Топология сети кольцо. Топологии сетей

Такая топология сети (ее схема приведена на рис. 4.5) широко применяется для построения сетей SDH с использованием первых двух уровней систем передачи SDH (скорости передачи 155,52 и 622,08 Мбит/с) на сети доступа . Основная особенность и достоинство этой топологии – легкость обеспечения системы защиты типа «1+1» благодаря наличию в синхронных мультиплексорах DIM двух пар оптических линейных (агрегатных) портов. Они дают возможность образовать СЛТ в форме двойной кольцевой структуры со встречными цифровыми потоками (на рис. 4.5 они показаны стрелками).

Кольцевая топология обладает рядом свойств, которые позволяют сети самовосстанавливаться, т. е. обеспечивать защиту от некоторых достаточно 226

распространенных типов отказов. Поэтому остановимся на основных свойствах кольцевой топологии сети более подробно.

«Интеллектуальные» возможности DIM позволяют образовать кольцевые самовосстанавливающиеся («самозалечивающиеся») сети двух типов: однонаправленные и двунаправленные .

В сетях первого типа используются два оптических волокна. Каждый передаваемый цифровой поток направляется по кольцевой сети в обоих (противоположных) направлениях, а в пункте приема, как и в случае защиты по схеме «1+1» в топологии сети «точка – точка» (см. рис. 4.2), осуществляется выбор одного из двух принятых сигналов (лучшего по качеству, например, по наименьшему коэффициенту ошибок). Передача цифровых потоков по всем основным участкам СЛТ происходит в одном направлении (например, по часовой стрелке), а по всем резервным – в противоположном. Поэтому такая кольцевая сеть и называется однонаправленной с переключением СЛТ или с закрепленным резервом. Схема прохождения сигналов по основному и резервному участкам СЛТ рассматриваемой кольцевой сети показана на рис. 4.5 .

Двунаправленная кольцевая сеть может быть образована с помощью двух (топология

«сдвоенное кольцо») или четырех (два «сдвоенных кольца») оптических волокон. В двунаправленной кольцевой сети с двумя волокнами передаваемые ЦЛС не дублируются. При работе такой сети цифровые потоки пунктов доступа передаются по кольцу кратчайшим путем во встречных направлениях (отсюда и название «двунаправленное кольцо»). При возникновении отказа на любом участке СЛТ посредством DIM, включенных на концах отказавшего участка, выполняется переключение всего цифрового потока, поступавшего на этот участок, в обратном направлении. Такую конфигурацию сети называют также кольцом с переключением участков или кольцом, защищенным с помощью совместно используемого резерва.

Пример двунаправленной кольцевой сети с двумя ОВ приведен на рис. 4.6 . На нем показаны схемы прохождения сигналов для одного из вариантов соединения пунктов доступа в рабочем (доаварийном) режиме (рис. 4.6, а) и в аварийном режиме при отказе одного из участков СЛТ кольцевой сети, который перечеркнут крестом (рис. 4.6, б). Поврежденный участок СЛТ исключается из схемы кольца, но связь между всеми пунктами доступа на сети сохраняется.

Сравнивая однонаправленную и двунаправленную кольцевые сети с двумя волокнами между собой, следует заметить, что при отказе одного участка можно сохранить полную работоспособность любой из этих сетей. Однако в большинстве случаев двунаправленное кольцо сети оказывается более экономичным, поскольку требует меньшей пропускной способности. Это объясняется тем, что для сигналов, передаваемых на различных пересекающихся участках кольцевой сети, используют одни и те же оптические волокна (как в основном, так и в аварийном режиме работы). В то же время однонаправленное кольцо сети проще в реализации.

Однонаправленные кольцевые сети больше подходят в случае «центростремительного» трафика, в частности, для сетей доступа к ближайшему узлу. Двунаправленные кольца сети предпочтительнее при равномерном трафике, например, для построения цифровых соединительных линий между мощными электронными АТС, или цифровыми коммутационными станциями (ЦКС).

Двунаправленная кольцевая сеть с четырьмя волокнами обеспечивает более высокий уровень отказоустойчивости, чем кольцо сети с двумя оптическими волокнами, однако затраты на построение четырехволоконной кольцевой сети существенно больше. В сетевых структурах с двумя сдвоенными кольцами при отказе на каком-либо участке СЛТ первоначально делается попытка перейти на другую пару оптических волокон в пределах того же (отказавшего) участка. Но если это не удается, то осуществляется реконфигурация кольцевой сети, аналогичная той, что показана на рис. 4.6, б.

