计算机网络实用教程(中文经典版版)05

下载 第5章 网络体系结构 在阅读完本章并完成练习 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 后，你将能够： • 描述基本的以及混合的局域网拓扑结构 • 描述多种企业范围以及广域网的拓扑结构 • 解释不同拓扑结构的优点和用处 • 讨论以太网传输系统的几个版本 • 解释令牌环网传输系统的结构和功能 工作经历 如果说在以以太网为基础的网络中存在一个重要的经验需学习的话，那就是必 须有一个正确的终结。当网络中所有节点都正确地终止 ,则该网络是稳定的。如果忘 了安装终结器，则可能存在一个极其难以跟踪的问题。 有一次，在我曾经作为程序员工作过的一个公司，我注意到负责硬件的小伙子 们在试图跟踪一个网络问题时踌躇不前（该网络是一个运行 N e t B I O S的以太网，采用 一种1 0 b a s e 2的总线结构）。出于好奇，我问他们出了什么问题，症状是什么。他们解 释说系统在今天开始时工作得好好的，但在下午系统就变得“怪异”了：在通过网 络进行读写数据操作时有一些偶然发生的失败，程序开始给出一些未曾预料的且不 可完全重复的错误消息。 我记得在为另一家公司工作时就遇到过这种“怪异网络”的问题，因此我问他 们是否检查了网络的终结器。果然不出我所料：午饭后，有人从一个空闲的小隔间 内搬走了一台计算机，但没有在网络连接处连结一个终结器。当安装上一个终结器 后，系统“奇迹般”地再次工作良好。 Jim Cooper 系统开发员 如同一个房屋的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 师必须决定在何处放置墙和门，在何处安装电力和水管系统，如何 管理整个屋子的过道模式以使一个房屋更适宜居住，网络设计师在设计网络时也必须考虑许 多因素，包括可见的和不可见的。本章将介绍网络体系结构的基本部件，在考虑第 6章、第7 章中介绍的网络设计的基本原理之前，这是必须充分理解的一个主题。 本章描述了局域网和广域网的基本布局，每种布局的优势和缺点以及对每种布局的最佳 应用。它也介绍了两种最通用的传输系统：以太网和令牌环网。一旦掌握了网络体系结构的 基本原理，就可拥有所有必需的工具来设计出一个如同 Taj Mahal一样的布局良好的网络。 5.1 简单局域网拓扑结构 物理拓扑结构是解释一个网络物理布局的形式图，它以概括的形式描述一个网络；即， 不指定设备、连接方法或网络编址。物理拓扑结构按照基本的几何学图形分为三类：总线形、 环形和星形。这些形状也可混合构成混合拓扑结构。在设计一个网络之前，必须理解物理拓 扑结构，因为它们能够影响所使用的逻辑拓扑结构（例如，以太网或令牌环网），建筑物里如 何铺设电缆，以及使用何种网络介质。为解决网络中出现的问题或改变网络的基础结构，也 必须理解网络的物理拓扑结构。 注意：本章使用了许多在第2章、第3章、第4章中已经讨论过的术语和概念，若对这些 材料理解得不够清楚，应立即花些时间复习它们。 5.1.1 总线形 一个总线形拓扑结构由单根电缆组成，该电缆连接网络中所有节点，其中没有插入其他 的连接设备，图5 - 1描绘了一种典型的总线形拓扑结构。 单根电缆称为总线，它仅仅只能支持一种信道；因此，每个节点共享总线的全部容量。 由于网络中的每个设备都能够接收从一点传输到另一点的数据，因此总线形拓扑结构可以认 为是一种端到端的拓扑结构。然而，由于单信道的限制，一个总线形网络上的节点越多，网 络发送和接收数据就越慢。在总线形网络上的每个节点都被动地侦听接收到的数据。当一个 节点向另一个节点发送数据时，它先向整个网络广播一条警报消息，通知所有的节点它将发 送数据，目标节点将接收发送给它的数据，在发送方和接收方之间的其他节点将忽略这条消 息。 例如假设你想给你的朋友—在大厅另一端工作的 D i a n e发送一条短消息，问她是否想与 你一起吃午饭。在键入完你的消息后点击发送按钮，包含你消息的数据流被发送到你的网络 接口卡。你的网络接口卡通过共享电缆广播一条消息，消息的内容必须是“我将向 D i a n e的计 算机发送一条消息”。该消息经过你和D i a n e的计算机之间的每个网络接口卡，直到 D i a n e的计 算机识别到该消息是传输给它的，并且接收该消息。 图5-1 一个总线形拓扑结构网络 在每个总线形网络的末端都有一个 5 0欧姆的称为终结器的电阻器。终结器的作用是在信 号到达目的地后终止信号。如果没有这些设备，总线形网络上的信号将在网络两端之间无休 110 计算机网络实用教程 下载 止地传输，这种现象称为信号反射，新的信号不能通过。为理解这个概念，假设你和站在峡 谷另一边的同伴互相大声说话。当你喊叫时，你的话发出回声，当你的同伴回答时，他的话 也发出回声。假想回声从不会消失，一段时间后由于所有以前产生的声波仍然在周围反射， 从而产生太多的噪声使你们听不到任何其他的声音，最后你们将不能继续谈话。在一个网络 上，终结器将终止旧信号的发送。图 5 - 2描绘了一个终止了的总线形网络。 图5-2 一个终止了的总线形网络 虽然建立一个基于总线形拓扑结构的网络不是很昂贵，但这种网络不能较好地扩展。当 你增加更多的节点时，网络的性能将下降。例如，假设在你的小型办公室中的一个总线形网 络支持两个工作站和一个服务器，并且从工作站保存一个文件到服务器需花费两秒的时间。 在那段时间内，你的网络接口卡首先通知服务器，然后通知网络上的其他工作站。它将要发 送数据到服务器；当通知到达服务器后，服务器接收发送的数据。另一方面，假设你的商业 事务经历了巨大的发展，在一个周末你增加了五台或更多的工作站，下星期一，当你试图保 存一个文件到服务器上时，由于新增加的工作站也必须被通知将发生的发送，保存过程可能 要花费五秒的时间。