Типы компьютерных сетей

2

Типы компьютерных сетей

Любая сеть состоит из совокупности кабелей, сетевого оборудования, файловых серверов, рабочих станций и программного обеспечения. Комбинируя эти элементы, можно создать сеть, соответствующую задачам и возможностям конкретной организации.

Первоначальная установка некоторых типов сетей не требует больших расходов, однако расходы появляются при эксплуатации или модернизации. Другие сети, наоборот, требуют значительных капиталовложений на этапе развертывания, но они просты в обслуживании их легко расширять.

Одним из важнейших различий между разными типами сетей является их топология. Топология - это физическая конфигурация сети в совокупности с ее логическими характеристиками.

Физическая конфигурация подобна плану разводки кабелей в офисе, здании или кампусе. Иногда ее называют кабельным участком (cable plant). Логические характеристики сети описывают способ передачи сигнала по кабелю от одной точки к другой.

Конфигурация сети может быть или децентрализованной (когда кабель "обегает" каждую станцию в сети), или централизованной (когда каждая станция физически подключается к некоторому центральному устройству, распределяющему фреймы и пакеты между станциями).

Примером централизованной конфигурации является звезда с рабочими станциями, располагающимися на концах ее лучей. Децентрализованная конфигурация похожа на цепочку альпинистов, где каждый альпинист имеет свое положение в связке, а все вместе соединены одной веревкой. Логические характеристики топологии сети определяют маршрут, проходимый пакетом при передаче по сети.

Существуют три основных топологии: шина, кольцо и звезда. При выборе топологии необходимо, чтобы тип сети соответствовал ее предназначению внутри организации.

Например, некоторые организации более интенсивно используют свои сети по сравнению с другими. Количество и тип прикладных программ внутри организации влияют на количество и частоту передачи фреймов и пакетов, что в совокупности образует сетевой трафик. Если пользователи сети в первую очередь работают с текстовыми редакторами, то сетевой трафик будет относительно небольшим и большая часть работы будет выполняться на рабочих станциях, а не в сети.

Клиент-серверные приложения в зависимости от своей архитектуры создают сетевой трафик средней и высокой интенсивности.

В сетях, в которых происходят частые обращения к базам данных, таким как Microsoft SQL Server или Oracle, трафик средний или высокий. Научные программы и серверы публикаций создают трафик высокой интенсивности, поскольку они работают с очень большими файлами.

Также большой трафик вызывает работа программ обработки графики (например, серверы потокового мультимедиа или телеконференций).

Влияние на сеть количества хостов и серверов определяется типом используемых прикладных программ.

К примеру, сервер базы данных, к которому часто обращаются для получения отчетов и финансовых сведений, будет создавать значительно больший сетевой трафик, чем файловый сервер, с которого изредка получают деловую корреспонденцию или бланки писем.

При выборе топологии сети нужно учитывать, будет ли она связана с другими сетями.

Сетевая топология для малого предприятия, в котором используются несколько компьютеров, отличается от топологии сети промышленного предприятия, связанного через глобальную сеть с сетями других предприятий. Малое предприятие вряд ли взаимодействует с другими сетями, за исключением разве что подключения к Интернету.

Корпоративная сеть может состоять из нескольких взаимно связанных сетей, в число которых, например, могут входить сеть для управления производственным оборудованием, сеть настольных систем, исследовательская сеть и внешняя глобальная сеть для связи с удаленными площадками. Одни топологии имеют лучшие возможности для объединения сетей, чем другие.

Сеть с большим трафиком нуждается в высокоскоростных каналах передач данных.

От скорости сети зависит производительность работы пользователей. Наличие быстродействующих каналов особенно важно при передач изображений, графики и других объемных файлов на большие расстояний или через глобальные сети.

Безопасность, представляющая собой механизм защиты данных от неавторизованного доступа, также влияет на архитектуру сети. В безопасной сет для ограничения доступа к информации и ресурсам используются специальные сетевые устройства, пароли, управляющие программы и другие технологии.