Несмотря на высокую стоимость четырехволоконной кольцевой сети, в последнее время она находит все большее применение на высокоскоростных сетях SDH, так как она обеспечивает очень высокую надежность.

Выше рассматривался только случай, когда в аварийном состоянии оказался участок СЛТ кольцевой сети, т. е. оптическое волокно линейного кабеля. Однако в такой сети отказать в работе может и мультиплексор. В этой ситуации резервирование как таковое не используется, а работоспособность сети в целом (на уровне линейных блоков) восстанавливается путем исключения из схемы функционирования поврежденного мультиплексора. Современные системы управления DIM обеспечивают обходной путь, который позволяет пропускать цифровой поток в обход отказавшего мультиплексора в данном пункте кольцевой сети .

Термин топология сети означает способ соединения компьютеров в сеть. Вы также можете услышать другие названия – структура сети или конфигурация сети (это одно и то же). Кроме того, понятие топологии включает множество правил, которые определяют места размещения компьютеров, способы прокладки кабеля, способы размещения связующего оборудования и многое другое. На сегодняшний день сформировались и устоялись несколько основных топологий. Из них можно отметить “шину ”, “кольцо ” и “звезду ”.

Топология “шина”

Топология шина (или, как ее еще часто называют общая шина или магистраль ) предполагает использование одного кабеля, к которому подсоединены все рабочие станции. Общий кабель используется всеми станциями по очереди. Все сообщения, посылаемые отдельными рабочими станциями, принимаются и прослушиваются всеми остальными компьютерами, подключенными к сети. Из этого потока каждая рабочая станция отбирает адресованные только ей сообщения.

Достоинства топологии “шина”:

• простота настройки;
• относительная простота монтажа и дешевизна, если все рабочие станции расположены рядом;
• выход из строя одной или нескольких рабочих станций никак не отражается на работе всей сети.

Недостатки топологии “шина”:

• неполадки шины в любом месте (обрыв кабеля, выход из строя сетевого коннектора) приводят к неработоспособности сети;
• сложность поиска неисправностей;
• низкая производительность – в каждый момент времени только один компьютер может передавать данные в сеть, с увеличением числа рабочих станций производительность сети падает;
• плохая масштабируемость – для добавления новых рабочих станций необходимо заменять участки существующей шины.

Именно по топологии “шина” строились локальные сети на коаксиальном кабеле . В этом случае в качестве шины выступали отрезки коаксиального кабеля, соединенные Т-коннекторами. Шина прокладывалась через все помещения и подходила к каждому компьютеру. Боковой вывод Т-коннектора вставлялся в разъем на сетевой карте. Вот как это выглядело:Сейчас такие сети безнадежно устарели и повсюду заменены “звездой” на витой паре, однако оборудование под коаксиальный кабель еще можно увидеть на некоторых предприятиях.

Топология “кольцо”

Кольцо – это топология локальной сети, в которой рабочие станции подключены последовательно друг к другу, образуя замкнутое кольцо. Данные передаются от одной рабочей станции к другой в одном направлении (по кругу). Каждый ПК работает как повторитель, ретранслируя сообщения к следующему ПК, т.е. данные передаются от одного компьютера к другому как бы по эстафете. Если компьютер получает данные, предназначенные для другого компьютера – он передает их дальше по кольцу, в ином случае они дальше не передаются.

Достоинства кольцевой топологии:

• простота установки;
• практически полное отсутствие дополнительного оборудования;
• возможность устойчивой работы без существенного падения скорости передачи данных при интенсивной загрузке сети.

Однако “кольцо” имеет и существенные недостатки:

• каждая рабочая станция должна активно участвовать в пересылке информации; в случае выхода из строя хотя бы одной из них или обрыва кабеля – работа всей сети останавливается;
• подключение новой рабочей станции требует краткосрочного выключения сети, поскольку во время установки нового ПК кольцо должно быть разомкнуто;
• сложность конфигурирования и настройки;
• сложность поиска неисправностей.

Кольцевая топология сети используется довольно редко. Основное применение она нашла в оптоволоконных сетях стандарта Token Ring.

Топология “звезда”

Звезда – это топология локальной сети, где каждая рабочая станция присоединена к центральному устройству (коммутатору или маршрутизатору). Центральное устройство управляет движением пакетов в сети. Каждый компьютер через сетевую карту подключается к коммутатору отдельным кабелем. При необходимости можно объединить вместе несколько сетей с топологией “звезда” – в результате вы получите конфигурацию сети с древовидной топологией. Древовидная топология распространена в крупных компаниях. Мы не будем ее подробно рассматривать в данной статье.

