Открытая вычислительная сеть (ОМ) или сеть ЭВМ состоит из конечных (абонентских) систем, генерирующих и (или) потребляют информацию и сети передачи данных (сети связи), наращивание которых по числу пользователей и объемов информации в ней не подлежит никаким ограничениям.
В качестве конечных систем могут выступать вычислительные машины, где выполняются программы и обрабатываются данные, системы хранения данных на магнитных, оптических и других носителях (файловые службы, базы данных и т.д.), интеллектуальные устройства ввода и (или) отображения данных (службы высококачественной печати, графические станции, видеотерминалы, телекамеры, телемониторы т.п.), программируемые устройства управления (устройства числового программного управления станками, регуляторами, сенсорами и т.д.). Абонентами сети называются пользователи или вычислительные процессы, требующие сетевого обслуживания (передачи информации). Сеть связи состоит из физических средств передачи информации и аппаратно-программных средств сообщения конечных систем. Состав этих средств зависит от конкретной реализации сети. Например, как средства сообщения могут выступать контроллеры сети и модемы, встроенные в конечные системы или выполнены в виде отдельных устройств, а как физические средства передачи - блоки доступа (например, приемопередатчики, повторители) и среда передачи сигналов (например, кабели). Блоки доступа, модемы, контроллеры, а также коммутационные устройства, ретрансляторы является связными устройствами. Совокупность связных устройств и оконечного оборудования, подключенных к среде передачи в некоторой точке, называются узлом сети.
Прикладная отрасль определяет географические масштабы ОМ. Во локальными вычислительными сетями (ЛВС) обычно понимают ОМ, соединяющих оконечные системы в одной комнате, дома или нескольких близко расположенных зданиях. ЛВС принадлежит, как правило, одной организации или предприятию (министерству, завода, института, порта, АЭС и т.д..). Сети связи ЛВС (т.е. локальные сети связи - ЛМЗ) имеют в настоящее время следующие типичные характеристики:
- Высокую скорость передачи данных (0,1 - 100 Мбит / с),
- Небольшую длину (0,1-50 км),
11 августа
- Малую вероятность ошибки передачи данных (10 - 10 -).
Следует отметить, что уже в настоящее время характеристики ЛМЗ частично перекрывают характеристики глобальных сетей связи. Можно предположить, что применение волокнянооптичних кабелей со сотрет границы между различными типами сетей связи в нашем сегодняшнем понимании и локальность сети связи будет определяться только ее юридической принадлежностью предприятию или организации, которые не специализируются на коммерческом предоставлении услуг по передаче информации. Далее для краткости открытые информационные сети связи будем называть просто сетями.
Под архитектурой ОМ будем понимать набор компонентов ОМ и правила их соединения.
Топология сети определяется способом соединения ее узлов с каналами (кабелями) связи. На практике используются пять базовых топологий: звездообразная, кольцевая, шинная, смешанная или многосвязная и древовидная. Топология сети влияет на такие ее показатели, как надежность, расширяемость (наращиваемость), стоимость, задержка и пропускная способность.
Задержка сети - это время передачи информационных сообщений между абонентами, т.е. время между выдачей сообщения с абонента-источника и его приемом абонентом-получателем (адресатом). Пропускная способность - это максимальное число битов абонентских сообщений, которые могут передаваться через сеть в единицу времени.
Звездообразная топология. В сети со звездообразной топологией (рис.4.1) каждый абонент посылает и (или) принимает информацию, присоединен одним или двумя выделенными каналами связи к единому центрального узла, через который проходит весь сетевой трафик. Сети с таким топологией строятся, как правило, на базе метода коммутации каналов. В этом случае перед началом передачи информации абонент-инициатор передачи (вызывающий узел) спрашивает у центрального узла права установление физического или логического соединения с абонентом-партнером (вызываемым узлом). После установления соединения соответствующий физический или логический путь монопольно используется абонентами-партнерами для обмена информацией. После завершения обмена один из абонентов требует от центрального узла разъединения. Современные аналоговые и цифровые учрежденческие автоматизированные телефонные станции (УАТС) используют метод коммутации каналов - в первом случае физических, а в другом - логических. При коммутации логических каналов на одном физическом канале связи абонента с центральным коммутирующим узлом мультиплексируются во времени несколько логических каналов. С точки зрения надежности работы отказ центрального узла вызывает отказ всей сети, поэтому часто требуется резервирование наиболее важных устройств. Однако, если из строя выходит какой-нибудь канал или конечный узел, то легко определить, какой радиальный связь содержит дефект, и при необходимости отсоединить его, не нарушая работоспособности остальной части сети.
Расширяемость сети ограничивается возможностями центрального узла по подключению каналов связи с конечными системами.
Центральный узел является довольно дорогим устройством выполняет все основные функции по управлению сетью. Стоимость кабелей и стоимость их прокладки выше, чем при других топологиях с таким же числом узлов.
