Компьютерные сети. Как они устроены. Топологии сетей

Пятница, 25 Мар 2011 14:09

Компьютерные сети. Как они устроены. Топологии сетей Из чего состоят компьютерные сети

Если разложить компьютерную сеть на простейшие компоненты, то она состоит из двух частей. Первая — физическая сеть, т.е. оборудование — кабельные линии связи (или аппаратура беспроводной связи), адаптеры сетевого интерфейса, компьютеры и другие устройства, используемые в сети для передачи данных. Вторая — это логическая сеть, в ко­торую объединены все эти устройства, т.е. правила (которые закладываются в про­граммное обеспечение), обеспечивающие согласованную работу аппаратуры. На этом занятии мы поочередно рассмотрим обе эти широкие категории. Мы будем возвращать­ся ко всем этим вопросам и рассматривать их более подробно и на других занятиях.

Физическая сеть

Понять, что представляет собой физическая сеть,’ достаточно просто, потому что она наглядна — это оборудование сети! Это кабели, адаптеры сетевого интерфейса, ком­пьютеры, концентраторы, коммутаторы, принтеры и любые другие устройства, обес­печивающие функционирование сети.

Хотя прогресс технологии беспроводных сетей ведет к тому, что линии связи меж­ду сетевыми устройствами становятся физически неосязаемыми (технологии беспро­водных сетей, такие как беспроводная ЕхЬегпег, используются все шире; беспроводные сети будут рассмотрены на занятии 23, "Беспроводные сети"), общая схема кабельных и беспроводных сетей остается одной и той же.

Итак, отложив на время вопрос об особенностях беспроводной связи, вернемся к нашей теме: физическая сеть — это все оборудование, которое находится в ней. Хотя существуют определенные правила выполнения электрических соединений, соединить компьютеры и другую сетевую аппаратуру кабелями — достаточно простая задача.

Физическая сеть — варианты топологии

Как мы уже говорили, физическая сеть состоит из компонентов, обеспечивающих электрическую связь между компьютерами. И независимо от того, какую технологию связи вы используете — проводную или беспроводную, точкой подключения компью­тера к сети все равно остается плата адаптера сетевого интерфейса, или, как ее чаще называют, сетевая карта2. Эта плата расширения обеспечивает согласованное взаимо­действие компьютера с остальными сетевыми устройствами.

При объединении компьютеров в сеть общая схема, или топология, сети будет оп­ределяться типом связи сетевых устройств (т.е. конкретным типом кабельных или беспроводных каналов связи) и выбранной сетевой архитектурой (например, Егпегпег или 1ВМ Токеп Шп§; тема сетевой архитектуры будет рассматриваться на занятии 10, "Выбор сетевого аппаратного и программного обеспечения").

На сегодняшний день сети на базе проводниковых линий связи строятся только по двум вариантам топологии: "звезда" и "кольцо".

Топология "звезда" — это вариант физической топологии сети, в которой от цен­трального устройства (концентратора или коммутатора) лучами расходятся линии пе^ редачи, соединяющие его со всеми компьютерами сети. Вся информация в такой сети передается через центральный концентратор.

Топология "кольцо" — это вариант физической топологии сети, в которой компью­теры соединены так, что данные от компьютера к компьютеру движутся по кольцу. Хотя мы разграничиваем оба эти варианта топологии, конструктивно они очень по­хожи друг на друга. Даже в сетях, построенных по топологии "кольцо", имеется цен­тральный узел, к которому подключены компьютеры. Логическая схема функциони­рования сети — вот чем по-настоящему отличаются друг от друга топологии "звезда" и "кольцо" (Подробнее о стандартах архитектуры сетей и соответствующих им вари­антах физической топологии рассказывается в главе 10.)

Таким образом, на элементарном уровне о физической топологии сети можно судить по ее структурной схеме, на которой показано, как сетевые устройства соединены между собой линиями передачи. Хотя в создаваемых в настоящее время сетях доминируют два варианта топологии — "звезда" и "кольцо", еще встречаются старые сети, построенные по третьему варианту топологии — "шина". Топология "шина" представляет собой, по существу, длинный кабель с ответвлениями, к которым подключаются компьютеры. При обрыве лиши между соседними компьютерами выходит из строя вся сеть.