Топология “звезда” на сегодняшний день стала основной при построении локальных сетей. Это произошло благодаря ее многочисленным достоинствам:

• выход из строя одной рабочей станции или повреждение ее кабеля не отражается на работе всей сети в целом;
• отличная масштабируемость: для подключения новой рабочей станции достаточно проложить от коммутатора отдельный кабель;
• легкий поиск и устранение неисправностей и обрывов в сети;
• высокая производительность;
• простота настройки и администрирования;
• в сеть легко встраивается дополнительное оборудование.

Однако, как и любая топология, “звезда” не лишена недостатков:

• выход из строя центрального коммутатора обернется неработоспособностью всей сети;
• дополнительные затраты на сетевое оборудование – устройство, к которому будут подключены все компьютеры сети (коммутатор);
• число рабочих станций ограничено количеством портов в центральном коммутаторе.

Звезда – самая распространенная топология для проводных и беспроводных сетей. Примером звездообразной топологии является сеть с кабелем типа витая пара, и коммутатором в качестве центрального устройства. Именно такие сети встречаются в большинстве организаций.

Водопроводная сеть представляет собой совокупность трубопроводов, по которым вода транспортируется потребителям. Основное назначение водо­проводной сети - подавать потребителям воду в требуемом количестве, хоро­шего качества и с необходимым напором. Обычно водопроводная система на­ряду с подачей воды для хозяйственных нужд обеспечивает ещё и нужды по­жаротушения. Проектируют водопроводную сеть с учётом совместной работы насосных станций, водонапорной башни и других элементов системы водо­снабжения.

Трассировка водопроводной сети заключается в придании ей опреде­лённого геометрического начертания. Она зависит от: конфигурации населён­ного пункта, расположения улиц, кварталов, общественных и производствен­ных зданий, расположения источника водоснабжения и многих других факто­ров.

Н.С. - насосная станция

Б - водонапорная башня

Рисунок - Схема начертания кольцевой водопроводной сети

Кольцевую сеть применяют в населённых пунктах близ­ких по очертанию к квадрату или прямоугольнику. В этих сетях трубопрово­ды образуют один или несколько замкнутых контуров - колец. Благодаря кольцеванию каждый участок получает питание от двух или нескольких ли­ний, что значительно повышает надёжность работы сети и создаёт ряд других преимуществ. Кольцевые сети обеспечивают бесперебойную подачу воды да­же при авариях на отдельных участках: при выключении аварийного участка подача воды к другим линиям сети не прекращается. Они меньше подвержены авариям, т.к. в них не возникает сильных гидравлических ударов. При быст­ром закрытии какого-либо трубопровода поступавшая к нему вода устремля­ется в другие линии сети и действие гидравлического удара уменьшается. Во­да в сети не замерзает, т.к. даже при небольшом водоразборе она циркулирует по всем линиям, неся с собой тепло. Кольцевые сети обычно несколько длин­нее тупиковых, но устроены из труб меньшего диаметра. Стоимость кольце­вых сетей немного выше тупиковых. Благодаря высокой надёжности они на­ходят широкое применение в водоснабжении. Они полностью отвечают требованиям противопожарного водоснабжения. После того, как выполнен расчёт водопотребления населённого пункта, производится трассировка кольцевой разводящей сети. С этой целью на территории объекта водоснабжения (плане посёлка) вычерчивают трубопроводы, соединяют их концы и начала, образовывая замкнутые контуры-кольца, и подводят воду к крупным объектам. Далее на кольцевой сети намечаются узлы и участки. Каждый участок сети анализируется и замеряется. Все результаты сводятся в таблицу. Следует заметить, что особенностью кольцевых сетей является то, что раздача воды водопотребителям происходит практически на всех её участках, а это значит, что все они являются участками с путевыми расходами. Исклю­чение составляют лишь те участки, где явно нецелесообразно разбирать воду. Это могут быть участки, подводящие воду к крупным водопотребителям (на­пример, бане, больнице, МТФ и пр.).

Возможности МВВ позволяют организовывать кольцевые самозалечивающиеся сети .

Существуют два варианта их построения: однонаправленное и двунаправленное кольцо.

При первом варианте каждый входной поток направляется вокруг кольца в обоих направлениях, а на приемной стороне, как и в случае схемы 1+1, осуществляется выбор лучшего сигнала. Для построения кольца используются два волокна. Передача по всем основным путям происходит в одном направлении (например, по часовой стрелке), а по всем резервным - в противоположном (деление на основной и резервный пути здесь является условным, так как они оба равноправны). Поэтому такое кольцо называется однонаправленным, с переключением трактов или с закрепленным резервом.

