Sieci i Systemy Teleinformatyczne (SIST)
2. Typy i topologie sieci
Sieć komputerowa jest to system komunikacyjny łączący ze sobą systemy
pośrednie i końcowe, które często nazywane są tak\
e stacjami sieciowymi lub po
prostu stacjami.
Stacje sieciowe połączone są ze sobą przy pomocy ró\
norodnych mediów
transmisyjnych. Medium transmisyjne wraz z nadajnikiem (serwerem, hostem) i
odbiornikiem (stacją roboczą, terminalem, klientem) tworzy łącze.
Sieci komputerowe mo\
na podzielić na następujące klasy:
I. lokalne sieci komputerowe LAN (Local Area Network)
II. miejskie sieci komputerowe MAN (Metropolitan Area Network)
III. rozległe sieci komputerowe WAN (Wide Area Network)
IV. radiowe sieci komputerowe
V. satelitarne sieci komputerowe
LAN - Local Area Network (lokalna sieć komputerowa) jest to sieć, która
łączy u\
ytkowników na niewielkim obszarze (na przykład w jednym budynku).
Typową cechą sieci LAN jest korzystanie przez wszystkie stacje z jednego
medium. Sieci te charakteryzują się tak\
e niewielkim kosztem dołączenia stacji,
łatwością dalszej ich rozbudowy. Oczywiście istnieją ju\
sieci LAN korzystające z
nowoczesnych łączy, rozciągających się na terenie o wiele większym, ni\
pierwsze
implementacje. O ile na przykład zasięg sieci lokalnej opartej na Ethernecie liczy
się najwy\
ej w tysiącach metrów, o tyle sieć LAN oparta o FDDI mo\
e mieć
zasięg dziesiątków kilometrów.
 MAN - Metropolitan Area Network (miejska sieć komputerowa) jest siecią
występującą na znacznym obszarze miasta. W większości przypadków są to
szybkie sieci, wykorzystujące światłowody jako pośredniczące medium
transmisyjne. Zadaniem tych sieci jest udostępnianie ró\
nych usług. Mo\
e to być
łączenie odległych od siebie sieci LAN lub korzystanie z mocy obliczeniowych
innych, specjalizowanych komputerów.
Ogniwem pośrednim między sieciami LAN i MAN są tak zwane sieci
kampusowe, których nazwa wywodzi się od tego, i\
najczęściej sieci takie
spotykane są na uczelnianych kampusach. Początkowo istnialy one tylko w USA, a
obecnie polskie uczelnie tak\
e powszechnie sieciują swoje akademiki.
 WAN - Wide Area Network (rozległa sieć komputerowa) jest siecią o du\
ym
zasięgu, przekraczająca granice miast, a nawet państw. Architektura tej sieci składa
się z węzłów oraz łączących je łączy transmisyjnych. Uzyskanie dostępu do sieci
rozległej mo\
liwe jest tylko w węzłach, w których zainstalowane są odpowiednie
urządzenia. Bardzo ró\
norodny jest sposób łączenia ze sobą poszczególnych
węzłów sieci rozległych. Mo\
e odbywać się to z wykorzystaniem publicznych
sieci telekomunikacyjnych, specjalnie stworzonych lub wydzier\
awionych łączy,
czy te\
kanałów satelitarnych lub radiowych.
Poza najczęściej spotykanymi typami sieci funkcjonują inne, często jeszcze
eksperymentalne rozwiązania:
Sieć radiowa (Radio Network) jest siecią bezprzewodową, wykorzystującą fale
radiowe jako medium transmisyjne. Ka\
da stacja korzystająca z tego typu sieci
musi posiadać własne, dedykowane urządzenie nadawczo-odbiorcze. Zasięg sieci
radiowej uwarunkowany jest rodzajem wykorzystywanego sprzętu.
