Топология компьютерных сетей. Классификация компьютерных сетей по топологии

Топологии локальных сетей: определение, значения, виды, типы, функции

Всем привет! Сегодня я постараюсь как можно подробнее ответить на вопрос, что же такое топология локальных сетей, какие они бывают и как их правильно подобрать? Если говорить грубо, то это схема по которой будут подключаться компьютеры, сервера и другое сетевое оборудования. Это важное составляющее любой локальной вычислительной сети (ЛВС), так как от этого будет зависеть скорость работы канала, а также устойчивость к различным аварийным ситуациям.

Локальная вычислительная сеть – это сеть нескольких компьютеров, серверов, маршрутизаторов, которые работают в одном локальном пространстве – это может быть кабинет, дом, квартира или целое здание. Ключевое слово тут «Локальный» – то есть находится в одном определенном месте.

Обычно такие компьютеры могут общаться напрямую друг с другом. Если у вас дома есть роутер, то вы уже находитесь в локальной сети. ЛВС разделяются на два типа:

• Централизованные – в сети есть компьютер или оборудование, которое управляет локалкой.
• Одноранговые – в такой сети каждый компьютер имеет одни и те же права.

Локальную сеть создают в первую очередь для общения компьютеров и других устройств между собой. Например, дома к роутеру вы можете подключить сетевой принтер и каждый пользователь, подключенный к маршрутизатору, может печатать с него документы. Вы можете смотреть фильмы, находящиеся на компьютере, по DLNA на телевизоре.

В крупных компаниях с помощью ЛВС можно осуществлять документооборот и общение сотрудников, использование общих принтеров, сканеров и другого сетевого оборудования. Также можно осуществлять контроль трафика.

Для подключения компьютеров к локалке обычно используют два вида кабеля:

• Витая пара – достаточно дешевая, но имеет минус в максимальном расстоянии передачи данных (от 50 до 100 метров – в зависимости от типа кабеля). Читать подробно…
• Оптическое волокно – передача данных происходит с помощь пучка света. За счет этого расстояние передачи вырастает в сотни раз. Одной из минусов такой технологии является способность сращивать два куска кабеля. Читать подробно…

Также для подключения можно использовать Wi-Fi – это специальная технология, которая позволяет передавать данные с помощью радиоволн. Более подробно про неё можно почитать тут.

Есть также центральные клиентские машины – обычно это компьютеры, ноутбуки или рабочие станции. Для управления используют сервера или маршрутизаторы (роутеры). Если дома у вас есть роутер, то вы уже можете понять, что центральным звеном сети является эта маленькая коробочка. Роутер не только раздает интернет по проводам и Wi-Fi, но также является шлюзом с глобальной сетью интернет.

Также есть оборудование, которое используется только для подключения большого количества устройств. Такие аппараты называют коммутаторами. С виду они очень похожи на роутеры, но имеют совсем другое предназначение. Разбирать их мы не будем, но если кому интересно, то про коммутаторы можно подробно почитать в этой статье.

«Звезда»

Топология компьютерных сетей «звезда» – структура, центром которой служит коммутирующее устройство. Все компьютеры подсоединены к нему отдельными линиями.

Коммутирующим устройством может быть концентратор, то есть HUB, или коммутатор. Такую топологию еще именуют «пассивной звездой». Если коммутирующим устройством выступает другой компьютер или сервер, то топология может называться «активной звездой». Именно на коммутирующее устройство поступает сигнал от каждого компьютера, обрабатывается и отправляется к другим подключенным компьютерам.

У данной топологии есть ряд достоинств. Несомненным преимуществом является то, что компьютеры не зависят друг от друга. При поломке одного из них сама сеть остается в рабочем состоянии. Также к такой сети легко можно подключить и новый компьютер. При подключении нового оборудования остальные элементы сети продолжат работать в обычном режиме. В таком виде топологии сети легко находить неисправности. Пожалуй, одно из главных достоинств «звезды» – это ее высокая производительность.

Однако при всех достоинствах имеются у такого типа компьютерных сетей и недостатки. Если выйдет из строя центральное коммутирующее устройство, то перестанет работать и вся сеть. В ней есть ограничения по подключаемым рабочим станциям. Их не может быть больше имеющегося количества портов на коммутирующем устройстве. И последний недостаток сети – ее стоимость. Требуется достаточно большое количество кабеля, чтобы подключить каждый компьютер.

