Под топологией (компоновкой, конфигурацией, структурой) компьютерной сети обычно понимается физическое расположение компьютеров сети один относительно одного и способ соединения их линиями связи. Важно отметить, что понятие топологии относится, в первую очередь, к локальным сетям, в которых структуру связей можно легко проследить. В глобальных сетях структура связей обычно спрятана от пользователей не слишком важная, потому что каждый сеанс связи может выполняться по своему собственному пути.
Топология определяет требования к оборудованию, тип используемого кабеля, возможные и наиболее удобные методы управления обменом, надежность работы, возможности расширения сети.

Существует три основные топология сети:

1. Сетевая топология шина (bus), при которой все компьютеры параллельно подключаются к одной линии связи и информация от каждого компьютера одновременно передается всем другим компьютерам (рис. 1);

2. Cетевая топология звезда (star), при которой к одному центральному компьютеру присоединяются другие периферийные компьютеры, причем каждый из них использует свою отдельную линию связи (рис. 2);

3. Cетевая топология кольцо (ring), при которой каждый компьютер передает информацию всегда только одному компьютеру, следующему в цепочке, а получает информацию только от предыдущего компьютера в цепочке, и эта цепочка замкнута в «кольцо» (рис. 3).

Рис. 1. Сетевая топология «шина»

Рис. 2. Сетевая топология «звезда»

Рис. 3. Сетевая топология «кольцо»

На практике нередко используют и комбинации базовой топологии, но большинство сетей ориентированные именно на этих три. Рассмотрим теперь коротко особенности перечисленной сетевой топологии.

Топология «шина» (или, как ее еще называют, «общая шина») самой своей структурой допускает идентичность сетевого оборудования компьютеров, а также равноправие всех абонентов. При таком соединении компьютеры могут передавать только по очереди, потому что линия связи единственная. В противном случае переданная информация будет искажаться в результате наложения (конфликту, коллизии). Таким образом, в шине реализуется режим полудуплексного (half duplex) обмена (в обоих направлениях, но по очереди, а не одновременно).
В топологии «шина» отсутствует центральный абонент, через которого передается вся информация, которая увеличивает ее надежность (ведь при отказе любого центра перестает функционировать вся управляемая этим центром 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) подходит два кабеля, что не всегда удобно.
Потому что разрешение возможных конфликтов в этом случае ложится на сетевое оборудование каждого отдельного абонента, аппаратура сетевого адаптера при топологии «шина» выходит сложнее, чем при другой топологии. Однако через широкое распространение сетей с топологией «шина» (Ethernet, Arcnet) стоимость сетевого оборудования выходит не слишком высокой.
Шине не страшные отказы отдельных компьютеров, потому что все другие компьютеры сети могут нормально продолжать обмен. Может показаться, что шине не страшный и обрыл кабелю, поскольку в этом случае мы одержимо две полностью работоспособных шины. Однако через особенности распространения электрических сигналов по длинным линиям связи необходимо предусматривать включение на концах шины специальных устройств – терминаторов, показанных на рис. 1 в виде прямоугольников. Без включения терминаторов сигнал отражается от конца линии и искажается так, что связь по сети становится невозможной. Так что при разрыве или повреждении кабеля нарушается согласование линии связи, и прекращается обмен даже между теми компьютерами, которые остались соединенными между собой. Короткое замыкание в любой точке кабеля шины выводит из строя всю сеть. Любой отказ сетевого оборудования в шине очень трудно локализовать, потому что все адаптеры включены параллельно, и понять, который из них вышел из строя, не так-то просто.
При прохождении по линии связи сети с топологией «шина» информационные сигналы ослабляются и никак не возобновляются, что налагает твердые ограничения на суммарную длину линий связи, кроме того, каждый абонент может получать из сети сигналы разного уровня в зависимости от расстояния к передаточному абоненту. Это выдвигает дополнительные требования к приемным узлам сетевого оборудования. Для увеличения длины сети с топологией «шина» часто используют несколько сегментов (каждый из которых являет собой шину), соединенных между собой с помощью специальных обновителей сигналов - репитеров.
Однако такое наращивание длины сети не может длиться бесконечно, потому что существуют еще и ограничения, связанные с конечной скоростью распространения сигналов по линиям связи.

Топология «Звезда» - это топология с явно выделенным центром, к которому подключаются все другие абоненты. Весь обмен информацией идет исключительно через центральный компьютер, на который таким способом ложится очень большая нагрузка, потому ничем другим, кроме сети, оно заниматься не может. Понятно, что сетевое оборудование центрального абонента должно быть существенно больше сложным, чем оборудование периферийных абонентов. О равноправии абонентов в этом случае говорить не придется. Как правило, именно центральный компьютер является самим мощным, и именно на него возлагают все функции по управлению обменом. Никакие конфликты в сети с топологией «звезда» в принципе невозможные, потому что управление полностью централизовано, конфликтовать нет почему.
Если говорить о стойкости звезды к отказам компьютеров, то выход из строя периферийного компьютера никак не отражается на функционировании части сети, которая осталась, зато любой отказ центрального компьютера делает сеть полностью неработоспособной. Поэтому должны приниматься специальные мероприятия по повышению надежности центрального компьютера и его сетевой аппаратуры. Обрыл любого кабеля или короткое замыкание в нем при топологии «звезда» нарушает обмен только с одним компьютером, а все другие компьютеры могут нормально продолжать работу.
На склонение от шины, в звезде на каждой линии связи находятся только два абонента: центральный и один из периферийных. Чаще всего для их соединения используется две линии связи, каждая из которых передает информацию только в одном направлении. Таким образом, на каждой линии связи есть только один приемник и один передатчик. Все это существенно упрощает сетевое установление в сравнении с шиной и спасает от необходимости применение дополнительных внешних терминаторов. Проблема затухания сигналов в линии связи также решается в «звезде» проще, чем в «шине», ведь каждый приемник всегда получает сигнал одного уровня. Серьезный недостаток топологии «звезда» складывается в жестком ограничении количества абонентов. Обычно центральный абонент может обслуживать не больше 8-16 периферийных абонентов. Если в этих пределах подключения новых абонентов достаточно просто, то при их превышении оно просто невозможно. Правда, иногда в звезде предусматривается возможность наращивания, то есть подключение вместо одного из периферийных абонентов еще одного центрального абонента (в итоге выходит топология из нескольких соединенных между собой звезд).
Звезда, показанная на рис. 2, зовется активной, или настоящей звезды. Существует также топология, которая называется пассивной звездой, что только внешне похожая на звезду (рис. 4). В это время она распространена намного больше, чем активная звезда. Достаточно сказать, что она используется в самой популярной на сегодняшний день сети Ethernet.