Схема прохождения сигналов обоих направлений передачи для одного соединения по основному и резервному путям в таком кольце изображена на рис. 5.2.

Рис. 5.2. Однонаправленное кольцо

В случае двунаправленного кольца с двумя волокнами удвоение сигнала не производится. При нормальной работе каждый входной поток направляется вдоль кольца по кратчайшему пути в любом направлении (отсюда и название "двунаправленное"). При возникновении отказа посредством МВВ на обоих концах отказавшего участка осуществляется переключение всего потока информации, поступавшего на этот участок, в обратном направлении. О таком кольце также говорят, что в нем осуществляется переключение секций или защита с совместно используемым резервом.

Пример двунаправленного кольца приведен на рис. 5.3 и рис. 5.4. На них показаны схемы прохождения сигналов обоих направлений передачи для одного соединения при нормальном режиме работы (рис. 5.3) и в аварийном режиме при отказе одного из участков кольца, перечеркнутого крестом (рис. 5.4).

Рис. 5.3. Двунаправленное кольцо в нормальном режиме

Рис. 5.4. Двунаправленное кольцо в аварийном режиме

Возможно также двунаправленное кольцо с четырьмя волокнами. Оно обеспечивает более высокий уровень отказоустойчивости, чем кольца с двумя волокнами, однако затраты на его построение существенно больше, поэтому такой вариант применяется реже.

Двунаправленное кольцо в большинстве случаях оказывается более экономичным, требуя меньшую пропускную способность. Это объясняется тем, что сигналы, передаваемые на различных непересекающихся участках такого кольца, могут использовать одни и те же емкости (как в основном, так и в аварийном режимах работы). В то же время однонаправленное кольцо проще в реализации. Анализ типичных ситуаций показывает, что каждый из двух видов кольцевой архитектуры имеет свою область предпочтительного применения.

Однонаправленные кольца больше подходят для случаев центростремительного трафика. Это типично для сетей доступа, предназначенных для подключения пользователей к ближайшему узлу. Двунаправленные кольца более выгодны при достаточно равномерном распределении трафика, при котором становится заметным их преимущество в пропускной способности. Поэтому их применение целесообразно для соединительных сетей.

При обоих вариантах возможно сохранение полной работоспособности сети при любом одиночном отказе.

Тема 1.4: Основы локальных сетей

Тема 1.5: Базовые технологии локальных сетей

Тема 1.6: Основные программные и аппаратные компоненты ЛВС

Локальные сети

1.4. Основы локальных сетей

1.4.3. Сетевые топологии

Все компьютеры в локальной сети соединены линиями связи. Геометрическое расположение линий связи относительно узлов сети и физическое подключение узлов к сети называется физической топологией. В зависимости от топологии различают сети: шинной, кольцевой, звездной, иерархической и произвольной структуры.

Различают физическую и логическую топологию. Логическая и физическая топологии сети независимы друг от друга. Физическая топология - это геометрия построения сети, а логическая топология определяет направления потоков данных между узлами сети и способы передачи данных.

В настоящее время в локальных сетях используются следующие физические топологии:

• физическая "шина" (bus);
• физическая “звезда” (star);
• физическое “кольцо” (ring);
• физическая "звезда" и логическое "кольцо" (Token Ring).

Шинная топология

Сети с шинной топологией используют линейный моноканал (коаксиальный кабель) передачи данных, на концах которого устанавливаются оконечные сопротивления (терминаторы). Каждый компьютер подключается к коаксиальному кабелю с помощью Т-разъема (Т - коннектор). Данные от передающего узла сети передаются по шине в обе стороны, отражаясь от оконечных терминаторов. Терминаторы предотвращают отражение сигналов, т.е. используются для гашения сигналов, которые достигают концов канала передачи данных.

Таким образом, информация поступает на все узлы, но принимается только тем узлом, которому она предназначается. В топологии логическая шина среда передачи данных используются совместно и одновременно всеми ПК сети, а сигналы от ПК распространяются одновременно во все направления по среде передачи. Так как передача сигналов в топологии физическая шина является широковещательной, т.е. сигналы распространяются одновременно во все направления, то логическая топология данной локальной сети является логической шиной.

Рис. 1.

Данная топология применяется в локальных сетях с архитектурой Ethernet (классы 10Base-5 и 10Base-2 для толстого и тонкого коаксиального кабеля соответственно).

Преимущества сетей шинной топологии:

• отказ одного из узлов не влияет на работу сети в целом;
• сеть легко настраивать и конфигурировать;
• сеть устойчива к неисправностям отдельных узлов.

