При об'єднанні в мережу більшого числа комп'ютерів виникає цілий комплекс нових проблем.

Насамперед необхідно вибрати спосіб організації фізичних зв'язків, тобто топологію. Під топологією обчислювальної мережі розуміється конфігурація графа, вершинам якого відповідають комп'ютери мережі (іноді і інше устаткування, наприклад концентратори), а ребрам - фізичні зв'язки між ними. Комп'ютери, підключені до мережі, часто називають станціями або вузлами мережі.

Відмітимо, що конфігурація фізичних зв'язків визначається електричними з'єднаннями комп'ютерів між собою і може відрізнятися від конфігурації логічних зв'язків між вузлами мережі. Логічними зв'язками є маршрути передачі даних між вузлами мережі і утворюються шляхом відповідного налаштування комунікаційного устаткування.

Вибір топології електричних зв'язків істотно впливає на багато характеристик мережі. Наприклад, наявність резервних зв'язків підвищує надійність мережі і робить можливим балансування завантаження окремих каналів. Простота приєднання нових вузлів, властива деяким топологиям, робить мережу легко розширюваною. Економічні міркування часто приводять до вибору топологий, для яких характерна мінімальна сумарна довжина ліній зв'язку. Розглянемо деякі, що найчастіше зустрічаються топології.

Повнозв'язна топологія (рис. 1.2, а) відповідає мережі, в якій кожен комп'ютер мережі пов'язаний зі всіма останніми. Не дивлячись на логічну простоту, цей варіант виявляється громіздким і неефективним. Дійсно, кожен комп'ютер в мережі повинен мати велику кількість комунікаційних портів, достатню для зв'язку з кожним з решти комп'ютерів мережі. Для кожної пари комп'ютерів має бути виділена окрема електрична лінія зв'язку. Повнозв'язні топології застосовуються рідко, оскільки не задовольняють жодному з приведених вище вимог. Частіше цей вид топології використовується в багатомашинних комплексах або глобальних мережах при невеликій кількості комп'ютерів.

Всі інші варіанти засновані на неполносвязных топологиях, коли для обміну даними між двома комп'ютерами може потрібно проміжна передача даних через інші вузли мережі.

Комірчаста топологія (mesh) виходить з повнозв'язної шляхом видалення деяких можливих зв'язків (рис. 1.2, б). У мережі з комірчастою топологією безпосередньо зв'язуються тільки ті комп'ютери, між якими відбувається інтенсивний обмін даними, а для обміну даними між комп'ютерами, не сполученими прямими зв'язками, використовуються транзитні передачі через проміжні вузли. Комірчаста топологія допускає з'єднання великої кількості комп'ютерів і характерна, як правило, для глобальних мереж.

Загальна шина (рис. 1.2, в) є дуже поширеною (а до недавнього часу найпоширенішою) топологією для локальних мереж. В цьому випадку комп'ютери підключаються до одного коаксіального кабелю по схемі «монтажного АБО». Передавана інформація може розповсюджуватися в обидві сторони. Застосування загальної шини знижує вартість проводки, уніфікує підключення різних модулів, забезпечує можливість майже миттєвого широкомовного звернення до всіх станцій мережі. Таким чином, основними перевагами такої схеми є дешевизна і простота розводки кабелю по приміщеннях. Найсерйозніший недолік загальної шини полягає в її низькій надійності: будь-який дефект кабелю або якого-небудь з численних роз'ємів повністю паралізує всю мережу. На жаль, дефект коаксіального роз'єму рідкістю не є. Іншим недоліком загальної шини є її невисока продуктивність, оскільки при такому способі підключення в кожен момент часу тільки один комп'ютер може передавати дані в мережу. Тому пропускна спроможність каналу зв'язку завжди ділиться тут між всіма вузлами мережі.

Топологія зірка (рис. 1.2, г). В цьому випадку кожен комп'ютер підключається окремим кабелем до загального пристрою, званого концентратором, який знаходиться в центрі мережі. У функції концентратора входить напрям передаваній комп'ютером інформації одному або решті всіх комп'ютерів мережі. Головна перевага цієї топології перед загальною шиною - істотно велика надійність. Будь-які неприємності з кабелем стосуються лише того комп'ютера, до якого цей кабель приєднаний, і лише несправність концентратора може вивести з ладу всю мережу. Крім того, концентратор може грати роль інтелектуального фільтру інформації, що поступає від вузлів в мережу, і при необхідності блокувати заборонені адміністратором передачі.

