Топологии локальных вычислительных сетей: типы и критерии выбора

Методы доступа к сети

Устройства в линии соединены с помощью ссылок. Данные между устройствами передаются с помощью каналов. Канал может влиять на передачу и пониматься, как одно линейное соединение между двумя устройствами. В ссылке может быть выделен один канал передачи, каждый из которых использует часть этой ссылки.

Есть следующие способы доступа к сети:

1. Метод CSMA/CD — метод с обнаружением опорного столкновения, включает прослушивание состояния связи. Если устройство, которое хочет начать передачу, обнаруживает, что ссылка свободна, то начинается такая передача. Если во время передачи данных определяется, что другое устройство в линии также отправляет свою информацию, то происходит сбой передачи. Через некоторое время осуществляется повторная попытка. Этот механизм используется в минусовой характеристике старых сетей интернета.
2. Метод CSMA/CA — способ, преимущество которого — избежание столкновения, также заключается в состоянии и связи с тем, что устройство, обнаруживающее линию и носитель, определяет — среда свободна. И прежде чем начать передачу, посылает информацию о намерении начала. Этот механизм встречается в беспроводных сетях.
3. Метод Token-Passing заключается в передаче от прибора специальной порции данных, называемых маркером, который имеет разрешение на начало передачи.

Логистическая топология

Особо важно при организации сетевых структур обратить внимание на применяемые способы передачи данных. В компьютерной терминологии такие процессы принято называть логистической или логической топологией. При этом физические методы передачи информации в различных структурах могут весьма существенно отличаться от логических

Именно логистика, по сути своей, определяет маршруты приема/передачи. Очень часто можно наблюдать, что при построении сети в виде «звезды» обмен информацией осуществляется с использованием шинной топологии, когда сигнал может приниматься одновременно всеми устройствами. В кольцевых логических структурах можно встретить ситуации, когда сигналы или данные принимаются только теми терминалами, для которых они предназначены, несмотря даже на последовательное прохождение через все сопутствующие звенья

При этом физические методы передачи информации в различных структурах могут весьма существенно отличаться от логических. Именно логистика, по сути своей, определяет маршруты приема/передачи. Очень часто можно наблюдать, что при построении сети в виде «звезды» обмен информацией осуществляется с использованием шинной топологии, когда сигнал может приниматься одновременно всеми устройствами. В кольцевых логических структурах можно встретить ситуации, когда сигналы или данные принимаются только теми терминалами, для которых они предназначены, несмотря даже на последовательное прохождение через все сопутствующие звенья.

«Кольцо»

Топология компьютерных сетей «кольцо» не имеет структурного центра. Здесь все рабочие станции вместе с сервером объединены в замкнутый круг. В этой системе сигнал движется последовательно справа налево по кругу. Все компьютеры являются ретрансляторами, благодаря чему маркерный сигнал поддерживается и передается дальше, пока не доходит до получателя.

Данный вид топологии также имеет и преимущества, и недостатки. Главным достоинством является то, что работа компьютерной сети остается устойчивой даже при большой загруженности. Сеть этого вида очень легко устанавливается и требует минимального количества дополнительного оборудования.

В отличие от топологии «звезда», у «кольца» к парализации работы всей системы может привести сбой работы любого подключенного компьютера. Причем выявить неисправность будет гораздо сложнее. Несмотря на легкую установку данного варианта сети, ее настройка достаточно сложна, она требует наличия определенных навыков. Еще одним недостатком такой топологии является необходимость приостановки всей сети для присоединения нового оборудования.

Топологии локальных сетей

Выделяют такие разновидности:

• “Общая шина” (bus).
• “Кольцо” (ring).
• “Звезда” (star).
• Физическая “звезда” и логическое “кольцо” (Token Ring).

Топология “общая шина”.

Использует единый канал для передачи данных по кабелю (коаксиальный), на концах установлены оконечные сопротивления (терминаторы). Подключение через Т-разъем. Информация идет во все узлы, но принимается только конкретным.

