Topologii de rețea. Rețea de apă inelară

Tema 1.4: Bazele rețelelor locale

Tema 1.5: Tehnologii de bază ale rețelelor locale

Subiectul 1.6: Componentele software și hardware de bază ale unei rețele LAN

Rețele locale

1.4. Bazele LAN

1.4.3. Topologii de rețea

Toate computerele din rețeaua locală sunt conectate prin linii de comunicație. Amplasarea geometrică a liniilor de comunicație în raport cu nodurile rețelei și conexiunea fizică a nodurilor la rețea se numește topologie fizică. În funcție de topologie, se disting rețele: magistrală, inel, stea, structuri ierarhice și arbitrare.

Există topologii fizice și logice. Topologiile de rețea logice și fizice sunt independente una de cealaltă. Topologia fizică este geometria rețelei, iar topologia logică determină direcțiile fluxurilor de date între nodurile rețelei și metodele de transmitere a datelor.

În prezent, următoarele topologii fizice sunt utilizate în rețelele locale:

• „autobuz” fizic (autobuz);
• „stea” fizică (stea);
• „inel” fizic (inel);
• „stea” fizică și „ring” logic (Token Ring).

Topologie magistrală

Rețelele cu topologie magistrală utilizează un monocanal liniar (cablu coaxial) pentru transmiterea datelor, la capete ale căruia sunt instalate rezistențe de terminare (terminatoare). Fiecare computer este conectat la un cablu coaxial folosind un conector T (conector T). Datele de la nodul rețelei de transmisie sunt transmise de-a lungul magistralei în ambele direcții, reflectate de terminalele terminale. Terminatoarele împiedică reflectarea semnalelor, de ex. sunt folosite pentru a anula semnalele care ajung la capetele unei legături de date.

Astfel, informația ajunge la toate nodurile, dar este primită doar de nodul căruia îi este destinată. Într-o topologie de magistrală logică, mediul de transmisie a datelor este partajat și simultan de către toate PC-urile din rețea, iar semnalele de la PC-uri sunt distribuite simultan în toate direcțiile de-a lungul mediului de transmisie. De la transmiterea semnalelor în topologie, magistrala fizică este difuzată, adică semnalele se propagă simultan în toate direcțiile, atunci topologia logică a acestei rețele locale este o magistrală logică.

Orez. 1.

Această topologie este utilizată în rețelele locale cu arhitectură Ethernet (clasele 10Base-5 și 10Base-2 pentru cablu coaxial gros și, respectiv, subțire).

Avantajele rețelelor cu topologie de magistrală:

• eșecul unuia dintre noduri nu afectează funcționarea rețelei în ansamblu;
• rețeaua este ușor de configurat și configurat;
• Rețeaua este rezistentă la defecțiuni ale nodurilor individuale.

Dezavantajele rețelelor cu topologie de magistrală:

• o rupere a cablului poate afecta funcționarea întregii rețele;
• lungimea cablului și numărul limitat de stații de lucru;
• defectele de conectare sunt greu de identificat.

Topologie în stea

Într-o rețea construită folosind o topologie în stea, fiecare stație de lucru este conectată printr-un cablu (pereche răsucită) la un hub sau hub ( hub). Hub-ul asigură o conexiune paralelă între PC-uri și astfel toate computerele conectate la rețea pot comunica între ele.

Orez. 2.

Datele de la stația de transmisie din rețea sunt transmise prin hub de-a lungul tuturor liniilor de comunicație către toate PC-urile. Informațiile ajung la toate stațiile de lucru, dar sunt primite doar de acele stații pentru care sunt destinate. Deoarece transmisia semnalului în topologia stea fizică este difuzată, de ex. Deoarece semnalele de la PC se propagă simultan în toate direcțiile, topologia logică a acestei rețele locale este o magistrală logică.

Această topologie este utilizată în rețelele locale cu arhitectură Ethernet 10Base-T.

Avantajele rețelelor cu topologie în stea:

• ușor de conectat un computer nou;
• exista posibilitatea managementului centralizat;
• Rețeaua este rezistentă la defecțiuni ale PC-urilor individuale și la întreruperile conexiunii la PC-uri individuale.

Dezavantajele rețelelor cu topologie în stea:

• defectarea hub-ului afectează funcționarea întregii rețele;
• consum mare de cablu.

