Топологія комп’ютерних мереж

 

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України

Уманський державний педагогічний університет імені Павла Тичини

Інститут природничо-математичної та технологічної освіти

Фізико-математичний факультет

Кафедра інформатики та ІКТ

Реферат на тему:

«Топологія компютерних мереж»

Умань 2011

План

1. Вступ

. Топологія компютерних мереж

а) топологія «шина»

б) топологія «зірка»

в) топологія «кільце»

г) змішана топологія

. Багатозначність поняття топології

. Висновки

. Список використаних літературних джерел

1. Вступ

Топологія - це спосіб організації фізичних звязків персональних компютерів у мережі.

Власне термін «топологія» («topologie» німецькою мовою) вперше з'явився лише в 1847 р. у статті Лістінга«VorstudienzurTopologie». Однак на той час Лістінг вже понад 10 років використовував цей термін в своїх листуваннях. «Topology», англійська форма терміну, була запропонована в 1883 в журналі Nature для того щоб розрізнити якісну геометрію від геометрії звичайної, в якій превалюють кількісні співвідношення. Слово topologist - тобто тополог, в розумінні «спеціаліст з топології» було вперше використано в 1905 в журналі Spectator. Завдяки впливу згаданих вище статей Пуанкаре, топологія тривалий час була відома ще під назвою AnalysisSitus (лат. аналіз місця).

Під топологією обчислювальної мережі розуміють конфігурацію графа, вершинам якого відповідають компютери мережі (іноді й інше устаткування, наприклад концентратори), а ребрам - фізичні звязки між ними. Компютери, підімкнуті до мережі, часто називають вузлами мережі.

Конфігурація фізичних звязків визначається електричними зєднаннями компютерів між собою і може відрізнятися від конфігурації логічних звязків між вузлами мережі. Логічні звязки являють собою маршрути передавання даних між вузлами мережі й утворюються шляхом відповідного настроювання комунікаційного устаткування.

Вибір топології електричних звязків істотно впливає на чимало характеристик мережі. Наприклад, наявність резервних звязків підвищує надійність мережі й уможливлює балансування завантаження окремих каналів. Простота приєднання нових вузлів, властива деяким топологіям, робить мережу легко розширюваною. Економічні міркування часто-густо призводять до вибору топологій, яким притаманна мінімальна сумарна довжина ліній звязку.

2. Топологія компютерних мереж

Існує три основних топології мережі:

-шина (bus), при якій всі компютери паралельно підключаються до однієї лінії звязку й інформація від кожного компютера одночасно передається всім іншим компютерам ;

-зірка (star), при якій до одного центрального компютера приєднуються інші периферійні компютери, причому кожний з них використовує свою окрему лінію звязку;

кільце (ring), при якій кожний компютер передає інформацію завжди тільки одному компютеру, наступному в ланцюжку, а одержує інформацію тільки від попереднього компютера в ланцюжку, і цей ланцюжок замкнутий в «кільце».

а) топологія «шина»

Топологія «шина» (або, як її ще називають, «загальна шина») самою своєю структурою припускає ідентичність мережного устаткування компютерів, а також рівноправність всіх абонентів. При такому зєднанні компютери можуть передавати тільки по черзі, тому що лінія звязку єдина. У противному випадку передана інформація буде спотворюватися в результаті накладення (конфлікту, колізії). Таким чином, у шині реалізується режим напівдуплексного (halfduplex) обміну (в обох напрямках, але по черзі, а не одночасно).

Рис. 1. Мережна топологія «шина»

У топології «шина» відсутній центральний абонент, через який передається вся інформація, що збільшує її надійність (адже при відмові будь-якого центра перестає функціонувати вся керована цим центром система). Додавання нових абонентів у шину досить просте й звичайно можливе навіть під час роботи мережі. У більшості випадків при використанні шини потрібна мінімальна кількість сполучного кабелю в порівнянні з іншими топологіями. Правда, треба врахувати, що до кожного компютера (крім двох крайніх) підходить два кабелі, що не завжди зручно.

Тому що дозвіл можливих конфліктів у цьому випадку лягає на мережне устаткування кожного окремого абонента, апаратура мережного адаптера при топології «шина» виходить складніше, ніж при інших топологіях. Однак через широке поширення мереж з топологією «шина» (Ethernet, Arcnet) вартість мережного устаткування виходить не занадто високою.

Шині не страшні відмови окремих компютерів, тому що всі інші компютери мережі можуть нормально продовжувати обмін. Може здатися, що шині не страшний і обрив кабелю, оскільки в цьому випадку ми одержимо дві цілком працездатні шини.

Однак через особливості поширення електричних сигналів по довгих лініях звязку необхідно передбачати включення на кінцях шини спеціальних пристроїв - термінаторів, показаних на рис. 1 у вигляді прямокутників. Без включення термінаторів сигнал відбивається від кінця лінії й спотворюється так, що звязок по мережі стає неможливою.