正如同这个例子所证实的一样，一个总线形拓扑结构不适用于一个超过 2 0 0台工作站的网络。 由于在总线网络中难以识别出错误发生的具体位置，所以当网络发生问题时，解决问题 就很困难。为了理解这个原因，考虑一个称之为“打电话”的游戏，在游戏中，一个人对着 第二个人的耳朵小声说一句短语，第二个人再对着第三个人的耳朵重复听到的短语，等等， 直到线上的最后一个人大声重复听到的短语。由最后一个人重复的短语听起来与初始短语几 乎无相似之处。确实，当游戏结束时，很难准确判断单个错误出现在链路的何处。类似地， 一个错误可以发生在总线网络的任何一个中间点上。但在接收端只能判定有一个错误发生了。 由于不能探究数据从一个节点到另一个节点的过程，即节点在传递完数据后不能“记住”它， 因而发现错误源头是非常困难的（在模拟的打电话游戏中，这种情况就类似于线路上的每个 人在他 /她传递完短语后忘记了所说的内容，从而使得难以跟踪该短语从一个人传递到另一个 人的发展过程）。 总线网络最后的一个缺点是它们具有较差的容错能力，这是因为在总线上的某个中断或 第5章 网络体系结构 111 下载 缺陷将影响整个网络。因此，再加上这种拓扑结构的其他缺点，几乎没有一个网络运行在一 个单纯的总线拓扑结构上。但存在包括一个总线部分的混合拓扑结构，这将在本章后续部分 讨论。 5.1.2 环形 在一个环形拓扑结构中，每个节点与两个最近的节点相连接以使整个网络形成一个环状， 如图5 - 3数据绕着环向一个方向发送（单向的）。每个工作站接收并响应发送给它的数据包， 然后将其他数据包转发到环中的下一个工作站。一个环形网没有“终止端”，数据在它们的目 的地停止继续发送，因而环形网络不需要终结器。 图5-3 一个典型的环形网络 令牌传递是环形网络上传送数据的一种方法。令牌传递过程中，一个 3字节的称为令牌的 数据包绕着环从一个节点发送到另一个节点。如果环上的一台计算机需要发送信息，它将截 取令牌数据包，加入控制和数据信息以及目标节点的地址，将令牌转变成一个数据帧。然后 该计算机将该令牌继续传递到下一个节点。被转变的令牌，就以帧的形式绕着网络循环直到 它到达预期的目标节点。目标节点接收该令牌并向发起节点返回一个验证消息。在发送节点 接受到应答后，它将释放出一个新的空闲令牌并沿着环发送它。这种方法确保在任一给定时 间仅仅只有一个工作站在发送数据。由于每个工作站都参与将令牌绕着环发送的活动，这种 体系结构也称为主动拓扑结构。每个工作站如同一个能再生发送信号的中继器。 一个简单环形拓扑结构的缺点是单个发生故障的工作站可能使整个网络瘫痪。例如，假 设你和5个同事在一个小的办公室内共享一个单纯的环形拓扑局域网。你决定给离你 3个办公 室远的T h a d发送一条短消息。告诉他你偶然受到一条发送给他的数据包。在环上，你的办公 室和T h a d的办公室之间有两个其他的办公室和两个其他的工作站。你的短消息在到达 T h a d的 计算机之前必须通过两个中间工作站的网络接口卡。如果这些工作站中有一个网络接口卡出 112 计算机网络实用教程 下载 现故障，你的消息将永远不会到达 T h a d的计算机。 除此之外，如同在一个总线拓扑结构中，参与令牌传递的工作站越多，响应时间也就越 长。因此，单纯的环形拓扑结构是非常不灵活或不易于扩展。 当前的局域网几乎不使用单纯的环形拓扑结构。环形拓扑结构的一种改变形式，也称为 星形环拓扑结构流行于某些类形的网络中，如令牌环网。星形环网和令牌环网技术将会在本 章的后续部分讨论。 5.1.3 星形 在一个星形拓扑结构中，网络中的每个节点通过一个中央设备，如集线器连接在一起。 图5 - 4描绘了一个典型的星形拓扑结构。在一个星形网络中任何单根电线只连接两个设备（如， 一个工作站和一个集线器）。因此，电缆问题最多影响两个节点。设备如工作站或打印机将数 据发送到集线器，再由集线器将数据转发到包含目标节点的网络段。 图5-4 一个典型的星形网络 星形拓扑结构需要的电缆和配置稍许多于环形或总线网络，发生故障的单个电缆或工作 站不会使星形网络瘫痪。但一个集线器的失败将导致一个局域网段的瘫痪。 由于中央连接点的使用，星形拓扑结构可以很容易地移动、隔绝或与其他网络连接。因 此，它们更易于扩展。由于这些原因，在目前的局域网中，星形拓扑结构是最流行的基本体 系结构。许多网络管理员在近几年都用星形网络代替旧的总线或环形网络。单个星形网络通 常都通过集线器和交换机与其他网络互连以形成一个更复杂的拓扑结构。现代的以太网都使 用星形拓扑结构。 5.2 混合局域网拓扑结构 除非在规模非常小的网络中，否则很难遇见一个网络严格地遵从仅仅一种总线—环形或 第5章 网络体系结构 113 下载 星形拓扑结构。简单的拓扑结构有太多的限制，特别是在局域网必须容纳大量的设备时。更 可能的选择是使用这些简单的拓扑结构形成复杂的组合。这也称为混合拓扑结构。下面几节 将解释几种混合拓扑结构。 5.2.1 星形环 星形环拓扑结构将星形的物理布局与令牌环传递的数据传输方法联合使用。图 5 - 5描绘了 这种体系结构。其中实线代表了物理连接，虚线代表了数据流。数据以循环方式绕着星形网 络传输。这种混合拓扑结构的优点包括星形拓扑结构的容错性（数据传输不依靠每一个工作 站作为中继器）和令牌传递的可靠性。在 I E E E 8 0 2 . 5中 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 的现代令牌环网使用这种混合形拓 扑结构。 图5-5 一种星形环拓扑结构 5.2.2 星形总线 另一种流行的混合拓扑结构组合了星形和总线构造。在星形总线拓扑结构中，工作站组 以星形连接到集线器上，然后通过单根总线进行连网，如图 5 - 6所示。