Економіка розвитку - Царенко О.М. - § 2. Класифікація комп'ютерних мереж

На сьогоднішній день відомі і досить поширені такі види конфігураційного зв'язку між окремими робочими станціями локальних обчислювальних мереж, що іменуються топологією мережі:

топологія мережі з єдиною шиною (bus network);

кільцева топологія мережі (ring network);

зіркоподібна топологія мережі (star network);

гібридна топологія мережі;

осередкова топологія мережі.

Топологія локальної обчислювальної мережі з єдиною шиною - це конфігурація комп'ютерної мережі, в якій усі вузли (робочі станції) підключені до основної лінії зв'язку (шини). Характерною особливістю роботи такої мережі є те, що кожна робоча станція самостійно стежить за роботою лінії зв'язку, реєструючи абсолютно всі повідомлення, які проходять по мережі, але приймає до обробки тільки адресовані безпосередньо даній робочій станції. Оскільки шинна топологія базується на спільній магістралі даних, відключення одного з вузлів не порушує загального ритму і технологію роботи. Щоб уникнути проблем при спробі двох або більше вузлів мережі одночасно скористатися лінією зв'язку, в мережах з подібною топологією застосовується спеціальний механізм виявлення і вирішення конфліктів передачі даних (collision detection). Цей процес виконується на кожному вузлі комп'ютерної мережі. Він відстежує стан лінії зв'язку для визначення моменту виникнення конфлікту, коли два або більше вузли намагаються вести передачу даних одночасно. При виникненні конфлікту залучені в нього вузли чекають протягом певного інтервалу часу, а потім поновлюють спробу передачі даних.

Кільцева топологія локальної обчислювальної мережі - це конфігурація комп'ютерної мережі, в якій всі вузли мережі сполучені в замкнений контур (кільце). Повідомлення в кільцевій мережі проходять в одному напрямі від вузла до вузла. Кожний вузол мережі перевіряє адресу пункту призначення, що міститься в повідомленні. Якщо адреса збігається з адресою даного вузла, то повідомлення приймається, якщо ні - вузол регенерує сигнал і направляє повідомлення до наступного вузла мережі по колу. Даний спосіб передачі мережних повідомлень дозволяє охопити кільцевою мережею значні відстані.

Зіркоподібна топологія локальної обчислювальної мережі - це конфігурація комп'ютерної мережі, в якій кожний вузол мережі сполучений з центральним комп'ютером окремою лінією зв'язку, утворюючи подібність променів зірки. Повідомлення в зіркоподібній мережі проходять безпосередньо від вузла до центрального комп'ютера (hub - концентратор), який виробляє подальший маршрут передачі повідомлення безпосередньо адресату. Надійність такої конфігурації мережі досягається тим, що кожний вузол мережі практично не впливає на всю мережу при виході з ладу. Однак вихід із ладу центрального комп'ютера призводить до зупинки всієї мережі.

Гібридна топологія локальної обчислювальної мережі - це одна з найбільш складних конфігурацій комп'ютерних мереж, яка об'єднує у своєму складі різні топології у вигляді складної комбінації різноманітних мережних комунікаційних і програмних систем. Взаємодія всіх типів мереж при такому підході до побудови загальної топології здійснюється шляхом використання додаткового обладнання - маршрутизаторів, які організовують коректну роботу різних мережних технологій в єдиному комплексі.

Осередкова топологія локальної обчислювальної мережі - це найбільш стійка стосовно відмов топологія мережі, при якій кожна робоча станція мережі безпосередньо з'єднується з усіма іншими станціями. Стійкість такої мережі забезпечується за рахунок того, що передача даних від одного вузла мережі до іншого може здійснюватися як безпосередньо, так і через інші вузли мережі, що істотно підвищує загальну надійність мережі. Однак мережі з подібною топологією надзвичайно дорогі і потребують величезних фінансових і виробничих витрат при монтажі. Тому застосування такої топології має бути виправдане високими вимогами до надійності всієї мережі.

Ще одним істотним елементом загальної класифікації сучасних комп'ютерних мереж є так звана архітектура мережі. На сьогоднішній день широку популярність набули такі типи мережної архітектури:

Ethernet;

Token Ring;

ARCnet;

FDDI;

CDDI;

ATM;

100VG - AnyLAN;

lOOBaseX.

Розглянемо представлені мережні архітектури дещо детальніше, оскільки без розуміння способів організації передачі даних у локальних обчислювальних мережах неможливо говорити про розуміння елементарних принципів їх побудови та використання.

