1.5. Способы коммутации, топология ивс

Под коммутацией данных понимается их передача, при которой канал передачи данных может использоваться попеременно для обмена информацией между различными пунктами информационной сети в отличие от связи через некоммутируемые каналы, обычно закрепленные за определенными абонентами.

Различают следующие способы коммутации данных:

- коммутация каналов - осуществляется соединение двух или более станций данных и обеспечивается монопольное использование канала передачи данных до тех пор, пока соединение не будет разомкнуто;

- коммутация сообщений - характеризуется тем, что создание физического канала между оконечными узлами необязательно и пересылка сообщений происходит без нарушения их целостности; вместо физического канала имеется виртуальный канал, состоящий из физических участков, и между участками возможна буферизация сообщения;

- коммутация пакетов - сообщение передается по виртуальному каналу, но оно разделяется на пакеты, при этом канал передачи данных занят только во время передачи пакета (без нарушения его целостности) и по ее завершении освобождается для передачи других пакетов.

Коммутация каналов может быть пространственной и временной.

Пространственный коммутатор размера N*M представляет собой сетку (матрицу), в которой N входов подключены к горизонтальным шинам, а M выходов - к вертикальным (рис. 1.2).

В узлах сетки имеются коммутирующие элементы, причем в каждом столбце сетки может быть открыто не более чем по одному элементу. Если N < M, то коммутатор может обеспечить соединение каждого входа с не менее чем одним выходом; в противном случае коммутатор называется блокирующим, т.е. не обеспечивающим соединения любого входа с одним из выходов. Обычно применяются коммутаторы с равным числом входов и выходов N*N.

Недостаток рассмотренной схемы - большое число коммутирующих элементов в квадратной матрице, равное N². Для устранения этого недостатка применяют многоступенчатые коммутаторы.

Временной коммутатор строится на основе буферной памяти, запись производится в ее ячейки последовательным опросом входов, а коммутация осуществляется благодаря считыванию данных на выходы из нужных ячеек памяти. При этом происходит задержка на время одного цикла "запись-чтение". В настоящее время преимущественно используются временная или смешанная коммутация.

Во многих случаях наиболее эффективной оказывается коммутация пакетов. Во-первых, ускоряется передача данных в сетях сложной конфигурации за счет того, что возможна параллельная передача пакетов одного сообщения на разных участках сети; во-вторых, при появлении ошибки требуется повторная передача короткого пакета, а не всего длинного сообщения. Кроме того, ограничение сверху на размер пакета позволяет обойтись меньшим объемом буферной памяти в промежуточных узлах на маршрутах передачи данных в сети.

Под топологией сети понимается описание ее физического расположения, а именно, как компьютеры соединены друг с другом в сети, и с помощью каких устройств входят в физическую топологию. Существуют четыре основных топологии: шина (Bus), кольцо (Ring), звезда (Star) и ячеистая топология (Mesh). Другие топологии обычно являются комбинацией двух и более главных типов. Выбор типа физической топологии для сети является одним из первых шагов планирования сети. Выбор топологии основывается на множестве факторов, в число которых входят цена, расстояния, вопросы безопасности, предполагаемая сетевая операционная система, а также будет ли новая сеть использовать существующее оборудование, проводку и т. п.

Физическая топология "шина" (Bus), именуемая также линейной шиной (Linear Bus), состоит из единственного кабеля, к которому присоединены все компьютеры сегмента (рис. 1.3). Сообщения посылаются по линии всем подключенным станциям вне зависимости от того, кто является получателем. Каждый компьютер проверяет каждый пакет в проводе, чтобы определить получателя пакета. Если пакет предназначен для другой станции, компьютер отвергнет его. Соответственно, компьютер получит и обработает любой пакет на шине, адресованный ему.

Главный кабель шины, известный как магистраль (backbone), имеет на обоих концах заглушки (terminator) для предотвращения отражения сигнала. Без правильно установленных заглушек работа шины будет ненадежной или вообще невозможной.

Шинная топология представляет собой быстрейший и простейший способ установки сети. Она требует меньше оборудования и кабелей, чем другие топологии, и ее легче настраивать. Это хороший способ быстрого построения временной сети. Это обычно лучший выбор для малых сетей (не более 10 компьютеров).

Имеется несколько недостатков, о которых надо знать при решении вопроса об использовании шинной топологии для сети. Неполадки станции или другого компонента сети трудно изолировать. Кроме того, неполадки в магистральном кабеле могут привести к выходу из строя всей сети.

Топология "кольцо" (Ring) обычно используется в сетях Token Ring и FDDI (волоконно-оптических). В физической топологии Ring линия передачи данных фактически образует логическое кольцо, к которому подключены все компьютеры сети (рис. 1.4). В отличие от шинной топологии, которая использует конкурентную схему, чтобы позволить станциям получать доступ к сетевому носителю, доступ к носителю в кольце осуществляется посредством логических знаков - “маркеров” (token), которые пускаются по кругу от станции, к станции, давая им возможность переслать пакет, если это нужно. Это дает каждому компьютеру в сети равную возможность получить доступ к носителю и, следовательно, переслать по нему данные. Компьютер может посылать данные только тогда, когда владеет маркером.

