第五章局域网技术

第五章计算机网络局域网•在局域网在设计中,主要考虑的因素是能够在较小的地理范围内更好地运行,提高资源利用率和信息安全性,易于操作和维护等，本章首先讲述有关网络设计的拓朴结构，然后再介绍有关数据在介质上传输时的介质访问控制方法等。

在局域网在设计中,主要考虑的因素是能够在较小的地理范围内更好地运行,提高资源利用率和信息安全性,易于操作和维护等，本章首先讲述有关网络设计的拓朴结构，然后再介绍有关数据在介质上传输时的介质访问控制方法等。

5.1 局域网络拓朴结构局域网的拓扑结构可以从物理或逻辑的角度来说明。

物理的拓扑结构是组成局域网的所有网络部件的几何徘列。

但是．拓扑结构不是网络的一张图，它是一个理论上的结构，即用图表达局域网的连接形状和结构。

逻辑拓扑结构是指可以相互通信的网络终端之间的可能的连接。

它可说明哪个端点可与另一个端点通信，以及这些成对的端点是否可以通过物理连接直接通信。

本节只说明物理拓扑结构。

所谓拓扑是一种研究与大小、形状无关的构成图形（线、面）特性的方法，即抛开网络中的具体设备，把工作站、服务器等网络单元抽象为"节点"，把网络中的电缆等通信介质抽象为"线"。

这样从拓扑学的角度看计算机网络就变成了点和线组成的几何图形，这就是网络的拓扑结构，也就说网络拓扑结构是一个网络的通信链路和节点的几何排列或物理图形布局。

网络中的节点有两类：一类是只转接和交换信息的转接节点，包括节点交换机、集线器和终端控制器等，另一类是访问节点，包括主计算机和终端等，它们是信息交换的源节点和目标节点。

网络的拓扑结构很多，主要分为：总线型、星型、环型、树型、全互连型、网状型和不规则型(或称为杂合型)。

5.1.1网络的拓扑结构拓扑结构的选择往往和传输介质的选择和介质访问控制方法的确定紧密相关。

选择拓扑结构时，应该考虑的主要因素有：1．安装费用最好是建楼同时或建楼装修以前进行安装，并考虑今后扩建的要求。

合理选择拓扑结构以及相应的传输介质、传输距离，这将会有效的降低安装费用。

2．更改的灵活性网络建成之后，某些设备的搬动不会影响网络拓扑的改变，同时还应保证原有节点的删除和新节点的加入,也要相对容易。

3．运行的可靠性拓扑结构的选择要使个别节点损坏或网络本身无法运行等故障的检测和隔离较为方便。

网络的拓扑结构，对网络的各种性能起着至关重要的作用。

5.1.2 总线型拓扑结构总线拓扑结构采用一条单根线缆做为传输介质，所有的站点都通过相应的硬件接口直接连接到传输介质上，或称总线上。

任何一个节点信息都可以沿着总线向两个方向传播扩散，并且能被总线中任何一个节点所接收，所有的点点共享一条数据通道，一个节点发出的信息可以被网络上的多个节点接收。

如图5-1所示。

图5-1 总线拓朴结构总线上传输信息通常多以基带形式串行传递，每个节点上的网络接口板硬件均具有收、发功能，接收器负责接收总线上的串行信息并转换成并行信息送到PC工作站；发送器是将并行信息转换成串行信息后广播发送到总线上，总线上发送信息的目的地址与某节点的接口地址相符合时，该节点的接收器便接收信息。

由于各个节点之间通过电缆直接连接，所以总线拓扑结构中所需要的电缆长度是最小的，但总线只有一定的负载能力，因此总线长度又有一定限制，一条总线只能连接一定数量的节点。

