Характеристики вычислительных сетей

Топология связей

Топология связей — графическое представление соединений элементов вычислительной сети. Представляется в виде графа, состоящего из узлов (компьютеров или коммутирующих устройств) и ребер (физических и информационных связей между узлами).

Узлы могут быть подразделены на

получателей данных;
источники данных;
транзитные узлы.

Существуют следующие основные виды топологий:

Полносвязная топология

Рис. 1.

Достоинства: надежность, гибкость.

Недостатки: для

узлов необходимо

физических соединительных линий.

Кольцевая топология

Рис. 2.

Достоинства: простота, относительная надежность, ретрансляция и усиление сигнала транзитными узлами.

Недостатки: выход из строя одного узла или одной соединительной линии приводит к выходу из строя всей сети.

Шинная топология

Рис. 3.

Достоинства: простота, относительная надежность, пассивные узлы – выход из строя одного узла не влияет на работоспособность сети.

Недостатки: недостаточное расстояние передачи данных, слабая расширяемость.

Звездообразная топология

Рис. 4.

Достоинства: простота наращивания числа узлов, выход из строя одного узла или соединительной линии не влияет на работоспособность всей сети.

Недостатки: отсутствие гибкости при выборе соединений, дорогое и сложное дополнительное устройство — центральный концентратор, при выходе которого из строя вся сеть теряет работоспособность.

Древовидная топология

Рис. 5.

Достоинства: наращиваемость, гибкость.

Недостатки: те же, что и у звездообразной топологии.

Системы адресации узлов вычислительной сети

Итак, вычислительная сеть состоит из узлов, между которыми передается информация. Очевидно, что в процессе передачи информации участвуют как минимум узел-источник и узел-приемник (узел назначения). Необходимость указания узла назначения вызывает необходимость использования адресации узлов. Всем узлам должны быть присвоены уникальные адреса, аналогично ситуации с ячейками ЗУ.

Адреса могут присваиваться узлам сети в соответствии с некоторыми установленными правилами. Правила, определяющие порядок назначения адресов узлам сети называются системой адресации. Система адресации имеет ряд характеристик, и в соответствии с ними существует определенная классификация систем адресации.

По структуре:

Одномерное адресное пространство (подобно ЗУ). Наиболее просто в реализации, но при сложной топологии сети поиск узла назначения существенно усложняется.
Иерархическое адресное пространство. Узлы объединяются в подгруппы, подгруппы в группы и т.д. Адрес узла состоит из нескольких частей — адреса группы, адреса подгруппы в группе, адреса узла в подгруппе. Иерархическая адресация может быть связана с топологией сети (это особенно актуально для древовидной топологии). В случае сложной топологии сети, иерархическая адресация упрощает маршрутизацию данных и поиск узла назначения. Аналогом иерархической системы адресации в нашей обычной жизни является почтовый адрес (индекс, город, улица, дом, квартира).

По способу кодировки адреса:

Цифровая кодировка. Наиболее компактна, но сложна в восприятии человеком.
Буквенная кодировка. Менее компактна, более читаема, лучше запоминается.
Смешанная. Сочетает в себе преимущества двух первых.

По способу преобразования (разрешения) адресов:

Централизованный. Таблицы соответствия адресов хранятся на специально выделенном узле вычислительной сети (сервере), для выполнения преобразования необходим запрос к этому серверу. Способ применяется в крупных сетях.
Распределенный. Запрос на преобразование адреса направляется всем узлам сети. Тот узел, адрес которого запрошен, откликается и сообщает необходимую информацию. Способ применяется в небольших (локальных сетях).

Коммутация вычислительной сети

Под коммутацией понимается соединение двух узлов вычислительной сети для обмена информацией между ними.

Задача коммутации может быть представлена в виде нескольких взаимосвязанных частных задач.

Задача 1. Определение информационных потоков.

Информационный поток (поток данных) — непрерывная последовательность байт, имеющая объединяющий их набор признаков.

Информационный поток может быть структурирован. Структурированный поток состоит из последовательности структур данных определенного формата (пакеты, кадры и т.п.).

Базовым необходимым идентификатором потока является адрес узла назначения.

Признаки, характеризующие информационный поток, могут быть подразделены на

глобальные признаки, характеризующие поток на всем протяжении его следования в сети;
локальные признаки — определяют поток в пределах одного (транзитного) узла. Например, идентификатор интерфейса порта, с которого поступили данные.

Задача 2. Определение маршрутов.

Если представить сеть в виде графа, информационный поток, двигаясь от узла-источника к узлу назначения, последовательно проходит через транзитные узлы и соединяющие их каналы связи, то есть движется по определенному маршруту. В общем случае, в вычислительной сети могут существовать несколько маршрутов, по которым поток может достичь узла назначения. Возникает задача поиска оптимального маршрута. Возможные критерии оптимальности:

максимальная скорость передачи (минимальное время следования потока в сети);
минимальная стоимость передачи единицы информации;
максимальная загрузка сети и т.п.

Задача поиска оптимального маршрута имеет однозначное решение для одного потока — сообщения. Для случая множества потоков используются полуэмпирические методы, ищется экстремум функции

где

— критерии оптимальности маршрута — весовые коэффициенты, выбираемые эмпирически.

Задача 3. Фиксация маршрутов.

Составляются таблицы коммутации устройств в сети (каналы + узлы). В каждой записи признаку (признакам) потока ставится в соответствие идентификатор интерфейса узла, на который устройство должно передавать данные, относящиеся к этому потоку.

Задача 4. Коммутация каналов и пакетов.

Существует несколько методов собственно коммутации.

Метод коммутации каналов предполагает "жесткое" соединение двух узлов на время передачи информационного потока. Примером коммутации каналов может служить соединение в телефонной сети.

Достоинства метода:

Предсказуемая скорость передачи.
Возможность передачи данных в режиме "реального времени", что особенно важно для систем управления.

Недостатки:

При сбоях в канале передача информации становится невозможной.
Имеют место простои в передаче данных при установлении связи (необходимо время на соединение) и при ожидании.

Метод коммутации пакетов.

Информационный поток разбивается на составные части — пакеты
Каждый пакет снабжается заголовком и передается по сети как отдельное сообщение, независимо от остальных пакетов
В узле назначения из пакетов вновь собирается исходное сообщение.

При этом каждый транзитный узел сети должен иметь буферное ЗУ для временного хранения пакетов перед их отправкой дальше.

Достоинство метода :

Максимальная загрузка сети в целом, наиболее равномерная загрузка сети.

Недостатки метода:

Невозможна передача данных в "реальном времени", так как отдельные пакеты могут двигаться по разным маршрутам и возможны задержки.
Необходимо дополнительное оборудование в транзитных узлах – буферное ЗУ, усложняется аппаратная часть.

Существуют две разновидности реализации метода коммутации каналов: дейтаграммный метод и метод "виртуального канала"

При дейтаграммном методе пакеты, принадлежащие одному информационному сообщению — потоку, могут следовать по разным маршрутам. При этом возможна ситуация, когда пакет, отправленный позже, прибудет к узлу назначения раньше (двигаясь по более короткому маршруту), то есть в узле назначения возможен прием пакетов не в том порядке, в котором они отправлялись в сеть. Дейтаграммный метод рассматривает каждый пакет полностью независимо от других.

При методе "виртуального канала", пакеты в узле назначения программно упорядочиваются. Для этого в заголовок каждого пакета перед отправлением добавляется его порядковый номер. В конечном итоге в узле назначения формируется последовательность пакетов с правильным порядком следования. Таким образом, между узлом-источником и узлом назначения устанавливается виртуальный (воображаемый) канал связи.