Архітектурний принцип побудови мереж
Архітектурний принцип побудови мереж (за винятком тимчасових мереж, в яких комп'ютери рівноправні) називається "клієнт - сервер".
У тимчасової мережі всі комп'ютери рівноправні. Кожен з них може виступати як в ролі сервера, т. Е. Надавати файли і апаратні ресурси (накопичувачі, принтери та ін.) Іншим комп'ютерам, так і в ролі клієнта, який користується ресурсами інших комп'ютерів. Наприклад, якщо на вашому комп'ютері встановлений принтер, то з його допомогою зможуть роздруковувати свої документи всі інші користувачі мережі, а ви, в свою чергу, зможете працювати з Інтернетом, підключення до якого здійснюється через сусідній комп'ютер.
Найважливішими поняттями теорії мереж "клієнт-сервер" є "абонент", "сервер", "клієнт".
Абонент (вузол, хост, станція) - це пристрій, підключений до мережі і активно бере участь в інформаційному обміні. Найчастіше абонентом (вузлом) мережі є комп'ютер, але абонентом також може бути, наприклад, мережевий принтер або інше периферійне пристрій, що має можливість безпосередньо підключатися до мережі.
Сервером називається абонент (вузол) мережі, який надає свої ресурси іншим абонентам, але сам не використовує їх ресурси. Таким чином, він обслуговує мережу. Серверів в мережі може бути кілька, і зовсім не обов'язково, що сервер - найпотужніший комп'ютер. Виділений (dedicated) сервер - це сервер, що займається тільки мережними завданнями. Невиділений сервер може крім обслуговування мережі виконувати й інші завдання. Специфічний тип сервера - це мережевий принтер.
Клієнтом називається абонент мережі, який тільки використовує мережні ресурси, але сам свої ресурси в мережу не віддає, тобто мережа його обслуговує, а він їй тільки користується. Комп'ютер-клієнт також часто називають робочою станцією. В принципі кожен комп'ютер може бути одночасно як клієнтом, так і сервером.
Під сервером і клієнтом часто розуміють також не власними комп'ютери, а працюють на них програмні додатки. У цьому випадку той додаток, що тільки віддає ресурс у мережу, є сервером, а той додаток, що тільки користується мережевими ресурсами - клієнтом.
Топологія локальних мереж
Під топологією (компонуванням, конфігурацією, структурою) комп'ютерної мережі зазвичай розуміється фізичне розташування комп'ютерів мережі друг щодо друга і спосіб з'єднання їх лініями зв'язку. Важливо відзначити, що поняття топології відноситься, перш за все, до локальних мереж, в яких структуру зв'язків можна легко простежити. У глобальних мережах структура зв'язків звичайно схована від користувачів і не занадто важлива, так як кожен сеанс зв'язку може проводитися за власним шляху.
Топологія визначає вимоги до обладнання, тип використовуваного кабелю, допустимі і найбільш зручні методи керування обміном, надійність роботи, можливості розширення мережі. І хоча вибирати топологію користувачеві мережі доводиться нечасто, знати про особливості основних топологій, їх достоїнства і недоліки треба.
Існує три, базові топології мережі:
а) топологія шина
Шина (bus) - всі комп'ютери паралельно підключаються до однієї лінії зв'язку. Інформація від кожного комп'ютера одночасно передається всім іншим комп'ютерам (рис. 1).
Топологія шина (або, як її ще називають, загальна шина) самою своєю структурою припускає ідентичність мережного устаткування комп'ютерів, а також рівноправність всіх абонентів по доступу до мережі. Комп'ютери в шині можуть передавати тільки по черзі, тому що лінія зв'язку в даному випадку єдина. Якщо кілька комп'ютерів будуть передавати інформацію одночасно, вона спотвориться в результаті накладення (конфлікту, колізії). У шині завжди реалізується режим так званого полудуплексного (half duplex) обміну (в обох напрямках, але по черзі, а не одночасно).
У топології шина відсутній явно виражений центральний абонент, через якого передається вся інформація, це збільшує її надійність (адже при відмові центру перестає функціонувати вся керована їм система). Додавання нових абонентів у шину досить просто і звичайно можливо навіть під час роботи мережі. У більшості випадків при використанні шини потрібна мінімальна кількість сполучного кабелю в порівнянні з іншими топологиями.
