Раздел 3. Технологии физического уровня

 

План лекции

Основные характеристики компьютерных сетей

Стандартные физические компоненты сети

Топология физических и логических связей

Шинная топология (линейная шина)

Кольцевая топология

Звездообразная топология

Полносвязная топология

Ячеистая топология (mesh)

 

Литература:

1.    Компьютерные сети. 4-е изд. / Э. Таненбаум. — СПб.: Питер, 2003. — 992 с: ил.

2.    Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы / В.Г. Олифер, Н.А. Олифер, – СПб: Издательство «Питер», 1999. – 672 с.: ил

3.    ICND1. Руководство для студента. Cisco Systems, Inc., 2007 г.

 

Основные характеристики компьютерных сетей

·         Скорость

·         Стоимость

·         Безопасность

·         Доступность

·         Масштабируемость

·         Надёжность

·         Топология

Компьютерные сети (сетевые решения) чаще всего описывают и сравнивают, используя следующие характеристики её производительности и структуры:

         Скорость. Скорость определяет, насколько быстро данные передаются по сети. Более точным является термин «скорость передачи данных».

         Стоимость. Стоимость включает общую стоимость компонентов, установки и технического обслуживания сети.

         Безопасность. Безопасность описывает степень безопасности сети, включая безопасность данных, передаваемых по сети. При выполнении действий, влияющих на сеть, необходимо учитывать проблему безопасности.

         Доступность. Доступность описывает вероятность того, что сеть будет доступна для использования, когда это будет необходимо. Для сетей, которые предполагается использовать 24 часа в день, 7 дней в неделю, 365 дней в году, доступность вычисляют, разделив время, когда сеть фактически доступна, на общее время в году, а затем умножив результат на 100, чтобы выразить полученное значение в процентах.

Например, если сеть недоступна в течение 15 минут в год из-за простоев сети, процент её доступности можно вычислить следующим образом:

([кол-во мин. в году - время простоя сети]/[кол-во мин. в году])*100=%-ная доступность

([525 600 • 15] / [525 600]) * 100 = 99,9971%

         Масштабируемость. Масштабируемость означает, насколько хорошо сеть может удовлетворить потребности большего числа пользователей и требования к передаче большего объёма данных. Если сеть спроектирована и оптимизирована только с учётом текущих требований, будет очень дорого и сложно обеспечивать соответствие новым требованиям, возникающим по мере роста сети.

         Надёжность. Надёжность означает безотказность компонентов (маршрутизаторов, коммутаторов, ПК и т. д.), составляющих сеть. Она часто измеряется как вероятность отказа или как среднее время между отказами (mean time between failures - MTBF).

         Топология. В сетях применяется два типа топологии: физическая топология (физическое расположение кабелей, сетевых устройств и конечных систем, таких как ПК и серверы) и логическая топология, которая описывает пути, по которым сигналы передаются через физическую топологию.

Каждая из вышеназванных характеристик зависит в первую очередь от выбора физических компонентов сети.

Стандартные физические компоненты сети

Физические компоненты сети

Оконечные устройства

Соединительные устройства

Коммуникационные устройства

 

сетевые адаптеры

среда передачи данных

разъёмы и соединители

 

 

 

проводная среда

беспроводная среда

 

 

серверы,
ПК, ноутбуки,
смартфоны,
мобильные телефоны, планшеты,
подключаемые USB-устройства и др.

Адаптеры (сетевые карты) технологии Ethernet, Wi-Fi и других технологий, USB-порты, инфракрасный порт, BlueTooth.

Коаксиальный кабель, витая пара, оптоволоконный кабель

Для передачи данных в технологиях Wi-Fi, GSM, 3G, 4G, LTE, IRDA, BlueTooth.

Кабель-разъёмы, коннекторы

Повторитель, модем, концентратор, мост, шлюз, коммутатор, маршрутизатор.

 

В компьютерную сеть входят физические компоненты, относящиеся к следующим категориям:

·                     Оконечные устройства (хосты, hosts). Основная функция оконечных устройств сети – отправлять и получать данные. К хостам можно отнести серверы, ПК, смартфоны, мобильные телефоны, планшеты, т.п. Т.о. хост – это любое устройство, предоставляющее сервисы формата «клиент-сервер» по каким-либо интерфейсам и уникально определённое на этих интерфейсах. Например, USB Host Controller (хост протокола USB) служит для управления и координации работы подключаемых к ПК клиентских устройств. Однако, чаще всего, под «хостом» подразумевается хост протокола TCP/IP, то есть сетевой интерфейс устройства, подключённого к IP-сети.

·                     Соединительные устройства. Соединительные устройства – это компоненты, позволяющие передавать данные из одной точки сети в другую. В эту категорию входят следующие компоненты:

-   сетевые адаптеры, которые преобразуют данные компьютера в формат, который позволит передавать их по локальной сети;

-   сетевая среда передачи (например, кабели или беспроводные среды), которые служат для передачи сигнала от одного сетевого устройства к другому;

-   разъёмы, которые предоставляют точки подключения носителей.