通过这种设计，网络可 114 计算机网络实用教程 下载 集成器 图5-6 星形总线拓扑结构 集线器 集线器 以覆盖较大的距离，较易与不同的网络段进行互连或隔绝。这种结构的一个缺点是它比单独 使用星形特别是总线拓扑结构要昂贵得多。星形总线拓扑结构是组成以太网和快速以太网的 基础。 5.2.3 菊花链形 即使星形环网络拓扑和星形总线网络拓扑也是过于简单而不能代表一种典型的中等规模 局域网。然而，为星形总线或星形环拓扑提供服务的集线器能形成菊花链以构成一个更为复 杂的混合拓扑结构。如图 5 - 7所示。一个菊花链就是一系列设备的链接。由于星形混合拓扑能 进行模块化扩展，菊花链是网络扩展的一种逻辑解决方法。同时，多台集线器可以通过电缆 连接到它们的端口上，从而实现网段互连。因此通过这种方法扩展一个局域网的基础结构几 乎不需额外的成本。 图5-7 菊花链星形总线拓扑结构 警告：菊花链简单拓扑结构能引起灾难。例如， I E E E规范如E t h e r n e t 8 0 2 . 3 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 为维护 传输的完整性指定了能有序连接的集线器的最大数目。使用的集线器个数超过了标准 所建议的数目，将对一个局域网的功能有负面的影响。其他方面，如果扩展一个局域 网超出了它所推荐的规模，会导致一些间歇性且不可预料的数据传输错误。此外，假 如使用有限的带宽进行拓扑结构的菊花链化，可能有信道超载及产生更多数据错误的 风险。 5.2.4 层次结构 前面所讨论的拓扑结构没有一个对不同工作组的功能或优先权进行区分。例如，一台包 括了工资表数据库并为 5 0个客户机提供服务的服务器和一台每星期只使用两次进行数据处理 的工作站连接到相同的集线器上。虽然这两种设备连接到同一个集线器上，但它们执行完全 不同的功能。为与功能一致，对工资表服务器的网络访问分配一个更高的优先权。例如，为 第5章 网络体系结构 115 下载 文件服务器 文件服务器 集线器 集线器 集线器 集线器 了确保工资表服务器不会由于网络上某一设备的失败而失去网络连接的数据传输环境，可以 选择一个更昂贵的、具有容错性的集线器将工资表服务器直接连接到主干网上；较不重要的 数据处理工作站可连接到一个小的、不昂贵的集线器上，再连接到一个更好的集线器上，最 后连到主干网上。这种安排将工资表服务器失去连接的可能性降到了最小。但增加了数据处 理工作站失去连接的可能性。 将设备按等级分层有许多原因。考虑到安全性、开销、可扩展性、网络编址、带宽或可 靠性，可能将集线器、交换机和路由器分层。此外，存在许多方法分割设备和工作组，从而 产生各种不同的层次拓扑结构。如可以把拓扑结构想象成类似于一个公司的组织图表，其中 部门按照功能划分，不同的人员属于组织图表中不同的级别。 对网络中的设备分组的一种可能的方法是将它们分割成层。一个层仅是对网络设备进行 逻辑分割。一个层次混合拓扑结构使用层将设备按照它们的优先权或功能进行分割。一个层 次拓扑结构可以有许多层，并可以连接不同类型的简单拓扑结构。例如，图 5 - 8描绘了一个具 有三层的层次环形拓扑结构。顶层是网络的主干，第二层对文件服务器提供直接的连接，并 对第三层提供中间连接，第三层则为多个工作组提供服务，如管理、销售和信息技术。 图5-8 层次环形拓扑结构 将拓扑结构层次化有以下几种优点：对不同的组进行带宽隔离的能力，易于增加或隔绝 不同的网络组，易于与不同的网络类型互连，因此，层次拓扑结构构成了高速局域网和广域 网设计的基础。 5.3 企业网的拓扑结构 在网络中，术语“企业”指的是一个完整的组织，包括本地和远程的公司、多种计算机 系统以及多个部门。因此企业级的计算机系统必须考虑一个大型组织的计算机所需的广度和 可变性。企业级网络是对简单的混合局域网拓扑结构的扩展。因此，与简单局域网拓扑结构 所提供的设备及环境相比，这种拓扑结构需要更多的互连设备和更加健壮的数据传输环境。 一个企业级网络可以使用或形成广域网的一个部分，但前者只能连接一个组织的资源，而广 域网（如 I n t e r n e t）可以连接来自许多不同组织的资源。 116 计算机网络实用教程 下载 令牌 环网 令牌 环网 令牌 环网 令牌 环网 层1 层3 文件服务器组 管理部 财务部 市场部 销售部 执行部 IT部研究部 层2 当使用局域网拓扑结构时，企业级网络的拓扑结构存在许多不同点。本节描述几种常用 的用于组织大型网络的方法。 5.3.1 主干网络 正如前面所提到的，网络主干是连接网络的集线器、中继器以及路由器的电缆。主干通 常比连接工作站到集线器上的电缆有更大的通信容量。由于主干要比网络中的其他电缆处理 更大的通信容量，增加主干的通信容量是必须的。例如，一个发展迅速的商业领域使用光纤 作为主干，但其仍然使用 5类电缆作为连接集线器和工作站的介质。虽然从技术上说，即使最 简单的局域网也有一个主干，但企业级的主干更复杂且更难以设计。主干是网络中最重要的 组成部分。 1. 串行主干 串行主干是最简单的主干类型。它由两个或更多的通过单根电缆相互连接的集线器组成。 串行主干网络完全等同在混合局域网拓扑结构一节中讨论的菊花链网络。正如以前所提到的， 它们不适合大型网络或远距离传输。虽然串行主干网络能用于企业级网络，但几乎都不采用 这种 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。 2. 分布式主干 分布式主干由许多连接到位于层次拓扑结构中的一系列中央集线器或路由器上的集线器 组成，如图5 - 9所示。在图5 - 9中，短划线代表了主干。由于更多的集线器层可以增加到现有的 层上，对这种拓扑结构的扩展只需考虑简单的扩充和有限的资金开销。