Sieć satelitarna jest siecią, w której sygnały ze stacji naziemnych
przekazywane są do satelity, a następnie retransmitowane są do innej stacji
naziemnej. W tym przypadku satelita pełni tak\
e rolę wzmacniacza sygnału, nieco
przypominającą funkcjonalność repeatera w tradycyjnych sieciach. W tym
przypadku zasięg takiej sieci uwarunkowany jest głównie przez rodzaj u\
ytego
sprzętu, choć generalnie są to sieci o największym zasięgu. Tego rodzaju łącza
wykorzystywane mogą być na przykład jako kanały transmisyjne między
poszczególnymi węzłami sieci WAN. Często technologię tę wykorzystuje się jako
alternatywę dla połączeń naziemnych i korzysta z tego rodzaju łączy w przypadku
awarii tradycyjnych kanałów transmisyjnych.
Podział sieci komputerowych mo\
e tak\
e być związany bezpośrednio z
aspektem ich zastosowania i wykorzystywania. W takim przekroju, wyró\
nia się
najczęściej:
sieci osobiste (prywatne), dedykowane sieci korporacyjne oraz sieci publiczne.
Rozwój najbardziej zaawansowanych technologicznie sieci rozległych
zapoczątkowany został na początku lat sześćdziesiątych ubiegłego (ju\
) wieku. W
następstwie prekursorskich badań i prób zapoczątkowano w 1968 roku program
projektowania i budowy pierwszej sieci komputerowej. Sieć tę nazwano
ARPANET od nazwy organizacji, która finansowała ten program  Advanced
Research Project Agency (Agencja Badań Perspektywicznych Departamentu
Obrony USA). Celem tego programu było utworzenie eksperymentalnej,
działającej sieci. Nale\
ało wówczas rozwiązać problemy techniczne związane z
łączeniem ró\
nego rodzaju typu komputerów oraz opracować oprogramowanie
zapewniające prawidłowe funkcjonowanie sieci tzn. sieciowy system operacyjny.
Po dziewięciu latach przy współudziale 50 uniwersytetów zakończono w 1975
roku etap eksploatacji eksperymentalnej i oddano sieć do normalnego
u\
ytkowania.
Ówcześnie sieć ARPANET łączyła ośrodki militarne, rządowe, laboratoria
naukowe i wy\
sze uczelnie. W roku 1983 militarna część sieci ARPANET została
wydzielona jako niezale\
na sieć MILNET (Military Network). W roku 1990
zrezygnowano z nazwy ARPANET i powołano do eksploatacji nową sieć Internet,
w której całkowicie zmieniono schematy adresacji, wprowadzając między innymi
protokół IP (Internet Protocol, Internetwork Protocol) który w wersji 4 obowiązuje
do dnia dzisiejszego.
W Polsce kilka zespołów badawczych podjęło tematykę sieci rozległych na
początku lat siedemdziesiątych. Następnie, w drugiej połowie lat
siedemdziesiątych, podjęto prace związane z budową Międzyuczelnianej Sieci
Komputerowej (MSK). Ta eksperymentalna sieć trójwęzłowa (Wrocław -
Warszawa - Gliwice) została uruchomiona w 1985 roku. Odznaczała się ona
heterogenicznością architektury dołączonych komputerów i umo\
liwiała dostęp do
bibliotecznych baz danych. Druga połowa lat osiemdziesiątych to przede
wszystkim badania nad utworzeniem Krajowej Akademickiej Sieci
Komputerowej (KASK) oraz badania związane z dołączeniem Polski do sieci
EARN (European Academic and Research Network).
Instalacje sieciowe powstałe w kraju przed rokiem 1990 nale\
y traktować jako
eksperymentalne. Na takiej sytuacji zawa\
ył fakt, \
e Polska na skutek embarga nie
miała wówczas dostępu do zaawansowanych technologicznie urządzeń sieciowych
i do oprogramowania sieciowego.
