3 Топологія комп’ютерних систем
3.1 Різновиди топологій комп’ютерних систем
Найпростіщі структури комп’ютерних систем – нульмірні, одномірні й дво-мірні. Нульмірна структура мережі між обчислювальних зв’язків «відроджена», взаємодія між обчислювачами комп’ютерних систем здійснюється через загальну шину. У випадку одномірних структур («лінійки» або «кільця») забезпечується зв’язок кожного обчислювача із двома іншими (сусідними) обчислювачами. У нульмірних структурах є загальних ресурс – шина, в одномірних структурах цей ресурс трансформується в розподілений, тобто в локальні зв’язки між обчислювачами.
Топологією називається фізична або електрична конфігурація кабельної системи й з’єднань комп’ютерної системи або мережі.
Основні типи топології комп’ютерних систем:
Топологія «Загальна шина».
У цьому випадку підключення й обмін даними виробляється через загальний канал зв’язку, названий загальною шиною. Передана інформація може поширюватися в обидва боки. Застосування загальної шини знижує вартість проводки й уніфікує підключення різних модулів.
Рисунок 3.1 – Топологія «Загальна шина»
На рисунку 3.1 зображені наступні елементи:
Т – термінатор;
K1, K2, … , Kn – обчислювачі;
Основними перевагами такої схеми є дешевина й простота розведення кабелю по приміщенню. Самий серйозний недолік загальної шини полягає в її низької надійності: будь-який дефект кабелю або якого-небудь із численних рознімань повністю паралізує всю мережу. Іншим недоліком загальної шини є її невисока продуктивність, тому що при такому способі підключення в кожний момент часу тільки один комп’ютер може передавати дані в мережу. Тому пропуска здатність каналу зв’язку ділиться тут між всіма вузлами мережі.
Загальна шина може бути реалізована у виді системної шини, а кожний із комп’ютерів буде представляти собою процесор. Це дозволить збільшити швидкість передачі у тисячі разів. Довжина топології це найкоротша відстань між найбільш віддаленим обчислювачем в системі.
2. Топологія «Зірка».
У цьому випадку кожний комп'ютер підключається окремим кабелем до загального пристрою, називаному концетратором, що перебуває у центрі мережі.
Рисунок 3.2 – Топологія типу «Зірка»
Робоча станція, з якою необхідно передати дані, відсилає їх на концентратор. У певний момент часу тільки одна машина в мережі може пересилати дані, якщо на концентратор одночасно приходять два пакети, обидві посилки виявляються не прийнятими і відправникам потрібно буде почекати випадковий проміжок часу, щоб відновити передачу даних. Цей недолік відсутній на мережевому пристрої більш високого рівня – комутаторі, який, на відміну від концентратора, що подає пакет на всі порти, подає лише на певний порт – одержувачу. Одночасно може бути передано кілька пакетів. Скільки – залежить від комутатора.
Головна перевага цієї топології перед загальною шиною – більша надійність. Будь-які неприємності з кабелем стосуються лише того комп'ютера, до якого цей кабель приєднаний, і тільки несправність концентратора може вивести з ладу всю мережу. Крім того, концентратор може відігравати роль інтелектуального фільтра інформації, що надходить від вузлів у мережу, і при необхідності блокувати заборонені адміністратором передачі.
До недоліків топології типу зірка ставиться більше висока вартість
мережного встаткування через необхідність придбання концентратора. Крім того, можливості по нарощуванню кількості вузлів у мережі обмежуються кількістю портів концентратора. У цей час ієрархічна зірка є найпоширенішим типом топології зв'язків як у локальних, так і глобальних мережах.
3. Топологія «Кільце».
У мережах з кільцевою топологією дані в мережі передаються послідовно від однієї станції до іншої по кільцю, як правило, в одному напрямку.
