6.2.1 Physical and Logical Topologies
Два типа топологий
| Physical Topology | Logical Topology | |
|---|---|---|
| Что показывает | Физические кабели и расположение устройств | Как данные передаются между узлами |
| Включает | Номера комнат, стойки, полки | IP адреса, интерфейсы |
| Кто использует | Сетевые инженеры при монтаже | Data Link Layer при передаче фреймов |
Сравнение на примере из картинок
Physical Topology показывает:
Это реальное физическое расположение оборудования.
Logical Topology показывает:
Это виртуальные связи через IP адреса и интерфейсы.
Ключевой момент
Data Link Layer “видит” именно логическую топологию — она определяет какой метод доступа к среде использовать и как формировать фреймы.
Простая аналогия
Physical — это план здания с реальными комнатами и проводами. Logical — это схема маршрутов движения людей внутри этого здания.
Одно и то же здание, но два разных взгляда на него.
6.2.2 — WAN Topologies
Три основные физические топологии WAN:
1. Point-to-Point (Точка-точка)
Самая простая и распространённая топология. Постоянный выделенный канал между двумя точками. Управление доступом к среде не нужно — линк только между двумя устройствами.
2. Hub and Spoke (Звезда / Концентратор и спицы)
WAN-версия топологии “звезда”. Центральный узел (Hub) соединяет все филиалы (Spoke) через point-to-point линки. Филиалы не могут общаться друг с другом напрямую — только через центр. Дёшево, но центр — единая точка отказа.
3. Mesh (Полная сетка)
Каждое устройство имеет прямой линк ко всем остальным. Высокая отказоустойчивость — если один линк упал, данные идут по другому пути. Но очень дорого: много физических соединений и сложное администрирование. Каждый линк — это по сути point-to-point соединение.
Hybrid (Гибрид)
Комбинация любых топологий. Пример — partial mesh (частичная сетка): не все узлы соединены со всеми, только некоторые. Компромисс между стоимостью Mesh и надёжностью Hub-and-Spoke.
| Топология | Простота | Стоимость | Отказоустойчивость |
|---|---|---|---|
| Point-to-Point | ✅ Высокая | ✅ Низкая | ❌ Нет резерва |
| Hub and Spoke | ✅ Средняя | ✅ Низкая | ⚠️ Зависит от Hub |
| Mesh | ❌ Сложная | ❌ Высокая | ✅ Максимальная |
6.2.3 — Point-to-Point WAN Topology
Суть топологии
Point-to-Point — два узла соединены напрямую и только между собой. Никто другой эту среду не делит.
Важное следствие: поскольку на линке только два устройства, узлу не нужно проверять, кому адресован входящий фрейм — он всегда предназначен ему. Поэтому протоколы Layer 2 для такого линка очень простые (например, PPP — Point-to-Point Protocol).
Физическая vs Логическая топология
Это ключевое различие темы:
Физически между двумя роутерами может находиться целое облако промежуточных устройств (роутеры провайдера, коммутаторы, и т.д.).
Логически — соединение всё равно остаётся point-to-point, потому что с точки зрения двух крайних узлов они “видят” только друг друга.
Физические промежуточные устройства не меняют логическую топологию.
Отличие от Point-to-Point по Ethernet
⚠️ Если point-to-point соединение реализовано через Ethernet (а не serial/PPP), то устройству всё же нужно проверять MAC-адрес входящего фрейма — так устроен Ethernet по стандарту. Serial + PPP этого не требует.
6.2.4 — LAN Topologies
Современные LAN-топологии
Star (Звезда) — все устройства подключены к центральному коммутатору (switch). Самая распространённая топология сегодня. Легко масштабировать, легко диагностировать неисправности.
Extended Star (Расширенная звезда) — несколько коммутаторов соединены между собой, к каждому подключены свои устройства. По сути, звёзды объединены в одну большую сеть.
В сетевых схемах простая горизонтальная линия часто символизирует Ethernet LAN — это упрощённое изображение star или extended star топологии.
