第5章 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與訪問控制

第5章網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與訪問控制5.1簡介網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容，也是網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的第一步。1.

局域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分類（1）邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用來描述網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點(diǎn)間的信息流動(dòng)形式，即由網(wǎng)絡(luò)中的介質(zhì)訪問控制方法決定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。（2）物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用來描述網(wǎng)絡(luò)硬件的布局，即網(wǎng)絡(luò)中各部件的物理連接形狀。2.

局域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇原則

在局域網(wǎng)中，一旦選定某種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，則同時(shí)還需要選擇一種適合于該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的局域網(wǎng)工作方法和信息的傳輸方式。在我們選擇時(shí)，一般會(huì)考慮如下一些因素：①

價(jià)格：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)直接決定了網(wǎng)絡(luò)的安裝和維護(hù)費(fèi)用。②

速率：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)直接關(guān)系到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸速率和帶寬。③

規(guī)模：網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)直接與網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模相關(guān)。網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)涞倪x擇，將直接影響網(wǎng)絡(luò)的投資、運(yùn)行速率、安裝、維護(hù)和診斷等各種性能。局域網(wǎng)上廣泛使用總線型、環(huán)型拓?fù)洹⑿切屯負(fù)浜蜆湫屯負(fù)洹?.2幾種常見的局域網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)5.2.1點(diǎn)到點(diǎn)直接連接方式4臺(tái)計(jì)算機(jī)組成的直接連接方式的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)兩臺(tái)計(jì)算機(jī)通過電話網(wǎng)的直接連接5.2.2總線結(jié)構(gòu)1.

總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

總線結(jié)構(gòu)的實(shí)際連接結(jié)構(gòu)如下圖所示，網(wǎng)絡(luò)上所有節(jié)點(diǎn)共享這條公用通信線路。線性總線上的工作站以兩個(gè)方向發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，并且能被網(wǎng)絡(luò)上的任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到。工作時(shí)，每當(dāng)有計(jì)算機(jī)將數(shù)據(jù)信號(hào)傳送到公共干線上時(shí)，所有的工作站均可以收到此信息。每個(gè)工作站收到信息后都會(huì)核對(duì)該信息中的目的地址是否與本工作站的地址一樣，然后，決定是否接收這個(gè)信息?！翱偩€”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的典型應(yīng)用是“細(xì)纜以太網(wǎng)（10BASE2）”和“粗纜以太網(wǎng)（10BASE5）”?？偩€型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型

總線結(jié)構(gòu)的局域網(wǎng)拓?fù)鋱D

總線形局域網(wǎng)的連接同軸電纜向集線器的變化2.

“總線”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用特點(diǎn)（1）

優(yōu)點(diǎn)①

結(jié)構(gòu)簡單靈活。②

在輕負(fù)荷時(shí)，網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度較快。③

硬件設(shè)備量和電纜量少，造價(jià)低。④

易于安裝、配置，使用和維護(hù)方便。⑤

共享能力強(qiáng)，適合于一點(diǎn)發(fā)送，多點(diǎn)接收的場合。（2）

缺點(diǎn)①

故障診斷困難。一個(gè)鏈路故障，檢測工作需要涉及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。②

網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)充不便。在“總線”網(wǎng)絡(luò)上，增加節(jié)點(diǎn)時(shí)，需要斷開相鄰節(jié)點(diǎn)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)將停止工作。因此，此類網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性較差。③

信號(hào)隨距離的增加而衰減，因此，總線網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離受到限制。④

總線的帶寬成為網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。一般總線結(jié)構(gòu)上的N個(gè)節(jié)點(diǎn)共享，并“爭用”公用總線（即傳輸介質(zhì)），因此，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)目較多時(shí)，網(wǎng)絡(luò)性能下降。⑤

由于單個(gè)網(wǎng)段的距離長度受到嚴(yán)格的限制，因而負(fù)載能力有限3.

適用場合適用于小型辦公自動(dòng)化系統(tǒng)和小型信息管理系統(tǒng)等低負(fù)荷，實(shí)時(shí)性要求4.

網(wǎng)絡(luò)范例10BASE5和10BASE2（粗纜和細(xì)纜以太網(wǎng)）5.2.3環(huán)形結(jié)構(gòu)“環(huán)型”拓?fù)洌╮ingtopology）結(jié)構(gòu)如下圖所示；1.