Topologie inel

Într-o rețea cu topologie inelă, toate nodurile sunt conectate prin canale de comunicație într-un inel continuu (nu neapărat un cerc) prin care sunt transmise datele. Ieșirea unui PC este conectată la intrarea altui PC. După ce a început mișcarea de la un punct, datele ajung în cele din urmă la început. Datele dintr-un inel se mișcă întotdeauna în aceeași direcție.

Orez. 3.

Stația de lucru care primește recunoaște și primește doar mesajul care îi este adresat. O rețea cu o topologie de inel fizic folosește accesul cu simboluri, care acordă unei stații dreptul de a utiliza inelul într-o anumită ordine. Topologia logică a acestei rețele este un inel logic. Această rețea este foarte ușor de creat și configurat.

Principalul dezavantaj al rețelelor cu topologie în inel este că deteriorarea liniei de comunicație într-un singur loc sau defecțiunea PC-ului duce la inoperabilitatea întregii rețele.

De regulă, topologia „inel” nu este utilizată în forma sa pură din cauza nefiabilității sale, prin urmare, în practică, sunt utilizate diverse modificări ale topologiei inelului.

Topologie Token Ring

Această topologie se bazează pe topologia inelului fizic stea. În această topologie, toate stațiile de lucru sunt conectate la un hub central (Token Ring) ca o topologie stea fizică. Un hub central este un dispozitiv inteligent care, folosind jumperi, asigură o conexiune serială între ieșirea unei stații și intrarea altei stații.

Cu alte cuvinte, cu ajutorul unui hub, fiecare stație este conectată doar la alte două stații (stații anterioare și ulterioare). Astfel, stațiile de lucru sunt conectate printr-o buclă de cablu prin care pachetele de date sunt transmise de la o stație la alta și fiecare stație transmite aceste pachete trimise. Fiecare stație de lucru are un dispozitiv transceiver în acest scop, care vă permite să controlați trecerea datelor în rețea. Din punct de vedere fizic, o astfel de rețea este construită în funcție de tipul de topologie „stea”.

Hub-ul creează un inel primar (principal) și de rezervă. Dacă are loc o întrerupere în inelul principal, aceasta poate fi ocolită utilizând inelul de rezervă, deoarece este utilizat un cablu cu patru fire. O defecțiune a unei stații sau o întrerupere a liniei de comunicație a unei stații de lucru nu va duce la o defecțiune a rețelei ca într-o topologie inel, deoarece hub-ul va deconecta stația defectă și va închide inelul de transmisie de date.

Orez. 4.

Într-o arhitectură Token Ring, un jeton este transmis de la nod la nod de-a lungul unui inel logic creat de un hub central. O astfel de transmisie a jetonului se realizează într-o direcție fixă ​​(direcția de mișcare a jetonului și a pachetelor de date este reprezentată în figură prin săgeți albastre). O stație care deține un token poate trimite date către o altă stație.

Pentru a transmite date, stațiile de lucru trebuie mai întâi să aștepte sosirea unui token gratuit. Tokenul conține adresa postului care a trimis jetonul, precum și adresa stației căreia este destinat. După aceasta, expeditorul transmite jetonul următoarei stații din rețea, astfel încât să își poată trimite datele.

Unul dintre nodurile de rețea (de obicei este folosit un server de fișiere pentru aceasta) creează un token care este trimis către inelul de rețea. Acest nod acționează ca un monitor activ care asigură că markerul nu este pierdut sau distrus.

Avantajele rețelelor cu topologie Token Ring:

• topologia oferă acces egal la toate stațiile de lucru;
• fiabilitate ridicată, deoarece rețeaua este rezistentă la defecțiunile stațiilor individuale și la întreruperile conexiunii stațiilor individuale.

Dezavantajele rețelelor cu topologie Token Ring: consum mare de cabluri și, în consecință, cablarea costisitoare a liniilor de comunicație.