Оскільки центральний абонент відсутній, розв'язання можливих конфліктів у цьому випадку лягає на мережне обладнання кожного окремого абонента. У зв'язку з цим мережева апаратура при топології шина складніше, ніж при інших топологіях. Проте через широке поширення мереж з топологією шина (насамперед найбільш популярної мережі Ethernet) вартість мережного устаткування не надто висока.
Мал. 2. Обрив кабелю в мережі з топологією шина
Важлива перевага шини полягає в тому, що при відмові будь-якого з комп'ютерів мережі, справні машини зможуть нормально продовжувати обмін.
У разі розриву або пошкодження кабелю порушується узгодження лінії зв'язку, і припиняється обмін навіть між тими комп'ютерами, які залишилися з'єднаними між собою. Коротке замикання в будь-якій точці кабелю шини виводить з ладу всю мережу.
Відмова мережевого обладнання будь-якого абонента в шині може вивести з ладу всю мережу. До того ж така відмова досить важко локалізувати, оскільки всі абоненти включені паралельно, і зрозуміти, який з них вийшов з ладу, неможливо.
При проходженні по лінії зв'язку мережі з топологією шина інформаційні сигнали послабляються й ніяк не відновлюються, що накладає жорсткі обмеження на сумарну довжину ліній зв'язку. Причому кожен абонент може одержувати з мережі сигнали різного рівня залежно від відстані до передавального абонента. Це висуває додаткові вимоги до прийомних вузлів мережного обладнання.
Якщо прийняти, що сигнал у кабелі мережі послабляється до гранично допустимого рівня на довжині L пр, то повна довжина шини не може перевищувати величини L пр. У цьому сенсі шина забезпечує найменшу довжину в порівнянні з іншими базовими топологиями.
Для збільшення довжини мережі з топологією шина часто використовують кілька сегментів (частин мережі, кожен з яких представляє собою шину), з'єднаних між собою за допомогою спеціальних підсилювачів і відновників сигналів - репітерів або повторювачів (на рис. 3 показано з'єднання двох сегментів, гранична довжина мережі в цьому випадку зростає до 2 L пр, так як кожен з сегментів може бути довжиною L пр). Однак таке нарощування довжини мережі не може тривати нескінченно. Обмеження на довжину пов'язані з кінцевою швидкістю поширення сигналів по лініях зв'язку.
Мал. 3. З'єднання сегментів мережі типу шина з допомогою репитера
б) топологія зірка;
Зірка (star) - до одного центрального комп'ютера приєднуються інші периферійні комп'ютери, причому кожен з них використовує окрему лінію зв'язку (рис. 4). Інформація від периферійного комп'ютера передається тільки центральному комп'ютеру, від центрального - одному або декільком периферійним.
Зірка - це єдина топологія мережі з явно виділеним центром, до якого підключаються всі інші абоненти. Обмін інформацією йде винятково через центральний комп'ютер, на який лягає велике навантаження, тому нічим іншим, крім мережі, він, як правило, займатися не може. Зрозуміло, що мережне устаткування центрального абонента повинне бути істотно складнішим, ніж обладнання периферійних абонентів. Про рівноправність всіх абонентів (як в шині) в даному випадку говорити не доводиться. Зазвичай центральний комп'ютер найпотужніший, саме на нього покладаються всі функції по управлінню обміном. Ніякі конфлікти в мережі з топологією зірка в принципі неможливі, тому що керування повністю централізоване.
Якщо говорити про стійкість зірки до відмов комп'ютерів, то вихід з ладу периферійного комп'ютера або його мережевого обладнання ніяк не відбивається на функціонуванні решти мережі, зате будь-яка відмова центрального комп'ютера робить мережу повністю непрацездатною. У зв'язку з цим повинні прийматися спеціальні заходи щодо підвищення надійності центрального комп'ютера і його мережної апаратури.
Обрив кабелю або коротке замикання в ньому при топології зірка порушує обмін тільки з одним комп'ютером, а всі інші комп'ютери можуть нормально продовжувати роботу.
