§ 2. Структуры сетей

Определения и обозначения

Топология сети — схема соединения компьютеров и сетевого оборудования, определяющая пути передачи данных. Она показывает не только расположение устройств, но и то, какие узлы могут обмениваться сигналами по общим или отдельным линиям. Это понятие нужно, чтобы описывать устройство сети и заранее оценивать последствия неисправностей.

Общая шина — структура, в которой все устройства подключены к одному общему кабелю. Когда компьютер передаёт сигнал, он проходит по этому каналу, поэтому его могут принять другие подключённые устройства. Понятие помогает понять, почему один кабель связывает всю сеть и почему его повреждение может затронуть сразу несколько компьютеров.

Звезда — структура, в которой все устройства соединены с центральным узлом. Обычно у каждого компьютера есть отдельная линия до коммутатора, поэтому неисправность одной такой линии не обязательно мешает остальным. Это определение полезно, чтобы различать поломку отдельного подключения и отказ центра.

Кольцо — структура, в которой каждое устройство соединено с двумя соседними, образуя замкнутый контур. Данные передаются по цепочке узлов, пока не достигнут нужного устройства. Понятие нужно, чтобы представить маршрут сигнала и оценить, что случится при разрыве одного из соединений.

Как это устроено

Топология описывает не просто форму, которую кабели образуют на плане. Важны сами связи: какие устройства соединены напрямую, есть ли общий канал или центральный узел и через какие точки может пройти сигнал. Поэтому внешне похожие схемы могут работать по-разному, если в одной устройства подключены к общему кабелю, а в другой — к коммутатору. По топологии можно рассуждать о маршрутах данных и о том, какие части сети зависят друг от друга.

В общей шине компьютеры подключены к одной линии, и передаваемый сигнал распространяется по ней в обе стороны. Значит, сигнал физически доходит до всех подключённых устройств, хотя обрабатывает его компьютер, которому адресованы данные. Остальным узлам важно распознать, что сообщение предназначено не им, и не использовать его как собственное. Общий канал удобен своей простотой, но несколько передач одновременно могут мешать друг другу, а состояние кабеля важно для всей сети.

В звезде каждый компьютер имеет линию до центрального устройства — чаще всего коммутатора. Коммутатор принимает кадр данных и по адресу определяет, на какой порт его отправить; так сигнал не обязан раздаваться всем узлам. Отдельные линии упрощают поиск неисправности: если один компьютер потерял связь, можно проверить его кабель и порт. Однако все соединения сходятся в одном месте, поэтому без работающего центра обмен между компьютерами обычно невозможен.

Разрыв линии в шине опасен тем, что нарушает единый канал, которым пользуются все устройства; сеть может перестать работать целиком или распасться на сегменты. В звезде повреждение кабеля от одного компьютера обычно отключает только его, поскольку у остальных есть собственные линии до центра. В кольце линия входит в замкнутую цепочку, поэтому её разрыв в простом варианте способен остановить передачу по всему кольцу. При этом отказ самого компьютера не всегда равен разрыву линии: результат зависит от оборудования и организации сети.

Топологии сравнивают сразу по нескольким критериям, потому что дешёвый монтаж не всегда означает удобное обслуживание. Шина может требовать меньше кабеля и не нуждается в центральном коммутаторе, но поиск неисправности общего канала бывает сложным. Звезда обычно проще для расширения и локализации поломок, однако нужны отдельные линии и центральное оборудование. Кольцо можно оценивать по числу связей и способу передачи, но при выборе нужно учитывать, насколько сеть защищена от разрыва контура.

Сравнение основных топологий компьютерных сетей

Сначала сравните принцип соединения и путь передачи: они объясняют, почему одинаковая поломка по-разному действует на разные сети. Затем отдельно оцените отказ компьютера, линии и центрального устройства — это не одно и то же. Последние строки помогают выбрать вариант под конкретные требования, а не объявлять одну топологию лучшей во всех случаях.

Разбор задач

Определяем топологию и центральный узел

Условие. По схеме соединений определить топологию сети и назвать центральное устройство, если оно есть. Смотрим не на то, как нарисованы компьютеры, а на то, какие линии их связывают. Схемы могут быть повернуты или расположены иначе, но способ соединения от этого не меняется.

1. Если все компьютеры присоединены к одной общей линии, перед нами шина; отдельного центрального устройства в такой схеме нет.
2. Если от каждого компьютера идёт своя линия к одному общему узлу, это звезда. Центральное устройство — узел, к которому сходятся линии, обычно коммутатор.
3. Если каждый компьютер соединён с двумя соседними, а последний связан с первым, получаем замкнутый контур — кольцо. Здесь нет единственного центра, через который подключены все устройства.