Топология Интернет

Начнем разбор топологии Интернет с «низшего» звена – компьютера пользователя.

Компьютер пользователя, через модем или напрямую, связывается с местным интернет – провайдером. Точка соединения компьютера пользователя с сервером провайдера, называют точкой присутствия или POP – Point of Presence.

В свою очередь, провайдер владеет своей местной сетью, состоящую из линий связи и маршрутизаторов. Пакеты данных получаемые провайдером передаются либо на хост провайдера, либо оператору сетевой магистрали.

В свою очередь, операторы магистралей владеют своими международными магистральными сетями (высокоскоростными). Эти сети связывают между собой местных провайдеров.

Хостинговые компании и крупные Интернет корпорации устраивают свои серверные фермы (дата центры), которые напрямую подключены к магистралям.

Эти центры обрабатывают десятки тысяч запросов к веб-страницам в секунду. Как правило, дата-центры устраиваются в арендуемых помещениях магистральных операторов, где и располагаются магистральные маршрутизаторы.

Все магистрали между собой связаны. Точки соединения называют точками входа в сеть или Network Access Point – NAP. Это допускает перекидывать передаваемый пакет информации с магистрали на магистраль.

Топология звезды

Топология «звезда» — это топология, в которой каждый узел в сети подключен к одному центральному коммутатору. Каждое устройство в сети напрямую связано с коммутатором и косвенно связано с любым другим узлом. Связь между этими элементами заключается в том, что центральное сетевое устройство является сервером, а другие устройства рассматриваются как клиенты. Центральный узел отвечает за управление передачей данных по сети и действует как ретранслятор. В топологии «звезда» компьютеры подключаются с помощью коаксиального кабеля, витой пары или оптоволоконного кабеля..

преимущества

Звездные топологии наиболее часто используются, потому что вы может управлять всей сетью из одного местаЦентральный выключатель Как следствие, если узел, который не является центральным узлом, выйдет из строя, то сеть останется работоспособной. Это дает топологиям звезд уровень защиты от сбоев, которые не всегда присутствуют при других настройках топологии. Точно так же ты можно добавлять новые компьютеры без необходимости отключать сеть как вы бы сделали с кольцевой топологией.

С точки зрения физической структуры, для топологии типа звезда требуется меньше кабелей, чем для других типов топологии. Это делает их прост в настройке и управлении в долгосрочной перспективе. Простота общего дизайна значительно облегчает администраторам устранение неполадок при работе с ошибками производительности..

Недостатки

Хотя звездные топологии могут быть относительно безопасны от отказа, если центральный коммутатор выйдет из строя, то вся сеть выйдет из строя. Таким образом, администратору необходимо тщательно контролировать состояние центрального узла, чтобы убедиться, что он не выходит из строя. Производительность сети также привязаны к конфигурации и производительности центрального узла. Топологией Star легко управлять в большинстве случаев, но их установка и использование далеко не дешевы.

Принцип работы

Топология компьютерной сети звезда получила название за сходство со стилизованным изображением этой многолучевой фигуры. В ее представлении в графическом виде обязательно присутствуют:

• центральный узел локальной сети, базовый элемент схемы;
• периферийные узлы – рабочие станции пользователей, сетевое оборудование (принтеры, факсы и пр.);
• каналы связи между центральным узлом и периферией, образующие лучи звезды.

Обмен в локальной сети при такой топологии осуществляется только через центральный узел. Непосредственная связь между остальными устройствами отсутствует.

Принцип работы и характеристики ЛВС определяет архитектура базового элемента. В этой роли используют:

• сетевой концентратор (hub, хаб):
• коммутатор (switch, свитч), управляемый или неуправляемый:
• активное оборудование (сервер, интеллектуальный коммутатор, маршрутизатор).

Нередко пользователя интересуют вопросы, что такое концентратор и коммутатор, чем они отличаются в реализации ЛВС. Прежде всего, при использовании концентраторов и коммутаторов или активного оборудования принципиально разнятся алгоритмы работы сети.

Звезда с концентратором (хабом)

Концентратор (хаб) – простейшее оборудование для организации центральной точки подключения оборудования ЛВС. В устройстве реализован следующий алгоритм:

1. Хаб принимает пакет от одного из узлов.
2. Отправляет его на все порты.
3. Адресат (компьютер или другое оборудование) обрабатывает пакет.
4. Остальные устройства его игнорируют.

