Лабораторная работа № 3 «Основные топологии компьютерных сетей»

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

1.1 Цель работы: знакомство с базовыми топологиями.

1.2 В результате выполнения лабораторной работы студент должен знать:

o Основные топологии и особенности их построения.

1.3Используемые программно-технические средства:

Персональная ЭВМ класса IBM PC стандартной конфигурации; операционная система Windows, Microsoft Office Word.

1.4 В процессе выполнения лабораторной работы студент должен:

o Ознакомится с теоретическим материалом.

o Подготовить отчет по лабораторной работе.

o Отчитаться по исполненному заданию.

1.5 Указания по оформлению отчета:

Отчет должен содержать: титульный лист, цель работы; ответы на контрольные вопросы; выводы.

Указания по сдаче зачета преподавателю

Для сдачи зачета необходимо:

1) предъявить отчет;

2) ответить на контрольные вопросы.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ

Топология сетей

При организации компьютерной сети в первую очередь необходимо выбрать способ организации физических связей, т. е. 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, часто называют станциями или узлами сети.

Заметим, что 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.

Существуют четыре основных топологии: шина (Bus), кольцо (Ring), звезда (Star) и ячеистая топология (Mesh). Другие топологии обычно являются комбинацией двух и более главных ти­пов. Выбор типа физической топологии для сети является одним из первых шагов планирования сети. Выбор топологии основывается на множестве факторов, в число которых входят цена, расстояния, вопросы безопасности, предполагаемая сетевая операционная система, а также будет ли новая сеть использовать су­ществующее оборудование, проводку и т. п.

Физическая топология «шина» (Bus), именуемая также линейной шиной (Linear Bus), состоит из единственного кабеля, к которому присоединены все компьютеры сегмента (рис. 1). Сообщения посылаются по линии всем подключенным станциям вне зависимости от того, кто является получателем. Каждый компьютер проверяет каждый пакет в проводе, чтобы определить получателя пакета. Если пакет предназначен для другой станции, компьютер отвергнет его. Соответственно, компьютер получит и обработает любой пакет на шине, адресованный ему.

Главный кабель шины, известный как магистраль (backbone), имеет на обоих концах заглушки (terminator) для предотвраще­ния отражения сигнала. Без правильно установленных заглушек работа шины будет ненадежной или вообще невозможной.

Рис. 1. Топология «шина»

 

Шинная топология представляет собой быстрейший и простейший способ установки сети. Она требует меньше оборудования и кабелей, чем другие топологии, и ее легче настраивать. Это хороший способ быстрого построения временной сети. Это обычно лучший выбор для малых сетей (не более 10 компьютеров).

Имеется несколько недостатков, о которых надо знать при решении вопроса об использовании шинной топологии для сети. Неполадки станции или другого компонента сети трудно изолировать. Кроме того, неполадки в магистральном кабеле могут привести к выходу из строя всей сети.

Топология «кольцо» (Ring) обычно используется в сетях Token Ring и FDDI (волоконно-оптических). В физической топологии Ring линия передачи данных фактически образует логическое кольцо, к которому подключены все компьютеры сети (рис. 2). В отличие от шинной топологии, которая использует конкурентную схему, чтобы позволить станциям получать доступ к сетевому носителю, доступ к носителю в кольце осуществляется посредством логических знаков — «маркеров» (token), которые пускаются по кругу от станции к станции, давая им возможность переслать пакет, если это нужно. Это дает каждому компьютеру в сети равную возможность получить доступ к носителю и, следовательно, переслать по нему данные. Компьютер может посылать данные только тогда, когда владеет маркером.

Рис. 2. Топология «кольцо»

 

Так как каждый компьютер при этой топологии является частью кольца, он имеет возможность пересылать любые полученные им пакеты данных, адресованные другой станции. Получаю­щаяся регенерация делает сигнал сильным и позволяет избежать необходимости в применении повторителей. Так как кольцо формирует бесконечный цикл, заглушки не требуются. Кольцевая топология относительно легка для установки и настройки, требуя минимального аппаратного обеспечения.

Топология физического кольца имеет несколько недостатков. Как и в случае линейной шины, неполадки на одной станции могут привести к отказу всей сети. Поддерживать логическое коль­цо трудно, особенно в больших сетях. Кроме того, в случае необходимости настройки и переконфигурации любой части сети придется временно отключить всю сеть.

