以太网拓扑结构演进分析

1、以太网拓扑结构演进分析学生姓名：李虹杉学号：2011019050022老师：彭美娥摘要本文对早期的以太网拓扑结构和当今流行的以太网拓扑结构的作了详尽的介绍，主要包括了总线型、星型、环型、网状、轮辐状、层次性拓扑结构的概念以及各自的特点，并 在此基础上分析了各种以太网拓扑结构演变的过程和原因。关键词以太网拓扑结构；特点；演变；原因ABSTRACT This paper elaborates the topological structure of early Ethernet and now in detail, including the concept of the bus, star, r

2、ing, mesh, hierarchical topology structure and their respective characteristics. And based on the Ethernet topology structure, this paper analysis the process and reason of each topological structures evolution.KEYWORDTopological Structure of Ethernet, Characteristic, Evolution, Reason概述网络的拓扑结构是网络最基

3、本的属性之一，它是通信网络最基本的抽象。网络的拓扑结 构对网络的关键技术，如局域网的介质访问技术和广域网的路由技术影响极大，对网络性能 影响极大。所以，对网络拓扑的研究是局域网领域的重要内容。目前，局域网的拓扑结构正在经历从简单拓扑到复杂拓扑的演变。早期以太网拓扑结构及特点早期局域网中常见的拓扑形式是简单的总线型、星型与环型，它们被称之为局域网的简 单拓扑结构。而且，早期的局域网技术与拓扑结构密切相关，例如，以太网使用总线拓扑， 令牌环使用环型拓扑，StarLAN使用星型拓扑等。21总线型拓扑结构总线型拓扑结构如图2-1所示。总线型拓扑是有多个站点共同使用一根称为“总线”的 线型物理介质作为共

4、同传输介质的网络抽象，它是将网络中所有设备通过相应的硬件接口直图2-1总线拓扑结构接连接到公共总线上，节点之间按广播方式通信。总线拓扑最基本的特征是“共享信道”和“一发全 收”。总线是一个共享信道，所有挂在总线上的站点共同 使用同一信道。总线上任意站点向总线发送信号，总线 上的其他站点都能收到。总线拓扑具有以下基本特点:总线型局域网的介质访问控制方式采用的是“共享介质”方式，所有站点都连接到 一条作为公共传输介质的总线上；一个站点可以分配到的信道容量十分有限。总线上的的信道容量有总线上的所有站 点共享，为多个站点分配信道容量的的系统开销也相当可观，这些都制约连你总线 型网络中的各个站点可能达到

5、的最大传输性能；总线上的任意两站点均可以直接通信。数据传输不需要其他站点中转，故传输时延 相当短；如果在同一时刻多于一个站点都向总线发送数据将会在总线上产生冲突，冲突会导 致所有发送失败。因此，必须使用合适的MAC机制使总线上的的冲突概率尽可能 地小。总线拓扑的优点：结构简单，所需的传输介质少无中心节点，任何节点的故障都不会造成全网的瘫痪，有较高的可靠性；电缆长度短，布线较易，组网费用低；易于扩充，增减用户方便。总线拓扑的缺点：传输距离有限，通信范围受限；故障诊断和隔离都比较困难；一次仅能一个站点发送数据，其他站点必须等待获得发送权。总线拓扑是局域网发展初期的一种典型拓扑，虽然现在已经退出了实

6、际工程的应用，但 其仍然可以作为其他更为复杂的拓扑结构网络的MAC协议研究的一种参照标准，具有相当 重要的研究价值和借鉴意义。2.2环型拓扑结构环型拓扑机构如图2-2所示。在环型拓扑中，作为主干的环路是由一组转发器通过多条 点到点链路首尾相连接形成的闭合主干环，网络中的各个站点通过转发器进入主干环。环中 数据具有方向性，只能单向传输，信息在每台设备上的延迟是固定的。环路是使用点到点链路构成的环状共享信道或准共享信道，所有站点共享或分成多个组 共享主干环信道容量。站点之间传送数据时，再环路上经过多个转发器转发。转发器是主干 环上的控制性节点也是接入支路上的控制性节点。环型拓扑的优点：结构简单，所

