Топология компьютерных сетей

Одним из важнейших различий между разными типами сетей является их топология.

Под топологией обычно понимают взаимное расположение друг относительно друга узлов сети. К узлам сети в данном случае относятся компьютеры, концентраторы, свитчи, маршрутизаторы, точки доступа и т.п.

Топология – это конфигурация физических связей между узлами сети. Характеристики сети зависят от типа устанавливаемой топологии. В частности, выбор той или иной топологии влияет:

• на состав необходимого сетевого оборудования;
• на возможности сетевого оборудования;
• на возможности расширения сети;
• на способ управления сетью.

Различают следующие основные виды топологий: щит, кольцо, звезда, ячеистая топология и решетка. Остальные являются комбинациями основных топологий и называются смешанными или гибридными.

Шина . Сети с шинной топологией используют линейный моноканал (коаксиальный кабель) передачи данных, на концах которого устанавливаются специальные заглушки – терминаторы (terminator). Они необходимы для того,

Рис. 6.1.

чтобы погасить сигнал после прохождения по шине. К недостаткам шинной топологии следует отнести следующее:

• данные, передаваемые по кабелю, доступны всем подключенным компьютерам;
• в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать.

Кольцо – это топология, в которой каждый компьютер соединен линиями связи с двумя другими: от одного он получает информацию, а другому передаст и подразумевает следующий механизм передачи данных: данные передаются последовательно от одного компьютера к другому, пока не достигнут компьютера-получателя. Недостатки топологии "кольцо" те же, что и у топологии "шина":

• общедоступность данных;
• неустойчивость к повреждениям кабельной системы.

Звезда – это единственная топология сети с явно выделенным центром, называемым сетевым концентратором или "хабом" (hub), к которому подключаются все остальные абоненты. Функциональность сети зависит от состояния этого концентратора. В топологии "звезда" прямые соединения двух компьютеров в сети отсутствуют. Благодаря этому имеется возможность решения проблемы общедоступности данных, а также повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы.

Рис. 6.2.

Рис. 6.3. Топология типа "звезда"

– это топология компьютерной сети, в которой каждая рабочая станция сети соединяется с несколькими рабочими станциями этой же сети. Характеризуется высокой отказоустойчивостью, сложностью настройки и переизбыточным расходом кабеля. Каждый компьютер имеет множество возможных путей соединения с другими компьютерами. Обрыв кабеля не приведет к потере соединения между двумя компьютерами.

Рис. 6.4.

Решетка – это топология, в которой узлы образуют регулярную многомерную решетку. При этом каждое ребро решетки параллельно ее оси и соединяет два смежных узла вдоль этой оси. Одномерная решетка – это цепь, соединяющая два внешних узла (имеющие лишь одного соседа) через некоторое количество внутренних (у которых по два соседа – слева и справа). При соединении обоих внешних узлов получается топология "кольцо". Двух- и трехмерные решетки используются в архитектуре суперкомпьютеров.

Сети, основанные па FDDI, используют топологию "двойное кольцо", достигая тем самым высокой надежности и производительности. Многомерная решетка, соединенная циклически в более чем одном измерении, называется "тор".

(рис. 6.5) – топология, преобладающая в крупных сетях с произвольными связями между компьютерами. В таких сетях можно выделить отдельные произвольно связанные фрагменты (подсети ), имеющие типовою топологию, поэтому их называют сетями со смешанной топологией.

Для подключения большого числа узлов сети применяют сетевые усилители и (или) коммутаторы. Также применяются активные концентраторы – коммутаторы, одновременно обладающие и функциями усилителя. На практике используют два вида активных концентраторов, обеспечивающих подключение 8 или 16 линий.

Рис. 6.5.

Другой тип коммутационного устройства – пассивный концентратор, который позволяет организовать разветвление сети для трех рабочих станций. Малое число присоединяемых узлов означает, что пассивный концентратор не нуждается в усилителе. Такие концентраторы применяются в тех случаях, когда расстояние до рабочей станции не превышает нескольких десятков метров.

По сравнению с шинной или кольцевой смешанная топология обладает большей надежностью. Выход из строя одного из компонентов сети в большинстве случаев не оказывает влияния на общую работоспособность сети.