例如，假设你是一个 出版社办公室的网络管理员。开始，你使用包含两个集线器的分布式主干建构网络，其中每 个集线器连有1 0个用户，总共对 2 0个用户提供连接。当公司雇佣更多的员工时，你可以将另 一个集线器连接到现有的集线器上。使用新的集线器连接新的员工到网络上。 图5-9 一个简单的分布式主干网络 图5 - 1 0是一个更复杂的分布式主干，它使用路由器连接多个局域网或局域网段。在这个 例子中，路由器形成了连接多个局域网的主干的最高层。 网络管理员能够采用分布式主干来隔离工作组，这样就能更轻易地管理它们。这种结构 能较好地适应位于单个大厦的一个企业级网络。在这种网络中，集线器层可以根据楼层或部 门进行安排。然而，当设计一个分布式主干网络时，必须考虑节点之间可允许的最大距离及 第5章 网络体系结构 117 下载 集线器 集线器 集线器 集线器 集线器 集线器 集线器 集线器 网络介质所指定的服务器。在设计中存在的另一个可能的问题与失败的中央点，即最高层集 线器有关。尽管存在这些潜在的缺点，实现一个分布式主干网络还是相对比较简单、迅速和 廉价的。 图5-10 连接多个局域网的分布式主干 3. 折叠式主干 折叠式主干拓扑结构使用一个路由器或交换机作为多个子网的单个中央连接点，如图 5 - 11所示。比较图5 - 11和图5 - 1 0，多个局域网是通过一个分布式主干连在一起。在折叠式主干中， 单个路由器或交换机是主干的最高层。构成折叠式主干的路由器或交换机必须包含多个处理 器以处理通过它的大量通信量。使用这种分布式的危险即是中央路由器或集线器的失败将导 致整个网络的崩溃；另一方面，路由器处理传输数据不如集线器快，因而使用路由器可能减 慢数据传输速率。（关于集线器和路由器将在第6章详细讨论） 图5-11 一种折叠式主干网络 118 计算机网络实用教程 下载 路由器 路由器 集线器 集线器 集线器 集线器 路由器 集线器 集线器 集线器集线器 路由器 然而，折叠式主干拓扑结构提供了许多实际的优势。更重要的是：这种安排允许不同类 型的子网间的互连，并能够集中管理网络的维护和解决发生的问题。 4. 并行式主干 并行式主干是健壮性更强的企业级网络的拓扑结构。与折叠式主干不同的是：并行式主 干有多个从中央路由器或交换机到每个网段的连接。图 5 - 1 2描绘了一个简单的并行式主干拓 扑结构。使用并行式主干最重要的优点是它的冗余连接可以保证网络连接到企业的任何一个 地点。并行式主干要比其他企业级网络的拓扑结构昂贵得多，但它们可以提供更多的性能来 弥补这种额外的开销。 图5-12 并行式主干网络 作为网络管理员，你可以有选择地只并行连接网络中最关键的设备。例如，假如图 5 - 1 2中 的第一个、第二个集线器将设备和工资部门连接到网络上，则你的组织不会与这些部门失去联 系。你可以在适当的地方保持并行结构。假如图 5 - 1 2中的第三个、第四个集线器将组织的娱乐 和培训部门连接到网络上，你可以认为并行链接对这些部门是不必要的。通过有选择地实现并 行结构，能降低链接开销，并能留出链接设备上的额外端口。 5.3.2 网状网络 在网状网络中，路由器间至少可通过两条路径互相链接，如图 5 - 1 3所示。网状网络要比 前面所讨论的主干网络更为复杂。实际上，它一般包括了多个主干网。术语“网状网络”是 一个通用的拓扑术语，适用于工作组和互连设备的各种不同的组合。虽然一个简单的局域网 可以是一个网状网络，但这种拓扑结构更常用于企业级网络和广域网。因特网就是一个网状 广域网的一个例子。 第5章 网络体系结构 119 下载 路由器或交换机 设备 工资 娱乐 培训 集线器 集线器 集线器集线器 图5-13 一个网状网络 5.4 广域网拓扑结构 广域网是一种链接地理上有差异的多个场所的网络，这些场所可以属于相同的组织，也 可以属于不同的组织。广域网拓扑结构不仅使用局域网和企业级网络的拓扑结构作为建构单 元，而且由于它们所覆盖的距离、服务的大量用户，以及它们所处理的大量通信量使其更为 复杂。例如，一个简单的环形拓扑结构可以满足一个有 1 0个用户的小型办公室环境，但它不 能扩展，从而不能为 1 0 0 0个用户提供服务。选择某种特定的广域网拓扑结构将依赖于所必须 链接的场所个数，场所之间的距离和任何现有的基础结构。 广域网拓扑结构与局域网拓扑结构还在所使用的互连设备（如路由器和交换机）的类型 和范围方面有所不同。这种差别将直接导致本地网络段与涉及远距离传输的网络段对连网协 议的处理方式不同。例如，一个局域网可以在单个段上携带 N e t B E U I、I P X / S P X及T C P / I P这些 协议的通信数据，但由于广域网通过路由器与局域网互连，且 N e t B E U I是不可路由的协议， 一个广域网链接只能携带 I P X / S P X和T C P / I P的通信数据。关于广域网连网技术，如 AT M、 D S L、F D D I以及帧中继将在第7章详细讨论。 5.4.1 端到端 每个地点只有单个连接的广域网被设计成端到端拓扑结构。广域网的端到端拓扑结构类 似于局域网的端到端模型。它的每个节点依靠网络中其他的每个节点进行数据的发送和接收。 然而，端到端局域网使用通过共享电缆接入的计算机，而广域网的端到端拓扑结构使用通过 （通常）专线连接的不同地点。 这种拓扑结构对于只有几个地点且能使用专用线路的组织来说是最好的解决方案。所谓 120 计算机网络实用教程 下载 令牌环 令牌环 路由器 路由器 路由器 路由器 集线器 集线器 集线器 集线器 集线器 集线器集线器 集线器 集线器 集线器 路由器 专用线路是指从通信提供商，如 I S P处租用的两个接入点之间的不间断的物理或逻辑连接。在 第7章将介绍更多的专用线路，如 T 1或I S D N连接。