Архітектура Ethernet - це технологія передачі даних в комп'ютерних мережах, розроблена компанією Xerox Corporation в 1976 році. На сьогоднішній день, незважаючи на свій вік, дана архітектура найбільш поширюються при побудові порівняно невеликих локальних обчислювальних мереж завдяки низькій вартості і прийнятній продуктивності. Швидкість передачі даних у мережах Ethernet досягає 10 Мбіт на секунду.

Мережа Ethernet використовує шинну топологію мережі і заснована на використанні як методу управління доступом декількох мережних пристроїв до одного кабеля протокол у CSMA/CD Ethernet (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection - множинний доступ з виявленням носія і вирішенням конфліктів).

Під час роботи Ethernet з протоколом CSMA/CD кожний вузол мережі "прослуховує" канал зв'язку, перед тим як передати що-небудь по мережі. Якщо лінія зв'язку зайнята іншим мережним пристроєм, то в ній присутній спеціальний електронний сигнал, що свідчить про зайнятість кабеля. Вузол мережі може передати свій кадр інформації в мережу, тільки якщо вона не зайнята іншими вузлами. Щойно кабель звільняється, вузол передає в мережу свій кадр і "прослуховує" кабель для виявлення можливих конфліктів з іншими вузлами, що передають свою інформацію. Якщо при передачі кадру виникає зіткнення кадрів, то обидва вузли, залучені в конфлікт, припиняють передачу інформації, чекаючи протягом деякого випадкового інтервалу часу, після чого поновлюють спробу передачі інформації в мережу.

Кожний інформаційний пакет Ethernet містить крім іншої інформації адресу вузла-одержувача, проте при використанні методу CSMA/CD кожний вузол мережі Ethernet обов'язково самостійно перевіряє всі інформаційні пакети, що проходять через нього. Якщо даний пакет не призначений для цього вузла, він передається наступному. Якщо вузол мережі виявив пакет, адресований йому, то виконується така послідовність дій з приймання та обробки отриманого інформаційного пакета:

перевіряється цілісність отриманого пакета;

перевіряється довжина пакета, вона не повинна перевищувати 1500 біт;

перевіряється циклічний надмірний код;

перевіряється, чи не є пакет дуже коротким, менше за 64 байт;

пакет передається для подальшої обробки.

Подібна організація прийому/передачі інформації повністю виправдовує себе в невеликих за масштабом і кількістю підключених робочих станцій локальних обчислювальних мережах. Із зростанням розміру мережі відповідно зростає і кількість зіткнень інформаційних пакетів у лінії зв'язку, що неминуче призводить до падіння продуктивності мережі.

Залежно від фізичного середовища передачі даних, що використовується в цей час, розрізнюють декілька різновидів мережної архітектури Ethernet: Ethernet 10Base2, Ethernet 10Base5 і Ethernet lOBaseT.

Архітектура Ethernet 10Base2 - найбільш проста з представлених різновидів. Вузли локальної обчислювальної мережі з'єднуються коаксіальним кабелем RG58A/U діаметром 5 мм у вигляді загальної шини. Підключення робочих станцій здійснюється за допомогою спеціальних з'єднувачів (connector) безпосередньо до передаючого кабеля.

Архітектура Ethernet 10Base5 - цей різновид Ethernet, подібно до lOBase2, заснований на шинній топології, але як фізичне середовище передачі інформації використовується коаксіальний кабель RG8 або RG11 діаметром 10 мм. Підключення робочих станцій до передаючого кабеля здійснюється через спеціальні відгалуження (Attachment Unit Interface, АШ - кабель інтерфейсного модуля) і за допомогою спеціального затиску - (Medium Attachment Unit, MAU модуль підключення до середовища або трансивер).

Архітектура Ethernet 10BaseT - цей різновид Ethernet не має загальної шини передачі даних. З'єднання вузлів мережі здійснюється через спеціальний пристрій - концентратор, тому для побудови мереж на базі Ethernet 10BaseT застосовується зіркоподібна топологія.

Архітектура Token Ring - це технологія передачі даних в комп'ютерних мережах, розроблена компанією IBM. Дана технологія використовує кільцеву топологію комп'ютерної мережі і заснована на так званому маркерному протоколі передачі даних.

