Какую лучше выбрать топологию сети и почему. Как выбрать топологию сети

Пусть V есть множество всех узлов проектируемой телекоммуникационной сети, т.е. множество V состоит из узлов логической телекоммуникационной сети (станции, маршрутизаторы, коммутаторы, мосты, хост-системы, внешние сети, средства спутниковой связи и т.д.)

Задан граф требований H=(V, D) , содержащий ребро (s, t)€D всякий раз, когда имеется требование для передачи данных между s и t. Для каждого требования (s, t) € D графа H задается положительное число d(s, t) € Z+, которое называется функцией трафика и рассматривается как средний суммарный объем информации между узлами s и t, определенный статистически на основе прогноза роста информационных потоков .

В задаче проектирования топологии сети по графу требований H необходимо определить граф топологии G=(V, E) (рис. 1). Можно считать, что множества вершин у обоих графов совпадают. Вершинам графа G соответствуют узлы телекоммуникационной корпоративной сети, а ребрам - множество каналов связи, которые потенциально могут быть использованы (существуют на текущий момент либо могут быть проложены); например, оптоволокно, медные линии, радиоволновые линии, спутниковые каналы и т.д. Если между двумя узлами сети имеется несколько различных линий связи, то они представляются параллельными ребрами, отвечающими разным технологиям: Ethernet, Frame Relay, ISDN, ATM и т.д.

Рис. 1.

Под пропускной способностью y(e) канала eОE понимаются как возможные физические пропускные способности линий (при использовании выделенных и коммутируемых линий связи для осуществления соединений типа «точка-точка» между узлами сети), так и скорость, на которой может осуществляться подключение к глобальной сети общего пользования.

В информационных сетях каждый канал связи при передаче информации ориентирован: один узел передает информацию, а другой принимает.

Установление линии связи между i и j позволяет передать некоторое количество информации в единицу времени между i и j и такое же количество информации между j и i, если подключение синхронное, и суммарное (от i к j + от j к i) количество информации, если подключение асинхронное.

Различают два случая сформулированной задачи: проектирование топологии и технологии телекоммуникационной сети и модернизация топологии и выбор технологии существующей сети. При этом, как будет показано ниже, существуют математические модели, которые являются общими для обоих случаев. Для этого можно считать, что каждому ребру e графа топологии G изначально приписана начальная пропускная способность C0(e) € Z+, e € E. Она отражает настоящее состояние каналов связи между вершинами, соединенными ребром e. Если на сегодняшний день таких каналов связи нет, то полагаем C0(e)=0.

Пусть каждый канал (s, t)ОE определяется посредством соответствующего весового вектора с компонентами m аддитивных QoS-канальных весов wi(s, t)і 0 для всех 1ЈiЈm .

Для аддитивных QoS-параметров вес пути P=n1®n2®…®nh+1, состоящего из h узлов (каналов), равен вектор-сумме весов составляющих его каналов, где n - длина хопа, h - число хопов в пути:

Отличие данного исследования от результатов, изложенных в , состоит в том, что оптимизация выбора пути проводится одновременно по двум критериям - стоимости и обеспечению заданного качества обслуживания, т.е. QoS.

Задачи выбора топологии и технологий телекоммуникационной сети можно классифицировать по следующим признакам пропускных способностей дуг:

• - без ограничений на пропускные способности (предполагается, что пропускных способностей стандартных линий связи будет вполне достаточно);
• - непрерывные пропускные способности, т.е. ye принимает значения из интервала ;
• - дискретные пропускные способности, т.е. ye принимает одно из конечного множества C0, C1,…,Ck;
• - кратные пропускные способности, т.е. {C0, kC0, k2C0, k3C 0,…}

В современных технологиях непрерывные пропускные способности редко встречаютсяна практике. Значительно чаще каналы связи имеют дискретные или кратные пропускные способности.

Задано множество технологий Т={ф1,…,фn} (коммутируемая линия, выделенная линия, оптоволоконная линия, подключение к общественной сети).

Каждой технологии фОТ соответствует базисная пропускная способность Cф.

Обозначим через P(u; s, t) множество всех путей из s в t (u показывает операционное состояние сети, при u=0 все узлы и ребра являются работоспособными) в графе G=(V, E).

Конкретный путь Р из P(0; s, t), содержащий ребро e (или вершину u), обозначим Р€P(0; s, t):eР, u€Р.

Пусть f(0; s, t; P) - величина потока типа (s, t) вдоль пути Р€P(0; s, t).

По аналогии с введем понятие стоимости передачи единицы потока по пути РОP(0; s, t) для требования (s, t) как

где K(s, t; e) - стоимость передачи по дуге e единицы информации.

В работе задача проектирования оптимальной телекоммуникационной сети представлена в виде следующей модели:

В выражении (3) оптимизация производится по критерию стоимости. Запишем задачу оптимизации по критериям стоимости с учетом обеспечения QoS. Введем функцию Fi(s, t), которая характеризует длину пути и зависит от m ограничений Li, где Li есть ограничения, обеспечивающие заданное качество обслуживания: полосу пропускания, время ответа конечных узлов, вариации времени ответа, количество потерянных пакетов. В данном случае m=4. Необходимо отметить, что перечень ограничений, обеспечивающих заданный уровень качества обслуживания, может быть расширен и дополнен.

По аналогии с используя Fi(s, t), задача выбора оптимальной топологии по критериям стоимости и QoS для дискретных пропускных способностей может быть представлена в виде следующей задачи целочисленного линейного программирования:

Предполагается, что каждое ребро e € E графа топологии уже оборудовано начальной пропускной способностью С0(e) (возможно С0(e)=0), которая называется исходной пропускной способностью.

