Cấu trúc liên kết mạng. Mạng lưới nước vòng

Chủ đề 1.4: Khái niệm cơ bản về mạng cục bộ

Chủ đề 1.5: Các công nghệ cơ bản của mạng cục bộ

Chủ đề 1.6: Các thành phần phần mềm và phần cứng cơ bản của mạng LAN

Mạng cục bộ

1.4. Cơ bản về mạng LAN

1.4.3. Cấu trúc liên kết mạng

Tất cả các máy tính trên mạng cục bộ được kết nối bằng đường truyền thông. Vị trí hình học của các đường liên lạc so với các nút mạng và kết nối vật lý của các nút với mạng được gọi là cấu trúc liên kết vật lý. Tùy thuộc vào cấu trúc liên kết, các mạng được phân biệt: cấu trúc bus, vòng, hình sao, phân cấp và tùy ý.

Có cấu trúc liên kết vật lý và logic. Các cấu trúc liên kết mạng logic và vật lý độc lập với nhau. Cấu trúc liên kết vật lý là hình học của mạng và cấu trúc liên kết logic xác định hướng của luồng dữ liệu giữa các nút mạng và phương thức truyền dữ liệu.

Hiện tại, các cấu trúc liên kết vật lý sau được sử dụng trong mạng cục bộ:

"xe buýt" vật lý (xe buýt);
“ngôi sao” vật lý (ngôi sao);
“vòng” vật lý (vòng);
"ngôi sao" vật lý và "vòng" logic (Vòng mã thông báo).

Cấu trúc liên kết xe buýt

Mạng có cấu trúc liên kết bus sử dụng kênh đơn tuyến tính (cáp đồng trục) để truyền dữ liệu, ở các đầu của mạng có lắp đặt điện trở đầu cuối (đầu cuối). Mỗi máy tính được kết nối với cáp đồng trục bằng đầu nối chữ T (T-connector). Dữ liệu từ nút mạng truyền được truyền dọc theo bus theo cả hai hướng, được phản ánh từ các thiết bị đầu cuối. Thiết bị đầu cuối ngăn chặn tín hiệu bị phản xạ, tức là. được sử dụng để hủy các tín hiệu đi đến đầu cuối của liên kết dữ liệu.

Do đó, thông tin đến được tất cả các nút nhưng chỉ được nhận bởi nút mà nó dự định gửi tới. Trong cấu trúc liên kết bus logic, phương tiện truyền dữ liệu được chia sẻ đồng thời bởi tất cả các PC trên mạng và tín hiệu từ các PC được phân phối đồng thời theo mọi hướng dọc theo môi trường truyền. Kể từ khi truyền tín hiệu trong cấu trúc liên kết, bus vật lý sẽ được phát sóng, tức là. tín hiệu truyền đồng thời theo mọi hướng thì cấu trúc liên kết logic của mạng cục bộ này là một bus logic.

Cơm. 1.

Cấu trúc liên kết này được sử dụng trong các mạng cục bộ có kiến trúc Ethernet (lớp 10Base-5 và 10Base-2 tương ứng cho cáp đồng trục dày và mỏng).

Ưu điểm của mạng cấu trúc liên kết xe buýt:

sự cố của một trong các nút không ảnh hưởng đến hoạt động của toàn bộ mạng;
mạng dễ cài đặt và cấu hình;
Mạng có khả năng chống lại sự cố của các nút riêng lẻ.

Nhược điểm của mạng cấu trúc liên kết xe buýt:

đứt cáp có thể ảnh hưởng đến hoạt động của toàn bộ mạng;
chiều dài cáp và số lượng máy trạm hạn chế;
lỗi kết nối rất khó xác định.

Cấu trúc liên kết sao

Trong mạng được xây dựng bằng cấu trúc liên kết hình sao, mỗi máy trạm được kết nối bằng cáp (cặp xoắn) với một hub hoặc hub ( trung tâm). Hub cung cấp kết nối song song giữa các PC và do đó tất cả các máy tính được kết nối với mạng đều có thể giao tiếp với nhau.

Cơm. 2.