Rețea de apă inelară

Rețelele inelare de alimentare cu apă sunt un sistem de inele închise (circuite) adiacente. În ceea ce privește fiabilitatea și funcționarea neîntreruptă, rețelele inelare au un avantaj foarte semnificativ față de cele ramificate. În cazul unui accident (ruperea conductei) într-unul dintre tronsoanele rețelei ramificate nu se va asigura alimentarea cu apă a nodurilor situate în spatele tronsonului. Pentru o rețea inelă, alimentarea cu apă nu se oprește, deoarece secțiunea deteriorată a rețelei este oprită, iar apa este furnizată către punctele nodului prin alte zone adiacente acestora. Dacă consumul de apă se modifică în punctele nodale în timpul zilei, este posibil să se efectueze un flux de apă dintr-un alt inel. Într-o rețea inelară, atunci când are loc un ciocan de berbec, creșterea presiunii în conductă va fi semnificativ mai mică decât într-o rețea ramificată. Cu toate acestea, lungimea unei rețele inelare este semnificativ mai mare decât a unei rețele ramificate și, prin urmare, costul acesteia este mai mare. Rețeaua de inel asigură un consum de apă garantat la nodurile rețelei, ceea ce este foarte important pentru stingerea incendiilor.

Schema rețelei inelare de alimentare cu apă este prezentată în Fig. 5.12.

Orez. 5.12. Diagrama rețelei de inel

În rețelele inelare, spre deosebire de rețelele ramificate, cantitățile necunoscute sunt diametrele secțiunilor, debitele în secțiuni și direcțiile acestora.

La fiecare secțiune, diametrul și debitul sunt necunoscute. Numărul de necunoscute corespunde numărului de secțiuni ale rețelei de inel. Pentru a determina diametrele și debitele în fiecare secțiune a rețelei, este necesar să se compună numărul corespunzător de ecuații și să se rezolve acest sistem de ecuații. Calculul hidraulic în acest caz este destul de complicat.

Secvența calculelor hidraulice pentru o rețea inelară de alimentare cu apă este următoarea.

1. Se determină costurile de călătorie pe tronsoane ale rețelei de inel. Costurile de călătorie sunt reduse la costuri nodale. Costuri de călătorie pe secțiunile de rețea:

; ; etc.

2. Direcția optimă a curgerii apei cu diametre necunoscute ale conductelor în secțiuni individuale ale rețelei este prezentată preliminar, pe baza condiției ca apa să fie furnizată în punctele cele mai îndepărtate de-a lungul celei mai scurte căi de curgere.

3. Debitul total de apă care ajunge într-un punct nodal trebuie să fie egal cu suma debitelor secțiunilor conectate la punct, plus debitul nodal, .

De exemplu, pentru punctul 3 vom avea

4. Diametrele conductelor în secțiuni sunt determinate de costurile de deplasare calculate pe baza stării diametrelor economice cele mai favorabile folosind tabelele corespunzătoare.

5. Suma pierderilor hidraulice din fiecare inel închis, cu o alegere suficient de corectă a diametrelor țevilor secțiunilor, trebuie să fie egală cu zero. Presupunând că pierderea de presiune în zonele în care apa se mișcă în sensul acelor de ceasornic este egală cu pierderea de presiune atunci când se mișcă în sens invers acelor de ceasornic, .

De exemplu, pentru un inel ÎN(vezi Fig. 5.12)

Trebuie remarcat faptul că, dacă această condiție este îndeplinită, valoarea pierderilor în orice inel va fi egală cu zero, iar pierderile hidraulice în secțiuni vor fi minime.

Dacă determinarea prealabilă a costurilor de călătorie și a diametrelor conductelor ale secțiunilor de rețea nu permite obținerea condiției, atunci rețeaua este legată. Legătura constă într-o posibilă redistribuire a direcției de mișcare a debitelor de apă calculate, direcționând debite ceva mai mari către zone în care pierderile hidraulice sunt mai mici sau invers. Ca urmare a redistribuirii costurilor, valoarea pierderilor hidraulice ar trebui să fie aproape de zero.

Fig.3 Topologie inel

O rețea cu topologie în inel folosește un inel închis de receptoare și transmițătoare conectate prin cablu coaxial sau optic ca canale de comunicare.

