Преимущества и недостатки сетей шинной топологии

Топология типа “звезда” (Topology, Star)

В сети построенной по топологии типа “звезда” (рис. 2.12), каждая рабочая станция подсоединяется к особому устройству, называемому концентратором или хабом (hub) или репитером (repeater). Концентратор обеспечивает обычное соединение и, таким образом, все компьютеры, подключенные к сети, могут общаться друг с другом (табл. 2.2).

В сетях такого типа концентраторы разбивают сигнал, отправляя его по кабелям в разных направлениях.

Могут использоваться как активные, так и пассивные концентраторы. Активные концентраторы поддерживают большее число подключаемых рабочих станций и более длинные кабели.

Если между концентратором и рабочей станцией происходит разрыв соединения, страдает только отключенная станция. Все остальные работающие в сети компьютеры не испытывают никаких неудобств.

Однако если отказывает концентратор, подключенные к нему рабочие станции отключаются от сети. Такую поломку легко обнаружить, так как все пользователи, компьютеры которых подключены к сломавшемуся концентратору, сразу же обращаются к администратору сети за помощью, что является основным признаком поломки концентратора.

Топология “кольцо”

Для топологии “кольцо” характерно отсутствие конечных точек соединения; сеть замкнута, образуя неразрывное кольцо (необязательно окружность), по которому передаются данные. Начав движение из одной точки такого кольца, данные, в конце концов, попадают на его начало. Из-за такой особенности данные в кольце движутся всегда в одном и том же направлении (рис. 2.13).

В отличие от “звезды” “кольцу” необходим неразрывный путь между всеми сетевыми компьютерами, так как повреждение линии в одном месте приводит к остановке сети. Другое слабое место “кольца” состоит в том, что данные проходят через каждый сетевой компьютер, давая возможность перехвата информации, не предназначенной посто­ронним. Как правило, в чистом виде топология “кольцо” не применяется из-за своей ненадёжности, поэтому на практике применяются различные модификации кольцевой топологии, например, маркерный доступ с кольцевой топологией.

Топология Token Ring

(Эстафетное кольцо)

Маркерный доступ с кольцевой топологией. В сети собранной по такой схеме, рабочие станции связаны петлей кабеля, по которой пакеты данных передаются от одной машины к другой. Хотя в названии этой схемы есть указание на некое кольцевое строение, физически такая сеть построена по типу топологии “звезда”. Для передачи данных рабочие станции пользуются так называемым маркером, т.е. для передачи данных компьютер должен сначала дождаться прихода свободного маркера (рис. 2.14).

В маркере содержится адрес машины, пославшей этот маркер, а также адрес той машины, которой он предназначается. После этого отправитель передает маркер следующему в сети компьютеру для того, чтобы и тот мог отправить свои данные.

Устройства многостанционного доступа MAU соединяются одно с другим с использованием специальных MAU-портов (рис. 2.15):

- RI – ring in;

- RO – ring out.

Такие связи обеспечивают соединение MAU в кольцо. Порт RO одного MAU соединяется с портом RI другого устройства. Таким образом можно соединить множество MAU. Порт RO последнего устройства, замыкая кольцо, подключен к порту RI первого MAU.

Если все соединения осуществлены правильно, то в логической структуре сети каждый узел Х будет соединён с двумя и только двумя такими узлами:

1) узлом, который передаёт кадры и маркер узлу Х кольца. Такой узел является по отношению к Х ближайшим активным соседом “вверх по течению” (NAUN – nearest active upstream neighbor);

2) узлом, которому узел Х кольца передаёт кадры и маркер. По аналогии, такой узел может быть назван ближайшим активным соседом “вниз по течению” (NADN – nearst active downstream neighbor).

На самом деле соединение MAU – MAU создаёт первичное (основное) и резервное кольца. Если в основном кольце произойдёт обрыв, то его можно обойти, воспользовавшись резервным кольцом, так как используется четырёхжильный кабель:

- два провода основного кольца;

- два провода для вспомогательного (могут быть задействованы при сбое в работе основного кольца).