Ответ. Топологию определяют по связям между узлами: общий кабель означает шину, соединение через центр — звезду, а замкнутая последовательность соседей — кольцо. В звезде в качестве центра называют сетевое устройство, например коммутатор. Если на схеме такого узла нет, не нужно придумывать его название.

Считаем связи для шести компьютеров

Условие. В сети 6 компьютеров; нужно сравнить количество основных соединений при топологиях «звезда» и «кольцо» и объяснить различие. Считаем именно линии связи, а не число концов кабелей или портов. Центральный коммутатор в звезде — отдельный узел, но он не является одним из шести компьютеров.

1. В звезде каждый из шести компьютеров соединяется отдельной линией с центром. Получается по одной линии на компьютер, то есть 6 основных соединений.
2. В кольце каждый компьютер связан с двумя соседями. Если пройти по контуру и вернуться к началу, каждое звено между соседями учитывается один раз, поэтому для шести узлов получается 6 соединений.
3. Числа совпали, но смысл связей разный: в звезде все линии сходятся к одному устройству, а в кольце составляют последовательный замкнутый путь. Поэтому равное число линий не означает одинаковую работу или одинаковые последствия поломки.

Ответ. В звезде — 6 линий от компьютеров к центральному узлу; в кольце — 6 линий между соседними компьютерами. В первом случае важен центр, во втором — целостность контура.

Выбираем сеть для компьютерного класса

Условие. Сеть должна легко расширяться, отказ одного компьютера не должен отключать остальные, а неисправность центрального оборудования нужно учитывать отдельно. Сопоставим каждое требование с устройством топологий. Отдельно проверим, какая поломка затрагивает один узел, а какая способна повлиять на всех.

1. Шина не требует центра, однако подключение новых компьютеров зависит от общего кабеля, а его повреждение может нарушить связь многих устройств. Поэтому она хуже подходит под требование удобного расширения.
2. В кольце новый компьютер нужно включить в последовательную цепочку. Кроме того, отказ узла или линии в простом кольце может повлиять на работу контура, так что требование независимости остальных выполнять сложнее.
3. В звезде новый компьютер подключают отдельной линией к центральному коммутатору, если есть свободный порт. Отказ одного компьютера или его кабеля обычно не отключает остальные; отказ коммутатора рассматривают отдельно как риск центрального оборудования.

Ответ. При заданных условиях наиболее подходящая из трёх топологий — звезда. Она позволяет добавлять устройства и изолировать неисправность отдельного подключения, но центр нужно защищать или предусматривать его замену, потому что его отказ способен нарушить работу всей сети.

Типичные ошибки

Считать топологией только форму прокладки кабеля. На схеме линии могут выглядеть похоже, но значение имеет, к чему подключён каждый компьютер и проходят ли данные через центр. Такую ошибку допускают, когда судят по рисунку, не рассматривая узлы. Проверьте себя: проследите каждое соединение и назовите, кто с кем связан напрямую.

Путать шину со звездой. При шине все устройства используют общий кабель, а при звезде каждый компьютер соединён отдельной линией с центральным узлом. Путаница возникает из-за того, что на рисунке обе структуры могут иметь линии, расходящиеся в разные стороны. Чтобы проверить ответ, найдите общий кабель или устройство, к которому сходятся отдельные линии.

Утверждать, что отказ любого компьютера обязательно выводит из строя всю сеть. Последствия зависят от топологии и характера неисправности: например, в звезде отказ одного компьютера обычно не мешает другим. Ошибку допускают, когда переносят свойства одной схемы на все сети. Проверьте себя: отдельно рассмотрите отказ компьютера, его кабеля и сетевого оборудования.

Не различать отказ кабеля и центрального устройства в звезде. Повреждение одной линии обычно затрагивает подключённый к ней компьютер, а неисправность коммутатора может лишить связи сразу все узлы. Эти события путают, потому что оба связаны с оборудованием сети. Для проверки выясните, обслуживает ли неисправная деталь одно соединение или является общей точкой для всех линий.

Связь с другими темами

Чтобы изучать топологии, нужно знать, зачем создают компьютерные сети, что делают сетевые устройства и как канал связи соединяет узлы. Схема соединений помогает связать эти понятия: канал становится линией на плане, а устройства — узлами сети. Понимание топологий пригодится при изучении коммутаторов и маршрутизаторов, построении локальных сетей и оценке их надёжности. Тогда можно выбирать расположение оборудования не только по удобству, но и по последствиям возможных отказов.

Что запомнить

• Топология — это схема соединения устройств в сети.
• В общей шине все устройства используют один общий канал связи.
• В звезде все устройства подключаются к центральному узлу.
• В кольце каждый узел соединён с двумя соседними.
• Повреждение центрального устройства особенно опасно для сети типа «звезда».
• Выбор топологии зависит от стоимости, надёжности, расширяемости и удобства обслуживания сети.