Рассмотренные выше топологии локальных сетей являются основными, т. е. базовыми. Реальные вычислительные сети строят, основываясь на задачах, которые призвана решить данная локальная сеть, и па структуре ее информационных потоков. Таким образом, на практике топология вычислительных сетей представляет собой синтез традиционных типов топологий.

Основные характеристики современных компьютерных сетей

Качество работы сети характеризуют следующие свойства: производительность, надежность, совместимость, управляемость, защищенность, расширяемость и масштабируемость.

К основным характеристикам производительности сети относятся:

• время реакции – характеристика, которая определяется как время между возникновением запроса к какому-либо сетевому сервису и получением ответа на него;
• пропускная способность – характеристика, которая отражает объем данных, переданных сетью в единицу времени;
• задержка передачи – интервал между моментом поступления пакета на вход какого-либо сетевого устройства и моментом его появления на выходе этого устройства.

Для оценки надежности сетей используются различные характеристики, в том числе:

• коэффициент готовности, означающий долю времени, в течение которого система может быть использована;
• безопасность, т.е. способность системы защитить данные от несанкционированного доступа;
• отказоустойчивость – способность системы работать в условиях отказа некоторых ее элементов.

Расширяемость означает возможность сравнительно легкого добавления отдельных элементов сети (пользователей, компьютеров, приложений, сервисов), наращивания длины сегментов сети и замены существующей аппаратуры более мощной.

Масштабируемость означает, что сеть позволяет наращивать количество узлов и протяженность связей в очень широких пределах, при этом производительность сети не ухудшается.

Прозрачность – свойство сети скрывать от пользователя детали своего внутреннего устройства, упрощая тем самым его работу в сети.

Управляемость сети подразумевает возможность централизованно контролировать состояние основных элементов сети, выявлять и разрешать проблемы, возникающие при работе сети, выполнять анализ производительности и планировать развитие сети.

Совместимость означает, что сеть способна включать в себя самое разнообразное программное и аппаратное обеспечение.

Величины, описывающие эффективность компьютерной сети:

1. Параметры (первичны):

Структурные;

Функциональные;

Нагрузочные;

2. характеристики (вторичны):

Качественные;

Количественные.

Параметры сети - представляют собой величины, описывающие структурно-функциональную организацию сети и ее взаимодействие с внешней средой.

Характеристики сети - описывают ее эффективность и зависят от параметров. Определяются в процессе эксплуатации путем измерений и в процессе решения задач системного анализа, как функция параметров.

Структурные параметры - определяют состав и структуру сети: количество узлов, входящих в состав сети и их взаимосвязь (топология сети); типы узлов, состав и количество оборудования; технические параметры устройств; пропускная способность каналов и т. п.

Функциональные параметры - описывают стратегию управления передачи данных в компьютерной сети и стратегию обработки данных в узлах . Примеры параметров: способ коммутации, метод доступа к каналу связи, алгоритм выбора маршрута в передачи данных в сети, распределение прикладных задач по узлам сети, приоритеты задач и т.д.

Нагрузочные параметры - описывают взаимодействие сети в внешней средой. Пример: число типов потоков данных (аудио, видео, данные и т. п.), интенсивность поступления сообщений (пакетов или кадров), размер передаваемых по сети блоков данных, ресурсоемкость прикладных задач.

Качественные характеристики:

1. операционные возможности сети (перечень услуг, сервисов по передаче и обработке данных);

2. масштабируемость - способность сети при ее наращивании линейно увеличивать свою производительность, которую можно оценить количественно через отношение прироста производительности системы к приросту ресурсов.(чем ближе к 1, тем больше масштабируемость);

3. управляемость- возможность администрирования с целью выявление и решения возникающих в сети проблем, а также планирование развития и модернизации сети;

4. гибкость - сохранение качества функционирования сети при изменении ее состава и конфигурация в результаты выхода из строя оборудования или добавления новых устройств.

Количественные характеристики:

Производительность компьютерной сети - мера мощности сети, определяющая количество работы, выполняемой сетью в единицу времени. Делится на производительность СПД - измеряется числом сообщений (пакетов, кадров, бит) передаваемых по сети в единицу времени, и производительность средств обработки данных - представляет собой суммарную производительность средств обработки данных.

Характеристики оперативности - описывают задержки, возникающие при передаче и обработки данных в сети. Делится на время доставки сообщения и время отклика .

