8-916-722-04-28ТелВКонтактеВКTelegramTgMAXMAX Пробный урокПробный урок

Локальные и глобальные сети, топологии шина, звезда, кольцо, ячеистая сеть

Понятие компьютерной сети

Компьютерная сеть — совокупность компьютеров и других устройств (принтеров, коммутаторов, маршрутизаторов), соединённых каналами связи для обмена информацией и совместного использования ресурсов: файлов, принтеров, доступа в интернет, вычислительных мощностей. Объединение компьютеров в сеть даёт ряд преимуществ по сравнению с изолированной работой: совместный доступ к данным и периферийным устройствам, возможность быстрого обмена информацией, централизованное хранение и резервное копирование данных, а также совместную работу нескольких пользователей над общими задачами.

Классификация сетей по территориальному охвату

По размеру охватываемой территории различают несколько видов сетей. Локальная вычислительная сеть (ЛВС, LAN) объединяет компьютеры в пределах одного здания или нескольких близко расположенных зданий (офис, школа, дом) и обычно принадлежит одной организации. Городская сеть (MAN) охватывает территорию города. Глобальная вычислительная сеть (ГВС, WAN) объединяет компьютеры, расположенные на значительном расстоянии друг от друга, вплоть до разных стран и континентов; крупнейшим примером глобальной сети является интернет — сеть сетей, объединяющая миллионы локальных и региональных сетей по всему миру по единым протоколам связи.

Топология сети: понятие

Топология сети — это схема физического (а иногда логического) расположения узлов сети и соединяющих их линий связи. Выбор топологии влияет на надёжность сети (устойчивость к отказу отдельных узлов и линий связи), стоимость прокладки кабельной системы, простоту добавления новых узлов и максимальную скорость передачи данных. Рассмотрим основные типы топологий, используемых при построении локальных сетей.

Топология «шина»

При топологии «шина» (bus) все узлы сети подключаются к единому общему кабелю (магистрали), по которому и происходит передача данных; в каждый момент времени передавать данные может только один узел, а остальные — «слушают» канал. Достоинства — минимальный расход кабеля и простота монтажа. Существенный недостаток — обрыв или повреждение общего кабеля в любой точке приводит к полному прекращению работы всей сети, а при увеличении числа узлов быстро растёт число коллизий (одновременных попыток передачи), что снижает эффективную скорость.

Топология «звезда»

При топологии «звезда» (star) каждый узел сети соединяется отдельным кабелем с центральным устройством — коммутатором (switch) или концентратором (хабом), а обмен данными между узлами происходит только через этот центральный узел. Такая схема лежит в основе подавляющего большинства современных локальных сетей. Достоинства: выход из строя одного кабеля или узла не затрагивает работу остальных узлов сети; легко добавлять новые компьютеры. Основной недостаток — при отказе центрального узла (коммутатора) перестаёт работать вся сеть целиком, а также требуется больше кабеля, чем при топологии «шина».

Топология «кольцо»

При топологии «кольцо» (ring) каждый узел соединяется с двумя соседними, образуя замкнутый контур, по которому данные передаются последовательно от узла к узлу в одном направлении, пока не достигнут адресата. Достоинство — простота реализации метода доступа к среде и отсутствие коллизий при определённых протоколах (например, с передачей маркера). Существенный недостаток классического кольца — выход из строя любого одного узла или обрыв кабеля разрывает кольцо и прекращает работу всей сети (эта проблема решается использованием двойного кольца с резервным путём передачи в обратном направлении).

Ячеистая (полносвязная) и смешанные топологии

При полносвязной (ячеистой) топологии (mesh) каждый узел соединяется отдельным каналом связи с каждым другим узлом сети. Это обеспечивает максимальную отказоустойчивость — при обрыве одного канала данные могут пойти в обход по другому пути, а также позволяет одновременно передавать несколько сообщений без коллизий. Главный недостаток — очень высокая стоимость: число требуемых каналов связи растёт пропорционально квадрату числа узлов, поэтому полносвязная топология в чистом виде применяется лишь для соединения небольшого числа критически важных узлов (например, магистральных маршрутизаторов интернета), а на практике чаще используют смешанные (гибридные) топологии, комбинирующие элементы «звезды» и «ячейки» — например, несколько локальных сетей топологии «звезда», соединённых между собой по топологии, близкой к ячеистой.