Звездообразная схема в такой реализации имеет следующие характерные особенности:

1. Трафик в сети – широковещательный.
2. Физическая топология – звезда, логическая – общая шина (за счет одновременной трансляции входящего пакета на все порты хаба, его получают все участники сети, одновременное обслуживание запросов нескольких узлов невозможно).
3. Пропускная способность хаба распределяется между подключенными в порты хостами. При этом время ожидания обработки запроса оказывается случайной величиной и определяется длиной очереди, Средняя пропускная способность для периферийных узлов зависит от числа задействованных портов концентратора – обратно пропорциональна их количеству.

Хабы используют для построения по топологии звезда небольших домашних или офисных локальных сетей, число участников которых не превышает 8-12. При увеличении количества подключенных рабочих станций производительность существенно снижается.

Еще один существенный недостаток такой организации – низкий уровень безопасности. При широковещательном трафике могут быть перехвачены и проанализированы все пакеты, что упрощает вероятность их расшифровки и получения посторонними конфиденциальной информации.

Среди достоинств схем с концентраторами – простота построения ЛВС (не требуется предварительной настройки оборудования) и низкая цена центрального устройства.

Аналогично хабу (с мультиплексированием) работают точки доступа Wi-Fi при одновременном использовании несколькими мобильными терминалами одного из доступных каналов.

Звезда с коммутатором

Для сетевой топологии звезда с большим числом рабочих станций и возможностью масштабирования чаще используют коммутаторы. В отличие от хаба, свитч:

1. В процессе обмена составляет и заносит в ассоциативную память карту портов (MAC-адресов хостов, подключенных к каждому).
2. Принимает пакет от отправителя.
3. Анализирует его в соответствии с алгоритмом коммутации.
4. Отправляет по адресу получателя.

При такой организации:

• Трафик приобретает свойства селективного (от отправителя непосредственно получателю). Исключение составляют пакеты, адресованные хостам, MAC-адреса которых не занесены в таблицу коммутатора (например, на начальном этапе обучения, когда она не сформирована полностью). В этом случае сохраняется широковещательный характер.
• Возможна обработка запросов нескольких узлов ЛВС одновременно.
• Логическая топология преобразуется от общей шины к гибридной (звезда+шина).
• Увеличивается пропускная способность каждого из каналов, снижается латентость (время задержки).
• Появляется возможность ассиметричной коммутации, с увеличением ширины полосы пропускания для отдельных портов интерфейса.
• Повышается скорость обмена (за счет исключения передачи информации участникам, которым она не предназначена) и безопасность (уменьшение объемов широковещательного трафика сокращает вероятность перехвата и дешифровки пакетов).

На время задержки и надежность информационного обмена влияют используемые алгоритмы коммутации:

• Cut-trough (со сквозной передачей). При анализе пакета коммутатор распаковывает только адрес получателя и транслирует информацию без дальнейшей обработки. Обладает максимальной производительностью, но не позволяет выявить ошибки пересылаемых данных.
• Store&Forward (хранение и пересылка). Производится промежуточное сохранение данных, распаковка пакета с проверкой его целостности, при отсутствии ошибок – отправка адресату. Обеспечивается максимальная надежность (достоверность данных) но с увеличением общей задержки.
• Fragment-Free (без фрагментирования). Позволяет устранить коллизии за счет проверки длины кадра на минимальную длину (64 бита). Читаются только первые 64 бита, все кадры длиннее пересылаются получателю, короче – игнорируются. В результате достигается компромисс между скоростью и надежностью обмена.

Таким образом, коммутатор как центральный узел топологии звезда обеспечивает улучшение производительности и скорости обмена, повышение надежности обмена и его безопасности по сравнению с концентраторами. Это позволяет увеличивать число портов в одном устройстве, стекировать их при значительном числе рабочих станций в ЛВС, без проблем реализовывать как одноранговые, так и иерархические сети, для которых требуется увеличенная пропускная способность для серверных лучей звезды.

Активная

Топология активная или истинная звезда предполагает использование в качестве центрального узла оборудования, осуществляющего не просто трансляцию пакетов, но и принимающего участие в обмене (точнее, осуществляет полное управление последним). Принципиальное отличие активного оборудования – использование более высокого (как минимум, третьего) уровня модели OSI, по сравнению с первым или вторым, с которым работают, соответственно, концентраторы и коммутаторы.

