Нарушение целостности сети

Базовые топологии

Все сети строятся на основе трех базовых топологий:

• шина (bus);
• звезда (star);
• кольцо (ring).

Если компьютеры подключены вдоль одного кабеля [сегмента (segment)], топология называется шиной. В том случае, когда компьютеры подключены к сегментам кабеля, исходящим из одной точки, или концентратора, топология называется звездой. Если кабель, к которому подключены компьютеры, замкнут в кольцо, такая топология носит название кольца.

Хотя сами по себе базовые топологии несложны, в реальности часто встречаются довольно сложные комбинации, объединяющие свойства нескольких топологий.

Шина

Топологию «шина» часто называют «линейной шиной» (linear bus). Данная топология относится к наиболее простым и широко распространенным топологиям. В ней используется один кабель, именуемый магистралью или сегментом, вдоль которого подключены все компьютеры сети.

Взаимодействие компьютеров

В сети с топологией «шина» компьютеры адресуют данные конкретному компьютеру, передавая их по кабелю в виде электрических сигналов. Чтобы понять процесс взаимодействия компьютеров по шине, Вы должны уяснить следующие понятия:

• передача сигнала;
• отражение сигнала; терминатор.

Передача сигнала

Данные в виде электрических сигналов передаются всем компьютерам сети; однако информацию принимает только тот, адрес которого соответствует адресу получателя, ' зашифрованному в этих сигналах. Причем в каждый момент времени только один компьютер может вести передачу.

Так как данные в сеть передаются лишь одним компьютером, ее производительность зависит от количества компьютеров, подключенных к шине. Чем их больше, т.е. чем больше компьютеров, ожидающих передачи данных, тем медленнее сеть.

Однако вывести прямую зависимость между пропускной способностью сети и количеством компьютеров в ней нельзя. Ибо, кроме числа компьютеров, на быстродействие сети влияет множество факторов, в том числе:

• характеристики аппаратного обеспечения компьютеров в сети;
• частота, с которой компьютеры передают данные;
• тип работающих сетевых приложений;
• тип сетевого кабеля;
• расстояние между компьютерами в сети.

Шина — пассивная топология. Это значит, что компьютеры только «слушают» передаваемые по сети данные, но не перемещают их от отправителя к получателю. Поэтому, если один из компьютеров выйдет из строя, это не скажется на работе остальных. В активных топологиях компьютеры регенерируют сигналы и передают их по сети.

Отражение сигнала

Данные, или электрические сигналы, распространяются по всей сети -- от одного конца кабеля к другому. Если не предпринимать никаких специальных действий, сигнал, достигая конца кабеля, будет отражаться и не позволит другим компьютерам осуществлять передачу. Поэтому, после того как данные достигнут адресата, электрические сигналы необходимо погасить.

Терминатор

Чтобы предотвратить отражение электрических сигналов, на каждом конце кабеля устанавливают терминаторы (terminators), поглощающие эти сигналы. Все концы сетевого кабеля должны быть к чему-нибудь подключены, например к компьютеру или к баррел-коннектору — для увеличения длины кабеля. К любому свободному — неподключенному — концу кабеля должен быть подсоединен терминатор, чтобы предотвратить отражение электрических сигналов.

Нарушение целостности сети

Разрыв сетевого кабеля происходит при его физическом разрыве или отсоединении одного из его концов. Возможна также ситуация, когда на одном или нескольких концах кабеля отсутствуют терминаторы, что приводит к отражению электрических сигналов в кабеле и прекращению функционирования сети. Сеть «падает».

Сами по себе компьютеры в сети остаются полностью работоспособными, но до тех пор, пока сегмент разорван, они не могут взаимодействовать друг с другом.

Звезда

При топологии «звезда» все компьютеры с помощью сегментов кабеля подключаются к центральному компоненту, именуемому концентратором (hub). Сигналы от передающего компьютера поступают через концентратор ко всем остальным. Эта топология возникла на заре вычислительной техники, когда компьютеры были подключены к центральному, главному, компьютеру.

В сетях с топологией «звезда» подключение кабеля и управление конфигурацией сети централизованны. Но есть и недостаток: так как все компьютеры подключены к центральной точке, для больших сетей значительно увеличивается расход кабеля. К тому же, если центральный компонент выйдет из строя, нарушится работа всей сети.

А если выйдет из строя только один компьютер (или кабель, соединяющий его с концентратором), то лишь этот компьютер не сможет передавать или принимать данные по сети. На остальные компьютеры в сети это не повлияет.

Кольцо

При топологии «кольцо» компьютеры подключаются к кабелю, замкнутому в кольцо. Поэтому у кабеля просто не может быть свободного конца, к которому надо подключать терминатор. Сигналы передаются по кольцу в одном направлении и проходят через каждый компьютер. В отличие от пассивной топологии «шина», здесь каждый компьютер выступает в роли репитера, усиливая сигналы и передавая их следующему компьютеру. Поэтому, если выйдет из строя один компьютер, прекращает функционировать вся сеть.