Рис. 4. Топология «пассивная звезда»

В центре сети с данной топологией содержится не компьютер, а концентратор, или хаб (hub), что выполняет ту же функцию, что и репитер. Он возобновляет сигналы, которые поступают, и пересылает их в другие линии связи. Хотя схема прокладки кабелей подобна настоящей или активной звезде, фактически мы имеем дело с шинной топологией, потому что информация от каждого компьютера одновременно передается ко всем другим компьютерам, а центрального абонента не существует. Естественно, пассивная звезда выходит дороже обычной шины, потому что в этом случае обязательно нужно еще и концентратор. Однако она предоставляет целый ряд дополнительных возможностей, связанных с преимуществами звезды. Именно поэтому в последнее время пассивная звезда все больше вытесняет настоящую звезду, которая считается малоперспективной топологией.
Можно выделить также промежуточный тип топологии между активной и пассивной звездой. В этом случае концентратор не только ретранслирует сигналы, но и делает управление обменом, однако сам в обмене не принимает участие.
Большое преимущество звезды (как активной, так и пассивной) заключается в том, что все точки подключения собраны в одном месте. Это позволяет легко контролировать работу сети, локализовать неисправности сети путем простого отключения от центра тех или других абонентов (что невозможно, например, в случае шины), а также ограничивать доступ посторонних лиц к жизненно важному для сети точкам подключения. К каждому периферийному абоненту в случае звезды может подходить как один кабель (по которому идет передача в обоих направлениях), так и два кабеля (каждый из них передает в одном направлении), причем вторая ситуация встречается чаще. Общим недостатком для всей топологии типа «звезда» значительно больше, чем при другой топологии, затрата кабеля. Например, если компьютеры расположены в одну линию (как на рис. 1), то при выборе топологии «звезда» понадобится в несколько раз больше кабеля, чем при топологии «шина». Это может существенно повлиять на стоимость всей сети в целом.

Топология «Кольцо» – это топология, в которой каждый компьютер соединен линиями связи только с двумя другими: от одного он только получает информацию, а другому только передает. На каждой линии связи, как и в случае звезды, работает только один передатчик и один приемник. Это позволяет отказаться от применения внешних терминаторов. Важна особенность кольца заключается в том, что каждый компьютер ретранслирует (возобновляет) сигнал, то есть выступает в роли репитера, потому затухание сигнала во всем кольце не имеет никакого значения, важно только затухание между соседними компьютерами кольца. Четко выделенного центра в этом случае нет, все компьютеры могут быть одинаковыми. Однако достаточно часто в кильке выделяется специальный абонент, который управляет обменом или контролирует обмен. Понятно, что наличие такого управляющего абонента снижает надежность сети, потому что выход его из строя сразу же парализует весь обмен.
Строго говоря, компьютеры в кильке не являются полностью равноправными (в отличие, например, от шинной топологии). Одни из них обязательно получают информацию от компьютера, который ведет передачу в этот момент, раньше, а другие – позже. Именно на этой особенности топологии и строятся методы управления обменом по сети, специально рассчитанные на «кольцо». В этих методах право на следующую передачу (или, как еще говорят, на захвата сети) переходит последовательно к следующему по кругу компьютеру.
Подключение новых абонентов в «кольцо» обычно совсем безболезненно, хотя и требует обязательной остановки работы всей сети на время подключения. Как и в случае топологии «шина», максимальное количество абонентов в кильке может быть достаточно большая (до тысячи и больше). Кольцевая топология обычно является самой стойкой к перегрузкам, она обеспечивает уверенную работу с самими большими потоками переданной по сети информации, потому что в ней, как правило, нет конфликтов (в отличие от шины), а также отсутствует центральный абонент (в отличие от звезды).
Потому что сигнал в кильке проходит через все компьютеры сети, выход из строя хотя бы одного из них (или же его сетевого встановление) нарушает роботу всей сети в целом. Точно так же любой обрыв или короткое замыкание в каждом из кабелей кольца делает работу всей сети невозможной. Кольцо наиболее уязвимо к повреждениям кабеля, потому в этой топологии обычно предусматривают прокладку двух (или больше) параллельных линий связи, одна из которых находится в резерве.
В то же время большое преимущество кольца заключается в том, что ретрансляция сигналов каждым абонентом позволяет существенно увеличить размеры всей сети в целом (временами до нескольких десятков километров). Кольцо относительно этого существенно превосходит любую другую топологию.

Недостатком кольца (в сравнении со звездой) можно считать то, что к каждому компьютеру сети необходимо подвести два кабеля.

Иногда топология «кольцо» выполняется на основе двух кольцевых линий связи, которые передают информацию в противоположных направлениях. Цель подобного решения – увеличение (в идеале вдвое) скорости передачи информации. К тому же при повреждении одного из кабелей сеть может работать с другим кабелем (правда, предельная скорость уменьшится).
Кроме трех рассмотренной основной, базовой топологии нередко применяется также сетевая топология «дерево» (tree), которую можно рассматривать как комбинацию нескольких звезд. Как и в случае звезды, дерево может быть активным, или настоящим (рис. 5), и пассивным (рис. 6). При активном дереве в центрах объединения нескольких линий связи находятся центральные компьютеры, а при пассивном - концентраторы (хабы).