În rețelele cu configurație de inel, datele sunt transferate de la un computer la altul, de obicei într-o direcție. Dacă computerul recunoaște datele ca fiind „proprii”, atunci le copiază în bufferul său intern. Într-o rețea cu topologie în inel, este necesar să se ia măsuri speciale pentru ca în cazul unei defecțiuni sau deconectare a oricărei stații, canalul de comunicație între stațiile rămase să nu fie întrerupt. Inelul este o configurație foarte convenabilă pentru organizarea feedback-ului - datele, după ce au făcut o revoluție completă, revin la nodul sursă. Prin urmare, acest nod poate controla procesul de livrare a datelor către destinatar. Adesea, această proprietate de inel este utilizată pentru a testa conectivitatea la rețea și pentru a găsi un nod care nu funcționează corect. În acest scop, mesajele speciale de testare sunt trimise în rețea.

Cea mai comună metodă de acces în rețelele din această topologie este Token-Ring - metoda de acces prin trecerea jetonului.

Marker– acesta este un pachet echipat cu o secvență specială de biți. Este transmis secvenţial de-a lungul inelului de la nod la nod într-o singură direcţie. Fiecare nod transmite jetonul transmis. Un nod își poate transmite datele dacă primește un token gol. Jetonul cu pachetul este transmis până când este găsit nodul căruia este destinat pachetul. La acest nod, datele sunt primite, dar jetonul nu este eliberat, ci este transmis mai departe de-a lungul inelului. Numai prin întoarcerea la expeditor, care poate verifica dacă datele transmise de acesta au fost primite în siguranță, tokenul este eliberat. Tokenul gol este trecut la următorul nod, care, dacă are date gata de transmis, îl umple și îl trece de-a lungul inelului. Rețelele Token-Ring oferă o viteză de transfer de date de 4 Mbit/sec.

Retransmiterea datelor de către noduri duce la o scădere a fiabilității rețelei, deoarece o defecțiune a unuia dintre nodurile rețelei sparge întreaga rețea.

Tipuri de topologie mixtă

În timp ce rețelele mici au de obicei o topologie tipică în stea, inel sau magistrală, rețelele mari au de obicei conexiuni aleatorii între computere. În astfel de rețele, este posibil să se identifice fragmente individuale conectate aleatoriu (subrețele) care au o topologie standard, motiv pentru care se numesc rețele cu topologie mixtă.

Pe măsură ce rețelele locale devin mai răspândite, apar probleme legate de schimbul de informații între rețele. Astfel, în cadrul unei universități, rețelele locale pot fi folosite în mai multe săli de clasă, iar acestea pot fi rețele de diferite tipuri. Pentru a asigura comunicarea între aceste rețele, instrumentele de internetworking au apelat poduri și routere. Calculatoarele care au instalate 2 sau mai multe adaptoare de rețea pot fi folosite ca bridge și router. Fiecare adaptor asigură comunicarea cu una dintre rețelele conectate. Un bridge sau un router primește pachete trimise de la un computer dintr-o rețea către un computer din altă rețea, le transmite și le trimite la adresa specificată. Podurile sunt de obicei folosite pentru a conecta rețele cu aceleași sisteme de comunicații, de exemplu, pentru a conecta 2 rețele Ethernet sau 2 rețele Arcnet. Routerele conectează rețele cu sisteme de comunicații diferite, deoarece au mijloacele de a converti pachetele dintr-un format în altul. Există routere bridge care combină funcțiile ambelor instrumente. Gateway-urile sunt concepute pentru a asigura comunicarea între mătuși și diverse sisteme informatice. De exemplu, o rețea locală poate fi conectată la un computer mainframe printr-un gateway.

O rețea inelă este o rețea care constă din două sau mai multe dispozitive de rețea care sunt conectate între ele fizic sau logic, astfel încât să formeze un lanț de dispozitive, ultimul dispozitiv din lanț conectându-se la primul dispozitiv. O rețea de inel este de obicei proiectată ca o topologie cu un singur inel sau cu dublu inel. Tehnologiile cu mai multe inele, care includ două sau mai multe inele paralele, sunt de asemenea în dezvoltare.
Rețelele sunt de obicei caracterizate în două moduri: fizic și logic. Termenul „topologie fizică” descrie modul în care dispozitivele sunt conectate fizic împreună, astfel încât topologia rețelei fizice este un inel, iar dispozitivele fizice sunt conectate împreună pentru a forma un inel. Reprezentarea logică a unei topologii este asociată cu fluxurile de informații. Dintr-o perspectivă logică, o topologie de rețea inel poate avea dispozitive conectate fizic între ele, cum ar fi o topologie de rețea stea, o rețea de date sau o rețea arborescentă, dar informațiile circulă de la dispozitiv la dispozitiv ca și cum ar fi conectate într-un inel fizic. De exemplu, o rețea poate fi organizată fizic ca o rețea stea, dar informațiile pot fi transferate de la dispozitiv la dispozitiv ca și cum ar fi o rețea de tip inel.

