Введение
Сетевой топологией является метод отображения конфигурации сети, схематическое представление сети и взаимных связей между оборудованием, которое входит в её состав. Сетевая топология может быть представлена следующими видами:
- Физическая топология, представляющая фактическое расположение оборудования и взаимные связи между сетевыми узлами.
- Логическая топология, представляющая сигнальное взаимодействие в области физической топологии.
- Информационная топология, представляющая описание движения потоков информации внутри сети.
- Топология регулирования обменов, описывающая принципы переадресации прав на использование сети.
То есть, сам термин топология сети означает методы соединения компьютерного оборудования в единую сеть. Помимо этого, понятие топологии состоит из множества правил, определяющих местоположение компьютеров, методы прокладки кабеля, методы размещения связующего оборудования и ещё много другого. На текущий момент сформированы и опробованы на практике следующие типы базовых топологий:
- Топология «шина».
- Топология «кольцо».
- Топология «звезда».
Как работает общая шина?
Общая шина — это система, которая позволяет различным устройствам взаимодействовать друг с другом передачей данных и сигналов. Шина обычно используется в компьютерных системах для связи различных компонентов, таких как процессоры, память, внешние устройства и т. д.
Основной принцип работы общей шины заключается в том, что устройства подключаются к шине и могут обмениваться данными, отправлять сигналы и получать команды. Общая шина имеет определенные правила и протоколы, которые определяют способы передачи данных и контроля доступа устройств к шине.
В компьютерной системе общая шина обычно представляет собой набор проводов или контактов на материнской плате. Устройства, такие как процессоры, память, жесткие диски и периферийные устройства, могут быть подключены к этим проводам и обмениваться информацией.
Коммуникация между устройствами на шине происходит по определенным протоколам. Например, в компьютерах шина PCI Express используется для подключения видео карт или сетевых карт к материнской плате. Шина USB используется для подключения периферийных устройств, таких как клавиатура, мышь, принтер и т. д. Каждая шина имеет свои особенности и поддерживает определенные функции и скорости передачи данных.
Чтобы обеспечить правильную работу всех устройств на шине, используется система арбитража, которая контролирует доступ каждого устройства к шине. Арбитраж решает конфликты доступа и определяет приоритеты передачи данных для разных устройств. Это делает возможным выполнение операций с максимальной эффективностью и предотвращает возможные ошибки.
Таким образом, работа общей шины основывается на принципе взаимодействия различных устройств через передачу данных и сигналов. Она позволяет сделать компьютерную систему более гибкой, эффективной и функциональной, обеспечивая связь между различными компонентами.
Работа в сети[править | править код]
Топология общая шина предполагает использование одного кабеля, к которому подключаются все компьютеры сети. Отправляемое какой-либо рабочей станцией сообщение распространяется на все компьютеры сети. Каждая машина проверяет кому адресовано сообщение, — если сообщение адресовано ей, то обрабатывает его. Принимаются специальные меры для того, чтобы при работе с общим кабелем компьютеры не мешали друг другу передавать и принимать данные. Для того, чтобы исключить одновременную посылку данных, применяется либо «несущий» сигнал, либо один из компьютеров является главным и «даёт слово» остальным компьютерам такой сети. Например, в сетях Ethernet (IEEE 802.3) c шинной топологией станции прослушивают занятость среды и действуют по алгоритму CSMA/CD (англ. Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection — множественный доступ с прослушиванием несущей и обнаружением столкновений).
Шина самой своей структурой допускает идентичность сетевого оборудования компьютеров, а также равноправие всех абонентов. При таком соединении компьютеры могут передавать информацию только по очереди, — последовательно — потому что линия связи единственная. В противном случае пакеты передаваемой информации будут искажаться в результате взаимного наложения (то есть произойдет конфликт, коллизия). Таким образом, в шине реализуется режим полудуплексного (half duplex) обмена: данные могут передаваться в обоих направлениях, но лишь в различные моменты времени, а не одновременно (то есть последовательно, а не параллельно).
В топологии «шина» отсутствует центральный абонент, через которого передаётся вся информация, что увеличивает надёжность «шины». (При отказе любого центра перестаёт функционировать вся управляемая им система.) Добавление новых абонентов в «шину» достаточно простое и обычно возможно даже во время работы сети. В большинстве случаев при использовании «шины» нужно минимальное количество соединительного кабеля по сравнению с другой топологией. Правда, нужно учесть, что к каждому компьютеру (кроме двух крайних) подходят два кабеля, что не всегда удобно.