Пропускная способность сети определяется производительностью центрального узла и нагрузкой создают абоненты. Для аналоговых УАТС производительность центрального узла измеряется числом физических соединений, коммутируемого между абонентами в секунду и пропускной способностью абонентских каналов связи, а для цифровых УАТС - числом логических соединений, коммутируемого между абонентами в секунду и пропускной способностью абонентских каналов. Значения этих параметров для современных цифровых УАТС (учредительных автоматических телефонных станций) находятся в диапазоне соответствии 2000-4000 соединений / с (56-64 кбит / с).
Одним из вариантов звездообразной топологии ЛВС может служить распределенная звездообразная топология, согласно которой конечные системы соединяются кабелями с центральной "точкой", где размещена соединительная коробка, которую называют концентратором кабелей. Последний может присоединить к сети не более четырех-восьми конечных систем. Концентраторы кабелей соединяются между собой общим распределительным кабелем. Такая топология широко применяется в ЛВС персональных ЭВМ, когда оконечные системы широко разбросаны по дому учреждения.
Кольцевая топология. В сети с кольцевой топологией (рис. 4.2) узлы подключаются к повторителей сигналов, связанных в однонаправленное кольцо, или до двух повторителей, связанных в два разнонаправленных кольца. Из-за простоты реализации наибольшее распространение получили сети с одним кольцом. В однонаправленного кольце пары смежных повторителей связанные секцией кабеля - выделенным каналом связи.
Каждое сообщение имеет идентификатор (адрес) узла-получателя. Передано из узла-источника сообщение проходит по кольцу до узла-потребителя, распознает свой адрес в сообщении и либо принимает и поглощает сообщение, либо принимает и ретранслирует сообщения, перемещается по кольцу до узла-источника, где поглощается. Каждому из этих двух способов поглощения сообщения соответствует реализация в узлах и повторителях определенного протокола. Наибольшее распространение нашло поглощение сообщения узлом-источником, поскольку позволяет проконтролировать правильность передачи сообщения. При большой длине кольца, коротких сообщениях и (или) большой скорости передачи возможна одновременная передача по нему более одного сообщения, поскольку кольцо начинает работать как линия задержки с памятью.
Можно выделить два основных типа кольцевых сетей, обусловленных методом доступа к среде передачи.
1. Маркерное кольцо. В таких сетях кольцом передается специальный управляющий маркер, позволяющий передачу сообщений с узла им обладает. Если узел получил маркер и у него есть сообщение для передачи, то он захватывает маркер и передает сообщение. Маркер будет передан дальше кольцом после того, как данный узел примет и поглотит свое собственное сообщение. При отсутствии в узле сообщений, подлежащих передаче, он просто пропускает маркер.
2. Тактируемые кольцо. По кольцевой сети непрерывно вращается замкнутая последовательность тактов - специально закодированных интервалов фиксированной длины. В каждом такте имеется бит - указатель занятости. Свободные такта могут заполняться переданными сообщениями по мере необходимости, или каждым узлом закрепляются определенные такты. В маркерного кольца существует возможность потери маркера, требует или введение одного управляющего узла следит за сохранностью маркера, или распределением функций наблюдения за маркером за всеми узлами с выполнением этих функций в каждый момент времени только одним узлом. На управляющий узел возлагаются также функции устранения зацикленных сообщений. Такая ситуация имеет место в случае искажения идентификатора узла-получателя, когда этот идентификатор распознается одним из узлов.
С точки зрения надежности слабым местом в кольцевых сетях являются повторители. Отказ повторителя может либо вывести из строя всю сеть, или заблокировать доступ в сеть узла, подключенного к этому повторителя. Поэтому повторители состоят из двух частей - основной, с электропитанием от узла, и интерфейсной, с электропитанием от автономного источника и построенной на релейной схеме. При отказе повторителя его интерфейсная часть прямо соединяет входной и выходной каналы связи повторителя.
Расширяемость кольцевой сети достаточно высока. Для простого подключения нового узла необходимо присвоить ему идентификатор, отличный от идентификаторов других узлов сети, и включить в состав кольца новый повторитель. Подключение новых узлов с удлинением собственно кольцевой сети, как правило, трудоемкая операция. Поэтому сразу пытаются осуществить трассировку кабеля таким образом, чтобы он проходил через все те места, где может потребоваться подключение конечных систем. Это затрудняет трассировки кабелей перед развертыванием сети. Включение нового повторителя увеличивает задержку сети.
Пропускная способность и задержка кольцевой сети зависят от метода передачи сообщений, реализованного в повторители. В простейшем случае сообщения полностью накапливаются в каждом повторители для анализа адреса узла-получателя и лишь потом, при необходимости, передаются соседнем повторителя. Однако существуют методы передачи сообщений, позволяющие свести задержку в повторители ко времени передачи одного бита сообщения.
В настоящее время в кольцевых сетях достижимая скорость передачи сообщений порядка 100 Мбит / с.
Шинная топология. В сетях с шинной топологией (рис. 4. 3) все узлы подключаются к одному каналу связи с помощью приемо-передатчиков. Канал заканчивается с двух сторон пассивными терминаторами, поглощающие передаваемые сигналы, поскольку по своей природе передача в такой сети является широковещательным. В большинстве реализаций физическая среда передачи шинной сети может состоять из одной или нескольких секций кабеля, связанных специальными соединителями. В результате образуется так называемый сегмент кабеля.
