Введение

Организация сети связи
Топология сетей связи

Топология сети – это расположение элементов (соединений, узлов и т. д.) сети связи. Топология сети может использоваться для определения или описания организации различных типов телекоммуникационных сетей, включая командно-управляющие радиосети, структуру сети и может быть представлена физически или логически. Это применение теории графов, в котором коммуникационные устройства моделируются как узлы, а соединения между устройствами – как связи или линии между узлами. Физическая топология определяет размещение различных компонентов сети (например, местоположение устройств и прокладку кабелей), в то время как логическая топология иллюстрирует, как данные передаются в сети. Расстояния между узлами, физические соединения, скорости передачи или типы сигналов могут различаться в разных сетях, однако их логические топологии могут быть идентичными. Физическая топология сети является важным аспектом физического уровня модели OSI. Примеры топологий сетей можно найти в локальных вычислительных сетях (LAN) – распространенных компьютерных сетях. Любой узел в LAN имеет одно или несколько физических соединений с другими устройствами в сети; графическое отображение этих соединений формирует геометрическую фигуру, которую можно использовать для описания физической топологии сети. В LAN используется широкий спектр физических топологий, включая кольцо, шину, сетчатую и звездообразную. В свою очередь, отображение потока данных между компонентами определяет логическую топологию сети. Для сравнения, сети контроллеров, часто используемые в транспортных средствах, представляют собой, прежде всего, распределенные системы управления, состоящие из одного или нескольких контроллеров, соединенных с датчиками и исполнительными механизмами посредством, как правило, физической шинной топологии.

Топологии

Существует две основные категории топологий сети: физические и логические. Физическая топология сети определяет компоновку среды передачи, используемой для соединения устройств. Для проводных или волоконно-оптических сред это относится к расположению кабелей, местоположению узлов и связям между узлами и кабелями. Логическая топология сети описывает способ передачи данных от одного устройства к другому, не принимая во внимание физическое соединение устройств. Логическая топология сети не обязательно совпадает с ее физической топологией. Например, оригинальная Ethernet с витой парой, использующая концентраторы-ретрансляторы, представляла собой логическую шину, реализованную на физической звезде. Token Ring – это логическое кольцо, но физически подключенное как звезда от блока доступа к среде. Физически AFDX может быть реализован как каскадная звездная топология, состоящая из нескольких двойных резервных Ethernet-коммутаторов; однако, виртуальные каналы AFDX моделируются как соединения шины с одним передатчиком и временным мультиплексированием, что соответствует модели безопасности шины с одним передатчиком, ранее использовавшейся в авиации. Логические топологии часто тесно связаны с методами и протоколами управления доступом к среде передачи. Некоторые сети способны динамически изменять свою логическую топологию путем изменения конфигурации маршрутизаторов и коммутаторов.

Ссылки

Средства передачи (часто именуемые в литературе как физическая среда) для соединения устройств в компьютерной сети включают в себя электрические кабели (Ethernet, HomePNA, связь по линиям электропередач, G. hn), оптическое волокно (оптоволоконная связь) и радиоволны (беспроводные сети). В модели OSI они определены на 1-м и 2-м уровнях – физическом и канальном. Широко используемое семейство средств передачи, применяемых в технологиях локальных сетей (LAN), известно как Ethernet. Стандарты средств и протоколов, обеспечивающие связь между сетевыми устройствами по Ethernet, определены стандартом IEEE 802.3. Ethernet передает данные как по медным, так и по оптоволоконным кабелям. Стандарты беспроводных локальных сетей (например, стандарты IEEE 802.11) используют радиоволны, а другие – инфракрасные сигналы в качестве среды передачи. Связь по линиям электропередач использует электропроводку здания для передачи данных.

