总线型拓扑结构

总线型拓扑结构
总线型拓扑结构简称总线拓扑，它是将网络中的各个节点设备用一根总线(如同轴电缆等)挂接起来，实现计算机网络的功能。

总线型拓扑结构的数据传输是广播式传输结构，数据发送给网络上的所有的计算机，只有计算机地址与信号中的目的地址相匹配的计算机才能接收到。

采取分布式访问控制策略来协调网络上计算机数据的发送，如图1.5所示。

图1.5
主要优点
①网络结构简单，节点的插入、删除比较方便，易于网络扩展。

②设备少、造价低，安装和使用方便。

③具有较高的可靠性。

因为单个节点的故障不会涉及整个网络。

主要缺点
①故障诊断困难。

总线型的网络不是集中控制，故障诊断需要在整个网络的各个站点上进行；
②故障隔离困难。

当节点发生故障，隔离起来还比较方便，一旦传输介质出现故障时，就需要将整个总线切断；
③易于发生数据碰撞，线路争用现象比较严重。

主要适用于家庭、宿舍等网络规模较小的场所。

星型拓扑结构
星型结构以中央节点为中心，并用单独的线路使中央节点与其他各节点相连，相邻节点之间的通信都要通过中心节点。

星型拓扑采用集中式通信控制策略，所有的通信均由中央节点控制，中央节点必须建立和维持许多并行数据通路。

星型拓扑采用的数据交换方式主要有线路交换和报文交换两种，线路交换更为普遍。

网络的扩展通常是采用增加中央节点的方式，将中央节点级联起来，需要增加的节点再与新中央节点连接。

1. 主要优点
①易于故障的诊断与隔离。

②易于网络的扩展。

③具有较高的可靠性。

2. 主要缺点
①过分依赖中央节点。

②组网费用高。

③布线比较困难。

星型网络是在现实生活中应用最广的网络拓扑，一般的学校、单位都采用这种网络拓扑结构组建他们的计算
机网络，如图1.6所示。

图1.6环型网络
环型拓扑结构是一些中继器和连接中继器的点到点链路组成一个闭合环，计算机通过各中继器接入这个环中，构成环型拓扑的计算机网络。

在网络中各个节点的地位相等。

环型拓扑中的每个站点都是通过一个中继器连接到网络中的，网络中的数据以分组的形式发送。

网络中的信息流是定向的，网络的传输延迟也是确定的。

1. 主要优点
①数据传输质量高。

②可以使用各种介质。

③网络实时性好。

2. 主要缺点
①网络扩展困难。

②网络可靠性不高。

③故障诊断困难。

环型网平时用得比较少，主要用于跨越较大地理范围的网络，环型拓扑更适合于网际网等超大规模的网络，如图1.7所示。

图1.7
树型拓扑结构
树型结构是从星型结构变化而来的，各节点按一定层次连接起来，形状像一颗倒置的树，最顶端只有一个节点。

在树型结构的网络中有多个中心结点，形成一种分级管理的集中式网络，如图1.8所示。

图1.8
1. 树型结构的优点是
①连接容易。

②管理简单。

③维护方便。

2. 缺点是
①共享能力差。

②可靠性低。

高手点拨
除了以上的拓扑结构以外，还有网状及混合型拓扑结构。

学习内容
⑴网状结构
这种结构中各节点通过传输线相互连接起来，并且任何一个节点都至少与其他两个节点相连，所以网状结构的网络具有较高的可靠性，但其实现起来费用高、结构复杂、不易管理和维护。

⑵混合型拓扑结构
一般来说，一个较大的网络都不是单一的网络拓扑结构，而是将多种拓扑结构混合而成，充分发挥各种拓扑
结构的优点，这就是所谓的混合型拓扑结构。

课堂练习
①用自己的语言描述拓扑的概念，并举例说明。

②画出总线型、星型、环型、树型和网状网络的拓扑结构。

局域网
局域网 ( Local Area Network，简称LAN) ，通常是由地理范围在几千米以内的、采用单一或有限的传输介质、按照某种网络结构相互连接起来的计算机组成的网络，如图1.8所示。

图1.8
主要特点：
①数据传输速率极高。

②地理范围有限。

③误码率低。

④易维护。

局域网分类：
1. 以太网
以太网采用CSMA/CD (带冲突检测的载波侦听多路访问)介质访问控制方法，使用的典型拓扑结构是总线型，不适用于大型或忙碌的网络。

常见的以太网有四种类型：10Base－5 、10Base－2 、10Base－T 、10Base －F ，其传输介质分别为粗缆、细缆、双绞线和光纤。

2. 快速以太网
快速以太网执行的是以太网的扩展标准，保留着传统以太网的所有特征。

主要有两种类型：100Base－T 和100Base－VG ，100Base－T 采用了CSMA/CD 介质访问控制方法，100Base－VG 采用了新的介质访问方法：请求优先。