Dữ liệu từ trạm truyền mạng được truyền qua hub dọc theo tất cả các đường truyền thông tới tất cả các PC. Thông tin đến tất cả các máy trạm, nhưng chỉ được nhận bởi những trạm được dự định sử dụng thông tin đó. Vì việc truyền tín hiệu trong cấu trúc liên kết sao vật lý được phát sóng, tức là Do tín hiệu từ PC truyền đồng thời theo mọi hướng nên cấu trúc liên kết logic của mạng cục bộ này là một bus logic.

Cấu trúc liên kết này được sử dụng trong các mạng cục bộ có kiến trúc Ethernet 10Base-T.

Ưu điểm của mạng cấu trúc liên kết sao:

dễ dàng kết nối một PC mới;
có khả năng quản lý tập trung;
Mạng có khả năng chống lại sự cố của từng PC và sự gián đoạn trong kết nối của từng PC.

Nhược điểm của mạng cấu trúc liên kết sao:

lỗi hub ảnh hưởng đến hoạt động của toàn mạng;
tiêu thụ cáp cao.

Cấu trúc liên kết vòng

Trong mạng có cấu trúc liên kết vòng, tất cả các nút được kết nối bằng các kênh liên lạc thành một vòng liên tục (không nhất thiết phải là vòng tròn) qua đó dữ liệu được truyền đi. Đầu ra của một PC được kết nối với đầu vào của PC khác. Sau khi bắt đầu chuyển động từ một điểm, dữ liệu cuối cùng sẽ kết thúc ở điểm bắt đầu. Dữ liệu trong vòng luôn di chuyển theo cùng một hướng.

Cơm. 3.

Máy trạm nhận nhận dạng và chỉ nhận tin nhắn được gửi đến nó. Mạng có cấu trúc liên kết vòng vật lý sử dụng quyền truy cập mã thông báo, cấp cho trạm quyền sử dụng vòng theo một thứ tự cụ thể. Cấu trúc liên kết logic của mạng này là một vòng logic. Mạng này rất dễ tạo và cấu hình.

Nhược điểm chính của mạng cấu trúc liên kết vòng là đường truyền liên lạc bị hỏng ở một nơi hoặc lỗi PC dẫn đến không thể hoạt động của toàn bộ mạng.

Theo quy định, cấu trúc liên kết “vòng” không được sử dụng ở dạng thuần túy do tính không đáng tin cậy của nó, do đó, trong thực tế, nhiều sửa đổi khác nhau của cấu trúc liên kết vòng được sử dụng.

Cấu trúc liên kết vòng mã thông báo

Cấu trúc liên kết này dựa trên cấu trúc liên kết vòng vật lý sao. Trong cấu trúc liên kết này, tất cả các máy trạm được kết nối với một trung tâm trung tâm (Token Ring) giống như cấu trúc liên kết hình sao vật lý. Hub trung tâm là một thiết bị thông minh, sử dụng các jumper, cung cấp kết nối nối tiếp giữa đầu ra của một trạm và đầu vào của trạm khác.

Nói cách khác, với sự trợ giúp của hub, mỗi trạm chỉ được kết nối với hai trạm khác (trạm trước và trạm tiếp theo). Do đó, các máy trạm được kết nối bằng một vòng cáp qua đó các gói dữ liệu được truyền từ trạm này sang trạm khác và mỗi trạm sẽ chuyển tiếp các gói được gửi này. Mỗi máy trạm có một thiết bị thu phát cho mục đích này, cho phép bạn kiểm soát việc truyền dữ liệu trong mạng. Về mặt vật lý, một mạng như vậy được xây dựng theo kiểu cấu trúc liên kết “sao”.

Hub tạo vòng chính (chính) và vòng dự phòng. Nếu xảy ra đứt ở vòng chính, nó có thể được khắc phục bằng cách sử dụng vòng dự phòng vì sử dụng cáp bốn lõi. Việc trạm bị lỗi hoặc đứt đường truyền liên lạc của máy trạm sẽ không dẫn đến lỗi mạng như trong cấu trúc liên kết vòng, vì hub sẽ ngắt kết nối trạm bị lỗi và đóng vòng truyền dữ liệu.

Cơm. 4.

