Топологии сетей передачи данных

2.5. Древовидная структура локальных вычислительных сетей

Наряду с известными топологиями вычислительных сетей «кольцо», «звезда» и «шина», на практике применяется и комбинированная, на пример древовидна структура. Она образуется в основном в виде комбинаций вышеназванных топологий вычислительных сетей. Основание дерева вычислительной сети (корень) располагается в точке, в которой собираются коммуникационные линии информации (ветви дерева).

Вычислительные сети с древовидной структурой применяются там, где невозможно непосредственное применение базовых сетевых структур в чистом виде. Для подключения большого числа рабочих станций соответственно адаптерным платам применяют сетевые усилители и/или коммутаторы. Коммутатор, обладающий одновременно и функциями усилителя, называют активным концентратором.

На практике применяют две их разновидности, обеспечивающие подключение соответственно восьми или шестнадцати линий.

Устройство к которому можно присоединить максимум три станции, называют пассивным концентратором. Пассивный концентратор обычно используют как разветвитель. Он не нуждается в усилителе. Предпосылкой для подключения пассивного концентратора является то, что возможное максимальное расстояние до рабочей станции не должно превышать нескольких десятков метров.

Базовые сетевые топологии

Топология сетей —

это геометрическая схема соединения узлов сети. Иными словами, топология
— это конфигурация графа, вершинами которого являются компьютеры сети или
другие коммуникационные устройства, а ребрами — физические связи между ними.

При создании сети, в зависимости от задач, которые она должна будет
выполнять, может быть реализована одна из трех базовых топологий: «звезда»,
«кольцо» и «общая шина».

Кольцо

Узлы сети соединены замкнутой кривой. Выход одного узла сети соединяется со
входом другого. Информация по кольцу передается от узла к узлу. Принимающий узел
распознает и получает только адресованные ему сообщения. Продолжительность
передачи информации увеличивается пропорционально количеству рабочих станций,
входящих в сеть.

Кольцевая топология подходит для сетей, занимающих небольшое пространство.
Однако ограничений на протяженность такой сети не существует, т.к. ограничение
определяется исключительно расстоянием между двумя рабочими станциями.

Основная проблема кольцевой топологии заключается в том, что каждая рабочая
станция должна участвовать в пересылке информации, и в случае выхода из строя
хотя бы одной из них работа в сети прекращается.

Общая шина

Эта топология предполагает использование одного кабеля, к которому
подключаются все компьютеры сети. Принимаются специальные меры для того, чтобы
при работе с общим кабелем компьютеры не мешали друг другу передавать и
принимать данные.

Данные от передающего узла сети распространяются по шине в обе стороны.
Информация поступает на все узлы, но принимает сообщение только тот узел,
которому оно адресовано. Это обеспечивает более высокое, чем в «кольце»,
быстродействие.

Надежность здесь выше, т.к. выход из строя отдельных компьютеров не нарушает
работоспособность сети в целом. Рабочие станции в любое время, без прерывания
работы всей вычислительной сети, могут быть подключены к ней или отключены.
Функционирование вычислительной сети не зависит от состояния отдельной рабочей
станции. Сеть легко наращивать.

Однако поиск неисправностей в кабеле затруднен. Кроме того, т.к. используется
только один кабель, в случае его повреждения нарушается работа всей сети.

Звезда

Эта структура предполагает наличие центрального узла, к которому подключаются
периферийные узлы. Каждый периферийный узел имеет свою отдельную линию связи с
центральным узлом. Вся информация передается через центральный узел, который
ретранслирует, переключает и маршрутизирует информационные потоки в сети.

Топология в виде звезды является наиболее быстродействующей из всех топологий
компьютерных сетей, поскольку передача данных между рабочими станциями проходит
через центральный узел по отдельным линиям, используемым только этими рабочими
станциями.

Звездообразная топология значительно упрощает взаимодействие узлов сети друг
с другом, позволяет использовать более простые сетевые адаптеры. В то же время
работоспособность сети целиком зависит от центрального узла.

Комбинированные структуры сетей

В реальных вычислительных сетях могут использоваться комбинированные
топологии. Например, логическая кольцевая сеть монтируется как соединение
звездных топологий. Отдельные «звезды» включаются с помощью хабов в кольцо.
Другой пример — древовидная структура, являющаяся комбинацией базовых топологий.