Преимущества:

• Отказ узла не повлияет на работу всей сети.
• Легкая настройка.
• Устойчивость при неисправности отдельных узлов.

Недостатки:

• Разрыв кабеля влияет на работу всей сети.
• Ограничение по протяженности кабеля и количеству рабочих станций.
• Сложное нахождение дефекта в соединении.

Топология типа “кольцо”.

Все узлы соединены в неразрывное кольцо, которая обеспечивает передачу информации. Передача идет через каждое устройство в сети, от одной точки к другой. Данные движутся в одном направлении.

Преимуществом является легкость создания и настройки. Среди недостатков можно назвать то, что при повреждении промежутка связи или отказе компьютера происходит сбой в работе всей сети.

Топология локальных сетей “звезда”.

Каждый пк или сервер отдельно подключен кабелем к концентратору или хабу. Последний обеспечивает параллельное соединение.

Преимущества:

• Простое подключение новых устройств.
• Централизованное управление.
• Устойчивость к неисправностям отдельных устройств в сети.

Недостатки:

• Отказ повторителя (хаба) отрицательно влияет на работу всей сети.
• Нужно много кабеля.

Топология Token Ring.

Основана на кольцевой топологии. Лучшая топология, так как предлагает, что доступ распределен равномерно по всем рабочим станциям и обеспечивает высокую надежность за счет устойчивости к разрывам отдельных станций. Однако очень дорогой вариант.

Классификация локальных сетей делится на просто локальные и локальные расширенные сети.

Монтаж домашних локальных компьютерных сетей топологии «шина»

Согласно стандартам, монтаж сетей с топологией «шина» может выполняться в соответствии с одной из следующих технологий. Каждая из них имеет свои важные особенности.

Обратите внимание! В обоих случаях регламентировано обязательное использование коаксиального кабеля. Но для 10BASE-2 применяется тонкий вариант, а для 10BASE-5 — толстый кабель

Монтаж локальных сетей топологии «шина» технологией 10BASE-2 Ethernet

Для одноранговой локальной сети с общей шиной используемые типы кабеля — RG-58 и PK-50. Этот вариант требует при монтаже меньших усилий по сравнению со вторым, но качество работы при этом ниже. Такой способ более выгоден для небольших домашних или офисных сетей. Они менее масштабны, но и стоят гораздо дешевле.

Здесь предусмотрены следующие ограничения:

• Имеет главный кабель, который может быть разбит на несколько сегментов (не более пяти), соединенных репитерами. Длина каждого из них не может превышать 185 метров.
• Общая длина главного кабеля, включающая в себя все сегменты, не должна превышать 925 метров.
• К каждому из отрезков коаксиального кабеля допустимо не более 30 подключений.

Важно! Определено минимальное расстояние между проводами, подсоединяющими соседние компьютеры к шине. Оно составляет 0,5 метра

Монтаж локальных сетей топологии «шина» технологией 10BASE-5 Ethernet

Этот вариант создания сети более дорогой, но у него имеется больше возможностей. Он допускает создание более масштабного соединения, отличается высокими надежностью и качеством работы.

У рассматриваемой технологии меньшие ограничения по сравнению с предыдущим вариантом.

Здесь должны быть соблюдены следующие правила:

• Количество сегментов может быть не больше пяти.
• Допустимая длина сегмента составляет 500 метров.
• Общая длина кабеля может доходить до 2,5 километра.
• Теперь возросло предельное количество устройств для подключения к каждому сегменту — теперь оно достигает ста устройств.
• Ближайшие компьютеры не могут подключаться к основному кабелю на расстоянии, меньшем 2,5 метра.

Важно! Для обоих рассматриваемых технологий максимальная пропускная способность составляет 10 Мбит в секунду. Еще одним достоинством варианта 10BASE-5 Ethernet является более высокая механическая прочность

Еще одним достоинством варианта 10BASE-5 Ethernet является более высокая механическая прочность.