Po roku 1990 na skutek swobodnego dopływu technologii powstało w Polsce
wiele publicznych i prywatnych sieci rozległych. Do najwa\
niejszych sieci
publicznych mo\
na zaliczyć sieć POLPAK, POLPAK-T, sieć TELBANK, sieć
KOA
PAK oraz Naukową i Akademicką Sieć Komputerową (NASK) łączącą
sieci regionalne ośrodków akademickich. Sieci publiczne mają wiele tysięcy
u\
ytkowników i korzystają z nich ró\
ne instytucje. Sieci te są połączone z sieciami
publicznymi w innych krajach, co jest wykorzystywane np. przez międzynarodowe
korporacje do zapewnienia łączności między sieciami i systemami
komputerowymi centrali korporacji a oddziałem w Polsce.
Wybrane organizacje standaryzacyjne
Międzynarodowa Organizacja Standaryzacyjna ISO została utworzona w 1947
roku w Londynie w celu ujednolicenia norm krajowych. Skupia " ona krajowe
organizacje normalizacyjne, organizacje badawcze, przemysłowe i naukowe.
Jednym z obszarów zainteresowań ISO są zagadnienia sieci komputerowych i
telekomunikacji. W tym zakresie, dzięki standardom ISO upowszechniane są
otwarte środowiska sieciowe, w których mo\
liwa jest wymiana danych między
systemami komputerowymi ró\
nych producentów.
Międzynarodowy Doradczy Komitet ds. Telefonii i Telegrafii CCITT
Amerykański Instytut Normalizacyjny ANSI jest organizacją opracowującą
standardy w zakresie kodowania i sygnalizacji. ANSI reprezentuje USA w
organizacji ISO i dla niej opracowuje równie\
standardy w zakresie transmisji
danych, przede wszystkim w zakresie sieci lokalnych.
Stowarzyszenie Elektroniki Przemysłowej EIA jest organizacją skupiającą
producentów sprzętu elektronicznego w USA. Publikuje standardy w zakresie
telekomunikacji i transmisji danych. EIA współpracuje z m.in. z ANSI. Wiele
standardów EIA, np. dotyczących styków szeregowych, ma swoje odpowiedniki w
zaleceniach CCITT.
Na uwagę zasługuje opracowany przez EIA we współpracy TIA
(Telecommunication Industry Association) standard okablowania
telekomunikacyjnego go budynków przy u\
yciu kabla skręcanego, tzw. skrętki.
Amerykańskie Stowarzyszenie In\
ynierów Elektryków i Elektroników IEEE
zajmuje się między innymi opracowaniem standardów w zakresie transmisji
danych. Równie\
IEEE przesyła swoje standardy do organizacji ISO, która
rozpowszechnia je jako standardy ISO 8802. Do bardziej znanych standardów
IEEE nale\
y zaliczyć standardy dotyczące metod dostępu do fizycznego nośnika
danych w lokalnych sieciach komputerowych.
Topologia sieci
Topologia określa fizyczny układ sieci, rozmieszczenie jej elementów składowych
oraz rodzaje połączeń stosowanych między stacjami roboczymi.
1. Magistrala liniowa
Topologia ta oparta jest o główny kabel, którym połączone są wszystkie stacje
robocze w sieci. W większości u\
yte łącza są jednorodnymi łączami elektrycznymi
(na przykład gruby kabel BNC). Maksymalna długość kabla oraz ilość stacji
podłączonych do niego ograniczane są przez parametry u\
ytego typu kabla.
Nadawane przez stacje sygnały, poruszając się w obu kierunkach, docierają do
wszystkich stacji włączonych do sieci, a na końcach kabla wytłumiane są przez
umieszczone tam terminatory, które mają wyeliminować odbicie sygnału od końca
kabla i jego ponowną wędrówkę przez medium.
Zalety:
" mała ilość u\
ytego kabla
" niski koszt
" awaria stacji nie uniemo\
liwia pracy sieci
Wady:
" uszkodzenie kabla głównego w dowolnym miejscu powoduje przerwę w
działaniu sieci
W niektórych przypadkach stosuje się drugi kabel w celu zwiększenia odporności
sieci na awarię. Takie rozwiązanie zwiększa jednak koszt sieci oraz zwiększa
stopień jej skomplikowania.