Можно также применять шифрование данных и паролей, копи фреймы и пакеты кодируются, и только авторизованные компьютеры могут декодировать их.

В сетях с высокой степенью защиты используется оптоволоконный кабель, который минимизирует риск перехвата данных. Другой способ повысить защищенность сети - поместить оборудование и сервер в помещения с ограниченным доступом (например, в серверные комнаты; монтажные шкафы).

Топология сети непосредственно влияет на возможность ее расширения. После установки сети наверняка потребуется подключение новых пользователей, в том же офисе или в других помещениях или зданиях. Также весьма вероятно, что для удаленного доступа к данным потребуется подключи локальную сеть к какой-нибудь глобальной сети.

Шинная топология (bus topology) представляет собой кабель, последователь соединяющий компьютеры и серверы в виде цепочки. Как и обычная цен сеть с шинной топологией имеет начальную и конечную точки, и к каждому концу сегмента шинного кабеля подключается терминатор (terminator). Передаваемый пакет принимается всеми узлами сегмента и на прохождения всего сегмента требуется некоторое количество времени, называемое задержкой.

Для того чтобы пакеты доходили в течение ожидаемого времени, длина сегмента сети с шинной топологией должна соответствовать спецификациям Института инженеров по электротехнике и электронике (Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE).

Этот институт представляет собой объединение ученых, инженеров, технических специалистов и преподавателей, играющих ведущую роль в разработке стандартов на сетевые кабельные системы и средства передачи данных. На рис. 1 изображена простейшая сеть с шинной топологией.

Наличие терминатора обязательно для шинной топологии, поскольку терминатор указывает на физическое окончание сегмента.

На практике терминатор представляет собой электрическое сопротивление, гасящее сигнал, когда тот достигает конца сети.

Без терминатора сегмент не соответствовал бы спецификациям IEEE, и сигналы могли бы отражаться обратно и воз вращаться в тот кабель, по которому они были переданы. Отраженный сигнал сбивает синхронизацию сети и может столкнуться с новыми сигналами, передаваемыми по сети.

Если терминатор отсутствует или работает неправильно, передача данных по соответствующему сегменту сети нарушается, и сетевое оборудование обычно отключает этот сегмент.

Традиционная шинная топология, показанная на рис. 1, хорошо работает небольших сетях, и стоимость ее реализации относительно невелика.

При развертывании сети расходы минимальны, поскольку кабеля требуется меньше, чем для других топологий. Также легко можно добавить новые рабочие станции и немного удлинить шину в пределах комнаты или офис.

Недостатком этой топологии является высокая стоимость ее эксплуатации. Например, трудно обнаружить отдельный неисправный узел или сегмент кабеля и связанные с ним разъемы, а один отказавший узел или сегмент с разъемами может вывести из строя всю сеть (хотя современное сетевое оборудование уменьшает вероятность такой ситуации).

Другим недостатком является то, что трафик по шине может оказаться слишком большим, из-за чего для управления им потребуются дополнительные коммутаторы, маршрутизаторы и другое оборудование.

Традиционная шинная топология используется все реже и реже, поскольку некоторые производители сетевого и компьютерного оборудования больше не поддерживают применяемые в ней методы передачи сигналов.

Кольцевая топология (ring topology) представляет собой непрерывную магистраль для передачи данных, не имеющую логической начальной или конечной точек и, следовательно, терминаторов. Рабочие станции и серверы подключаются к кабелю в точках, расположенных по кольцу (рис. 2.). Когда данные поступают в кольцо, они передаются по нему от узла к узлу, пока не достигнут точки назначения, после чего перемещаются дальше к узлу отправителю.

Первоначально кольцевая топология позволяла данным перемещаться только в одном направлении, при этом данные обегали кольцо и передача заканчивалась в передающем (исходном) узле.

В новых высокоскоростных технологиях кольцевых сетей используются два кольца для дополнительной передачи данных в обратном направлении.

В результате этого, если разрывается кольцо передачи в одном направлении, данные все же могут достигнуть пункта назначения, перемещаясь в обратном направлении по другому кольцу (о чем будет рассказано позже в разделе, описывающем технологию FDDI).