До недоліків топології типу зірка відноситься вища вартість мережевого устаткування із-за необхідності придбання концентратора. Крім того, можливості по нарощуванню кількості вузлів в мережі обмежуються кількістю портів концентратора. Іноді має сенс будувати мережу з використанням декількох концентраторів, ієрархічно сполучених між собою зв'язками типу зірка (рис. 1.2, д). В даний час ієрархічна зірка є найпоширенішим типом топології зв'язків як в локальних, так і глобальних мережах.

У мережах з кільцевою конфігурацією (рис. 1.2, е) дані передаються по кільцю від одного комп'ютера до іншого, як правило, в одному напрямі. Якщо комп'ютер розпізнає дані як «свої», то він копіює їх собі у внутрішній буфер. У мережі з кільцевою топологією необхідно приймати спеціальні заходи, щоб у разі виходу з ладу або відключення якої-небудь станції не урвався канал зв'язку між рештою станцій. Кільце є дуже зручною конфігурацією для організації зворотного зв'язку - дані, зробивши повний оборот, повертаються до вузла-джерела. Тому цей вузол може контролювати процес доставки даних адресатові. Часто це властивість кільця використовується для тестування зв'язності мережі і пошуку вузла, що працює некоректно. Для цього в мережу посилаються спеціальні тестові повідомлення.

Рис. 1.2. Типові топології мереж

Тоді як невеликі мережі, як правило, мають типову топологію - зірка, кільце або загальна шина, для крупних мереж характерна наявність довільних зв'язків між комп'ютерами. У таких мережах можна виділити окремі довільно зв'язані фрагменти (підмережі), що мають типову топологію, тому їх називають мережами із змішаною топологією (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Змішана топологія

1.1.2 Організація сумісного використання ліній зв'язку

Тільки у мережі з повнозв'язною топологією для з'єднання кожної пари комп'ютерів є окрема лінія зв'язку. У решті всіх випадків неминуче виникає питання про те, як організувати сумісне використання ліній зв'язку декількома комп'ютерами мережі. Як і завжди при розділенні ресурсів, головною метою тут є здешевлення мережі.

У обчислювальних мережах використовують як індивідуальні лінії зв'язку між комп'ютерами, так і що розділяються (shared), коли одна лінія зв'язку поперемінно використовується декількома комп'ютерами. У разі застосування ліній зв'язку (часто використовується також термін середовище передачі даних, що розділяється, - shared media), що розділяються, виникає комплекс проблем, пов'язаних з їх сумісним використанням, який включає як чисто електричні проблеми забезпечення потрібної якості сигналів при підключенні до одного і тому ж дроту декількох приймачів і передавачів, так і логічні проблеми розділення в часі доступу до цих ліній.

Класичним прикладом мережі з лініями зв'язку, що розділяються, є мережі з топологією «загальна шина», в яких один кабель спільно використовується всіма комп'ютерами мережі. Жоден з комп'ютерів мережі в принципі не може індивідуально, незалежно від всіх інших комп'ютерів мережі, використовувати кабель, оскільки при одночасній передачі даних відразу декількома вузлами сигнали змішуються і спотворюються. У топологиях «кільце» або «зірка» індивідуальне використання ліній зв'язку, що сполучають комп'ютери, принципово можливо, але ці кабелі часто також розглядають як мережі, що розділяються для всіх комп'ютерів, так що, наприклад, тільки один комп'ютер кільця має право в даний момент часу відправляти по кільцю пакети іншим комп'ютерам.

Існують різні способи рішення задачі організації сумісного доступу до ліній зв'язку, що розділяються. Усередині комп'ютера проблеми розділення ліній зв'язку між різними модулями також існують - прикладом є доступ до системної шини, яким управляє або процесор, або спеціальний арбітр шини. У мережах організація сумісного доступу до ліній зв'язку має свою специфіку із-за істотно більшого часу розповсюдження сигналів по довгих проводах, до того ж це час для різних пар комп'ютерів може бути різним. Через це процедури узгодження доступу до лінії зв'язку можуть займати дуже великий проміжок часу і приводити до значних втрат продуктивності мережі.

Не дивлячись на всі ці складнощі, в локальних мережах лінії зв'язку, що розділяються, використовуються дуже часто. Цей підхід, зокрема, реалізований в широко поширених класичних технологіях Ethernet і Token Ring. Проте останніми роками намітилася тенденція відмови від середовищ передачі даних, що розділялися, і в локальних мережах. Це пов'язано з тим, що за здешевлення мережі, що досягається таким чином, доводиться розплачуватися продуктивністю.