·                     Простейшие коммуникационные устройства (повторитель (repeater), концентратор (concentrator) или хаб (hub)). Такие устройства используются для передачи сигналов, приходящих из одного сегмента сети, в другие ее сегменты с целью увеличения общей длины сети, а также для преодоления ограничения на длину линий связи за счет улучшения качества передаваемого сигнала – восстановления его мощности и амплитуды и т. п. По сути, концентратор представляет из себя многопортовый повторитель, то есть если концентратор принимает на один из своих портов какую-то информацию (набор кадров), то он не задумывается о том для кого она предназначена и рассылает ее на все остальные свои порты. В настоящее время при организации доступа по сети концентраторы практически не используются.

3_01.png

Рисунок 1. Принцип работы концентратора

·                     Коммутаторы. Коммутаторы – это устройства, обеспечивающие подключения сети к конечным системам и выполняющие интеллектуальную коммутацию данных внутри локальной сети. Коммутатор передает информацию только адресату. Для этой цели в коммутаторах существует специализированная таблица коммутации, в которой фиксируются адреса устройств подключенных к его портам. При получении информации с одного из портов, коммутатор анализирует ее и определяет адрес назначения. После этого просматривает свою таблицу коммутации и выбирает порт, на который ее необходимо передать. Если информация об адресе назначения отсутствует в таблице коммутации, то коммутатор действует подобно концентратору и рассылает информацию на все свои порты.

3_02.png

Рисунок 2. Принцип работы коммутатора

·                     Маршрутизаторы. Маршрутизаторы служат для соединения сетей между собой и выбора наилучшего пути между ними.

Топология физических и логических связей

Топология локальных компьютерных сетей

Топология физических связей (схема расположения устройств и кабелей)

Топология логических связей (логические пути передачи сигналов в сети, схема доступа к сетевым устройствам)

Общая шина

Кольцевая

Звездообразная

Иерархическая звезда

Полносвязная

Ячеистая

Смешанная

Общая шина

Кольцевая

Звездообразная

 

Важнейшим фактором при проектировании компьютерных сетей является выбор способа организации физических связей, то есть топологии.

Под топологией вычислительной сети понимается конфигурация графа, вершинам которого соответствуют компьютеры сети (иногда и другое оборудование, например концентраторы), а ребрам – физические связи между ними. Компьютеры, подключенные к сети, часто называют станциями, узлами сети или хостами.

Заметим, что конфигурация физических связей определяется электрическими соединениями компьютеров между собой и может отличаться от конфигурации логических связей между узлами сети. Логические связи представляют собой маршруты передачи данных между узлами и образуются путем соответствующей настройки коммуникационного оборудования.

Выбор топологии электрических связей существенно влияет на многие характеристики сети. Например, наличие резервных связей повышает надежность сети и делает возможным балансирование загрузки отдельных каналов. Простота присоединения новых узлов, свойственная некоторым топологиям, делает сеть легко расширяемой.

Экономические соображения часто приводят к выбору топологий, для которых характерна минимальная суммарная длина линий связи.

Физическая топология сети описывает физическое расположение устройств и кабелей. Для каждого типа физической топологии необходимо подбирать соответствующий тип кабелей (витая пара, коаксиальный кабель, оптоволоконный кабель и т.д.). Следовательно, для понимания каждого типа физической топологии необходимо понять, какой тип кабеля в ней используется. Ниже приведены три основные категории физических топологий.

Шинная топология (линейная шина)

В первых шинных топологиях компьютеры и другие сетевые устройства соединялись последовательно с использованием коаксиального кабеля. В современных шинных топологиях шина реализована в виде отдельного устройства, хосты подсоединяются к шине с помощью витой пары. Все устройства в шинной топологии соединены с помощью одного кабеля. Основной участок кабеля должен заканчиваться терминатором, поглощающим сигнал, когда он достигает конца линии или провода. Если терминатор не установлен, электрический сигнал, соответствующий данным, отражается в конце кабеля, вызывая ошибки в сети. Применение общей шины снижает стоимость проводки, унифицирует подключение различных модулей, обеспечивает возможность почти мгновенного широковещательного обращения ко всем станциям сети. Таким образом, основными преимуществами такой схемы являются дешевизна и простота разводки кабеля по помещениям. Самый серьезный недостаток общей шины заключается в ее низкой надежности: любой дефект кабеля или какого-нибудь из многочисленных разъемов полностью парализует всю сеть. Другим недостатком общей шины является ее невысокая производительность, так как при таком способе подключения в каждый момент времени только один компьютер может передавать данные в сеть. Поэтому пропускная способность канала связи всегда делится здесь между всеми узлами сети.