На відміну від шини, у зірці на кожній лінії зв'язку перебувають тільки два абоненти: центральний і один з периферійних. Найчастіше для їх з'єднання використовується дві лінії зв'язку, кожна з яких передає інформацію в одному напрямку, тобто на кожній лінії зв'язку є тільки один приймач і один передавач. Це так звана передача точка-точка. Все це істотно спрощує мережне обладнання в порівнянні з шиною й рятує від необхідності застосування додаткових, зовнішніх термінаторів.
Серйозний недолік топології зірка складається в жорсткому обмеженні кількості абонентів. Зазвичай центральний абонент може обслуговувати не більше 8--16 периферійних абонентів. У цих межах підключення нових абонентів досить просто, але за ними воно просто неможливо. У зірці допустимо підключення замість периферійного ще одного центрального абонента (у результаті виходить топологія з декількох з'єднаних між собою зірок).
Зірка, показана на рис. 4, носить назву активної або істинної зірки. Існує також топологія, яка називається пасивної зіркою, яка тільки зовні схожа на зірку (рис. 5). В даний час вона поширена набагато ширше, ніж активна зірка. Досить сказати, що вона використовується в найбільш популярною сьогодні мережі Ethernet.
У центрі мережі з даною топологією міститься не комп'ютер, а спеціальний пристрій - концентратор або, як його ще називають, хаб (hub), яке виконує ту ж функцію, що і ретрансляція, тобто відновлює які надходять сигнали і пересилає їх в усі інші лінії зв'язку.
Мал. 5. Топологія пасивна зірка і її еквівалентна схема
Виходить, що хоча схема прокладки кабелів подібна істинної або активній зірці, фактично мова йде про шинної топології, тому що інформація від кожного комп'ютера одночасно передається до всіх інших комп'ютерів, а ніякого центрального абонента не існує. Безумовно, пасивна зірка дорожче звичайної шини, тому що в цьому випадку потрібно ще й концентратор. Однак вона надає цілий ряд додаткових можливостей, пов'язаних з перевагами зірки, зокрема, спрощує обслуговування і ремонт мережі. Саме тому останнім часом пасивна зірка все більше витісняє справжню шину, яка вважається малоперспективною топологією.
Можна виділити також проміжний тип топології між активною і пасивною зіркою. В цьому випадку концентратор не тільки ретранслює надходять на нього сигнали, але і проводить управління обміном, однак сам в обміні не бере (так зроблено в мережі 100VG-AnyLAN).
Значна перевага зірки (як активної, так і пасивної) полягає в тому, що всі точки підключення зібрані в одному місці. Це дозволяє легко контролювати роботу мережі, локалізувати несправності шляхом простого відключення від центра тих чи інших абонентів (що неможливо, наприклад, в разі шинної топології), а також обмежувати доступ сторонніх осіб до життєво важливих для мережі точок підключення. До периферійного абонента у випадку зірки може підходити як один кабель (по якому йде передача в обох напрямках), так і два (кожен кабель передає в одному з двох зустрічних напрямків), причому останнє зустрічається набагато частіше.
Загальним недоліком для всіх топологій типу зірка (як активної, так і пасивної) є значно більший, ніж при інших топологіях, витрата кабелю. Наприклад, якщо комп'ютери розташовані в одну лінію (як на рис. 1), то при виборі топології зірка знадобиться в кілька разів більше кабелю, чим при топології шина. Це істотно впливає на вартість мережі в цілому і помітно ускладнює прокладку кабелю.
в) топологія кільце;
Кільце (ring) (рис. 6).
Кільце - це топологія, в якій кожен комп'ютер з'єднаний лініями зв'язку з двома іншими: від одного він отримує інформацію, а іншому передає. На кожній лінії зв'язку, як і у випадку зірки, працює тільки один передавач і один приймач (зв'язок типу точка-точка). Це дозволяє відмовитися від застосування зовнішніх термінаторів.
Важлива особливість кільця полягає в тому, що кожен комп'ютер ретранслює (відновлює, підсилює) приходить до нього сигнал, тобто виступає в ролі репитера. Загасання сигналу у всьому кільці не має ніякого значення, важливо тільки загасання між сусідніми комп'ютерами кільця. На практиці розміри кільцевих мереж досягають десятків кілометрів (наприклад, в мережі FDDI). Кільце в цьому відношенні істотно перевершує будь-які інші топології.