Передача маркера

Один из принципов передачи данных в кольцевой сети носит название передачи маркера. Суть его такова. Маркер последовательно, от одного компьютера к другому, передается до тех пор, пока его не получит тот, который «хочет» передать данные. Передающий компьютер изменяет маркер, помещает электронный адрес в данные и посылает их по кольцу.

Данные проходят через каждый компьютер, пока не окажутся у того, чей адрес совпадает с адресом получателя, указанным в данных. После этого принимающий компьютер посылает передающему сообщение, где подтверждает факт приёма данных. Получим подтверждение, передающий компьютер создаёт новый маркер и возвращает его в сеть.

На первый взгляд кажется, что передача маркера отнимает много времени, однако на самом деле маркер передвигается приктически со скоростью света. В кольце диаметром 200 м маркер может циркулировать с частотой 10 000 оборотов в секунду.

2.2.3 Топология ЛВС

Топология, т.е. конфигурация соединения элементов в ЛВС, привлекает к себе внимание в большей степени чем другие характеристики сети. Это связано с тем, что именно топология во многом определяет многие важные свойства сети, например, такие, как надежность (живучесть), производительность и др.

Существуют разные подходы к классификации топологий ЛВС. Согласно одному из них конфигурации локальных сетей делят на два основных класса: широковещательные и последовательные. В широковещательных конфигурациях каждый ПК (приемопередатчик физических сигналов) передает сигналы, которые могут быть восприняты остальными ПК. К таким конфигурациям относятся общая шина, дерево, звезда с пассивным центром (см. рис.). В последовательных конфигурациях каждый физический подуровень передает информацию только одному ПК (см. рис.). Отсюда ясно, что широковещательные конфигурации — это, как правило, ЛВС с селекцией информации, а последовательные — ЛВС с маршрутизацией информации.
В широковещательных конфигурациях должны применяться сравнительно мощные приемники и передатчики, которые могут работать с сигналами в большом диапазоне уровней. Эта проблема частично решается введением ограничений на длину кабельного сегмента и на число подключений или использованием цифровых повторителей (аналоговых усилителей). Поскольку в широковещательных ЛВС в любой момент времени может работать только одна станция (абонентская система), передаваемая служебная информация используется для установления контроля станции над сетью на время распространения сигнала по сети, его обработки в самой
T = KL + Tп + Tр,

где

L — протяженность сети, км;

Тп — время передачи управляющего сообщения, мкс;

Тр — время реакции на сообщение удаленной станции, мкс;

K = 10 мкс/км.

Например, ЛВС протяженностью 2 КМ при скорости передачи 10 Мбит/с имеет такт длительностью около 30 мкс, что соответствует времени передачи 300 бит. Поскольку служебная информация присутствует в каждой передаче, желательно, чтобы средняя продолжительность передачи много превышала длительность такта. В связи с этим, обычно в широковещательных ЛВС используются пакеты объемом не менее 2 — 4 Кбит.

Основной тип широковещательной конфигурации — общая шина (см. рис. ). Программная обработка блоков данных (пакетов) может шиной являются: простота расширения сети; простота используемых методов управления; возможность работы в параллельном коде (при наличии дополнительных линий связи); отсутствие необходимости в централизованном управлении; минимальный расход кабеля. вестись на уровне Х.25. Основными достоинствами ЛВС с общей Общая шина представляет собой пассивную среду и поэтому обладает очень высокой надежностью. Кабель шины очень часто прокладывается в фальшпотолках зданий, а к каждой сетевой стации делаются специальные ответвления. Желательно, чтобы соединения ответвлений выполнялись пассивными, так как в этом случае уменьшается интенсивность физического доступа к главной шине. Для повышения надежности, вместе с основным кабелем прокладывают и запасной, на который станции переключаются в случае неисправности основного.
Конфигурация типа дерево представляет собой более развитый вариант конфигурации типа шина. Дерево образуется путем соединения нескольких шин активными повторителями или пассивными размножителями (“хабами”). Оно обладает необходимой гибкостью для того, чтобы охватить средствами ЛВС несколько этажей в здании или несколько зданий на одной территории. При наличии активных повторителей отказ одного сегмента не приводит к выходу из строя остальных. В случае отказа повторителя дерево разветвляется на два поддерева или на две шины.
Широкополосные ЛВС с конфигурацией типа дерево часто имеют так называемый корень — управляющую позицию, в которой размещаются самые важные компоненты сети. К надежности этого оборудования предъявляются высокие требования, поскольку от него зависит работа всей сети. По этой причине оборудование часто дублируется.