Рис. 5. Топология «активное дерево»

Рис. 6. Топология «пассивное дерево». К - концентраторы

Применяется достаточно часто и комбинированная топология, например звездно шинная, звездно кольцевая.

Многозначительность понятия топологии.

Топология сети определяет не только физическое расположение компьютеров, но, что намного более важное, характер связей между ними, особенности распространения сигналов по сети. Именно характер связей определяет степень отказостойкости сети, необходимую сложность сетевой аппаратуры, наиболее подходящий метод управления обменом, возможны типы сред передачи (каналов связи), допустимый размер сети (длина линий связи и количество абонентов), необходимость электрического согласования, и много чего другого.
Когда в литературе вспоминается о топологии сети, то могут иметь в виду четыре совсем разных понятия, которые относятся к разным уровням сетевой архитектуры:

1. Физическая топология (то есть схема расположения компьютеров и прокладки кабелей). В этом содержании, например, пассивная звезда ничем не отличается от активной звезды, потому ее нередко называют просто «звездой».

2. Логическая топология (то есть структура связей, характер распространения сигналов по сети). Это, наверно, наиболее правильное определение топологии.

3. Топология управления обменом (то есть принцип и последовательность передачи права на восторг сети между отдельными компьютерами).

4. Информационная топология (то есть направление потоков информации, переданной по сети).

Например, сеть с физической и логической топологией «шина» может как метод управления использовать эстафетную передачу права захвата сети (то есть быть в этом содержании кольцом) и одновременно передавать всю информацию через один выделен компьютер (быть в этом содержании звездой).

Термин "сетевая топология" описывает возможные конфигурации компьютерных сетей. Специфика сетевых технологий состоит в необходимости строгого согласования всех характеристик аппаратных и программных сетевых средств для успешного обмена данными. При этом существующие аппаратные средства способны обеспечивать различные возможности (скорость, надежность и т. п.) по передаче данных в зависимости от способа использования этих устройств. Для учета всех этих особенностей режимов работы оборудования и было введено понятие "сетевая топология". В настоящее время для описания конфигурации сети используют два вида топологий: физическую и логическую.

Физические топологии

Физическая топология описывает реально использующиеся способы организации физических соединений различного сетевого оборудования (использующиеся кабели, разъемы и способы подключения сетевого оборудования). Физические топологии различаются по стоимости и функциональности. Ниже мы приведем описание трех наиболее часто использующихся физических топологий с указанием их преимуществ и недостатков.

Физическая шина (Physical Bus)

Самая простая форма топологии физической шины представляет собой один основной кабель, оконцованный с обеих сторон специальными типами разъемов – терминаторами. При создании такой сети основной кабель прокладывают последовательно от одного сетевого устройства к другому. Сами устройства подключаются к основному кабелю с использованием подводящих кабелей и T-образных разъемов. Пример такой топологии приведен на рисунке.

Более сложной формой топологии физической шины является "распределенная шина" (чаще называется "древовидная топология"). В такой топологии основной кабель, начинаясь из одной точки, называемой "корнем" (root), разветвляется в различных направлениях определяемых реальным физическим местоположением сетевых устройств. В отличие от описанной выше топологии, в топологии "распределенная шина" основной кабель имеет более двух окончаний. Разветвление кабеля осуществляется с использованием специальных разъемов. Пример такой топологии приведен на рисунке.

Физическая звезда (Physical Star)

Самая простая форма топологии "физическая звезда" состоит из множества кабелей (по одному на каждое подключаемое сетевое устройство) подключенных к одному, центральному устройству. Это центральное устройство называют концентратором. Примером топологии физической звезды является технология Ethernet 10Base-T или Ethernet 100Base-T. В таких сетях каждое сетевое устройство подключается к концентратору с использованием кабеля типа "витая пара".

В случае использования простой топологии "физическая звезда" реальные пути движения сигналов могут не соответствовать форме звезды. Единственная характеристика, описываемая топологией "физическая звезда" – это способ физического соединения сетевых устройств. Пример самой простой топологии "физическая звезда" приведен на рисунке.

В топологии "распределенная звезда" способы соединения устройств могут быть существенно сложнее. В такой топологии центральные устройства (концентраторы) дополнительно соединяются между собой.

Физическое кольцо с подключением типа "звезда" (Physical Star-Wired Ring)

В этой топологии все сетевые устройства подключаются к центральному концентратору так же, как это происходит при использовании топологии "физическая звезда". Но каждый из концентраторов внутри себя организовывает физические соединения, обеспечивающие построение единого физического кольца. При использовании нескольких концентраторов, кольцо в каждом из концентраторов размыкается, а сами концентраторы подключаются друг к другу с использованием двух кабелей, организуя физическое замыкание кольца.

Топология физического кольца используется в сетях IBM Token-Ring. Пример описанной топологии приведен на рис.

В этой топологии все концентраторы являются "интеллектуальными" устройствами. При возникновении разрыва физического кольца в любой точке сети концентратор автоматически обнаруживает разрыв и восстанавливает кольцо путем замыкания внутри себя соответствующих портов. На рисунке показан пример такого восстановления кольца (концентратор А).

В настоящее время наибольшей популярностью пользуется звездообразная топология, поскольку она обеспечивает самый простой способ подключения новых устройств в сеть. В большинстве случаев включение нового устройства в сеть заключается лишь в прокладке отрезка кабеля, соединяющего подключаемое сетевое устройство с концентратором.