Trong kiến trúc Token Ring, token được truyền từ nút này sang nút khác dọc theo vòng logic được tạo bởi trung tâm. Việc truyền mã thông báo như vậy được thực hiện theo một hướng cố định (hướng chuyển động của mã thông báo và gói dữ liệu được thể hiện trong hình bằng mũi tên màu xanh). Trạm giữ mã thông báo có thể gửi dữ liệu đến trạm khác.

Để truyền dữ liệu, trước tiên các máy trạm phải đợi mã thông báo miễn phí đến. Mã thông báo chứa địa chỉ của trạm đã gửi mã thông báo cũng như địa chỉ của trạm mà nó dự định gửi tới. Sau đó, người gửi chuyển mã thông báo đến trạm tiếp theo trong mạng để có thể gửi dữ liệu của mình.

Một trong các nút mạng (thường là máy chủ tệp được sử dụng cho việc này) tạo mã thông báo được gửi đến vòng mạng. Nút này hoạt động như một màn hình hoạt động để đảm bảo rằng điểm đánh dấu không bị mất hoặc bị phá hủy.

Ưu điểm của mạng cấu trúc liên kết Token Ring:

cấu trúc liên kết cung cấp quyền truy cập bình đẳng vào tất cả các máy trạm;
độ tin cậy cao, vì mạng có khả năng chống lại sự cố của các trạm riêng lẻ và sự gián đoạn trong kết nối của các trạm riêng lẻ.

Nhược điểm của mạng cấu trúc liên kết Token Ring: mức tiêu thụ cáp cao và do đó, hệ thống dây truyền thông đắt tiền.

Mạng lưới nước vòng

Mạng lưới cấp nước vòng là một hệ thống các vòng (mạch) khép kín liền kề. Về độ tin cậy và hoạt động không bị gián đoạn, mạng vòng có lợi thế rất đáng kể so với mạng phân nhánh. Trong trường hợp xảy ra tai nạn (vỡ đường ống) ở một trong các đoạn của mạng lưới nhánh, việc cung cấp nước cho các nút nằm phía sau đoạn đó sẽ không được đảm bảo. Đối với mạng vòng, việc cung cấp nước không dừng lại vì phần mạng bị hỏng sẽ bị tắt và nước được cung cấp cho các điểm nút thông qua các khu vực khác liền kề với chúng. Nếu lượng nước tiêu thụ thay đổi tại các điểm nút trong ngày, có thể thực hiện cấp nước từ vòng khác. Trong mạng vòng, khi xảy ra hiện tượng búa nước, mức tăng áp suất trong đường ống sẽ thấp hơn đáng kể so với mạng phân nhánh. Tuy nhiên, độ dài của mạng vòng lớn hơn đáng kể so với mạng phân nhánh và do đó chi phí của nó lớn hơn. Mạng vòng đảm bảo mức tiêu thụ nước được đảm bảo tại các nút mạng, điều này rất quan trọng đối với việc chữa cháy.

Sơ đồ mạng lưới cấp nước vòng được thể hiện trong hình. 5.12.

Cơm. 5.12. Sơ đồ mạng vòng

Trong mạng vòng, không giống như mạng phân nhánh, đại lượng chưa biết là đường kính của các phần, tốc độ dòng chảy trong các phần và hướng của chúng.

Tại mỗi phần, đường kính và tốc độ dòng chảy không xác định. Số lượng ẩn số tương ứng với số phần của mạng vòng. Để xác định đường kính và tốc độ dòng chảy trong từng phần của mạng, cần soạn số phương trình thích hợp và giải hệ phương trình này. Tính toán thủy lực trong trường hợp này khá phức tạp.

Trình tự tính toán thủy lực cho mạng lưới cấp nước vòng tròn như sau.

1. Chi phí đi lại trên các đoạn của mạng lưới vành đai được xác định. Chi phí đi lại được giảm xuống mức chi phí nút. Chi phí di chuyển trên các đoạn mạng:

; ; vân vân.

2. Hướng tối ưu của dòng nước với đường kính ống chưa xác định trong các phần riêng lẻ của mạng lưới được vạch ra sơ bộ, dựa trên điều kiện nước được cung cấp đến các điểm xa nhất dọc theo đường dòng chảy ngắn nhất.