Кольцевая топология даст всем компьютерам равные воз­можности доступа к сетевому носителю.

В топологии «звезда» (Star) все компьютеры в сети соединены друг с другом с помощью центрального концентратора (рис. 3). Все данные, которые посылает станция, направляются прямо на концентратор, который затем пересылает пакет в направлении получателя. Как и при шинной топологии, компьютер в сети типа «звезда» может пытаться послать данные в любой момент. Однако на деле только один компьютер может в конкретный момент времени производить посылку. Если две станции посылают сигналы на концентратор точно в одно время, обе посылки окажутся неудачными и каждому компьютеру придется подождать случайный период времени, прежде чем снова пытаться получить доступ к носителю. Сети с топологией Star обычно лучше масштабируются, чем другие типы.

Рис. 3. Топология «звезда»

 

Главное преимущество внедрения топологии «звезда» заключается в том, что в отличие от линейной шины неполадки на одной станции не выведут из строя всю сеть. В сетях с этой топологией проще находить обрывы кабеля и прочие неисправности. Это облегчает обнаружение обрыва кабеля и других неполадок. Кроме того, наличие центрального концентратора в топологии «звезда» облегчает добавление нового компьютера и реконфигурацию сети.

Топологии «звезда» присуще несколько недостатков. Во-первых, этот тип конфигурации требует больше кабеля, чем большинство других сетей, вследствие наличия отдельных линий, соединяющих каждый компьютер с концентратором. Кроме того, центральный концентратор выполняет большинство функций сети, так что выход из строя одного этого устройства отключит всю сеть.

Ячеистая топология (Mesh) соединяет все компьютеры попарно (рис. 4). Сети ячеистой топологии используют значительно большее количество кабеля, чем любая другая топология, что делает их дороже. Кроме того, такие сети значительно сложнее ус­танавливать, чем другие топологии.

Рис. 4. Ячеистая топология

 

Однако ячеистая топология устойчива к сбоям (fault tolerance). Устойчивость к сбоям заклю­чается в способности работать при наличии повреждений. В сети с поврежденным сегментом это означает обход сегмента. Каждый компьютер имеет множество возможных путей соединения с другим компьютером по сети, так что отдельный обрыв кабеля не приведет к потере соединения между любыми двумя компью­терами.

Многие организации используют комбинации главных сете­вых топологий, называемые смешанные сети.

Смешанная топология звезда на шине (Star Bus), показанная на рис. 5, объединяет топологии «шина» и «звезда». Преимущество этой топологии заключается в том, что никакие неполадки на отдельном компьютере или в сегменте не могут вывести из строя всю сеть. Также в случае неисправности отдельного концентратора не смогут взаимодействовать по сети только те компьютеры, которые присоединены к этому концентратору, а остальные компьютеры эта проблема не затронет.

Топология «звезда на кольце» (Star Ring) известна также под названием Star-wired Ring, поскольку сам концентратор выполнен как кольцо.

 

Рис. 5. Топология звезда на шине»

 

Сеть «звезда на кольце» внешне идентична топологии «звезда», но на самом деле концентратор соединен про­водами как логическое кольцо (рис. 6). Эта топология попу­лярна для сетей Token Ring, поскольку легче в реализации, чем физическое кольцо, но дает возможность посылать «токены» внутри концентратора так же, как и в случае физического коль­ца. Почти так же, как при топологии «кольцо», компьютеры имеют равный доступ к сетевому носителю за счет посылки «токенов». Повреждение отдельного компьютера не может привести к остановке всей сети, но если выходит из строя концентратор, кольцо, которым управляет концентратор, тоже отключается.

Рис. 6. Топология «звезда на кольце»

 

Реализация настоящей ячеистой топологии в крупных сетях может быть дорогой, требующей времени и непростой. Сеть «гибридной ячеистой топологии» (Hybrid Mesh) может предоста­вить некоторые из существенных преимуществ настоящей сети ячеистой топологии без необходимости использования большого количества кабеля. В большинстве крупных организаций крити­чески важные данные хранятся не на всех компьютерах сети. Вместо этого они хранятся на сетевых серверах. Компании, которые хотят обеспечить защиту от сбоев для своих сетей на уров­не кабелей, могут ограничиться только компьютерами с критически важными данными. Это означает, что ячеистая топология существует только на части сети (рис. 7). Этот тип ячеистой топологии по-прежнему обеспечивает защиту от сбоев для серве­ров с важной информацией, но не добавляет защиты для отдель­ных клиентов сети. Гибридная ячеистая топология должна сто­ить меньше, чем сеть, полностью построенная на ячеистой топо­логии, но будет не столь защищенной от сбоев.