目前，只需知道专用线路能够使数据有规 则地、可靠地传输即可。图5 - 1 4描绘了一个使用T 1和I S D N连接的端到端广域网。 图5-14 一个端到端广域网 端到端广域网拓扑结构只适用于小型的广域网。由于所有的地点都必须参与通信的承载， 这种模型不能很好地扩展。增加更多的地点将导致性能下降。同时，在端到端广域网上发生 的单点失败将导致所有地点间的通信崩溃。 5.4.2 环形 在一个环形广域网拓扑结构中，每个节点被连接到两个其他地点以使整个广域网形成一 个环形模形，如图 5 - 1 5所示。除了一个环形广域网拓扑结构连接的是地点而不是本地节点之 外，这种体系结构类似于环形局域网拓扑结构。基于端到端广域网的环形广域网的优点是： 单个电缆问题不会影响整个网络，以及在任何地点的路由器可以根据通信模式对数据传输进 行改向。另一方面，扩展一个环形配置的广域网很困难且非常昂贵。因此，使用环形拓扑结 构的广域网仅对少于4个或5个地点的连接适用。 图5-15 环形配置的广域网 第5章 网络体系结构 121 下载 5.4.3 星形 星形拓扑结构与一个星形局域网相似。单个地点作为许多其他地点的中央连接点，如图 5 - 1 6所示。这种分布对任何两个地点之间的数据传输提供独立的线路。因此，星形广域网比 端到端或环形广域网更可靠。一般来说，随着传输数据的潜在线路数目的增加，可靠性也将 增加。例如，若Oak Street和Main Street两点之间的T 1连接失败，Wa t e r t o w n和C o l u m b u s仍然 可以使用不同线路与 Main Street通信。但在一个端到端或环形拓扑结构中，单点失败可能会 导致所有地点间的通信停止。 星形广域网的另一个优点是：当所有的专用线路都有效时，星形广域网能提供任何两个 地点间的最短数据传输路径。 扩展一个星形广域网也是很容易的。它的扩展成本要比扩展一个端到端或环形广域网低 得多。例如，一个使用图 5 - 1 6所示的星形广域网的组织想对它的拓扑结构增加一个 M a p l e S t r e e t，M a d i s o n地点，它只需简单地从 Main Street办公室租用一个新的专用线路到 M a p l e S t r e e t办公室即可。没有其他办公室会因为这个改变而受到影响。如果该组织使用的是端到端 环形广域网拓扑结构，则需要两个独立的专用连接才能将新的地点合并到网络中去。 如同星形局域网拓扑结构，星形广域网最大的缺点是中央连接点的失败可能导致整个广 域网的崩溃。例如在图5 - 1 6中，如果Main Street办公室遭遇了一次灾难性火灾，整个广域网将 会崩溃。 图5-16 一个星形配置的广域网 5.4.4 网状 如同一个企业网一样，网状广域网拓扑结构直接连接许多互连节点，在这种情况下，节 122 计算机网络实用教程 下载 点是指地理场所，由于每个地点都是互连的，数据能够从发起点直接传输到目标节点。如果 一个连接出了问题，路由器将轻易并且迅速地对数据改向。由于网状广域网对两个点之间的 数据传输提供多条路线，这种网络是最具容错性的广域网配置。例如，若图 5 - 1 7中的M a d i s o n 办公室遭遇一次灾难性火灾， D u b u q u e办公室仍然能够对D e t r o i t办公室进行数据的传输，且数 据是直接到达 D e t r o i t办公室。如果 M a d i s o n和D e t r o i t办公室都出现问题， D u b u q u e和 I n d i a n a p o l i s办公室仍然能够进行通信。 网状广域网的一个缺点是成本问题。将网络中的每个节点与其他节点相连接需要租借大 量的专用线路。随着广域网规模的扩大，开销可能是非常大的。为缩减开支，可以选择实现 半网状，在这种网状结构中，直接连接关键的广域网节点，通过星形或环形拓扑结构连接次 要的节点，如图 5 - 1 7所示，与全网状的广域网相比，半网状的广域网更加适用，因而在当前 的商业领域亦是更通用的。 图5-17 全网状和半网状的广域网 5.4.5 分层 分层广域网拓扑结构类似于局域网所使用的层次混合拓扑结构。在分层广域网拓扑结构 中，以星形或环形连接的广域网地点被互连到不同的级别，这些互连点构成了所谓的层。图 5 - 1 8描绘了一个分层的广域网。在这个例子中，M a d i s o n、D e t r o i t和New Yo r k办公室形成上层， D u b u q u e、I n d i a n a p o l i s、To r o n t o、To l e d o、Wa s h i n g t o n和B o s t o n办公室遇到问题，To r o n t o和 To l e d o办公室将不能与广域网上的任何其他节点通信。同样， D u b u q u e和I n d i a n a p o l i s办公室的 广域网连接依赖于M a d i s o n办公室，正如Wa s h i n g t o n和B o s t o n办公室的广域网连接依赖于 N e w Yo r k办公室一样。 这种拓扑结构的变化形式是多种多样的。确实，灵活性使得分层方案非常实用。一个网 络设计师能够根据通信模式或关键数据路径决定高层路由器的最佳位置。除此之外，分层系 统易于扩展，它包含了支持扩展的冗余链接。在另一个方面，它们巨大的灵活性使得在构建 一个分层广域网时需要仔细考虑地理因素的使用模式和发展潜力。 第5章 网络体系结构 123 下载 全网状广域网 半网状广域网 图5-18 一个分层广域网拓扑结构 5.5 网络传输系统 网络传输系统描述了节点间网络的逻辑互连，而不是它们的物理互连，因而有时也称之 为网络的逻辑拓扑结构。