Сети со сложной топологией применяются там, где невозможно непосредственное
применение базовых сетевых структур в чистом виде.

Тактика ловли

Ловля кастинговой сетью не менее многогранна, чем ужение, и может применяться в самых разнообразных условиях, на весьма отличающихся друг от друга водоемах и для поимки отличающихся повадками и образом жизни рыб.

Ловля живца

Проще всего ловить кастинговой сетью живцов и вообще мелкую рыбу. Достаточно лишь правильно выбрать место и сделать удачный заброс, иногда всего один, и если мелочь ходит густыми стайками, то после первого же броска три-четыре десятка рыбешек отправляются в ведро; теперь можно переходить к ловле хищника на живца. Ни лодка, ни ловля взабродку для добывания живцов не требуются, забросы производятся с берега. Надо лишь высмотреть в прозрачной воде, где лежат на песчаной отмели пескари или плавают возле водорослей стайки окуньков или плотвичек.

Ловля крупной рыбы

Более крупные рыбы – ловятся почти всегда вслепую, в местах их скопления. Даже увидев стайку таких рыб на мелководье, подбираться к ним с кастинговой сетью не стоит, если рыбак видит рыбу, то и рыба видит рыбака, и полет сети заставляет ее быстро отпрянуть в сторону. Во время весеннего хода рыбы очень удобно выбирать на реке места перед каким-либо естественным препятствием с ровным дном и небольшой глубиной от 0,5 до 1,5 м. Забросы осуществляются примерно по той же схеме, что и ловля спиннингом: сначала сеть накрывает ближние к рыбаку участки, затем находящиеся на среднем удалении, потом самые дальние, насколько это позволяет длина тягового шнура. При этом стоит учитывать, что рыба не очень сильно пугается плеска упавшей на воду кастинговой сети (этот плеск негромкий, если заброс выполнен правильно) рыба не бросается прочь, а обычно слегка скатывается вниз по течению. Поэтому выбранный для ловли участок реки стоит всегда облавливать, двигаясь по берегу вниз по течению.

Весенняя ловля производится днем, но по мере просветления воды лучшие уловы случаются в сумерках или ночью. Летом, когда в большом количествев водоемах появляется подводная растительность, количество мест, пригодных для ловли вслепую, резко сокращается. Гораздо интереснее в это время охотится с кастинговой сетью, выслеживая единичные экземпляры крупных рыб.

Очень увлекательна ловля линя.
Занимаются ею на неглубоких местах реки с очень медленным течением и илистым дном. Признаком, подтверждающим, что линь кормится в этом месте, служит цепочка пузырьков, поднимающаяся с потревоженного рыбой дна. Лодка не нужна, места кормежки линя обычно расположены неподалеку от берега, иногда, если речка неширокая и берега достаточно крутые, – буквально в метре от уреза воды. Если на месте ловли имеются чересчур густые заросли водной растительности, например кувшинок, надлежит заранее сделать в них несколько прогалин, в 2–3 раза превышающих размеры сети. Крупный лещ тоже часто выдает места своей кормежки пузырьками. Но поймать его кастинговой сетью гораздо сложнее. Лещ более осторожен, кормится в более глубоких ямах и чаще всего успевает ускользнуть из опускающейся на него сети.

Ловить щуку
удобно в жаркие солнечные дни, объезжая вдвоем на лодке неглубокие заливчики и протоки, обрамленные зарослями тростника или рогоза. Лодка должна быть с невысокими бортами, с широкого носа которых удобно делать заброс. Высмотрев щуку, обычно застывшую вполводы неподалеку от стены тростника, рыбак показывает на нее гребцу, и, когда лодка приближается на достаточное расстояние, набрасывает на рыбу сеть.
Более добычлива весенняя ловля щук на мелководных местах нереста, проводимая иногда с берега, но чаще взабродку. Здесь необходимо владеть дальним забросом, подойти вплотную к нерестящейся щуке трудно. Заметив место, где плещется рыба, рыбак с максимально возможной дистанции набрасывает на него сеть, и зачастую вместе со щукой-икрянкой вытягивает и пару молочников. Нередки и неудачные забросы, когда подводная растительность, на которую мечет икру щука, мешает сети правильно закрыться. Нерест крупного (килограммового и выше) карася продолжается недолго, одно-два утра, но если удастся попасть на него с кастинговой сетью, то улов весьма порадует. Место для броска здесь порой определяется не только по всплескам, но и по косвенным признакам: по шевелению торчащих над водой стеблей водных растений, по так называемым «усам», которые образует на поверхности воды неглубоко плывущая крупная рыба, по мелким рыбешкам, во все стороны выпрыгивающим из воды (мальки не разбираются, мирная или хищная рыбина к ним подплывает).