Так що при розриві або ушкодженні кабелю порушується узгодження лінії звязку, і припиняється обмін навіть між тими компютерами, які залишилися зєднаними між собою.

Коротке замикання в будь-якій крапці кабелю шини виводить із ладу всю мережу. Будь-яка відмова мережного устаткування в шині дуже важко локалізувати, тому що всі адаптери включені паралельно, і зрозуміти, який з них вийшов з ладу, не так-те просто.

При проходженні по лінії звязку мережі з топологією «шина» інформаційні сигнали послабляються й ніяк не відновлюються, що накладає тверді обмеження на сумарну довжину ліній звязку, крім того, кожний абонент може одержувати з мережі сигнали різного рівня залежно від відстані до передавального абонента.

Це висуває додаткові вимоги до прийомних вузлів мережного устаткування.

Для збільшення довжини мережі з топологією «шина» часто використовують кілька сегментів (кожний з яких являє собою шину), зєднаних між собою за допомогою спеціальних відновлювачів сигналів - репітерів.

Однак таке нарощування довжини мережі не може тривати нескінченно, тому що існують ще й обмеження, повязані з кінцевою швидкістю поширення сигналів по лініях звязку.

б) топологія «зірка»

Топологія «Зірка» - це топологія з явно виділеним центром, до якого підключаються всі інші абоненти.

Весь обмін інформацією йде винятково через центральний компютер, на який у такий спосіб лягає дуже більше навантаження, тому нічим іншим, крім мережі, воно займатися не може.

Зрозуміло, що мережне устаткування центрального абонента повинне бути істотно більше складним, чим устаткування периферійних абонентів. Про рівноправність абонентів у цьому випадку говорити не доводиться. Як правило, саме центральний компютер є самим потужним, і саме на нього покладають всі функції по керуванню обміном.

Ніякі конфлікти в мережі з топологією «зірка» у принципі неможливі, тому що керування повністю централізоване, конфліктувати нема чому.

Рис. 2. Мережна топологія «зірка»

Якщо говорити про стійкість зірки до відмов компютерів, то вихід з ладу периферійного компютера ніяк не відбивається на функціонуванні частини мережі, що залишилася, зате будь-яка відмова центрального компютера робить мережу повністю непрацездатною. Тому повинні прийматися спеціальні заходи щодо підвищення надійності центрального компютера і його мережної апаратури. Обрив будь-якого кабелю або коротке замикання в ньому при топології «зірка» порушує обмін тільки з одним компютером, а всі інші компютери можуть нормально продовжувати роботу.

На відміну від шини, у зірці на кожній лінії звязку перебувають тільки два абоненти: центральний і один з периферійних. Найчастіше для їхнього зєднання використовується дві лінії звязку, кожна з яких передає інформацію тільки в одному напрямку. Таким чином, на кожній лінії звязку є тільки один приймач і один передавач. Все це істотно спрощує мережне встаткування в порівнянні із шиною й рятує від необхідності застосування додаткових зовнішніх термінаторів. Проблема загасання сигналів у лінії звязку також вирішується в «зірці» простіше, ніж в «шині», адже кожний приймач завжди одержує сигнал одного рівня. Серйозний недолік топології «зірка» складається у жорсткому обмеженні кількості абонентів. Звичайно центральний абонент може обслуговувати не більше 8-16 периферійних абонентів. Якщо в цих межах підключення нових абонентів досить просто, то при їхньому перевищенні воно просто неможливо. Правда, іноді в зірці передбачається можливість нарощування, тобто підключення замість одного з периферійних абонентів ще одного центрального абонента (у результаті виходить топологія з декількох зєднаних між собою зірок).

Зірка, показана на мал. 2, зветься активної, або справжньої зірки. Існує також топологія, що називається пасивною зіркою, що тільки зовні схожа на зірку (рис. 3). У цей час вона поширена набагато більше, ніж активна зірка. Досить сказати, що вона використовується в самій популярній на сьогоднішній день мережі Ethernet.

Рис. 3. Топологія «пасивна зірка»

У центрі мережі з даною топологією міститься не компютер, а концентратор, або хаб (hub), що виконує ту ж функцію, що й репітер. Він відновлює сигнали, що надходять, й пересилає їх в інші лінії звязку. Хоча схема прокладки кабелів подібна справжній або активній зірці, фактично ми маємо справу із шинною топологією, тому що інформація від кожного компютера одночасно передається до всіх інших компютерів, а центрального абонента не існує. Природно, пасивна зірка виходить дорожче звичайної шини, тому що в цьому випадку обовязково потрібно ще й концентратор. Однак вона надає цілий ряд додаткових можливостей, повязаних з перевагами зірки. Саме тому останнім часом пасивна зірка усе більше витісняє справжню зірку, що вважається малоперспективною топологією.

