

1. Основной недостаток сетевой топологии звезда – безусловная подчинённость всех узлов компьютера концентраторам.

2. Влияние количества подключений к основному сетевому узлу на размер сети.

3. Необходимость увеличения длины кабеля для прокладки сети (в сравнении с другими сетевыми топологиями)

4. Ограниченное количество сетевых рабочих станций или сегментов сети по причине ограничения числа ресурсов в центральном компьютере

5. Зависимость производительности обмена данных всей сети от производительности общего устройства. К примеру, если сервер функционирует медленно, то это может стать причиной неоперативной работы всей сети.

6. Немалая стоимость реализации, поскольку необходимо бывает много кабеля.

 

Топология кольцо

«Кольцо» — это топология, в которой каждый компьютер соединен линиями связи только с двумя другими: от одного он только получает информацию, а другому только передает. В соответствии с рисунком 3 на каждой линии связи, как и в случае звезды, работает только один передатчик и один приемник (связь типа точка-точка). Это позволяет отказаться от применения внешних терминаторов.

Важная особенность кольца состоит в том, что каждый компьютер ретранслирует (восстанавливает) приходящий к нему сигнал, то есть выступает в роли репитера, поэтому затухание сигнала во всем кольце не имеет никакого значения, важно только затухание между соседними компьютерами кольца. Если предельная длина кабеля, ограниченная затуханием, составляет Lпр, то суммарная длина кольца может достигать NLпр, где N — количество компьютеров в кольце. Полный размер сети в пределе будет NLпр/2, так как кольцо придется сложить вдвое. На практике размеры кольцевых сетей достигают десятков километров (например, в сети FDDI). Кольцо в этом отношении существенно превосходит любые другие топологии.

Четко выделенного центра при кольцевой топологии нет, все компьютеры могут быть одинаковыми и равноправными. Однако довольно часто в кольце выделяется специальный абонент, который управляет обменом или контролирует его. Понятно, что наличие такого единственного управляющего абонента снижает надежность сети, так как выход его из строя сразу же парализует весь обмен.

Строго говоря, компьютеры в кольце не являются полностью равноправными (в отличие, например, от шинной топологии). Ведь один из них обязательно получает информацию от компьютера, ведущего передачу в данный момент, раньше, а другие — позже. Именно на этой особенности топологии строятся методы управления обменом по сети, специально рассчитанные на кольцо. В таких методах право на следующую передачу (или, как еще говорят, на захват сети) переходит последовательно к следующему по кругу компьютеру. Подключение новых абонентов в кольцо выполняется достаточно просто, хотя и требует обязательной остановки работы всей сети на время подключения. Как и в случае шины, максимальное количество абонентов в кольце может быть довольно велико (до тысячи и больше). Кольцевая топология обычно обладает высокой устойчивостью к перегрузкам, обеспечивает уверенную работу с большими потоками передаваемой по сети информации, так как в ней, как правило, нет конфликтов (в отличие от шины), а также отсутствует центральный абонент (в отличие от звезды), который может быть перегружен большими потоками информации.

 

Рисунок 3 – Топология кольцо

 

Преимущества топологии кольцо:

1. Нет возможности монополизировать сеть, одним узлом т.к. все ПК имеют равный доступ к маркеру;

2. Легко контролируемая передача данных;

3. Справедливое совместное использование сети и оборудования - каждое устройство имеет доступ к маркеру в равной мере;

4. Кольцевая топология может обрабатывать большой объем трафика, поскольку данные передаются однонаправленно. Это упрощает поток данных и предотвращает перегрузку сети.

 

Недостатки топологии кольцо:

1. Низкая надежность сети, так как отказ любого компьютера влечет за собой отказ всей системы;

2. При большом количестве клиентов скорость работы в сети замедляется, так как вся информация проходит через каждый компьютер, а их возможности ограничены

3. Добавление или удаление ПК вынуждает разрывать сеть;

4. Общая производительность сети определяется производительностью самого медленного компьютера.

Ячеистая топология

Топология получается из полно-связной путем удаления некоторых связей.

Ячеистая топология допускает соединение большого количества компьютеров и характерна, как правило, для глобальных сетей. В соответствии с рисунком 4 ячеистая топология обладает высокой избыточностью и надёжностью, так как каждый компьютер в такой сети соединён с каждым другим отдельным кабелем. Сигнал от компьютера -отправителя до компьютера – получателя может проходить по разным маршрутам, поэтому разрыв кабеля не скажется на работоспособности сети. Основной недостаток – большие затраты на прокладку кабеля, что компенсируется высокой надёжностью и простотой обслуживания.

Рисунок 4 – Ячеистая топология

 

Преимущества ячеистой топологии:

1. Надёжность, при отказе отдельных каналов коммутации будет найден альтернативный путь передачи данных;

2. Высокое быстродействие, так как основной поток данных передаётся по прямым линиям.

Недостатки ячеистой топологии:

1. Стоимость монтажа и поддержания достаточно высока, т.к. несмотря на частичность сетки всё равно требуется большое количество коммутационных линий;

2. Трудность построения и коммутирования сети при большом количестве соединяемых устройств;

3. Добавление или удаление ПК вынуждает разрывать сеть;

4. Сложность настройки.

 

Топология древо

В соответствии с рисунком 5 такой тип топологии чаще всего используют при монтаже локальных сетей с небольшим количеством приборов, в основном при создании      корпоративных коммутаторов. Совмещает довольно низкую стоимость и очень хорошее быстродействие. Особенно при комбинировании различных линий передач – сочетании медных и волоконных кабельных систем, и применении управляемых коммутаторов.

Рисунок 5 – Топология дерево

 

Преимущества топологии дерево:

1. Древовидная топология очень гибкая, в ней можно легко добавлять новые узлы (компьютеры), просто подключив к ней концентратор.

