Шинная топология локальной вычислительной сети

При шинной топологии среда передачи информации представляется в форме коммуникационного пути, доступного для всех рабочих станций, к которому они все должны быть подключены. Все рабочие станции могут непосредственно вступать в контакт с любой рабочей станцией, имеющейся в локальной вычислительной сети.
Рабочие станции в любое время, без прерывания работы всей локальной вычислительной сети, могут быть подключены к ней или отключены. Функционирование локальной вычислительной сети не зависит от состояния отдельной рабочей станции. Под базовыми мы будем понимать топологические конструкции, которые обладают принципиально различными свойствами. В качестве базовых топологий современных сетей выступают: "звезда", "кольцо", "шина" и полносвязная топология, называемая также топологией полного графа (см. рис. 1). Отметим, что в математике дополнительным к полному графу считают безреберный граф, - то есть граф, в котором ребер нет вообще; а дополнительным к графу, соответствующему кольцевой топологии, является опять-таки "кольцевой" граф (во всяком случае, это справедливо для случая пятивершинного графа, что и проиллюстрировано на рис. 1). При этом от выбранной логической топологии будет зависеть выбор метода управления доступом к среде передачи (например, Ethernet или Token Ring), на основе которого будет функционировать ваша сеть, а также тип физической среды передачи данных. "Звезда" наиболее часто используется в сетях, состоящих из миникомпьютеров, и в сетях Arcnet. "Кольцо" популярно в сетях Token Ring, топология шины используется в сети Ethernet. Полносвязная топология обычно используется в многомашинных комплексах или глобальных сетях при небольшом числе компьютеров. Кроме того, полносвязная топология применяется в радиосетях определенного типа - в тех, где применяются всенаправленные антенны, и которые работают в режиме циркулярной связи. Логическая схема сети может отличаться от физической. Логическая топология определяет электрическую цепь для прохождения сигналов; физическая схема устанавливает, как размещаются кабели, концентраторы и узлы. Например, сеть Ethernet должна иметь логическую топологию шины. Однако она может быть физически сконфигурирована как "шина" или "звезда". Сеть Token Ring имеет логическую топологию кольца, но физически сконфигурирована как "звезда". FDDI - логическое "кольцо", а физически сконфигурирована как "кольцо" или как "звезда". Вообще говоря, большинство сетей должны иметь логическую полносвязную топологию, то есть обеспечивать связь типа "каждый с каждым". Число таких связей в сети с n оконечными узлами равно числу сочетаний из n по 2, то есть n(n-1)/2. Реализовать такую топологию физически крайне трудно, вследствие чего на физическом уровне применяются другие базовые топологии, допускающие возможность передачи информации между двумя оконечными узлами через некоторый промежуточный узел. Перед подробным рассмотрением основных типов топологий оговорим маленькую деталь - число узлов в сети. Дело в том, что при наличии только двух узлов ни о какой топологии речи быть не может - все базовые топологии изображаются одним и тем же графом с двумя вершинами и одним ребром. При трех узлах "шина" совпадает со "звездой", а кольцевая топология - с полносвязной. И только при четырех и более узлах сети с различными топологиями будут отличаться друг от друга существенным образом. Базовые топологии используются при построении реальных сетей, в которых могут применяться различные комбинированные варианты базовых топологий. При этом базовые топологии, как правило, лежат в основе построения отдельных сегментов или подсетей общей сети. Такие топологии принято называть смешанными.

"Кольцо"

Рассматривая топологию "кольцо", нужно сразу оговорить различия между физической и логической топологиями. При логической топологии кольца пакеты распространяются последовательно от узла к узлу в заранее определенном порядке. Узлы образуют замкнутый круг и, таким образом, узел, отправивший пакет, является последним из узлов, который его получит. Сети Token Ring являются лучшим примером логической топологии кольца. Физическая топология кольца предполагает такую организацию сети, в которой каждый из узлов соединен с двумя другими, образуя замкнутый круг. Информация пересылается лишь в одном из направлений таким образом, что существует жесткая связь между каждым из узлов и двумя другими, один из которых передает ему пакеты, а другой получает их от него. Физическая топология кольца обладает существенными недостатками: если в работе какого-либо из узлов произошел сбой, то работа всей сети будет парализована; локализация неисправностей из-за осуществления коммуникаций лишь в одном направлении представляет собой трудную задачу; добавление или удаление узла разрушает сеть. Из-за указанных недостатков такая физическая топология встречается довольно редко. Так, в частности, стандарт Token Ring компании IBM предусматривает логическую топологию - "кольцо", а физическую - "звезда" (см. рис. 3). Несмотря на то, что физически это "звезда", архитектура Token Ring фирмы IBM логически (то есть с точки зрения прохождения электрических сигналов) выполнена в виде кольца. Стрелками на этом рисунке показаны траектории движения пакетов вдоль кольца от одной станции к другой. В стандарте IEEE 802.5 для определения очередности передачи информации используется короткое соединение - маркер (token), который по очереди передается от станции к станции (в отечественной литературе маркер иногда называют эстафетой). Если станция не желает ничего передавать, она просто передает "свободный" маркер следующей станции. "Занятый" же маркер циркулирует по сети до тех пор, пока не достигнет адресата, а затем возвращается к передававшей станции (узлу), которая удаляет сообщение и отправляет в сеть "свободный" маркер.