«Шине» не страшны отказы отдельных компьютеров, потому что все другие компьютеры сети продолжат нормально обмениваться информацией. Но так как используется только один общий кабель, — в случае его обрыва нарушается работа всей сети. Может показаться, что «шине» обрыв кабеля не страшен, поскольку в этом случае остаются две полностью работоспособные «шины». Однако из-за особенности распространения электрических сигналов по длинным линиям связи необходимо предусматривать включение на концах шины специальных устройств — Терминаторов.
Без включения терминаторов в «шину» сигнал отражается от конца линии и искажается так, что связь по сети становится невозможной. Таким образом при разрыве или повреждении кабеля нарушается согласование линии связи, и прекращается обмен даже между теми компьютерами, которые остались физически соединёнными между собой. Короткое замыкание в любой точке кабеля «шины» выводит из строя всю сеть. Хотя в целом надёжность «шины» все же сравнительно высока, так как выход из строя отдельных компьютеров не нарушит работоспособность сети в целом, поиск неисправностей в «шине» затруднён. В частности: любой отказ сетевого оборудования в «шине» очень трудно локализовать, потому что все сетевые адаптеры включены параллельно, и понять, который из них вышел из строя, не так-то просто.
При построении больших сетей возникает проблема ограничения на длину линии связи между узлами, — в таком случае сеть разбивают на сегменты. Сегменты соединяются различными устройствами — повторителями, концентраторами или хабами.
Например, технология Ethernet 10BASE-2 позволяет использовать кабель длиной не более 185 метров.
Топология и ее многозначительность
При выборе топологии важно понимать, что речь идет не только о расположении компьютеров и местах прокладки кабеля. Этот термин в литературе упоминается в различных смыслах
Под ним в различных случаях могут понимать следующее:
Расположение составляющих элементов сети.
Могут иметь в виду логическую топологию. В этом случае предметом рассмотрения является характер распространения информационных сигналов, иерархия связей в сети.
В некоторых случаях имеется в виду топология операций обмена данными. Она может быть смешанной — сочетать различные схемы. Здесь речь идет об организации операций захвата управления шиной между различными компьютерами и порядке передачи такого права между различными устройствами в сети
Оно может, например, передаваться по кругу.
При рассмотрении информационной топологии важное значение имеет организация информационных потоков в сети.
Чтобы пояснить сказанное, можно привести следующий пример. Возможна ситуация, когда физическое подключение устройств происходит на основе применения топологии шины. Таким же образом будет организована логическая топология.
Обратите внимание! Однако информационная может предусматривать, что информационные потоки устроены на основе использования одного компьютера в качестве главного. То есть информация будет передаваться ему, а потом от него нужному компьютеру
Здесь будет применен принцип звезды.
А передача управления от одного элемента другому будет осуществляться по эстафетному принципу. Он состоит в кольцевой передаче такого права между устройствами и соответствует типу подсоединения «кольцо».
При создании локальной сети важно правильно выбрать подходящую топологию. Использование шины в некоторых случаях может быть наиболее подходящим решением
Виды топологий
Существуют следующие топологии компьютерных сетей:
- Шинная топология
- Кольцевая топология (петля)
- Топология «звезда» (радиальная, звездообразная)
- Полносвязная (ячеистая, сетка)
- Иерархическая (древовидная)
- Смешанная (гибридная)
Шина
В этой топологии все компьютеры сети подключены к одному кабелю, который называется магистралью.
Схема топологии «шина»
В сети с топологией шина данные в виде электрических сигналов передаются всем компьютерам сети, но принимает их только тот компьютер, адрес которого совпадает с адресом получателя. Адрес получателя передается вместе с данными. В каждый момент времени передачу может вести только один компьютер, поэтому производительность такой сети зависит от количества компьютеров в ней. Чем больше компьютеров в сети, тем она медленнее.
Шина – это пассивная топология, т.е. компьютеры только слушают передаваемые по сети данные, но не перемещают их от отправителя к получателю. Поэтому выход одного или нескольких компьютеров из строя в такой сети никак не сказывается на работе сети.
