Kompiuterinių tinklų topologija

1. Įvadas
Pastaruoju metu informacija tampa svarbiu komercijos objektu. Sakoma, kad kas valdo informaciją, tas valdo pasaulį! Visuomenė išgyvena technologinę revoliuciją, kurios kertinis akmuo yra kompiuteris. Jis keičia mūsų bendravimo būdą, mokymo ir veiklos metodus, o spartus kompiuterių vystymasis didina šių pokyčių tempą.
Personaliniai kompiuteriai (PK) siūlo didžiulę naujų technologijų aibę. Pavyzdžiui, PK gali turėti vaizdžius ir detalius žemėlapius, kurie padeda verslo žmonėms ir turistams planuoti savo keliones. Dabar jau galima prisijungus prie kompiuterių tinklo nusipirkti naują automobilį, užsisakyti bilietus į teatrą, žaisti šachmatais suu kokiu nors didmeistriu ar pasiklausyti tolimos radijo stoties.
Milijonai žmonių, turintys nešiojamus PK, gali “būti darbe” iš tiesų būdami visai kitur- kliento biure, lėktuve ar namuose. Nešiojami PK gali sujungti su milžiniškomis duomenų bazėmis, padeda susisiekti su klientais ir kolegomis. Kompiuteris tampa bendravimo priemone. Tiek elektroninis paštas, tiek elektroninės skelbimų lentos leidžia siųsti ir gauti informaciją per kompiuterius, sujungtus į tinklą. Ateityje nauja technologijų banga sukels radikalius pasikeitimus mūsų gyvenime.
Kompiuterių vystymo istorija trumpa (tik pusė amžiaus!), o tempai įspūdingi. Iki 19946 metų mūsų tėvai ir seneliai statė laivus, atliko finansinius skaičiavimus, sveikatos tyrimus ir kt. be kompiuterių, nes jų dar nebuvo. Septintajame šio amžiaus dešimtmetyje multimilijoninės vertės kompiuteriai buvo naudojami tik stambiose ir finansiškai galingose organizacijose. Šiuos kompiuterius prižiūrėdavo aukštos klasės sp

pecialistai už užrakintų durų. Tais laikais kompiuterinės sistemos buvo suprojektuotos taip, kad kompiuterių profesionalas veikdavo kaip tarpininkas tarp vartotojo ir kompiuterio.
Aštuntojo dešimtmečio viduryje kompiuteriai tapo mažesni, pigesni, ir jų naudojimas supaprastėjo. Ši tendencija paskatino personalinių kompiuterių sukūrimą. Prabėgo dar dešimt metų, ir įvairiausių veiklos sričių žmonės įsigijo šiuos mažuosius technikos stebuklus. Staiga kompiuteriai tapo prieinami kiekvienam!
Dabar vienas iš keturių amerikiečių turi personalinį kompiuterį, galingesnį už tuos, kurie apdorodavo didžiųjų kompanijų duomenis septintajame dešimtmetyje. Toks kompiuterių paplitimas paskatino ir spartų naujų programų kūrimą. Dabar mes galime klajoti po elektroninės fantazijos plotus arba palaikyti elektroninį ryšį su draugais ar kolegomis visame pasaulyje. Beveik kiekvienas verslininkas yra suvokęs informacinių technologijų svarbą ir jas naudoja, norėdamas pasiūlyti geresnes paslaugas ir išsilaikyti konkurencinėje kovoje.

2. Kompiuterių tinklo kooncepcija

Kompiuterių tinklų koncepcija tampa logišku kompiuterių technologijų vystymosi rezultatu. Pirmieji šeštojo dešimtmečio kompiuteriai – dideli ir brangūs – buvo skirti labai nedideliam išrinktųjų vartotojų skaičiui. Dažnai šie monstrai užimdavo ištisus pastatus. Tokie kompiuteriai buvo skirti dirbti paketinio apdorojimo režimu. Mes jau žinome, kad kompiuteriai labai naudingi duomenų surinkimui ir informacijos gavimui iš jų. Kompiuteriai taip pat gali suburti įvairių veiklos sričių žmones iš viso pasaulio ir pagerinti jų bendradarbiavimą.
Per keletą pastarųjų metų kompiuteriniais tinklais sąveikaujančių žmonių skaičius sparčiai išaugo. Dideliais tempais be