Проводные технологии

Порядок следующих проводных технологий примерно от самой медленной до самой быстрой скорости передачи. Коаксиальный кабель широко используется для кабельных телевизионных систем, офисных зданий и других рабочих мест для локальных сетей. Кабели состоят из медного или алюминиевого провода, окруженного изоляционным слоем (обычно гибким материалом с высокой диэлектрической проницаемостью), который сам окружен проводящим слоем. Изоляция между проводниками помогает поддерживать характеристический импеданс кабеля, что может улучшить его производительность. Скорость передачи данных варьируется от 200 миллионов бит в секунду до более чем 500 миллионов бит в секунду. Технология ITU-T G.hn использует существующую домашнюю проводку (коаксиальный кабель, телефонные линии и линии электропередач) для создания высокоскоростной (до 1 Гбит/с) локальной сети. Сигнальные дорожки на печатных платах широко используются для последовательной связи на уровне платы, особенно между определенными типами интегральных схем, например, SPI. Ленточный кабель (невитой и, возможно, неэкранированный) является экономически эффективной средой для последовательных протоколов, особенно внутри металлических корпусов или в оплетке из медной фольги, на небольших расстояниях или при более низких скоростях передачи данных. Некоторые последовательные сетевые протоколы могут быть развернуты без экранированной или витой пары, то есть с использованием "плоского" или "ленточного" кабеля, либо гибридного плоского/витого ленточного кабеля, если это позволяют ограничения по электромагнитной совместимости, длине и полосе пропускания: RS-232, RS-422, RS-485, CAN, GPIB, SCSI и т.д. Витая пара является наиболее широко используемой средой для всех телекоммуникаций. Кабели витой пары состоят из медных проводов, скрученных в пары. Обычные телефонные провода состоят из двух изолированных медных проводов, скрученных в пары. Компьютерные сетевые кабели (проводной Ethernet в соответствии со стандартом IEEE 802.3) состоят из 4 пар медных проводов, которые могут использоваться как для передачи голоса, так и данных. Скручивание двух проводов вместе помогает уменьшить перекрестные помехи и электромагнитную индукцию. Скорость передачи данных варьируется от 2 миллионов бит в секунду до 10 миллиардов бит в секунду. Витая пара доступна в двух формах: неэкранированная витая пара (UTP) и экранированная витая пара (STP). Каждая форма представлена в нескольких категориях, предназначенных для использования в различных сценариях. Оптическое волокно – это стеклянное волокно, которое передает световые импульсы, представляющие данные. Некоторые преимущества оптических волокон перед металлическими проводами – очень низкие потери при передаче и устойчивость к электрическим помехам. Оптические волокна могут одновременно передавать несколько длин волн света, что значительно увеличивает скорость передачи данных и позволяет достигать скорости до триллионов бит в секунду. Оптические волокна могут использоваться для прокладки кабелей на большие расстояния с очень высокой скоростью передачи данных и применяются для подводных коммуникационных кабелей, соединяющих континенты. Цена является ключевым фактором, отличающим проводные и беспроводные технологии для бизнеса. Беспроводные решения обычно дороже, что может сделать покупку проводных компьютеров, принтеров и других устройств финансово выгодной. Перед принятием решения о приобретении проводного оборудования необходимо оценить ограничения и недостатки выбранных вариантов. Потребности бизнеса и сотрудников могут быть важнее любых соображений стоимости.

Беспроводные технологии

Земная микроволновая связь – Земная микроволновая связь использует наземные передатчики и приемники, похожие на спутниковые антенны. Земные микроволновые частоты находятся в диапазоне низких гигагерц, что ограничивает все коммуникации прямой видимостью. Релейные станции располагаются на расстоянии примерно друг от друга. Спутники связи – Спутники общаются посредством микроволнового радиосигнала, который не отклоняется атмосферой Земли. Спутники размещаются в космосе, как правило, на геостационарной орбите над экватором. Эти системы, обращающиеся вокруг Земли, способны принимать и ретранслировать голосовые, данные и телевизионные сигналы. Сотовые и PCS системы используют несколько технологий радиосвязи. Эти системы разделяют обслуживаемую территорию на несколько географических зон. Каждая зона оснащена маломощным передатчиком или радиорелейной антенной для ретрансляции вызовов между зонами. Радио и технологии расширенного спектра – Беспроводные локальные сети используют высокочастотную радиотехнологию, аналогичную цифровой сотовой связи, и низкочастотную радиотехнологию. Беспроводные LAN используют технологию расширенного спектра для обеспечения связи между несколькими устройствами в ограниченной области. Стандарт IEEE 802.11 определяет широко распространенную технологию беспроводной радиосвязи открытых стандартов, известную как Wi-Fi. Оптическая связь в свободном пространстве использует видимый или невидимый свет для передачи данных. В большинстве случаев используется распространение в прямой видимости, что ограничивает физическое размещение устройств связи.