网络传输系统依赖于 O S I模型的物理层所携带的电子脉冲。相对应的 是，一个物理拓扑结构应用于网络电缆的配置，该功能位于 O S I模型的物理层的底层。 两个最流行的网络传输系统是以太网和令牌环网。在第 2章学习数据如何通过 O S I模型各 层传输时已经介绍了以太网和令牌环网技术。这些技术已经由第2章所介绍的 I E E E组织标准化。 这一节将更详细地解释以太网和令牌环网系统，特别是它们在网络设计中的地位。每种网络 传输系统不仅有它自己的一套数据传输规则，而且对网络介质和物理拓扑结构也提出了特有 的需求。 5.5.1 交换 在理解特定的网络传输系统，如以太网和令牌环网之前，必须熟悉交换的概念。交换是 判定节点间如何创建连接的网络逻辑拓扑结构的一个组件。在第 6章，将学习更多的有关交换 机的知识，即交换机就是负责管理网络交换的硬件。应了解交换的三种方法：电路交换、报 文交换和包交换。每种网络传输系统都依靠这些交换机制的一种。 1. 电路交换 在电路交换中，两个网络节点在开始传输数据之前必须建立一个连接。这种连接需要一 定的带宽并且直到用户结束了两个节点之间的通信时才释放带宽。当节点保持连接状态时， 所有的数据沿着最初由交换机选择的相同的路径传输。例如，当放置一条电话线时，你的呼 叫通过一条电路交换连接。 当两个站点保持连接时，电路交换独占了一段带宽，这并不是一种经济的技术。然而， 有些网络应用不能容忍重组数据包所花费的时间延迟，如实时电视或电话会议，这些应用程 序可以通过这种专用通道来实现。电路交换常用于以下的连网技术中：异步传输模式（ AT M）、 拨号、I S D N和T 1。这些技术将在第7章中详细讨论。 2. 报文交换 报文交换在两个设备间建立一个连接，传输信息到第二个设备，然后断开连接。信息 124 计算机网络实用教程 下载 存储在第二个设备上，直到第二个设备和路径上的第三个设备建立连接时，信息才从第二 个设备往下转发。这种“存储转发”例程一直持续到信息到达目的地。所有的信息沿着相 同的物理路径传输，与电路交换不同的是，连接不需要持续维持。邮件系统使用报文交换 技术。报文交换技术要求数据路径上的每个设备有足够的内存和处理能力以便在信息传输 到下一节点时接收和存储它们。本章所讨论的局域网和广域网网络模式没有一个使用报文 交换技术。 3. 包交换 网络中节点互相连接的第三种方法就是包交换。包交换是在数据传输期间将数据分割成 数据包。由于每个数据包都包含了目标地址信息和序列号信息，因此数据包能通过任何可能 的路径到达目标节点，并且每个数据包能试图发现最快的可达路径。 为理解这种技术，假设你组织了一次野外旅行，你和 5 0个同事去位于Wa s h i n g t o n，D C .的 国家太空博物馆。你将博物馆的准确地址给了你的同事，并告诉他们上午 7点整从办公大楼出 发。你没有告诉你的同事选择哪条线路。自然，每个人都希望走最快的路径到达博物馆。一 些人可能选择地铁，一些人可能坐一辆出租车，另一些人可能选择自己驾车前往。无论你的 同事选择何种方式，你们都将到达博物馆并重组成一个组。这种模拟解释了在一个包交换网 络中数据包是如何传输的。 包交换网络中的目标节点根据它们的控制信息重组数据包。由于将数据包重组成一条报 文需花费时间，包交换不适用于实时电话或电视传输。然而，对于传输一般的网络数据，如 字处理或电子表格文件，它是一种快速有效的机制。包交换的最大优势是它不像电路连接会 一直占用一条连接直到报文到达目标点而浪费带宽。同时它也不同于报文交换、帧中继。因 特网也是一个包交换广域网的例子。 5.5.2 共享的以太网 正如第2章所说，以太网最初是由 X e r o x在2 0世纪7 0年代开发的一种连网传输方法，后来 由X e r o x、数字设备公司（ D E C）和I n t e l改进。这种灵活的技术可以运行在各种网络介质上， 并在合理的开销下提供很好的容量。到目前为止，以太网是用于局域网的最流行的逻辑拓扑 结构，并且它还会愈来愈流行。 以太网已经发展了许多版本并在继续改进。由于这种历史，它支持许多不同的版本和速 度。下面几节将介绍以太网系统目前最通用的类型，其优势和局限性，以及由所有以太网共 享的特性。 1. CSMA/CD 以太网遵从一套称之为具有冲突检测的载波侦听多路访问 /冲突检测（C S M A / C D）的通 信规则。所有的以太网，不论其速度或帧类型是什么，都使用 C S M A / C D。要理解以太网，必 须首先理解C S M A / C D。定义每个C S M A / C D部件的功能对理解C S M A / C D是有用的。“载波侦 听”是指以太网的网络接口卡侦听网络，直到检测到没有其他节点正在发送数据时，它们才 开始发送数据。“多路访问”是指多个以太网节点连接到同一个网络上，并能同时检测信道。 当判定线路空闲时任何节点都能发送数据。假如两个节点检测到一个空闲电路并同时开始发 送数据，这时会发生数据冲突。在这种情况下，网络执行冲突检测例程。如果一个站的网络 接口卡判断出它的数据遇到冲突，它将首先在整个网络中传播冲突（也称之为阻塞），以确保 第5章 网络体系结构 125 下载 没有其他站试图发送数据。在传播冲突后，该网络接口卡将保持一段时间的静默（时间的长 短依赖于网络接口卡的软件和硬件设置，但一般等待时间为 9 m s），等待之后，一旦节点判断 线路可再次获得，它将重发它的数据。 在通信业务繁忙的网络中，冲突是普遍的。毫不奇怪，网络中传输节点愈多，发生的冲 突也愈多（虽然冲突速率超过所有通信业务 1 %是不寻常的，有可能是网络中网络接口卡的问 题）。当一个以太网发展成包括巨大数目节点时，网络性能可能由于冲突而下降。这个“临界 选质量”依赖于网络定期发送数据的类型和容量。