Так как предполагается, что пропускная способность C0(e) установлена изначально, то полагается x0(e)=1.

Выбор пропускной способности Cф(e), 0€ ф € t(e) для ребра эквивалентен тому, что x0(e)=x1(e)=…=xф (e)=1 и xф+1 (e)=…=xф(e)(e)=0.

Задача выбора оптимальной топологии сети по критериям стоимости и QoS для кратных пропускных способностей каналов связи аналогично может быть представлена в виде следующей задачи линейного программирования:

Если необходимо сформулировать дополнительные условия, при которых будет обеспечиваться заданный уровень живучести при использовании различных стратегий (например, перемаршрутизации, разнообразия или резервирования).

2.1 Выбор типа и топологий сети

Топология сети - геометрическая форма и физическое расположение компьютеров по отношению к друг другу. Различают физическую и логическую топологии. Логическая и физическая топологии сети независимы друг от друга. Физическая топология - это способ физического соединения компьютеров с помощью определенных сред передачи данных, например, участками сетевого кабеля. Логическая топология определяет маршруты передачи данных в сети. Выбор топологии зависит от нужд пользователя. Выбор топологий влияет на выбор и характеристики сетевого оборудования, каким способом управлять системой и есть ли возможность в расширении сети в будущем.

Есть 3 основные топологии локальной вычислительной сети:

-«Звезда» - если использовать эту топологию, то каждый компьютер будет подключаться к маршрутизатору отдельно, таким образом подключенные к сети компьютеры смогут общаться между собой. Данная топология применяется в локальных сетях с архитектурой 10Base-T Ethernet.

-«Кольцо» - В сети с данной топологией. все узлы будут соединены каналами связи в неразрывное кольцо(не обязательно круг). Для кольцевой топологии характерно отсутствие конечных точек соединения. Данную сеть очень легко создавать и настраивать. Один конец кабеля соединяется с гнездом сетевого адаптера, другой подсоединяется к центральному устройству, называемому концентратором. На сегодняшний день, в чистом виде топология “кольцо” не применяется из-за своей ненадёжности, поэтому на практике применяются модификации этой топологии.

-«Шина» - При использовании шинной топологии компьютеры соединяются в одну линию, по концам которой устанавливают компьютеры. Данная топология применяется в локальных сетях с архитектурой Ethernet.

В данном предприятии реализована технология вида "Звезда".

Топология "дерево" -- сетевая топология, в кoторой каждый узел связан звездообразно, образуя комбинацию звезд. Также топологию "деревo" называют иерархической звездoй. Узел, который находится на более высоком уровне, принято называть родительским, а два подключенных к нему нижерасположенных узла - дочерними. Выбор звезда или дерево зависит только от личных предпочтений. Различия только в том что в "древовидной" топологии, как правило, схема более строгая и иерархичная в ней легче отслеживать сетевые связи, и эта схема часто использует элементы "шинной" архитектуры.

Выбор на данную топологию пал из - за большинства ее достоинств и незначительных недостатков. В частности, в реализации топологии сети легка в подключении и настройке, что очень упрощает масштабируемость сети предприятия, что не мало важно при постоянном росте вычислительной технике, ее замене. Так же удобно что в данной топологии очень легко следить за работоспособностью всей сети. Эту сеть очень легко модернизировать. Топология звезда хороша тем что в данной топологии компьютеры подключены параллельно, а управление централизованно.

Она обладает несущественными недостатками которые никак не повлияют на работоспособность сети.

В отличии от «звезды», остальные топологии существенно хуже, например, «кольцо» - данная топология значительно уступает в множестве преимуществ топологии «звезда», так как ее реализации более дорогостоящая, так же локальная компьютерная сеть, реализованная по данной топологии не обладает наибольшим быстродействием, что сильно влияет на скорость работы сотрудников на предприятии.

Топология «шина» - обладает рядом преимуществ, например, если один из компьютеров выйдет из строя, данная сеть не изменит своей работы, компьютерную сеть легко настраивать, не возникает проблем при прокладки сетевых кабелей, а также большим рядом недостатков, которые повлияют на работоспособность локальной вычислительно сети, например, в данной топологии тяжело найти поломку, следовательно, оперативно устранить ее не получится. Если повредятся кабеля, то такая поломка существенно повлияет на работоспособность всей локально-вычислительной сети, также данная топология обладает небольшой пропускной способностью и ограничивает количество компьютеров, подключаемых к локально-вычислительной сети.

Выбор конфигурации сети малого предприятия. Расчет стоимости проекта. Мобильные операционные системы

Для данного случая мною выбрана сеть на основе сервера...

Локальная вычислительная сеть бухгалтерского отдела

Для обеспечения наилучшего быстродействия и минимизации коллизий были выбраны активные сетевые устройства - 19 дюймовые свитчи фирмы 3Com на 24 порта для монтажа в телекоммуникационный шкаф...

Локальные сети в компьютерном классе

Эти сети создаются в учреждениях или крупных организациях. В таких сетях (рис.4) выделяются один или несколько компьютеров, называемых серверами...

Понятие топологии сети

В этой топологии все компьютеры соединяются друг с другом одним кабелем (рисунок 1). Рисунок 1 - Схема топологии сети тип "шина" В сети с топологией "шина" компьютеры адресуют данные конкретному компьютеру...

Понятие топологии сети

Реальные компьютерные сети постоянно расширяются и модернизируются. Поэтому почти всегда такая сеть является гибридной, т.е. ее топология представляет собой комбинацию нескольких базовых топологий. Легко представить себе гибридные топологии...

Программное обеспечение, использующие в качестве вычислительного механизма для прогнозирования - нейронные сети

Классические нейронные сети, модель работы которых описана в первой главе, идеально подходят для решения проблем классификации. Проблемы, в которых каждому отдельному сигналу X существует единственный Y. Другими словами...