3. Tổng lưu lượng nước đến điểm nút phải bằng tổng lưu lượng các đoạn nối với điểm đó cộng với lưu lượng nút.

Ví dụ: đối với điểm 3 chúng ta sẽ có

4. Đường kính của đường ống trong các đoạn được xác định bằng chi phí đi lại được tính toán dựa trên điều kiện đường kính kinh tế thuận lợi nhất bằng cách sử dụng các bảng thích hợp.

5. Tổng tổn thất thủy lực trong mỗi vòng kín, với việc lựa chọn đường kính ống của các phần đủ chính xác, phải bằng 0. Giả sử điều kiện tổn thất áp suất ở những vùng nước chuyển động theo chiều kim đồng hồ bằng tổn thất áp suất khi nó chuyển động ngược chiều kim đồng hồ, .

Ví dụ, đối với một chiếc nhẫn TRONG(xem hình 5.12)

Cần lưu ý rằng nếu điều kiện này được đáp ứng thì lượng tổn thất trên bất kỳ vòng nào sẽ bằng 0 và tổn thất thủy lực trên các mặt cắt sẽ ở mức tối thiểu.

Nếu việc xác định sơ bộ chi phí đi lại và đường kính đường ống của các phần mạng không cho phép đạt được điều kiện thì mạng được liên kết. Liên kết bao gồm khả năng phân phối lại hướng chuyển động của dòng nước được tính toán, hướng dòng chảy cao hơn một chút đến các khu vực có tổn thất thủy lực thấp hơn hoặc ngược lại. Do việc phân phối lại chi phí, lượng tổn thất thủy lực sẽ gần bằng không.

Hình 3 Cấu trúc liên kết vòng

Mạng cấu trúc liên kết vòng sử dụng một vòng khép kín gồm các máy thu và máy phát được kết nối bằng cáp đồng trục hoặc cáp quang làm kênh liên lạc.

Trong các mạng có cấu hình vòng, dữ liệu được truyền từ máy tính này sang máy tính khác, thường theo một hướng. Nếu máy tính nhận ra dữ liệu là “của riêng nó” thì nó sẽ sao chép dữ liệu đó vào bộ đệm bên trong. Trong mạng có cấu trúc liên kết vòng, cần phải thực hiện các biện pháp đặc biệt để trong trường hợp xảy ra sự cố hoặc mất kết nối của bất kỳ trạm nào, kênh liên lạc giữa các trạm còn lại không bị gián đoạn. Vòng là một cấu hình rất thuận tiện để tổ chức phản hồi - dữ liệu sau khi thực hiện một cuộc cách mạng hoàn chỉnh sẽ quay trở lại nút nguồn. Do đó, nút này có thể kiểm soát quá trình cung cấp dữ liệu cho người nhận. Thông thường thuộc tính vòng này được sử dụng để kiểm tra kết nối mạng và tìm nút hoạt động không chính xác. Với mục đích này, các tin nhắn kiểm tra đặc biệt sẽ được gửi tới mạng.

Phương thức truy cập phổ biến nhất trong các mạng có cấu trúc liên kết này là Token-Ring - phương thức truy cập chuyển mã thông báo.

Đánh dấu– đây là gói được trang bị một chuỗi bit đặc biệt. Nó được truyền tuần tự dọc theo vòng từ nút này sang nút khác theo một hướng. Mỗi nút chuyển tiếp mã thông báo được truyền. Một nút có thể truyền dữ liệu của nó nếu nó nhận được mã thông báo trống. Mã thông báo với gói được truyền cho đến khi tìm thấy nút mà gói được dự định. Tại nút này, dữ liệu được nhận, nhưng mã thông báo không được giải phóng mà được truyền dọc theo vòng hơn nữa. Chỉ bằng cách trả lại cho người gửi, người có thể xác minh rằng dữ liệu anh ta truyền đã được nhận an toàn, mã thông báo mới được giải phóng. Mã thông báo trống được chuyển đến nút tiếp theo, nếu nó có dữ liệu sẵn sàng để truyền, nó sẽ lấp đầy nó và chuyển nó dọc theo vòng. Mạng Token-Ring cung cấp tốc độ truyền dữ liệu 4 Mbit/giây.