Топология "шина" практически вышла из употребления

ЕШегпет 10ВАЗЕ2 и 10ВАЗЕ5 (устаревшие варианты реализации став­шего общепризнанным стандарта локальный сетей —? ЕШегпех) — уже практически не используются. Но мы все же в общих чертах рассмот­рим эти варианты топологии сетей Е1:пегпе* в главе 10.

Теперь более подробно проанализируем три варианта топологии — "шина", "звез­да" и "кольцо".

Структурная схема сети, построенной по топологии "шина"

Преимущество топологии "шина" заключается в ее простоте — это самая простая топология (рис. 1.1). После подключения компьютеров к линии связи остается инстал­лировать на них сетевое ПО, и все. В общем случае обеспечивается связь всех компью­теров друг с другом. Ахиллесова пята сети, построенной по топологии "шина", — низ­кая надежность. Обрыв любого сегмента кабельной линии, соединяющего соседние компьютеры, приводит к выходу из строя всей сети. К тому времени, когда вышло предыдущее, т.е. третье издание этой книги (середина 2003 года), приобрести кабель и аппаратуру для топологии "шина" было далеко не просто. Топология "шина" оказа­лась тупиковой и от нее отказались, причем од­на из причин этого заключается в том, что рас­ширение сети этой топологии связано со значи­тельными сложностями.

Структурная схема сети, построенной по топологии "звезда"

Более сложные сети строятся по топологии "звезда", потому что при этом обеспе­чивается повышение надежности и снижение чувствительности к обрывам кабельных линий связи по сравнению с топологией "шина". В отличие от топологии "шина", когда линия связи идет поочередно от одного компьютера к другому, в сетях тополо­гии "звезда" компьютеры соединяются друг с другом через объединительный блок, называемый концентратором (или хабом, от англ. пиЪ).

Лея

На смену концентраторам приходят коммутаторы

Они обеспечивают расширение возможностей контроля рабочей полосы частот сети и сокращения времени на соединение компьютеров, а также все шире используются вместо концентраторов в качестве центральных узлов, через которые осуществляется связь сетевых компьютеров.

clip_image003Все компьютеры подключаются к концентрато­ру отдельными кабелями. Сети ЕИтегпег ЮОВазе-Т строятся по топологии "звезда". Возможно, многие читатели знакомы с этой архитектурой; если вы подключены к Интернету, по коаксиальной или БЗЬ-линии через маршрутизатор/коммутатор, то это подключение наверняка работает по стан­дарту ЮОВазе-Т. По своей архитектуре боль­шинство современных локальных сетей пред­ставляет собой один из вариантов этой модели.

Рабочая станция

Рис. 1. Структурная схема простой се­ти, построенной по топологии "звезда"

Сети, построенные по топологии "звезда", обладают определенными преимуществами по сравнению с сетями, построенными по тополо­гии "шина". Первым и наиболее важным из них является их надежность. В сети по топологии "шина" достаточно отключить один из компью­теров, чтобы вся сеть вышла из строя. В сети по топологии "звезда" можно отключать компью­теры "на ходу" — это никак не повлияет на ее функционирование

Другие сетевые архитектуры, в которых используется топология "звезда"

10ВазеТ, или ЕтНегпег на основе проводниковых линий передачи, — это не единственная сетевая архитектура, в которой используется тополо­гия "звезда". Сетевые архитектуры, базирующиеся на волоконно-оптических линиях передачи, также могут быть реализованы по тополо­гии "звезда". Примерами являются ОЛдаЬИ: Етпегпе* и Азупспгопоиз Тгапзтег Моо"е (известная также под названием АТМ). Эти сетевые архи­тектуры будут рассмотрены нами позже. Ключевым моментом является то, что во всех этих вариантах сетей разводка проводниковых (или во­локонно-оптических кабелей) выполняется по топологии "звезда".