冲突能够破坏数据或截去数据帧的一部分， 因此网络检测和抵消冲突是非常重要的。图 5 - 1 9描绘了C S M A / C D过程。 图5-19 CSMA/CD过程 注意：冲突是以太网电缆传输距离限制的一个因素。例如，如果两个连接到同一总线 的节点间距离超过2 5 0 0米，数据传播将发生延迟，这种延迟将阻止C S M A / C D的冲突检 测例程正确进行。 2. 以太网版本 正如前面提到的，以太网存在许多不同的实现形式。每种以太网版本都服从一个略微不 同的I E E E 8 0 2 . 3规范。该规范概括了以太网不同版本的速度、拓扑结构和电缆特征。下面几节 将描述最通用的几种以太网物理层的差别以及它们的优势和局限性。 注意：本节的一些材料将多次提到在第4章中介绍的传输介质。如果不能回忆起这些传 输介质的特性，如安全性、最大段长度和相对成本，应该先复习那些材料。 • 10Base2 从第4章可知，1 0 B a s e 2是以太网的一种变体。根据 I E E E 8 0 2 . 3标准，它使用细 同轴电缆和单根总线的拓扑结构，如图 5 - 2 0所示。 1 0 B a s e 2也称为 T h i n n e t或T h i n E t h e r n e t。在1 0 B a s e 2被开发出来之前，以太网仅使用粗同轴电缆。比较可以知道，细缆 灵活性更高且更易于安装。 • 1 0 B a s e 2的“1 0 B a s e”部分表示了它的网络速度是每秒 1 0 M b。正如第4章所说，每秒M b 用于测量网络发送的数据量，它与网络的物理特性有关。 在以太网技术中，最通常的网络速度是 1 0 M b p s和1 0 0 M b p s。实际的网络数据传输速率可 能不同，正如你可能以平均每加仑 2 5英里（2 5 M P G）的速度驱动你的汽车，虽然生产厂商估 计汽车的汽油里程为 3 0 M P G。随着更多的网络转向更快的速度， 1 0 M b p s的规范限制了 1 0 B a s e 2以太网的使用。 126 计算机网络实用教程 下载 工作站监 听活动 等待 发送结束 发送 检测冲突检测活动 停止发送，阻塞， 然后等待 图5-20 一个10Base2以太网 如同典型的总线拓扑结构， 1 0 B a s e 2网络使用两个5 0欧姆电阻器终止网络的两端以防止信 号反射。正如第4章所述，一个1 0 B a s e 2以太网段的最大长度是 1 8 5米（6 0 7英尺）。1 0 B a s e 2规 范支持每个网络段最多包含 3 0个节点，其中每个节点通过一个 B N C连接器连接到总线上。 BNC T形连接器附着在 1 0 B a s e 2网络专用网络接口卡上的 B N C连接件上。多个T h i n n e t段可通 过转发器连接。一个完整的以太网能包括 4个转发器，从而最多连接5个网络段。 考虑到1 0 B a s e 2的规模和速度限制，它并不能很好地适用于大型局域网。使用 1 0 B a s e 2的 主要优点是它的低成本和易安装性。由于以上原因，可能会在小型办公室或计算机实验室发 现T h i n n e t网络，但不可能在整个企业范围的网络中发现它。 • 10Base5 在第4章已经论述过1 0 B a s e 5，1 0 B a s e 5是以太网最初的电缆标准。它使用粗同 轴电缆，而不是细同轴电缆。因此也称为 T h i c k n e t或Thick Ethernet，如同1 0 B a s e 2， T h i c k n e t使用两端带有5 0欧姆的电阻器的总线拓扑结构，传输数据的速率为 1 0 M b p s。在 1 0 B a s e 5中的“5”代表了它能传输的最大距离为 5 0 0米。尽管1 0 B a s e 5各段如同1 0 B a s e 2 各段，可通过转发器相互连接，最多连接 5个网段以形成一个完整的网络。 1 0 B a s e 5比 T h i n n e t能覆盖更长的距离，但 T h i c k n e t实现起来更加昂贵。由于 1 0 B a s e 5是一种较粗且 不灵活的电缆以及笨重的连接设备，目前很少使用它来连网。可能从不会遇到一个 1 0 B a s e 5的网络，但仍然应熟悉它的特性。 • 10BaseT 10BaseT是当前使用的最流行的以太网电缆标准。 1 0 B a s e T使用双绞线电缆 （名称中“T”的来源）和星形拓扑结构，以1 0 M b p s的速率发送数据。在学习完第4章后， 应熟悉双绞线电缆的特性。 1 0 B a s e T网络使用的双绞线电缆是一种非屏蔽的双绞线。这 是一类包括3，4，5类电缆的电线。非屏蔽双绞线类同于电话连接的电线。由于这个原 因，1 0 B a s e T网络能较好地适用于一个组织现存的物理基础结构。除此之外，双绞线电 缆能支持更新更快的技术，因此它增加了网络的可扩展性。 第5章 网络体系结构 127 下载 集线器 最大185米 最大185米 50欧姆终结器 50欧姆终结器 使用非屏蔽双绞线电缆的一种可能缺点就是它对于附近的信号源，如电动机、动力线以 及雷达产生的电磁干扰比较敏感。 1 0 B a s e T技术通过在电线上使用噪声平衡和滤波技术来抵消 这种干扰。由于这种原因，应该严格根据 I E E E规范安装1 0 B a s e T网络线且避免将以太网电缆 安装在电话间内或大型动力设备如空调机附近，这些都是非常重要的。 1 0 B a s e T以太网上的节点连接到星形结构的中心集线器或中继器上。作为一种典型的星形 拓扑结构，单根网络电缆仅仅连接两个设备。这种特性使得 1 0 B a s e T网络比使用总线拓扑结构 的1 0 B a s e 2或1 0 B a s e 5具有更好的容错性。