Рис. 7. Гибридная ячеистая топология

 

Физическая структуризация сети полезна во многих отношениях, однако, в ряде случаев, обычно относящихся к сетям большого и среднего размера, невозможно обойтись без логической структуризации сети. Наиболее важной проблемой, не решаемой путем физической структуризации, остается проблема перераспределения передаваемого трафика между различными физическими сегментами сети,

Сегментом сети называется часть сети с общим пространством доступа к среде передачи данных и обнаружения коллизий. При этом под коллизией понимается отказ в доступе к среде передачи данных из-за совпадения во времени моментов генерации заявок на ее использование, поступающих от различных станций сети.

Основные недостатки сети на одной разделяемой среде начинают проявляться при превышении некоторого порога количества узлов, подключенных к разделяемой среде, и состоят в следующем. Даже та доля пропускной способности разделяемой среды, которая должна в среднем доставаться одному узлу (т. е., например, 10/JV Мбит/с для сети Ethernet с N компьютерами), очень часто узлу не достается. Причина заключается в случай­ном характере метода доступа к среде, используемого во всех технологиях локальных сетей.

Локальные сети, состоящие из одного или двух серверов и небольшого количества рабочих станций, объединяются в корпоративные системы — сложные среды, состоящие из множества серверов различных типов, а также многочисленных рабочих групп, нуждающихся в связи друг с другом. В такой среде несегментированная сеть способна привести к снижению производительности, уменьшению надежности и ухудшению безопасности сети.

Обычно крупные сети имеют высокоскоростную магистраль, но если, например, весь сетевой трафик направляется туда, то он может запросто исчерпать доступную пропускную способность, сводя на нет все преимущества в производительности, которая организация могла бы извлечь при другом подходе. Ввиду того, что рабочие станции взаимодействуют в основном с локальными серверами, имеет смысл сегментировать сеть в соответствии с рабочими группами, в которых большая часть трафика не выходит за пределы локального сегмента. Такой подход позволяет разным группам выделить разную пропускную способность. Например, разработчикам и инженерам выделяется собственный сегмент на 10 Мбит/с, пользователям из отдела маркетинга — другой.

Сегментирование повышает также и надежность сети за счет изолирования проблем в данном сегменте. Например, если разработчики выведут из строя свой собственный сегмент сети, то на других пользователях это никак не скажется.

Сегментирование предполагает, что пакеты не выходят за пределы текущего сегмента (принимаются только узлами сегмента). Для передачи информации из одного сегмента в другой (объединения сегментов) используют специальные устройства: маршрутизаторы, коммутируемые концентраторы (коммутаторы), мосты.

В качестве примера несовпадения физической и логической топологии рассмотрим сеть на рис. 1. Физически компьютеры соединены по топологии общая шина. Предположим, что доступ к шине происходит не по алгоритму случайного доступа, применяемому в технологии Ethernet, а путем передачи маркера в кольцевом порядке: от компьютера А — компьютеру В, от компьютера В — компьютеру С и т. д. Здесь порядок передачи маркера уже не повторяет физические связи, а определяется логическим кон­фигурированием драйверов сетевых адаптеров. Ничто не мешает настроить сетевые адаптеры и юс драйверы так, чтобы компьютеры образовали кольцо в другом порядке, например: В, А, С... При этом физическая структура сети никак не изменяется.

3. Контрольные вопросы

1. Дайте определение топологии.

2. Что такое УЗЕЛ?

3. Что представляют собой логические связи в сети?

4. Поясните особенности построения сети с топологией «шина».

5. Поясните особенности построения сети с топологией «кольцо».

6. Поясните особенности построения сети с топологией «звезда».

7. Поясните особенности построения сети с ячеистой топологией.

8. Поясните особенности построения сети с топологией звезда на шине.

9. Поясните особенности построения сети с топологией «звезда на кольце».

10. Поясните особенности построения сети с гибридной ячеистой топологией.

11. Что называется Сегментом сети?

12. Какие недостатки сети на одной разделяемой среде?

13. Какие достоинства предоставляет сегментирование сети?