Как центральное оборудование для развертывания активной звездообразной топологии выступают:

• выделенные серверы на базе мощных компьютеров;
• интеллектуальные полностью управляемые коммутаторы, использующие II и III уровень модели OSI;
• маршрутизаторы.

Они получают функции:

1. Полной маршрутизации внутреннего трафика (используется достаточно редко при высоких требованиях к надежности и безопасности информационного обмена).
2. Управления внутренним адресным пространством – раздачи адресов абонентам ЛВС (DHCP-сервера).
3. Создания виртуальных сетей и туннелирования.
4. Балансировки трафика (например, с использованием протокола QoS) и придания ему асимметрии.
5. Ограничения скорости на портах вплоть до полной блокировки.
6. Отслеживания штормов и петель.
7. Разграничения прав доступа к отдельным хостам или группам адресов для абонентов.

Сеть, использующая топологию активная звезда, обладает большей устойчивостью, обеспечивает высокую производительность, надежность и безопасность. Серьезный недостаток такой схемы – цена решения, выше, чем при работе в структуре с пассивным оборудованием. Кроме того, активные устройства требуют настройки и квалифицированного администрирования.

Пассивная

Топология пассивная звезда использует как центральный хост хаб или коммутатор (управляемый или неуправляемый). Пассивное оборудование (собственно, и давшее название схеме) не участвует в управлении трафиком вовсе или реализует ограниченный набор функций его администрирования.

Решение выигрывает у активной по цене, но проигрывает по пропускной способности, надежности и безопасности.

На базе концентраторов строят домашние или небольшие офисные сети, свитчи применяют в ЛВС крупных предприятий для организации сегментов и подсетей.

Что понимается под топологией локальной сети

Программирование и построение компьютерных сетей выросли из математики и поэтому унаследовали математические расчеты и схематику построения устройств и связей. А самим термином топология сети охарактеризовали расположение и схему связей между устройствами. Устройствами выступают компьютеры, концентраторы, роутеры, серверы, принтеры и прочая вспомогательная электроника. Кроме расположения устройств, топология обуславливает компоновку кабелей, варианты размещения коммутирующего оборудования, систему обмена сигналами и прочие запросы потребителей компьютерных технологий.

p, blockquote 3,0,0,0,0 —>

Соединение в сети вызвано необходимостью объединения ресурсов компьютеров, экономией на периферийных устройствах, и как следствие решением комплексных задач. Исходя из конкретных предполагаемых задач и выстраивается топология компьютерной сети. Существуют семь основных видов соединений.

p, blockquote 4,0,0,0,0 —>

Топология сети: виды и примеры

Локальная сеть — это объединенные между собой сетевые устройства для совместного доступа к программам, оборудованию и передачи информации между собой. Первым шагом при проектировании ЛВС необходимо определить при помощи, какой сетевой топологии устройства будут связываться между собой. Рассмотрим основные схемы соединения узлов.

Сетевая топология разделяется на:

• Физическая топология сети — описывает реальное расположение и связи между узлами сети;
• Логическая топология сети — описывает хождение сигнала в рамках физической топологии.

Физическая и логическая топологии могут как совпадать, так и не совпадать.

Подробнее это можно объяснить на примере, в сети используется «умный» коммутатор с изолированными портами. Получается, что физически хосты локальной сети подключены к одному коммутатору, но логически они не будут объединены.

Соединить узлы ЛВС можно следующими основными физическими сетевыми схемами:

• Шина;
• Кольцо;
• Звезда;
• Полносвязанная топология.

Рассмотрим детальнее представленные выше топологии.

Топология/структура ЛВС

Топология локальной вычислительной сети определяет структуру, то как компьютеры будут соединяться друг с другом.

1. Шина — это последовательное соединение компьютеров в сеть, с помощью общего кабеля.

2. Звезда — это параллельное соединение компьютеров. Каждый компьютер подсоединяется кабелем к одному устройству — концентратору или хабу.

3. Кольцо — компьютеры соединены кабелем в неразрывное кольцо. Выход из строя любого компьютера или обрыв кабеля — приведет к неработоспособности ЛВС.

4. Смешанная — в такой сети объединяются различные топологии сетей, что снижает вероятность сбоя. Смешанная топология сети преобладает в крупных ЛВС.

Локальная вычислительная сеть применяется повсюду, в офисах и жилых домах/квартирах. Помимо своих основных функций, ЛВС, еще предоставляет пользователям доступ в глобальную вычислительную сеть, с помощью роутера или маршрутизатора.