esiplėsdama kibernetinė erdvė pritraukia vis daugiau ir daugiau žmonių, ima veržtis į įvairiausias socialinio, ekonominio, politinio ir kitas gyvenimo sritis, tokias kaip žmonių bendravimas, reklama, laisvalaikis, keitimasis įvairiausiais duomenimis, periodinė “spauda” ir t.t. Kompiuteriniai tinklai ir jų sukuriame kibererdvė yra tik įrankis, padedantis komunikuoti. Kompiuterinius tinklus sudaro: kompiuteriai, sujungti į vieningą sistemą ir galintys keistis informacija tarpusavyje.

KOMPIUTERIŲ TINKLAS – tai kompiuteriai, sujungti tarpusavyje per ryšio priemones:

1. kabelius (telefoninius, optinius, koaksialinius, “vytos poros”)
2. radijo ryšio pagalba
3. palydovinio ryšio pagalba

Lyginant su autonominiais kompiuteriais – kompiuteriniai tinklai suteikia naujas galimybes:

1. Bendras programinių ir informacinių resursų naudojimas. Vartotojai vienu metu gali naudoti bendrą informaciją, saugomą toli nuo vartotojo.
2. Bendravimas tarp vartotojų. Bendro naudojimo failų bei programų (pvz.: el. paštas, diskusijų bei naujienų grupės, Interneto svetainės) dėka kompiuteriniai tinklai tampa bendravimo priemone, galinti iš esmės pagerinti organizacijų valdymą bei veiklos koordinavimą.
3. Patikimumas. Duomenų kopijos saugomos skirtinguose kompiuteriuose.
4. Lėšų taupymas. Sutaupoma laiko taigi ir pinigų.
5. Plėtimosi galimybė. Jau egzistuojantį tinklą nesunku išplėsti, prijungiant naujus vartotojus.

Kompiuterinių tinklų sistemą sudaro programinė ir techninė įranga, skirta kompiuterių vartotojams.

3. Prielaidos kompiuterių tinklams atsirasti

Asmeninis kompiuteris – puikus darbo įrankis, tačiau paprastai vartotojui reikia parengtą dokumentą ar kitą informaciją perduoti kitiems vartotojams. Neturint specialių priemonių, tai galima padaryti atspausdinus dokumentą ar parengtą informaciją įrašius į diskelį ir taip perkėlus į kitą kompiuterį. Žinoma, tai da

ažniausiai būna nepatogu ir neoperatyvu. Todėl jau seniai buvo ieškoma priemonių kompiuteriams sujungti. Paprasčiausias būdas kompiuteriams sujungti – kabeliu sujungti dviejų kompiuterių nuosekliuosius arba lygiagrečiuosius prievadus. Tuomet šiuo kabeliu bus galima persiųsti duomenis iš vieno kompiuterio į kitą (tam reikės ir specialios programos). Atskirų kompiuterių poras jungiančių kabelių ar ryšio linijų nepakanka, nes vartotojams reikalingos tokios ryšio linijų sistemos, kurios pagal vartotojų pageidavimus galėtų juos sujungti su bet kuriais kitais sistemos vartotojais. Todėl kalbame jau apie ryšio tinklą arba kompiuterių tinklą. Taip vadinamos ryšio linijomis sujungtos ir galinčios kartu dirbti kompiuterių grupės.

4. Kompiuterių tinklo komponentai ir rūšys

Visi kompiuterių tinklai turi bendrų komponentų su analogiškomis funkcijomis ir charakteristikomis:

serveris – pagrindinis tinklo kompiuteris, nuolatos įjungtas ir bet kokiu momentu prieinamas tinklo vartotojui;
klientas – įvedimo/išvedimo įrenginys, įjungtas į tinklą; iš jo galima prisijungti prie serverio duomenų ir programų;
ryšio terpė (media) – kompiuterių sujungimo būdas;
resursai (resources) – spausdintuvai, duomenys, programos, CD-ROM bibliotekos ir t.t.