Legacy (Устаревшие) LAN-топологии
Bus (Шина) — все устройства подключены к одному общему кабелю (коаксиал). На концах кабеля — терминаторы. Коммутаторы не нужны. Использовался в ранних Ethernet-сетях — дёшево и просто, но ненадёжно: обрыв кабеля валил всю сеть.
Ring (Кольцо) — каждое устройство подключено к двум соседям, образуя кольцо. Терминаторы не нужны. Использовался в Token Ring и FDDI (Fiber Distributed Data Interface). abbreviation Данные передаются по кругу.
Сравнение всех LAN-топологий:
| Топология | Центральное устройство | Используется сегодня | Пример |
|---|---|---|---|
| Star | Коммутатор | ✅ Да | Обычный офис |
| Extended Star | Несколько коммутаторов | ✅ Да | Корпоративная сеть |
| Bus | Нет (коаксиал) | ❌ Legacy | Ранний Ethernet |
| Ring | Нет (кольцо) | ❌ Legacy | Token Ring, FDDI |
6.2.5 — Half and Full Duplex Communication
Half-Duplex (Полудуплекс)
Оба устройства могут и отправлять, и принимать, но не одновременно — только по очереди.
Server ──────────────→ Hub (сейчас передаёт Server)
Server ←────────────── Hub (теперь передаёт Hub)
Кто использует: WLAN (Wi-Fi) и старые сети с Ethernet-хабами. Только одно устройство может передавать в данный момент — если два устройства передают одновременно, возникает коллизия.
Full-Duplex (Полный дуплекс)
Оба устройства одновременно и отправляют, и принимают.
Server ──────────────→ Switch (одновременно)
Server ←────────────── Switch (одновременно)
Кто использует: Ethernet-коммутаторы (switch) — по умолчанию работают в full-duplex. Коллизий нет, скорость максимальная.
⚠️ Если коммутатор подключён к хабу — он переключается в half-duplex.
Duplex Mismatch — важная проблема
Если два соединённых устройства работают в разных режимах (одно в full-duplex, другое в half-duplex) — возникает duplex mismatch. Результат: потери пакетов, высокая задержка, нестабильная работа линка.
Правило: оба конца соединения должны работать в одном и том же режиме дуплекса.
Итого:
| Режим | Одновременная передача | Устройство | Коллизии |
|---|---|---|---|
| Half-duplex | ❌ Нет | Hub, Wi-Fi | ✅ Возможны |
| Full-duplex | ✅ Да | Switch | ❌ Нет |
6.2.6 — Access Control Methods
Проблема: несколько устройств — одна среда
Ethernet LAN и WLAN — это multiaccess сети: несколько устройств одновременно могут пытаться передавать данные. Нужны правила — кто и когда может занять среду.
Есть два подхода:
1. Contention-based Access (Конкурентный доступ)
Все устройства конкурируют за среду. Никто не ждёт разрешения — каждый пытается передать когда хочет, но по правилам. Работает в режиме half-duplex.
Два протокола:
CSMA/CD (Collision Detection) — используется в старых Ethernet-сетях с хабами и шинной топологией. Устройство сначала слушает среду (“свободна ли?”), затем передаёт. Если два устройства передали одновременно — коллизия обнаруживается, оба останавливаются, ждут случайное время и повторяют.
CSMA/CA (Collision Avoidance) — используется в WLAN (Wi-Fi). Устройство слушает среду и если она занята — ждёт, а не передаёт. Старается избежать коллизии заранее, потому что в беспроводной среде обнаружить коллизию сложнее.
CSMA - Carrier Sense Multiple Access #abbreviation
2. Controlled Access (Управляемый доступ)
Каждое устройство получает выделенное время для передачи — строго по очереди. Детерминированный подход: никаких коллизий, но устройства вынуждены ждать своего слота, даже если среда свободна → неэффективно.