快速以太网可以使用的传输介质为光纤和 5 类非屏蔽双绞线。

3. 千兆以太网
千兆以太网采用CSMA/CD 介质访问控制方法，传输速率可达 1 Gbps ，千兆以太网可以使用的传输介质为光纤和 5 类非屏蔽双绞线。

4. ATM
ATM 是高速分组交换技术，其基本数据传输单元是信元，其速率可达155 Mbps 。

网络中增加计算机的数量，传输速率也不会降低，必须使用光纤作为传输介质，主要应用于主干网上。

5. FDDI
光纤分布数据接口(FDDI )使用基本令牌的环型体系结构，以光纤为传输介质，传输速率可达100 Mbps ，主要用于高速网络主干，能够满足高频宽信息的传输需求。

城域网( Metropolitan Area Network ，简称MAN) ，是一种大型的局域网，它一般覆盖一个地区或城市，其传输速率通常在10 Mbps 以上，地域范围可以从几十千米到上百千米，一般采用FDDI 技术和ATM 技术。

广域网
广域网( Wide Area Network ，简称WAN) ，又称为远程网，是指处于一个相对广泛区域内的计算机及其他设备，通过公共电信设施相互连接，以实现信息交换和资源共享为目的的计算机网络，如图1.10所示。

图1.10
典型的广域网技术：
(1) 公共交换电话网(PSTN)
模拟拨号服务是基于标准电话线路的电路交换服务，主要用来作为连接远程站点的连接方法，比较典型的应用有：用于远程站点和本地局域网之间互连、用于远程用户拨号上网及用作专用线路的备份线路。

(2) 综合业务数字网(ISDN)
综合业务数字网为用户提供端到端的数字通信线路，传输速率高，达到128 Kbp/s ，而且可以通过数字通道传输语音、数据和图像信息。

主要采用2B＋D 通道接入。

(3) 不对称数字用户线(ADSL)
ADSL 是不对称数字用户线，它允许下行信息传输速率(从网络到用户设备)远远高于上行信息传输速率(从用户设备到网络)。

ADSL 支持的下行传输速率可以达到 1.5 ～8Mbp/s ，上行传输速率可达到16 ～640Kbp/s 。

无线网络
无线网络是指通过无线手持终端或移动终端、无线基站、无线网卡、无线路由等无线通信设备经无线传输介质连接而成的计算机网络，是计算机网络技术与与无线通信技术相结合的产物，如图1.11所示。

图1.11
无线网络使用的传输介质主要有两种：无线电波和红外线。

无线网络的通信方式有扩展频谱方式与窄带调制方式。

使用扩展频谱方式通信时，数据基带信号的频谱被扩展至几倍或几十倍后再搬移至射频，然后发射出去。

在窄带调制方式中，数据基带信号的频谱不做任何扩展而被直接搬移至射频然后发射出去。

红外线网络采用小于 1 μ m 波长的红外线作为传输介质，有较强的方向性，它采用低于可见光的部分作为传输介质，因为红外信号要求视距传输，所以窃听困难，对邻近区域的类似系统不产生干扰，但是具有很高的背景噪声，而且受日光、环境照明的影响较大。

无线网的特点：
(1) 传输速率低
(2) 视线问题
(3) 通信盲点
课堂练习
①用自己规定的标准，给计算机网络分类。

②局域网的分类是怎样的？
③目前广泛使用的广域网技术主要有哪些？
局域网的组成
以下我们通过组建简单的共享式交换局域网来认识一下组网的过程。

1. 局域网的基本硬件主要有：服务器、工作站、网络接口卡、集线器、传输介质等。

(1) 服务器
在网络中提供服务资源并起服务作用的计算机称为服务器，如图1.12所示。

网络中的服务器主要有为文件服务器、打印服务器、应用系统服务器等。

图1.12
(2) 工作站
连接到网络中的计算机就称为工作站，如图1.13所示。

工作站可以分为有盘工作站与无盘工作站。

区别在于有没有外存储器。

图1.13
(3) 网络接口卡
网络接口卡简称网卡，又称为网络适配器，它是计算机与传输介质之间的物理接口，如图1.14所示。

它的主要作用是负责将发送给其他计算机的数据转变成能够在传输介质上传输的信号发送出去，同时又要负责通过传输介质接收信号，并且将接收到的信号转换成可以被计算机识别的数据。

