Топология сетей -
это геометрическая схема соединения узлов сети. Иными словами, топология - это конфигурация графа, вершинами которого являются компьютеры сети или другие коммуникационные устройства, а ребрами - физические связи между ними.

При создании сети, в зависимости от задач, которые она должна будет выполнять, может быть реализована одна из трех базовых топологий: "звезда", "кольцо" и "общая шина".

Кольцо

Узлы сети соединены замкнутой кривой. Выход одного узла сети соединяется со входом другого. Информация по кольцу передается от узла к узлу. Принимающий узел распознает и получает только адресованные ему сообщения. Продолжительность передачи информации увеличивается пропорционально количеству рабочих станций, входящих в сеть.

Кольцевая топология подходит для сетей, занимающих небольшое пространство. Однако ограничений на протяженность такой сети не существует, т.к. ограничение определяется исключительно расстоянием между двумя рабочими станциями.

Основная проблема кольцевой топологии заключается в том, что каждая рабочая станция должна участвовать в пересылке информации, и в случае выхода из строя хотя бы одной из них работа в сети прекращается.

 

Общая шина

Эта топология предполагает использование одного кабеля, к которому подключаются все компьютеры сети. Принимаются специальные меры для того, чтобы при работе с общим кабелем компьютеры не мешали друг другу передавать и принимать данные.

Данные от передающего узла сети распространяются по шине в обе стороны. Информация поступает на все узлы, но принимает сообщение только тот узел, которому оно адресовано. Это обеспечивает более высокое, чем в "кольце", быстродействие.

Надежность здесь выше, т.к. выход из строя отдельных компьютеров не нарушает работоспособность сети в целом. Рабочие станции в любое время, без прерывания работы всей вычислительной сети, могут быть подключены к ней или отключены. Функционирование вычислительной сети не зависит от состояния отдельной рабочей станции. Сеть легко наращивать.

Однако поиск неисправностей в кабеле затруднен. Кроме того, т.к. используется только один кабель, в случае его повреждения нарушается работа всей сети.

 

Звезда

Эта структура предполагает наличие центрального узла, к которому подключаются периферийные узлы. Каждый периферийный узел имеет свою отдельную линию связи с центральным узлом. Вся информация передается через центральный узел, который ретранслирует, переключает и маршрутизирует информационные потоки в сети.

Топология в виде звезды является наиболее быстродействующей из всех топологий компьютерных сетей, поскольку передача данных между рабочими станциями проходит через центральный узел по отдельным линиям, используемым только этими рабочими станциями.

Звездообразная топология значительно упрощает взаимодействие узлов сети друг с другом, позволяет использовать более простые сетевые адаптеры. В то же время работоспособность сети целиком зависит от центрального узла.

Комбинированные структуры сетей

В реальных вычислительных сетях могут использоваться комбинированные топологии. Например, логическая кольцевая сеть монтируется как соединение звездных топологий. Отдельные "звезды" включаются с помощью хабов в кольцо. Другой пример - древовидная структура, являющаяся комбинацией базовых топологий.

Сети со сложной топологией применяются там, где невозможно непосредственное применение базовых сетевых структур в чистом виде.

Методы доступа к среде передачи

Топология сети определяет правила, по которым каждое передающее устройство получает доступ к общей среде передачи – метод доступа.

Метод доступа -
это способ "захвата" передающей среды, способ определения того, какая из рабочих станций сети может следующей использовать ресурсы сети. Каждый метод доступа определяется набором правил (алгоритмом), используемым сетевым оборудованием, чтобы направлять поток сообщений чрез сеть. Метод доступа является одним из основных признаков, по которым различают сетевое оборудование.

Методы доступа к передающей среде могут быть разделены на следующие классы:

Селективные методы

При реализации селективных методов рабочая станция осуществляет передачу только после получения разрешения, которое либо направляется каждой рабочей станции по очереди центральным управляющим органом сети (такой алгоритм называется циклическим опросом), либо передается от станции к станции (алгоритм передачи маркера).

Метод опроса
Эта технология доступа к передающей среде применяется в многоточечных линиях глобальных сетей. Суть ее заключается в том, что первичный узел последовательно предлагает вторичным узлам подключиться к общему каналу передачи. В ответ на такой запрос вторичный узел, имея подготовленные данные, осуществляет передачу. Если подготовленных данных нет, выдается короткий пакет данных типа «данных нет», хотя в современных системах, как правило, реакцией в таких случаях является «молчание».