Unul dintre principalele dezavantaje ale unei rețele cu un singur inel este că o întrerupere oriunde în inel poate duce la o defecțiune completă a fluxului de informații. Pentru a ajuta la prevenirea perturbărilor de această natură, se poate adăuga un al doilea inel paralel cu rotație inversă care trimite informații în direcția opusă. Acest tip de rețea redundantă se numește rețea dublu inel. Dacă unul dintre inelele dintr-o rețea cu două inele este deteriorat, informațiile pot ajunge în continuare la toate dispozitivele folosind o cale alternativă nedeteriorată.

Al doilea dezavantaj al rețelelor de inel este că informațiile circulă mai lent, deoarece datele trebuie să treacă prin fiecare dispozitiv pe măsură ce își croiește drum prin rețea. În ciuda acestei limitări, topologiile de inel încă există în rețelele de fibră optică, cum ar fi rețelele de interfață de date distribuite pe fibră (fddi), rețelele optice sincrone (SONET) și rețelele ierarhice digitale sincrone (SDH). Atunci când aceste rețele de mare viteză încorporează o topologie fizică dual ring, ele beneficiază de redundanța oferită de acest tip de topologie.

Rețelele de inel au devenit populare pentru prima dată în anii 1980, când topologiile de rețele de inel logice au fost utilizate în tehnologia token ring. Limitările inerente rețelei de inel, împreună cu problemele de compatibilitate dintre token ring și alte protocoale, au fost în mare măsură înlocuite de noi metode de transport, cum ar fi rețelele locale. Deși Ethernet continuă să înlocuiască din ce în ce mai mult protocoalele utilizate în rețelele de inel de fibră optică, utilizarea și dezvoltarea rețelei de inel pentru transmisia de date de mare viteză continuă.

Topologie inel este o topologie în care fiecare calculator este conectat prin linii de comunicație doar la alte două: de la unul primește doar informații, iar la celălalt doar transmite. Pe fiecare linie de comunicație, ca și în cazul unei stele, există un singur emițător și un receptor. Acest lucru vă permite să evitați utilizarea terminatoarelor externe.
Fiecare calculator transmite (reînnoiește) semnalul, adică acționează ca un repetor, prin urmare atenuarea semnalului în întregul inel nu contează, doar atenuarea dintre calculatoarele vecine ale inelului este importantă. În acest caz, nu există un centru clar definit; toate computerele pot fi la fel. Cu toate acestea, destul de des în ring este alocat un abonat special care gestionează schimbul sau controlează schimbul. Este clar că prezența unui astfel de abonat de control reduce fiabilitatea rețelei, deoarece eșecul acesteia va paraliza imediat întregul schimb.
Conectarea noilor abonați la „ring” este de obicei complet nedureroasă, deși necesită o oprire obligatorie a întregii rețele pe durata conexiunii. Ca și în cazul unei topologii de magistrală, numărul maxim de abonați într-un inel poate fi destul de mare (1000 sau mai mult). Perechea torsadată sau fibra optică este utilizată ca suport în rețea. Mesajele circulă în cercuri.
O stație de lucru poate transmite informații către o altă stație de lucru numai după ce a primit dreptul de transmisie (token), astfel încât coliziunile sunt excluse. Informațiile sunt transmise de-a lungul inelului de la o stație de lucru la alta, așa că dacă un computer eșuează, cu excepția cazului în care se iau măsuri speciale, întreaga rețea va eșua.
Topologia inelului este de obicei cea mai rezistentă la supraîncărcări; asigură o funcționare fiabilă cu cele mai mari fluxuri de informații transmise prin rețea, deoarece, de regulă, nu există conflicte (spre deosebire de magistrală) și nu există un abonat central (spre deosebire de o stea) .