Передача даних у мережах Token Ring здійснюється в суворому порядку і заснована на циркуляції всередині кільця, утвореного фізичними каналами зв'язку з підключеними до них робочими станціями спеціального 24-бітового інформаційного пакету - маркера. Як середовище передачі даних використовуються неекранована вита пара (UTP) і екранована вита пара (STP). Швидкість передачі даних у мережах Token-Ring може досягати залежно від типу ліній зв'язку від 4 до 16 Мбіт в секунду. Хоч дана мережа базується на кільцевій топології, вона використовує зіркоподібні робочі групи, приєднані до спеціалізованого концентратора ліній (MSAU - Multi Access Unit), який у свою чергу підключений до основного кільця мережі. При організації мережі на основі маркерного протоколу передачі даних як засіб регулювання потоку інформації використовується маркер, що дає право на передачу даних і переходить від однієї станції до наступної по фізичному кільцю. Якщо станція має яку-небудь інформацію для передачі, вона "захоплює" маркер, позначає його як такий, що використовується, і передає свою інформацію. "Зайнятий" маркер та повідомлення, що передається, рухаються по кільцю і копіюються адресату, після чого повертаються відправнику. Відправник видаляє додане повідомлення і передає маркер, що звільнився, на наступну станцію по лінії.

Відмітною рисою мереж, побудованих за архітектурою Token Ring, є їх висока вартість і складність, що компенсується високою стійкістю до відмов. Це досягається тим, що мережні адаптери Token Ring мають вбудовані засоби контролю і управління мережею, що істотно зменшує імовірність повної відмови мережі.

Архітектура ARCnet - це технологія передачі даних у локальній обчислювальній мережі, яка розроблена компанією Datapoint Corporation у 1977 році. Мережа ARCnet може бути організована і за топологією із загальною шиною і за зіркоподібною топологією, але по суті це мережа з передачею маркера, що працює зі швидкістю 2,5 Мбіт на секунду. Дана технологія не набула поширення з цілого ряду причин, серед яких основними можна вважати:

низьку швидкість передачі даних;

відсутність стандарту, що регламентує роботу мережі;

зростання популярності і зниження цін на іншу мережну архітектуру, зокрема Ethernet.

Локальна обчислювальна мережа ARCnet використовує так звану естафетну технологію передачі маркера від однієї робочої станції мережі до іншої", обходячи вузли в порядку зростання їх мережних адрес. При отриманні маркера кожний вузол мережі регенерує його подібно до того, як це відбувається в мережах з кільцевою топологією.

Бурхливий розвиток в останні роки новітніх засобів комунікацій і мережних інформаційних технологій обумовив появу різної високошвидкісної архітектури мереж. Наявність великої кількості територіально роз'єднаних локальних обчислювальних мереж, що використовують у своїй роботі різноманітну мережну архітектуру і протоколи передачі даних, потребує ефективного методу їх об'єднання. Таке об'єднання має будуватися не тільки через спеціалізовані програмно-апаратні мости і маршрутизатори, але і за допомогою організації так званої базової мережі що працює з набагато більшою швидкістю і продуктивністю, ніж окремі під мережі.

На сьогодні для організації мереж найвищої продуктивності використовується мережна архітектура:

FDDI (Fiber Optic Distributed Data Interface - оптоволоконний інтерфейс передачі даних) - 100 Мбіт/с;

CDDI (Copper Distributed Data Interface - провідний інтерфейс передачі даних) - 100 Мбіт/с;

Ethernet 100 Мбіт/с;

• ATM (Asynchronous Transfer Method - асинхронний метод передачі) - до 622 Мбіт/с.

Оптоволоконна мережа FDDI та її аналог для неекранованих і екранованих витих пар CDDI близькі за стандартом до мереж з передачею маркера, але з деякими істотними відмінностями. Мережі FDDI/CDDI використовують два кільця передачі даних для підвищення стійкості мережі до відмов. Підвищена стійкість є істотною перевагою таких мереж, але, крім цього, локальні обчислювальні мережі, побудовані на основі стандарту FDDI, можуть мати довжину до 200 км і мати у своєму складі до 1000 вузлів.

Для передачі даних використовується оптоволоконний кабель як фізичне середовище, де носієм даних виступає не електричний струм, а світлові імпульси лінії зв'язку, не схильні до впливу електромагнітних полів, які часто створюють значні перешкоди в каналах зв'язку.

Архітектура мереж А ТМ була розроблена комітетом ССІТТ (Consultative Committee for International Telegraph and Telephone) у 1991 році. Сьогодні ATM - це потужна і гнучка технологія, що забезпечує високошвидкісний зв'язок і призначена для найбільш оптимальної обробки даних і голосових повідомлень.