ТопологияНадёжностьСтоимость кабеляПростота добавления узлов
ШинаНизкая (общий кабель)МинимальнаяСредняя
ЗвездаСредняя (зависит от центра)ВысокаяВысокая
КольцоНизкая (без резервирования)СредняяСредняя
Ячеистая (полносвязная)МаксимальнаяОчень высокаяНизкая

Среда передачи данных

Соединение узлов сети осуществляется через различные физические среды передачи. Проводные среды включают витую пару (наиболее распространена в локальных сетях, разъём RJ-45), коаксиальный кабель (использовался в топологии «шина») и оптоволоконный кабель (обеспечивает наибольшую скорость и дальность передачи, устойчив к электромагнитным помехам). Беспроводные среды используют радиоволны: технология Wi-Fi для локальных сетей и сотовая связь (3G/4G/5G) для мобильного доступа в глобальную сеть. Выбор среды передачи влияет на максимальную скорость, дальность и стоимость построения сети.

Модель клиент-сервер и одноранговые сети

По принципу взаимодействия узлов различают два основных типа организации сети. В одноранговой сети (peer-to-peer) все компьютеры равноправны: каждый может выступать одновременно и поставщиком, и потребителем ресурсов — такая организация проста и дёшева, но плохо масштабируется и затрудняет централизованное управление и защиту данных. В модели клиент-сервер выделяется один или несколько мощных компьютеров — серверов, предоставляющих ресурсы и услуги (хранение файлов, обработку запросов), и множество клиентов, которые этими услугами пользуются; такая организация обеспечивает централизованное управление, повышенную безопасность и надёжность и применяется в большинстве корпоративных сетей и в интернете.

Пропускная способность канала и время передачи данных

Важнейшая характеристика линии связи — пропускная способность (скорость передачи данных), измеряемая обычно в битах в секунду (бит/с) или производных единицах (Кбит/с, Мбит/с). Время, необходимое для передачи файла известного объёма по каналу с известной пропускной способностью, вычисляется по формуле:

t=Vv

где V — объём передаваемых данных (в битах), v — пропускная способность канала (в бит/с), t — время передачи (в секундах).

Пример: расчёт времени передачи файла

Задача. Объём файла составляет 5 Мбайт. Модем передаёт данные со скоростью 2 Мбит/с. Сколько времени потребуется на передачу файла? (1 байт = 8 бит)

Решение. Переведём объём файла в биты:

V=5Мбайт·8=40Мбит

Найдём время передачи:

t=Vv=402=20с

Ответ. 20 секунд. Обратите внимание: скорость передачи в задачах об интернет-каналах обычно указывается в битах в секунду, а объём файла — в байтах, поэтому единицы измерения необходимо привести к одной системе перед вычислением.

Типичные ошибки

Самая распространённая ошибка в задачах на скорость передачи данных — не перевести биты в байты (или наоборот) перед вычислением, поскольку скорость канала традиционно измеряется в битах в секунду, а объём файла — в байтах. Также часто путают топологии «звезда» и «ячеистая», забывая, что в звезде связь идёт исключительно через центральный узел, а в ячеистой сети узлы соединены друг с другом напрямую. Ещё одна ошибка — считать, что интернет имеет топологию «звезда»: на самом деле глобальная сеть представляет собой сложную децентрализованную структуру, близкую к ячеистой, что и обеспечивает её высокую живучесть.

Краткий словарь терминов

Компьютерная сеть — совокупность компьютеров и устройств, соединённых каналами связи для обмена информацией.

Топология сети — схема физического расположения узлов сети и соединяющих их линий связи.

Коммутатор (switch) — центральное устройство сети топологии «звезда», направляющее данные между узлами.

Пропускная способность — максимальная скорость передачи данных по каналу связи, измеряется в бит/с.

Клиент-серверная сеть — сеть, в которой выделены серверы, предоставляющие ресурсы, и клиенты, их использующие.

Одноранговая сеть — сеть, в которой все узлы равноправны и могут выступать как клиентом, так и сервером.

Заключение

Топология сети — фундаментальный выбор при её проектировании, определяющий надёжность, стоимость и масштабируемость системы; на практике реальные сети чаще всего представляют собой комбинацию базовых топологий, в первую очередь «звезды» на уровне локальных сетей и децентрализованной, близкой к ячеистой, структуры на уровне глобальных соединений. Чтобы компьютеры в сети — независимо от её топологии — могли находить друг друга и обмениваться данными, необходима система адресации узлов и согласованные правила обмена данными — протоколы, о которых пойдёт речь в следующей теме, посвящённой адресации в интернете.

Запишитесь на бесплатный урок

Определим уровень, покажем формат занятий и составим план подготовки.