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.
| Топология | Надёжность | Стоимость кабеля | Простота добавления узлов |
|---|---|---|---|
Шина | Низкая (общий кабель) | Минимальная | Средняя |
Звезда | Средняя (зависит от центра) | Высокая | Высокая |
Кольцо | Низкая (без резервирования) | Средняя | Средняя |
Ячеистая (полносвязная) | Максимальная | Очень высокая | Низкая |
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:
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:
Найдём время передачи:
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.
