Топология кольцо

Топология «кольцо» — это топология компьютерной сети, в которой каждый узел (компьютер, коммутатор, маршрутизатор) соединён ровно с двумя другими, образуя замкнутую цепь — кольцо. Данные в такой сети передаются последовательно от узла к узлу, обычно в одном направлении (однонаправленное кольцо) или, реже, в обоих (двунаправленное кольцо). Каждый узел выполняет функции ретранслятора, принимая данные от предыдущего узла и передавая их следующему. Топология «кольцо» является одной из базовых физических топологий наряду с «шиной» и «звездой».

История

Концепция кольцевой топологии возникла в 1960-х годах в рамках развития локальных вычислительных сетей (LAN). Одним из первых практических воплощений стала сеть Token Ring (маркерное кольцо), разработанная компанией IBM в 1970-х годах и стандартизированная как IEEE 802.5 в 1985 году. В этой технологии использовался специальный кадр — маркер (token), который циркулировал по кольцу. Узел, желающий передать данные, захватывал маркер, отправлял пакет, а затем освобождал маркер. Это позволяло избежать коллизий, характерных для топологии «шина» (Ethernet на коаксиальном кабеле). В 1980-х и начале 1990-х годов Token Ring был популярен в корпоративных сетях, особенно в средах IBM, но к концу 1990-х годов был вытеснен более дешёвым и быстрым Ethernet на основе топологии «звезда».

Другим известным примером является FDDI (Fiber Distributed Data Interface — волоконно-оптический интерфейс распределённых данных), разработанный в 1980-х годах. FDDI использовал двойное кольцо (два противоположно направленных кольца) для повышения отказоустойчивости. При разрыве одного кольца сеть автоматически переключалась на второе, образуя новое кольцо. FDDI применялся в магистральных сетях и на кампусах, но также уступил место Gigabit Ethernet.

В настоящее время чистая физическая топология «кольцо» в локальных сетях практически не используется. Однако её логические принципы (например, кольцевая маршрутизация) применяются в некоторых технологиях, таких как RPR (Resilient Packet Ring — отказоустойчивое пакетное кольцо) и в оптических транспортных сетях (OTN, SDH/SONET).

Принцип работы

В топологии «кольцо» данные передаются в виде последовательности битов или кадров. Каждый узел подключён к двум соседним узлам через два порта: один для приёма данных от предыдущего узла, другой для передачи данных следующему. Узел проверяет адрес назначения в каждом проходящем кадре. Если адрес совпадает с его собственным, узел копирует данные в буфер и, в зависимости от протокола, либо удаляет кадр из кольца, либо передаёт его дальше. Если адрес не совпадает, узел просто ретранслирует кадр следующему узлу.

В однонаправленном кольце данные движутся только в одном направлении (например, по часовой стрелке). В двунаправленном кольце возможна передача в обе стороны, что повышает отказоустойчивость, но усложняет управление. Для предотвращения бесконечной циркуляции кадров используется механизм маркера (в Token Ring) или тайм-ауты.

Классификация

Топология «кольцо» классифицируется по нескольким признакам:

По направлению передачи данных

• Однонаправленное кольцо — данные передаются в одном направлении. Проще в реализации, но менее отказоустойчиво.
• Двунаправленное кольцо — данные могут передаваться в обоих направлениях. Обычно используется в отказоустойчивых системах (например, FDDI, SONET).

По способу доступа к среде

• Маркерное кольцо (Token Ring) — доступ управляется маркером. Узел может передавать данные только после захвата маркера.
• Кольцо с временным разделением (Slotted Ring) — кольцо разбивается на слоты фиксированного размера, которые циркулируют постоянно. Узел может заполнить пустой слот данными (например, в сети Cambridge Ring).
• Кольцо с регистром сдвига (Register Insertion Ring) — узел вставляет данные в кольцо, используя буфер, и удаляет их после прохождения (например, в сети IBM Token Ring, но с вариациями).

По физической среде

• Медное кольцо — на основе витой пары (например, Token Ring на STP/UTP).
• Оптоволоконное кольцо — на основе оптоволокна (FDDI, SONET).
• Беспроводное кольцо — редко, но возможно в некоторых mesh-сетях.