Мережа з середовищем, що розділяється, при великій кількості вузлів працюватиме завжди повільніше, ніж аналогічна мережа з індивідуальними лініями зв'язку, оскільки пропускна спроможність індивідуальної лінії зв'язку дістається одному комп'ютеру, а при її сумісному використанні - ділиться на всі комп'ютери мережі.

Часто з такою втратою продуктивності миряться ради збільшення економічної ефективності мережі. Не тільки у класичних, але і в зовсім нових технологіях, розроблених для локальних мереж, зберігається режим ліній зв'язку, що розділяються. Наприклад, розробники технології Gigabit Ethernet, прийнятої в 1998 році як новий стандарт, включили режим розділення передавального середовища в свої специфікації разом з режимом роботи по індивідуальних лініях зв'язку.

При використанні індивідуальних ліній зв'язку в повнозв'язних топологиях кінцеві вузли повинні мати по одному порту на кожну лінію зв'язку. У зіркоподібних топологиях кінцеві вузли можуть підключатися індивідуальними лініями зв'язку до спеціального пристрою - комутатора. У глобальних мережах комутатори використовувалися вже на початковому етапі, а в локальних мережах - з початку 90-х років. Комутатори приводять до істотного дорожчання локальної мережі, тому поки їх застосування обмежене, але у міру зниження вартості комутації цей підхід, можливо, витіснить застосування ліній зв'язку, що розділяються. Необхідно підкреслити, що індивідуальними в таких мережах є тільки лінії зв'язку між кінцевими вузлами і комутаторами мережі, а зв'язки між комутаторами залишаються такими, що розділяються, оскільки по ним передаються повідомлення різних кінцевих вузлів (рис. 1.4).

Рис. 1.4. Індивідуальні лінії зв'язку, що розділяються, в мережах на основі комутаторів

У глобальних мережах відмова від ліній, що розділяються, зв'язку пояснюється технічними причинами. Тут великі тимчасові затримки розповсюдження сигналів принципово обмежують застосовність техніки розділення лінії зв'язку. Комп'ютери можуть витратити більше часу на переговори про той, кому зараз можна використовувати лінію зв'язку, чим безпосередньо на передачу даних по цій лінії зв'язку. Проте це не відноситься до ліній зв'язку типу «комутатор - комутатор». В цьому випадку тільки два комутатори борються за доступ до лінії зв'язку, і це істотно спрощує завдання організації сумісного використання лінії.

1.2 Структуризація каналів як засіб побудови великих мереж

У мережах з невеликою (10-30) кількістю комп'ютерів найчастіше використовується одна з типових топологий - загальна шина, кільце, зірка або повнозв'язна мережа. Всі перераховані топології володіють властивістю однорідності, тобто всі комп'ютери в такій мережі мають однакові має рацію відносно доступу до інших комп'ютерів (за винятком центрального комп'ютера при з'єднанні зірка). Така однорідність структури робить простий процедуру нарощування числа комп'ютерів, полегшує обслуговування і експлуатацію мережі.

Проте при побудові великих мереж однорідна структура зв'язків перетворюється з переваги в недолік. У таких мережах використання типових структур породжує різні обмеження, найважливішими з яких є:

· обмеження на довжину зв'язку між вузлами;

· обмеження на кількість вузлів в мережі;

· обмеження на інтенсивність трафіку, що породжується вузлами мережі.

Наприклад, технологія Ethernet на тонкому коаксіальному кабелі дозволяє використовувати кабель завдовжки не більше 185 метрів, до якого можна підключити не більше 30 комп'ютерів. Проте, якщо комп'ютери інтенсивно обмінюються інформацією між собою, іноді доводиться знижувати число підключених до кабелю комп'ютерів 20, а то і до 10, щоб кожному комп'ютеру діставалася прийнятна частка загальної пропускної спроможності мережі.

Для зняття цих обмежень використовуються спеціальні методи структуризації мережі і спеціальне структуротворне устаткування - повторители, концентратори, мости, комутатори, маршрутизатори. Устаткування такого роду також називають комунікаційним, маючи на увазі, що за допомогою його окремі сегменти мережі взаємодіють між собою.

1.2.1 Фізична структуризація мережі

Просте з комунікаційних пристроїв - повторитель (repeater) - використовується для фізичного з'єднання різних сегментів кабелю локальної мережі з метою збільшення загальної довжини мережі. Повторітель передає сигнали, що приходять з одного сегменту мережі, в інших її сегменти (рис. 1.5). Повторітель дозволяє подолати обмеження на довжину ліній зв'язку за рахунок поліпшення якості передаваного сигналу - відновлення його потужності і амплітуди, поліпшення фронтів і тому подібне

Страницы: 1, 2, 3