Нерест карпа схож с карасиным, но карп – более осторожная рыба и часто нерестится на более удаленных от берегов мелководьях, поросших водной растительностью. Поэтому подбираться к нему лучше на лодке, соблюдая максимальную тишину.

Гибкость и масштабируемость топологии кольцо

Топология кольцо предлагает пользователю гибкость и высокую масштабируемость, что делает ее привлекательной для использования в сетях.

1. Простота добавления и удаления узлов

В топологии кольцо, добавление или удаление узлов может выполняться сравнительно легко. Каждый узел подключен к двум ближайшим соседям, и поэтому добавление новых узлов или удаление существующих узлов не требует значительных изменений в остальной части сети.

Высокая масштабируемость

Топология кольцо позволяет легко масштабировать сеть при необходимости. Новые узлы могут быть добавлены без прерывания работы других узлов, и сеть может легко расширяться в размере, чтобы вместить больше устройств и пользователей.

Отсутствие одной точки отказа

В топологии кольцо отсутствует одна точка отказа, что означает, что сеть продолжает функционировать, даже если один из узлов выходит из строя или теряет связь. Если один узел не работает, данные продолжают циркулировать по кольцу и доставляться до назначения через альтернативный путь.

Эффективное использование ресурсов

Топология кольцо позволяет оптимально использовать ресурсы сети. Кольцевая архитектура позволяет равномерно распределить нагрузку между узлами и снижает вероятность конфликтов и монопольного использования ресурсов.

Однако, несмотря на все преимущества, топология кольцо также имеет некоторые недостатки, такие как:

• Ограниченная пропускная способность

Топология кольцо предоставляет ограниченную пропускную способность, поскольку данные должны передаваться по кольцу одним направлением. Это означает, что скорость передачи данных по кольцевой сети может быть меньше, чем в других типах сетей.

Сложности при обнаружении и устранении отказов

При возникновении отказа в топологии кольцо может быть сложно обнаружить и устранить его. Если узел выходит из строя, повреждается или теряет связь, то весь кольцевой обход может быть нарушен, что приведет к отказу всей сети.

Затратность при внесении изменений

Внесение изменений в топологию кольцо может быть затратным и сложным процессом. Если необходимо добавить или удалить узлы, то может потребоваться переработка и расширение кольца, что может привести к значительным затратам времени и ресурсов.

Примеры топологий компьютерной сети

Существует несколько основных типов топологий компьютерной сети, которые могут быть использованы в организации и построении сетевой инфраструктуры. Каждая из этих топологий имеет свои особенности и применяется в зависимости от требований и потребностей. Рассмотрим некоторые из них:

1. Звездообразная топология — это одна из наиболее распространенных топологий, в которой все узлы сети подключены к одному центральному узлу, известному как коммутатор или концентратор. Данный тип топологии обеспечивает централизованное управление и облегчает обнаружение и устранение проблем.
2. Шина — в такой топологии все узлы сети подключены к одному кабелю, называемому шиной. Шина может быть физической (например, коаксиальный кабель) или логической (например, локальная сеть Ethernet). В данном типе топологии требуется несколько узлов для соединения и обеспечения непрерывной работы сети.
3. Кольцевая — в такой топологии узлы сети соединены в кольцо, где каждый узел имеет два соседних себе узла. Данный тип топологии обеспечивает надежность, поскольку в случае отказа любого узла сеть сохраняет свою работоспособность. Однако, отключение или обрыв соединения любого узла может вызвать проблемы в работе сети.
4. Древовидная — в этой топологии узлы организованы иерархически в древовидную структуру, где есть один корневой узел, от него идут ветви с узлами, и так далее. Такая структура можно использовать, если требуется разделение сети на различные сегменты или подсети.
5. Смешанная — некоторые сети могут использовать комбинацию различных типов топологий. Например, гибридная сеть может быть составлена из шины и звездообразной топологий, чтобы объединить их преимущества или обеспечить лучшую масштабируемость и надежность.