Узлы

Сетевые узлы – это точки подключения среды передачи к передатчикам и приемникам электрических, оптических или радиосигналов, распространяющихся в этой среде. Узлы могут быть связаны с компьютером, но некоторые типы могут содержать только микроконтроллер или даже не иметь программируемого устройства вовсе. В простейшей последовательной схеме один передатчик RS 232 может быть соединен парой проводов с одним приемником, формируя два узла на одном канале связи или топологию "точка-точка". Некоторые протоколы допускают, чтобы узел мог только передавать или только принимать данные (например, ARINC 429). Другие протоколы предусматривают узлы, способные одновременно передавать и принимать данные в одном канале (например, в шине CAN может быть подключено множество приемопередатчиков). Хотя традиционные строительные блоки компьютерной сети включают сетевые интерфейсные контроллеры (NIC), повторители, концентраторы, мосты, коммутаторы, маршрутизаторы, модемы, шлюзы и межсетевые экраны, большинство из них решают задачи, выходящие за рамки физической топологии сети, и могут быть представлены как отдельные узлы в конкретной физической топологии сети.

Сетевые интерфейсы

Контроллер сетевого интерфейса (NIC) — это компьютерное оборудование, которое обеспечивает компьютеру возможность доступа к среде передачи данных и способно обрабатывать сетевую информацию низкого уровня. Например, NIC может иметь разъем для подключения кабеля или антенну для беспроводной передачи и приема, а также соответствующую схему. NIC реагирует на трафик, адресованный сетевому адресу, предназначенному либо для самого NIC, либо для компьютера в целом. В сетях Ethernet каждый контроллер сетевого интерфейса имеет уникальный MAC-адрес (Media Access Control) — обычно хранящийся в постоянной памяти контроллера. Чтобы избежать конфликтов адресов между сетевыми устройствами, Институт инженеров электротехники и электроники (IEEE) поддерживает и обеспечивает уникальность MAC-адресов. Размер MAC-адреса Ethernet составляет шесть октетов. Три наиболее значимых октета зарезервированы для идентификации производителей NIC. Эти производители, используя только свои выделенные префиксы, уникально присваивают три наименее значимых октета каждому интерфейсу Ethernet, который они выпускают.

Ретрансляторы и хабы

Ретранслятор – это электронное устройство, принимающее сетевой сигнал, очищающее его от лишнего шума и восстанавливающее его. Сигнал может быть усилен или повторно передан с более высокой мощностью, преодолевая препятствия, возможно, с использованием другой среды передачи, чтобы обеспечить покрытие больших расстояний без потери качества. Коммерческие ретрансляторы увеличили длину сегментов RS 232 с 15 метров до более чем километра. В большинстве конфигураций Ethernet с витой парой ретрансляторы необходимы для кабелей длиной более 100 метров. В оптоволоконных сетях ретрансляторы могут располагаться на расстоянии десятков и даже сотен километров друг от друга. Ретрансляторы работают на физическом уровне модели OSI, то есть не происходит изменения физического протокола при прохождении сигнала через ретранслятор или пару ретрансляторов, даже если между концами ретранслятора или пары ретрансляторов используется другой физический уровень. Ретрансляторам требуется некоторое время для восстановления сигнала, что может вызвать задержку распространения, влияющую на производительность сети и ее корректную работу. Поэтому многие сетевые архитектуры ограничивают количество ретрансляторов, используемых последовательно, например, правило 5-4-3 для Ethernet. Ретранслятор с несколькими портами называется концентратором (хабом), Ethernet-концентратором в сетях Ethernet и USB-концентратором в сетях USB. Сети USB используют концентраторы для создания многоуровневых звездных топологий. Ethernet-концентраторы и ретрансляторы в локальных сетях в значительной степени устарели с появлением современных коммутаторов.

Выключатели

Сетевой коммутатор – это устройство, которое пересылает и фильтрует датаграммы (фреймы) 2-го уровня модели OSI между портами на основе MAC-адреса назначения, содержащегося в каждом фрейме. Коммутатор отличается от концентратора (хаба) тем, что он пересылает фреймы только на те физические порты, которые участвуют в обмене данными, а не на все подключенные порты. Его можно рассматривать как многопортовый мост. Коммутатор изучает соответствие между физическими портами и MAC-адресами, анализируя исходные адреса принимаемых фреймов. Если адрес назначения неизвестен, коммутатор осуществляет широковещательную рассылку на все порты, кроме порта-источника. Коммутаторы обычно имеют множество портов, что позволяет создавать топологию «звезда» для устройств и каскадно соединять дополнительные коммутаторы. Многоуровневые коммутаторы способны выполнять маршрутизацию на основе адресации 3-го уровня или других логических уровней. Термин «коммутатор» часто используется в широком смысле, включая такие устройства, как маршрутизаторы и мосты, а также устройства, которые могут распределять трафик на основе нагрузки или содержимого приложения (например, идентификатор веб-URL).