Наиболее распространенный способ организации запроса – циклический опрос, т.е. последовательное обращение к каждому вторичному узлу в порядке очередности, определяемой списком опроса. Цикл завершается после опроса всех вторичных узлов из списка. Для сокращения потерь времени, связанных с опросом неактивных вторичных узлов (т.е. узлов, по той или иной причине не готовых к передаче данных), применяются специальные варианты процедуры опроса: наиболее активные вторичные узлы опрашиваются несколько раз в течение цикла; наименее активные узлы – один раз в течение нескольких циклов; частота, с которой опрашиваются отдельные узлы, меняется динамически в соответствии с изменением активности узлов.

 

Метод запроса на передачу
При использовании этого метода инициатива в подаче запроса на обслуживание принадлежит вторичному узлу, причем запрос подается первичному узлу, если действительно имеется необходимость в передаче данных или в получении данных от другого узла.

Эффективность этого метода по сравнению с методом опроса будет тем выше, чем в большей степени вторичные узлы отличаются друг от друга по своей активности, т.е. по частоте подачи запросов на обслуживание. При одних и тех же исходных данных и при условии, когда все абоненты сети являются активными, в сетях без опроса максимальное время реакции на запрос почти в 2 раза меньше, чем в сетях с опросам, а максимально допустимое число активных абонентов при ограничении времени реакции на запрос – почти в 2 раза больше.

  

Метод передачи маркера
Этот метод широко используется в сетях с магистральной (шинной), звездообразной и кольцевой топологией. Право на передачу данных станции получают в определенном порядке, задаваемом с помощью маркера, который представляет собой уникальную последовательность бит информации (уникальный кадр). Магистральные сети, использующие этот метод, называются сетями типа "маркерная шина", а кольцевые сети – сетями типа "маркерное кольцо".

В сетях типа "маркерная шина" доступ к каналу обеспечивается таким образом, как если бы канал был физическим кольцом, причем допускается использование канала некольцевого типа (шинного, звездообразного).

Право пользования каналом передается организованным путем. Маркер (управляющий кадр) содержит адресное поле, где записывается адрес станции, которой предоставляется право доступа в канал. Станция, получив маркер со своим адресом, имеет исключительное право на передачу данных (кадра) по физическому каналу. После передачи кадра станция отправляет маркер другой станции, которая является очередной по установленному порядку владения правом на передачу. Каждой станции известен идентификатор следующей станции. Станции получают маркер в циклической последовательности, при этом в физической шине формируется так называемое логическое кольцо. Все станции "слушают" канал, но захватить канал для передачи данных может только та станция, которая указана в адресном поле маркера. Работая в режиме прослушивания канала, принять переданный кадр может только та станция, адрес которой указан в поле адреса получателя этого кадра.

В сетях типа "маркерная шина", помимо передачи маркера, решается проблема потери маркера из-за повреждения одного из узлов сети и реконфигурации логического кольца, когда в кольцо добавляется или из него удаляется один из узлов.

Преимущества такого метода доступа:

  • не требуется физического упорядочения подключенных к шине станций, т.к. с помощью механизма логической конфигурации может быть обеспечен любой порядок передачи маркера станции, т.е. с помощью этого механизма осуществляется упорядочение использования канала станциями;
  • имеется возможность использования в загруженных сетях;
  • возможна передача кадров произвольной длины.

В сетях типа "маркерное кольцо" (сети с кольцевой топологией) сигналы распространяются через однонаправленные двухточечные пути между узлами. Узлы и однонаправленные звенья соединяются последовательно, образуя физическое кольцо. В отличие от сетей с шинной структурой, где узлы действуют только как передатчики или приемники и отказ узла или удаление его из сети не влияет на передачу сигнала к другим узлам, здесь при распространении сигнала все узлы играют активную роль, участвуя в ретрансляции, усилении, анализе и модификации приходящих сигналов.

Как и в случае маркерной шины, в качестве маркера используется уникальная последовательность битов. Однако маркер не имеет адреса. Он снабжается полем занятости, в котором записывается один из кодов, обозначающих состояние маркера - свободное или занятое. Если ни один из узлов сети не имеет данных для передачи, свободный маркер циркулирует по кольцу, совершая однонаправленное (обычно против часовой стрелки) перемещение. В каждом узле маркер задерживается на время, необходимое для его приема, анализа (с целью установления занятости) и ретрансляции. В выполнении этих функций задействованы кольцевые интерфейсные устройства.