7、需的传输介质较少；一、传输控制协议简单；增加或减少站点方便，可使用光纤；图传输时间固定，适合于数据传输实时性要求较高的场所；环型拓扑的的缺点：可靠性差。环上任何节点的故障会引起全网的故障；故障检测困难，传输效率低。节点过多时，网络响应时间将会相应边长。环型拓扑曾今广泛地应用于令牌环和FDDI网络，当前则应用于弹性分组换技术。2.3星型拓扑结构图2-3星型拓扑结构环型拓扑机构如图2-3所示。星型拓扑是由一个“中心节点”直接连接多个“二级节点” 构成的网络。星型拓扑中连接节点的是“点到点链路”，一般而言可以是全双工。中心节点 可以是集线器，也可以是局域网交换机，前者星型网络工作在广播状态，后者星型

8、网络工作 在交换方式。星型拓扑具有以下的基本特点：任意两个二级节点之间的通信必须经由中心节点中转。传输时延相对较大，中心节点处理负担较重；中心节点与各二级节点之间的各条通信线路相互 独立，系统总的信道容量可以显著增大。星型拓扑的优点：控制简单，容易实现，便于管理。星型拓扑的缺点：需要耗费大量的电缆，安装和维护不易；中央节点负担较重，形成“瓶 颈”，一旦发生故障，全网将会受到影响；各站点的分布处理能力较低。近年来颇为流行的交换是局域网与结构化布线都是基于星型拓扑结构，二者的广泛应用 大大促进了星型拓扑机构的发展。现代以太网的拓扑结构及其特点前面讨论的都是一些简单的拓扑结构，现在，网络的拓扑结构已

9、经与各种具体的局域网 技术相对独立，并随着局域网和城域网的发展变得越来越复杂。星型拓扑延伸为树型拓扑， 曾经仅见于广域网的网状拓扑也开始用于高性能的交换式局域网。3.1网状拓扑结构网状拓扑结构如图3-1。网状拓扑结构可以是全互连结构，也可以是部分互连结构。全 互连拓扑也称为Full-mesh网络，网络中的N个结点均有点到点链路与其余N-1个节点直接 相连。全互连拓扑结构传输容量最大、传输时延最短、互连 链路数量最多，但在实际中并不多见。部分互连拓扑结构也 称为网状网或Mesh网。Mesh网是Full-mesh网的子集，节 点间的拓扑关系在不同的场合可以有很大的差别。今年局域 网也越来越多的采用

10、Mesh网。网状拓扑的优点：图3-1网状拓扑结构网络可靠性高，一般通信子网中任意两个节点交换机之间，存在着两条或两条以上 的通信路径，这样，当一条路径发生故障时，还可以通过另一条路径把信息送至节点交换机;网络可组建成各种形状，采用多种通信信道，多种传输速率;网内节点共享资源容易;可改善线路的信息流量分配;可选择最佳路径，传输延迟小。网状拓扑的缺点:1.控制复杂，软件复杂;2.线路费用高，不易扩充。网状拓扑结构一般用于internet骨干网上，使用路由算法来计算发送数据的最佳路径。3.2轮辐状拓扑结构的。轮辐状拓扑结构如图3-2。轮辐状拓扑结构是结合了星型和环型拓扑结构的特点而产生轮辐状拓扑的基

11、本特点:1.中心节点到次节点的星型链路可以匹配信息汇集上的流量模型；2,次节点之间拄环路提供了冗余链路，避免了链路中断带来的网络瘫痪;3.中心节点对全网至关重要，必须使用高可靠性设备。图3-2轮辐状拓扑结构轮辐状拓扑可以匹配流量汇聚模型，同时还具有链路冗余备份的高可靠性的特征，所以 近年来开始广泛用于要求高可靠性的大型园区主干网和城域主干网。3.3层次性拓扑结构园区网与城域网越来越大并越来越复杂，简单的拓扑结构越来越难以满足需要。局域网 也和电信网络的发展趋势一致，开始划分为核心层与接入层两大层次。面对不同的需求，核 心层与接入层可以采用不同的拓扑结构，这样就形成了在不同层次采用不同拓扑的层次