clip_image005Структурная схема сети, построенной по топологии "кольцо"

В сети построенной по топологии "кольцо" (используемой в таких сетевых архи­тектурах, как Токеп Шив и РВБ1), разводка линий, связывающих сетевые устройства (узлы сети), в действительности выполняется по такой же схеме, как и разводка ли­ний сети ЕШете! топологии "звезда". Кольцо, по которому данные циркулируют в сети (как если бы компьютеры были соединены друг за другом — "цепочкой", по кольцу), — это в действительности не физическое, а логическое кольцо. Это логиче­ское кольцо формирует объединительное устройство, которое является центральным узлом и к которому подключаются все компьютеры. .

В сети Токеп Кга§, разработанной компанией 1ВМ, таким центральным узлом яв­ляется МА1Я — многопортовое устройство доступа (МиШзЫюп Асееве Шй). Это уст­ройство внешне похоже на концентратор или коммутатор тем, что в нем тоже есть от­дельные порты для подключения линий передачи, идущих от компьютеров. Однако, как показано на схеме, изображенной на рис. 1.3, многопортовое устройство доступа передает данные от одного компьютера к другому по кругу (вот откуда такое название Токеп Шп§ — маркерное "кольцо").

Знлрте ли

вы?

Чем отличаются друг от друга Е1пегпе1 и Токеп Ншд

Вопрос о том, чем отличаются друг от друга способы пересылки данных в компьютер и способы доступа компьютера к этим данным, реализуе­мые в сетях разной архитектуры — Етпегпег, Токеп Нплд и РТЮ1, будет рассматриваться на занятии 3, "Как сетевые компьютеры "общаются" между собой". clip_image007Еще одной сетевой архитектурой, в которой используется логическая топология "кольцо", является ЕТЮ1 (Б1Ъег ОЫпои&а Ба1а МегГасе — распределенный интерфейс передачи данных по волоконно-оптическим каналам). Сети РББ1 строятся на основе волоконно-оптических, а не проводниковых, линий передачи. Топология се­ти РБВ1 очень похожа на топологию сети Токеп Кш§, за одним исключением: сетевой компьютер может быть подключен одновременно к двум концентраторам/МА11, что позволяет при отказе одного из сетевых подключений автоматически восстановить нарушенную связь, используя для этого второе подключение. Сетевые устройства, подключенные к нескольким концентраторам, называются устройствами с двойной привязкой (оиа1 пошей») и подключаются одновременно к двум кольцам. На рис. 1.4 приведена струк­турная схема простой сети РВБ1. Сеть РОБ1 отличается очень высокой скоростью работы. Но ее реализация и поддержка также обходится очень дорого, поэтому сети такой архитектуры используются, как правило, в тех случаях, когда требуется очень высокая пропускная способность, например, для подключения биржевых терминалов.

Сетевые устройства

Мы уже выяснили на этом занятии ряд причин, по которым вам может потребо­ваться компьютерная сеть. Для того чтобы она по своим возможностям удовлетворяла вашим запросам, нужно будет соединить друг с другом определенным образом массу се­тевых устройств. Не вникая пока в детали того, каким образом это делается, обсудим вкратце основные сетевые устройства, которые будут часто упоминаться в этой книге.

В первую очередь это компьютеры и принтеры, автономные устройства, которые работают и без сети.

? Рабочая станция — это компьютер, на котором пользователь выполняет свою работу.

? Сервер — компьютер, обеспечивающий остальным сетевым компьютерам кол­лективный доступ к его ресурсам.

? Сетевой принтер — принтер, подключенный к сети, который может использо­вать любой пользователь, подключенный к сети.

? Интернет-маршрутизатор — устройство, выполняющее роль объединительного блока, через которое одновременно несколько пользователей получают доступ в Интернет. Роль Интернет-маршрутизаторов выполняют ОЗЬ-маршрутизаторы и кабельные модемы, обеспечивающее подключение к Интернету по широко­полосному (с высокой пропускной способностью) каналу передачи данных ка­бельной сети сервис-провайдера.

