Топології комп'ютерних мереж

                     1. Основні топології

                       1.1 Топологія "Шина"

          Шина - топологія комп'ютерної мережі, у якій використовується один кабель, що називається магістраллю, до якого підключені всі комп'ютери мережі. Дана топологія є найбільш простою і поширеною реалізацією мережі.

Топологія «шина» самою своєю структурою припускає ідентичність мережного устаткування комп'ютерів, а також рівноправність всіх абонентів по доступу до мережі. Комп'ютери в шині можуть передавати інформацію тільки по черзі, тому що лінія зв'язку в цьому випадку єдина. Якщо кілька комп'ютерів будуть передавати інформацію одночасно, вона спотвориться в результаті накладення (конфлікту, колізії). У шині завжди реалізується режим напівдуплексного обміну (в одному напрямку – лише на прийом або на передачу).

Додавання нових абонентів у шину досить просте й зазвичай можливе навіть під час роботи мережі.

У мережі з топологією «шина» комп'ютери адресують дані конкретному комп'ютеру, передаючи їх по кабелю у вигляді електричних сигналів.

Дані у вигляді електричних сигналів передаються всім комп'ютерам мережі; проте інформацію приймає тільки той комп'ютер, чия адреса відповідає адресі одержувача, зашифрованій в цих сигналах. Причому в кожен момент часу вести передачу може тільки один комп'ютер.

Оскільки дані в мережу передаються лише одним комп'ютером одномоментно, її продуктивність залежить від кількості комп'ютерів, підключених до шини. Чим більше комп'ютерів, тим більше їх число чекає передачі, і тим повільніша мережа. Проте вивести пряму залежність між пропускною спроможністю мережі і кількістю комп'ютерів в ній не можна, оскільки, окрім числа комп'ютерів, на швидкодію мережі впливає безліч інших чинників, наприклад:

•     тип апаратного забезпечення мережевих комп'ютерів;
•     частота, з якою комп'ютери передають дані;
•     тип працюючих мережевих додатків;
•     тип мережевого кабелю;
•     відстань між комп'ютерами в мережі.

Шина — пасивна топологія. Це означає, що комп'ютери тільки «прослуховують» дані, що передаються по мережі, але не переміщують їх від відправника до одержувача. Тому, якщо який-небудь комп'ютер вийде з ладу, то це не позначиться на роботі мережі.
Електричні сигнали розповсюджуються від одного кінця кабелю до іншого. Якщо не вживати ніякого спеціального заходу, сигнал, досягаючи кінця кабелю, віддзеркалиться і створюватиме перешкоди, не дозволяючи комп'ютерам здійснювати передачу. Тому на кінцях кабелю електричні сигнали необхідно гасити.
Для того, щоб запобігти віддзеркаленню електричних сигналів, на кожному кінці кабелю встановлюють термінатори, що поглинають ці сигнали. Будь-який кінець мережевого кабелю повинен бути до чого-небудь підключений: до комп'ютера або до баррел-конектора (його використовують для збільшення довжини кабелю). До будь-якого вільного, тобто ні до чого не підключеного, кінцю кабелю потрібно під'єднувати термінатор.
Порушення цілісності мережевого кабелю відбувається при його розриві або від'єднанні одного з його кінців. Можлива також ситуація, коли на одному або декількох кінцях кабелю відсутні термінатори, що приводить до віддзеркалення електричних сигналів і, як наслідок, до «падіння» мережі. Комп'ютери залишаються повністю працездатними, але до тих пір, поки сегмент розірваний, вони не можуть взаємодіяти один з одним.

Рис.1 - Топологія "Шина"

1.2 Топологія "Зірка"

  Зірка - це топологія мережі з єдиним явно виділеним центром, до якого підключаються всі інші абоненти. Обмін інформацією йде винятково через найпотужніший центральний вузол, на який лягає більше навантаження, бо саме на нього покладають всі функції по керуванню обміном. Ніякі конфлікти в мережі з топологією зірка в принципі неможливі, тому що керування повністю централізоване.