3_03.png

Рисунок 3. Схема шинной топологии

Кольцевая топология

 Компьютеры и другие сетевые устройства соединяются кабелем, причем последнее устройство подсоединяется к первому с образованием окружности или кольца. К топологиям этого типа относятся кольцевые и двойные кольцевые топологии. Физическое подключение обеспечивается коаксиальным или оптоволоконным кабелем. В сетях с кольцевой конфигурацией данные передаются по кольцу от одного компьютера к другому, как правило, в одном направлении. Если компьютер распознает данные как «свои», то он копирует их себе во внутренний буфер. В сети с кольцевой топологией необходимо принимать специальные меры, чтобы в случае выхода из строя или отключения какой-либо станции не прервался канал связи между остальными станциями. Кольцо представляет собой очень удобную конфигурацию для организации обратной связи – данные, сделав полный оборот, возвращаются к узлу-источнику. Поэтому этот узел может контролировать процесс доставки данных адресату. Часто это свойство кольца используется для тестирования связности сети и поиска узла, работающего некорректно. Для этого в сеть посылаются специальные тестовые сообщения. В двойной кольцевой топологии данные передаются в обоих направлениях. В такой конфигурации достигается большая отказоустойчивость (в случае неисправности в одном кольце, данные можно передавать по второму).

3_04.png

 

Рисунок 4. Схема кольцевой топологии

  

 

 

3_05.png

 

Рисунок 5. Схема двойной кольцевой топологии

Звездообразная топология

 Компьютеры и другие сетевые устройства соединены через центральное кабельное устройство (концентратор, последние годы – коммутатор). К топологиям этого типа относятся звездообразные и иерархические звездообразные топологии. Физические подключения, как правило, реализуются с помощью витой пары. Главное преимущество этой топологии перед общей шиной – существенно большая надежность. Любые неприятности с кабелем касаются лишь того компьютера, к которому этот кабель присоединен, и только неисправность центрального устройства может вывести из строя всю сеть. Кроме того, концентратор (или коммутатор) может играть роль интеллектуального фильтра информации, поступающей от узлов в сеть, и при необходимости блокировать запрещенные администратором передачи. К недостаткам топологии типа звезда относится более высокая стоимость сетевого оборудования, кроме того, возможности по наращиванию количества узлов в сети ограничиваются количеством портов концентратора. Иногда имеет смысл строить сеть с использованием нескольких концентраторов, иерархически соединенных между собой связями типа звезда. В настоящее время иерархическая звезда является самым распространенным типом топологии связей, как в локальных, так и глобальных сетях.

3_06.png

 

Рисунок 6. Схема звездообразной топологии

 

3_07.png

 

Рисунок 7. Схема топологии «иерархическая звезда»

Полносвязная топология

Полносвязная топология соответствует сети, в которой каждый компьютер сети связан со всеми остальными. Несмотря на логическую простоту, этот вариант оказывается громоздким и неэффективным. Действительно, каждый компьютер в сети должен иметь большое количество коммуникационных портов, достаточное для связи с каждым из остальных компьютеров сети. Для каждой пары компьютеров должна быть выделена отдельная электрическая линия связи. Полносвязные топологии применяются редко и, как правило, в многомашинных комплексах или глобальных сетях при небольшом количестве компьютеров.

3_08.png

Рисунок 8. Схема полносвязной топологии

 

Ячеистая топология (mesh)

Ячеистая топология получается из полносвязной путем удаления некоторых возможных связей. В сети с ячеистой топологией непосредственно связываются только те компьютеры, между которыми происходит интенсивный обмен данными, а для обмена данными между компьютерами, не соединенными прямыми связями, используются транзитные передачи через промежуточные узлы. Ячеистая топология допускает соединение большого количества компьютеров и характерна, как правило, для глобальных сетей.

3_09.png


Рисунок 9. Схема ячеистой топологии

Логическая топология сети описывает логические пути, по которым сигналы передаются от одного узла сети на другой, т.е. способ доступа к сетевым носителям и передачи пакетов по ним.

Физическая и логическая топология сети могут совпадать. Например, если сеть организована физически как линейная шина, данные перемещаются вдоль кабеля, следовательно сеть обладает физической и логической шинной топологией. С другой стороны, сеть может быть организована с совершенно различными топологиями физических и логических связей. Например, физическая топология может иметь форму звезды и при этом обладать кольцевой логической топологией, это обеспечивается тем, что внутри центрального устройства сети (концентратора) используется соединение проводов, в которых сигнал передается по кольцу от одного порта к другому, создавая логическое кольцо. Т.о. физическая схема сети не является достаточной для прогноза перемещения данных по сети.

В настоящее время самой распространенной схемой построения сети является звездообразная топология. При этом, технология Ethernet использует логическую шинную топологию, как в сетях с общей шиной, так и в сетях с физической топологией звезда. Концентратор Ethernet является примером физической звездообразной топологии в сочетании с логической шинной топологией.