Так как каждый компьютер при этой топологии является частью кольца, он имеет возможность пересылать любые полученные им пакеты данных, адресованные другой станции. Получающаяся регенерация делает сигнал сильным и позволяет избежать необходимости в применении повторителей. Так как кольцо формирует бесконечный цикл, заглушки не требуются. Кольцевая топология относительно легка для установки и настройки, требуя минимального аппаратного обеспечения.

Топология физического кольца имеет несколько недостатков. Как и в случае линейной шины, неполадки на одной станции могут привести к отказу всей сети. Поддерживать логическое кольцо трудно, особенно в больших сетях. Кроме того, в случае необходимости настройки и переконфигурации любой части сети придется временно отключить всю сеть.

Кольцевая топология даст всем компьютерам равные возможности доступа к сетевому носителю.

В топологии "звезда" (Star) все компьютеры в сети соединены друг с другом с помощью центрального концентратора (рис. 1.5). Все данные, которые посылает станция, направляются прямо на концентратор, который затем пересылает пакет в направлении получателя. Как и при шинной топологии, компьютер в сети типа "звезда" может пытаться послать данные в любой момент. Однако на деле только один компьютер может в конкретный момент времени производить посылку. Если две станции посылают сигналы на концентратор точно в одно время, обе посылки окажутся неудачными и каждому компьютеру придется подождать случайный период времени, прежде чем снова пытаться получить доступ к носителю. Сети с топологией Star обычно лучше масштабируются, чем другие типы.

Главное преимущество внедрения топологии "звезда" заключается в том, что в отличие от линейной шины неполадки на одной станции не выведут из строя всю сеть. В сетях с этой топологией проще находить обрывы кабеля и прочие неисправности. Это облегчает обнаружение обрыва кабеля и других неполадок. Кроме того, наличие центрального концентратора в топологии "звезда" облегчает добавление нового компьютера и реконфигурацию сети.

Топологии "звезда" присуще несколько недостатков. Во-первых, этот тип конфигурации требует больше кабеля, чем большинство других сетей, вследствие наличия отдельных линий, соединяющих каждый компьютер с концентратором. Кроме того, центральный концентратор выполняет большинство функций сети, так что выход из строя одного этого устройства отключит всю сеть.

Ячеистая топология (Mesh) соединяет все компьютеры попарно (рис. 1.6). Сети ячеистой топологии используют значительно большее количество кабеля, чем любая другая топология, что делает их дороже. Кроме того, такие сети значительно сложнее устанавливать, чем другие топологии. Однако ячеистая топология устойчива к сбоям (fault tolerance). Устойчивость к сбоям заключается в способности работать при наличии повреждений. В сети с поврежденным сегментом это означает обход сегмента. Каждый компьютер имеет множество возможных путей соединения с другим компьютером по сети, так что отдельный обрыв кабеля не приведет к потере соединения между любыми двумя компьютерами.

Многие организации используют комбинации главных сетевых топологий, называемые смешанные сети

Смешанная топология звезда на шине (Star Bus), показанная на рис.1.7 объединяет топологии "шина" и "звезда". Преимущество этой топологии заключается в том, что никакие неполадки на отдельном компьютере или в сегменте не могут вывести из строя всю сеть. Также в случае неисправности отдельного концентратора не смогут взаимодействовать по сети только те компьютеры, которые присоединены к этому концентратору, а остальные компьютеры эта проблема не затронет.

Топология " звезда на кольце" (Star Ring) известна также под названием Star-wired Ring, поскольку сам концентратор выполнен как кольцо. Сеть " звезда на кольце" внешне идентична топологии "звезда", но на самом деле концентратор соединен проводами как логическое кольцо (рис. 1.8). Эта топология популярна для сетей Token Ring, поскольку легче в реализации, чем физическое кольцо, но дает возможность посылать "токены" внутри концентратора так же, как и в случае физического кольца. Почти так же, как при топологии "кольцо", компьютеры имеют равный доступ к сетевому носителю за счет посылки "токенов". Повреждение отдельного компьютера не может привести к остановке всей сети, но если выходит из строя концентратор, кольцо, которым управляет концентратор, тоже отключается.

Реализация настоящей ячеистой топологии в крупных сетях может быть дорогой, требующей времени и непростой. Сеть "гибридной ячеистой топологии" (Hybrid Mesh) может предоставить некоторые из существенных преимуществ настоящей сети ячеистой топологии без необходимости использовать большого количества кабеля. В большинстве крупных организаций критически важные данные хранятся не на всех компьютерах сети. Вместо этого они хранятся на сетевых серверах. Компании, которые хотят обеспечить защиту от сбоев для своих сетей на уровне кабелей, могут ограничить только компьютерами с критически важными данными. Это означает, что ячеистая топология существует только на части сети (рис. 1.9). Этот тип ячеистой топологии по-прежнему обеспечивает защиту от сбоев для серверов с важной информацией, но не добавляет защиты для отдельных клиентов сети. Гибридная ячеистая топология должна стоить меньше, чем сеть, полностью построенная на ячеистой топологии, но будет не столь защищенной от сбоев.