图1.14
(4) 集线器
集线器也称为集中器或集线中心，简称Hub，如图1.15所示。

集线器的主要作用是能够对数据信号进行整形再生。

是一个集中式、广播式的中继器设备。

图1.15
(5) 传输介质
传输介质的介质是用来连接计算机与计算机、计算机与集线器等的媒介，如图1.16所示。

主要作用是连接各个网络设备。

图1.16
2. 局域网的软件系统
局域网的软件系统主要由网络操作系统、工作站软件、网卡驱动程序、网络应用软件和网络管理软件等组成。

(1) 网络操作系统
网络操作系统运行在服务器上，负责处理工作站的请求，控制网络用户可用的服务程序和设备，维持网络的正常运行。

(2) 工作站软件
工作站软件运行在工作站上，处理工作站与网络间的通信，与本地操作系统一起工作。

(3) 网卡驱动程序
网卡驱动程序是网络硬件专用的，一般随网卡一起提供，工作站或服务器上的网卡必须经过驱动才能正常工作。

(4) 网络应用软件
网络应用软件是专门为在网络环境中运行而设计的，网络版应用程序允许多个用户在同一时刻访问、操作、
使用，它是网络文件资源共享的基础。

(5) 网络管理软件
网络管理软件能监测网络上的活动并收集网络性能数据，并能根据数据提供的信息来微调和改善网络性能。

局域网的结构
局域网常见的只有两类：工作站/ 服务器型网络和对等网。

(1) 工作站/ 服务器型网络。

工作站/ 服务器型网络是指网络中至少有一台以上的专用服务器用来管理网络，控制网络运行，为网络
上的用户提供共享资源，而其他的计算机作为工作站并通过服务器来访问网络上的共享资源，如图1.17(a)所示。

图1.17(a)
主要特点如下：
①网络运行稳定、信息管理比较安全、用户扩展方便，易于升级，可以有效地利用各工作站的资源、服
务器负担小、网络工作效率高。

工作站的管理比较困难、组网成本较高，不适用于家庭。

②对等网
对等网络是指网络中的计算机地位平等，是对等实体，既可以为别的计算机提供服务，也可以享用其他
计算机提供的服务，如图1.17(b)所示。

图1.17(b)
主要特点如下：
①组建和维护容易、成本较低、使用起来也比较简单。

②数据保密性比较差、文件存储分散、不易于升级。

适用于家庭、宿舍组网使用。

高手点拨
如果与计算机的组成互相比较，会发现很多的相似点。

如同样由软、硬件系统组成。

所以采用对比法不失为一个好方法。

课堂练习
①家庭组网需要的硬件主要有哪些？需要安装的软件呢？
②简要叙述基于服务器网络的特点。

③谈一谈你们通过因特网查找的国际标准化组织有哪些？主要从事哪些方面标准的制定？
信息、数据、信号和信道
1. 信息、数据、信号和信道
数据是包含有一定内容的物理符号，是传送信息的载体。

信息是指数据在传输过程中的表示形式或向人们提供关于现实世界事实的知识，它不随载荷符号形式的不同而改变。

数据是信息传送的形式，信息是数据表达的内涵。

信号是数据的电编码、电磁编码或其他编码。

信号可以分为模拟信号和数字信号。

信道是信号传输的通道，包括通信设备和传输媒体。

信道按传输信号的形式可以分为模拟信道和数字信道。

模拟信道用于传输模拟信号，数字信道用于传输数字信号，如图2.1所示。

图2.1
2. 数字数据与模拟数据
模拟数据是指在某个区间产生的连续值，如，声音、视频、温度、压力。

数字数据是有限个离散值，如字符串、整数数列。

模拟信号是在一定范围内可以连续取值的信号，是一种连续变化的电信号，它可以不同频率在介质上传输，如图2.2(a)所示。

数字信号是一种离散的脉冲序列，它的取值是有限个数，它以恒定的正电压/ 负电压或正电压/0 电压，表示“ 1 ”、“ 0 ”，可以用不同的位速率在介质上传输，如图2.2(b)所示。