Рисунок 3.3 – Топологія «Кільце»
Кожен комп'ютер з'єднаний лініями зв'язку тільки з двома іншими: від одного він тільки отримує інформацію, а іншому тільки передає. На кожній лінії зв'язку, як і у випадку зірки, працює тільки один передавач і один приймач. Якщо комп'ютер розпізнає дані як призначені йому, то він копіює їх собі у внутрішній буфер. У мережі з кільцевою топологією необхідно вживати спеціальних заходів, щоб у віпадку віходу з ладу або відключення якої-небудь станції не прервався канал зв'язку між іншими станціями. Перевага даної топології – простота керування, недолік – можливість відмови всієй мережі при збої в каналі між двома вузлами.
4. Змішана топологія.
Невеликі мережі, як правило, мають типову топологію – зірка, кільца або загальна шина, для великих мереже характерна наявність довільних зв'язків між комп'ютерами. У таких мережах можна виділити окремі довільно під мережі, що мають типову топологію, тому їх називають мережами зі змішаною топологією.
Топологія «Зірка-кільце».Пошкодження окремого комп'ютера не може привести до зупинки всієї мережі, але якщо виходить з ладу концентратор, кільце, яким управляє концентратор, теж відключається.
Рисунок 3.4 – Змішана топологія типу «Зірка-кільце»
5. Повнозв'язна топологія (повний граф) – топологія комп'ютерної мережі, в якій кожна робоча станція підключена до всіх інших.
Рисунок 3.5 – Топологія типу «Повний граф»
Цей варіант є громіздким і неефективним, незважаючи на свою логічну простоту. Для кожної пари повинна бути виділена незалежна лінія, кожен комп'ютер повинен мати стільки комунікаційних портів скільки комп'ютерів в мережі. З цих причин мережа може мати тільки порівняно невеликі кінцеві розміри. Найчастіше ця топологія використовується в багатомашинних комплексах або глобальних мережах при малій кількості робочих станцій.
Гіперкуби.
Ця топологія являє собою окремий випадок структури решітки, коли по кожній розмірності сітки є тільки два процесори (тобто гіперкуб містить 2N
процесорів при розмірності N).
Гіперкуб, по визначенню, це однорідний граф, для якого справедливо:
(3.1)
де N – кількість вершин, а n – число ребер, що виходять із кожної вершини; n – називають також розмірністю гіперкуба. Отже, кожний обчислювач у гіперкубічної комп’ютерної системі має зв’язок рівно з n іншими обчислювачами.
а)
б)
в)
Рисунок 3.6 – Топологія типу «Гіперкуб»: а) 1D-куб; б) 2D-куб; в) 3D-куб;
Топологія гіперкуба досить широко поширена на практиці при об'єднанні паралельних процесорів. Лінія, що з'єднує два вузли визначає одновимірний гіперкуб. Квадрат, утворений чотирма вузлами – двовимірний гіперкуб, а куб з восьми вузлів - тривимірний гіперкуб і т.д. З цього ряду слід алгоритм отримання n-мірного гіперкуба: почати з (n-1) – мірного гіперкуба, зробити його ідентичну копію, а потім додати зв'язку між кожним вузлом вихідного гіперкуба і однойменним вузлом копії.
Обмін повідомленнями в гиперкубе базується на двійковому поданні номерів вузлів.
Нумерація вузлів проводиться так, що для будь-якої пари суміжних вузлів двійкове подання номерів цих вузлів відрізняється тільки в одній позиції.
Створення гіперкуба при великому числі процесорів вимагає збільшення порядку вузлів, що пов'язане з великими технічними проблемами. Компромісне рішення, кілька збільшує діаметр мережі при збереженні базової структури, являє собою куб з циклічно з'єднаних вузлів. Тут порядок вузла дорівнює трьом при будь-якому розмірі мережі.
При побудові обчислювальної мережі вибір тої або іншої топології буде
залежати від пріоритетності таких вимог:
легкість підключення нових робочих станцій і розмір необхідних для цього витрат;
забезпечення найбільшої продуктивності мережі;
безперервність роботи мережі;
кількість робочих станцій;
фізична далекість робочих станцій друг від друга.
Тількі визначивши, наскількі важливі ті або інші вимоги, пропоновані до мережі, можна вибрати оптимальну топологію.