第5章 网络拓扑结构与访问控制

第5章网络拓扑结构与访问控制5.1简介网络拓扑结构是网络规划和设计的重要内容，也是网络设计的第一步。1.

局域网拓扑结构的分类（1）逻辑拓扑结构逻辑拓扑结构用来描述网络中各节点间的信息流动形式，即由网络中的介质访问控制方法决定的拓扑结构。（2）物理拓扑结构物理拓扑结构用来描述网络硬件的布局，即网络中各部件的物理连接形状。2.

局域网拓扑结构的选择原则

在局域网中，一旦选定某种拓扑结构，则同时还需要选择一种适合于该拓扑结构的局域网工作方法和信息的传输方式。在我们选择时，一般会考虑如下一些因素：①

价格：网络拓扑结构直接决定了网络的安装和维护费用。②

速率：拓扑结构直接关系到系统的数据传输速率和带宽。③

规模：网络的拓扑结构直接与网络的规模相关。网络的拓扑的选择，将直接影响网络的投资、运行速率、安装、维护和诊断等各种性能。局域网上广泛使用总线型、环型拓扑、星型拓扑和树型拓扑。5.2几种常见的局域网拓扑结构5.2.1点到点直接连接方式4台计算机组成的直接连接方式的计算机网络两台计算机通过电话网的直接连接5.2.2总线结构1.

总线拓扑结构的特点

总线结构的实际连接结构如下图所示，网络上所有节点共享这条公用通信线路。线性总线上的工作站以两个方向发送或接收数据，并且能被网络上的任何一个节点接收到。工作时，每当有计算机将数据信号传送到公共干线上时，所有的工作站均可以收到此信息。每个工作站收到信息后都会核对该信息中的目的地址是否与本工作站的地址一样，然后，决定是否接收这个信息。“总线”拓扑结构的典型应用是“细缆以太网（10BASE2）”和“粗缆以太网（10BASE5）”。总线型网络结构模型

总线结构的局域网拓扑图

总线形局域网的连接同轴电缆向集线器的变化2.

“总线”拓扑结构的应用特点（1）

优点①

结构简单灵活。②

在轻负荷时，网络响应速度较快。③

硬件设备量和电缆量少，造价低。④

易于安装、配置，使用和维护方便。⑤

共享能力强，适合于一点发送，多点接收的场合。（2）

缺点①

故障诊断困难。一个链路故障，检测工作需要涉及整个网络。②

网络扩充不便。在“总线”网络上，增加节点时，需要断开相邻节点，整个网络将停止工作。因此，此类网络的扩展性较差。③

信号随距离的增加而衰减，因此，总线网络的传输距离受到限制。④

总线的带宽成为网络的瓶颈。一般总线结构上的N个节点共享，并“争用”公用总线（即传输介质），因此，当网络中的节点数目较多时，网络性能下降。⑤

由于单个网段的距离长度受到严格的限制，因而负载能力有限3.

适用场合适用于小型办公自动化系统和小型信息管理系统等低负荷，实时性要求4.

网络范例10BASE5和10BASE2（粗缆和细缆以太网）5.2.3环形结构“环型”拓扑（ringtopology）结构如下图所示；1.

“环型”拓扑结构的特点在环型拓扑上，只有得到“令牌”的节点，才有权发送信息；在这样的系统上，“令牌”沿环路不断单向传递，每个节点都有机会传输信息，因此，可以建立高速、有序的网络。使用环型拓扑的大型网络的数据信号在每个节点都会被重传，因此信号可以传输很长的距离而不会衰减。2.

“环型”拓扑结构的应用特点

（1）

优点①

由于两个节点之间只有唯一的通路，因此大大简化了路径选择的控制。②

当有旁路电路时，某个节点发生故障可以自动旁路，这样可以提高可靠性。③

传输时间固定，适用于对数据传输实时性要求较高的应用场合。④

在重负荷的场合，比“争用”信道的总线式网络有更高的传输速率。⑤

由于光纤适合于信号单方向传递和点-点式连接，因此“环型”结构最适合使用光纤。（2）

缺点①

传输效率低。当节点过多时，传输效率较低，网络响应时间变长。②

灵活性差。单环时，由于环路封闭，因此扩展不便。③

可靠性差，管理不易。单环时，只要有一个工作站出现故障，整个网络都将瘫痪。④

环路维护复杂，实现困难，维护费用和造价高。3.