Проект построения корпоративной информационной сети на основе сети Ethernet

Проектирование локальной вычислительной сети для Городского отдела ГИБДД

На основе проведенного анализа исходных данных и приведенного выше материала выбираем сеть на основе выделенного сервера, который будет осуществлять функции файл-сервера, web-сервера, администрирование сети...

Проектирование локальной информационной системы образовательной школы

Следует отдельно отметить способ классификации ЛВС по топологии. Логический и физический способы соединения компьютеров, кабелей и других компонентов, в целом составляющих сеть, называется ее топологией. Различают широковещательные...

Разработка web-сайтов

Разработка локально-вычислительной сети для цеха с конвейерным производством на промышленном предприятии

Сетевая тополомгия (от греч. фьрпт, - место) -- способ описания конфигурации сети, схема расположения и соединения сетевых устройств. Сетевая топология может быть · физической -- описывает реальное расположение и связи между узлами сети...

Разработка проекта локальной вычислительной сети для автоматизации документооборота предприятия

Для сети предприятия была выбрана топология - Fast Ethernet (IEEE 802.3u) со скоростью передачи 100 Мбит/с. Т.к...

Разработка системы распознавания образов

Среди различных конфигураций искусственных нейронных сетей встречаются такие, при классификации которых по принципу обучения, строго говоря, не подходят ни обучение с учителем, ни обучение без учителя...

Разработка топологии нейронной сети для прогнозирования выбора тяжелых токарных станков

Для решения данной задачи выбираем сеть - многослойный персептрон. Многослойными персептронами называют нейронные сети прямого распространения. Входной сигнал в таких сетях распространяется в прямом направлении, от слоя к слою...

Создание проекта сети, находящейся в нескольких зданиях и двух удаленных филиалах

Рассмотрев различные конфигурации ЛВС из таблицы 1, был выбран 3 вариант - сеть на основе сервера. Сервер в сети клиент/сервер представляет собой ПК с жестким диском большой емкости либо отдельный многопроцессорный блок...

Для того чтобы построить локальную сеть (ЛВС), необходимо в первую очередь выбрать топологию построения, от которой будут зависеть характеристики планируемой сети. Термин «топология» отражает физическое расположение серверов, рабочих станций, компьютеров, кабелей, а при наличии также и расположение коммутаторов, концентраторов и маршрутизаторов. Фактически, говоря простым языком, это «карта» сети, которая выбирается в зависимости от потребностей пользователей. Выбор топологии влияет на состав и технические характеристики сетевого оборудования, способы управления системой и возможность дальнейшего расширения сети.

Базовыми топологиями для построения ЛВС являются топологии «шина» (bus), «кольцо» (ring) и «звезда» (star).

Для того чтобы построить локальную сеть, взяв за основу шинную топологию, необходимо все устройства сети подключить к общей шине. Для обмена информацией узла с другим узлом будет использоваться общая шина.

Достоинствами топологии являются экономичный расход кабеля, расширяемость, простота эксплуатации.

К недостаткам относятся уменьшение пропускной способности ЛВС при возрастании объемов трафика, трудность локализации поврежденного участка, повреждение центрального кабеля повлечет остановку работы большого количества пользователей.

Локальнаясеть, построенная по топологии «кольцо», представляет собой замкнутый кабель с подключенными к нему узлами. Передаваемая информация проходит по кольцу только в одном направлении и передается через каждый подключенный к ЛВС узел.

К достоинствам топологии относится то, что количество подключенных узлов не оказывает влияния на производительность всей системы, а все компьютеры имеют равноправный доступ.

В качестве недостатков можно отметить, что повреждение одного из узлов может повлиять на работу всей сети.

Выбор топологии «звезда» определяет подключение всех узлов к центральному концентратору. Информация от передающего узла поступает ко всем остальным компьютерам через концентратор.

Достоинства топологии - это централизованный контроль над ЛВС и быстрая расширяемость. Повреждение одного из узлов не повлияет на работу всей сети.

Недостатком топологии является то, что при выходе из строя концентратора прекращается работа всей сети.

Кроме основных видов топологий достаточно часто встречаются гибридные и комбинированные топологии, позволяющие полностью покрыть все требования по охвату локальной сети .

Сравнив, все выше перечисленные топологии сети, мы будем применять топологию «звезда». Иерархическая звезда состоит из главного коммутатора, к которому подсоединены коммутаторы этажей. К ним подсоединяются рабочие станции.

После выбора топологии приведем план размещения рабочих мест с указанием расположения коммутационного оборудования.

На рисунках 3.1, 3.2 приведены планы второго и первого этажа школы, где наглядно можно увидеть, как будет построена сеть, где будут размещены компьютеры, коммутаторы, сервер и как они будут соединены.

Рисунок 3.1 - План первого этажа здания

Рисунок 3.2 - План второго этажа здания

Схема логической структуризации сети приведена на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 - Логическая организация сети

Кроме выбора топологии сети, к основным требованиям относятся:

1. Отказоустойчивость - это один из основных факторов, который нужно учесть при построении локальных сетей.

В случае выхода сети школы из строя возможны нарушение работы сотрудников, потеря данных.