Кольцо
В сетях с топологией кольцо компьютеры связаны один с другим, при этом первый компьютер связан с последним. Сигналы передаются по кольцу в одном направлении и проходят через каждый компьютер.
Схема топологии «кольцо»
Каждый компьютер распзознает и получает только ту информацию, которая ему адресована.
В отличие от пассивной технологии «шина», в сетях с топологией «кольцо» каждый компьютер выступает в роли повторителя (репитера), т.е. компьютеры не только слушают, но и передают данные в сети от отправителя к получателю. Здесь каждый компьютер усиливает данные и передает их следующему компьютеру, пока эти данные не окажутся в том компьютере, чей адрес совпадает с адресом получателя. Получив данные, принимающий компьютер посылает передающему сообщение, в котором подтверждает факт приема. Выход из строя хотя бы одного компьютера приводит к неработоспособности сети.
Звезда
Топология звезда отличается тем, что все компьютеры подключаются к одному центральному устройству. Для этого в центре сети содержится узел коммутации (коммутирующее устройство), к которому отдельным кабелем подключаются все компьютеры сети. Такой узел называется концентратором (hub).
Схема топологии «звезда»
Сигналы от передающего компьютера поступают через концентратор ко всем другим компьютерам.
Концентраторы делятся на активные и пассивные.
Активные концентраторы передают сигналы так же, как репитеры (повторители), поэтому их называют многопортовыми повторителями. Обычно они имеют от 8 до 12 портов для подключения компьютеров. Активные концентраторы питаются от электрической сети.
К пассивным концентраторам относятся монтажные или коммутирующие панели, которые просто пропускают через себя сигнал, не усиливая и не восстанавливая его. Пассивным концентраторам не требуется питание от электрической сети.
Основное преимущество топологии «звезда» – высокая надежность. Выход из строя одного или нескольких компьютеров не приводит к потере работоспособности остальной части сети. Обрыв кабеля в одном месте приводит к отключению от сети только одного компьютера. Только неисправность концентратора приводит к полной потере работоспособности сети. Недостатком этой топологии является необходимость в дополнительном расходе кабеля и установке концентратора.
Ячеистая топология
В некоторых случаях используется ячеистая топология. В данной топологии каждый компьютер соединен с каждым другим компьютером отдельным кабелем.
Схема ячеистой топологии
Сеть с ячеистой топологией обладает высокой избыточностью и надежностью. Данные от одного компьютера к другому могут передаваться по разным маршрутам, поэтому разрыв кабеля не отражается на работоспособности сети. Главный недостаток сетей с ячеистой топологией – большой расход кабеля.
Базовые сетевые топологии
- Топология сетей —
- это геометрическая схема соединения узлов сети. Иными словами, топология
— это конфигурация графа, вершинами которого являются компьютеры сети или
другие коммуникационные устройства, а ребрами — физические связи между ними.
При создании сети, в зависимости от задач, которые она должна будет
выполнять, может быть реализована одна из трех базовых топологий: «звезда»,
«кольцо» и «общая шина».
Кольцо
Узлы сети соединены замкнутой кривой. Выход одного узла сети соединяется со
входом другого. Информация по кольцу передается от узла к узлу. Принимающий узел
распознает и получает только адресованные ему сообщения. Продолжительность
передачи информации увеличивается пропорционально количеству рабочих станций,
входящих в сеть.
Кольцевая топология подходит для сетей, занимающих небольшое пространство.
Однако ограничений на протяженность такой сети не существует, т.к. ограничение
определяется исключительно расстоянием между двумя рабочими станциями.
Основная проблема кольцевой топологии заключается в том, что каждая рабочая
станция должна участвовать в пересылке информации, и в случае выхода из строя
хотя бы одной из них работа в сети прекращается.
Общая шина
Эта топология предполагает использование одного кабеля, к которому
подключаются все компьютеры сети. Принимаются специальные меры для того, чтобы
при работе с общим кабелем компьютеры не мешали друг другу передавать и
принимать данные.
Данные от передающего узла сети распространяются по шине в обе стороны.
Информация поступает на все узлы, но принимает сообщение только тот узел,
которому оно адресовано. Это обеспечивает более высокое, чем в «кольце»,
быстродействие.