“環(huán)型”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在環(huán)型拓?fù)渖?，只有得到“令牌”的?jié)點(diǎn)，才有權(quán)發(fā)送信息；在這樣的系統(tǒng)上，“令牌”沿環(huán)路不斷單向傳遞，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有機(jī)會(huì)傳輸信息，因此，可以建立高速、有序的網(wǎng)絡(luò)。使用環(huán)型拓?fù)涞拇笮途W(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)信號(hào)在每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)被重傳，因此信號(hào)可以傳輸很長的距離而不會(huì)衰減。2.

“環(huán)型”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用特點(diǎn)

（1）

優(yōu)點(diǎn)①

由于兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間只有唯一的通路，因此大大簡化了路徑選擇的控制。②

當(dāng)有旁路電路時(shí)，某個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障可以自動(dòng)旁路，這樣可以提高可靠性。③

傳輸時(shí)間固定，適用于對(duì)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用場合。④

在重負(fù)荷的場合，比“爭用”信道的總線式網(wǎng)絡(luò)有更高的傳輸速率。⑤

由于光纖適合于信號(hào)單方向傳遞和點(diǎn)-點(diǎn)式連接，因此“環(huán)型”結(jié)構(gòu)最適合使用光纖。（2）

缺點(diǎn)①

傳輸效率低。當(dāng)節(jié)點(diǎn)過多時(shí)，傳輸效率較低，網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)時(shí)間變長。②

靈活性差。單環(huán)時(shí)，由于環(huán)路封閉，因此擴(kuò)展不便。③

可靠性差，管理不易。單環(huán)時(shí)，只要有一個(gè)工作站出現(xiàn)故障，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)都將癱瘓。④

環(huán)路維護(hù)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)困難，維護(hù)費(fèi)用和造價(jià)高。3.

適用場合在高速主干網(wǎng)中，環(huán)型網(wǎng)絡(luò)通常使用光纖作為傳輸介質(zhì)，它適用于企業(yè)的自動(dòng)化系統(tǒng)、對(duì)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用場合以及負(fù)荷較重的大型網(wǎng)絡(luò)和信息管理系統(tǒng)。4.

網(wǎng)絡(luò)范例IBM令牌環(huán)網(wǎng)（Token-Ring）和FDDI環(huán)型網(wǎng)絡(luò)。5.2.4星形結(jié)構(gòu)星型拓?fù)洌╯tartopology）的結(jié)構(gòu)如下圖中央設(shè)備（指交換機(jī)或集線器）在分發(fā)信號(hào)之前，對(duì)其進(jìn)行放大和再生。

1.星型拓?fù)涞耐負(fù)浣Y(jié)構(gòu)問題在使用集線器的以太網(wǎng)中，其介質(zhì)訪問控制方式為爭用的“CSMA/CD”規(guī)則，因此其邏輯拓?fù)錇椤翱偩€型”；而該網(wǎng)絡(luò)的物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)卻是個(gè)“星型”。在交換機(jī)為核心的交換式網(wǎng)絡(luò)中其物理拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為“星型”；其邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為“星型”。2.

“星型”拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的應(yīng)用特點(diǎn)（1）

優(yōu)點(diǎn)①

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單。星型網(wǎng)絡(luò)的組建、安裝、使用、維護(hù)與管理都很方便。②

易于檢查故障。通?？梢岳媒粨Q機(jī)或集線器上LED燈的狀況，來判斷計(jì)算機(jī)是否出現(xiàn)故障。③

擴(kuò)展性好。在交換機(jī)或集線器上可以在不影響網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的情況下刪除或增加節(jié)點(diǎn)。④

集線器或交換機(jī)上的多種類型接口，可以連接多種傳輸介質(zhì)。⑤

每個(gè)節(jié)點(diǎn)與中心節(jié)點(diǎn)使用單獨(dú)的連線，單個(gè)邊節(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，易于節(jié)點(diǎn)故障的處理。⑥

造價(jià)和維護(hù)費(fèi)用低。（2）

缺點(diǎn)①

中心節(jié)點(diǎn)出故障時(shí)，才會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。②

對(duì)于使用集線器結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)的最大缺點(diǎn)是當(dāng)負(fù)荷激增時(shí)，中央節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷過重。此時(shí)，作為中心節(jié)點(diǎn)的集線器也就成為了網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。③

需要較多的傳輸介質(zhì)，通信線路利用率低，投資成本較高。④

使用集線器的網(wǎng)絡(luò)在輕負(fù)荷時(shí)，系統(tǒng)響應(yīng)較快；但在重負(fù)荷時(shí)，系統(tǒng)的響應(yīng)和性能會(huì)急劇下降。3.