Свободный маркер означает, что кольцевой канал свободен и что любая станция, имеющая данные для передачи, может его использовать. Получив свободный маркер, станция, готовая к передаче кадра с данными, меняет состояние маркера на "занятый", передает его дальше по кольцу и добавляет к нему кадр. Занятый маркер вместе с кадром совершает полный оборот по кольцу и возвращается к станции-отправителю. По пути станция-получатель, удостоверившись по адресной части кадра, что именно ей он адресован, снимает копию с кадра. Изменить состояние маркера снова на свободное может тот узел, который изменил его на занятое. По возвращении занятого маркера с кадром данных к станции-отправителю кадр удаляется из кольца, а состояние маркера меняется на свободное, после чего любой узел может захватить маркер и начать передачу данных. С целью предотвращения монополизации канала станция-отправитель не может повторно использовать возвращенный к ней маркер для передачи другого кадра данных. Если после передачи свободного маркера в кольцо он, совершив полный оборот, возвращается к станции-отправителю в таком же состоянии ()это означает, что все другие станции сети не нуждаются в передаче данных), станция может совершить передачу другого кадра.

В кольцевой сети в передачей маркера также решается проблема потери маркера в результате ошибок при передаче или при сбоях в узле. Отсутствие передач в сети означает потерю маркера. Функции восстановления кольца в таких случаях выполняет сетевой мониторный узел.

Основные преимущества сетей типа "маркерное кольцо":

  • имеется возможность проверки ошибок при передаче данных: станция-отправитель. получив свой кадр от станции-получателя, сверяет его с исходным вариантом кадра. В случае наличия ошибки кадр передается повторно;
  • канал используется полностью, его простои отсутствуют;
  • метод может быть реализован в загруженных сетях;
  • имеется принципиальная возможность (и в некоторых сетях она реализована) осуществлять одновременную передачу несколькими станциями сети.

Недостатки такого подхода:

  • невозможность передачи кадров произвольной длины;
  • в простейшем (описанном выше) исполнении не предусматривается использование приоритетов, вследствие чего станция, имеющая для передачи важную информацию, вынуждена ждать освобождения маркера, что сопряжено с опасностью несвоевременной доставки данных адресату;
  • протокол целесообразно использовать только в локальных сетях с относительно небольшим количеством узлов, т.к. в противном случае время на передачу данных может оказаться неприемлемо большим.

 

Методы случайного доступа

Методы, основанные на соперничестве (методы случайного доступа, методы "состязаний" абонентов), предполагают, что каждая рабочая станция пытается "захватить" передающую среду. При этом могут использоваться несколько способов передачи данных: базовый асинхронный, синхронизация режима работы канала путем тактирования моментов передачи кадров, прослушивание канала перед началом передачи данных по правилу "слушай, прежде чем говорить", прослушивание канала во время передачи данных по правилу "слушай, пока говоришь". Эти способы используются вместе или раздельно, обеспечивая различные варианты загруженности канала  стоимости сети.

Метод множественного доступа с прослушиванием несущей и разрешением коллизий
Этот метод применяется, в основном, в локальных сетях. Все станции сети, будучи равноправными, перед началом передачи работают в режиме прослушивания канала. Если канал свободен, станция начинает передачу; если занят, – станция ожидает завершения передачи. Через некоторое случайное время она снова обращается к каналу.

Поскольку сеть CSMA/CD является равноранговой, в результате соперничества за канал могут возникнуть коллизии: станция В может передать свой кадр, не зная, что станция А уже захватила канал, поскольку от станции А к станции В сигнал распространяется за конечное время. В результате станция В, начав передачу, вошла в конфликт со станцией А (коллизия со станцией А).

Каждая станция способна одновременно и передавать данные, и «слушать» канал. При наложении двух сигналов в канале начинаются аномалии (в виде аномального изменения напряжения), которые обнаруживаются станциями, участвующими в коллизии.

Для разрешения коллизий используется так называемое «окно коллизий», представляющее собой интервал времени, необходимый для распространения сигнала по каналу и обнаружения его любой станцией сети. В наихудших для одноканальной сети условиях время, необходимое для обнаружения столкновения сигналов (коллизии), в два раза больше задержки распространения, так как сигнал, образовавшийся в результате коллизии, должен распространяться обратно к передающим станциям. Чтобы окно коллизии было меньше, такой способ доступа целесообразно применять в сетях с небольшими расстояниями между станциями, т.е. в локальных сетях. Кроме того, вероятность появления коллизий возрастает с увеличением расстояния между станциями сети.

Коллизия является нежелательным явлением, т.к. приводит к ошибкам в работе сети и поглощает много канального времени для ее обнаружения и ликвидации последствий. Поэтому желательно реализовать некоторый алгоритм, позволяющий либо избежать коллизий, либо минимизировать их последствия.

В сети CSMA/CD эта проблема решается на уровне управления доступом к среде путем прекращения передачи кадра сразу же после обнаружения коллизии.