Для того, что бы свести к минимуму вероятность отказа сети прибегают к нескольким средствам:

• - дублирование блоков питания;
• - возможность «горячей» замены компонентов;
• - дублирование управляющего модуля;
• - дублирование коммутационной матрицы / шины;
• - использование нескольких дублирующих соединений;
• - использование технологии Multi-LinkTrunk (MLT) и Split-MLT;
• - возможное внедрение протоколов балансировки нагрузки и дублирования на уровне маршрутизации;
• - разнесение окончания каналов;
• - разнесение каналов;
• - использование высоконадежного оборудования
• 2. Управляемостьсети подразумевает возможность централизованно контролировать состояние основных элементов сети, выявлять и разрешать проблемы, возникающие при работе сети, выполнять анализ производительности и планировать развитие сети. В идеале средства управления сетями представляют собой систему, осуществляющую наблюдение, контроль и управление каждым элементом сети - от простейших до самых сложных устройств, при этом такая система рассматривает сеть как единое целое, а не как разрозненный набор отдельных устройств.

Хорошая система управления наблюдает за сетью и, обнаружив проблему, активизирует определенное действие, исправляет ситуацию и уведомляет администратора о том, что произошло и какие шаги предприняты. Одновременно с этим система управления должна накапливать данные, на основании которых можно планировать развитие сети. Наконец, система управления должна быть независима от производителя и обладать удобным интерфейсом, позволяющим выполнять все действия с одной консоли.

Решая тактические задачи, администраторы и технический персонал сталкиваются с ежедневными проблемами обеспечения работоспособности сети. Эти задачи требуют быстрого решения, обслуживающий сеть персонал должен оперативно реагировать на сообщения о неисправностях, поступающих от пользователей или автоматических средств управления сетью. Постепенно становятся заметны более общие проблемы производительности, конфигурирования сети, обработки сбоев и безопасности данных, требующие стратегического подхода, то есть планирования сети.

Полезность системы управления особенно ярко проявляется в больших сетях: корпоративных или публичных глобальных. Без системы управления в таких сетях нужно присутствие квалифицированных специалистов по эксплуатации в каждом здании каждого города, где установлено оборудование сети, что в итоге приводит к необходимости содержания огромного штата обслуживающего персонала.

3. Масштабируемость означает, что сеть позволяет наращивать количество узлов и протяженность связей в очень широких пределах, при этом производительность сети не ухудшается. Для обеспечения масштабируемости сети приходится применять дополнительное коммуникационное оборудование и специальным образом структурировать сеть. Например, хорошей масштабируемостью обладает многосегментная сеть, построенная с использованием коммутаторов и маршрутизаторов и имеющая иерархическую структуру связей. Такая сеть может включать несколько тысяч компьютеров и при этом обеспечивать каждому пользователю сети нужное качество обслуживания .

Основные понятия

Если обратиться к стандартам структурированных кабельных систем (СКС), то для их кабельной системы определены следующие элементы:

• магистральная кабельная система группы зданий (включает соединения каждого распределителя здания с распределителем группы зданий);
• магистральная (вертикальная) кабельная система здания (обеспечивает соединение каждого из распределителей этажа с распределителем здания);
• горизонтальная кабельная система этажа (кабель от розетки пользователя до этажного распределителя).

Для «домашних» (территориальных, кампусных) сетей горизонтальная кабельная система в ее традиционном виде бессмысленна, так как на одном этаже редко бывает более 2-3 пользователей. По сути, в жилом доме роль горизонтальной разводки выполняет «подъездное» распределение.

Из-за малого количества пользователей в доме (обычно менее 20-30) нет необходимости выделять каждый подъезд в отдельную подсистему со своим активным (или пассивным) оборудованием. Более того, в ряде случаев это даже вредно из-за сложностей организации распределителей в реальных условиях.

Еще одной особенностью подобных сетей является фактическое отсутствие коммутационных (распределительных) панелей - их роль выполняет активное оборудование. В дальнейшем, по мере увеличения количества абонентов и широкого использования многопарных кабелей, потребность в них неизбежно возникнет. Но пока я считаю преждевременным использовать коммутационные панели как необходимый структурный элемент.

Учитывая эти особенности, для «домашних» сетей можно определить следующие структурные элементы:

• абонентская система здания. Как следует из названия, она служит для подключения конечных пользователей к активному (редко пассивному) оборудованию Ethernet-провайдера внутри одного дома;
• магистральная кабельная система. Служит для объединения активного оборудования абонентских систем здания в единую инфраструктуру и их соединения с другими сетями (в том числе с Интернетом).

Основываясь на этих определениях, рассмотрим подробнее основные варианты построения сетей, начиная с магистралей и заканчивая абонентской системой.

«Начинающая» сеть (гирлянда)

Основным признаком «начинающей» сети можно считать отсутствие упорядоченной структуры и явно выраженных магистралей. Кабель, проложенный первоначально для одного отдаленного пользователя, может в любой момент стать основой для подключения еще нескольких домов (с десятками абонентов). При этом активное оборудование (и его месторасположение) остается прежним.

В общем, такая сеть напоминает непрерывно и беспорядочно растущий организм. Очень велико влияние субъективных (или попросту случайных) факторов. Естественно, невозможно предсказать, какую форму примет сеть через значительный промежуток времени.

Такая сеть очень похожа на елочную гирлянду. Активные устройства соединены последовательно на нескольких «лучах», которые, в свою очередь, тоже могут иметь многочисленные разветвления.

Подобная сеть стоит довольно дешево и вполне способна развиваться за счет подключения новых пользователей. Будучи достаточно надежной (до определенных пределов), она обеспечивает приемлемую скорость, поэтому почти все начинающие Ethernet-провайдеры прошли через этот этап.

Но при росте сети последовательно соединенные коммутаторы (хабы) оказываются слабым звеном. Отказы недорогого оборудования отнюдь не редки по самым разным причинам - «зависание», сбои питания, повреждения в грозу, замокания, воровство, вандализм и т.п. А следствием неисправности любого устройства в цепочке может стать неработоспособность всей подключенной к нему линии. При этом наиболее удаленным абонентам приходится мириться с большими простоями.