Каждая топология имеет свои преимущества и недостатки, и выбор определенного типа зависит от множества факторов, включая требуемую пропускную способность, количество узлов, географическое расположение и другие факторы, учитываемые при проектировании сети.

Звездообразная топология

Основная особенность звездообразной топологии заключается в том, что каждый компьютер имеет отдельное соединение с центральным устройством. Это означает, что поломка или отключение одного компьютера не влияет на работу остальных устройств в сети.

Другим преимуществом звездообразной топологии является возможность управления и контроля за сетью. Центральное устройство может регулировать трафик данных, а также обнаруживать и исправлять ошибки в сети.

Однако, недостатком звездообразной топологии является ее зависимость от центрального устройства. Если коммутатор или концентратор выходят из строя, вся сеть может быть недоступна. Также звездообразная топология требует больше кабелей, поскольку каждый компьютер должен быть подключен отдельно.

Звездообразная топология широко используется в домашних сетях, малых офисах и небольших предприятиях, где надежность и простота управления сетью имеют большое значение.

Прохождение токена:

Прохождение токена в топологии кольца часто является термином, о котором говорят. Таким образом, токен содержит часть информации, которая отправляется вместе с данными исходным компьютером. Проще говоря, токен подобен пакету разрешений, который позволяет определенному узлу разрешать передачу информации по сети.

Токен регулярно передается от одного узла к другому. И если узел имеет некоторую информацию для передачи по сети, узел высвобождает информацию. Если у узла нет данных для выпуска в сети, он передает токен следующему узлу.

Узлы с токеном разрешены только для отправки данных. Другие узлы должны ждать, пока пустой токен не достигнет их.

Преимущества кольцевой топологии:

• Уменьшается вероятность коллизии данных, поскольку каждый узел выпускает пакет данных после получения токена.
• При передаче токена топология кольца работает лучше, чем топология шины при интенсивном трафике
• Нет необходимости в сервере для контроля подключения между узлами
• Равный доступ к ресурсам

Недостатки кольцевой топологии:

В однонаправленном кольце пакет данных должен проходить через все узлы.

Пример: допустим, A, B, C, D и E являются частью кольцевой сети. Поток данных идет от A к B и впредь. В этом случае, если E хочет отправить пакет D, пакет должен пройти всю сеть, чтобы достичь D.

Единственная точка отказа, это означает, что если узел выходит из строя, вся сеть выходит из строя.

Предыдущая: Объяснение топологии шины

Следующий: Объяснение топологии сетки

Виды топологий

Существуют следующие топологии компьютерных сетей:

1. Шинная топология
2. Кольцевая топология (петля)
3. Топология «звезда» (радиальная, звездообразная)
4. Полносвязная (ячеистая, сетка)
5. Иерархическая (древовидная)
6. Смешанная (гибридная)

Шина

В этой топологии все компьютеры сети подключены к одному кабелю, который называется магистралью.

Схема топологии «шина»

В сети с топологией шина данные в виде электрических сигналов передаются всем компьютерам сети, но принимает их только тот компьютер, адрес которого совпадает с адресом получателя. Адрес получателя передается вместе с данными. В каждый момент времени передачу может вести только один компьютер, поэтому производительность такой сети зависит от количества компьютеров в ней. Чем больше компьютеров в сети, тем она медленнее.

Шина – это пассивная топология, т.е. компьютеры только слушают передаваемые по сети данные, но не перемещают их от отправителя к получателю. Поэтому выход одного или нескольких компьютеров из строя в такой сети никак не сказывается на работе сети.

Кольцо

В сетях с топологией кольцо компьютеры связаны один с другим, при этом первый компьютер связан с последним. Сигналы передаются по кольцу в одном направлении и проходят через каждый компьютер.