Маршрутизаторы

Маршрутизатор — это сетевое устройство, пересылающее пакеты между сетями путем обработки маршрутизационной информации, содержащейся в пакете или дейтаграмме (информация протокола Интернет 3-го уровня). Маршрутизационная информация часто обрабатывается совместно с таблицей маршрутизации (или таблицей переадресации). Маршрутизатор использует свою таблицу маршрутизации для определения направления пересылки пакетов. В таблице маршрутизации пункт назначения может включать "пустой" интерфейс, также известный как "черная дыра", поскольку данные могут быть в него направлены, но дальнейшая обработка этих данных не производится, то есть пакеты отбрасываются.

Модемы

Модемы (модулятор-демодулятор) используются для подключения сетевых узлов по линиям связи, изначально не предназначенным для передачи цифровых сетевых данных, или по беспроводным каналам. Для этого один или несколько несущих сигналов модулируются цифровым сигналом, создавая аналоговый сигнал, параметры которого могут быть настроены для обеспечения требуемых характеристик передачи. Модемы широко применяются для телефонных линий с использованием технологии цифровой абонентской линии (DSL).

Брандмауэры

Брандмауэр – это сетевое устройство, предназначенное для контроля сетевой безопасности и правил доступа. Брандмауэры обычно настраиваются на отклонение запросов доступа от неавторизованных источников и разрешение действий от авторизованных. Критически важная роль брандмауэров в обеспечении сетевой безопасности возрастает по мере постоянного увеличения числа кибератак.

Классификация

Исследование топологии сети выделяет восемь основных топологий: «точка-точка», шина, звезда, кольцо, сетчатая, древовидная, гибридная или последовательная (цепочка).

Точка-точка

Простейшая топология с выделенным каналом связи между двумя конечными точками. Наиболее понятным вариантом топологии "точка-точка" является канал связи "точка-точка", который для пользователя выглядит как постоянно установленное соединение между двумя конечными точками. Детский телефон из консервных банок – один из примеров физического выделенного канала. С использованием технологий коммутации каналов или коммутации пакетов, канал "точка-точка" может быть динамически настроен и отключен при необходимости. Коммутируемые топологии "точка-точка" являются базовой моделью традиционной телефонии. Ценность постоянной сети "точка-точка" заключается в беспрепятственной связи между двумя конечными точками. Ценность соединения "точка-точка" по запросу пропорциональна числу потенциальных пар пользователей и описывается законом Меткалфа.

Цепочка из ромашки

Daisy chaining осуществляется путем последовательного соединения компьютеров друг с другом. Если сообщение предназначено для компьютера, расположенного в середине цепочки, каждая система передает его по очереди, пока оно не достигнет адресата. Сеть, организованная по принципу «ромашки», может иметь две основные топологии: линейную и кольцевую. Линейная топология предполагает двустороннюю связь между каждым компьютером и следующим. Однако в ранние годы развития вычислительной техники это было дорогостоящим решением, поскольку каждому компьютеру (за исключением компьютеров на концах цепочки) требовалось два приемника и два передатчика. Соединив компьютеры на концах цепочки, можно сформировать кольцевую топологию. Когда узел отправляет сообщение, оно обрабатывается каждым компьютером в кольце. Преимущество кольцевой топологии заключается в том, что количество передатчиков и приемников можно сократить вдвое. Поскольку сообщение в конечном итоге проходит полный круг, передача не требует двунаправленности. Кроме того, кольцевая топология может повысить отказоустойчивость. Если кольцо обрывается в определенной точке, передача может быть осуществлена по обратному пути, обеспечивая постоянное соединение всех узлов в случае единичной неисправности.

Автобус

В локальных сетях с топологией шины каждый узел соединен интерфейсными разъемами с единственным центральным кабелем. Этот кабель именуется "шиной", а также основой или магистралью – вся передача данных между узлами в сети осуществляется по этому общему каналу передачи и может быть одновременно принята всеми узлами сети. Гибридные сети объединяют две или более топологии таким образом, что результирующая сеть не соответствует ни одной из стандартных топологий (например, шине, звезде, кольцу и т.д.). Например, древовидная сеть (или звездообразная шина) является гибридной топологией, в которой звездообразные сети соединены посредством шинных сетей. Однако древовидная сеть, подключенная к другой древовидной сети, топологически остается древовидной сетью, а не отдельным типом сети. Гибридная топология всегда формируется при соединении двух различных базовых топологий сети. Звездообразное кольцо состоит из двух или более кольцевых сетей, соединенных с помощью многостанционного устройства доступа (MAU) в качестве центрального концентратора. Топология "снежинка" представляет собой звездообразную сеть, состоящую из звездообразных сетей. Два других типа гибридных сетей – гибридная mesh-сеть и иерархическая звезда.