Надежность здесь выше, т.к. выход из строя отдельных компьютеров не нарушает
работоспособность сети в целом. Рабочие станции в любое время, без прерывания
работы всей вычислительной сети, могут быть подключены к ней или отключены.
Функционирование вычислительной сети не зависит от состояния отдельной рабочей
станции. Сеть легко наращивать.
Однако поиск неисправностей в кабеле затруднен. Кроме того, т.к. используется
только один кабель, в случае его повреждения нарушается работа всей сети.
Звезда
Эта структура предполагает наличие центрального узла, к которому подключаются
периферийные узлы. Каждый периферийный узел имеет свою отдельную линию связи с
центральным узлом. Вся информация передается через центральный узел, который
ретранслирует, переключает и маршрутизирует информационные потоки в сети.
Топология в виде звезды является наиболее быстродействующей из всех топологий
компьютерных сетей, поскольку передача данных между рабочими станциями проходит
через центральный узел по отдельным линиям, используемым только этими рабочими
станциями.
Звездообразная топология значительно упрощает взаимодействие узлов сети друг
с другом, позволяет использовать более простые сетевые адаптеры. В то же время
работоспособность сети целиком зависит от центрального узла.
Комбинированные структуры сетей
В реальных вычислительных сетях могут использоваться комбинированные
топологии. Например, логическая кольцевая сеть монтируется как соединение
звездных топологий. Отдельные «звезды» включаются с помощью хабов в кольцо.
Другой пример — древовидная структура, являющаяся комбинацией базовых топологий.
Сети со сложной топологией применяются там, где невозможно непосредственное
применение базовых сетевых структур в чистом виде.
Какой она может быть
Чтобы выбрать наиболее эффективный способ подсоединения компьютеров и оборудования в общую сеть, необходимо учитывать их количество. Если соединятся менее десяти устройств при помощи рассматриваемой топологии, то этот способ будет эффективным.
Обратите внимание! Если устройств в ЛВС будет намного больше, то данное решение — неэффективно. В таком случае сеть организуют на основе серверов
Различия между этими двумя способами состоят в следующем:О
- В одноранговой сети все компьютеры участвуют на равных порах. Поэтому при наращивании количества информационные каналы перегружаются.
- Использование выделенных серверов означает, что основные данные и используемые приложения находятся на серверах и предоставляют их для пользования остальным компьютерам. Кроме перечисленного, именно они осуществляют необходимые подключения к внешним устройствам, определяют маршруты следования информационных сообщений, проводят управление всей локальной сетью.
«Звезда»
Если каждая рабочая станция подключена непосредственно к центральному устройству, которым может служить маршрутизатор или же коммутатор, то это топология «звезда». «Шина» была с течением времени заменена именно этой технологией, так как она отличается более высокой производительностью и эффективностью. Данная технология предусматривает управление всеми движениями пакетов в сети непосредственно центральным устройством, а каждый компьютер через собственную сетевую карту подключается к данному коммутатору полностью отдельным кабелем.
В случае необходимости можно объединить в одно целое одновременно несколько сетей, использующих описываемую топологию, вследствие чего в результате получится конфигурация сети, имеющая древовидную топологию. Древовидная топология распространяется в крупных организациях, однако она отличается целым рядом своих особенностей и тонкостей реализации.
Топология «звезда» на сегодняшний день используется в качестве основы при построении практически всех локальных сетей, и, в частности, это является результатом целого ряда преимуществ данной технологии объединения компьютеров.
Топология и ее многозначительность
Топология сети позволяет определить не только физическое расположение компьютеров, но, что еще более важно, обеспечивает характер связи между ними, а также различные особенности распространения сигналов через сеть. Именно характером связи можно определить то, насколько отказоустойчивой является сеть, а также узнать требуемую сложность сетевой аппаратуры и наиболее актуальный метод управления обменом и множество других параметров
Если в литературе рассматривается топология локальных сетей «шина» или же другие технологии, то может предусматриваться четыре абсолютно разных понятия, которые относятся к разным типам сетевой архитектуры:
- Физическая – схема расположения компьютеров, а также прокладки объединяющих их кабелей. В таком ключе пассивная «звезда» не имеет никаких отличий от активной, в связи с чем технология чаще всего называется просто «звезда».
- Логическая – структура связей, а также то, каким образом сигналы распространяются по сети. Данное определение топологии, наверное, можно назвать наиболее правильным.