Работа сети Token Ring

В архитектуре Token Ring маркер передаётся от узла к узлу по логическому кольцу (табл. 2.3). Такая маркерная передача осуществляется в фиксированном направлении. Узел, обладающий маркером, может отправить данные другому узлу.

Один из узлов сети (обычно для этого используется файл-сервер) создаёт маркер, который отправляется в кольцо сети. Такой узел выступает в качестве активного монитора (АМ), который следит за тем, чтобы маркер не был утерян или разрушен. АМ выполняет следующие функции:

- отслеживание и обнаружение потерь маркеров и кадров;

- мониторинг передачи кадров;

- очистку кольца и создание нового маркера;

- инициализацию и мониторинг уведомлений о соседях (NN, neighbor notification);

- поддержку необходимых задержек в сети;

- поддержку генератора синхронизирующих импульсов.

Другие узлы являются резервными мониторами (SM). Их задача мониторинг АМ. Если активный монитор отсутствует (или работает не так как нужно), то выполняется процесс борьбы за маркер (token-claiming) для назначения нового активного монитора.

После установки кольца никаких действий от АМ по передаче маркера не требуется. Каждый узел получает маркер от своего NAUN и передаёт его дальше NADN.

Шинный арбитраж

Какую бы топологию мы не использовали, когда два компьютера начинают одновременно передавать данные, в сети происходит столкновение. Шинный арбитраж — процесс, призванный решить эту проблему. Он устанавливает правила, по которым компьютеры узнают, когда шина свободна и можно передавать данные. Существуют два метода шинного арбитража: обнаружение столкновений и передача маркера.

Обнаружение столкновений

Когда в сети работает метод обнаружения столкновений, компьютер сначала слушает, а потом передает. Если компьютер слышит, что передачу ведет кто-то другой, он должен подождать окончания беседы и только потом предпринять повторную попытку. К сожалению, даже при соблюдении этих правил столкновения иногда случа­ются.

В этой ситуации (два компьютера, передающие в одно и то же время) система обнаружения столкновений требует, чтобы передающий компьютер продолжал прослушивать канал и, обнаружив на нем чужие данные, прекращал передачу, пытаясь возобновить ее через небольшой (случайный) промежуток времени. Такое поведение напоминает человеческое: “Только после вас!”.

Прослушивание канала до передачи называется “прослушивание несущей” (carrier sense), а прослушивание во время передачи — обнаружение столкнове­ний (collision detection). Компьютер, поступающий таким образом, использует метод, называющийся “обнаружение столкновений с прослушиванием несущей”, сокращенно CSCD.

Передача маркера

Системы с передачей маркера работают иначе. Для того чтобы передать данные, компьютер сначала должен получить разрешение. Это значит, он должен “поймать” циркулирующий в сети пакет данных специального вида, называемый маркером. Маркер перемещается по замкнутому кругу, минуя поочередно каждый сетевой компьютер.

Хорошей аналогией служит комната, заполненная людьми (компьютерами), сидящими в кругу (в сети) и передающими поочередно друг другу микрофон (маркер) для того, чтобы получить возможность высказаться. Очередной, получивший микрофон, но не желающий говорить, просто передаютего следу­ющему в кругу.

Так же как два компьютера могут начать передачу одновременно, несмотря на установленные системой обнаружения столкновений правила, в системе с пере­дачей маркера он может внезапно потеряться. Такая ситуация, к счастью, предусмотрена разработчиками. Сеть имеет средства, чтобы обнаружить пропа­жу маркера и сотворить новый. В противном случае пропажа приводила бы к полной остановке сети. Каждый раз, когда компьютер должен послать сообще­ние, он ловит и держит маркер у себя. Как только передача закончилась, он посылает новый маркер в путешествие дальше по сети. Такой подход дает гарантию, что любой компьютер рано или поздно получит право поймать и удерживать маркер до тех пор, пока его собственная передача не закончится.

Сетевые кабели

Существуют три основных стандартных типа кабеля, которые могут использоваться при создании сетей:

· коаксиальный кабель;

· витая пара;

· оптоволоконный кабель.