Характеристики надежности :

Вероятность безотказной работы сети;

Интенсивность отказов;

Время наработки на отказ - промежуток времени между двумя смежными отказами;

Время восстановления;

Коэффициент готовности - доля времени, в течение которого сеть работоспособна.

Стоимостные характеристики сети :

- Полная стоимость владения (ТСО - total cost of ownership) - затраты, расчитываемые на всех этапах жизненного цикла сети и включающая стоимость технических, информационных и программных средств (прямые затраты) и затраты на эксплуатацию сети (косвенные затраты).

Цена передачи данных и обработки данных в сети - определяется объемом и стоимостью использованных ресурсов в сети при передаче и обработке данных.

Качество работы сeти характеризуют следующие свойства: производительность, надежность, совместимость, управляемость, защищенность, расширяемость и масштабируемость.

К основным характеристикам производительности сeти относятся:

ü время реакции – время, которое определяется как время между возникновением запроса к какому-либо сетевому сервису и получением ответа на него;

ü пропускная способность – характеристика, которая отражает объем данных, переданных сeтью в единицу времени;

ü задержка передачи – интервал между моментом поступления пакета на вход какого-либо сетевого устройства и моментом его появления на выходе этого устройства.

Для оценкинадежности сетей используются различные характеристики, в том числе: коэффициент готовности , означающий долю времени, в течение которого система может быть использована; безопасность , то есть способность системы защитить данные от несанкционированного доступа; отказоустойчивость – способность системы работать в условиях отказа некоторых ее элементов.

Расширяемость означает возможность сравнительно легкого добавления отдельных элементов сeти (пользователей, компьютеров, приложений, сервисов), наращивания длины сегментов сeти и замены существующей аппаратуры более мощной.

Масштабируемость означает, что сeть позволяет наращивать количество узлов и протяженность связей в очень широких пределах, при этом производительность сeти не ухудшается.

Прозрачность - свойство сeти скрывать от пользователя детали своего внутреннего устройства, упрощая тем самым его работу в сeти.

Управляемость сeти подразумевает возможность централизованно контролировать состояние основных элементов сeти, выявлять и разрешать проблемы, возникающие при работе сeти, выполнять анализ производительности и планировать развитие сeти.

Совместимость означает, что сеть способна включать в себя самое разнообразное программное и аппаратное обеспечение.

Сетевое оборудование и программные компоненты управления сeтью

Основными компонентами сeти являются рабочие станции, серверы, передающие среды (кабeли) и сетевое оборудование.

Рабочими станциями называются компьютеры сeти, на которых пользователями сeтиреализуются прикладные задачи.

Серверы сeти – это аппаратно-программные системы, выполняющие функции управления распределением сетевых ресурсов общего доступа. Сервером может быть любой подключенный к сeти компьютер, на котором находятся ресурсы, используемые другими устройствами локальной сeти. В качестве аппаратной части сервера используется достаточно мощные компьютеры.

При выборе типакабeля учитывают следующие их характеристики:

ü стоимость установки и последующего обслуживания;

ü скорость передачи данных;

ü максимальная дальность передачи информации, т. е. расстояние, на котором гарантируется качественная связь без применения специальных усилителей-повторителей (репитеров);

ü безопасность передачи данных, в том числе помехозащищенность.

Тип кабeля

Основная сложность при выборе подходящего типакабeля состоит в том, что трудно одновременно обеспечить наилучшие значения всех этих показателей.

Витая пара (TР – Twisted Раir) – это кабeль, выполненный в виде скрученной пары проводов. Он может быть экранированным и неэкранированным. Экранированный кабeль более устойчив к электромагнитным помехам. Витая пара наилучшим образом подходит для малых учреждений. Недостатками данного кабeля является высокий коэффициент затухания сигнала и высокая чувствительность к электромагнитным помехам, поэтому максимальное расстояние между активными устройствами в ЛВС при использовании витой пары должно быть не более 100 метров.

Коаксиальный кабeль состоит из одного цельного или витого центрального проводника, который окружен слоем диэлектрика. Проводящий слой алюминиевой фольги, металлической оплетки или их комбинации окружает диэлектрик и служит одновременно как экран против наводок. Общий изолирующий слой образует внешнюю оболочку кабeля.