Логические топологии

Логическая топология определяет реальные пути движения сигналов при передаче данных по используемой физической топологии. Таким образом, логическая топология описывает пути передачи потоков данных между сетевыми устройствами. Она определяет правила передачи данных в существующей среде передачи с гарантированием отсутствия помех влияющих на корректность передачи данных.

Поскольку логическая топология описывает путь и направление передачи данных, то она тесно связана с уровнем MAC (Media Access Control) модели OSI (подуровень канального уровня). Для каждой из существующих логических топологий существуют методы контроля доступа к среде передачи данных (MAC) позволяющие осуществлять мониторинг и контроль процесса передачи данных. Эти методы будут обсуждаться вместе с соответствующей им топологией.

В настоящее время существует три базовые логические топологии: "логическая шина", "логическое кольцо" и "логическая звезда" (коммутация). Каждая из этих топологий обеспечивает преимущества в зависимости от способов использования. Используя рассмотренные ранее рисунки, посвященные физическим топологиям, всегда помните, что логическая топология определяет направление и способ передачи, а не схему соединения физических проводников и устройств.

Логическая шина

В топологии "логическая шина" последовательности данных, называемые "кадрами" (frames), в виде сигналов распространяются одновременно во всех направлениях по существующей среде передачи. Каждая станция в сети проверяет каждый кадр данных для определения того, кому адресованы эти данные. Когда сигнал достигает конца среды передачи, он автоматически гасится (удаляется из среды передачи) соответствующими устройствами, называемыми "терминаторами" (terminators). Такое уничтожение сигнала на концах среды передачи данных предотвращает отражение сигнала и его обратное поступление в среду передачи. Если бы терминаторов не существовало, то отраженный сигнал накладывался бы на полезный и искажал его.

В топологии "логическая шина" среда передачи совместно и одновременно используется всеми устройствами передачи данных. Для предотвращения помех при попытках одновременной передачи данных несколькими станциями, только одна станция в любой момент времени имеет право передавать данные. Таким образом, должен существовать метод определения того, какая станция имеет право передавать данные в каждый конкретный момент времени. В соответствии с этими требованиями были созданы методы контроля доступа к среде передачи, которые мы обзорно рассмотрели в разделе "Процесс обмена данными".

Наиболее часто используемым при организации топологии логической шины методом контроля доступа к среде передачи является CSMA/CD – “метод прослушивания несущей, с организацией множественного доступа и обнаружением коллизий” (Carrier Sense Multiple Access/ Collision Detection). Этот метод доступа очень похож на разговор нескольких людей в одной комнате. Для того, чтобы не мешать друг другу, в любой момент времени говорит только один человек, а все остальные слушают. А начинать говорить кто-либо может только, убедившись в том, что в комнате воцарилось молчание. Точно таким же образом работает и сеть. Когда какая-либо станция собирается передавать данные, сначала она "прослушивает" (carrier sense) среду передачи данных в целях обнаружения какой-либо уже передающей данные станции. Если какая-либо станция в данный момент выполняет передачу, то станция ждет окончания процесса передачи. Когда среда передачи освобождается, ожидавшая станция начинает передачу своих данных. Если в этот момент начинается передача еще одной или несколькими станциями тоже ожидавшими освобождения среды передачи, то возникает "коллизия" (collision). Все передающие станции обнаруживают коллизию и посылают специальный сигнал информирующий все станции сети о возникновении коллизии. После этого все станции замолкают на случайный промежуток времени перед повторной попыткой передачи данных. После этого алгоритм работы начинается сначала.

Сеть, базирующаяся на топологии логической шины, может также использовать и технологию "передачи маркера" (token passing) для контроля доступа к среде передачи данных. При использовании этого метода контроля каждой станции назначается порядковый номер указывающий очередность в передаче данных. После передачи данных станцией с максимальным номером, очередь возвращается к первой станции. Порядковые номера, назначаемые станциям, могут не соответствовать реальной последовательности физического подключения станций к среде передачи данных. Для контроля того, какая станция в текущий момент времени имеет право передать данные, используется контрольный кадр данных, называемый "маркером доступа". Этот маркер передается от станции к станции в последовательности, соответствующей их порядковым номерам. Станция, получившая маркер, имеет право передать свои данные. Однако, каждая передающая станция ограничена временем, в течение которого ей разрешается передавать данные. По окончании этого времени станция обязана передать маркер следующей станции.

Работа такой сети начинается с того, что первая станция, имеющая маркер доступа, передает свои данные и получает на них ответы в течение ограниченного промежутка времени (time slot). Если станция завершает обмен данными ранее окончания выделенного ей времени, она просто передает маркер станции со следующим порядковым номером. Далее процесс повторяется. Такой последовательный процесс передачи маркера продолжается непрерывно, предоставляя возможность каждой станции через строго определенный промежуток времени получить возможность передать данные.

Топология "логической шины" базируется на использовании топологий "физическая шина" и "физическая звезда". Метод контроля доступа и типы физических топологий выбираются в зависимости от требований к проектируемой сети. Например, каждая из сетей: Ethernet, 10Base-T Ethernet и ARCnet® используют топологию "логическая шина". Кабели в сетях Ethernet (тонкий коаксиальный кабель) подключаются с использованием топологии "физическая шина", а сети 10Base-T Ethernet и ARCnet базируются на топологии "физическая звезда". Вместе с тем, сети Ethernet (физическая шина) и 10Base-T Ethernet (физическая звезда) используют CSMA/CD в качестве метода контроля доступа к среде передачи данных, а в ARCnet (физическая звезда) применяется маркер доступа.

На первом рисунке показана сеть Ethernet (физическая шина, логическая шина), а на втором – проиллюстрирована сеть 10Base-T Ethernet (физическая звезда, логическая шина). На обоих рисунках обратите внимание на то, что сигнал (показан стрелками) исходит от одной (передающей в данный момент) станции и распространяется во всех направлениях существующей среды передачи.