Давать здесь однозначные рекомендации сложно - условия могут сильно различаться не только в разных городах, но и в разных районах. С точки зрения надежности можно признать нерациональным построение цепочки более чем из 2-3 активных устройств. В целом это совпадает с рекомендациями стандартов СКС, только надо учитывать, что в их основу положены существенно более надежные решения и большого «запаса» по этому параметру домашняя сеть иметь не будет.

Поэтому ответ на традиционный вопрос начинающих сетестроителей - сколько можно соединить последовательно коммутаторов, или хабов, - может быть таким: если принимать во внимание только техническую (или теоретическую) работоспособность, данные можно передавать и по линии из 30-50 коммутаторов, но строить такую сеть, мягко говоря, нерационально - практика показывает, что уже при 15-20 последовательно соединенных устройствах сеть становится практически неработоспособной (разумеется, с точки зрения последнего абонента в «гирлянде»).

Из вышесказанного можно сделать следующие выводы. На сегодняшний день подобный способ развития имеет смысл только в небольших городах с низким платежеспособным спросом, причем в отсутствие конкуренции. Здесь ему альтернативы нет.

Второй вариант применения «начинающей» сети удобен как временный вариант минимизации расходов в случае возможности аренды надежной и относительно недорогой опорной сети. При этом на первом этапе несколько пользователей могут быть подключены небольшой «гирляндой», а в случае увеличения их количества - переведены на отдельный (арендованный или приобретенный) магистральный канал (оптоволокно, xDSL и т.п.).

«Звезда» или «кольцо»?

Традиционно считается, что локальные сети должны строиться по топологии «звезда», а кольцевая архитектура присуща серьезным телекоммуникационным системам на основе SDH/ATM (это очень эффективное средство повышения надежности в телефонии, где несколько АТС могут продолжать работу независимо от вышедшего из строя узла).

Однако любая многосвязная архитектура более надежна, чем простое соединение. И кольцо Ethernet - не исключение. С распространением недорогих коммутаторов, поддерживающих STP (протокол покрывающего дерева), использование резервных связей стало достаточно простым процессом, не требующим вмешательства администраторов сети. При использовании «кольца» в случае выхода из строя того или иного узла (или части кабельной системы) работоспособность сети в целом сохраняется.

«Звезда», в свою очередь, немного лучше приспособлена для предоставления обычной для локальной сети централизованной услуги. Действительно, в ЛВС почти всегда есть сервер или маршрутизатор, для доступа к которому (по большому счету) и построена сеть. Общение пользователей «напрямую» не слишком нужно, а часто и просто запрещено по соображениям безопасности.

Кроме того, кольцевая топология является избыточной по числу связей, а значит, и более дорогой. Вопрос надежности стоит не слишком остро из-за небольших размеров «обычной» ЛВС.

Какая топология более предпочтительна для домашней сети? Вопрос сложный и далеко не однозначный. Даже в корпоративных сетях до недавнего времени в качестве альтернативы единого центра (магистрали, вырожденной до внутренней шины коммутатора) предлагалось решение на базе распределенной магистрали (обычно на основе технологии FDDI).

Ethernet вытеснил FDDI, предложив STP с похожими возможностями, по сути, «в нагрузку» к обычному активному оборудованию. Но выбор архитектуры магистрали от этого не стал проще. Достоинства и недостатки есть у обоих способов.

Кроме перечисленных, большое влияние на выбор топологической схемы может оказать множество субъективных факторов. Например, исторически сложившиеся кабельные линии, местные условия прокладки или финансовые возможности.

В общем, можно сделать вывод, что «кольцо» несколько более предпочтительно по условиям надежности, но для его выбора необходимы серьезные первоначальные вложения и наличие самой технической возможности строительства «кольца».

Однако на практике идеальные топологические решения встречаются очень редко. Реальность - это в большой степени путь компромисса. Ведь вопрос не стоит - «или-или», как в случае с противостоянием двух политических систем. Просто нужно оптимальное решение, и, скорее всего, оно будет представлять собой синтез описанных выше схем.

В связи с этим полезно рассмотреть несколько типичных примеров.

Сравнение топологий «Звезда» и «Кольцо»

Выбор топологии в реальных условиях

сновной бич домашних сетей - это трудности прокладки кабелей. Спроектировать и построить инфраструктуру крупного предприятия или межстанционные соединения АТС можно не считаясь с затратами, изменяя под проект местные условия. В случае необходимости можно выкопать новый туннель, возвести эстакаду, проложить подводный кабель и т.п.

При прокладке недорогих сетей ситуация принципиально иная: неизбежно приходится подстраиваться под застройку города. В некоторых местах прокладка невозможна, где-то нежелательна или стоит очень дорого. Масса на первый взгляд незначительных помех часто превращает подобные работы в «шаманство», требует от проектировщика глубоких знаний местных условий.

Основным типом сети, который сложно уложить в вышеописанные схемы, является линейный.

Такая сеть представляет собой уже рассмотренную выше «гирлянду» в ее самом примитивном и ненадежном виде. Отказ любого промежуточного узла вызывает прекращение услуги абонентам, подключенным далее по линии.

Вдобавок приходится констатировать, что это один из самых распространенных сегодня типов небольших сетей. Использованию такой формы способствуют особенности линейной городской застройки, экономия магистрального кабеля, стремление с минимальными затратами «дотянуться» до «перспективного» дома (или хорошего друга) и т.п.

Что же можно сделать для увеличения надежности линейной структуры?