Nežiūrint panašumo, kompiuterių tinklai skirstomi į du tipus:

1. vienodo rango (peer-to-peer), vienareikšmius;

Vienodo rango tinkle nėra atskiro kompiuterio, atsakingo už viso ar dalies tinklo funkcionavimą. Vartotojai sprendžia patys, kokius savo kompiuterio resursus (katalogus, spausdintuvus, faks-modemus) leisti naudoti kitiems tinklo kaimynams. Vienodo rango tinkle dažniausiai jungiama iki 10 kompiuterių.

2. serverinius (server based).

Vieno ar kito kompiuterių tinklo tipo pasirinkimą lemia ši

ie faktoriai:

1. įmonės dydis;
2. reikalingas saugumo (security) laipsnis;
3. ryšio terpė (media) – kompiuterių sujungimo būdas;
4. veiklos pobūdis;
5. administravimo galimybės;
6. tinklo apkrovos intensyvumo (traffic);
7. finansavimo lygis.
8. Tinklai, kuriuose suderintos geriausios vienodo rango ir serverinių tinklų ypatybės, vadinami kombinuotais tinklais.

Pagal naudojimo paskirtį kompiuterių tinklas gali būti:

1. uždarasis (private network), aptarnaujantis konkrečios organizacijos informacinius mainus.
2. viešasis (public network), už nustatytą mokestį teikianti savo abonentams įvairias informacinių komunikacijų paslaugas, tarp jų ir telefoninį, kompiuterinį bei videoryšį.
3. tarptautinis (international network), palaikantis vartotojų tarpkontinentinius ryšius povandeniniais kabeliais ir palydovinio ryšio sistemomis.

Pagal naudojimo pobūdį kompiuterių tinklas gali būti:

1. vietinis (local area network – LAN). Tai uždarasis tinklas, aptarnaujantis mažoje teritorijoje esančius vienos organizacijos vartotojus, sujungtus telefoninio , kabelinio arba optinio ryšio kanalais (didžiausias atstumas tarp vartotojų – kelio dešimtys kilometrų). Jame paprastai naudojama speciali ryšio įranga, o ne modemai ar kitos ryšio priemonės. Toks tinklas gali būti sujungtas su kitais vietiniais tinklais bendros paskirties arba jam skirtomis ryšio linijomis;
2. municipalinis, teritorinis, regioninis, miesto (metropolitian area network – MAN), įvairiomis ryšio linijomis jungiantis kompiuterių vartotojus didelėje teritorijoje (rajone, mieste).
3. globalusis, nuotolinis, pasaulinis, visuotinis, šalies (wide area network – WAN). Tai ryšio kanalais sujungtų mažesnių tinklų visuma. Pavieniai kompiuteriai ar vietiniai tinklai, sujungti į globaliuosius tinklus, gali būti išdėstyti dideliais atstumais – skirtinguose miestuose, valstybėse ir pan. Savo sandara jie panašūs, tik skiriasi sujungiamų įrenginių skaičiumi, atstumais tarp jų bei techninėmis charakteristikomis.

5. Tinklo topologija
Kompiuterių sujungimui ir signalo perdavimui tarp jų šiuo metu plačiausiai naudojami kabeliai (bevielis sujungimas bus aptartas atskirai). Tačiau nepakanka kabeliu sujungti tinklo įrangą. Skirtingos OS, plokštės, įvairūs kabeliai ir kiti komponentai bei skirtinga kompiuterių sąveika reikalauja savitų tinklo realizavimo metodų.
Terminas topologija (topology) arba tinklo topologija reiškia fizinį kompiuterių, kabelių ir kitų tinklinių komponentų išdėstymą. Tai standartinis terminas, apibūdinantis fizinį tinklo komponavimą vietoje terminų: tinklo fizinis išdėstymas, tinklo komponavimas, tinklo schema ir pan. Tinklo charakteristikos priklauso nuo pasirinktos topologijos. Kitaip sakant, pasirinktoji tinklo topologija apsprendžia tinklo įrangos sudėtį, galimybes, plėtrą, tinklo administravimo būdą.
Projektuojant tinklus iškyla tiek programinės, tiek techninės įrangos suderinamumo problemos. Skirtingos topologijos tinkluose naudojamos skirtingos duomenų keitimosi tarp darbo stočių procedūros. Jas vadinsime duomenų perdavimo protokolais. Natūralu, kad skirtingi įrangos gamintojai taiko skirtingas projektavimo ir gamybos technologijas, signalų kodavimo, siuntimo ir priėmimo sistemas. Tačiau be savitarpio veiksmų koordinavimo sunku realizuoti skirtingų tinklų ryšius. Išspręsti šiuos klausimus padeda vieninga standartų sistema. Tarptautinis Elektrotechnikos ir Elektronikos inžinierių institutas (IEEE – Institute of Electrical and Electronics Engineers) išanalizavęs įvairių gamintojų produktus sukūrė duomenų perdavimo vietiniuose tinkluose metodus ir protokolų standartus (IEEE802 specifikacijas).
6. Bazinės topologijos

