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, |
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.
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.
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.
Рисунок
3.
Схема шинной топологии
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).
Рисунок
4. Схема кольцевой
топологии
Рисунок
5. Схема двойной кольцевой
топологии
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.
Рисунок
6. Схема звездообразной
топологии
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.
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.
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.