Логическое кольцо

В топологии "логическое кольцо" кадры данных передаются по физическому кольцу до тех пор, пока не пройдут через всю среду передачи данных. Топология "логическое кольцо" базируется на топологии "физическое кольцо с подключением типа "звезда"". Каждая станция, подключенная к физическому кольцу, получает данные от предыдущей станции и повторяет этот же сигнал для следующей станции. Таким образом, данные, повторяясь, следуют от одной станции к другой до тех пор, пока не достигнут станции, которой они были адресованы. Получающая станция, копирует данные из среды передачи и добавляет к кадру атрибут, указывающий на успешное получение данных. Далее кадр с установленным "атрибутом доставки" продолжает путешествие по кольцу до тех пор, пока не достигнет станции, изначально отправившей эти данные. Станция, проанализировав "атрибут доставки" и убедившись в успешности передачи данных, удаляет свой кадр из сети. Рисунок демонстрирует процесс передачи данных в виде "логического кольца" в сети, базирующейся на топологии "физическое кольцо с подключением типа "звезда"".

Метод контроля доступа к среде передачи в таких сетях всегда базируется на технологии "маркеров доступа". Однако последовательность получения права на передачу данных (путь следования маркера), не всегда может соответствовать реальной последовательности подключения станций к физическому кольцу. IBM"s Token-Ring является примером сети, использующей топологию "логического кольца", базирующегося на "физическом кольце с подключением типа "звезда"".

Логическая звезда (коммутация)

В топологии "логическая звезда" используется метод коммутации, обеспечивающий ограничение распространения сигнала в среде передачи в пределах некоторой ее части. Механизм такого ограничения является основополагающим в топологии "логическая звезда".

В чистом виде, коммутация предоставляет выделенную линию передачи данных каждой станции. Когда одна станция передает сигнал другой станции подключенной к тому же самому коммутатору, то коммутатор передает сигнал только по среде передачи данных, соединяющей эти две станции. Рисунок показывает способ передачи данных между двумя станциями, подключенными к одному и тому же коммутатору. При таком подходе возможна одновременная передача данных между несколькими парами машин, так как данные, передающиеся между любыми двумя станциями, остаются "невидимыми" для других пар станций.

Большинство технологий коммутации создаются на базе существующих сетевых стандартов, привнося в них новый уровень функциональности. Например, рассмотренный ранее стандарт сети 10Base-T (метод контроля CSMA/CD), позволяет применять коммутацию.

Некоторые коммутаторы разрабатываются для поддержки возможностей одновременного использования нескольких сетевых стандартов. Например, один коммутатор может иметь порты для подключения станций как по стандарту 10Base-T Ethernet, так и FDDI (Fiber Distributed Data Interface).

Коммутаторы имеют встроенную логику, позволяющую им интеллектуально управлять процессом передачи данных между машинами. Внутренней логике коммутаторов свойственно высокое быстродействие, т. к. они должны обеспечивать возможность одновременной передачи данных с максимальной скоростью между каждой парой портов. Таким образом, использование коммутаторов позволяет существенно увеличить производительность сети.

Коммутация иллюстрирует то, что логическая топология определяется не только методом контроля доступа к среде передачи, но и множеством других аспектов схем электронных соединений (коммутатор является достаточно сложным и дорогим электронным устройством). Комбинируя новые технологии коммутации с существующими логическими схемами соединения, инженеры получают возможность создания новых логических топологий.

Несколько коммутаторов могут быть соединены между собой с использованием одной или нескольких физических топологий. Коммутаторы могут быть использованы не только для соединения индивидуальных станций, но и целых групп станций. Такие группы носят название "сегментов сети". Таким образом, по множеству причин коммутация может значительно повысить производительность Вашей сети.

Подключение к простейшей сети

Теперь, когда мы обсудили вопросы связанные с аппаратной реализацией различных компонентов сети и уяснили различия между логическими и физическими топологиями, рассмотрим способы подключения оборудования в простейшей сети. На рисунке показаны некоторые ранее рассмотренные сетевые устройства, подключенные к простейшей компьютерной сети.

Изображенная сеть состоит из следующих компонентов: три компьютера подключены к одному концентратору 10Base-T с использованием неэкранированной витой пары. На каждый компьютер установлены сетевые карты 10Base-T Ethernet. К одному из компьютеров также подключен лазерный принтер.

Компьютер в центральной нижней части рисунка является сервером и осуществляет контроль над всей сетью. Два оставшиеся компьютера – это рабочие станции. Рабочие станции используют сеть, контролируемую сервером. Одна рабочая станция – это персональный компьютер типа IBM PC, другая –компьютер Apple® Macintosh.

Концентратор 10Base-T обеспечивает физическое соединение всех трех компьютеров. Он также несет функции повторителя сигналов.

Линии между различными компонентами сети обозначают среду передачи: витую пару. Эта сеть использует топологию "физическая звезда", но базируется на логической топологии "логическая шина".

Принтер в этой сети подключен непосредственно к серверу с использованием параллельного порта этого компьютера. Такое подключение является стандартным для большинства принтеров. Сервер принимает задания на печать документов поступающих от каждой из рабочих станций. Поступившие задания на печать далее поступают к принтеру через параллельный порт сервера по соответствующему кабелю. Несмотря на то, что такой способ является наиболее простым для предоставления возможности нескольким станциям печатать документы на одном принтере, тем не менее существуют и другие способы подключения принтеров к сети. Вы можете, например, подключить принтер к специальному серверу печати или компьютеру со специальным программным обеспечением , предоставляющим возможность одновременно выполнять функции рабочей станции и сервера печати. Сейчас множество принтеров выпускается со встроенной в него сетевой картой, таким образом, принтер может подключаться непосредственно к среде передачи в любой точке сети.