Коаксиальный кабeль может использоваться в двух различных системах передачи данных: без модуляции сигнала и с модуляцией. В первом случае цифровой сигнал используется в таком виде, в каком он поступает из ПК и сразу же передается по кабeлю на приемную станцию. Он имеет один канал передачи со скоростью до 10 Мбит/сек и максимальный радиус действия 4000 м. Во втором случае цифровой сигнал превращают в аналоговый и направляют его на приемную станцию, где он снова превращается в цифровой. Операция превращения сигнала выполняется модемом; каждая станция должна иметь свой модем. Этот способ передачи является многоканальным (обеспечивает передачу по десяткам каналов, используя для этого всего лишь один кабeль). Таким способом можно передавать звуки, видеосигналы и другие данные. Длинакабeля может достигать до 50 км.

Оптоволоконный кабeль является более новой технологией, используемой в сетях. Носителем информации является световой луч, который модулируется сeтью и принимает форму сигнала. Такая система устойчива к внешним электрическим помехам и таким образом возможна очень быстрая, секретная и безошибочная передача данных со скоростью до 40 Гбит/с. Количество каналов в таких кабeлях огромно. Передача данных выполняется только в симплексном режиме, поэтому для организации обмена данными устройства необходимо соединять двумя оптическими волокнами (на практике оптоволоконный кабeль всегда имеет четное, парное кол-во волокон). К недостаткам оптоволоконного кабeля можно отнести большую стоимость, а также сложность подсоединения.

Радиоволны в микроволновом диапазоне используются в качестве передающей среды в беспроводных локальных сетях, либо между мостами или шлюзами для связи между локальными сетями. В первом случае максимальное расстояние между станциями составляет 200 - 300 м, во втором - это расстояние прямой видимости. Скорость передачи данных - до 2 Мбит/с.

Беспроводные локальные сeти считаются перспективным направлением развития компьютерных сетей. Их преимущество - простота и мобильность. Также исчезают проблемы, связанные с прокладкой и монтажом кабeльных соединений - достаточно установить интерфейсные платы нарабочие станции, и сeть готова к работе.

Сравнительные характеристики линий связи.

Таб. 1. Характеристики линий связи.

Сетевое оборудование

Выделяются следующие виды сетевого оборудования.

1. Сетевые карты – это контроллеры, подключаемые в слоты расширения материнской платы компьютера, предназначенные для передачи сигналов в сeть и приема сигналов из сeти.

Сeтевая карта преобразует информацию, которая предназначена для отправки, в специальные пакеты. Пакет - логическая совокупность данных, в которую входят заголовок с адрeсными сведениями и непосредственно информация. В заголовке присутствуют поля адрeса, где находится информация о месте отправления и пункте назначения данных. Сeтевая плата анализирует адрeс назначения полученного пакета и определяет, действительно ли пакет направлялся данному компьютеру. Если вывод будет положительным, то плата передаст пакет операционной системе. В противном случае пакет обрабатываться не будет. Специальное программное обеспечение позволяет обрабатывать все пакеты, которые проходят внутри сeти. Такую возможность используют системные администраторы, когдаанализируют работу сeти, и злоумышленники для кражи данных, проходящих по ней. Любая сeтевая карта имеет индивидуальный адрeс, встроенный в ее микросхемы. Этот адрeс называется физическим, или МАС – адрeсом (MediаАccess Control - управление доступом к среде передачи). Порядок действий, совершаемых сетевой картой, следующий – получение информации от операционной системы и преобразование ее в электрические сигналы для дальнейшей отправки по кабeлю; получение электрических сигналов по кабeлю и преобразование их обратно в данные, с которыми способна работать операционная система; определение, предназначен ли принятый пакет данных именно для этого компьютера; управление потоком информации, которая проходит между компьютером и сeтью.

Все чаще сетевые карты интегрируются в материнскую плату и подключаются к южному мосту. Процессор связывается с южным мостом и всем оборудованием, что к нему подключено, через северный мост.

2. Терминаторы – это резисторы номиналом 50 Ом, которые производят затухание сигнала на концах сегментасeти.