由于每个设备都独立地连接到局域网上，因此 1 0 B a s e T能够更轻易地隔离故障，从而更容易进行故障检修。图 5 - 2 1描述了小型1 0 B a s e Tc以太 网。 图5-21 一种10BaseT以太网 在1 0 B a s e T网络上的每个节点使用 R J - 4 5连接器，在工作站端用于连接网络电缆和网络接 口卡，在网络端用于连接电缆和集线器。如同在第 4章讨论的，在一个现代局域网上很可能会 遇到这些类型的以太网连接器。 1 0 B a s e T也像1 0 B a s e 2和1 0 B a s e 5存在一个距离限制。一个 1 0 B a s e T段跨越的最大距离是 1 0 0米。为了超过这一限制，以太网星形段必须通过额外的集线器或交换机连接以形成一个混 合的星形总线或层次拓扑结构。如同1 0 B a s e 2和1 0 B a s e 5，这种布局最多连接5个连续的网络段。 图5 - 2 2解释了1 0 B a s e T网络是如何互连而形成一个企业级以太网的。 • 100BaseT 随着网络规模越来越大，要处理的通信量越来越多，以太网为时甚久的 1 0 M b p s的限制成为影响响应时间的一个瓶颈。 1 0 0 B a s e T，也称为快速以太网，能满足 使用与流行的 1 0 B a s e T技术相同的基础体系的快速局域网的要求。 1 0 0 B a s e T，由 I E E E 8 0 2 . 3 u标准规范，能使局域网以 1 0 0 M b p s的数据传输速率运行，这种速率是 1 0 B a s e T的十倍，却无需对新的基础体系进行大的投资。如同 1 0 B a s e T，1 0 0 B a s e T使用星 形总线或层次混合拓扑结构进行基带传输。它也使用相同的电缆和 R J - 4 5数据连接器。 因此，对于当前使用流行的1 0 B a s e T技术的组织完成1 0 0 B a s e T的更新是容易且不昂贵的。 如同1 0 B a s e T，1 0 0 B a s e T网络的末端节点与集线器之间的距离不能超过 1 0 0米。1 0 0 B a s e T 技术的另一个限制是虽然它也像其他以太网版本一样使用 C S M A / C D，但数据传输过快使得网 络接口常常不能跟上冲突检测和重发例程。在 C S M A / C D中，当发生冲突时，网络接口卡需花 费一点时间进行错误检测和错误补偿。根据 1 0 0 B a s e T网络的运行速度，网络接口卡完成这些 128 计算机网络实用教程 下载 最大100米 最大100米 电缆集线器 集线器 例程所花费的时间应进一步减少。为最小化未被检测到的冲突数， 1 0 0 B a s e T总线实际上使用2 个集线器，最多支持三个网络段。这种更短的路径将减少节点间可能出现的最大潜在传播延 迟。 注意：如同其他的以太网技术，1 0 0 B a s e T网络的实际数据传输速率会依赖服务器的处 理能力、总线网络接口卡和连接设备而改变。实际上，由于平均以太网数据包的尺寸 小，不可能真正达到1 0 0 M b p s的流量。安装一个1 0 0 B a s e T的网络应保证基础结构能适 用于以太网进一步的改进。 图5-22 企业级10BaseT以太网 随着组织逐渐采用1 0 0 M b p s技术，两种1 0 0 B a s e T规范，1 0 0 B a s e T 4和1 0 0 B a s e T X，展开了 竞争。这些技术的差异主要在于它们实现 1 0 0 M b p s传输速率的方法，这将影响它们的电缆需 求。 • 1 0 0 B a s e T X是最可能遇见的版本，通过以 1 0倍于原信号速度发送信号，并压缩数字脉 冲间的间隔时间和工作站等候并侦听 C S M A / C D的时间来实现如此快捷的网络传输速度。 它需要5类非屏蔽双绞线电缆。 • 1 0 0 B a s e T 4通过把1 0 0 M b p s数据流分割成每个为3 3 M b p s的三个数据流来达到这种高速 率。三个数据流通过三对非屏蔽的双绞线发送，第四对则用于冲突检测。 1 0 0 B a s e T 4可 以使用低成本的3类电线。1 0 0 B a s e T 4技术使用的四对电线只能用于单向信号的传输，因 此它不能支持全双工传输。全双工传输是一种改进的技术，它在两节点无冲突时允许同 时进行两个方向的传输，从而潜在地将 1 0 0 B a s e T网络的带宽扩展到 2 0 0 M b p s。 1 0 0 B a s e T X能够支持全双工传输，这也是它比 1 0 0 B a s e T 4更流行的一个原因。 注意：不能在单个网络段上混合 1 0 0 B a s e T X和1 0 0 B a s e T 4。例如，如果购买了一个为 1 0 0 B a s e T X传输而设计的集线器，就不能将为1 0 0 B a s e T 4传输设计的网络接口卡与该集 第5章 网络体系结构 129 下载 文件服务器 线器连接。 • 100BaseVG 100BaseVG也称为1 0 0 V G A n y L A N，也属于以太网类型，它支持 1 0 0 M b p s 的数据传输速率。其中“ V G”代表了“声音等级“。 1 0 0 B a s e V G最初是由 H e w e t t - P a c k a r d和AT & T开发的，目前由 I E E E 8 0 2 . 1 2标准规范化。而前面所讨论的以太网版本则 是由I E E E 8 0 2 . 3标准规范化。 1 0 0 B a s e V G和1 0 0 B a s e T存在一个差异，即：1 0 0 B a s e V G不使用C S M A / C D，而是使用