因为所有的节点共享一条公用的传输链路，所以一次只能由一个设备传输。

需要某种形式的访问控制策略、来决定下一次哪一个站可以发送．通常采取分布式控制策略。

发送时，发送站将报文分成分组．然后一次一个地依次发送这些分组。

有时要与其它站来的分组交替地在介质上传输。

当分组经过各站时，目的站将识别分组的地址。

然后拷贝下这些分组的内容。

这种拓扑结构减轻了网络通信处理的负担，它仅仅是一个无源的传输介质，而通信处理分布在各站点进行。

在总线两端连接有端结器(或终端匹配器)，主要与总线进行阻抗匹配，最大限度吸收传送端部的能量，避免信号反射回总线产生不必要的干扰。

总线型拓扑结构的优点：(1) 结构简单灵活，非常便于扩充，网络响应速度快。

(2) 设备量少、价格低廉、安装使用方便。

(3) 某个站点失效不会影响到其他站点。

(4) 共享资源能力强，极便于广播式工作，一个节点发送的数据帧所有节点都可接收。

(5) 所需电缆长度很短，减少了安装费用，易于布线和维护。

(6) 易于扩充，在任何点都可将欲增加的新站点接入或者通过中继器加上一个附加段来增加长度。

(7) 多个节点共用一条传输信道，信道利用率高；(8) 传输速率高，可达l-l0Mbps。

总线型拓扑结构的缺点：(1) 总线拓扑的网不是集中控制，故障检测需在网上各个站点进行，使故障诊断困难。

(2) 如果传输介质损坏整个网络将不可瘫痪。

(3) 在总线的干线基础上扩充，可采用中继器，但此时需重新配置，包括电缆长度的剪裁，终端器的调整等。

(4) 接在总线上的站点要有介质访问控制功能，因此站点必须具有智能，从而增加了站点的硬件和软件费用。

(5) 所有的工作站通信均通过一条共用的总线，导致实时性很差。

5.1.3 星型拓扑结构在星型拓扑结构中，网络中的各节点通过点到点的方式连接到一个中央节点(又称中央转接站，一般是集线器或交换机)上，由该中央节点向目的节点传送信息。

中央节点执行集中式通信控制策略，因此中央节点相当复杂，负担比各节点重得多。

在星型网中任何两个节点要进行通信都必须经过中央节点控制，如图5-2所示。

图5-2 星型拓朴结构现有的数据处理和声音通信的信息网大多采用星型网，目前流行的专用小交换机PBX(Private Branch Exchange)，即电话交换机就是星型网拓扑结构的典型实例。

它在一个单位内为综合语音和数据工作站交换信息提供信道，还可以提供语音信箱和电话会议等业务，是局域网的一个重要分支。

在星型网中任何两个节点要进行通信都必须经过中央节点控制。

因此，中央节点的主要功能有三项：当要求通信的站点发出通信请求后，控制器要检查中央转接站是否有空闲的通路，被叫设备是否空闲，从而决定是否能建立双方的物理连接；在两台设备通信过程中要维持这一通路；当通信完成或者不成功要求拆线时，中央转接站应能拆除上述通道。

由于中央节点要与多机连接，线路较多，为便于集中连线，目前多采用一种成为集线器(HUB)或交换设备的硬件作为中央节点。

目前一般网络环境都被设计成星型拓朴结构。

星型网是目前广泛而又首选使用的网络拓朴设计之一。

星型结构的优点：(1) 网络结构简单，便于管理，便于大型网络的维护和调试。

(2) 控制简单，建网容易，移动某个工作站非常简单。

(3) 网络延迟时间较短，误码率较低。

(4) 中央节点和中间接线盒都有一批集中点，可方便地提供服务和网络重新配置。

(5) 每个连接只接一个设备，单个连接的故障只影响一个设备，不会影响全网。

(6) 每个站点直接连到中央节点，故障容易检测和隔离，可很方便地将有故障的站点从系统中删除。

(7) 任何一个连接只涉及到中央节点和一个站点，控制介质访问的方法简单，使访问协议也十分简单。

星型结构的缺点：(1) 一条通信线路只被该线路上的中央节点和一个站点使用，因此线路利用率不高；(2) 中央节点负荷太重，而且当中央节点产生故障时，全网不能工作，所以对中央节点的可靠性和冗余度要求很高。