Топология компьютерных сетей

Одним из важнейших различий между разными типами сетей является их топология.

Под топологией обычно понимают взаимное расположение друг относительно друга узлов сети. К узлам сети в данном случае относятся компьютеры, концентраторы, свитчи, маршрутизаторы, точки доступа и т.п.

Топология – это конфигурация физических связей между узлами сети. Характеристики сети зависят от типа устанавливаемой топологии. В частности, выбор той или иной топологии влияет:

• на состав необходимого сетевого оборудования;
• на возможности сетевого оборудования;
• на возможности расширения сети;
• на способ управления сетью.

Различают следующие основные виды топологий: щит, кольцо, звезда, ячеистая топология и решетка. Остальные являются комбинациями основных топологий и называются смешанными или гибридными.

Шина . Сети с шинной топологией используют линейный моноканал (коаксиальный кабель) передачи данных, на концах которого устанавливаются специальные заглушки – терминаторы (terminator). Они необходимы для того,

Рис. 6.1.

чтобы погасить сигнал после прохождения по шине. К недостаткам шинной топологии следует отнести следующее:

• данные, передаваемые по кабелю, доступны всем подключенным компьютерам;
• в случае повреждения шины вся сеть перестает функционировать.

Кольцо – это топология, в которой каждый компьютер соединен линиями связи с двумя другими: от одного он получает информацию, а другому передаст и подразумевает следующий механизм передачи данных: данные передаются последовательно от одного компьютера к другому, пока не достигнут компьютера-получателя. Недостатки топологии "кольцо" те же, что и у топологии "шина":

• общедоступность данных;
• неустойчивость к повреждениям кабельной системы.

Звезда – это единственная топология сети с явно выделенным центром, называемым сетевым концентратором или "хабом" (hub), к которому подключаются все остальные абоненты. Функциональность сети зависит от состояния этого концентратора. В топологии "звезда" прямые соединения двух компьютеров в сети отсутствуют. Благодаря этому имеется возможность решения проблемы общедоступности данных, а также повышается устойчивость к повреждениям кабельной системы.

Рис. 6.2.

Рис. 6.3. Топология типа "звезда"

– это топология компьютерной сети, в которой каждая рабочая станция сети соединяется с несколькими рабочими станциями этой же сети. Характеризуется высокой отказоустойчивостью, сложностью настройки и переизбыточным расходом кабеля. Каждый компьютер имеет множество возможных путей соединения с другими компьютерами. Обрыв кабеля не приведет к потере соединения между двумя компьютерами.

Рис. 6.4.

Решетка – это топология, в которой узлы образуют регулярную многомерную решетку. При этом каждое ребро решетки параллельно ее оси и соединяет два смежных узла вдоль этой оси. Одномерная решетка – это цепь, соединяющая два внешних узла (имеющие лишь одного соседа) через некоторое количество внутренних (у которых по два соседа – слева и справа). При соединении обоих внешних узлов получается топология "кольцо". Двух- и трехмерные решетки используются в архитектуре суперкомпьютеров.

Сети, основанные па FDDI, используют топологию "двойное кольцо", достигая тем самым высокой надежности и производительности. Многомерная решетка, соединенная циклически в более чем одном измерении, называется "тор".

(рис. 6.5) – топология, преобладающая в крупных сетях с произвольными связями между компьютерами. В таких сетях можно выделить отдельные произвольно связанные фрагменты (подсети ), имеющие типовою топологию, поэтому их называют сетями со смешанной топологией.

Для подключения большого числа узлов сети применяют сетевые усилители и (или) коммутаторы. Также применяются активные концентраторы – коммутаторы, одновременно обладающие и функциями усилителя. На практике используют два вида активных концентраторов, обеспечивающих подключение 8 или 16 линий.

Рис. 6.5.

Другой тип коммутационного устройства – пассивный концентратор, который позволяет организовать разветвление сети для трех рабочих станций. Малое число присоединяемых узлов означает, что пассивный концентратор не нуждается в усилителе. Такие концентраторы применяются в тех случаях, когда расстояние до рабочей станции не превышает нескольких десятков метров.

По сравнению с шинной или кольцевой смешанная топология обладает большей надежностью. Выход из строя одного из компонентов сети в большинстве случаев не оказывает влияния на общую работоспособность сети.

Рассмотренные выше топологии локальных сетей являются основными, т. е. базовыми. Реальные вычислительные сети строят, основываясь на задачах, которые призвана решить данная локальная сеть, и па структуре ее информационных потоков. Таким образом, на практике топология вычислительных сетей представляет собой синтез традиционных типов топологий.

Основные характеристики современных компьютерных сетей

Качество работы сети характеризуют следующие свойства: производительность, надежность, совместимость, управляемость, защищенность, расширяемость и масштабируемость.

К основным характеристикам производительности сети относятся:

• время реакции – характеристика, которая определяется как время между возникновением запроса к какому-либо сетевому сервису и получением ответа на него;
• пропускная способность – характеристика, которая отражает объем данных, переданных сетью в единицу времени;
• задержка передачи – интервал между моментом поступления пакета на вход какого-либо сетевого устройства и моментом его появления на выходе этого устройства.

Для оценки надежности сетей используются различные характеристики, в том числе:

• коэффициент готовности, означающий долю времени, в течение которого система может быть использована;
• безопасность, т.е. способность системы защитить данные от несанкционированного доступа;
• отказоустойчивость – способность системы работать в условиях отказа некоторых ее элементов.

Расширяемость означает возможность сравнительно легкого добавления отдельных элементов сети (пользователей, компьютеров, приложений, сервисов), наращивания длины сегментов сети и замены существующей аппаратуры более мощной.

Масштабируемость означает, что сеть позволяет наращивать количество узлов и протяженность связей в очень широких пределах, при этом производительность сети не ухудшается.