适用场合在高速主干网中，环型网络通常使用光纤作为传输介质，它适用于企业的自动化系统、对数据传输实时性要求较高的应用场合以及负荷较重的大型网络和信息管理系统。4.

网络范例IBM令牌环网（Token-Ring）和FDDI环型网络。5.2.4星形结构星型拓扑（startopology）的结构如下图中央设备（指交换机或集线器）在分发信号之前，对其进行放大和再生。

1.星型拓扑的拓扑结构问题在使用集线器的以太网中，其介质访问控制方式为争用的“CSMA/CD”规则，因此其逻辑拓扑为“总线型”；而该网络的物理拓扑结构却是个“星型”。在交换机为核心的交换式网络中其物理拓扑结构为“星型”；其逻辑拓扑结构为“星型”。2.

“星型”拓扑结构的应用特点（1）

优点①

网络结构简单。星型网络的组建、安装、使用、维护与管理都很方便。②

易于检查故障。通常可以利用交换机或集线器上LED灯的状况，来判断计算机是否出现故障。③

扩展性好。在交换机或集线器上可以在不影响网络运行的情况下删除或增加节点。④

集线器或交换机上的多种类型接口，可以连接多种传输介质。⑤

每个节点与中心节点使用单独的连线，单个边节点的故障不会影响整个网络，易于节点故障的处理。⑥

造价和维护费用低。（2）

缺点①

中心节点出故障时，才会导致整个网络的瘫痪。②

对于使用集线器结构的网络的最大缺点是当负荷激增时，中央节点的负荷过重。此时，作为中心节点的集线器也就成为了网络的瓶颈。③

需要较多的传输介质，通信线路利用率低，投资成本较高。④

使用集线器的网络在轻负荷时，系统响应较快；但在重负荷时，系统的响应和性能会急剧下降。3.

适用场合星型结构适用性很广，可以应用于各种中小型网络系统。常见的有以下3种场合。（1）

工作间网络工作间网络通常指办公室、实验室和网吧类的小型网络。（2）

智能大厦在智能大厦中，通常设有整个建筑的总交换机，在每层安装与总交换机相连接的分交换机或集线器，各工作节点与每层的交换机或集线器连接，从而将整个建筑连接起来。（3）

交换式网络交换式网络是指使用网络交换机或集线器组成的10/100/1000BASET以太网。4.

网络范例10BASET、100BASET或1000BASE（共享式或交换式以太网）。5.3ALOHA访问控制方式最初的一种分组通信方式的实验由美国夏威夷大学在地面网络进行，叫做ALOHA网络。1973年首次把这项技术用于卫星系统。ALOHA(阿洛哈)网成为通过卫星进行数据传输与分组交换的系统之一。ALOHA方式的主要特点是，一定数量的终端站共用一个信道，各站随机地发送各自的数据分组，发送数据如果发生碰撞，则该数据需重新发送。模型如下：

纯ALOHA系统的工作原理时隙ALOHA的工作原理预约ALOHA5.4总线形局域网访问控制方式5.4.1CSMA方式1.非坚持CSMA2.坚持CSMA5.4.2CSMA/CD方式工作原理：发送前先监听信道是否空闲，若空闲则立即发送；如果信道忙，则继续监听，一旦空闲就立即发送；在发送过程中，仍需继续监听。若监听到冲突，则立即停止发送数据，然后发送一串干扰信号（Jam）；发送Jam信号的目的是强化冲突，以便使所有的站点都能检测到发生了冲突。等待一段随机时间（称为退避）以后，再重新尝试。归结为四句话：发前先听，空闲即发送，边发边听，冲突时退避。CSMA/CD的优缺点控制简单，易于实现；网络负载轻时，有较好的性能：30％－40％以内延迟时间短、速度快网络负载重时，性能急遽下降：70％－80％以上冲突数量的增长使网络速度大幅度下降5.5环网访问控制方式5.5.1令牌环（tokenring）访问控制方式拓扑结构：点到点链路连接，构成闭合环ABDC站点干线耦合器单向环点到点链路TokenRing/802.5的操作哪个站点可以发送帧，是由一个沿着环旋转的称为“令牌”（TOKEN）的特殊帧来控制的。只有持有令牌的站可以发送帧，而没有拿到令牌的站只能等待；拿到令牌的站将令牌转换成数据帧头，后面加挂上自己的数据进行发送；目的站点从环上复制该帧，帧则沿环继续往下循环；数据帧循环一周后