Можна виділити також проміжний тип топології між активною й пасивною зіркою. У цьому випадку концентратор не тільки ретранслює сигнали, але й робить керування обміном, однак сам в обміні не бере участь.

Велика перевага зірки (як активної, так і пасивної) полягає в тому, що всі точки підключення зібрані в одному місці. Це дозволяє легко контролювати роботу мережі, локалізувати несправності мережі шляхом простого відключення від центра тих або інших абонентів (що неможливо, наприклад, у випадку шини), а також обмежувати доступ сторонніх осіб до життєво важливого для мережі точкам підключення. До кожного периферійного абонента у випадку зірки може підходити як один кабель (по якому йде передача в обох напрямках), так і два кабелі (кожний з них передає в одному напрямку), причому друга ситуація зустрічається частіше. Загальним недоліком для всіх топологій типу «зірка» є значно більша, ніж при інших топологіях, витрата кабелю. Наприклад, якщо компютери розташовані в одну лінію (як на рис. 1), те при виборі топології «зірка» знадобиться в кілька разів більше кабелю, чим при топології «шина». Це може істотно вплинути на вартість всієї мережі в цілому.

в) топологія «кільце»

Топологія «Кільце» - це топологія, у якій кожний компютер зєднаний лініями звязку тільки із двома іншими: від одного він тільки одержує інформацію, а іншому тільки передає. На кожній лінії звязку, як і у випадку зірки, працює тільки один передавач і один приймач. Це дозволяє відмовитися від застосування зовнішніх термінаторів. Важлива особливість кільця полягає в тому, що кожний компютер ретранслює (відновлює) сигнал, тобто виступає в ролі репітера, тому загасання сигналу у всьому кільці не має ніякого значення, важливо тільки загасання між сусідніми компютерами кільця. Чітко виділеного центра в цьому випадку немає, всі компютери можуть бути однаковими. Однак досить часто в кільці виділяється спеціальний абонент, що управляє обміном або контролює обмін. Зрозуміло, що наявність такого керуючого абонента знижує надійність мережі, тому що вихід його з ладу відразу ж паралізує весь обмін.

Рис. 4. Мережна топологія «кільце»

Строго говорячи, компютери в кільці не є повністю рівноправними (у відмінність, наприклад, від шинної топології). Одні з них обовязково одержують інформацію від компютера, що веде передачу в цей момент, раніше, а інші - пізніше.

Саме на цій особливості топології й будуються методи керування обміном по мережі, спеціально розраховані на «кільце». У цих методах право на наступну передачу (або, як ще говорять, на захвата мережі) переходить послідовно до наступного по колу компютеру.

Підключення нових абонентів в «кільце» звичайно зовсім безболісно, хоча й вимагає обовязкової зупинки роботи всієї мережі на час підключення. Як і у випадку топології «шина», максимальна кількість абонентів у кільці може бути досить велика (до тисячі й більше). Кільцева топологія звичайно є самою стійкою до перевантажень, вона забезпечує впевнену роботу із самими великими потоками переданої по мережі інформації, тому що в ній, як правило, немає конфліктів (на відміну від шини), а також відсутній центральний абонент (на відміну від зірки).

Тому що сигнал у кільці проходить через всі компютери мережі, вихід з ладу хоча б одного з них (або ж його мережного встаткування) порушує роботу всієї мережі в цілому.

Точно так само будь-який обрив або коротке замикання в кожному з кабелів кільця робить роботу всієї мережі неможливої. Кільце найбільш уразливе до ушкоджень кабелю, тому в цій топології звичайно передбачають прокладку двох (або більше) паралельних ліній звязку, одна з яких перебуває в резерві.

У той же час велика перевага кільця полягає в тому, що ретрансляція сигналів кожним абонентом дозволяє істотно збільшити розміри всієї мережі в цілому (часом до декількох десятків кілометрів). Кільце щодо цього істотно перевершує будь-які інші топології.

Недоліком кільця (у порівнянні із зіркою) можна вважати те, що до кожного компютера мережі необхідно підвести два кабелі.

Іноді топологія «кільце» виконується на основі двох кільцевих ліній звязку, що передають інформацію в протилежних напрямках. Мета подібного рішення - збільшення (в ідеалі удвічі) швидкості передачі інформації.

До того ж при ушкодженні одного з кабелів мережа може працювати з іншим кабелем (правда, гранична швидкість зменшиться).

Крім трьох розглянутих основних, базових топологій нерідко застосовується також мережна топологія «дерево» (tree), яку можна розглядати як комбінацію декількох зірок.

Як і у випадку зірки, дерево може бути активним, або справжнім (рис. 5), і пасивним (рис. 6). При активному дереві в центрах обєднання декількох ліній звязку перебувають центральні компютери, а при пасивному - концентратори (хаби).