Visi tinklai projektuojami trijų bazinių topologijų pagrindu:
q Bendros šinos topologija – tai viena ištisinė kabelio atkarpa. Darbo vietos ir serveriai yra prijungti prie šios kabelio atkarpos.
q žvaigždės (star), kai kompiuterius jungiantys kabelio segmentai išeina iš vieno taško;
q žiedo (ring), kai kompiuterius jungiantis kabelis yra uždaro žiedo pavidalo.
Nors bazinės topologijos yra paprastos, tačiau praktikoje dažniausiai pasitaiko gana sudėtingos jų kombinacijos, talpinančios savyje kelių bazinių topologijų savybes ir charakteristikas.

7. Bendros šinos topologija

Linijinė arba šinos topologija yra pati paprasčiausia. Tai firmos Xerox metodas, sukurtas dar 1975 metais. Jai realizuoti naudojamas vienas kabelis, vadinamas segmentu arba magistrale (backbone, trunk), prie kurio jungtimis arba šakotuvais prijungiami tinklo kompiuteriai. Kiekvienu laiko momentu siųsti informaciją elektrinių signalų pavidalu gali tik vienas tinklo kompiuteris. Elektriniai signalai sklinda magistrale ir patenka į visus tinklo kompiuterius, tačiau signaluose užšifruotą informaciją priima tik tas kompiuteris, kuriam ji yra adresuota. Kadangi vienu laiko momentu duomenis perdavinėti gali tik vienas kompiuteris, tai kiti kompiuteriai tuo metu laukia savo eilės. Visi tinklo kompiuteriai seka magistralės nešamąjį dažnį ir, aptikę kažkurio išsiųstą signalą, pagal jame užkoduotą adresą, atsirenka savo duomenis. Kadangi Ethernet yra daugybinio priėjimo metodas, todėl įmanomas atvejis, kai signalą vienu metu mėgina išsiųsti du (ar daugiau) kompiuteriai. Toks konfliktas vadinama kolizija. Ethernet naudoja kolizijų sprendimo technologiją CSMA/CD (Carier Sense Multiple Access with Collision Detection). Jos esmę sudaro siuntimo pristabdymas tam tikram laiko tarpui, kuris kiekvienam tinklo kompiuteriui yra skirtingas. Dideliame tinkle kolizijos sulėtina jo greitaveiką, todėl linijinio tinklo našumas priklauso nuo bendro kompiuterių skaičiaus – kuo daugiau kompiuterių, tuo lėtesnis tinklas. Tačiau čia nėra tiesinės priklausomybės, nes tinklo našumui ir greitaveikai dar turi įtakos:
· tinklo kompiuterių spartumas;
· dažnis, kuriuo kompiuteriai perduoda duomenis;
· vienu metu veikiančių programų skaičius;
· kabelio tipas;
· atstumas tarp kompiuterių.

1 pav. Bendros šinos topologija
Linijinė topologija yra pasyvi topologija. Tai reiškia, kad kompiuteriai tiktai priiminėja tinkle cirkuliuojančius duomenis, bet neatlieka jokių signalų regeneravimo, keitimo ar persiuntimo operacijų. Antra vertus, atsijungus arba sugedus bet kuriam pasyvios topologijos tinklo kompiuteriui, tai nesutrikdys viso tinklo veikimo. Darbo vietos ir failų-serveriai prijungti prie šinos atšakotuvais (pvz. T-sujungimais).
Failų-serveris gali būti prijungtas bet kurioje šinos vietoje, nebūtinai šinos pradžioje ar pabaigoje. Tam, kad suderinti šinos banginę varžą, abiejuose kabelio atkarpos galuose statomi terminatoriai. Vienas iš didžiausių šios topologijos trūkumų yra tas, kad visas tinklas nustoja veikti, kai šina tampa atvira, t.y. kabelis nutrūko arba atviras. Didžiausias privalumas – kad sujungti kompiuterius į tinklą, reikalingas minimalus kabelio kiekis.
8. Žvaigždės topologija