На відміну від традиційної мережної архітектури, яка передає інформаційні пакети досить великого розміру, ATM використовує при передачі даних маленькі блоки даних - до 10 байт. Завдяки малим розмірам інформаційних блоків стає можливою їх передача по різних носіях. Тому технологію ATM можна використати для створення як локальних обчислювальних мереж, так і глобальних мереж. Сьогодні архітектуру мереж ATM можна розглядати як архітектуру мереж майбутнього.

При розгляді різних технологій побудови локальних обчислювальних мереж неодноразово згадувалися стандарти IEEE. Тому було б доцільно зупинитися на даних стандартах більш детально, оскільки надалі їх доведеться згадувати ще не раз.

Архітектура Ethernet 100 Мбіт/с - це технологія багаторазового підвищення продуктивності мереж Ethernet, заснована на застосуванні двох незалежних архітектур:

100VG-AnyLAN - архітектура Ethernet 100 Мбіт/с, запропонована Hewlett Packard і IBM;

lOOBaseX (Fast Ethernet) - архітектура Ethernet 100 Мбіт/с, представлена Grand Junction Networks.

Архітектура lOOVG-AnyLAN заснована на принципово новому протоколі передачі даних, який був запропонований замість протоколу CSMA/CD і називається Demand Priority. Даний протокол, на відміну від свого попередника, де кожний вузол мережі самостійно визначає, у який саме час йому необхідно посилати дані, основне навантаження по розмежуванню використання середовища передачі даних перекладає на спеціальний з'єднувальний модуль. Крім цього, при використанні архітектури 100VG-AnyLAN значно збільшується пропускна спроможність з'єднувального кабеля за рахунок використання чотирьох пар проводів витої пари для передачі даних.

Архітектура lOOBaseX (Fast Ethernet) дуже схожа на стандартну архітектуру Ethernet з протоколом CSMA/CD. Збільшення пропускної спроможності мережі досягається шляхом розподілу навантаження на лінії передачі даних у мережі за допомогою спеціального обладнання Ethernet-комутаторів.

Порівняльні характеристики різної архітектури комп'ютерних мереж наведені в табл. 1.

Для забезпечення роботи обладнання, що випускається різними фірма-ми-виробниками, життєво необхідні набори спеціальних правил, стандартів, які регламентують способи взаємодії різноманітних компонентів комп'ютерного апаратного та програмного забезпечення.

Розробкою таких стандартів займається цілий ряд авторитетних міжнародних організацій, серед яких найбільш відомими є:

ССІТТ (Consultative Committee for International Telegraph and Telephone) - одна з найбільш відомих міжнародних організацій в галузі зв'язку, якою були розроблені такі стандарти, як ATM, серія стандартів для передачі даних за допомогою модемів (V.24, V.32, V42, Х.25);

IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) - найбільший у світі розробник стандартів для локальних обчислювальних мереж, який займається розробкою стандартів серії IEEE 802;

ISO (International Organization for Standardization) - організація, що займається розробкою стандартів у найрізноманітніших галузях, найбільш відома розробкою моделі мережних комунікацій ISO/OSI.

Абревіатура OSI розшифровується як Open System Interconnection - з'єднання відкритих систем. Модель ISO/OSI пропонує розробникам набір правил, яких вони мають дотримуватись у своїй роботі. Модель ISO/OSI визначає необхідні області сумісності, розбиваючи їх на легко керовані групи. У рамках даної моделі стандартизуються рівні обслуговування і типи взаємодії комп'ютерів, що обмінюються інформацією через комунікаційну мережу. Модель ISO/OSI поділяє комунікації комп'ютер - комп'ютер на сім рівнів, кожний з яких заснований на стандартах, що містяться в рівні, нижчому за даний (див. табл. 2). Найнижчий рівень моделі належить лише до зв'язків апаратних засобів; найвищі рівні мають справу із взаємодіями прикладного програмного забезпечення.

Якщо модель ISO/OSI регламентує набір правил і керівних вказівок розробникам програмного та апаратного забезпечення для систем комунікаційної взаємодії, то для більш суворої регламентації конкретної архітектури комп'ютерних мереж були розроблені спеціальні стандарти мереж. Розробкою таких стандартів займається IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) - Інститут інженерів з електротехніки та радіоелектроніки. У цей час у структурі даного інституту існує цілий ряд комітетів, що формують стандарти для комп'ютерних мереж (див. табл. 3).