2. В древовидной топологии легко контролировать и управлять большой сеткой. Кроме того, ее очень легко перенастраивать.

3. Древовидная топология очень масштабируема, потому что конечные узлы могут концентрировать в себе несколько подключений от новых узлов. Такое разветвление с каждым новых подключением множит количество потенциальных подключений.

4. Простое подключение “точка-точка” к центральному концентратору на каждом промежуточном узле соответствует узлу в шинной топологии. Фактически, в древовидной топологии каждый компьютер подключен к концентратору, а также каждая часть сети подключена к главному кабелю.

5. Доступность. Поскольку древовидная топология представляет собой большую сеть, все компьютеры будут иметь лучший доступ к сети. Это фактически делает ее наиболее эффективным способом подключения нескольких компьютеров к одному дереву.

6. В древовидной топологии другие иерархические сети не затрагиваются, если одна из них повреждена. Это делает ее очень надежной и эффективной.

7. Она также поддерживается многими аппаратными и программными поставщиками, а это означает, что компоненты, которые требуются для конфигурации и обслуживания легкодоступны на рынке.

8. Благодаря древовидной конфигурации очень легко идентифицировать конкретную систему, а также подключиться к более крупной сетке.

9. Она также позволит обмениваться информацией по крупной сети, что очень удобно для крупных корпораций.

10. Топология дерева также позволяет пользователям подключаться к нескольким серверами. Это фактически делает ее расширяемой и способной одновременно вместить множество компьютеров.

11. Поскольку древовидная топология включает несколько серверов, это поможет значительно уменьшить трафик независимо от количества компьютеров, находящихся в сети.

 

Недостатки топологии дерево:

1. Если магистраль всей сети выходит из строя, то ее отдельные части не смогут взаимодействовать друг с другом.

2. Поскольку в древовидной топологии имеется несколько точек подключения, наверняка понадобятся, большое количество длинных кабелей, а это является довольно затратно.

3. Иногда такую топологию достаточно сложно настроить. Во-первых, потому что, как правило, большая сеть подразумевает большое количество подключений, во-вторых, структура подключения в реальной жизни может быть довольно запутанной, и не всегда совпадает со схемой.

4. При такой конфигурации длина сети ограничена типом кабеля, который будет использоваться. Таким образом, потребуется использовать высококачественные кабели для расширения, иначе сигнал не будет проходить.

5. Подобные структуры нуждаются в постоянном мониторинге и обслуживании. Причина состоит в том, что большое количество точек подключения, подразумевает относительно регулярный выход из строя того или иного узла.

 

Гибридная топология звезда-шина

Звезда-шина в соответствии с рисунком 6 – это комбинация топологий «шина» и «звезда». 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. 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.

Рисунок 6 – Гибридная топология звезда-шина

Преимущество топологии звезда-шина:

1. Настройка является предельно простой для любого продвинутого пользователя;

2. Достаточно простая установка системы и при этом минимум финансовых затрат, если все рабочие станции располагаются на небольшом расстоянии друг от друга;

3. При неисправности или наличии сбоев на какой-то конкретной рабочей станции в сети, все остальные рабочие станции продолжают спокойно выполнять поставленные им задачи без каких-либо осложнений;

4. Отсутствие столкновения передаваемых данных, так как данные между рабочей станцией и сервером передаются по отдельному каналу, не затрагивая другие компьютеры;

5. Высокое быстродействие сети, так как общая производительность сети зависит только от производительности центрального узла;

6. Упрощённая система поиска и устранения поврежденной сети. Происходит это потому, что нахождение всех компьютеров в прямой зависимости от центрального аппарата помогает справиться с неработоспособностью некоторой рабочей точки на основной станции;

7. Гарантированная надёжность и защищённость данных. Этому способствует тип передачи пакета данных через три точки: компьютер – коммуникатор – компьютер;

8. Беспрепятственное добавление нового узла или замена устаревших РС;

9. Высокая расширяемость и модернизированние.

10. Этот тип топологии обладает хорошей масштабируемостью, что создаёт каждому абоненту сети необходимое качество службы. Чтобы подключить новую станцию нужно просто-напросто протянуть от сетевого коммутатора ещё один кабель.

11. Высокая продуктивность.

 

Недостатки топологии звезда-шина:

1. Если в линии связи между коммутаторами или в «шине» возникает неполадка, то обе части сети или «шина» не смогут вести обмен данными друг с другом т.е. надёжность сети достаточно сомнительная;

2. Низкая производительность топологии «шина». Это обуславливается тем, что топология сети «шина» предусматривает одновременную передачу данных только с одного компьютера, а если же количество рабочих станций увеличивается, параллельно снижается производительность используемой сети;

3. У топологии «шина» достаточно проблемы с масштабируемостью, которая связана с условием для добавления новых станций;

4. Сложность поиска неисправностей в случае их возникновения т.к. придётся проверять сразу 2 топологии и связь между двумя коммутаторами для выявления неисправности;

5. Основной недостаток сетевой топологии звезда – безусловная подчинённость всех узлов компьютера концентраторам;

6. Влияние количества подключений к основному сетевому узлу на размер сети.

7. Необходимость увеличения длины кабеля для прокладки сети (в сравнении с другими сетевыми топологиями);

8. Ограниченное количество сетевых рабочих станций или сегментов сети по причине ограничения числа ресурсов в центральном компьютере;

9. Выход из строя центрального узла в топологии «звезда» повлечёт прекращение работы всей топологии «звезда»;

10. Зависимость производительности обмена данных всей сети от производительности общего устройства. К примеру, если сервер функционирует медленно, то это может стать причиной неоперативной работы всей сети;

11. Немалая стоимость реализации, поскольку необходимо бывает много кабеля.