Виды ЛВС

На сегодняшний день топология ЛВС делится на два типа — полносвязная и неполносвязная. К первой относятся такие соединения, в которых любое сетевое устройство имеет непосредственную связь с другими. Является редко применяемым, поскольку вызывает сомнения в эффективности. Кроме этого, она очень громоздкая, так как каждое устройство должно работать в паре с большим количеством портов для коммутации и контакта со всеми другими приборами.

Обратите внимание! Что касается неполносвязной, то в этом случае применяются специализированные узлы для обмена информацией между устройствами не прямо, а косвенно. Таких схем бывает несколько

Обратите внимание! Каждая схема соединения имеет свои положительные и негативные стороны

Их важно учесть при выборе топологии

«Шина»

Представляет собой наиболее дешевый и простой способ подключения. В таком случае применяется всего лишь одна линия в виде коаксиального кабеля. Именно он является источником и проводником в обмене информацией между пользователями. Особенностью этого класса является наличие на каждом конце «шины» терминатора, который убирает возможные искажения передачи.

Положительные качества:

• соединенные приборы имеют одинаковые права;
• неисправность одного устройства никоим образом не влияет на работу других;
• минимальное использование провода;
• простое и доступное масштабирование соединения при работе.

Негативные качества:

• невысокая надежность соединения из-за проблем с разъемами проводов;
• один канал делится на всех пользователей, что снижает производительность;
• проблемы с нахождением поломок в связи с параллельным включением адаптеров;
• возможность использования в сети небольшого количества приборов.

«Звезда»

Данный вид соединения характеризуется наличием сервера, к которому подключаются все сетевые устройства. Доступ к информации и обмен ею происходит только при помощи центрального сервера.

Обратите внимание! Представленная схема более сложная, чем «шина». Для нее характерно применение различного дополнительного оборудования

Минусы:

• при поломке или сбое в сервере соединение полностью или частично теряет работоспособность, то есть нормальное функционирование зависит только от одного компьютера;
• большой расход провода, что повышает затраты.

Плюсы:

• полное отсутствие сетевых конфликтов при схеме с управлением одним компьютером;
• неисправность одного из устройств или повреждение кабеля не влияет на работу;
• максимально упрощенное сетевое оборудование. Это связано с тем, что только один ПК является главным;
• один из наиболее безопасных методов подключения, обладает свойствами простого контроля за сетью и позволяет максимально ограничить доступ «лишних» участников.

«Кольцо»

Соединение происходит за счет контакта одного рабочего узла с другими двумя: один отвечает за прием информации, а по второму осуществляется передача. Получается схема, в которой все устройства соединены в одно кольцо специальными каналами, применяемые для передачи информации. Выход одного узла соединен со входом другого, то есть информация, переданная из одной точки, попадает на начало кольца.

Обратите внимание! Примечательно, что движение данных проходит всегда в одном направлении. Положительные черты:

Положительные черты:

• возможность быстрого создания и настройки подобного рода подключения;
• простое масштабирование. В отличие от «шины», необходимо отключение сети при создании дополнительного узла;
• практически неограниченное количество пользователей;
• минимизация конфликтов в сети и высокая устойчивость;
• при наличии ретрансляции можно увеличивать топологию почти без ограничений.

Негативные качества:

повреждение линии ограничивает работоспособность полной сети.

Ячеистая

Представленный тип является результатом удаления определенных связей из полносвязной топологии локальных сетей. В таком случае имеется возможность создания подключения с большим числом участников. В результате были созданы различные версии и конфигурации распространенных способов подключения, такие как: «решетка», двойное или тройное «кольцо», «дерево», «снежинка», сеть Клоза и др.

Обратите внимание! Представленными конфигурациями ячеистая структура не ограничена, возможны различные другие вариации сетевых соединений, многие из которых даже не имеют наименований

Смешанная

Такой тип получается в результате смешения нескольких схем соединений в одну. Она состоит из различных кластеров, которые в свою очередь могут быть стандартными топологиями.