В сети Token Ring узлы подключаются к одному концентратору - модулю множественного доступа (MSAU - Multi Station Access Unit), иногда называемому модулем доступа к среде (MAU - Media Access Unit). В однонаправленном логическом кольце MSAU передает маркер от станции к станции по звездообразному маршруту. В сети с передачей маркера заложены некоторые функции отказоустойчивости. Например, один из компьютеров, назначенный на роль монитора, способен "отлавливать" маркеры, бесконечно циркулирующие из-за неполадок с передающим устройством. Кроме того, все компьютеры кольца участвуют в локализации неполадок сети благодаря процессу "испускания маяка" (beaconing), когда заподозривший неполадку посылает по сети специальный сигнал-маяк (beacon). Время владения разделяемой средой в сети Token Ring ограничивается временем удержания маркера (token holding time), по истечении которого станция обязана прекратить передачу собственных данных и передать маркер далее по кольцу. Иерархическое "кольцо". В иерархических кольцах используется тот же принцип разных уровней концентраторов, что и в иерархических "звездах", только в этом случае применяется базовая топология "кольцо", а не "звезда". Двойное "кольцо". Представителем физической и логической топологии сети "двойное кольцо" является стандарт FDDI (Fiber Distributed Data Interface), использующий оптоволоконную среду передачи данных. Стоит отметить, что технология FDDI не предусмотрена для уровня пользователей. Иначе говоря, если вернуться к ранее описанной иерархической структуре сети, FDDI будет верхним уровнем, объединяющим концентраторы. Особенность FDDI, по сравнению с обычным "кольцом", заключается в использовании двух "колец": внутреннего и внешнего. При штатном режиме работы используется только внешнее "кольцо". При аварии одной из станций внешнее и внутреннее "кольца" замыкаются в одно "кольцо". Доступ же к разделяемой среде передачи остается прежним - через маркер.

"Шина"

Пример топологии "шины" - соединение всех рабочих станций на коаксиальный кабель через специальный разъем, выполненный по схеме "монтажное ИЛИ".

В физической топологии шины все сетевые узлы (станции) равноправно соединены между собой с помощью открытого (open ended) кабеля. Этот кабель может поддерживать только один канал и называется "шиной" (bus). Оба конца кабеля должны оканчиваться резистивной нагрузкой, называемой оконечным резистором или терминатором (terminating resister), - для предотвращения отражения сигналов (signal bouncing). Если терминатора нет, то сигнал, дойдя до конца кабеля, меняет свое направление. В результате одна передача может полностью захватить всю полосу пропускания сети и препятствовать передачам от других станций. Логическая топология шины предусматривает распространение пакетов таким образом, что сообщение получают все узлы, и каждый узел проверяет, не ему ли адресовано сообщение. Положительными сторонами топологии шины являются: незначительная протяженность кабельных соединений, наиболее простая схема монтажа; простота в отключении и подключении станции к сети. Архитектуры, основанные на топологии общей шины, являются наиболее простыми и гибкими. Недостатки этой топологии следующие: затруднения при диагностике и техническом обеспечении; при интенсивном трафике станциям придется ожидать длительное время, чтобы получить доступ к полосе пропускания.

Примером топологии шины является стандарт Ethernet, который в настоящее время является самым распространенным стандартом для локальных сетей. Существует множество стандартов Ethernet. Стандарт Ethernet, выпущенный в 1975 г., сегодня практически не используется. Ethernet 2 (Ethernet DIX) IEEE 802.3 в литературе обычно обозначается просто как Ethernet.

Следующий перечень стандартов различается, в основном, используемой средой передачи: Ethernet 10Base-5, 10Base-2 - коаксиальный кабель; 10Base-FOIXL, 10Base-FL, 10Base-FB - волоконно-оптический кабель; 10Base-T использует витую пару и предусматривает физическую топологию "звезда". Более новые версии: Fast Ethernet и Gigabit Ethernet, вызвавшие включение в IEEE 802.3 дополнительных разделов 802.3u и 802.3z соответственно. Fast Ethernet имеет физическую топологию - иерархическую древовидную структуру на концентраторах разного уровня. Fast Ethernet предусматривает использование в качестве среды витой пары (стандарт 100Base-TX и 100Base-TH) и оптического волокна (стандарт 100BaseFX). В Gigabit Ethernet средой передачи данных служит оптическое волокно (см. таблицу).

Новым словом в этой области является стандарт 100VG-AnyLAN. Его главное отличие от стандарта Ethernet заключается в поддержке двух технологий - Ethernet и Token Ring.