適用場合星型結(jié)構(gòu)適用性很廣，可以應(yīng)用于各種中小型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。常見的有以下3種場合。（1）

工作間網(wǎng)絡(luò)工作間網(wǎng)絡(luò)通常指辦公室、實(shí)驗(yàn)室和網(wǎng)吧類的小型網(wǎng)絡(luò)。（2）

智能大廈在智能大廈中，通常設(shè)有整個(gè)建筑的總交換機(jī)，在每層安裝與總交換機(jī)相連接的分交換機(jī)或集線器，各工作節(jié)點(diǎn)與每層的交換機(jī)或集線器連接，從而將整個(gè)建筑連接起來。（3）

交換式網(wǎng)絡(luò)交換式網(wǎng)絡(luò)是指使用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)或集線器組成的10/100/1000BASET以太網(wǎng)。4.

網(wǎng)絡(luò)范例10BASET、100BASET或1000BASE（共享式或交換式以太網(wǎng)）。5.3ALOHA訪問控制方式最初的一種分組通信方式的實(shí)驗(yàn)由美國夏威夷大學(xué)在地面網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行，叫做ALOHA網(wǎng)絡(luò)。1973年首次把這項(xiàng)技術(shù)用于衛(wèi)星系統(tǒng)。ALOHA(阿洛哈)網(wǎng)成為通過衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸與分組交換的系統(tǒng)之一。ALOHA方式的主要特點(diǎn)是，一定數(shù)量的終端站共用一個(gè)信道，各站隨機(jī)地發(fā)送各自的數(shù)據(jù)分組，發(fā)送數(shù)據(jù)如果發(fā)生碰撞，則該數(shù)據(jù)需重新發(fā)送。模型如下：

純ALOHA系統(tǒng)的工作原理時(shí)隙ALOHA的工作原理預(yù)約ALOHA5.4總線形局域網(wǎng)訪問控制方式5.4.1CSMA方式1.非堅(jiān)持CSMA2.堅(jiān)持CSMA5.4.2CSMA/CD方式工作原理：發(fā)送前先監(jiān)聽信道是否空閑，若空閑則立即發(fā)送；如果信道忙，則繼續(xù)監(jiān)聽，一旦空閑就立即發(fā)送；在發(fā)送過程中，仍需繼續(xù)監(jiān)聽。若監(jiān)聽到?jīng)_突，則立即停止發(fā)送數(shù)據(jù)，然后發(fā)送一串干擾信號(hào)（Jam）；發(fā)送Jam信號(hào)的目的是強(qiáng)化沖突，以便使所有的站點(diǎn)都能檢測到發(fā)生了沖突。等待一段隨機(jī)時(shí)間（稱為退避）以后，再重新嘗試。歸結(jié)為四句話：發(fā)前先聽，空閑即發(fā)送，邊發(fā)邊聽，沖突時(shí)退避。CSMA/CD的優(yōu)缺點(diǎn)控制簡單，易于實(shí)現(xiàn)；網(wǎng)絡(luò)負(fù)載輕時(shí)，有較好的性能：30％－40％以內(nèi)延遲時(shí)間短、速度快網(wǎng)絡(luò)負(fù)載重時(shí)，性能急遽下降：70％－80％以上沖突數(shù)量的增長使網(wǎng)絡(luò)速度大幅度下降5.5環(huán)網(wǎng)訪問控制方式5.5.1令牌環(huán)（tokenring）訪問控制方式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：點(diǎn)到點(diǎn)鏈路連接，構(gòu)成閉合環(huán)ABDC站點(diǎn)干線耦合器單向環(huán)點(diǎn)到點(diǎn)鏈路TokenRing/802.5的操作哪個(gè)站點(diǎn)可以發(fā)送幀，是由一個(gè)沿著環(huán)旋轉(zhuǎn)的稱為“令牌”（TOKEN）的特殊幀來控制的。只有持有令牌的站可以發(fā)送幀，而沒有拿到令牌的站只能等待；拿到令牌的站將令牌轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)幀頭，后面加掛上自己的數(shù)據(jù)進(jìn)行發(fā)送；目的站點(diǎn)從環(huán)上復(fù)制該幀，幀則沿環(huán)繼續(xù)往下循環(huán)；數(shù)據(jù)幀循環(huán)一周后