图2.2
数据通信模型
通信系统的基本作用是在发送方( 信源) 和接收方( 信宿) 之间传递和交换信息。

根据通信系统是利用模拟信号还是数字信号来传递消息，通信系统可以分为模拟通信系统和数字通信系统。

模拟通信系统利用模拟信号来传递信息，如现在广泛使用的电话、广播和电视。

系统一般由信源、调制器、信道、解调器、信宿以及噪声源组成，如图2.3所示。

图2.3
数字通信系统利用数字信号来传递信息，如计算机通信，数字电话、数字电视等。

数字通信系统由信源、信源编码器、信道编码器、调制器、信道、解调器、信道译码器、信源译码器以及发送端和接收端时钟同步组成，如图2.4所示。

图2.4
数据通信系统的主要技术指标
①带宽：信号在通信线路上传输时最高频率与最低频率之差叫信号的频带宽度，简称带宽或称为通频带。

数字信号带宽与脉冲宽度成反比。

②信道容量：即单位时间内最大可传输信息的位数，是信道传输信息的最大能力的指标。

无噪声理想信道容量与信道的带宽的关系如下：
其中：C为信道容量，H为信道带宽( 信道能够传输信号的最大频率范围) ，N为传输时为一个码元所取的离散值个数。

本公式也称为奈奎斯特公式或无噪信道传输能力公式。

对有噪声的实际信道，其关系如下：
其中：S/N为接收端的信噪比。

本公式也称为香农公式。

③位速率：位速率也称信号速率，常用S 表示，位速率是数字信号的传输速率，它用单位时间内传输的二进制代码的有效位数来表示，其单位为位每秒(bps)。

④波特率波特率也称调制速率，也称码元速率。

位速率和波特率之间有如下关系：
其中：N 是一个脉冲信号所表示的有效状态，在二进制方式中，N=2，故S=B。

即数据传输速率和调制速率相等。

⑤误码率：误码率指信息传输的错误率，是衡量传输系统可靠性的指标。

误码率以在接收的码元中的错误码元占总传输码元的比例来衡量，通常应低于。

课堂练习
①试举例说明数据与信息的区别。

②举例说明模拟数据与数字数据。

③试用拨号上网说明模拟通信系统模型。

⑤数据通信系统主要技术指标有哪些？
数据传输过程
1. 数据传输
两台计算机之间的数据传输首先需要将信息用二进制代码来表示，其次还要将二进制代码以一定的信号形式( 如电压、电流、脉冲等) 来表示，然后将信号经由信道进行传输，到达接收方后，再根据这些信号恢复为代码，从而得到发送端的信息，如图2.5所示。

图2.5
2. 几个概念
模拟通信：模拟信号通过模拟信道进行传输。

数字通信：模拟信号通过数字信道进行传输。

数据通信：是专指信源和信宿中数据的形式是数字的，而不论是通过数字信道传输还是模拟信道传输。

3. 优点
(1) 抗干扰能力强
(2) 适合远距离传输
(3) 安全保密性好
(4) 适合多媒体信息传输
基带传输和宽带传输
数据传输方式依其数据在传输线上原样不变地传输还是调制变样后再传输，可以分为基带传输和宽带传输两大类。

1. 基带信号与基带传输
二进制数字脉冲信号称为基带信号。

基带传输是将数据直接转换为脉冲信号加到电缆上进行传送的数据传输方式。

2. 宽带信号与宽带传输
宽带信号是将多组基带信号分别调制不同频率的载波，并由这些载波分别占用不同频段的调制载波组成。

宽带传输是将数据加载到载波信号上进行传送的数据传输方式。

基带传输和宽带传输最重要的区别在于：基带传输采用的是“直接控制信号状态”的传输方式，而宽带传输采用的是“控制载波信号状态”的传输技术。

并行传输和串行传输
依据传输线数目的多少，可以将数据传输方式分为：并行传输和串行传输。

并行传输用于短距离、高速率的通信，串行传输用于长距离、低速率的通信。

1. 并行传输
并行传输是指数字信号以成组的方式在多个并行信道上传输，数据由多条数据线同时传送与接收，每个比特使用单独的一条线路。

并行传输的优点在于传送速率高，发收双方相互之间不存在字符同步的问题，缺点是需要多个并行信道，增加了设备的成本，而且并行线路的电平相互干扰也会影响传输质量，不适于做较长距离的通信，主要用于计算机内部或同一系统设备间的通信。

