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).