Наиболее очевидным вариантом будет превращение «гирлянды» в «звезду», пусть кабели лежат рядом или даже в одной оболочке. Такой подход позволит избежать отказа всей сети при локальном сбое электропитания или при неисправностях активного оборудования. Иначе говоря, каждый узел работает с центральным узлом независимо от других.

Можно заметить, что в этом нет ничего нового - именно так обычно строится внутридомовая проводка телефонии или СКС. Подобно этому, для магистрали может с успехом применяться один физический кабель, особенно в сетях небольшого и среднего размера.

Но, как правило, это технически осуществимо (и рентабельно) только в случае использования оптоволокна. Стоимость большого количества волокон в одном кабеле не слишком высока (хотя и вполне ощутима). В то же время для медных многопарных кабелей при таком подходе нет места: 100-200 м - вот предел их работы. А это очень мало для междомовых магистралей.

Очевидно, что для любой среды передачи кабель будет самым уязвимым звеном. Его повреждение вызовет отказ всех расположенных далее узлов без исключения. Это основной и неустранимый недостаток линейной «звезды».

В случае применения отдельного кабеля главным недостатком становится его большой расход. Кроме того, использовать специальные решения типа П-296 сложно - пучок толстых кабелей (более 10 мм диаметром каждый) хорошо заметен, поэтому будет привлекать внимание злоумышленников. К тому же выглядит это довольно некрасиво, даже на большой высоте.

Помимо всего прочего кабели хоть и разделены, но идут по одной трассе. Поэтому вероятность их одномоментного отказа остается достаточно высокой.

Вышеописанных проблем можно избежать, применив линейное «кольцо». Действительно, совсем необязательно замыкать магистраль при помощи своих кабелей. Это вполне можно сделать и через Интернет (либо через какую-нибудь иную сеть передачи данных).

При этом понадобится более тонкая настройка программной части сети. В пользовательском компьютере может быть установлен только один «шлюз по умолчанию» (маршрутизатор, которому отправляются дейтаграммы IP, адресованные во внешние сети).

Следовательно, в случае повреждения линии в какой-либо точке желательна (но в общем случае не обязательна) автоматическая «подмена» основного канала резервным. Это сравнительно просто сделать с помощью фиктивных адресов пользователей и несколько сложнее с помощью реальных адресов, но в целом такая «подмена» не представляет неразрешимой задачи.

Как и в классическом «кольце», общий отказ возможен только при одновременной неисправности двух активных устройств или при повреждении кабелей в двух точках. Понятно, что вероятность такого события невелика, поэтому можно получить вполне надежную сеть при линейной топологии в случае оплаты «запасного» канала подключения к Интернету.

Нужно отметить, что резервные коммуникации могут быть значительно менее скоростными, чем основные, а значит, и сравнительно недорогими, вполне доступными Ethernet-провайдеру средней величины.

Еще одним вариантом линейного «кольца» можно считать «гирлянду», в которой предусмотрена «обратная петля» - одна пара волокон в кабеле проходит по очереди через все активные устройства, а другая идет «цельной» и соединяет первый и последний узлы сети.

«Обратная петля» позволяет при малых затратах надежно защититься от отказов активного оборудования, но в этом случае сеть уязвима при повреждении кабеля.

Тем не менее это, пожалуй, лучший способ для небольшой линейной сети, в которой построение обычного «кольца» слишком сложно или дорого.

Но что делать, если финансовое положение участников «начинающей» сети не позволяет использовать оптоволокно в линейной «звезде», «обратной петле» или в схемах, которые используют резервирование? В этом случае ситуацию может улучшить (но не исправить полностью) следующая топология:

Итак, ни в коем случае не следует стремиться построить длинную «гирлянду» из последовательных активных устройств. Значительно более целесообразно выделить магистраль, использующую минимальное количество оборудования. Пусть иногда придется возвращаться - расход кабеля при этом будет не слишком большим, зато общая надежность сети значительно возрастет. Например, для недорогого П-296 (П-270) вполне достижимо проложить 400-500 м без повторителей. Значит, на сеть радиусом в 1,5 км (а это очень много) понадобится всего 4-5 устройств, в то время как при построении «гирлянды» количество повторителей составит 15-20 штук.

Не нужно хорошо разбираться в теории вероятностей, чтобы сделать вывод о времени простоя сети при разных топологиях построения. Очевидно, что «гирлянда» будет больше ремонтироваться, чем работать.

В заключение, для пояснения общих принципов построения сети, предлагаем вашему вниманию схему вполне реальной (не придуманной) сети. Увы, расположение домов пришлось не указывать из соображений безопасности.

На схеме видны два связанных кольца, в которых часть узлов является центром небольшой «звезды». Таким образом, полностью вывести сеть из строя достаточно сложно. Обрыв любого кабеля на кольце не остановит работу. А разветвления позволяют охватить значительную территорию (практически весь район).

По сути, это компромисс «звезды» и «кольца», адаптированный под имеющиеся дома, с учетом минимальных затрат кабеля и оборудования. И все это с сохранением достаточной потенциальной надежности.

В «транзитных» точках предполагалась установка 3com SS II 1000 с оптоволоконным модулем, в узловых точках - дополнительно 3com SS II 3000 FX c пятью оптоволоконными портами и одним витопарным.

В результате получилась очень недорогая, но надежная 100-мегабитная магистраль, с поддержкой STP и хорошими возможностями управления. Стоимость 10-мегабитного управляемого (!) абонентского порта (без учета кабелей) менее 20 долл. Можно предположить, что полная стоимость сети, с учетом всех затрат по строительству, окажется не более 60-70 долл. за порт. На мой взгляд, это очень даже неплохо.

В случае если сеть будет предназначена для оказания более дорогих услуг по передаче данных, можно сориентировать ту же самую топологию на более современное железо. Например, поставить 3com SS II 1100 на «транзит» и 3com SS II 3300 (или Intel 550F/T) в узлы.