2. Gwiazda
Topologia gwiazdy oparta jest o jedno urządzenie centralne, którym mo\
e być
na przykład hub (koncentrator). Wszystkie węzły tej sieci połączone są
bezpośrednio z urządzeniem centralnym. Urządzenie centralne mo\
e kierować
ruchem w sieci. Ilość stacji w sieci oraz maksymalna odległość stacji od
urządzenia centralnego określona jest przez parametry u\
ytego kabla oraz
zastosowanego urządzenia. Czas propagacji sygnału w sieci nie jest zale\
ny od
ilości stacji do niej przyłączonych, a nadawane przez hub sygnały samoczynnie
zanikają po dotarciu do stacji, nawet jeśli stacja jest nieaktywna. Przypadek
wystąpienia kolizji mo\
e zostać łatwo wykryty przez urządzenie centralne i fakt jej
zaistnienia mo\
e zostać zakomunikowany wybranym stacjom.
Zalety:
" łatwość konserwacji sieci
" łatwość wykrywania uszkodzeń, monitorowania oraz zarządzania siecią
" awaria jednej stacji nie wpływa na pracę innych stacji
" sieć oparta o topologię gwiazdy mo\
e być łatwo modyfikowana i
rozbudowywana.
Wady:
" du\
y koszt instalacji
" awaria urządzenia centralnego parali\
uje pracę sieci
3. Pierścień
W topologii pierścienia wszystkie stacje połączone są przy pomocy jednego
nośnika w układzie zamkniętym, tworząc pierścień. Takie rozwiązanie eliminuje
konieczność stosowania terminatorów wygaszających sygnał na końcu kabla. W
jednym pierścieniu wykorzystane mogą być ró\
ne rodzaje łączy. Ka\
da stacja
włączona do takiej sieci posiada tak zwany retransmiter, którego zadaniem
jest regeneracja otrzymanego sygnału i przekazanie go stacji następnej.
Retransmiter mo\
e dodatkowo zmieniać zawartość przetwarzanej informacji,
wstrzymać proces regeneracji informacji lub nadać informację przygotowaną przez
bie\
ącą stację. Informacja wprowadzana do sieci musi zostać z niej usunięta przez
jeden z węzłów. Mo\
e tego dokonać adresat wiadomości lub w przypadku jego
braku w sieci, jej autor w chwili, gdy wróci ona do niego po pełnym obiegu
pierścienia. Z uwagi na wykorzystanie jednego łącza mo\
liwe jest wystąpienie
kolizji, co powoduje konieczność wprowadzenia algorytmu dostępu do łącza. Czas
propagacji sygnału w tej topologii jest uzale\
niony od włączonej do pierścienia
liczby stacji.
Zalety:
" mniejsza ilość wykorzystanego kabla ni\
w przypadku topologii gwiazdy
Wady:
" uszkodzenie jednej stacji mo\
e wpłynąć na działanie całej sieci
" trudniejsza diagnostyka oraz zarządzanie siecią
4. Drzewo
Topologia ta nazywana jest tak\
e topologią rozproszonej gwiazdy. Sieć tego typu
utworzona jest na początku z jednej, głównej magistrali liniowej, rozdzielającej się
na kilka magistrali, które następnie tak\
e mogą rozdzielać się na kolejne
magistrale.
Zalety:
" łatwość rozbudowy sieci
" ułatwienie lokalizacji uszkodzeń oraz prowadzenia diagnostyki
Wady:
" prawidłowa praca sieci zale\
y od głównej magistrali
6. Topologie mieszane
Mo\
liwe jest tworzenie sieci, które w swej konstrukcji łączą wspomniane tutaj
główne topologie. Często topologie mieszane są ze sobą w celu uzyskania większej
niezawodności w określonych zastosowaniach. Przykładami typowych topologii
mieszanych mogą być przypadki topologii pierścień-gwiazda lub gwiazda-
magistrala.