Việc truyền lại dữ liệu theo các nút dẫn đến giảm độ tin cậy của mạng do lỗi ở một trong các nút mạng sẽ làm hỏng toàn bộ mạng.

Các loại cấu trúc liên kết hỗn hợp

Trong khi các mạng nhỏ thường có cấu trúc liên kết hình sao, vòng hoặc bus điển hình thì các mạng lớn thường có kết nối ngẫu nhiên giữa các máy tính. Trong các mạng như vậy, có thể xác định các đoạn (mạng con) được kết nối ngẫu nhiên riêng lẻ có cấu trúc liên kết tiêu chuẩn, đó là lý do tại sao chúng được gọi là mạng với cấu trúc liên kết hỗn hợp.

Khi mạng cục bộ trở nên phổ biến hơn, các vấn đề nảy sinh liên quan đến việc trao đổi thông tin giữa các mạng. Do đó, trong một trường đại học, các mạng cục bộ có thể được sử dụng trong một số lớp học và đây có thể là các loại mạng khác nhau. Để đảm bảo liên lạc giữa các mạng này, các công cụ liên mạng được gọi là cầu và bộ định tuyến. Máy tính được cài đặt 2 bộ điều hợp mạng trở lên có thể được sử dụng làm cầu nối và bộ định tuyến. Mỗi bộ điều hợp cung cấp liên lạc với một trong các mạng được kết nối. Cầu nối hoặc bộ định tuyến nhận các gói được gửi từ máy tính trên mạng này đến máy tính trên mạng khác, chuyển tiếp chúng và gửi chúng đến địa chỉ được chỉ định. Bridge thường được sử dụng để kết nối các mạng có cùng hệ thống truyền thông, chẳng hạn để kết nối 2 mạng Ethernet hoặc 2 mạng Arcnet. Bộ định tuyến kết nối các mạng với các hệ thống truyền thông khác nhau vì chúng có phương tiện để chuyển đổi các gói từ định dạng này sang định dạng khác. Có những bộ định tuyến cầu kết hợp chức năng của cả hai công cụ. Cổng được thiết kế để đảm bảo liên lạc giữa các dì và các hệ thống máy tính khác nhau. Ví dụ: một mạng cục bộ có thể được kết nối với máy tính lớn thông qua một cổng.

Mạng vòng là mạng bao gồm hai hoặc nhiều thiết bị mạng được kết nối với nhau về mặt vật lý hoặc logic để chúng tạo thành một chuỗi thiết bị, với thiết bị cuối cùng trong chuỗi kết nối với thiết bị đầu tiên. Mạng vòng thường được thiết kế theo cấu trúc liên kết một vòng hoặc hai vòng. Công nghệ nhiều vòng, bao gồm hai hoặc nhiều vòng song song, cũng đang được phát triển.
Mạng thường được đặc trưng theo hai cách: vật lý và logic. Thuật ngữ “cấu trúc liên kết vật lý” mô tả cách các thiết bị được kết nối vật lý với nhau, do đó cấu trúc liên kết mạng vật lý là một vòng và các thiết bị vật lý được kết nối với nhau để tạo thành một vòng. Sự biểu diễn logic của cấu trúc liên kết được liên kết với các luồng thông tin. Từ góc độ logic, cấu trúc liên kết mạng vòng có thể có các thiết bị được kết nối vật lý với nhau, như cấu trúc liên kết mạng sao, mạng dữ liệu hoặc mạng cây, nhưng thông tin truyền từ thiết bị này sang thiết bị khác như thể chúng được kết nối trong một vòng vật lý. Ví dụ: một mạng có thể được tổ chức vật lý dưới dạng mạng sao nhưng thông tin có thể được truyền từ thiết bị này sang thiết bị khác giống như mạng vòng.

Một trong những nhược điểm chính của mạng vòng đơn là sự gián đoạn ở bất kỳ vị trí nào trong vòng có thể dẫn đến sự cố hoàn toàn về luồng thông tin. Để giúp ngăn chặn những nhiễu loạn kiểu này, có thể thêm một vòng quay ngược chiều song song thứ hai để gửi thông tin theo hướng ngược lại. Loại mạng dự phòng này được gọi là mạng vòng kép. Nếu một trong các vòng trong mạng vòng kép bị hỏng, thông tin vẫn có thể đến được tất cả các thiết bị bằng đường dẫn thay thế không bị hư hại.