Поддерживаемые каждым из этих физических носителей скорости передачи данных измеряются в миллионах бит в секунду (Мбит/с). На выбор кабеля влияют такие факторы, как ширина диапазона, длина кабеля, защита от несанкционированного доступа, электромагнитные и радиопомехи, а также стоимость.

Коаксиальный кабель

Коаксиальный кабель (от лат. co – совместно и axis – ось), представляет собой два соосных гибких металлических цилиндра, разделенных диэлектриком, т.е. имеет проводящий центральный провод, окружённый слоем изоляции, затем слой проволочной сетки, экранирующей помехи, с изолирующим внешним слоем. Коаксиальный кабель защищён от помех и ослабления сигнала, которому подвержены другие типы кабелей (например, неэкранированная витая пара). Коаксиальный кабель превосходит витую пару как при передаче данных на большие расстояния, так и по возможности использовать менее сложное аппаратное обеспечение.

Коаксиальный кабель является широкополосным средством связи, позволяющим передавать информацию в достаточно большом частотном диапазоне. Он может использоваться как для одноканальной, так и для многоканальной передачи. В локальных компьютерных сетях используются коаксиальные кабели с различным волновым сопротивлением — от 50 до 120 Ом, однако предпочтение отдается кабелю с волновым сопротивлением в 50 Ом.

Физически коаксиальный кабель представляет собой двухпроводную линию связи, в которой один проводник (центральный) находится внутри другого (рис. 2.16).

Типы коаксиальных кабелей и требования пожарной безопасности. Коаксиальные кабели могут иметь покрытие двух типов: ПВХ и специальное (для прокладки в полостях: вентиляция, фальшпол, фальшпотолок).

Выбор того или иного класса коаксиальных кабелей зависит от того, где этот кабель будет прокладываться. Существует два класса коаксиальных кабелей: поливинилхлоридные; пленумные — для прокладки в области пленума.

Поливинилхлорид (PVC) — это пластик, который применяется в качестве изолятора или внешней оболочки у большинства коаксиальных кабелей. Кабель PVC достаточно гибкий, его можно прокладывать на открытых участках помещений. Однако при горении он выделяет ядовитые газы.

Пленум (plenum) — это небольшое пространство между фальшпотолком и перекрытием, обычно его используют для вентиляции. Требования пожарной безопасности строго ограничивают типы кабелей, которые могут быть здесь проложены, поскольку в случае пожара выделяемые ими дым или газы распространятся по всему зданию.

Слой изоляции и внешняя оболочка пленумного кабеля выполнены из специальных огнеупорных материалов, которые при горении выделяют минимальное количество дыма. Это уменьшает риск химического отравления. Кроме того, эти кабели можно прокладывать открыто, не заключая в трубу. Однако они дороже и жестче, чем поливинилхлоридные.

Не так давно коаксиальный кабель был самым распространенным типом кабеля. Это объяснялось двумя причинами. Во-первых, он был относительно недорогим, легким, гибким и удобным в применении. Во-вторых, широкая популярность коаксиального кабеля привела к тому, что он стал безопасным и простым в установке.

Самый простой коаксиальный кабель состоит из медной жилы (core), изоляции, ее окружающей, экрана в виде металлической оплетки и внешней оболочки. Если кабель кроме металлической оплетки имеет и слой фольги, он называется кабелем с двойной экранизацией. При наличии сильных помех можно воспользоваться кабелем с учетверенной экранизацией. Он состоит из двойного слоя фольги и двойного слоя металлической оплетки.

Волновое сопротивление (импеданс) — полное сопротивление электрическому току, включающее активную и реактивную составляющие. Измеряется в омах. Будучи электрическим аналогом трения, импеданс является одной из основных причин ослабления передаваемого сигнала. Импеданс участка кабеля определяется сопротивлением между отдельными проводниками (например, между центральной жилой и оплёткой), а также материалом, из которого изготовлен изолирующий слой.