12、性拓 扑结构。较为常见的层次性拓扑结构有树型拓扑、环一星拓扑与网一星拓扑。3.3.1树型拓扑结构树型拓扑结构如图3-3。它可以认为是由多层星型拓扑构成，是一种相对单纯的层次性 拓扑。其中任意两个节点之间不产生回路，每条回路都支持双向传输。两个节点之间的通路，有时需要经过中间主节点才能连通。树型拓扑的优点：易于扩充，故障容易隔离树型拓扑的缺点：节点对根的依赖性很强，根若发生故障，全网都会受到影响。3.3.1环一星拓扑结构环一一星拓扑结构如图3-4。它采用可靠性较高的环型结构作为主干网拓扑结构，而采 用连接成本较低的星型拓扑作为接入网的拓扑结构，是一种混合型的网络拓扑。这样可以平 衡网络成本和网络

13、性能，是一种优化的网络拓扑结构，近年来已经得到广泛的应用。3.3.1网一星拓扑结构网一星拓扑结构如图3-5。它采用可靠性更高、灵活性更好的网状结构作为主干网络拓 扑结构，也采用连接成本较低的星型拓扑作为接入网的拓扑结构，也是一种混合型的网络拓扑。网一星拓扑结构可以同时提高传输性能和可靠性，是一种高性能的网络拓扑结构。图3-4环一星拓扑结构图3-5网一星拓扑结构以太网拓扑结构的演变以太网从出现至今已经三十多年了，最早可追溯到1973年5月，由Xero公司的Bob Metcalfe和David Boggs建立的世界上第一个个人计算机局域网络，命名为以太网。当时的 以太网只有2.94Mbps的速率，

14、在一根粗同轴电缆上运行，网络中最多只有100个节点。1985 年IEEE 802.3标准正式发布，以太网才逐渐发展壮大起来。由于当时的计算机并不普及， 所以以太网只是用于小范围的网络：几台电脑互连，一间房屋内电脑互连等，当时采用的以 太网拓扑结构为简单的总线拓扑。总线拓扑所需电缆较少，价格便宜连接简单，对于早期的用户较少的时候，小规模以太 网多采用此种方式，采用同轴电缆作为传输介质不失为一种较好的方法。但随着用户数量的 增多，其管理成本较高，不易隔离故障点、采用共享的访问机制，易造成拥塞，网络传输容 量有限等缺点使它渐渐退出了以太网的舞台，现在除了理论研究之外几乎不再出现实际工程 中了。当一个

15、网络内的主机开始变多时，以太网的总线拓扑结构亟待改进的，于是出现了环形 与星型拓扑，这两种拓扑结构比总线拓扑结构有了很大的进步。星型拓扑结构采用专用设备 作为其核心节点，通过双绞线将局域网中的各台主机连接到核心节点。星型网络虽然需要的 电缆比总线型多，但布线和连接器比总线型要便宜的多。此外，新型网络可以通过级联的方 式扩展大很大的规模，因此得到了很大的应用，到现在交换式局域网和结构化布线都是采用 的星型拓扑结构。而环型拓扑结构曾经广泛地应用于令牌环和FDDI网络，当前则主要用于 弹性分组环技术，依然发挥着重要作用。以上这些都是早期以太网的简单拓扑结构，然而随着科技大发展不仅计算机普及大了人 们

16、的生活之中，各种网络设备也在人们的生活中，特别是随着局域网交换机的大规模部署， 实际的网络拓扑越来越复杂，只是用单纯的的环型和星型结构也不能满足要求，就诞生除了 更加复杂的拓扑结构：网状、轮辐、层次性拓扑。这些复杂的网络拓扑结构主要是前面基本的拓扑结构等的结合，如轮辐状拓扑是星型拓 扑与环型拓扑的就是结合了星型拓扑和总线拓扑的特点产生的，树状拓扑则是星型拓扑的延 伸。这些混合型的拓扑结构克服了各基本拓扑的缺点，但又保留了各自的优点，具有很高的 性能和实用性，主要用于较大型的局域网中。总的说来，这些局域网有这些特点：传输速率更高且可不同、传输延迟小，易于查错， 可靠性更高，扩展灵活等，更加适合现代通信的需要，所以被广泛的应用于现在的以太网中。结论随着人们对高质量通信的需要，以太网的拓扑结构也由简单变得越来越复杂，有总线型 向环型