Устройство и характеристики

Аппаратное обеспечение

Для построения кольцевой сети требуются:

• Сетевые адаптеры — с двумя портами (вход и выход) для подключения к соседним узлам.
• Кабели — соединяющие узлы последовательно. В Token Ring использовались кабели IBM Type 1 (STP) или Type 3 (UTP).
• Концентраторы (MAU — Multistation Access Unit) — в Token Ring концентраторы не создавали звезду, а логически замыкали кольцо, позволяя подключать узлы и обходить неисправные.

Характеристики

• Пропускная способность: в Token Ring — 4 или 16 Мбит/с, в FDDI — 100 Мбит/с, в современных оптических кольцах (SONET) — до 10 Гбит/с и выше.
• Задержка: зависит от количества узлов и длины кольца. Каждый узел вносит небольшую задержку на ретрансляцию (обычно несколько микросекунд).
• Максимальное количество узлов: в Token Ring — до 260 узлов (рекомендуется до 72), в FDDI — до 500 узлов.
• Длина кольца: в Token Ring — до 1000 метров (с использованием MAU), в FDDI — до 100 км (оптоволокно).

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Отсутствие коллизий — в маркерных кольцах доступ к среде детерминирован, что обеспечивает предсказуемую задержку и подходит для приложений реального времени.
• Равноправие узлов — каждый узел получает маркер по очереди, что гарантирует равный доступ к сети.
• Простота обнаружения ошибок — разрыв кольца легко обнаруживается (пропадает сигнал), и можно локализовать неисправный узел.
• Отказоустойчивость — в двойных кольцах (FDDI) при разрыве одного кольца сеть автоматически переключается на второе, сохраняя работоспособность.

Недостатки

• Низкая отказоустойчивость одиночного кольца — выход из строя одного узла или разрыв кабеля приводит к остановке всей сети (в однонаправленном кольце). Для устранения этого недостатка используются двойные кольца или обходные механизмы (например, в Token Ring — MAU с реле).
• Сложность добавления/удаления узлов — для подключения нового узла необходимо разорвать кольцо, что временно нарушает работу сети.
• Ограниченная пропускная способность — каждый узел ретранслирует все данные, что может создавать задержки при большом количестве узлов.
• Высокая стоимость — требуется специализированное оборудование (адаптеры с двумя портами, MAU, оптоволокно), что дороже, чем Ethernet на витой паре.

Применение

В настоящее время чистая топология «кольцо» в локальных сетях практически вытеснена топологией «звезда» на основе Ethernet. Однако её принципы продолжают использоваться в следующих областях:

• Оптические транспортные сети (OTN, SDH/SONET) — кольцевая топология широко применяется в магистральных сетях операторов связи для обеспечения отказоустойчивости. При разрыве кольца трафик автоматически перенаправляется по резервному пути.
• Промышленные сети — в системах автоматизации (например, PROFINET, EtherCAT) используется кольцевая топология для обеспечения детерминированной передачи данных и высокой надёжности. В таких сетях часто применяется протокол MRP (Media Redundancy Protocol), который позволяет восстанавливать связь при разрыве кольца за миллисекунды.
• Сети хранения данных (SAN) — в Fibre Channel иногда используются кольцевые топологии (FC-AL — Arbitrated Loop), хотя они уступают коммутируемым архитектурам.
• Беспроводные mesh-сети — в некоторых реализациях (например, ZigBee) кольцевая топология может использоваться как частный случай mesh-сети, но обычно предпочтение отдаётся более гибким структурам.

Интересные факты

• В Token Ring использовался специальный кадр «Beacon» (маяк), который позволял автоматически определять неисправный узел и исключать его из кольца.
• В FDDI двойное кольцо работало в режиме «wrap» (обёртывание): при разрыве одного кольца данные начинали передаваться по второму кольцу в обратном направлении, образуя новое кольцо, которое обходило повреждённый участок.
• В 1990-х годах существовали гибридные сети, где кольцевая топология использовалась на магистральном уровне, а звездообразная — на уровне доступа (например, FDDI + Ethernet).

Источники

• IEEE Standard 802.5-1989 (Token Ring Access Method and Physical Layer Specifications)
• ANSI X3.139-1987 (FDDI Token Ring Physical Layer Protocol)
• Таненбаум Э., Уэзеролл Д. «Компьютерные сети» (5-е издание, 2012)
• Олифер В. Г., Олифер Н. А. «Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы» (4-е издание, 2010)
• Документация Cisco по Resilient Packet Ring (RPR)