(3) 电缆长度和安装：星型拓扑中每个站点直接和中央节点相连，需要大量电缆，电缆沟、维护、安装等一系列问题会产生，因此而增加的费用相当可观。

星型拓扑结构广泛应用于网络中智能集中于中央节点的场合。

从目前的趋势看，计算机的发展已从集中的主机系统发展到大量功能很强的微型机和工作站，在这种环境下，星型拓扑的使用还是占支配地位。

在以太网中，星型结构仍旧是它的主要基本网络结构。

其传输速率可达1000Mbps5.1.4树型拓扑结构树型结构是总线型结构的扩展，它是在总线网上加上分支形成的，其传输介质可有多条分支，但不形成闭合回路；也可以把它看成是星型结构的叠加。

又称为分级的集中式结构，如图3．4所示。

树型拓扑以其独特的特点而与众不同，具有层次结构，是一种分层网，网络的最高层是中央处理机，最低层是终端，其他各层可以是多路转换器、集线器或部门用计算机。

其结构可以对称，联系固定，具有一定容错能力，一般一个分支和节点的故障不影响另一分支节点的工作，任何一个节点送出的信息都由根接收后重新发送到所有的节点，可以传遍整个传输介质，也是广播式网络。

著名的因特网(Internet)也是大多采用树型结构。

树型网的优点：(1) 结构比较简单，成本低。

(2) 网络中任意两个节点之间不产生回路，每个链路都支持双向传输。

(3) 网络中节点扩充方便灵活，寻找链路路径比较方便。

树型网的缺点：(1) 除叶节点及其相连的链路外，任何一个工作站或链路产生故障都会影响整个网络系统的正常运行。

(2) 对根的依赖性太大，如果根发生故障，则全网不能正常工作。

因此这种结构的可靠性问题和星型结构相似。

5.1.5 环型拓扑结构环型结构中各节点通过环路接口连在一条首尾相连的闭合环型通信线路中，环路中各节点地位相同，环路上任何节点均可请求发送信息，请求一旦被批准，便可以向环路发送信息，如图5-3所示。

环型网中的数据按照设计主要是单向也可以双向传输(双向环)。

由于环线公用，一个节点发出的信息必须穿越环中所有的环路接口，信息流的目的地址与环上某节点地址相符时，信息被该节点的环路接口所接收，并继续流向下一环路接口，一直流回到发送该信息的环路接口为止。

图5-3 环型拓朴结构由于多个设备共享一个环，因此需要对此进行控制，以便决定每个站在什么时候可以把分组放在环上。

这种功能是用分布控制的形式完成的，每个站都有控制发送和接收的访问逻辑，以后将详细讨论这种分布控制功能。

环型拓扑的优点：(1) 信息在网中沿固定方向流动，两个节点间仅有唯一的通路，简化了路径选择的控制。

(2) 某个节点发生故障时，可以自动旁路（由“中继器”完成），可靠性较高。

(3) 所需电缆长度比星型拓扑要短得多，同时不需像星型拓扑结构那样配制接线盒。

环型拓扑的缺点：(1) 扩充环的配置比较困难，同样要关掉一部分已接入网的站点也不容易。

(2) 由于信息是串行穿过多个节点环路接口，当节点过多时，影响传输效率，使网络响应时间变长。

但当网络确定时，其延时固定，实时性强。

(3) 环上每个节点接到数据后，要负责将它发送至环上，这意味着要同时考虑访问控制协议。

节点发送数据前，必须事先知道传输介质对它是可用的。

环型网结构比较适合于实时信息处理系统和工厂自动化系统。

FDDI(Fiber Distributed Data Interface)是环型结构的一种典型网络，在二十世纪九十年代中期，就已达到100Mbps 至200Mbps 的传输速率。