Прозрачность – свойство сети скрывать от пользователя детали своего внутреннего устройства, упрощая тем самым его работу в сети.

Управляемость сети подразумевает возможность централизованно контролировать состояние основных элементов сети, выявлять и разрешать проблемы, возникающие при работе сети, выполнять анализ производительности и планировать развитие сети.

Совместимость означает, что сеть способна включать в себя самое разнообразное программное и аппаратное обеспечение.

Термин «топология» имеет достаточно много значений, одно из которых применяется в компьютерном мире для описания сетей. Что такое топология далее и будет рассмотрено. Но, несколько забегая вперед, в самом простом случае это понятие можно рассматривать как описание конфигурации (расположения) компьютеров, подключенных к сети. Иными словами, все сводится к пониманию даже не самих соединений, а геометрических фигур, которые соответствуют каждому типу расположения терминалов.

Что понимается под топологией локальной сети?

Как уже понятно, компьютеры, объединяемые в единые сети, подключаются к ним не хаотично, а в строго определенном порядке. Для описания этой схемы и было введено понимание топологии.

По сути, что такое топология? Карта, схема, диаграмма, карта. Описательный процесс, как уже понятно, в чем-то сродни элементарным знаниям по геометрии. Однако только чисто с геометрической точки зрения этот термин рассматривать нельзя. Поскольку речь идет не только о подключениях, а еще и о передаче информации, в связи с этим следует учитывать и этот фактор.

Основные виды сетей и их топологий

Вообще, единого понятия компьютерной топологии не существует. Принято считать, что может быть несколько видов топологий, в совокупности описывающих ту или иную организацию сети. Собственно, и сети могут быть совершенно разными.

Например, самой простой формой организации соединения нескольких компьютерных терминалов в единое целое можно назвать локальную сеть. Существуют еще промежуточные типы сетей (городские, региональные и т. д.).

Наконец, самыми большим являются глобальные сети, которые затрагивают большие географические регионы и включают в себя все остальные типы сетей, а также компьютеры и телекоммуникационное оборудование.

Но что понимается под топологией локальной сети, как одной из самых простых форм организации соединения нескольких компьютеров между собой, в данном случае?

По признаку описываемых процессов и структур их разделяют на несколько типов:

• физическая - описание реально существующей структуры расположения компьютеров и узлов сети с учетом связей между ними;
• логическая - описание прохождения сигнала по сети;
• информационная - описание движения, направления и перенаправления данных внутри сети;
• управление обменом - описание принципа использования или передачи прав на пользование сетью.

Топология сети: типы

Теперь несколько слов об общепринятой классификации типов топологий по связям. В контексте того, что такое топология, отдельно стоит отметить еще один тип классификации, описывающий исключительно способ подключения компьютера к сети или принципа его взаимодействия с другими терминалами или основными узлами. В этом случае актуальными становятся понятия полносвязанной и неполносвязанной топологий.

Полносвязанная структура (и это признано во всем мире) является чрезвычайно громоздкой по причине того, что каждый единичный терминал, входящий в единую сетевую структуру, связан со всеми остальными. Неудобство в данном случае заключается в том, что для каждого компьютера необходимо устанавливать дополнительное оборудование связи, а сам терминал должен быть оснащен достаточно большим количеством коммуникационных портов. И как правило, такие структуры если и применяются, то крайне редко.

Неполносвязанная топология в этом плане выглядит намного предпочтительнее, поскольку каждый отдельно взятый терминал не соединяется со всеми остальными компьютерами, а получает или передает информацию через определенные сетевые узлы или обращается напрямую к центральному концентратору или хабу. Яркий тому пример - топология сети «звезда».

Поскольку речь зашла об основных методах объединения терминалов в единое целое (сеть), следует остановиться на основных топологиях всех основных типов, среди которых главными являются «шина», «звезда» и «кольцо», хотя существуют и некоторые смешанные типы.

Топология сети «шина» (bus)

Данный тип объединения терминалов в сеть является достаточно популярным, хотя и имеет весьма серьезные недостатки.

Рассмотреть, что собой представляет топология «шина», можно на простом примере. Представьте себе кабель с несколькими ответвлениями по обе стороны. На конце каждого такого ответвления находится компьютерный терминал. Между собой они напрямую не связаны, а информацию получают и передают через единую магистраль, на обоих концах которой установлены специальные терминаторы, препятствующие отражению сигнала. Это стандартная линейная топология сети.

Преимущество такого соединения состоит в том, что длина основной магистрали существенно уменьшается, и выход единичного терминала из строя на работу сети в целом не оказывает никакого влияния. Главным же недостатком является то, что при нарушениях в работе самой магистрали, неработоспособной оказывается вся сеть. К тому же топология «шина» ограничена в количестве подключаемых рабочих станций и обладает достаточно низкой производительностью ввиду распределения ресурсов между всеми терминалами в сети. Распределение может равномерным или неравномерным.

Топология «звезда» (star)

Топология сети «звезда» в некотором смысле напоминает «шину», с той лишь разницей, что подключение всех терминалов производится не к единой магистрали, а к центральному распределительному устройству (концентратор, хаб).

Как раз через концентратор все компьютеры могут взаимодействовать между собой. Информация передается с хаба на все устройства, но принимается, только теми, которым она предназначается. К преимуществам такого подключения относят возможность всеми терминалами сети, а также подключение новых. Однако, как и в случае с «шиной», выход из строя центрального коммутирующего устройства чреват последствиями для всей сети.

Топология «кольцо» (ring)

Наконец, перед нами еще один тип соединения - кольцевая топология сети. Как, наверное, уже понятно из названия, подключение компьютеров осуществляется последовательно от одного к другому через промежуточные узлы, в результате чего и образуется замкнутый круг (естественно, круг в данном случае - понятие условное).