Якщо говорити про стійкість зірки до відмов комп'ютерів, то вихід з ладу периферійного комп'ютера або його мережного встаткування ніяк не відбивається на функціонуванні мережі, зате будь-яка відмова центрального комп'ютера робить мережу повністю непрацездатною. У зв'язку із цим повинні прийматися спеціальні заходи щодо підвищення надійності центрального комп'ютера і його мережної апаратури.

Обрив кабелю або коротке замикання в ньому при топології зірка порушує обмін тільки з одним комп'ютером, а всі інші комп'ютери можуть нормально продовжувати роботу.

 У центрі мережі з даною топологією міститься не комп'ютер, а спеціальний пристрій — концентратор або, як його ще називають, хаб, що виконує ту ж функцію, що й репітер, тобто відновлює сигнали й пересилає їх в усі інші лінії зв'язку.

Рис.2 - Топологія "Зірка"

1.3 Топологія "Кільце"

      Кільце - топологія комп'ютерної мережі, де комп'ютери підключаються до кабелю, замкнутого в коло.

     Сигнали передаються по кільцю в одному напрямі і проходять через кожен вузел. На відміну від пасивної топології «шина», тут кожен комп'ютер виступає в ролі повторювача, підсилюючи сигнали і передаючи їх наступному комп'ютеру. Тому, якщо вийде з ладу один комп'ютер, припиняє функціонувати вся мережа.

     Якщо вузлу потрібно передати дані до іншого вузла, він формує спеціальний сигнал – маркер, який містить адресу передавального і приймаючого вузла, і безпосередньо блок даних. Потрапляючи в кільце, сигнал переходить від одного вузла до іншого, поки не знайде адресата. Якщо адреса в маркері збігається з адресою вузла, то вузол, що отримав дані передає назад повідомлення про отримання. Якщо дані, обійшовши повне коло, повертаються до вузла-джерела, то робиться висновок, що дані не дійшли до одержувача.

Рис.3 - Топологія "Кільце"

2.  Порівняльні характеристики топологій

2.1 Топологія «Шина»

       Переваги:

•         Невеликий час установки мережі;
•         Дешевизна (потрібно менше кабелю і мережевих пристроїв);
•         Простота налаштування;
•         Вихід з ладу робочої станції не позначається на роботі мережі;
•         Збільшена надійність (відсутній явно виражений центральний абонент, через який передається вся інформація, а при відмові центра перестає функціонувати вся керована їм система).

         Недоліки:   

•        Несправності в мережі, такі як обрив кабелю і вихід з ладу       термінатора, повністю блокують роботу всієї мережі;
• ·     Складна локалізація несправностей;
•       З додаванням нових робочих станцій падає продуктивність мережі;
•      Найменша довжина мережі в порівнянні з іншими базовими топологіями(для збільшення довжини мережі з топологією «шина» часто використають кілька сегментів (частин мережі, кожний з яких являє собою шину), з'єднаних між собою за допомогою спеціальних підсилювачів і відтворювачів сигналів - репітерів або повторювачів).

2.2 Топологія "Зірка"

          Переваги:

•       На відміну від шини, у зірці на кожній лінії зв'язку перебувають тільки два абоненти: центральний й один з периферійних. Найчастіше для їхнього з'єднання використовується дві лінії зв'язку, кожна з яких передає інформацію в одному напрямку, тобто на кожній лінії зв'язку є тільки один приймач й один передавач. Це так звана передача точка-точка. Все це істотно спрощує мережне встаткування в порівнянні із шиною й рятує від необхідності застосування додаткових, зовнішніх термінаторів;
•           Проблема загасання сигналів у лінії зв'язку вирішується в зірці простіше, ніж у випадку шини, адже кожен приймач завжди одержує сигнал одного рівня;
•       Всі точки підключення зібрані в одному місці, що дозволяє легко контролювати роботу мережі, локалізувати несправності шляхом простого відключення від центра тих або інших абонентів (що неможливо, наприклад, у випадку шинної топології), а також обмежувати доступ сторонніх осіб до життєво важливих для мережі точок підключення.
•           Мережа стійка до несправностей окремих ПК і до розривів з'єднання окремих ПК.

         Недоліки:

•       Значно більша, ніж при інших топологіях, витрата кабелю;
•         Жорстке обмеження кількості абонентів;
•           Відмова хаба впливає на роботу всієї мережі.