Схема топологии «кольцо»

Каждый компьютер распзознает и получает только ту информацию, которая ему адресована.

В отличие от пассивной технологии «шина», в сетях с топологией «кольцо» каждый компьютер выступает в роли повторителя (репитера), т.е. компьютеры не только слушают, но и передают данные в сети от отправителя к получателю. Здесь каждый компьютер усиливает данные и передает их следующему компьютеру, пока эти данные не окажутся в том компьютере, чей адрес совпадает с адресом получателя. Получив данные, принимающий компьютер посылает передающему сообщение, в котором подтверждает факт приема. Выход из строя хотя бы одного компьютера приводит к неработоспособности сети.

Звезда

Топология звезда отличается тем, что все компьютеры подключаются к одному центральному устройству. Для этого в центре сети содержится узел коммутации (коммутирующее устройство), к которому отдельным кабелем подключаются все компьютеры сети. Такой узел называется концентратором (hub).

Схема топологии «звезда»

Сигналы от передающего компьютера поступают через концентратор ко всем другим компьютерам.

Концентраторы делятся на активные и пассивные.

Активные концентраторы передают сигналы так же, как репитеры (повторители), поэтому их называют многопортовыми повторителями. Обычно они имеют от 8 до 12 портов для подключения компьютеров. Активные концентраторы питаются от электрической сети.

К пассивным концентраторам относятся монтажные или коммутирующие панели, которые просто пропускают через себя сигнал, не усиливая и не восстанавливая его. Пассивным концентраторам не требуется питание от электрической сети.

Основное преимущество топологии «звезда» – высокая надежность. Выход из строя одного или нескольких компьютеров не приводит к потере работоспособности остальной части сети. Обрыв кабеля в одном месте приводит к отключению от сети только одного компьютера. Только неисправность концентратора приводит к полной потере работоспособности сети. Недостатком этой топологии является необходимость в дополнительном расходе кабеля и установке концентратора.

Ячеистая топология

В некоторых случаях используется ячеистая топология. В данной топологии каждый компьютер соединен с каждым другим компьютером отдельным кабелем.

Схема ячеистой топологии

Сеть с ячеистой топологией обладает высокой избыточностью и надежностью. Данные от одного компьютера к другому могут передаваться по разным маршрутам, поэтому разрыв кабеля не отражается на работоспособности сети. Главный недостаток сетей с ячеистой топологией – большой расход кабеля.

Сетевые топологии

Способов объединить несколько компьютеров в сеть можно придумать очень много, однако существуют типовые шаблоны таких соединений, называемые топологиями.

Топология компьютерной сети – это геометрическое расположение элементов сети и связей между ними. 

Рисунок 1 – Базовые топологии компьютерных сетей

Базовыми топологическими схемами являются:

– полносвязная топология;

– кольцо;

– шина;

– звезда;

– дерево.

Реальные конфигурации сети могут содержать различные комбинации перечисленных топологий.

Полносвязная топология

Рисунок 2 – Полносвязная топология

Эта схема предполагает наличие прямых соединений между всеми участниками сети.

Достоинства:

– простота маршрутизации (между любыми компьютерами есть прямой контакт);

– высокая надежность (выход из строя одного узла или провода никак не влияет на остальную сеть).

Недостатки:

– плохая расширяемость (чтобы добавить новый компьютер, нужно протянуть провода ко всем остальным);

– необходимость наличия огромного количества портов подключения на каждом устройстве (равно числу узлов) и проводов (пропорционально квадрату числа узлов).

Кольцо

Рисунок 3 – Топология «кольцо»

В кольцевой схеме каждый компьютер соединен с двумя соседними, образуя кольцо. Данные перемещаются в одном направлении, то есть, каждый узел принимает информацию только от одного соседа, а другому только передает.

Достоинства:

– неограниченный масштаб сети (каждый компьютер в цепочке действует как ретранслятор, поэтому эффекты затухания сигнала учитываются только для отдельных сегментов);

– простота развертывания (компьютеру нужно иметь всего два порта подключения, причем один работает только на вход, другой – только на выход).

Недостатки:

– низкая надежность (повреждение одного кабеля выводит из строя всю сеть);

– избыточный трафик (пакет данных, предназначенный для отправки соседнему узлу, должен обойти все кольцо, если этот узел «слева»).

