Физические топологии компьютерных сетей

1. Выбор физической топологии

Выбор физической топологии сети зависит от нескольких факторов:

· структуры офиса;

· способов диагностики неисправностей;

· стоимости инсталляции;

· типа используемого кабеля.

Первый фактор -- устройство вашего офиса. При установке нескольких компьютеров в одну комнату появляется больше возможных вариантов организации сети, чем в случае, когда множество компьютеров распределяется по различным комнатам здания.

Второй фактор -- наличие методов и средств диагностирования неисправностей -- зависит в какой-то мере от используемой физической топологии.

Например, некоторые топологические схемы характеризуются встроенной в них физической избыточностью, обеспечивающей бесперебойную связь даже при возникновении повреждений в кабеле. В других топологических схемах каждый кабельный сегмент сети может быть отключен (перекоммутирован), поэтому одно повреждение не сможет привести к отказу всей сети.

Третий фактор -- не все физические топологии эквивалентны друг другу по стоимости. Некоторая доля в стоимости, несомненно, определяется планом вашего офиса. Ясно, что разводка сети, расположенной в обширной области, более трудоемка, и в стоимости будут отражаться эти дополнительные усилия.

Однако часть стоимости определяется сложностью выбранной вами топологии, и, что еще более важно, тем, насколько сложно эту топологию привести в соответствие с пространством офиса. Шинная топология, например, очень просто реализуется в пределах небольшой области, но может стать источником головной боли при прокладке кабеля по офису, занимающему несколько комнат.

Последний фактор -- выбор физической топологии в значительной степени определяется типом кабеля и наоборот. При подключении каждого сетевого компьютера к концентратору кабелем UTP используется разъем RJ-45. Такая конфигурация называется топологией звезды, поскольку кабели, идущие от компьютеров к концентратору, напоминают лучи, радиально расходящиеся из некоего центра.

Для сети с физической топологией звезды нельзя использовать коаксиальный кабель, поскольку он не пригоден для этого метода.

Теперь рассмотрим некоторые, наиболее распространенные, физические топологии.

2. Физическая шинная топология

Для простых сетей, расположенных в пределах небольшой территории, физическая шинная топология (известная в мире компьютеров Mac как "цепочка") может оказаться наилучшим решением.

В топологии шины кабель идет от компьютера к компьютеру, связывая их в цепочке. Все компьютеры в сети связаны одним общим кабелем, как правило, коаксиальным.

В сети с кабелем типа "витая пара" может использоваться физическая шинная топология. При этом можно подключать дополнительные компьютеры соедини тельным кабелем, но на самом деле это способ непрактичен при соединении в одну сеть трех и более компьютеров.

Можно подключаться к сети с шинной топологией двумя способами в зависимости от используемого кабеля.

Если в сети используется толстый коаксиальный кабель, то такая сеть с шинной топологией имеет центральную магистраль, реализованную с помощью толстого коаксиального кабеля. К каждому компьютеру сети от магистрали подходят маленькие, более тонкие (и более гибкие) кабели, называемые отводами.

Для физического подключения тонких кабелей к толстому магистральному кабелю используют небольшие устройства -- трансиверы. Пример такой топологии показан на рис. 1.

Рисунок 1 - Физическая шинная топология, реализованная с использованием толстого коаксиального кабеля

Конфигурация "толстой" сети Ethernet обычно используется при объединении мэйнфреймов и миникомпьютеров (рис. 1), но популярность таких сетей падает по мере того, как персональные компьютеры становятся более мощными и соответственно сети, базирующиеся на мэйнфреймах, -- менее распространенными.

Для новых сетей, использующих физическую шинную топологию, удобнее применять тонкий коаксиальный кабель.

В противоположность "толстой" Ethernet, в "тонкой" сети (Thinnet) избегают использования магистрали, а подключение всех сетевых устройств выполняется напрямую.

Вместо толстого кабеля, для тонкой сети используют более гибкий коаксиальный (рис. 2).

Такая разновидность физической шинной топологии сегодня более популярна, чем её "толстый" двойник, в котором применяют отводы и трансиверы.

Суть дела в упрощении работы - с толстым кабелем в "толстой" Ethernet тяжело работать, поскольку он очень жесткий.