2.3 Топологія "Кільце"

      Переваги:

•         Оскільки всім комп'ютерам надається рівний доступ до маркера, жоден з них не може монополізувати мережу;
•       Висока стійкість до перевантажень, забезпечення впевненої роботи з великими потоками переданої по мережі інформації, тому що в кільці, як правило, немає конфліктів (на відміну від шини), а також відсутній центральний абонент (на відміну від зірки), що може бути перевантажений великими потоками інформації.

          Недоліки:

•           Відмова одного комп'ютера в мережі може вплинути на працездатність всієї мережі;
•           Додавання або видалення комп'ютера змушує розривати мережу, усувається завдяки використанню "подвійного" кільця. Для цього до складу локальної мережі включають додаткові лінії зв'язку пристрої реконфігурації — спеціальні перемикальні пристрої, прості й надійні;
•      Найбільша уразливість до ушкоджень кабелю (зазвичай передбачають прокладку двох (або більше) паралельних ліній зв'язку, одна з яких перебуває в резерві).

3. Приклади топологій

         3.1 Топологія "Шина"

           На рис.4 зображено топологію "Шина", замість спільної шини

           зображено хаб.

Рис.4 - Топологія "Шина"

        3.2 Топологія "Зірка"

        На рис.5 зображено топологію "Зірка", в якості центрального   вузла виступає світч (або мережевий комутатор). Також на місці центрального вузла може знаходитись сервер.

Рис.5 - Топологія "Зірка"

3.3 Топологія "Кільце"

       На рис.6 зображено топологію "Кільце", в кільце об’єднані     комутатори.

Рис.6 - Топологія "Кільце"

    4. Відмінності у мережевому обладнанні  для організації мережевих технологій

Залежно від властивостей та функцій мережевого обладнання одна й та ж сама фізична топологія може ставати зовсім іншою логічною топологією.

     Мережевий концентратор, або хаб  - пристрій фізичного рівня, з'єднувальний компонент, до якого підключають усі комп'ютери в мережі за топологією "зірка". Активні концентратори підключають до джерела електроенергії; вони можуть відновлювати і ретранслювати сигнали. Пасивні концентратори лише передають сигнал з одного порта на всі інші. Концентратор використовують для об'єднання кількох пристроїв Ethernet у спільний сегмент мережі. Пристрої під'єднують за допомогою витої пари, коаксіального кабелю чи оптоволокна. Як елемент побудови мереж, їх майже не випускають — на зміну прийшли мережеві комутатори (свічі), що виділяють кожен під'єднаний пристрій в окремий сегмент.

      Комутатор (світч) – пристрій, призначений для з’єднання вузлів мережі у межах одного або декількох сегментів. Світч використовує другий рівень моделі OSI. Вхідний пакет, що надходить до комутатора, буде переданим тільки одержувачу, що підвищує безпеку, а також продуктивність на відміну від концентратора. Принцип роботи полягає в зберіганні таблиці комутації, в якій міститься список відповідностей MAC-адрес вузлів до портів комутатора. Комутатор реалізує топологію логіної зірки.

      Маршрутизатор (роутер) –  електронний пристрій, що використовується для поєднання двох або більше мереж і керує процесом маршрутизації, тобто на підставі інформації про топологію мережі та певних правил приймає рішення про пересилання пакетів мережевого рівня (рівень 3 моделі OSI) між різними сегментами мережі. Важливою відмінністю між мережами, що використовують комутатори і маршрутизатори, є те, що мережі з комутаторами не блокують радіопередачі. В результаті комутатори можуть бути зіпсовані потоками пакетів радіопередач. Маршрутизатори блокують радіопередачі по локальній мережі, таким чином, потік радіопередач зачіпає тільки той домен, з якого він виходить.

      Повторювачі – пристрої мережі, що підсилюють і заново формують  вхідний сигнал мережі на відстань іншого сегмента.

      Мости – пристрої  мережі, які з'єднують два окремих сегмента, обмежених своєю фізичною довжиною, і передають трафік між ними. Мости також можуть підсилювати і конвертувати сигнали.

      Шлюзи – програмно-апаратні комплекси, що з'єднують різні мережі або мережеві пристрої. Шлюзи дозволяють вирішувати проблеми відмінності протоколів або систем адресації.