Žvaigždės topologijoje visi tinklo kompiuteriai prijungiami prie centrinio komponento – koncentratoriaus (hub). Signalas iš jį pasiuntusio kompiuterio per koncentratorių perduodamas visiems likusiems tinklo kompiuteriams. Kuriam jis skirtas, tas ir pasiima. Šiai schemai realizuoti reikia daug kabelio, be to, sugedus koncentratoriui, nebeveiks visas tinklas. Antra vertus, sugedus ar atsijungus bet kuriam vartotojo kompiuteriui, kitiems tai neturės įtakos. Šioje topologijoje dėl naudojamų ryšio linijų ypatybių beveik neturi įtakos signalo atspindžiai ir nereikalingos aklės.

2 pav. Žvaigždės topologija

Šios topologijos ištakos siekia tuos laikus, kai vienas galingas centrinis kompiuteris dirbo su daugeliu mažesnių darbo stočių.
9. Žiedinė topologija

Žiedinėje topologijoje nebūna nė vieno laisvo kabelio galo, kur būtų reikalinga uždėti aklė. Duomenų signalai perduodami viena kryptimi ir praeina visus žiedo kompiuterius (3 pav.). Fiziniame žiede kiekvienas kompiuteris turi kartotuvo funkciją. Todėl vienam kompiuteriui sugedus, visas tinklas nustoja veikęs. Šiuolaikiniuose žiediniuose tinkluose ši topologija paprastai realizuojama koncentratoriuje, todėl fizinės jungtys iš išorės mažai skiriasi nuo žvaigždės topologijos.

3 pav. Žiedo topologija

Vienas iš duomenų perdavimo būdų žiediniame tinkle yra perdavimas su markeriu. Markeris (token) perduodamas ratu iš vieno kompiuterio kitam, kol kuris nors kompiuteris pasiruošia siųsti duomenis. Siunčiantysis kompiuteris prie markerio “prisega” duomenis bei kompiuterio gavėjo adresą ir tą paketą perduoda į tinklą. Paketas eina per visus kompiuterius, kol sėkmingai gavęs duomenis kompiuteris praneš apie tai siuntėjui. Tada siuntėjas suformuoja naują markerį ir grąžina jį į tinklą. Čia gali susidaryti klaidingas įspūdis, kad šis procesas vyksta lėtokai. Iš tiesų, markerio perdavimo greitis žiedu artimas šviesos greičiui. Pavyzdžiui, 200 m skersmens žiedu markeris cirkuliuoja apie 10000 kartų per sekundę. Metodas skirtas žiedinei arba žvaigždės-žiedo topologijai. Token Ring trūkumas – neilgi kabeliai tarp koncentratorių ir kitų aktyvių tinklo elementų.
11. Kombinuotos topologijos

Dažniausiai naudojami kombinuoti įvairių kompiuterių tinklų jungimo būdai. Jų dėka galima išpręsti daugumą problemų, kurios kyla, kai reikia kompiuterius sujungti į bendrą tinklą ir pagal esamą situaciją nei viena anksčiau minėtų topologijų netinka. Paprastai jos susiformuoja atskirais tinklų plėtros etapais, sujungiant mažesnius LAN’us į vieną didesnį.