Рис. 5. Топологія «активне дерево»Рис. 6. Топологія «пасивне дерево». К - концентратори

г) змішана топологія

Сьогодні можна зустріти мережі, у яких сполучаються шинна, зіркоподібна і кільцева топології. Дві найбільш розповсюджені комбінації представлені на рис. 7.

Рис. 7. Змішана топологія

Шинно-зіркоподібна топологія комбінує мережі типу "зірка" і "шина", зв'язуючи декілька концентраторів шинними магістралями. Якщо один з комп'ютерів відмовляє, концентратор може виявити вузол, що відмовив, і ізолювати несправну машину. При відмові концентратора з'єднані з ним комп'ютери не зможуть взаємодіяти з мережею, а шина розімкнеться на два не зв'язаних один з одним сегмента.

персональний комп'ютер топологія мережа

3. Багатозначність поняття топології

Топологія мережі визначає не тільки фізичне розташування компютерів, але, що набагато важливіше, характер звязків між ними, особливості поширення сигналів по мережі. Саме характер звязків визначає ступінь відмовостійкості мережі, необхідну складність мережної апаратури, найбільш підходящий метод керування обміном, можливі типи середовищ передачі (каналів звязку), припустимий розмір мережі (довжина ліній звязку й кількість абонентів), необхідність електричного узгодження й багато чого іншого.

Коли в літературі згадується про топологію мережі, то можуть мати на увазі чотири зовсім різних поняття, що ставляться до різних рівнів мережної архітектури:

. Фізична топологія (тобто схема розташування компютерів і прокладки кабелів). У цьому змісті, наприклад, пасивна зірка нічим не відрізняється від активної зірки, тому її нерідко називають просто «зіркою».

. Логічна топологія (тобто структура звязків, характер поширення сигналів по мережі). Це, напевно, найбільш правильне визначення топології.

. Топологія керування обміном (тобто принцип і послідовність передачі права на захват мережі між окремими компютерами).

. Інформаційна топологія (тобто напрямок потоків інформації, переданої по мережі).

Наприклад, мережа з фізичною й логічною топологією «шина» може як метод керування використовувати естафетну передачу права захвата мережі (тобто бути в цьому змісті кільцем) і одночасно передавати всю інформацію через один виділений компютер (бути в цьому змісті зіркою).

4. Висновки

З розвитком компютерної техніки стала можливою обробка потоків інформації, що постійно збільшуються та стають дедалі і складними. Для обміну інформацією між компютерами винайшли способи іх зєднання, використовуючи різні фізичні середовища для передачі данних.

Система, яка поєднує в собі апаратне та програмне забезпечення, а також засоби зєднання компютерів називається компютерною мережею, яка характеризується багатьма параметрами. Основними з них є топологія та архітектура.

При проектуванні мережі в першу чергу треба розробити її топологію. При правильному підході до цього питання мають бути ретельно проаналізованими такі характеристики мережі, як передбачувані обсяги інформації, яка буде оброблюватися, кількість робочих станцій та серверів, типи зєднань, необхідна швидкість передачі данних, поділ мережі на сегменти тощо. Від неупередженого підходу до цього питання залежить майбутня продуктивність мережі.

В загальному випадку, топологією можна назвати форму розміщення кабелів, які зєднують всі компоненти мережі. Існують три основних типи топологій: в вигляді шини, зірки та кільця. Використовуються також різні варіанти їх комбінацій. Розрізняють також фізичну топологію, яка визначає фізичне розміщення вузлів та зєднань (шина, зірка, кільце), і логічну, при якій визначаються напрям і порядок обробки потоків данних (шина, кільце).

При аналізі топологій мереж використовуються таке поняття, як робота багатопроцесорного паралельного комплексу, в якому кожний процесор є окремим комп'ютером в мережі, а зв'язки між процесорами являють собою ліній, якими з'єднано робочі станції.

Існує багато підходів до побудови паралельних комплексів. Класифікацію їх архітектур почнемо з машин безпосереднього зв'язку, в яких кожен процесор безпосередньо пов'язаний з декількома іншими. За такої архітектури кожен процесор має власну пам'ять, яка містить локальні змінні та сполучаються один з одним за допомогою керуючих сигналів.

5. Список використаних літературних джерел

1. Інформатика. Компютерна техніка та програмне забезпечення. Інформаційні системи (Курс лекцій)

. http://uk.wikipedia.org/wiki/Топологія_мереж

. http://uk.wikipedia.org/wiki/Топологія

. http://comp-net.at.ua/index/topologija_komp_39_juternikh_merezh/0-6

Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України Уманський державний педагогічний університет імені Павла Тичини Інститут природничо-математичної та

Больше работ по теме: