Анализ и оценка. ВКР. Анализ и оценка типовых топологий вычислительных комьютерн. Анализ и оценка типовых топологий вычислительных компьютерных сетей

• Название: Анализ и оценка типовых топологий вычислительных компьютерных сетей
• Анкор: Анализ и оценка
• Дата: 17.05.2023
• Размер: 1.51 Mb.
• Имя файла: ВКР. Анализ и оценка типовых топологий вычислительных комьютерн.doc
• Тип: Диплом; #1139102
• страница: 4 из 7

Глава 2. Сравнительный анализ характеристики типовых топологий вычислительных сетей

2.1. Преимущества и недостатки типовых топологий вычислительных сетей

Выбор топологии существенно влияет на многие характеристики сети. Наличие резервных связей повышает надежность сети и делает возможным балансирование загрузки отдельных каналов. Простота присоединения новых узлов, свойственная некоторым топологиям, делает сеть легко расширяемой. Экономические соображения часто приводят к выбору топологий, для которых характерна минимальная суммарная длина линий связи.

Шинная топология (магистральная), — топология при которой станции подключаются к шинному магистральному каналу (линейная шина (linear bus)).

Данная топология относится к наиболее простым и широко распространенным топологиям ЛВС.

В сетях с шинной топологией все терминалы подключаются к одному кабелю с помощью приемопередатчиков. Такой кабель часто называют магистралью.

Канал оканчивается с двух сторон пассивными терминаторами, предназначенными для поглощения падающей электромагнитной волны. Терминаторы представляют собой обычные резисторы, включенные между тока несущей жилой и экраном кабеля. Сопротивление терминаторов равно волновому сопротивлению кабеля. Все концы кабеля должны быть к чему-нибудь подключены (например, к компьютеру, к баррел-коннектору для увеличения длины кабеля). К любому свободному концу кабеля должен быть подключен терминатор.

В большинстве реализаций физическая среда передачи шинной сети может состоять из одной или нескольких секций кабеля, связанных специальными соединителями. В результате образуется так называемый сегмент кабеля.

Шинные сети имеют довольно ограниченные возможности по наращиванию в силу затухания сигналов в канале связи. Каждая врезка и каждый соединитель несколько изменяют характеристики физической среды передачи. Поэтому для каждой реализации имеются, как правило, ограничения на общую длину кабеля связи и его сегментов, на расстояние между соседними точками подключения узлов (т.е. мин. и макс. длину сегментов) и на количество подключений к кабелю.

В то же время подключение новых узлов осуществляется весьма просто с помощью пассивных врезок. Легко осуществляется и трассировка кабелей шины. В большинстве реализаций несколько оконечных систем могут подключаться к шине через общий приемопередатчик.

Реализация физической шины желательно пассивное подключение станции к шине таким образом, что отказ какой-либо станции не влиял на работу шинной сети.

Узлы подключаются непосредственно к соединителям кабельных секций либо с помощью специальной врезки, которая просто прокалывает коаксиальный кабель до контакта с центральным проводником.

При такой топологии сообщения, посылаемые каждой станцией, передаются в широковещательном режиме всем сетевым станциям.

Кроме того, станция может «прослушивать» и принимать все сообщения, которые поступают в ее интерфейс с шиной, однако она не может изъять из шины или осуществить какую-либо перезапись, передаваемой по шине. Каждый узел имеет уникальный идентификатор и принимает сообщение, если в нем адрес узла-получателя либо совпадает с его собственным идентификатором, либо является идентификатором широковещательного или группового сообщения. Поскольку один общий КС (шина) используется всеми абонентами сети, такие сети называются также моноканальными. В моноканальных сетях обычно осуществляется временное уплотнение канала. Частотное уплотнение в локальных сетях в настоящее время используется очень редко. Для того, чтобы передать по шине, свои собственные сообщения, станция должна получить на это соответствующее разрешение (право). Реализация этого права осуществляется через децентрализованную процедуру, которая называется методом доступа к среде. Управление доступом к среде входит в функции канального уровня и осуществляется в соответствии с протоколом канального уровня. Если имеется случай последовательно соединенных магистральных линий (сегментов), то в этом случае в местах соединения сегментов устанавливаются специальные связующие элементы:

- повторители, осуществляющие трансляцию сигналов из одного сегмента сети в другой и согласование параметров проводных локальных сетей.

Повторители могут быть двух типов:

- осуществляющие простое усиление и усиление с восстановлением (в этом случае повторитель рассматривается как открытая система, осуществляющая трансляцию последовательности бит, на физическом уровне);

- производящие прием декодирование с исправлением ошибок, кодирование передачу;

- мосты, соединяющие однородные сети производящие трансляцию пакетов;

- всегда;

- только в том случае, когда пакет предназначен станциям, находящимся в другом сегменте.

В мосте реализуется механизм доступа к среде, причем для каждого из сегментов сети управление доступом производится независимо;

- шлюзы, соединяющие разнородные сети, и осуществляющие преобразование форматов и протоколов передачи данных. В шлюзах для каждого из сегментов реализуется свой возможно различающийся механизм доступа к среде.

Магистральная линия может быть также разбита на сегменты. Разбиение делается в двух случаях:

- когда длина линии большая и необходимо установить повторители или мосты для усиления и восстановления сигналов;

- иногда целесообразно разделить шину на сегменты и в каждом сегменте использовать сети с различными характеристиками. В сегменте, необходимо использовать высокоскоростную сеть с дорогостоящими каналами связи, обладающими большой пропускной способностью. В сегментах, расположенных на периферии, можно использовать низкоскоростные сети с дешевыми каналами связи.

Шинные сети чувствительны к заземлению и к подаче на него избыточного по уровню сигнала (электрический разряд, случайное замыкание на посторонние линии питания), поэтому в приемопередатчике шинной сети необходима электрическая (трансформаторная или оптическая) развязка его абонентской и канальной частей.

Пропускная способность и задержка в шинных сетях определяются большим числом параметров: методом доступа, полосой пропускания ЛС, числом узлов сети, длиной сообщений и др.

Расширение ЛВС. Увеличение участка, охватываемого сетью, вызывает необходимость ее расширения. В сети с топологией «шина» кабель обычно удлиняется двумя способами.

- для соединения двух отрезков кабеля можно воспользоваться баррел-коннектором (barrel connector). Но злоупотреблять ими не стоит, так как сигнал при этом ослабевает. Лучше купить один длинный кабель, чем соединять несколько коротких отрезков. При большом количестве «стыковок» нередко происходит искажение сигнала.

- для соединения двух отрезков кабеля служит репитер. В отличие от коннектора, он усиливает сигнал перед передачей его в следующий сегмент. Поэтому предпочтительнее использовать репитер, чем баррел-коннектор или даже один длинный кабель: сигналы на большие расстояния пойдут без искажений.

Преимущества и недостатки такой топологии очевидны.

Преимущества:

- минимальная длина локальной сети;

- легко расширяется;

- высокая скорость обмена данными между пользователями (нет дополнительных задержек на прохождение сигналов через узлы, как это имеет место в кольцевой топологии);

- шина пассивная топология. Это означает, что компьютеры только «прослушивают» передаваемые по сети данные, но не продвигают их от отправителя к получателю. Поэтому если один из компьютеров выходит из строя, это не сказывается на работе остальных. В активных топологиях происходит регенерация сигналов в компьютерах и последующая их передача в сеть.

Недостатки:

- низкая надежность (разрыв локальной сети нарушает связь между станциями);

- при неисправности станции, проявляющейся в том, станция начинает непрерывную передачу, сеть также становится неработоспособной;

- трудность локализации отказов с точностью до отдельного компонента, подключенного к шине;

- разрыв кабеля или отсоединение одного из концов приводит к прекращению функционирования сети (Сеть «падает»);

- если разделение каналов производится не по частоте, а по времени, то всегда имеется задержка между моментом появления данных для передачи и моментом времени, когда эти данные могут быть переданы. Причем эта задержка при большом количестве станций и длинных сообщениях может достигать значительных величин. В этом случае, для управления в реальном масштабе времени необходимо либо увеличивать скорость передачи данных, что может потребовать больших затрат, либо ограничивать длину пакетов, которыми обмениваются станции.

Для оптоволоконных логической сети достижение полной связности типа «станция-станция» шинная реализация сети требует двух шин. Это объясняется однонаправленным характером оптоволоконного канала. Чаще всего используются две отдельные встречно направленные шины.

Радиальная топология. Радиальная топология (Звездообразная топология, топология «звезда»), при которой каждая станция подсоединена одним или двумя выделенными каналами связи к центральному единственному узлу, именуемому концентратором. Станция может непосредственно осуществлять доступ только к этому узлу. В сетях с такой топологией через центральный узел проходит весь сетевой трафик. Эта топология одна из наиболее широко распространенных структур сетей. Она широко использовалась в 60-х -70-х годах, поскольку благодаря легкости управления ПО было не сложным, а поток трафика простым. Весь трафик исходит из центрального узла звезды, который представляет собой главную ЭВМ, а остальные узлы являлись терминалами.

В настоящее время одним из стандартных компонентов сетей становится концентратор, а в сетях с топологией «звезда» он служит центральным узлом. Среди концентраторов выделяются активные и пассивные. Активные концентраторы.

Активные концентраторы регенерируют и передают сигналы так же, как это делают репитеры.

Репитер Ethernet - это устройство, физически расположенное в сети, с двумя или более Ethernet портами.

Пассивные концентраторы. Некоторые типы концентраторов являются пассивными, например монтажные панели или коммутирующие блоки. Они просто пропускают через себя сигнал как узлы коммутации, не усиливая и не восстанавливая его. Пассивные концентраторы не надо подключать к источнику питания.

Гибридные концентраторы. Гибридными называются концентраторы, к которым можно подключать кабели различных типов. Сети, построенные на концентраторах, легко расширить, если подключить дополнительные концентраторы.

Звездообразную сеть с коммутацией, когда центральный узел отвечает за маршрутизацию и выполняет функции пересылки с промежуточным хранением или коммутационные функции без промежуточного хранения. В последнем случае сети строятся на базе метода коммутации каналов. Когда перед началом передачи вызывающая станция запрашивает у центрального узла установление физического или логического соединения с вызываемой станцией (узлом). После установления соединения соответствующий, физический или логический путь монопольно используется абонентами-партнерами для обмена данными. По окончании обмена один из абонентов запрашивает у центрального узла разъединения.

Центральный узел производит локализацию неисправностей, которая в данном случае оказывается простой, поскольку сводится к локализации отдельной радиальной связи (канал или оконечный узел). При необходимости дефектная радиальная связь отключается, не нарушая функционирования остальной части сети.

Преимущества топологии:

- разрыв кабеля, подключенного к концентратору, нарушит работу только данного сегмента. Остальные сегменты останутся работоспособными.

- простота изменения или расширения сети: достаточно просто подключить еще один компьютер или концентратор;

- использование различных портов для подключения кабелей разных типов;

- централизованный контроль за работой сети и сетевым трафиком: во многих сетях. Активные концентраторы наделены диагностическими возможностями, позволяющими определить работоспособность соединения;

- централизованное управление.

В тоже время центральный узел является слабым местом такой сети.

Недостатки:

- пропускная способность сети ограничивается пропускной способностью центрального узла.

- выход из строя центрального узла приводит к отказу всей сети. Поэтому часто требуется резервирование наиболее важных устройств центрального узла.

- расширяемость сети ограничивается возможностями центрального узла по подключению каналу связи с оконечными системами.

- центральный узел является довольно дорогим устройством, поскольку выполняет все основные функции по управлению сетью.

- максимальная суммарная длина локальной сети, поэтому стоимость кабелей и стоимость их прокладки выше, чем при других топологиях с таким же числом узлов. Для уменьшения этой стоимости используется один из вариантов звездообразной топологии ЛВС называемый распределенная звездообразная топология, в соответствии с которой оконечные системы соединяются кабелями с соединительной коробкой, называемой концентратором кабелей. Последний может подсоединить к сети, как правило, не более четырех-восьми оконечных систем. Концентраторы кабелей соединяются между собой общим разделяемым многожильным кабелем. Такая топология широко применяется в ЛВС персональных ЭВМ, когда оконечные системы широко разбросаны по зданию учреждения.

Кольцевая топология, при которой станции связаны звеньями типа «точка—точка» в топологии замкнутой петли.

При реализации сети типа физического кольца каждая станция подключается к кольцу с помощью активного интерфейса, называемого повторителям сигналов или кольцевым интерфейсом.

В такой топологии терминаторы не используются (их просто некуда подсоединять). Передаваемые по кольцу данные проходят через регистры повторителя и задерживаются там на некоторое время. Станция подключаются к одному повторителю, включенному в однонаправленное кольцо, или к двум повторителям, связанным в два разнонаправленных кольца. Из-за простоты реализации наибольшее распространение получили сети с одним кольцом. В однонаправленном кольце пара смежных повторителей связана секцией кабеля выделенным каналом связи. Каждое сообщение имеет идентификатор узла-получателя.

Передаваемое из узла-источника сообщение проходит по кольцу до узла-потребителя, который опознает свой адрес в сообщении и либо принимает, и поглощает сообщение, либо принимает и ретранслирует сообщение (добавив или не добавив соответствующую метку), которое перемещается по кольцу до узла-источника, где поглощается. Каждому из этих двух способов поглощения сообщения соответствует реализация в узлах и повторителях определенного протокола канального уровня. Наибольшее распространение нашло поглощение сообщения узлом-источником, поскольку это позволяет проконтролировать правильность передачи сообщения. При большой длине кольца, коротких сообщениях и большой скорости передачи возможна одновременная передача по нему более чем одного сообщения, поскольку кольцо начинает работать как линия задержки с памятью.

С точки зрения надежности самым «слабым» местом в кольцевых сетях являются повторители.

Отказ повторителя может либо вывести из строя всю сеть, либо заблокировать доступ в сеть узла, подключенного к этому повторителю. Поэтому повторители обычно состоят из двух частей: основной, с электропитанием от узла, и интерфейсной, с электропитанием от автономного источника и построенной на релейной схеме. При отказе повторителя его интерфейсная часть быстро отключает отказавший повторитель и напрямую соединяет входной и выходной каналы.

Благодаря активному интерфейсу станция имеет возможность удалять знаки (символы) или сообщения, которые она получает из среды, а также производить запись на место знаков и сообщений, передаваемых по среде, когда они проходят через интерфейс.

Активный интерфейс со средой позволяет также усиливать сигналы, которые проходят через него, вследствие чего значительно снижаются вносимые потери. Это имеет особо-важное значение при подключении к оптоволоконной среде, поскольку пассивный интерфейс вносит ощутимые потери, что приводит к существенному ограничению числа станций, которые могут быть пассивно подключены к оптоволоконной шине без введения оптических усилителей. Усиление электрических сигналов и работа по управлению доступом к среде в активном интерфейсе сопряжены с двойным преобразованием:

- преобразованием принимаемых оптических сигналов в электрические (с необходимой обработкой) и преобразованием передаваемых сигналов в оптические сигналы. В результате скорость доступа станций должна быть выбрана таким образом, чтобы она соответствовала скорости обработки данных электронными устройствами в интерфейсах станций, поскольку скорости по оптическому каналу очень высоки.

Пропускная способность и задержка кольцевой сети зависят от метода передачи сообщений, реализованного в повторителе. В самом простом случае сообщения полностью накапливаются в каждом повторителе для анализа адреса узла-получателя и лишь затем, при необходимости, передаются соседнему повторителю. Однако существуют методы передачи сообщений, позволяющие свести задержку в повторителе ко времени передачи одного бита сообщения, (в этом случае станции производят ретрансляцию сообщений с установкой или сбросом отдельных управляющих битов, после того как получен и проанализирован адрес, а станция-контроллер сети принимает и анализирует все сообщение и выставляет новый маркер).

Расширяемость кольцевой сети достаточно высокая. Для подключения нового узла необходимо присвоить ему идентификатор, отличный от идентификаторов других узлов сети, и включить в состав кольца новый повторитель. Подключение новых узлов с удлинением собственно кольцевой сети, как правило, трудоемкая операция. Поэтому сразу пытаются осуществить трассировку кабеля таким образом, чтобы он проходил через все те места, где может понадобиться подключать оконечные системы. Это усложняет трассировку кабелей перед развертыванием сети. Включение нового повторителя увеличивает задержку сети.

Преимущества:

- все компьютеры имеют равный доступ;

- количество пользователей не существенно влияет на производительность.

Недостатки:

- выход из строя компьютера может привести к отказу всей сети;

- кольцевые сети чувствительны к отказам типа разрыва КС;

- трудно локализовать неисправности;

- подключение нового пользователя или изменение конфигурации сети требует остановки работы всей сети.

Древовидная топология (иерархическая, вертикальная). В этой топологии узлы выполняют другие более интеллектуальные функции чем в топологии «звезда».

Сетевая иерархическая топология в настоящее время является одной из самых распространенных.

Программное обеспечение для управления сетью является относительно простым, и эта топология обеспечивает точку концентрации для управления и диагностирования ошибок.

Ячеистая топология (смешанная или многосвязная). Сеть с ячеистой топологией представляет собой, как правило, неполно связанную сеть узлов коммутации сообщений (каналов, пакетов), к которым подсоединяются оконечные системы. Все КС являются выделенными двухточечными.

Такого рода топология наиболее часто используются в крупномасштабных и региональных вычислительных сетях, но иногда они применяются и в ЛВС.

Привлекательность ячеистой топологии заключается в относительной устойчивости к перегрузкам и отказам. Благодаря множественности путей из станции в станцию трафик может быть направлен в обход отказавших или занятых узлов.

Даже, несмотря на то, что данный подход отмечается сложностью и дороговизной (протоколы ячеистых сетей могут быть достаточно сложными с точки зрения логики, чтобы обеспечить эти характеристики), некоторые пользователи предпочитают ячеистые сети сетям других типов вследствие их высокой надежности. Надежность ячеистой сети обеспечивается таким соединением узлов коммутации каналами связи, чтобы между любой парой станций имелось, по меньшей мере два пути передачи сообщений. Введение избыточных каналов между узлами коммутации, т.е. увеличение связности сети, стандартный способ повышения надежности.

В узлах коммутации ячеистой сети обычно реализуется статическая (по фиксированным путям) или динамическая (адаптивная) маршрутизация сообщений, передаваемых в виде пакетов или по виртуальным каналам, что приводит к необходимости строить узлы коммутации на базе спецпроцессоров с достаточными быстродействием и емкостью оперативной памяти. В результате для одного и того же числа оконечных систем стоимость смешанной сети выше стоимости любой другой сети.

Возможности по наращиванию ячеистой сети определяются максимальным числом каналов ввода/вывода узла коммутации, предназначенных для подключения оконечных систем. Обычно это число не превышает четырех-восьми.

Если в определенном месте исчерпаны возможности узла коммутации по подключению оконечных систем, то установка дополнительного узла коммутации позволяет подключить к сети новые оконечные системы. Чтобы удовлетворить требованиям прикладной области к задержке сообщений, узлы коммутации часто соединяются каналами связи с таким расчетом, чтобы на путях передачи сообщений между оконечными системами было не более двух транзитных узлов коммутации. В силу этого подключение новых оконечных систем может иногда повлечь за собой пересмотр связей между узлами коммутации.

При малом числе оконечных систем иногда допускается полная связанность узлов коммутации.

Показатели скорости передачи сообщений по КС ячеистой сети и время задержки сообщения в сети хуже, чем у сетей других типов.