12. Topologijos parinkimas

Egzistuoja daug faktorių, nulemiančių konkretaus tinklo topologijos pasirinkimą. Dažniausiai tai būna organizaciniai ar finansiniai motyvai (lentelėje):

Topologija Privalumai Trūkumai
Linijinė 1. Taupiai naudojamas kabelis2. Paprasta ir nesudėtinga naudoti perdavimo terpė3. Lengvai plėtojama, prijungiant papildomus segmentus leistino magistralės ilgio ribose 1. Esant dideliam tinklo apkrovimui, krenta jo našumas2. Sunku lokalizuoti problemas3. Kabelio gedimas išveda tinklą iš rikiuotės
Žiedinė 1. Visi kompiuteriai turi lygias teises2. Vartotojų skaičius neturi žymesnės įtakos tinklo našumui 1. Vieno kompiuterio gedimas gali išvesti iš rikiuotės visą tinklą2. Sunku lokalizuoti problemas3. Norint pakeisti tinklo konfigūraciją, reikia išjungti visą tinklą
Žvaigždinė 1. Tinklą lengva plėtoti, prijungiant naujus vartotojus2. Centralizuotas valdymas ir kontrolė3. Vartotojų prijungimas ar atjungimas nekeičia tinklo darbo našumo Centrinio mazgo gedimas išveda iš rikiuotės visą tinklą
Narvelinė Didelis patikimumas ir tinklo gyvybingumas Brangi tinklo terpės įranga, reikia daug kabelio

13. Koncentratoriai (hub’s)

Šiuolaikiniuose tinkluose koncentratoriai tapo standartiniu tinklo komponentu. Kai kuriose topologijose jie vaidina centrinį vaidmenį, pavyzdžiui, žvaigždės arba kombinuotose topologijose. Koncentratoriaus panaudojimas turi daug privalumų:
§ nutrūkus kabeliui iš koncentratoriaus į kurį nors tinklo kompiuterį, tinklas funkcionuoja toliau;
§ nesunku keisti tinklo konfigūraciją arba plėtoti tinklą, pakanka prie laisvos koncentratoriaus jungties prijungti naują kompiuterį ar kitą koncentratorių;
§ naudoti skirtingų tipų kabelius su skirtingomis jungtimis;
§ galima kontroliuoti tinklo apkrovimą (traffic), kadangi daugelis aktyvių (active) koncentratorių turi diagnostikos funkcijas.
14. Aktyvūs koncentratoriai

Koncentratoriai, kurie regeneruoja siunčiamąjį signalą panašiai kaip kartotuvai, vadinami aktyviais. Jie gali turėti nuo 4 iki 32 jungčių (prievadžių) kompiuterių prijungimui. Aktyviems koncentratoriams maitinti reikalingas atskiras elektros srovės šaltinis.
Pasyvūs koncentratoriai
Koncentratoriai, kurie signalo nestiprina ir neatlieka jo regeneravimo, vadinami pasyviais. Taip elgiasi montažiniai paneliai ir komutatoriai (komutuojantys blokai). Pasyviems koncentratoriams nereikia atskiro elektros srovės šaltinio.
Hibridiniai koncentratoriai
Koncentratoriai su skirtingų tipų jungtimis skirtingiems kabeliams prijungti, vadinami hibridiniais (hybrid).

15. Kartotuvai (repeater’s)

Besivystančios organizacijos susiduria su tokia tinklo plėtros problema, kai prisieina pailginti magistralinį kabelį. Tai gali būti padaryta dviem būdais:
§ sujungti kabelio segmentus specialaus sujungiklio (barrel connector) pagalba. Tačiau didesnis pasyvių (passive) sujungiklių skaičius iškraipo ir silpnina perduodamą signalą [keičiasi A, k, ir (0.5) išraiškoje], tuo pačiu sumažina tinklo darbo stabilumą;
§ dviejų kabelio segmentų sujungimui naudoti kartotuvą (repeater). Priešingai nei sujungiklis, kartotuvas sustiprina signalą, todėl ilgais kabeliais perduodamas kokybiškas signalas.
Kartotuvai gali atlikti ir signalo paskirstymo funkcijas, veikti kaip aktyvūs hibridiniai koncentratoriai žvaigždės ir žvaigždės – šinos topologijos LAN’e.

16. Naudota literatūra bei kt. informacijos šaltiniai

1. Šiaulių universitetas Liudvikas Kaklauskas „Kompiuterių tinklai“. VŠĮ Šiaulių universiteto leidykla, 2003 m.

2. http://daugenis.mch.mii.lt/vpumedziaga/turinys.htm

3. http://www.uvs.lt/karpis/tinklai.htm

4. http://www.ik.ku.lt/lessons/konspekt/tinklai/index.htm

5. http://www.mokslo.centras.lt/

Leave a Comment