Nhược điểm thứ hai của mạng vòng là thông tin di chuyển chậm hơn vì dữ liệu phải truyền qua từng thiết bị khi truyền qua mạng. Bất chấp hạn chế này, cấu trúc liên kết vòng vẫn tồn tại trong các mạng cáp quang như mạng giao diện dữ liệu phân tán cáp quang (fddi), mạng quang đồng bộ (SONET) và mạng phân cấp kỹ thuật số đồng bộ (SDH). Khi các mạng tốc độ cao này kết hợp cấu trúc liên kết vòng kép vật lý, chúng sẽ được hưởng lợi từ khả năng dự phòng do loại cấu trúc liên kết này mang lại.

Mạng vòng lần đầu tiên trở nên phổ biến vào những năm 1980 khi cấu trúc liên kết mạng vòng logic được sử dụng trong công nghệ vòng token. Những hạn chế cố hữu trong mạng vòng, cùng với các vấn đề tương thích giữa vòng token và các giao thức khác, phần lớn đã được thay thế bằng các phương thức truyền tải mới như mạng cục bộ. Mặc dù Ethernet ngày càng tiếp tục thay thế các giao thức được sử dụng trong mạng vòng cáp quang, việc sử dụng và phát triển mạng vòng để truyền dữ liệu tốc độ cao vẫn tiếp tục.

Cấu trúc liên kết vòng là một cấu trúc liên kết trong đó mỗi máy tính được kết nối bằng đường truyền thông với chỉ hai máy tính khác: từ một máy tính chỉ nhận thông tin và máy tính kia chỉ truyền thông tin. Trên mỗi đường truyền thông, như trong trường hợp của một ngôi sao, chỉ có một máy phát và một máy thu. Điều này cho phép bạn tránh sử dụng các thiết bị đầu cuối bên ngoài.
Mỗi máy tính truyền lại (làm mới) tín hiệu, tức là hoạt động như một bộ lặp, do đó độ suy giảm tín hiệu trên toàn vòng không thành vấn đề, chỉ quan trọng là độ suy giảm giữa các máy tính lân cận của vòng. Trong trường hợp này, không có trung tâm được xác định rõ ràng; tất cả các máy tính đều có thể giống nhau. Tuy nhiên, thường thì một người đăng ký đặc biệt được phân bổ trong vòng để quản lý việc trao đổi hoặc kiểm soát việc trao đổi. Rõ ràng là sự hiện diện của một thuê bao điều khiển như vậy sẽ làm giảm độ tin cậy của mạng, vì sự cố của nó sẽ ngay lập tức làm tê liệt toàn bộ tổng đài.
Việc kết nối những người đăng ký mới với “đổ chuông” thường hoàn toàn không gây đau đớn, mặc dù nó yêu cầu phải tắt toàn bộ mạng bắt buộc trong suốt thời gian kết nối. Như trong trường hợp cấu trúc liên kết xe buýt, số lượng thuê bao tối đa trong một vòng có thể khá lớn (1000 hoặc hơn). Cặp xoắn hoặc cáp quang được sử dụng làm phương tiện truyền thông trong mạng. Tin nhắn luân chuyển theo vòng tròn.
Một máy trạm chỉ có thể truyền thông tin đến một máy trạm khác sau khi nó đã nhận được quyền truyền (mã thông báo), do đó các xung đột sẽ bị loại trừ. Thông tin được truyền dọc theo một vòng từ máy trạm này sang máy trạm khác, vì vậy nếu một máy tính bị lỗi, trừ khi thực hiện các biện pháp đặc biệt, toàn bộ mạng sẽ bị lỗi.
Cấu trúc liên kết vòng thường có khả năng chống quá tải tốt nhất; nó đảm bảo hoạt động đáng tin cậy với luồng thông tin lớn nhất được truyền qua mạng, bởi vì, theo quy định, không có xung đột (không giống như xe buýt) và không có thuê bao trung tâm (không giống như một ngôi sao) .