При передаче информация из начальной точки проходит через все терминалы, которые стоят перед конечным получателем. Но распознавание конечного бенефициара производится на основе маркерного доступа. То есть информацию получает только помеченный в информационном потоке терминал. Такая схема практически нигде не используется в силу того, что выход из строя одного компьютера автоматически влечет за собой нарушение в работе всей сети.

Ячеистая и смешанная топология

Этот тип подключений можно получить, если убрать из вышеприведенных соединений некоторые связи или добавить их дополнительно. В большинстве случаев такая схема используется в крупных сетях.

В связи с этим можно определить несколько основных производных. Самыми распространенными считаются схемы типа «двойное кольцо», «дерево», «решетка», «снежинка», «сеть Клоза» и т. д. Как можно видеть даже из названий, все это вариации на тему основных видов соединений, которые и взяты за основу.

Есть еще и смешанный тип топологии, который может объединять в себе несколько других (подсети), сгруппированных по каким-то характерным признакам.

Заключение

Теперь уже, наверное, понятно, что такое топология. Если сделать некий общий итог, данное понятие представляет собой описание способов соединения компьютеров в сети и взаимодействия между ними. Как это производится, зависит исключительно от метода объединения терминалов в одно целое. И сказать, что сегодня можно выделить какой-то один универсальный вариант подключения, нельзя. В каждом конкретном случае и в зависимости от нужд может использоваться тот или иной тип подключений. Но в локальных сетях, если говорить именно о них, наиболее распространенной является схема «звезда», хотя и «шина» все еще используется достаточно широко.

Остается добавить, что в можно встретить еще понятия централизации и децентрализации, но они большей частью связаны не с подключениями, а с системой управления сетевыми терминалами и осуществлением контроля над ними. Централизация явно выражена в подключениях типа «звезда», но для этого типа применима и децентрализация, обеспечивающая ввод дополнительных элементов с целью повышения надежности сети при выходе центрального коммутатора из строя. Достаточно эффективной разработкой в этом плане является схема «гиперкуб», однако она весьма сложна в разработке.

— это способ описания конфигурации сети, схема расположения и соединения сетевых устройств. Топология сети позволяет увидеть всю ее структуру, сетевые устройства, входящие в сеть, и их связь между собой.

Выделяют несколько видов топологий: физическую, логическую, информационную и топологию управления обменом. В этой статье мы поговорим о физической топологии сети, которая описывает реальное расположение и связи между узлами локальной сети.

Выделяют несколько основных видов физических топологий сетей:

1. Шинная топология сети — топология, при которой все компьютеры сети подключаются к одному кабелю, который используется совместно всеми рабочими станциями. При такой топологии выход из строя одной машины не влияет на работу всей сети в целом. Недостаток же заключается в том, что при выходе из строя или обрыве шины нарушается работа всей сети.
2. Топология сети «Звезда» — топология, при которой все рабочие станции имеют непосредственное подключение к серверу, являющемуся центром "звезды". При такой схеме подключения, запрос от любого сетевого устройства направляется прямиком к серверу, где он обрабатывается с различной скоростью, зависящей от аппаратных возможностей центральной машины. Выход из строя центральной машины приводит к остановке всей сети. Выход же из строя любой другой машины на работу сети не влияет.
3. Кольцевая топология сети — схема, при которой все узлы соединены каналами связи в неразрывное кольцо (необязательно окружность), по которому передаются данные. Выход одного ПК соединяется с входом другого. Начав движение из одной точки, данные, в конечном счете, попадают на его начало. Данные в кольце всегда движутся в одном и том же направлении. Такая топология сети не требует установки дополнительного оборудования (сервера или хаба), но при выходе из строя одного компьютера останавливается и работа всей сети.
4. Ячеистая топология сети — топология, при которой каждая рабочая станция соединяется со всеми другими рабочими станциями этой же сети. Каждый компьютер имеет множество возможных путей соединения с другими компьютерами. Поэтому обрыв кабеля не приведет к потере соединения между двумя компьютерами. Эта топология сети допускает соединение большого количества компьютеров и характерна, как правило, для крупных сетей.
5. При смешанной топологии применяются сразу несколько видов соединения компьютеров между собой. Встречается она достаточно редко в особо крупных компаниях и организациях.

Для чего нужно знать виды топологий и все их минусы и плюсы? От схемы сети зависит состав оборудования и программного обеспечения. Топологию выбирают, исходя из потребностей предприятия. Кроме того, знание топологии сети позволяет оценивать ее слабые места, а также зависимость стабильности ее работы от отдельных составляющих, тщательнее планировать последующие подключения нового сетевого оборудования и ПК. В случае какого-то сбоя, отсутствия связи с каким-либо компьютером сети, на карте всегда можно посмотреть, где данное устройство располагается, на каком этаже, в каком офисе или помещении, на что, прежде всего, нужно обратить внимание и куда идти в первую очередь для устранения неисправности.

И тут мы подошли к одному из ключевых вопросов, интересующих всех системных администраторов, а именно: как нарисовать схему сети с минимальными затратами времени, сил и средств? Если сеть велика и состоит из десятков серверов, сотен компьютеров и еще множества других сетевых устройств (принтеров, свитчей и т.д.), даже опытному системному администратору (не говоря уже о новичке) очень сложно быстро разобраться во всех связях между сетевым оборудованием. О создании топологии сети вручную тут и речи быть не может. К счастью, современный рынок ПО предлагает специальные программы для автоматического исследования и построения схемы сети. Это позволяет системному администратору узнать, где и какое оборудование находится, не прибегая к ручному исследованию проводов.

Таким образом, даже если вы в компании новичок, и предыдущий сисадмин не горел большим желанием «сдавать» вам сеть по всем правилам, программы рисования топологии сети позволят вам быстро включиться в работу и начать ее с построения схемы вашей сети.