На рис. 1.5 и 1.6 приведены структурные схемы сетей, в которых используются эти

устройства.

Другое сетевое оборудование уже упоминалось при обсуждении структурных схем сетей различной топологии. Без этих устройств сети не построить.

? Маршрутизаторы — устройства, обеспечивающие связь между сетями, с помо­щью которых отдельные сети объединяются в более крупные. Более подробно об этих устройствах будет рассказано далее на этом занятии и на занятиях 3-5.

? Хотя кабельную проводку, строго говоря, нельзя отнести к категории устройств,

Кстати, если вы растерялись от обилия, терминов, с которыми вы уже познакоми­лись, не унывайте. Чтобы помочь вам усвоить профессиональный язык сетевых тех­нологий, мы будем в процессе учебы постоянно возвращаться к ним и более подробно объяснять их смысл.

Разнообразие вариантов сетей

Оборудование и топологии сетей — это только базовые компоненты сетевых тех­нологий. Разобравшись с базовыми техническими принципами построения сетей, пе­рейдем к изучению их базовых организационных принципов: 1АК (1оса1 агеа пе!\У0гк — локальная сеть, ЛВС) и \УАК (тЛе агеа пеглуогк — распределенная сеть5).

Не следует забывать о том, что все типы сетей, рассматриваемые в данной главе, являются частными сетями. То есть они находятся в распоряжении одной организа­ции, причем даже тогда, когда объединяют множество удаленных друг от друга ком­пьютеров. Это принципиально важная особенность, как будет показано далее на этом занятии при обсуждении вопросов, касающихся Интернета.

Локальные сети

Локальная сеть, или ЛА1Ч, — это самая нижняя категория организационной струк­туры компьютерных сетей. Локальная сеть — это группа компьютеров, связанных ме­жду собой линиями передачи, и все они расположены в одном месте. Структурные схемы локальных сетей часто очень близки к схемам, приведенным на рис. 1.1—1.4.

Локальная сеть характеризуется следующими особенностями.

? Она сосредоточена в одном месте, что подчеркивается ее названием — локальная.

? Она обеспечивает высокую скорость передачи данных, обычно в пределах от 100 до 1000 Мбит/с.

? Данные циркулируют только по линиям передачи, входящим в состав локаль­ной сети.

Компактное размещение локальной сети является одним из факторов, обеспечи­вающих высокую скорость ее работы. В локальных сетях Ёглегпе* она составляет обычно 100 Мбит/с. Для сравнения: скорость работы сети Токеп Шп§ находится в пределах от 4 до 16 Мбит/с; сети РРБ1 и Раз! ЕШегпе! работают на огромной скоро­сти — 100 Мбит/с и выше. Самые скоростные локальные сети, построенные по тех­нологии 01§аЫ1: ЕШегпег, обеспечивают передачу данных со скоростью 1000 Мбит/с.

Примерно с 2001 года резко возросло количество беспроводных сетей (802.11Ь, 802.11§ и 802.11а). Беспроводные локальные сети во многих отношениях проще кабельных. Несмотря на ряд все еще имеющихся проблем, связанных с обеспечением безопасно­сти таких сетей, они обладают на удивление высокой скоростью (до 54 Мбит/с) и от­личаются простотой установки.

Что означают все эти цифры?

Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике — ИИЭР (1ЕЕЕ— 1пзШЛе о! Вестпса! апс! Е1ес1гогпс Епдтеегз) определил различ­ные способы связи для сетей передачи данных. Технические требования к беспроводным локальным сетям регламентированы документами 802.11Ь, 802.11д и 802.11а. Дополнительная информация приведена

Хотя локальные сети являются сетями простейшей организационной структуры, это вовсе не значит, что они обязательно маленькие и простые. Локальные сети могут быть достаточно крупными и сложными; в деловой прессе достаточно часто публикуется информация о локальных сетях, объединяющих сотни и даже тысячи пользователей.