Двойное кольцо

Рисунок 4 – Топология «двойное кольцо»

Схема «двойное кольцо» призвана повысить надежность кольцевой топологии за счет добавления резервного маршрута, в котором данные идут в обратном направлении. Второе кольцо задействуется только при неполадках в основном.

Шина

Рисунок 5 – Топология «шина»

Топология «шина» подразумевает наличие единой магистрали, к которой подключаются все компьютеры сети. Все пакеты данных транслируются на все компьютеры, и каждый сам решает, предназначен этот пакет ему или нет.

Достоинства:

– низкая стоимость оборудования (один магистральный кабель на всю сеть);

– выход из строя отдельных узлов не влияет на сеть.

Недостатки:

– ограниченный размер (без использования повторителей, сеть не может преодолеть физические ограничения магистрали);

– повреждение магистрального кабеля выводит сеть из строя.

Звезда

Рисунок 6 – Топология «звезда»

В отличие от рассмотренных ранее сетей, в которых все узлы можно считать равноценными, в топологии «звезда» один из компьютеров выполняет задачу маршрутизации. К нему напрямую подключены все остальные узлы, он принимает пакеты от источников и пересылает их адресатам.

Достоинства:

– невысокая стоимость;

– простота развертывания.

Недостатки:

– надежность сети определяется надежностью одного узла;

– размер сети ограничен числом портов центрального компьютера.

Существует разновидность топологии «звезда», в которой центральный узел заменен специальным устройством – коммутатором, задачей которого является только пересылка пакетов данных, что повышает надежность сети. Такая схема называется «пассивная звезда», и это самая распространенная сетевая топология в настоящий момент.

Рисунок 7 – Топология «пассивная звезда»

Дерево

Рисунок 8 – Топология «дерево»

В топологии «дерево», так же, как и в «звезде» не все узлы равнозначны. Здесь компьютеры размещены на разных уровнях иерархии, и компьютер более высокого уровня (родительский) служит коммутатором для расположенных ниже (дочерних). По аналогии со «звездой», использование специализированного оборудования позволяет создать «пассивное дерево».

Рисунок 8 – Топология «пассивное дерево»

Достоинства:

– масштабируемость;

– простота обслуживания.

Недостатки:

– надежность всей дочерней подсети ограничена надежностью родительского узла;

– с ростом «дерева» замедляется передача данных.

Неполносвязная

Неполносвязных топологий существует несколько. В них, в отличие от полносвязных , может применяться передача данных не напрямую между компьютерами, а через дополнительные узлы.

Топология с общей шиной

Одна из первых физических топологий. Суть состояла в том, что к одному длинному кабелю (коаксиальному, как антенный провод) подсоединяли все устройства и организовывали локальную сеть. На концах кабеля требовались терминаторы. Как правило — это было сопротивление на 50 Ом, которое использовалось для того, чтобы сигнал не отражался в кабеле. Преимущество ее было только в простоте установки. С точки зрения работоспособности была крайне не устойчивой. Если где-то в кабеле происходил разрыв, то вся сеть оставалась парализованной, до замены кабеля.

Преимущества сетей шинной топологии:

• расход кабеля существенно уменьшен
• отказ одного из узлов не влияет на работу сети в целом;
• сеть легко настраивать и конфигурировать;
• сеть устойчива к неисправностям отдельных узлов.

Недостатки сетей шинной топологии:

• разрыв кабеля может повлиять на работу всей сети;
• ограниченная длина кабеля и количество рабочих станций;
• недостаточная надежность сети из-за проблем с разъемами кабеля;
• низкая производительность, обусловлена разделением канала между всеми абонентами.

Современные примеры топология шина:

• USB (Universal Serial Bus) — «универсальная последовательная шина» — последовательный интерфейс для подключения периферийных устройств к вычислительной технике.
• RS-485 дифференциальная линия связи типа «общая шина».
• CAN (англ. Controller Area Network — сеть контроллеров) — стандарт промышленной сети, ориентированный, прежде всего, на объединение в единую сеть различных исполнительных устройств и датчиков. Режим передачи — последовательный, широковещательный, пакетный.