Ну, а совсем уж богатым можно предложить Catalyst 2950 и что-то типа 3508 в точки разветвления. При этом полная стоимость абонентского порта приблизится к привычным в СКС 500 долл., а сеть будет мало похожа на домашнюю. Но вполне возможно, именно так будут устроены коммуникации Ethernet-провайдеров лет через пять...

Абонентская система здания

сновное назначение абонентской системы здания (иначе говоря, внутридомовой разводки) - подключение конечных пользователей к активному (очень редко пассивному) оборудованию Ethernet-провайдера внутри одного дома. В функциональном плане назначение данной системы почти то же (в терминах СКС), что и у горизонтальной кабельной системы, но прокладка сети в жилом доме обладает целым рядом особенностей.

Во-первых, как было показано выше, в качестве базового протокола оптимально использовать 10Base-T, требования которого к качеству коммуникаций невысоки. Основным материалом бесспорно можно считать витую пару 5-й категории. Единственное, на что при этом стоит обратить внимание, - это количество пар в кабеле. Спецификации Ethernet 10/100base-T явно определяют необходимый минимум - две пары, максимальное их количество не ограничено и может быть выбрано по потребности (например, довольно широко используются 25- и 50-парные кабели).

Во-вторых, из вполне понятных экономических соображений Ehternet-провайдерам приходится подстраиваться под архитектурные особенности зданий. Нельзя прокладывать коммуникации без учета расходов, как это принято при инсталляции СКС (тем более совмещать их со строительством или капитальным ремонтом). Поэтому желательно еще на стадии проекта (или эскиза) учесть пропускную способность шахт слаботочной проводки, вводов, возможность крепления кабелей, предусмотреть защиту активного оборудования от злоумышленников и многое другое.

В-третьих, заранее не известно ни количество, ни расположение абонентов. Подводить кабели ко всем без исключения квартирам имеет смысл только в элитных домах. В большинстве зданий по статистике подключаются в первый год не более 10% жильцов, и такие затраты просто необоснованны. В результате абонентская система растет постоянно, по мере увеличения количества абонентов.

Учитывая вышесказанное, рассмотрим наиболее важный аспект в строительстве абонентской системы здания - топологию сети, которая определяется в основном местоположением активного оборудования.

Хаотичное расположение оборудования

Подобная топология достаточно типична для начинающих сетей. Само название говорит о том, что упорядоченной структуры нет, оборудование ставится «где удобно» и, скорее всего, «когда угодно». Например, нужно подключить соседа - ставится хаб (коммутатор) в подъездном щитке. Или расстояние до соседнего дома оказалось слишком велико, в результате на чердаке (техэтаже) поставлено активное устройство. А то и еще проще - в момент прокладки не удалось получить доступ на один из этажей (нет никого из жильцов) - ставится еще один разветвитель.

Таким образом, причин (и мотиваций) может быть много - от вполне резонных до сиюминутных. Результат обычно получается вполне работоспособным, но до определенных пределов, за которыми может последовать частичная или полная неработоспособность сети (часто с труднообъяснимыми симптомами).

Можно согласиться, что современное активное оборудование очень дешево, надежно и позволяет легко создавать разветвленные запутанные сети. Кроме того, используется минимальное количество кабеля и проводятся самые простые монтажные работы.

Но для промышленного использования такой вариант не годится по следующим причинам:

• отдельное электропитание каждого устройства приводит к необходимости подключения к силовой сети во множестве точек. Пока это делается пиратским способом, особых сложностей не видно (кроме заметного снижения надежности и повышения сложности работ). Но как только потребуется официальная сдача сети, пусть даже самой первичной инстанции (ЖЭК, ДЭУ), быстро выяснится вся сложность ситуации. Как минимум потребуются электрический счетчик, щиток под него, предохранители... В общем, можно без преувеличения сказать, что проблемы с пожарной инспекцией, энергосбытом, ГСН и другими инстанциями будут фактически неразрешимыми;
• для оказания качественной услуги, надежной авторизации и защиты абонентов необходим удаленный контроль каждого пользователя на порту активного оборудования. Однако до выпуска недорогих малопортовых управляемых коммутаторов еще довольно далеко, а их стоимость пока отличается от цены простейших хабов (являющихся в настоящее время фундаментом хаотичных сетей) на сотни долларов. Таким образом, рассматриваемая сеть, с точки зрения администраторов, является «черным ящиком», процессы внутри которого не поддаются контролю, а тем более управлению;
• обслуживание активного оборудования - едва ли не самая большая статья расходов Ethernet-провайдеров. Очевидно, что гораздо проще следить за состоянием одного мощного коммутатора, чем за десятком небольших хабов, рассеянных по дому (да еще не всегда с очевидным местоположением, доступом и правом собственности). То же самое в полной мере относится и к защите от злоумышленников - чем меньше устройств, тем их проще охранять.

Полагаю, что каждого из перечисленных пунктов достаточно для создания мотивации к переходу на другие схемы построения абонентских систем здания (конечно, при наличии финансовых возможностей).

Структурирование по подъездам

В этом варианте пользователи подключаются к «своему», обслуживающему только их подъезд устройству (хабу, коммутатору). Оборудование всех подъездов подключено к одному коммутатору, который, в свою очередь, тем или иным образом включен в магистраль.

Этот вариант является фактическим отражением офисных локальных сетей. Только роль «вертикальной» межэтажной магистрали играют «межподъездные» связи, а разводка внутри подъезда - аналог горизонтальной кабельной системы этажа в терминах СКС.

Такая схема может применяться, если в подъезде имеется достаточное количество абонентов (не менее 10-15), которое оправдывает размещение отдельного коммутатора.