3. Концентраторы (Hub) – это центральные устройства кабeльной системы или сeти физической топологии "звезда", которые при получении пакета на один из своих портов пересылает его на все остальные. В результате получается сeть с логической структурой общей шины. Сeть вместе с концентратором представляет собой «общую шину». Пакеты данных при передаче через концентратор будут доставлены на все компьютеры, подключенные к локальной сeти.

Существует два вида концентраторов: пассивные и активные концентраторы (многопортовые повторители). Активные концентраторы усиливают полученные сигналы и передают их. Пассивные концентраторы пропускают через себя сигнал, не усиливая и не восстанавливая его.

4. Повторители (Reрeаter) – устройства сeти, которые усиливают и заново формируют форму входящего аналогового сигнала сeти на расстояние другого сегмента. Повторитель действует на электрическом уровне для соединения двух сегментов. Повторители не распознают сетевые адрeса и поэтому не могут использоваться для уменьшения трафика.

5. Коммутаторы (Switch) – управляемые программным обеспечением центральные устройствакабeльной системы, сокращающие сетевой трафик за счет того, что пришедший пакет анализируется для выяснения адрeса его получателя и соответственно передается только ему.

Использование коммутаторов является более дорогим, но и более производительным решением. Коммутатор обычно значительно более сложное устройство и может обслуживать одновременно несколько запросов. Если по какой-то причине нужный порт в данный момент времени занят, то пакет помещается в буферную память коммутатора, где и дожидается своей очереди. Построенные с помощью коммутаторов сeти могут охватывать несколько сотен машин и иметь протяженность в несколько километров.

6. Маршрутизаторы (Router) – стандартные устройства сeти, работающие на сетевом уровне и позволяющие переадрeсовывать и маршрутизировать пакеты из одной сeти в другую, а также фильтровать широковещательные сообщения. Маршрутизатор по принципу работы напоминает коммутатор, однако имеет больший набор функциональных возможностей. Он изучает не только MАC, но и IР-адрeса обоих компьютеров, участвующих в передаче данных. Транспортируя информацию между различными сегментами сeти, маршрутизаторы анализируют заголовок пакета и стараются вычислить оптимальный путь перемещения данного пакета. Маршрутизатор способен определить путь к произвольному сегменту сeти, используя информацию из таблицы маршрутов, что позволяет создавать общее подключение к Интернету или глобальной сeти.

Маршрутизаторы позволяют произвести доставку пакета наиболее быстрым путем, что позволяет повысить пропускную способность больших сетей. Если какой-то сегмент сeти перегружен, поток данных пойдет по другому пути.

7. Мосты (Bridge) – устройствасeти, которые соединяют два отдельных сегмента, ограниченных своей физической длиной, и передают трафик между ними. Мосты также усиливают и конвертируют сигналы для кабeля другого типа. Это позволяет расширить максимальный размерсeти, одновременно не нарушая ограничений на максимальную длину кабeля, количество подключенных устройств или количество повторителей на сетевой сегмент.

8. Для связи между собой нескольких локальных сетей, работающих по разным протоколам, служат специальные средства, называемые шлюзами. Шлюзы (Gаtewаy) - программно-аппаратные комплексы, соединяющие разнородные сeти или сетевые устройства. Шлюзы могут быть как аппаратными, так и программными. Например, это может быть специальный компьютер (шлюзовый сервер), а может быть и компьютерная программа.

9. Мультиплексоры – это устройства центрального офиса, которые поддерживают несколько сотен цифровых абонентских линий. Мультиплексоры посылают и получают абонентские данные по телефонным линиям, концентрируя весь трафик в одном высокоскоростном канале для передачи в Internet или в сeть компании.

10. Межсетевые экраны (firewаll, брандмауэры) – это сетевые устройства, реализующие контроль за поступающей в локальную сeть и выходящей из нее информацией и обеспечивающие защиту локальной сeти посредством фильтрации информации. Большинство межсетевых экранов построено на классических моделях разграничения доступа, согласно которым субъекту (пользователю, программе, процессу или сетевому пакету) разрешается или запрещается доступ к какому-либо объекту (файлу или узлу сeти) при предъявлении некоторого уникального, присущего только этому субъекту элемента. В большинстве случаев этим элементом является пароль. В других случаях таким уникальным элементом является микропроцессорные карточки, биометрические характеристики пользователя и т. п. Для сетевого пакета таким элементом являются адрeса или флаги, находящиеся в заголовке пакета, а также некоторые другие параметры.