Развитие конфигурации типа “дерево” — сеть типа “звезда”, которую можно рассматривать как дерево, имеющее корень с ответвлениями к каждому подключенному устройству. В ЛВС в центре звезды может находиться пассивный соединитель или активный повторитель — достаточно простые и надежные устройства. Звездообразные ЛВС обычно менее надежны, чем сети с топологией типа “шина” или “дерево”, но они могут быть защищены от нарушений в кабеле с помощью центрального реле, которое отключает вышедшие из строя кабельные лучи. Заметим, что топология типа “звезда” требует большее количество кабеля, чем “шина” или “ кольцо”.
В последовательных конфигурациях каждый физический подуровень передает информацию только одному из ПК. К передатчикам или приемникам ПК здесь предъявляются более низкие требования, чем в широковещательных конфигурациях, и на различных участках сети могут использоваться разные виды физической передающей Среды.

Наиболее простой путь построения ЛВС — непосредственное соединение всех устройств, которые должны взаимодействовать друг с другом, посредством линии связи от устройства к устройству. Каждая линия может использовать в принципе различные методы передачи и различные интерфейсы, выбор которых зависит от структуры и характеристик соединяемых устройств. Такой способ соединения устройств вполне удовлетворителен для ЛВС с ограниченным числом соединений. Основные преимущества данного метода заключаются в необходимости соединения узлов только на физическом уровне, в простоте программной реализации соединения, в простоте структуры интерфейсов. Однако, есть и недостатки, такие как высокая стоимость, большое число каналов связи, необходимость маршрутизации информации.

Другой распространенный способ соединения абонентских систем в ЛВС при их небольшом числе — иерархическое соединение. В нем промежуточные узлы работают по принципу “накопи и передай”. Основные преимущества данного метода заключаются в возможности оптимального соединения ЭВМ, входящих в сеть. Недостатки связаны в основном со сложностью логической и программной структуры ЛВС. Кроме того, в таких ЛВС снижается скорость передачи информации между абонентами различных иерархических уровней.

В системах, где пакет совершает по кольцу полный круг,
Наиболее распространенные последовательные конфигурации — “кольцо”, “цепочка”, “звезда с интеллектуальным центром”, “снежинка”.

В конфигурациях “кольцо” и “цепочка” для правильного функционирования ЛВС необходима постоянная работа всех блоков РМА. Чтобы уменьшить эту зависимость, в каждый из блоков включается реле, блокирующее блок при неисправностях. Для упрощения разработки РМА и ПК сигналы обычно передаются по кольцу только в одном направлении. Каждая станция ЛВС располагает памятью объемом от нескольких битов до целого пакета. Наличие памяти замедляет передачу данных в кольце и обусловливает задержку, длительность которой зависит от числа станций. Возвращаясь снова к станции - отправителю, отправитель в ходе обработки пакета может установить некоторый индикатор подтверждения. Этот индикатор может служить для управления потоком и (или) квитирования, и должен как можно быстрее вернуться к источнику. Управление потоком предполагает удаление пакетов из кольца станцией - получателем или после завершения полного круга — станцией - отправителем. Поскольку любая станция может выйти из строя и пакет может не попасть по назначению, обычно бывает необходим специальный “сборщик мусора”, который опознает и уничтожает такие “заблудившиеся” пакеты.

Как последовательная конфигурация, кольцо особенно уязвимо в отношении отказов. Выход из строя сегментов кабеля или блоков РМА прекращает обслуживание всех пользователей, поэтому разработчики новых ЛВС приложили немало усилий, чтобы справиться с этой проблемой. В то же время, кольцевая структура обеспечивает многие функциоральные возможности ЛВС при высокой эффективности использования моноканала, низкой стоимости и достаточной надежности ЛВС. В кольцевой структуре сохраняются достоинства шины: простота расширения ЛВС, простота методов управления, высокая пропускная способность при малых энергозатратах и среднем быстродействии элементов и узлов ЛВС. Кроме того, в кольцевой ЛВС устраняется ряд недостатков общей шины за счет возможности контроля работоспособности моноканала посылкой по кольцу.

Следует отметить, что в широковещательных конфигурациях и в большинстве последовательных конфигураций (исключение сотавляет кольцо) каждый элемент кабеля должен обеспечивать передачу разных направлениях; с помощью двух направленных кабелей; применение в широкополосных системах различной несущей частоты для передачи сигналов в двух различных направлениях.
Наличие единственного кабеля обусловливает дополнительную загрузку системы в связи с необходимостью “реверса” направления передачи в кабеле. В больших системах при рабрте на больших скоростях этот недостаток может стать весьма существенным. При дуплексной передаче должны поддерживаться одинаковые характеристики передачи, что может вызвать определенные технические сложности. Например, усилители кабельного телевидения и оптоволоконные соединители обычно обеспечивают подачу информации только в одну сторону. В этом отношении ЛВС кольцевой топологии имеют преимущество, так как дают возможность использовать однонаправленные усилители сигналов и однонаправленные оптоэлектронные каналы информации в обоих раправлениях. Этого можно достичь тремя путями: использование одного кабеля поочередно для передачи в связи.