Полное сопротивление в сетях на коаксиальном кабеле обычно составляет 50 Ом, а на витой паре — от 100 до 150 Ом. Большинство сетевых архитектур расчитывается на применение кабелей с определёнными значениями импеданса. Например, кабели Ethernet должны иметь сопротивление 50 Ом, а кабели ARCNET – 93 Ом.

Коаксиальный кабель более помехоустойчив, затухание сигнала в нем меньше, чем в витой паре.

Затухание сигнала — ослабление передаваемого сигнала при удалении от точки его испускания. Измеряется в децибелах.

Децибел — десятая часть бела. Бел — логарифмическая единица отношения двух величин (в данном случае токов в точке испускания и точке измерения).

Отражение сигнала — явление, наблюдаемое в кабеле при несогласованной нагрузке. Электромагнитная волна распространяется по кабелю и, достигая его конца, отражается. Отраженная волна создает помехи, препятствующие нормальной работе станции. Для предотвращения отражения в сетях 10Base-2 и 10Base-5 используют терминаторы.

Центральный проводник может быть как одножильным, так и многожильным медным проводом. Кабель с многожильным проводником более гибкий и надежный, однако стоимость его несколько выше. Внешний проводник выполнен в виде цилиндра, сплетенного из медного провода. Центральный и внешний проводники разделены изоляцией. Внешняя оболочка кабеля выполняется из поливинилхлорида или флуорополимера. Для достижения максимального уровня сигнала расстояние между соседними рабочими станциями должно быть кратно длине волны передаваемого сигнала.

С целью определения места подключения рабочих станций коаксиальный кабель маркируется по всей длине через определенные промежутки. Качество функционирования локальной компьютерной сети во многом определяется электрическими и механическими характеристиками кабеля. Электрические параметры оказывают существенное влияние на реальное значение скорости передачи информации и устойчивость работы сети. Механические параметры определяют удобство монтажа и надежность сетевых соединений.

Сети систем 10BASE-5 и 10BASE-2 различаются также по дальности передачи по кабелю без повторителей (длине сегмента), максимальному числу станций, подключаемых к сегменту, и способу подключения их к коаксиальному кабелю. Так, максимальная длина сегмента, т.е. участка сети без дополнительных усилителей (повторителей), к которому допускается подключение до 100 станций, для системы 10BASE-5 составляет 500 метров.

Естественно, что характеристики кабеля оказывают влияние на параметры сети, такие как дальность передачи по кабелю без повторителей, максимальное число станций, подключаемых к одному сегменту, и др. Чтобы различить сети на базе кабелей этих типов, в первом случае говорят о сети “толстая” Ethernet, а во втором — “тонкая” Ethernet. Физическая характеристика тонкого коаксиального кабеля такова, что он, обладая волновым сопротивлением 50 Ом, может передавать сигнал на расстояние до 185 м без заметного искажения, вызванного затуханием. Аналогичные или сходные показатели существуют и для других групп кабелей (табл. 2.4).

В качестве магистрального кабеля в системе 10BASE-5 используется кабель RG-11. В свою очередь, для системы 10BASE-2 наиболее часто используется RG-58A/U. Кабель RG-11 характеризуется более высокой надежностью и помехозащищенностью, однако, его стоимость существенно больше стоимости кабеля RG-58A/U.

Следует заметить, что требованиям системы 10BASE-5 удовлетворяют отечественные кабели РК-50-6-11 и РК-50-6-13, а требованиям системы 10BASE-2 — кабель РК-50-3-11, которые также могут использоваться в сетях Ethernet (здесь РК обозначает тип кабеля (радиокабель); 50 — его волновое сопротивление; 6 или 3 — округленное значение внутреннего диаметра экрана; 11 или 13 — шифр материала внешней оболочки).

Производители оборудования выработали специальную маркировку для различных типов кабелей. Например, коаксиальный кабель может иметь следующую маркировку: RG-58/U, RG-58 A/U, RG-58 C/U, RG-59, RG-6, RG-62 (табл. 2.5).

К сетевой карте коаксиальный кабель подсоединяется с помощью BNC-разъёма (рис. 2.17).

Таблица 2.4