Если необходимость объединения ряда локальных сетей вызвана причинами гео­графического характера (имеется в виду территориальная разбросанность офисов ком­пании), это означает, что наступило время создавать распределенную сеть, или \\А!Ч.

Распределенные сети представляют собой ряд географически разнесенных локаль­ных сетей, которые соединены друг с другом с помощью высокоскоростных линий передачи и маршрутизаторов. Маршрутизатор — это устройство, управляющее потоком данных между сетями.

Если вы едете по незнакомой местности, каким образом вы узнаете, как вам доб­раться в нужное место? Скорее всего, вы остановитесь и спросите кого-нибудь из ме­стных жителей, кто знает как "отсюда" добраться "туда".

Маршрутизатор в сети делает примерно то же, что и прохожие, которые объясняют вам, как ехать дальше. Маршрутизаторы "знают", по каким маршрутам лучше всего передавать данные из пункта А в пункт Б, и постоянно "изучают" новые маршруты.

Доступ к ресурсам по распределенной сети часто ограничен пропускной способно­стью телефонной линии (пропускная способность самых распространенных телефон­ных линий, используемых для цифровой связи, составляет всего лишь 56 Кбит/с). Даже у магистральных телефонных линий операторов междугородной связи, т.н. ка­налов категории Т1, пропускная способность не превышает 1,5 Мбит/с,, и их исполь­зование обходится очень дорого. Хотя цены на использование каналов Т1 с расцветом Интернета снизились, все равно редко кто .согласен ежемесячно платить телефонной компании тысячи долларов за использование каналов Т1. Сопоставьте 56 Кбит/с (про­пускная способность аналоговой телефонной линии) или даже 1,5 Мбит/с (скорость передачи по линии Т1) со скоростью передачи данных в сети 1А№ или МАК (Ме(гороШап Агеа №глтогк — внутригородская компьютерная сеть) — вот когда "чере­пашья" скорость передачи данных по линиям цифровой телефонной связи становится очевидна. Конечно, если денег у вас предостаточно, то вы можете позволить себе ис­пользовать для этого линию категории ТЗ (другое обозначение — Б83), которая обес­печит скорость передачи в 45 Мбит/с — выше чем у многих сетей.

Пропускная способность6 — параметр, характеризующий максимальную скорость передачи данных, которую способно обеспечить устройство (например, сетевая карта или модем). Здесь подходит аналогия с пропускной способностью вентиляционного канала — канал, по которому, при прочих равных условиях, прогоняется 100 кубиче­ских футов воздуха в минуту, обладает меньшей пропускной способностью, чем ка­нал, по которому прогоняется 1000 кубических футов воздуха в минуту. Пропускная способность канала цифровой связи измеряется в килобитах или мегабитах в секунду (Кбит/с, Мбит/с). Мегабит в секунду по сравнению с килобитом в секунду — это как го­ночный автомобиль в сравнении с бегуном. Если по одной линии передачи данные "летят со скоростью болида", а по другой "бегут", то разница в скорости здесь огромная.

Распределенные ОД^АК) сети часто создаются в тех случаях, когда необходимо обеспечить всем пользователям возможность доступа к общему фонду информации, например, производственным базам данных илИ|К банковской информации при полу­чении денег через банкомат. Необходимо четко определять и ограничивать круг задач, под которые создается распределенная сеть, чтобы ограниченная пропускная способ­ность телефонных линий не стала непреодолимым препятствием для разработчиков сети. До тех пор пока поток данных, которые необходимо передавать, не превышает



Вы можете оставить отзыв или трекбек со своего сайта.

3 комментария на «Компьютерные сети. Как они устроены. Топологии сетей»

  1. леся пишет:

    25 Июл 2011 в 16:47

    Ха, мой диплом в сжатом виде)))

  2. stavhe пишет:

    04 Авг 2011 в 12:01

    Все просто и понятно

  3. Ann пишет:

    16 Окт 2013 в 23:18

    Я так же писала диплом по такой тематике)Сколько пота и крови ушло же на него)

Ваш отзыв