如计算机与打印机之间的数据传输，如图2.6所示。

图2.6
2. 串行传输
串行传输就是将比特流逐位在一条信道上传送。

需要解决收发双方如何保持码组或字符同步的问题。

相对于并行传输，串行传输的效率低，传输速率慢，但由于只有一条信道，减少了设备的成本，且易于实现与维护。

计算机与Modem 之间的通信就是串行传输，如图2.7所示。

图2.7
单工、半双工和全双工
1. 单工通信
单工通信是指在两个通信设备间，信息只能沿着一个方向被传输。

采用单工通信时，在通信设备双方中，一方为发送设备，另一方为接收设备。

广播和电视节目的传送以及寻呼系统都属于单工通信的例子，如图2.8所示。

图2.8
2. 半双工通信
半双工通信是指两个通信设备间的信息交换可以双向进行，但不能同时进行。

也就是说，在同一时间内仅能使信息在一个方向上传输，如图2.9所示。

图2.9
3. 全双工通信
全双工通信是指两个通信设备间可以同时进行两个方向上的信息传输。

两个通信应同时具有发射和接收的功能，与通信站相接的传输设备和传输控制协议必须提供全双工的工作方式，同是还应对缓存器作特殊的考虑，如想进行同时读写就要求缓存中也能同时释放和分配存储器等，如图2.10所示。

图2.10
异步传输和同步传输
1. 异步传输
异步传输方式又称为起止式同步方式，它是以字符为单位进行同步的，且每一字符的起始时刻可以为任意。

数据格式如图2.11所示。

图2.11
2. 同步传输
同步传输方式是以固定的时钟节拍来连续串行发送数字信号的一种方法。

其数据格式如图2.12所示。

图2.12
多路复用技术
多路复用技术是使多路数据信号共同使用一条线路进行传输的技术。

(1) 频分多路复用技术(FDM)
频分多路复用将信道的可用带宽划分为若干个小频带，每个小频带传送一路信号，形成一个子信道，如图2.13所示。

频分多路复用常用于模拟信号的传输，如图2.14所示。

图2.13
图2.14
(2) 时分多路复用技术(TDM)
时分多路复用技术是将通信信道传输数据的时间划分为若干个时间段，每一路信号占用一个时间段，在其占用的一段时间内，信号独自使用信道的全部带宽。

时分多路复用通常用于数字数据的传送，也可用于模拟信号的传送。

时分多路复用在任一时刻，只传送一种信号，多路信号分时地在信道中传送，如图2.15所示。

图2.15
(3) 波分复用技术(WDM)
波分复用是把光波波长分割复用，在一根光纤中同时传输多波长光信号的一项技术。

基本原理是在发送端将不同的光信号组合起来，也即是复用过程；耦合到光线线路上用一根光纤进行传输，在接收端又将组合波长的光信号区分开来，即完成解复用过程，再通过进一步处理恢复出原信号后送入不同的终端。

课堂练习
①举例说明单工通信、半双工通信和全双工通信。

②异步传输和同步传输数据格式上的主要区别是什么？
③简述 3 种复用技术的主要工作原理。

电路交换
⑴电路交换的原理
电路交换过程主要有3个阶段：电路建立、数据传输和电路拆除。

①电路建立
在传输数据之前，先经过呼叫过程建立一条端到端的电路。

②数据传输
电路建立以后，数据就可以从源站发往目的站，电路连接是全双工的，数据可以在两个方向传输。

在整个数据传输过程中，所建立的连接必须始终保持连接状态。

③电路拆除
数据传输结束后，由某一方发出拆除请求，然后逐节拆除到对方的节点链路，将电路的使用权交还给网络，以供其他用户使用。

⑵电路交换的特点
电路交换方式的特征是在整个连接路径中均采用物理连接。

优点：信息传输时延小；电路是透明的；信息传送的吞吐量大。

缺点：网络资源利用率较低；数据通信的效率较低；通信双方在信息传输速率、编码格式、同步方式、通信规程等要完全兼容，不同速率和不同通信协议之间的用户不能通信。

⑶适用范围
电路交换方式进行数据通信，可以用于公用交换网，即电话网，以及专线方式，如数字数据网DDN 。

电路交换适用于信息量大的场合。

报文交换
报文交换也称为包交换，它将用户的一个报文分成若干个报文组，以报文组为单位采用“存储－转发”交换方式进行通信。

⑴报文交换的工作原理
报文交换采用存储－转发原理，即交换机把来自用户的报文先暂时存放在节点机内排队等候，网络上链路空闲时就转发出去至下一节点，报文在下一节点再存储－转发，直到到达目的节点。

信息是以报文为单位传输的，网络节点具有信息处理、存储和路由选择的功能。

⑵报文交换的特点
报文交换的优点是：
报文交换过程没有电路接续，可以采用多路复用，提高线路的利用率；用户
不需要叫通对方就可以发送报文；容易实现不同类型的终端之间的通信。

报文交换的缺点是：
数据时延较大，不利于实时通信；要求交换机有高速处理能力及大的存储容量，增加了设备的开支。

分组交换。