Примеры (устаревшие): Token Ring, ARCNET. В Token Ring устройство могло передавать только когда получало специальный “токен” (маркер), который передавался по кольцу по очереди.
Итого:
| Метод | Принцип | Коллизии | Где используется |
|---|---|---|---|
| CSMA/CD | Передай → обнаружь коллизию | Возможны | Legacy Ethernet (хаб) |
| CSMA/CA | Сначала послушай, потом передай | Избегаются | Wi-Fi (WLAN) |
| Controlled | Строгая очерёдность (токен) | Нет | Legacy Token Ring, ARCNET |
💡 Современные Ethernet-сети со switch работают в full-duplex и методы контроля доступа им не нужны — у каждого устройства свой выделенный канал к коммутатору.
6.2.7 — Contention-Based Access: CSMA/CD
Как работает CSMA/CD — пошагово
На примере: PC1 хочет отправить фрейм PC3 через Ethernet Hub.
Шаг 1 — PC1 проверяет среду (CS = Carrier Sense): PC1 слушает — есть ли сигнал на среде? Если тихо → среда свободна → отправляет фрейм.
Шаг 2 — Хаб получает фрейм: Хаб — это multiport repeater (многопортовый повторитель). Он не анализирует адреса — просто копирует сигнал на все порты.
Если PC2 в этот момент хочет передать — он обязан подождать, пока среда освободится.
Шаг 3 — Хаб рассылает фрейм всем: Фрейм получают все устройства (PC2 и PC3). Но фрейм адресован PC3, поэтому:
Что происходит при коллизии?
Если два устройства начали передавать одновременно:
- Оба обнаруживают коллизию (NIC сравнивает отправленные и полученные данные, или замечает аномально высокую амплитуду сигнала)
- Оба останавливаются
- Каждый ждёт случайное время (backoff)
- Затем повторяют попытку
Ключевые факты:
- CSMA/CD используется только в half-duplex сетях (хабы, шина)
- Хаб = “тупой” повторитель: рассылает всё всем, не думает
- Современные switch-сети в full-duplex → CSMA/CD не нужен
💡 Именно поэтому переход с хабов на коммутаторы был таким важным — исчезли коллизии, пропускная способность выросла многократно.
6.2.8 — Contention-Based Access: CSMA/CA
Почему не CSMA/CD для Wi-Fi?
В беспроводной среде устройство не может обнаружить коллизию во время передачи — оно не “слышит” собственный сигнал так же, как в проводной сети. Поэтому Wi-Fi использует другой подход: избегать коллизий заранее, а не обнаруживать их.
Как работает CSMA/CA
Ключевое отличие от CSMA/CD: каждый фрейм содержит информацию о том, сколько времени займёт передача. Все остальные устройства видят этот фрейм и знают: “канал будет занят столько-то времени → не пытаюсь передавать”.
Из диаграммы:
- Хост A получает фрейм от точки доступа
- Хост B: “Вижу во фрейме, что канал занят на конкретное время → не могу передавать”
- Хост C: “Вижу во фрейме, что канал будет занят → не могу передавать”
Все ждут — и коллизии не происходит.
Дополнительно: подтверждение (ACK)
После того как беспроводное устройство отправило 802.11 фрейм, получатель отправляет подтверждение (ACK). Если отправитель не получил ACK — он повторяет передачу. Это компенсирует то, что коллизии всё же иногда могут происходить.
Сравнение CSMA/CD vs CSMA/CA:
| CSMA/CD | CSMA/CA | |
|---|---|---|
| Где | Ethernet (хаб) | Wi-Fi (WLAN) |
| Принцип | Обнаружить коллизию | Избежать коллизию |
| Как | Передай → обнаружь → стоп | Послушай → подожди → передай |
| ACK | Нет | Да |
⚠️ Contention-based системы (и CSMA/CD, и CSMA/CA) плохо масштабируются при высокой нагрузке — чем больше устройств, тем больше конкуренции за среду. Ethernet со switch этой проблемы не имеет — full-duplex, контроль доступа не нужен.