Кольцевой топологией легче управлять, чем шинной, поскольку оборудование, используемое для построения кольца, упрощает локализацию дефектного узла или неисправного кабеля.

Данная топология хорошо подходит для передачи сигналов в локальных сетях, поскольку она справляется с большим сетевым трафиком лучше, чем шинная топология.

В целом можно сказать, что по сравнению с шинной топологией, кольцевая обеспечивает более надежную передачу данных.

Однако кольцевая топология намного дороже шинной. Обычно для ее развертывания требуется больше кабеля и сетевого оборудования.

Кроме того, Кольцо не так широко распространено как шинная топология, из-за чего ограничен выбор оборудования и меньше возможностей для осуществления высокоскоростных коммуникаций.

Звездообразная топология (star topology), или просто "звезда", является старейшим способом передачи сигналов, имеющим свое начало в коммутационных телефонных станциях.

Несмотря на возраст, достоинства при использовании в сетях делают звездообразную топологию удачным выбором для современных сетей.

Физически звездообразная топология состоит из множества узлов, подключенных к центральному концентратору.

Каким образом рабочие станции и сервер подключены к концентратору, показано на рис. 3. Концентратор (hub) - это центральное устройство, объединяющее в сеть отдельные кабельные сегменты или отдельные локальные сети.

Некоторые концентраторы также называются элементами доступа (access unit) Отдельные сегменты передающего кабеля расходятся от концентратора как звезда (выполните практическое задание 2-6 и создайте диаграмму звездообразной топологии).

В настоящее время начальные затраты на реализацию звездообразной топологии ниже, чем для традиционной шинной топологии и сравнимы с рая ходами на создание кольца. Это объясняется понижением цен на сетевое оборудование и кабель, вызванным широким распространением этой архитектуры.

Как и кольцо, звездообразная топология проще в управлении, чем традиционная шинная сеть (отказавшие узлы обнаруживаются очень быстро). Если узел или кабель неисправны, сетевое оборудование легко может изолировать их от сети и работоспособность других узлов не нарушится.

Звезду легче расширить, подключив дополнительные узлы или сети. Также она наилучшим образом может быть модернизируема для работы на больших скоростях. Звезда - это наиболее распространенная топология и поэтому для нее существует широкий выбор оборудования.

Недостатком звезды является то, что концентратор является единственной точкой отказа: при выходе его из строя все подключенные узлы теряют возможность передачи данных (если отсутствуют дополнительные меры обеспечения избыточности).

Другим недостатком является то, что для звезды требуется больше кабеля, чем для шины; однако кабели и разъемы для звездообразной топологии в настоящее время дешевле, чем для шинной.

В современных сетях логическая организация сети с применением шинной топологии совмещается с физической реализацией в виде звезды.

При такой архитектуре каждый луч звезды функционирует как отдельный сегмент логической шины, имеющий только один или два подключенных компьютера.

Такой сегмент шины по-прежнему имеет два конца, однако преимуществом является отсутствие терминаторов. В данном случае один конец сегмента заканчивается на концентраторе, а другой - на сетевом устройстве.

Другим достоинством комбинированной архитектуры является то, что для расширения сети в разных направлениях можно соединить несколько концентраторов при условии выполнения спецификаций IEEE на длину кабелей, количество концентраторов и подключенных устройств.

Соединение между концентраторами представляет собой магистраль, которая чаще всего обеспечивает высокоскоростную передачу данных между ними.

Магистраль (backbone) - это быстродействующая среда передачи информации, соединяющая сети и центральные сетевые устройства в масштабах этажа, всего здания или нескольких удаленных площадок.

Для упрощения процесса обнаружения неисправностей концентраторы имеют специальные встроенные средства. Также имеются возможности расширения для реализации высокоскоростных сетей.

Поскольку описываемая архитектура широко распространена, то для шинных сетей, реализованных в виде физической звезды, имеется большой выбор оборудования.