Недостатки сетей шинной топологии:

• разрыв кабеля может повлиять на работу всей сети;
• ограниченная длина кабеля и количество рабочих станций;
• трудно определить дефекты соединений.

Топология типа “звезда”

В сети построенной по топологии типа “звезда” каждая рабочая станция подсоединяется кабелем (витой парой) к концентратору или хабу (hub) . Концентратор обеспечивает параллельное соединение ПК и, таким образом, все компьютеры, подключенные к сети, могут общаться друг с другом.

Рис. 2.

Данные от передающей станции сети передаются через хаб по всем линиям связи всем ПК. Информация поступает на все рабочие станции, но принимается только теми станциями, которым она предназначается. Так как передача сигналов в топологии физическая звезда является широковещательной, т.е. сигналы от ПК распространяются одновременно во все направления, то логическая топология данной локальной сети является логической шиной.

Данная топология применяется в локальных сетях с архитектурой 10Base-T Ethernet.

Преимущества сетей топологии звезда:

• легко подключить новый ПК;
• имеется возможность централизованного управления;
• сеть устойчива к неисправностям отдельных ПК и к разрывам соединения отдельных ПК.

Недостатки сетей топологии звезда:

• отказ хаба влияет на работу всей сети;
• большой расход кабеля.

Топология “кольцо”

В сети с топологией кольцо все узлы соединены каналами связи в неразрывное кольцо (необязательно окружность), по которому передаются данные. Выход одного ПК соединяется со входом другого ПК. Начав движение из одной точки, данные, в конечном счете, попадают на его начало. Данные в кольце всегда движутся в одном и том же направлении.

Рис. 3.

Принимающая рабочая станция распознает и получает только адресованное ей сообщение. В сети с топологией типа физическое кольцо используется маркерный доступ, который предоставляет станции право на использование кольца в определенном порядке. Логическая топология данной сети - логическое кольцо. Данную сеть очень легко создавать и настраивать.

К основному недостатку сетей топологии кольцо является то, что повреждение линии связи в одном месте или отказ ПК приводит к неработоспособности всей сети.

Как правило, в чистом виде топология “кольцо” не применяется из-за своей ненадёжности, поэтому на практике применяются различные модификации кольцевой топологии.

Топология Token Ring

Эта топология основана на топологии "физическое кольцо с подключением типа звезда". В данной топологии все рабочие станции подключаются к центральному концентратору (Token Ring) как в топологии физическая звезда. Центральный концентратор - это интеллектуальное устройство, которое с помощью перемычек обеспечивает последовательное соединение выхода одной станции со входом другой станции.

Другими словами с помощью концентратора каждая станция соединяется только с двумя другими станциями (предыдущей и последующей станциями). Таким образом, рабочие станции связаны петлей кабеля, по которой пакеты данных передаются от одной станции к другой и каждая станция ретранслирует эти посланные пакеты. В каждой рабочей станции имеется для этого приемо-передающее устройство, которое позволяет управлять прохождением данных в сети. Физически такая сеть построена по типу топологии “звезда”.

Концентратор создаёт первичное (основное) и резервное кольца. Если в основном кольце произойдёт обрыв, то его можно обойти, воспользовавшись резервным кольцом, так как используется четырёхжильный кабель. Отказ станции или обрыв линии связи рабочей станции не вличет за собой отказ сети как в топологии кольцо, потому что концентратор отключет неисправную станцию и замкнет кольцо передачи данных.

Рис. 4.

В архитектуре Token Ring маркер передаётся от узла к узлу по логическому кольцу, созданному центральным концентратором. Такая маркерная передача осуществляется в фиксированном направлении (направление движения маркера и пакетов данных представлено на рисунке стрелками синего цвета). Станция, обладающая маркером, может отправить данные другой станции.

Для передачи данных рабочие станции должны сначала дождаться прихода свободного маркера. В маркере содержится адрес станции, пославшей этот маркер, а также адрес той станции, которой он предназначается. После этого отправитель передает маркер следующей в сети станции для того, чтобы и та могла отправить свои данные.

Один из узлов сети (обычно для этого используется файл-сервер) создаёт маркер, который отправляется в кольцо сети. Такой узел выступает в качестве активного монитора, который следит за тем, чтобы маркер не был утерян или разрушен.

Преимущества сетей топологии Token Ring:

• топология обеспечивает равный доступ ко всем рабочим станциям;
• высокая надежность, так как сеть устойчива к неисправностям отдельных станций и к разрывам соединения отдельных станций.

Недостатки сетей топологии Token Ring: большой расход кабеля и соответственно дорогостоящая разводка линий связи.