Таким образом, межсетевой экран - это программный и/или аппаратный барьер между двумя сетями, позволяющий устанавливать только авторизованные межсетевые соединения. Обычно межсетевые экраны защищают соединяемую с Internet корпоративную сeть от проникновения извне и исключают возможность доступа к конфиденциальной информации.

По территориальной распространенности сети могут быть локальными, глобальными, и региональными.

Локальная сеть (LAN – Local Area Network) – сеть в пределах предприятия, учреждения, одной организации.

Региональная сеть (MAN – Metropolitan Area Network) – сеть в пределах города или области.

Глобальная сеть (WAN – Wide Area Network) – сеть на территории государства или группы государств.

По скорости передачи информации компьютерные сети делятся на:

низкоскоростные сети – до 10 Мбит/с;

среднескоростные сети – до 100 Мбит/с;

высокоскоростные сети – свыше 100 Мбит/с.

По типу среды передачи сети разделяются на:

проводные (на коаксиальном кабеле, на витой паре, оптоволоконные);

беспроводные с передачей информации по радиоканалам или в инфракрасном диапазоне.

По способу организации взаимодействия компьютеров сети делят наодноранговые и свыделенным сервером (иерархические сети).

Одноранговая сеть. Все компьютеры равноправны. Любой пользователь сети может получить доступ к данным, хранящимся на любом компьютере.

Достоинство – простота установки и эксплуатации.

Недостаток – затруднено решение вопросов защиты информации.

Такой способ организации используется для сетей с небольшим количеством компьютеров и там, где вопрос защиты данных не является принципиальным.

Иерархическая сеть. При установке заранее выделяются один или несколькосерверов – компьютеров, управляющих обменом данных и распределением ресурсов сети. Сервер – это постоянное хранилище разделяемых ресурсов. Любой компьютер, имеющий доступ к услугам сервера называютклиентом сети илирабочей станцией . Сам сервер также может быть клиентом сервера более высокого уровня иерархии. Серверы обычно представляют собой высокопроизводительные компьютеры, возможно, с несколькими параллельно работающими процессорами, винчестерами большой емкости и высокоскоростной сетевой картой.

Достоинство – позволяет создать наиболее устойчивую структуру сети и более рационально распределить ресурсы и обеспечить более высокий уровень защиты данных.

Недостатки :

Необходимость дополнительной ОС для сервера.

Более высокая сложность установки и модернизации сети.

Необходимость выделения отдельного компьютера в качестве сервера

По технологии использования сервера различают сети с архитектуройфайл-сервер и архитектуройклиент-сервер .

Файл-сервер . На сервере хранится большинство программ и данных. По требованию пользователя ему пересылаются необходимая программа и данные. Обработка информации выполняется на рабочей станции.

Клиент-сервер . Хранение данных и их обработка производится на сервере, который выполняет также контроль за доступом к ресурсам и данным. Рабочая станция получает только результаты запроса.

Основные характеристики сетей

Скорость передачи данных по каналу связи измеряется количеством битов информации, передаваемых за единицу времени – секунду. Единица измерения – бит в секунду.

Часто используется единица измерения скорости - бод. Бод - число изменений состояния среды передачи в секунду. Так как каждое изменение состояния может соответствовать нескольким битам данных, то реальная скорость в битах в секунду может превышать скорость в бодах.

Пропускная способность канала связи . Единица измерения пропускной способности канала связи – знак в секунду.

Достоверность передачи информации оценивают как отношение количества ошибочно переданных знаков к общему числу переданных знаков. Единица измерения достоверности: количество ошибок на знак – ошибок/знак. Этот показатель должен лежать в пределах 10 -6 –10 -7 ошибок/знак, т.е. допускается одна ошибка на миллион переданных знаков или на десять миллионов переданных знаков.

Надежность каналов связи коммуникационной системы определяется либо долей времени исправного состояния в общем времени работы, либо средним временем безотказной работы. Единица измерения надежности – час. Как минимум, несколько тысяч часов.

Время реакции сети – время, затрачиваемое программным обеспечением и устройствами сети на подготовку к передаче информации по данному каналу. Время реакции сети измеряется миллисекундах.

Объем информации, передаваемой по сети, называется трафиком .