Узлы подключаются к шине непосредственно к разъемам кабельных секций или с помощью специальной уризкы, просто прокалывает коаксиальный кабель до контакта с центральным проводником.
Каждый узел имеет уникальный идентификатор и принимает сообщение, если в нем адрес узла-получателя или совпадает с его собственным идентификатором, или является идентификатором широковещательного или группового сообщения.
Поскольку один общий канал связи (шина) разделяется между всеми абонентами сети, такие сети называются также моноканальных, и необходима некоторая децентрализованная процедура доступа к каналу, что обеспечивает его использование в каждый конкретный момент времени одним абонентом, то есть временное уплотнение канала. Эта процедура (метод доступа) может быть случайной или детерминированной.
Наибольшее распространение среди методов случайного доступа получил метод множественного доступа с контролем несущей и обнаружением конфликтов (МДКН / ВК), а среди методов детерминированного доступа - маркерный доступ. Соответствующие сети иногда называются случайной или маркерной шинами. В первом случае занятость шины характеризуется наличием в канале несущего сигнала сообщения. Отсутствие несущей означает доступность канала. Все узлы "прослушивают" канал, чтобы найти несущую. Однако из-за конечности времени распространения сигнала в обе стороны от места подключения узла-отправителя к каналу несколько узлов могут посчитать канал свободным и начать передачу сообщений, что ведет к конфликтам (наложение) передач. Узлы, обнаружив конфликт, откладывают свои передачи, а затем через случайное время снова пытаются повторить их. В случае маркерной шины все узлы сети логично упорядочены в кольцо. В каждом узле известные идентификаторы его непосредственных соседей в логическом кольце. Передавая друг другу логическим кольцом маркер, узлы передают тем самым друг другу право передачи сообщений и обеспечивает детерминированность их доступа к каналу связи. Аналогично маркерного кольца здесь также существует возможность потери маркера, поэтому возникает необходимость в управляющем узле.
Если кольцевые сети чувствительны к отказам типа разрыва канала связи, то шинные сети чувствительны к заземлению канала связи или до подачи на него избыточного по уровню сигнала (электрический разряд, случайное замыкание на посторонний линии питания). В приемопередатчики шинной сети необходима некоторая электрическая (трансформаторная или оптическая) развязка его абонентской и канальной частей.
Шинные сети имеют довольно ограниченные возможности по наращиванию через затухания сигналов в канале. Каждое уризка и каждый соединитель несколько изменяют характеристики физической среды передачи. Поэтому для каждой реализации имеются, как правило, ограничения на общую длину кабеля связи и его сегментов, на расстояние между соседними точками подключения узлов и на количество подключений к кабелю. Например, на сегменте кабеля сети Ethernet общее число уризок и соединителей не должно превосходить 100, расстояние между соседними точками присоединения к кабелю должна быть не менее 2,5 м, а длина сегмента не должна превышать 500 м.
Пропускная способность и задержка в шинных сетях определяются большим числом параметров: методом доступа, полосой перепуска кабеля связи, числом узлов сети, длиной сообщений и т.п.. Произвольное шине коэффициент использования канала может достигать 95%, но он падает с ростом длины сообщения и длины кабеля связи между крайними узлами сети через увеличение частоты конфликтов.
Смешанная топология. Сеть со смешанной топологией (рис. 4.4) является, как правило, неповнозвьязаною сетью узлов коммутации сообщений (пакетов), к которым присоединяются конечные системы. Все каналы связи являются выделенными двухточечными. Такого рода связи наиболее часто используются в крупномасштабной и региональной вычислительной сетях, но иногда они применяются и в локальных вычислительных сетях. Смешанную сеть можно рассматривать как звездообразную сеть, в которой центральный узел имеет распределенную архитектуру. В узлах коммутации смешанной сети обычно реализуется статическая (фиксированным путями) или динамическая (адаптивная) маршрутизация сообщений, переданных в виде дейтаграмм или виртуальными каналами, что ведет к необходимости строить узлы коммутации на базе ЭВМ с достаточными быстродействием и емкостью оперативной памяти. В результате для того же числа конечных систем стоимость смешанной сети выше, чем стоимость любой другой сети.
Надежность смешанной сети обеспечивается таким соединением узлов коммутации каналами связи, чтобы между любой парой конечных систем имелись как минимум два пути передачи сообщений. Введение избыточных каналов между узлами коммутации, т.е. увеличение связности сети, - стандартный способ повышения надежности.
Древовидная топология. Древовидные сети строятся на базе техники кабельного телевидения, то есть с использованием таких средств связи, как конечные частотные ретрансляторы, расцепителя-объединители, двунаправленный усилители, ответвители, радиочастотные модемы, фильтры и т.п.. Основное преимущество таких сетей - относительно большая протяженность (до 50 км) и возможность параллельной передачи речи, данных и изображений обеспечивается за счет частотного уплотнения каналов (в описанных выше сетях используется временное уплотнение каналов). Вот почему древовидные сети также называют многоканальными.