Рисунок 2 - При физической шинной топологии в «тонкой» сети персональные компьютеры могут подключаться к магистрали и напрямую

Наибольшая проблема, которая может возникнуть при работе с сетью шинной топологии, заключается в неправильном согласовании.

В этом случае сеть не может корректно выполнять передачу данных.

Используя физическую шинную топологию, следует любым способом избегать нарушения целостности кабеля на всем его протяжении.

Такие нарушения могут возникнуть из-за неправильной работы узлов и разрывов кабеля.

Сеть не сможет корректно передавать данные, даже если всего один узел работает неправильно, поскольку системе в целом необходимо, чтобы каждый узел был в рабочем состоянии, обеспечивая прохождение данных.

Это вовсе не означает, что для корректной работы сети все компьютеры в сети должны быть включены и зарегистрированы.

Имеется существенное отличие между неправильно работающим (например, по причине неполной стыковки разъемов кабельного соединения) и выключенным узлом.

Если узел выключен, данные к следующему активному узлу проходят через Т-разъем, подключенный к сетевой плате.

В этом случае сеть не будет "знать", что в ней имеется неактивный узел.

Однако если узел активный, но работает неправильно, то, безусловно, возникнет проблема. Активный узел, как и ранее, пытается обработать пакет, но делает это с ошибками, что замедляет работу всей сети или приводит к ее внезапной остановке.

Разрывы кабеля также вызывают появление проблем в сети с шинной топологией, поскольку корректная работа сети зависит от правильного функционирования кабеля на всем протяжении между его согласованными концами.

Если в какой-либо точке кабель разрушен, сеть не сможет работать, и потребуется немало времени для определения места разрыва и замены поврежденного сегмента кабеля.

При этом может потребоваться проверка каждого разъема, для того чтобы удостовериться, что он надежно установлен, что никто не пытался перезагрузиться или выйти из системы во время прохождения сигнала, и во многом другом.

Шинная топология имеет одно преимущество -- это высокая эффективность кабельной системы, помогающая сэкономить деньги при создании наиболее дорогой части сети.

Однако она может оказаться сложной для реализации, если сетевые компьютеры не расположены в строгом линейном порядке.

Например, сеть, узлы которой распределены по всему зданию - неудачный кандидат на реализацию шинной топологии -- и, вероятно, eel будет легче обслуживать, если реализовать сеть на основе топологии звезды.

3. Звездообразная физическая топология

В сети, построенной по звездообразной топологии, каждый сервер и рабочая станция подключаются к центральному концентратору, который обеспечивает связь между ними, поэтому сеть, в которой используется звездообразная топология, будет выглядеть примерно так, как показано на рис. 3.

Рисунок 3 - В сети, построенной по звездообразной топологии, все ресурсы подключаются к центральному устройству

В первых сетях для передачи данных использовалась звездообразная топология для подключения неинтеллектуальных терминалов к мэйнфреймам.

Почему же эта топология повсеместно используется и до сих пор? Вероятно, потому, что при ее использовании существенно легче работать в сети. Каждая рабочая станция и сервер имеют отдельное соединение с центральной коммутационной станцией.

Это значит, что каждое соединение работает независимо. Обрыв кабеля, идущего к рабочей станции А, не окажет воздействия на рабочую станцию В. Это также означает, что для такой сети относительно легко создать кабельную систему, поскольку можно не тревожиться о том, как расположены относительно друг друга компьютеры в сети.

Пока длина отрезка кабеля от каждой рабочей станции или сервера до центральной коммутационной станции не превышает максимально допустимого значения, никаких проблем не возникает.

Центральной частью сети, построенной по звездообразной топологии, является концентратор. Концентраторы могут быть разными, но их суть проста: это устройства, реализующие центральный узел для всех сетевых кабелей, обеспечивая тем самым связь между портами, что позволяет компьютерам подключаться к нему для обмена сообщениями.

Еще одним важным преимуществом такой сети является то, что в ней легко диагностировать неисправности.

Как было ранее описано в разделе "Физическая шинная топология", при возникновении сбоя в сети с шинной топологией может оказаться очень непросто точно определить, в чем заключается проблема, если, конечно, не просматривать все узлы подряд.