- Управления обменом – принцип, а также последовательность передачи права на расторжение сетевой связи между определенными компьютерами.
- Информационная – направление информационных потоков, которые передаются через сеть.
К примеру, сеть, имеющая физическую и логическую топологию формата «шина», может в качестве управления использовать эстафетную технологию передачи права захвата сети, а также обеспечить одновременную передачу всех данных через определенный выделенный компьютер. И в таком содержании представлять собой технологию «звезда».
Типы топологии сетей
В чем преимущества локальных сетей вы можете почитать в этих статьях:
Схема физического соединения компьютеров называется топологией сети .
Существует три основных типа топологии сетей . Типы топологии сети — что это такое? Какой тип сети выбрать , чтобы и дешево было и надежно.
- Кольцевая топология сети . При этом типе топологии сети концы кабелей соединены друг с другом, т.е. образуют кольцо. Каждая рабочая станция соединена с двумя соседними. Данные передаются по кругу в одном направлении, а каждая станция играет роль повторителя, который принимает и отвечает на адресованные ему пакеты и передает другие пакеты следующей рабочей станции.
Преимуществом такой сети является её достаточно высокая надёжность. Чем больше компьютеров находится в кольце, тем дольше сеть реагирует на запросы. Но самый большой недостаток в том, что при выходе из строя хотя бы одного устройства отказывалась функционировать вся сеть. Да и стоимость такой сети высокая за счёт расходов на кабели сетевые адаптеры и другое оборудование.
2. Линейная топология сети или общая шина . При линейной топологии все элементы сети подключаются друг за другом с помощью одного кабеля.
Концы сегментов должны быть затерминированы специальными сопротивлениями, которые называются терминаторами .
При создании такой сети не используется дополнительное оборудование – только кабель. Все подключенные устройства в такой сети «слушают» и принимают только те пакеты информации, которые предназначены только для них, а остальные игнорируются.
Преимущества такой сети – простота организации и дешевизна. Но существенным недостатком является низкая устойчивость к повреждениям. Любое повреждение кабеля влечет за собой выход из строя всей сети. Причем поиск неисправности очень сложен.
3. Звездообразная топология является доминирующей в современных локальных сетях. Она наиболее функциональная и стабильная. Каждый компьютер сети подключается к особому устройству, называемому концентратором (hub) или коммутатором (switch). При создании этой топологии каждое устройство получает доступ к сети независимо друг от друга и при обрыве одного соединяющего кабеля перестает работать только один из элементов сети, что существенно упрощает поиск неисправности.
Кроме того такая сеть позволяет подключать новые устройства без проблем и изменений в подключении старых устройств. Можно наращивать и соединять в одну сеть несколько сетей. Достаточно подключить кабель от одного коммутатора к другому коммутатору.
Такие сети довольно гибкие, легко расширяемые и относительно не дорогие. Вот мы и рассмотрели типы топологии сетей . В следующий раз я расскажу Вам об устройствах сети.
Теперь вы можете сами выбрать тип подключения своих домашних компьютеров и создать свою маленькую сеть и подключить все компьютеры к Интернету.
Что такое топология шины
Топология шины — это конфигурация, в которой все компьютеры подключены к общей среде передачи. Которая в свою очередь пассивно распределяет сигнал. Подключение или отключение компьютера не влияет на работу других устройств в сети. Максимальная длина линии и количество подключенных станций определяются стандартами в зависимости от типа линии. Могут быть конфликты с интенсивной передачей данных. Эта топология характеризуется низким уровнем безопасности. Все из-за того что все данные передаются по одной линии связи. Поэтому их перехват неавторизованным пользователем весьма вероятен. Прерывание среды передачи (шины) приводит к прекращению работы всей сети. Кроме того, следует отметить, что определение места повреждения и ошибок передачи относительно сложно.
Сравнение с другими топологиями[править | править код]
Достоинстваправить | править код
- Небольшое время установки сети;
- Дешевизна (требуется кабель меньшей длины и меньше сетевых устройств);
- Простота настройки;
- Выход из строя одной рабочей станции не отражается на работе всей сети;
Недостаткиправить | править код
- Неполадки в сети, такие как обрыв кабеля или выход из строя терминатора, полностью блокируют работу всей сети;
- Затрудненность выявления неисправностей;
- С добавлением новых рабочих станций падает общая производительность сети.