Чітко виділеного центру при кільцевій топології немає, всі комп'ютери можуть бути однаковими і рівноправними. Однак досить часто в кільці виділяється спеціальний абонент, який управляє обміном або контролює його. Зрозуміло, що наявність такого єдиного керуючого абонента знижує надійність мережі, так як вихід його з ладу відразу ж паралізує весь обмін.
Строго кажучи, комп'ютери в кільці не є повністю рівноправними (на відміну, наприклад, від шинної топології). Адже один з них обов'язково отримує інформацію від комп'ютера, що веде передачу в даний момент, раніше, а інші - пізніше. Саме на цій особливості топології і будуються методи керування обміном по мережі, спеціально розраховані на кільце. В таких методах право на наступну передачу (або, як ще кажуть, на захоплення мережі) переходить послідовно до наступного по колу комп'ютера. Підключення нових абонентів в кільце виконується досить просто, хоча і вимагає обов'язкової зупинки роботи всієї мережі на час підключення. Як і в випадку шини, максимальна кількість абонентів у кільці може бути досить велика (до тисячі і більше). Кільцева топологія зазвичай має високу стійкість до перевантажень, забезпечує впевнену роботу з великими потоками переданої по мережі інформації, так як в ній, як правило, немає конфліктів (на відміну від шини), а також відсутній центральний абонент (на відміну від зірки), який може бути перевантажений великими потоками інформації.
Сигнал в кільці проходить послідовно через всі комп'ютери мережі, тому вихід з ладу хоча б одного з них (або ж його мережного обладнання) порушує роботу мережі в цілому. Це істотний недолік кільця.
Точно так же обрив або коротке замикання в будь-якому з кабелів кільця робить роботу всієї мережі неможливою. З трьох розглянутих топологій кільце найбільш вразливе до пошкоджень кабелю, тому в разі топології кільця зазвичай передбачають прокладку двох (або більше) паралельних ліній зв'язку, одна з яких знаходиться в резерві.
Іноді мережа з топологією кільце виконується на основі двох паралельних кільцевих ліній зв'язку, що передають інформацію в протилежних напрямках. Мета подібного рішення - збільшення (в ідеалі - удвічі) швидкості передачі інформації по мережі. До того ж при пошкодженні одного з кабелів мережа може працювати з іншим кабелем (правда, гранична швидкість зменшиться).
На практиці нерідко використовують і інші топології локальних мереж, однак більшість мереж орієнтоване саме на три базові топології.
Топологія мережі вказує не тільки на фізичне розташування комп'ютерів, а й на характер зв'язків між ними, особливості поширення інформації, сигналів по мережі. Саме характер зв'язків визначає ступінь відмовостійкості мережі, необхідну складність мережної апаратури, найбільш підходящий метод керування обміном, можливі типи середовищ передачі (каналів зв'язку), допустимий розмір мережі (довжина ліній зв'язку та кількість абонентів) необхідність електричного узгодження і багато іншого.
Більш того, фізичне розташування комп'ютерів, що з'єднуються мережею, майже не впливає на вибір топології. Як би не були розташовані комп'ютери, їх можна з'єднати за допомогою будь-якої заздалегідь обраної топології (рис. 8).
У тому випадку, якщо з'єднуються комп'ютери розташовані по контуру кола, вони можуть з'єднуватися, як зірка або шина. Коли комп'ютери розташовані навколо якогось центру, їх допустимо з'єднати за допомогою топології шина або кільце.
Нарешті коли комп'ютери розташовані в одну лінію, вони можуть з'єднуватися зіркою або кільцем. Інша справа, яка буде необхідна довжина кабелю.
Мал. 8. Приклади використання різних топологій
Необхідно відзначити, що топологія все-таки не є основним фактором при виборі типу мережі. Набагато важливіше, наприклад, рівень стандартизації мережі, швидкість обміну, кількість абонентів, вартість обладнання, вибране програмне забезпечення. Але, з іншого боку, деякі мережі дозволяють використовувати різні топології на різних рівнях. Цей вибір вже цілком лягає на користувача, який повинен враховувати всі перераховані в даному розділі міркування.