Централизация

Топология звезды снижает вероятность сбоя сети, соединяя все периферийные узлы (компьютеры и т. д.) с центральным узлом. Когда физическая звездная топология применяется к логической шинной сети, такой как Ethernet, этот центральный узел (традиционно концентратор) пересылает все передачи, полученные от любого периферийного узла, всем периферийным узлам сети, иногда включая исходный узел. Таким образом, все периферийные узлы могут взаимодействовать друг с другом, передавая и принимая данные только через центральный узел. Выход из строя линии связи, соединяющей любой периферийный узел с центральным узлом, приведет к изоляции этого периферийного узла от всех остальных, но остальные периферийные узлы останутся не затронутыми. Однако недостатком является то, что отказ центрального узла приведет к отказу всех периферийных узлов. Если центральный узел пассивен, исходный узел должен быть способен выдерживать прием эха собственной передачи, задержанного временем кругового обмена (то есть туда и обратно через центральный узел) плюс любая задержка, возникающая в центральном узле. Активная звездная сеть имеет активный центральный узел, который обычно оснащен средствами для предотвращения проблем, связанных с эхом. Древовидная топология (также известная как иерархическая топология) может рассматриваться как совокупность звездных сетей, организованных в иерархию. Эта древовидная структура имеет отдельные периферийные узлы (например, конечные узлы), которым требуется передавать и принимать данные только от одного другого узла и которые не должны выполнять функции повторителей или регенераторов. В отличие от звездной сети, функциональность центрального узла может быть распределена. Как и в обычной звездной сети, отдельные узлы могут быть изолированы от сети из-за одноточечного отказа на пути передачи к узлу. Если соединение с конечным узлом неисправно, этот узел изолируется; если соединение с неузловым узлом неисправно, вся секция сети отсоединяется от остальной части. Чтобы уменьшить объем сетевого трафика, возникающий при трансляции всех сигналов всем узлам, были разработаны более продвинутые центральные узлы, способные отслеживать идентификаторы узлов, подключенных к сети. Эти сетевые коммутаторы "изучают" структуру сети, "прослушивая" каждый порт во время нормальной передачи данных, анализируя пакеты данных и записывая адрес/идентификатор каждого подключенного узла и порт, к которому он подключен, в таблицу поиска, хранящуюся в памяти. Эта таблица поиска позволяет в дальнейшем направлять передачи только к предполагаемому месту назначения. Топология "одуванчика" – это способ соединения сетевых узлов в линейной или кольцевой структуре. Она используется для передачи сообщений от одного узла к другому, пока они не достигнут узла назначения. Сеть "одуванчика" может иметь два типа: линейную и кольцевую. Линейная сеть "одуванчика" похожа на последовательную электрическую цепь, где первый и последний узлы не соединены. Кольцевая сеть "одуванчика" – это сеть, в которой первый и последний узлы соединены, образуя петлю.

Децентрализация

В частично связанной mesh-топологии имеется как минимум два узла с двумя или более путями между ними для обеспечения резервных путей в случае отказа канала связи, предоставляющего один из этих путей. Децентрализация часто используется для компенсации недостатка единой точки отказа, возникающего при использовании одного устройства в качестве центрального узла (например, в звездах и деревьях). Гиперкуб – это особый вид mesh-сети, ограничивающий количество переходов между двумя узлами. Большое количество произвольных ответвлений в mesh-сетях усложняет их проектирование и реализацию, но их децентрализованный характер делает их весьма полезными. Это в некотором роде похоже на grid-сеть, где линейная или кольцевая топология используется для соединения систем в нескольких направлениях. Например, многомерное кольцо имеет тороидальную топологию. Полностью связанная сеть, полная топология или full mesh-топология – это топология сети, в которой существует прямое соединение между каждой парой узлов. В полностью связанной сети с n узлами существует прямых соединений. Сети, спроектированные с использованием этой топологии, обычно очень дороги в установке, но обеспечивают высокую степень надежности благодаря множеству путей для передачи данных, предоставляемых большим количеством избыточных соединений между узлами. Эта топология чаще всего используется в военных приложениях.