Шинная топология представляет собой топологию, в которой все устройства локальной сети подключаются к линейной сетевой среде передачи данных. Такую линейную среду часто называют каналом, шиной или трассой. Каждое устройство (например, рабочая станция или сервер) независимо подключается к общему кабелю-шине с помощью специального разъёма.
Шинный кабель должен иметь на конце согласующий резистор, или терминатор, который поглощает электрический сигнал, не давая ему отражаться и двигаться в обратном направлении по шине.
Преимущества и недостатки шинной топологииправить | править код
Типичная шинная топология имеет простую структуру кабельной системы с короткими отрезками кабелей. Поэтому по сравнению с другими топологиями стоимость её реализации невелика. Однако низкая стоимость реализации компенсируется высокой стоимостью управления. Фактически, самым большим недостатком шинной топологии является то, что диагностика ошибок и изолирование сетевых проблем могут быть довольно сложными, поскольку здесь имеются несколько точек концентрации. Так как среда передачи данных не проходит через узлы, подключенные к сети, потеря работоспособности одного из устройств никак не сказывается на других устройствах. Хотя использование всего лишь одного кабеля может рассматриваться как достоинство шинной
топологии, однако оно компенсируется тем фактом, что кабель, используемый в этом типе топологии, может стать критической точкой отказа. Другими словами, если шина обрывается, то ни одно из подключенных к ней устройств не сможет передавать сигналы.
Архитектура систем ввода-вывода.
Существует два основных способа организации системы ввода вывода.
-
Прямой ввод вывод.
-
Косвенный ввод вывод (канальный ввод вывод).
При прямом вводе-выводе работа внешних устройств управляется центральным процессором, и все это подключается к одной системной шине, при этом зависимым при подключений память может быть один раздел адрес памяти и портов внешних устройств, а в случае два используется единое обращение к памяти и внешних устройств. Процесс взаимодействия внешних устройств и центральной части машины определяется интерфейсом ввода вывода, под которым понимается совокупность сигналов линий связи и алгоритм управления, обеспечивает заданный протокол взаимодействия внешних устройств и процессора. Под протоколами понимается, последовательное формирование прямых и квитирующих сигналов взаимодействия (ответный сигнал называется квитирующим).
В данной архитектуре осуществлен процесс ввода-вывода называемый канальный.
Каналы делятся на
-
Мультиплексные (обслуживают много, но медленно).
-
Селекторные (обслуживают мало, но быстро).
Отличительная особенность, процессор освобождается от управления внешним устройством, функция процессора осуществляется в инициализировании канальных программ и завершение операции ввода-вывода с помощью каналов (по существу это многопроцессорная система, в некотором смысле).
Сравнение функций контролеров и каналов, состав контролеров и каналов
Контролеры:
-
В текущий момент времени он выполняет одну команду ввода-вывода получаемую от процессора или канала и одновременно обслуживает одно внешние устройство.
В его функции входит:
-
Опознание своего адреса выборки.
-
Подтверждение готовности внешних устройств.
-
Управление операцией во внешнем устройстве.
-
Согласование форматов данных.
-
Согласование скоростей передачи (буферизация).
-
Фиксация момента и характера операции ввода-вывода.
Контроллер должен содержать:
-
Селектор адреса (логическая схема, выдающая разрешающий сигнал на один адрес).
-
Регистры управления (содержит команду) и состояния. Состояния характеризуются следующими битами: DONE,BUSYERRORчасто применяется бит приоритета.
-
Буферные регистры данных (которые служат для согласования форматов и скоростей передачи).
Особенности каналов:
-
Выполняет целую канальную программу из многих команд.
-
Допускает одновременно управлять несколькими внешними устройствами.
В его функции входит:
-
Опознание своего адреса и подтверждения готовности.
-
Прием команд процессора инициализирующих работу канала и нахождения в памяти своей канальной программы.
-
Поиск контроллера и внешнего устройства участвующего в операции и проверки их готовности.
-
Запуск канальной программы и управление обменом.
-
Сообщение центрального процессора о завершение операции и всей программы.
Канал представляет собой специализированный процессор с расширенными управлениями, и ограниченный арифметическими возможностями.