Принципы построения и схема локальной сети

Главным элементом локальной сети являются компьютер. Также участие принимают:

• принтеры;
• сетевое оборудование;
• серверы;
• хранилища;
• телевизоры;
• телефоны и др.

Эти устройства относятся к категории оконечных узлов.

В сети присутствуют и промежуточные элементы, такие как:

• маршрутизаторы;
• роутеры;
• модемы;
• коммутаторы;
• точки беспроводного доступа.

Примечание

Обе группы связаны между собой сетевой средой, которая взаимодействует со структурой через оптоволоконные кабели и радиоволны Wi-Fi. Благодаря этой среде происходит взаимодействие между элементами. 

Локальные сети обладают рядом преимуществ:

1. Разделение ресурсов, которые позволяют экономно использовать ресурсы в информационной среде.
2. Разделение данных способствует доступу к одному файлу с разных компьютеров.
3. Разделение программных средств позволяют работать в одном приложении с разных устройств.

Существует два основных направления при создании такой схемы:

1. Проводная схема. При создании проводной системы используются специальные коаксиальные кабели или витые пары (технология Ethernet-соединение). Коаксиальные кабели используются реже, чем витые пары. Это объясняется тем, что скорость передачи и масштаб охвата территории у второго выше. Максимальная скорость передачи данных коаксиальных кабелей составляет 10 Мбит/с., а в витых парах — может достигать 1024 Мбит/с.
2. Беспроводная схема построена на основе передачи данных посредством радиоволн, которые распределяются между всеми устройствами, девайсами, в качестве которых выступают маршрутизаторы (роутеры и модемы), точки доступа (компьютер, телефон), коммутационные устройства, повторители сигнала. При такой организации сети используются оптоволоконные кабели, которые подключаются к основному источнику сети. Беспроводные сети позволяют разносить сигнал до 2 км., а частота достигает 2,4 и 5,1 МГц.

Виды

Выдуман миллион принципов поделить иерархические структуры цифровых мощностей. Ниже вводится ещё и понятие топологии, позволяющее продолжить ряд. Отсутствует резон приводить полный список неудобоваримых классификацией, утомляющих бессмысленностью читателя. Бытует практика различать следующие виды сетей:

1. Глобальные (всемирные).
2. Локальные.
3. Муниципальные (городские, областные).

Реально встречаются комбинированные варианты. Считаем общепринятую классификацию устаревшей, потерявшей физический смысл. Следует разделять 2 категории:

• ресурсы, наделённые доменными именами, составляющие интернет;
• прочие структурные формирования.

Рассмотрим ниже понятие доменного имени, пользуясь концепцией глобальных сетей.

Протяжённость

• Нательная составлена имплантами и носимыми гаджетами.
• Персональная объединяет устройства одного владельца.
• Локальная ограничена пределами офиса, завода. Эксперты единогласно называют пределом протяжённости 10 км.
• Кампусная охватывает несколько близлежащих зданий.
• Городская связывает абонентов населённого пункта.
• Глобальная помогает общаться населению планеты.

Архитектура

• Серверная. Клиенты пользуются услугами центрального ресурса, заведующего правами.
• Однораноговая. Типичным примером назовём пользователей торрент-клиентов.

• Звезда.
• Кольцо.
• Шина.
• Ячейки.
• Решётка.
• Двойное кольцо.
• Дерево.
• Жирное дерево.
• Гибрид.

• Windows.
• Cisco.
• UNIX.
• NetWare.

Смешанные типы сетей

Как уже было сказано выше, основные типы схем локальных сетей в чистом виде практически не встречаются. Гораздо более надежными и в плане безопасности, и по затратам, и по удобству доступа выглядят смешанные типы, в которых могут присутствовать элементы основных видов сетевых схем.