При обработке коллизии компонент управления доступом к среде передающей станции выполняет две функции:
– усиливает эффект коллизии путем передачи специальной последовательности битов, называемой затором. Цель затора – сделать коллизию настолько продолжительной, чтобы ее смогли заметить все другие передающие станции, которые вовлечены в коллизию. В локальных сетях затор состоит по меньшей мере из 32 бит, но не более 48 бит. Ограничение длины затора сверху необходимо для того, чтобы станции ошибочно не приняли его за действительный кадр. Любой кадр длиной менее 64 байт считается фрагментом испорченного сообщения и игнорируется принимающими станциями сети;
– после посылки затора прекращает передачу и планирует ее на более позднее время, определяемое на основе случайного выбора интервала ожидания.

Системы с доступом в режиме соперничества реализуются достаточно просто и при малой загрузке обеспечивают быстрый доступ к передающей среде, а также позволяют легко подключать и отключать станции. Они обладают высокой живучестью, поскольку большинство ошибочных и неблагоприятных условий приводит либо к молчанию, либо к конфликту, а обе эти ситуации поддаются обработке. Кроме того, нет необходимости в центральном управляющем органе сети. Их основной недостаток: при больших нагрузках время ожидания доступа к передающей среде становится большим и меняется непредсказуемо, следовательно, не гарантируется обеспечение предельно допустимого времени доставки кадров. Такие системы применяются в незагруженных локальных сетях с небольшим числом абонентских станций (с увеличением числа станций увеличивается вероятность возникновения конфликтных ситуаций).

 

Методы резервирования времени

Методы, основанные на резервировании времени, принадлежат к числу наиболее ранних и простых. Любая рабочая станция осуществляет передачу только в течение временных интервалов (слотов), заранее для нее зарезервированных. Все слоты распределяются между станциями либо поровну (в неприоритетных системах), либо с учетом приоритетов, когда некоторые рабочие станции за фиксированные интервал времени получают большее число слотов. Станция, владеющая слотом, получает канал в свое полное распоряжение. Такие методы целесообразно применять в сетях с малым числом абонентских систем, так как канал используется неэффективно.

Множественный доступ с временным разделением
Этот метод широко используется в спутниковых сетях связи. Главная (эталонная) станция принимает запросы от вторичных (подчиненных) станций на предоставление канала связи и, реализуя ту или иную дисциплину обслуживания запросов, определяет, какие именно станции и когда могут использовать канал в течение заданного промежутка времени, т.е. предоставляет каждой станции слот. Получив слот, вторичная станция осуществляет временную подстройку, чтобы произвести передачу данных за заданный слот.
Мультиплексная передача с временным разделением
Здесь используется жесткое расписание работы абонентов: каждой станции выделяется интервал времени (слот) использования Канада связи, и все интервалы распределяются поровну между станциями. Во время слота станция получает канал в свое полное распоряжение. Этот способ отличается простотой в реализации и широко применяется в глобальных и локальных сетях.

К недостаткам метода можно отнести возможность неполного использования канала, когда станция, получив слот, не может загрузить канал полностью из-за отсутствия необходимого объема данных для передачи; нежелательные задержки в передаче данных, когда станция, имеющая важную и срочную информацию, вынуждена ждать своего слота или когда выделенного слота недостаточно для передачи подготовленных данных и необходимо ждать следующего слота.

 

Кольцевые методы

Кольцевые методы предназначены специально для ЛВС с кольцевой топологией, хотя большинство из вышеперечисленных методов могут также использоваться в таких сетях. К кольцевым относятся два метода – вставка регистров и сегментированная передача (метод временных сегментов).

Вставка регистра
При реализации метода вставки регистра рабочая станция ожидает межкадрового промежутка в моноканале. С его появлением регистр включается в кольцо (до этого он был отключен от кольца) и содержимое регистра передается в линию. Если во время передачи станция получает кадр, он записывается в буфер и передается вслед за кадром, передаваемым этой станцией. Такой метод допускает «подсадку» в кольцо нескольких кадров.
Сегментированная передача
При использовании в ЛВС с кольцевой топологией сегментированной передачи временные сегменты формируются управляющей станцией сети. Они имеют одинаковую протяженность и циркулируют по кольцу. Каждая станция, периодические обращаясь в сеть, может дождаться временного сегмента, помеченного меткой «свободный». В этот сегмент станция помещает свой кадр фиксированной длины, при этом в сегменте метка «свободный» заменяется меткой «занятый». После доставки кадра адресату сегмент вновь освобождается. Важным преимуществом такого метода является возможность одновременной передачи кадров несколькими рабочими станциями. Однако передача допускается только кадрами фиксированной длины.