Наиболее правильное место размещения с точки зрения топологии сети - один из средних этажей. Однако, как правило, архитектурой отечественных зданий это не предусмотрено и приходится искать место на техэтаже, в подвале, в лифтовой и подобных местах. При этом может проявиться главный недостаток централизованных схем - узость шахт слаботочной проводки. К сожалению, с этим приходится считаться; ниже мы расскажем о нескольких способах, позволяющих снять остроту проблемы.

Второй существенный недостаток: сдача «инстанциям» даже единственного в подъезде устройства может оказаться очень дорогой, особенно в старых домах, где есть сложности с удобным местом размещения и правильным подводом питания. Хотя нельзя не признать, что если возникла потребность в установке коммутатора в каждом подъезде (много абонентов), должно хватить средств и на легализацию.

Один дом - один распределительный пункт

Предельная централизация абонентской системы здания - установка оборудования в одной точке дома, куда сходятся кабельные линии от всех абонентов.

Протокол 10Base-T позволяет на современных кабелях 5-й категории нормально работать на расстояниях до 200 метров (а часто и более). Учитывая, что высота 10-этажного дома около 30 метров, длина на подъезд - примерно 25-30 метров, вполне достаточно одного активного устройства на 7-8 подъездов. В случае если здание очень большое, целесообразно рассматривать его логически как несколько домов, соединенных магистралями (в том числе оптоволоконными).

Преимущества этой схемы перед предыдущей очевидны: установка, подвод питания, обслуживание, защита от злоумышленников - все в одном месте. Но недостатки тоже имеются - главным образом это кабельные линии большей протяженности и немалой толщины.

Что лучше выбрать? Решение придется принимать в основном из архитектурных соображений. Если существует реальная возможность протащить толстые пучки кабелей через шахты слаботочной проводки, то вариант с одним распределительным пунктом будет более предпочтителен. То же самое относится к ситуации, когда в подъезде приходится прокладывать новые кабельные каналы (это нередкий случай в старых домах, где слаботочная проводка не предусмотрена вообще).

Когда коммуникационные трубы слишком узкие, строение многоэтажное (более 10-12 этажей) и много абонентов (или есть перспективы их появления), целесообразно использовать структурную схему, ориентированную на установку активного оборудования в каждом подъезде.

Централизованная схема удобнее в относительно невысоком здании (менее 10-12 этажей) с числом абонентов в подъезде менее 10-15. Под это определение попадает около 90% отечественных домов, поэтому можно считать данный вариант основным.

Следует подчеркнуть дополнительное преимущество схемы с одним распределительным пунктом в доме. При развертывании сети часто бывает, что пользователей мало (всего 1-2 на дом). Понятно, что ставить в этой ситуации несколько активных устройств сразу не выгодно. А когда сеть разрастется, не придется менять ее топологию - достаточно вместо 6-портового хаба поставить мощный 25-портовый коммутатор или даже что-то более серьезное. Кабельная система здания может остаться прежней.

Минимизация толщины кабельного пучка

Так или иначе, но чем тоньше кабель, тем проще его использовать на реальных объектах. При этом стандартный для офисных локальных сетей 4-парный кабель является, пожалуй, наименее подходящим решением из-за наличия двух неиспользуемых пар. Поэтому в стесненных условиях целесообразно подключать один кабель сразу к двум портам (разделяя пары через розетку или плинт).

Еще больший выигрыш дает 25- или 50-парный кабель. Экономия толщины в этом случае идет за счет одной на все пары внешней оболочки и более плотной упаковки пар. Но возникает проблема этажной разводки - делать ее полностью на каждом этаже почти нереально (дорого и заметно снизится качество электрического тракта). Решить задачу можно следующими способами:

• выводить из-под общей оболочки несколько пар на каждом этаже (2, 4, 6 или более), а остальные пускать дальше, не разрезая. Но я, к сожалению, не знаю красивого способа сделать это. Можно аккуратно вскрыть оболочку вдоль многопарного кабеля на длину порядка 10 см, обрезать нужные пары с одной стороны и вывести их наружу. Далее закрыть надрез (скорее всего изолентой) и подсоединить выведенные пары к тонкому кабелю (2- или 4-парному), которым выполнена проводка до пользователя;
• более правильно с точки зрения стандартов будет разделать весь многопарный кабель на одном из средних этажей на специальном плинте («Крона» или «110»), а затем развести по абонентам подъезда обычной витой парой. Недостатки - больший расход кабеля, относительно дорогостоящий плинт (порядка 20 долл.), необходимость запаса сечения кабельных каналов на «обратную» прокладку.

Однако, несмотря на внешние сложности, использовать многопарный кабель при массовых прокладках очень удобно. 25-парный кабель эквивалентен шести обычным 4-парным витым парам, но значительно тоньше и удобнее в работе.

В последнее время некоторые Ethernet-провайдеры стараются проложить по стояку слаботочной проводки подъезда 25-парный кабель сразу - «на вырост». Подключение пользователей к нему делается позже, по мере необходимости. Со стороны оборудования весь кабель заводится на 50-100-парный плинт, а далее (иногда через грозозащиты) в коммутатор.

Такой подход позволяет напрямую подключать к коммутатору до 12 абонентов в каждом подъезде. При большем количестве пользователей придется прокладывать дополнительный кабель (не обязательно многопарный).

Помимо этого остается «неправильный», но дешевый выход - подключить нескольких соседей на один хаб и передать его последним на полное «самообслуживание». Иногда это удобно как для провайдера (его ответственность заканчивается на порту хаба), так и абонентам - они сэкономят на подключении.

КомпьютерПресс 8"2002