Так, очень часто можно встретить сети с древовидной структурой, которую изначально можно назвать неким подобием «звезды», поскольку все ответвления идут из одной точки, называемой корнем. А вот организация ветвей в такой схеме подключения по локальной сети может содержать в себе и кольцевые, и шинные структуры, делясь на дополнительные ответвления, часто определяемые как подсети. Понятно, что такая организация является достаточно сложной, и при ее создании необходимо использовать дополнительные технические приспособления вроде сетевых коммутаторов или разветвителей. Но, как говорится, цель оправдывает средства, ведь благодаря такой сложной структуре важную и конфиденциальную информацию можно защитить очень надежно, изолировав ее в ветках подсетей и практически ограничив к ней доступ. То же самое касается и вывода из строя составляющих. При таком построении схем локальных сетей совершенно необязательно использовать только один центральный узел. Их может быть несколько, причем с совершенно разными уровнями защиты и доступа, что еще больше повышает степень общей безопасности.

Монтаж домашних локальных компьютерных сетей топологии «шина»

Согласно стандартам, монтаж сетей с топологией «шина» может выполняться в соответствии с одной из следующих технологий. Каждая из них имеет свои важные особенности.

Обратите внимание! В обоих случаях регламентировано обязательное использование коаксиального кабеля. Но для 10BASE-2 применяется тонкий вариант, а для 10BASE-5 — толстый кабель

Монтаж локальных сетей топологии «шина» технологией 10BASE-2 Ethernet

Для одноранговой локальной сети с общей шиной используемые типы кабеля — RG-58 и PK-50. Этот вариант требует при монтаже меньших усилий по сравнению со вторым, но качество работы при этом ниже. Такой способ более выгоден для небольших домашних или офисных сетей. Они менее масштабны, но и стоят гораздо дешевле.

Здесь предусмотрены следующие ограничения:

• Имеет главный кабель, который может быть разбит на несколько сегментов (не более пяти), соединенных репитерами. Длина каждого из них не может превышать 185 метров.
• Общая длина главного кабеля, включающая в себя все сегменты, не должна превышать 925 метров.
• К каждому из отрезков коаксиального кабеля допустимо не более 30 подключений.

Важно! Определено минимальное расстояние между проводами, подсоединяющими соседние компьютеры к шине. Оно составляет 0,5 метра

Монтаж локальных сетей топологии «шина» технологией 10BASE-5 Ethernet

Этот вариант создания сети более дорогой, но у него имеется больше возможностей. Он допускает создание более масштабного соединения, отличается высокими надежностью и качеством работы.

У рассматриваемой технологии меньшие ограничения по сравнению с предыдущим вариантом.

Здесь должны быть соблюдены следующие правила:

• Количество сегментов может быть не больше пяти.
• Допустимая длина сегмента составляет 500 метров.
• Общая длина кабеля может доходить до 2,5 километра.
• Теперь возросло предельное количество устройств для подключения к каждому сегменту — теперь оно достигает ста устройств.
• Ближайшие компьютеры не могут подключаться к основному кабелю на расстоянии, меньшем 2,5 метра.

Важно! Для обоих рассматриваемых технологий максимальная пропускная способность составляет 10 Мбит в секунду. Еще одним достоинством варианта 10BASE-5 Ethernet является более высокая механическая прочность

Еще одним достоинством варианта 10BASE-5 Ethernet является более высокая механическая прочность.

Типы локальных сетей

Выбор топологии локальных сетей также следует производить, основываясь на имеющемся типе ЛВС. Сеть может быть представлена двумя моделями: одноранговой и иерархической. Они не очень отличаются функционально, что позволяет при необходимости переходить от одной из них к другой. Однако несколько различий между ними все же есть.

Что касается одноранговой модели, ее применение рекомендуется в ситуациях, когда возможность организации большой сети отсутствует, но создание какой-либо системы связи все же необходимо. Рекомендуется создавать ее только для небольшого числа компьютеров. Связь с централизованным управлением обычно применяется на различных предприятиях для контроля рабочих станций.