В сети, построенной по звездообразной топологии, найти ее источник очень легко. Если некий узел не работает, то проблему, очевидно, следует искать где-то между портом концентратора и физически подключенным к нему узлом.

Следует проверить, что является источником нарушения работоспособности:

· терминал;

· кабель между концентратором и терминалом;

· порт концентратора, обслуживающий терминал, вызывающий беспокойство.

Если ни один из узлов сети не обеспечивает качественное соединение сервера и концентратора (неплохо держать один концентратор про запас, если это возможно), то проблема, вероятно, заключается в сервере.

Если это так, то самое время уповать на то, что вы запланировали сделать для отказоустойчивой работы системы и на то, что вы сделали резервные копии файлов.

Звездообразная топология также хорошо подходит и для физически распределенных сетей. Представьте себе сеть с четырьмя компьютерами - три рабочих станции и один сервер.

Если одна станция находится на этаже сверху, а две -- на этаже снизу, да еще и в отдельных комнатах, то значительно проще проложить отдельный сетевой кабель к каждому компьютеру, не беспокоясь о связях всех узлов друг с другом, а затем подключить все кабели к концентратору.

Конечно, звездообразная топология имеет один серьезный недостаток: в ней используется много кабеля. К каждому элементу сети требуется проложить свой собственный кабель.

Наличие центрального концентратора и в самом деле не является наиболее эффективным методом организации кабельной системы, поэтому если вы заинтересованы в снижении стоимости сети, а узлы расположены рядом друг с другом, вы, вероятно, предпочтёте шинную топологию.

4. Распределенная физическая звездообразная топология

Для больших сетей одного концентратора может оказаться недостаточно. Возможно, у него будет маловато портов для поддержки всех компьютеров сети или компьютеры слишком далеко отстоят от концентратора, или одновременно и то, и другое.

Для подключения всех устройств к сети может потребоваться несколько концентраторов, но идея создания в одном здании трех или четырех отдельных сетей может показаться не очень привлекательной. Как же решить проблему?

Это случай, для которого может пригодиться одна из разновидностей физической звездообразной топологии: связанная звезда (connected star) или распределенная звезда (distributed star).

Здесь концентраторы сети последовательно подключены друг к другу, так что все они могут обмениваться информацией (рис. 4). Такая организация сети имеет некоторые недостатки, свойственные сети, построенной по шинной топологии: разрыв кабеля между двумя концентраторами изолирует части сети по обеим сторонам разрыва.

Однако этот недостаток компенсируется тем, что при отсутствии шины концентраторы были бы изолированы друг от друга в любом случае.

Рисунок 4 - Использование распределенной звездообразной топологии для подсоединения нескольких сетей, также построенных по звездообразной топологии

5. Физическая кольцевая топология

Наконец, рассмотрим физическую топологию, с которой вам вряд ли придётся столкнуться на практике, но, тем не менее, заслуживающую упоминания.

Это сеть, построенная по физической кольцевой топологии (рис. 5), в которой все персональные компьютеры сети для обеспечения целостности сети соединены в кольцо, выполненное в виде пары кабелей, проложенных между каждым узлом.

Такая система вполне работоспособна, но её стоимость и трудоёмкость прокладки кабельной системы весьма велики, поскольку и такой сети затраты на кабель удваиваются.

Рисунок 5 - В сети, построенной по физической кольцевой топологии, кабель соединяет все сетевые компьютеры в кольцо

Такую сеть иногда применяют для глобальных оптоволоконных сетей, поскольку это неплохой способ предоставить множеству узлов в региональной области доступ к оптоволоконной сети.

Однако автору известна только одна локальная сеть, использующая физическую топологию кольца -- старая система автоматизированного офиса фирмы IBM, называемая 8100.

Исключением из этого правила является технология оптоволоконных каналов (см. раздел "Скоростные сети Fast Ethernet и Gigabit Ethernet" далее в этой главе), в которой может использоваться физическая кольцевая структура для создания средств физического уровня, реализующих высокоскоростную линию связи между узлами сети и другой аппаратурой.

Из-за высокой стоимости оптоволоконных линий связи, вы вряд ли встретитесь с ними на практике, но реально они существуют.