Типы локальных сетей

Существует две модели локальных вычислительных сетей:

• Одноранговая сеть.
• Сеть типа клиент-сервер.

Начнем с пояснения первого термина.

В одноранговой вся информация распределена между устройствами. Любой пользователь может изменить права доступа к файлам. Рабочими станциями служат сами компьютеры.

Предоставляется полный доступ любому пользователю сети к любым ресурсам и файлам устройств.

Преимущества:

• Этот тип легок в реализации и доступен при небольшом бюджете.
• Подключение до 20 устройств (возможно больше).

Недостатки:

• Много устройств – малая производительность (наблюдается при старом аппаратном и программном обеспечении).
• Отсутствие единой информационной базы.
• Низкая безопасность.
• Зависимость информации от состояния компьютера, т. е. если устройство выключено, то и информация будет недоступна.

Сети типа клиент-сервер имеют только один главный компьютер – сервер. Он хранит информацию и обрабатывает ее.

Типы серверов:

• Универсальный сервер – для несложных задач, обработка данных в локальной сети.
• Сервер базы данных – обработка запросов, направляемых базе данных.
• Proxy сервер – подключающий локальную сеть к сети Internet (VPN).
• Файловый сервер – распределение ресурсов и доступ к файлам.
• Сервер приложений – выполнение прикладных процессов.
• Почтовый сервер – ответы на запросы, присланные по электронной почте.

Преимущества:

• хорошая производительность;
• единая база информации;
• продвинутая система безопасности.

Недостатки:

• стоимость;
• нужен квалифицированный персонал для обслуживания.

Сравнение с другими топологиями

Кроме рассматриваемой топологии широкое распространение имеют другие: «звезда» и «кольцо».

Обратите внимание! Если сравнивать «шину» с ними, то можно выделить достоинства и недостатки

Достоинства

Выбор данной конфигурации имеет важные плюсы:

• в данном случае настройка сети делается относительно просто;
• стоимость проведения работ будет меньшей по сравнению с использованием других топологий;
• выполнение монтажа является менее сложным, чем в аналогичном случае;
• необходимо учитывать вероятность выхода одного или нескольких компьютеров из строя — при такой схеме подключения это не нанесет ущерба работе остальной подключенной техники.

Недостатки

Однако такому решению присущи также некоторые недостатки:

• уязвимость в случае неисправности основной шины, к которой подсоединены компьютеры — при этом выйдет из строя вся структура;
• при такой архитектуре поиск неисправностей является довольно сложным;
• важный минус состоит в том, что только один компьютер в каждый момент времени может осуществлять передачу;
• если необходимо подключить новые компьютеры, то возникают проблемы с проведением масштабирования — придется вносить изменения в ранее существовавший отрезок сети.

Преимущества и недостатки шинной топологии

Ее простота монтажа и низкая стоимость компенсируются наличием более сложного управления.

Обратите внимание! Последнее выражается, в частности, в сложности диагностики и исправления ошибок, изоляции возникших проблем от остальной части локальной сети

Эпилог

Если подводить итоги всему вышесказанному, можно сделать несколько основных выводов. Первое и самое главное касается того, что основные схемы подключения постоянно видоизменяются, и их в начальном варианте практически никогда не используют. Наиболее продвинутыми и самыми защищенными являются сложные древовидные структуры, в которых дополнительно может использоваться несколько подчиненных (зависимых) или независимых подсетей. Наконец, кто бы что ни говорил, на современном этапе развития компьютерных технологий проводные сети, даже несмотря на высокие финансовые затраты на их создание, все равно по уровню безопасности на голову выше, чем простейшие беспроводные. Но беспроводные сети имеют одно неоспоримое преимущество – позволяют объединять компьютеры и мобильные устройства, которые географически могут быть удалены друг от друга на очень большие расстояния.