拓扑结构实例.doc

精品1.3 总线型结构总线型拓扑结构与环型结构差不多，都主要是利用同轴电缆作为传输介质，而且网络通信中都是令牌的方式进行的。但接入速率低于上节介绍的环型网络，所以与环型网络有着同样被淘汰的命运。在目前的局域网中，纯粹的总线网络基本上不见了。1总线型结构概述总线型拓扑结构网络中所有设备通过连接器并行连接到一个传输电缆（通常称之为“中继线”“总线”“母线”或“干线”）上，并在两端加装一个称之为“终接器”的组件，如图3-6所示。图3-6 总线型结构示例总线型网络所采用的传输介质一般也是同轴电缆（包括粗缆和细缆），不过现在也有采用光缆作为总线型传输介质的，如ATM网、Cable MODEM所采用的网络等都属于总线型网络结构。为了扩展计算机的台数，而且还可以在网络中添加其他的扩展设备，如中继器等。令牌总线结构的代表技术就是IBM的ARCNet网络。 从传输介质和网络结构上来看，它与上节介绍的环型结构非常类似，都是共享一条传输电缆，在电缆两端都要加装终接器匹配。但有一个重要的不同就是，环型网中的连接（环中继转发器）和这里的连接器与电缆的连接方式，环型网络中的连接器与电缆是串联的，所以任何连接节点出现问题，都会断开整个网络，而总线型结构中的连接器与电缆是并联的，节点故障不会影响网络中的其他节点通信。而且总线型结构中的连接器还可以连接中继设备，连接其他网络，以扩展网络连接和传输距离，如图3-7所示。当然所采用的技术也不同，环型结构采用的是IEEE 802.5令牌环技术，而总线型结构采用的是IEEE 802.4令牌总线技术（但并不是所有环型网络都支持IEEE 802.5标准，也不是所有的总线型网络都支持IEEE 802.4标准）。图3-7 双总线结构网络互联示例总线拓扑的优点与环型拓扑结构差不多，主要有如下几点。(1)网络结构简单，易于布线因为总线型网络与环型网络一样，都是共享传输介质，也通常无须另外的网络设备，所以整个网络结构比较简单，布线比较容易。(2)扩展较容易这是它相对同样是采用同轴电缆(或光纤)作为传输介质的环型网络结构的最大的一个优点。因为总线型结构网络中，各节点与总线的连接是通过连接并行连接(环型网络中连接器与电缆的连接是串行的)的，所以节点的扩展无须断开网络，扩展容易了许多。而且还可通过中继器设备扩展连接到其他网络中，进一步提高了可扩展性能。(3)维护容易同样是因为总线型结构网络中的连接器与总线电缆并行连接的，所以这给整个网络的维护带来了极大的便利，因为一个节点的故障不会影响其他节点，更不会影响整个网络，所以故障点的查找就容易了许多。这与星型结构的类似。尽管有以上一些优点，但是它与环型结构网络一样，缺点仍是主要的，这些缺点也决定了它在当前网络应用中也极少使用的命运。总线型结构的主要缺点表现在以下几个方面。(1)传输速率低上节介绍的IEEE 8025令牌环网中的最高传输速率可达1 6Mbps，但IEEE 8024标准下的令牌总线标准最高传输速率仅为1 0Mbps。所以它虽然在扩展性方面较令牌环网有一些优势，但它同样摆脱不了被淘汰的命运。现在1 0Mbps的双绞线集线器星型结构都不再应用了，总线型结构的唯一优势就是那同轴电缆比双绞线更长一些的传输距离，而这些优势相对光纤来说，根本不值得一提。在星型结构中同样可以采用光纤作为传输介质，以延长传输距离。(2)故障诊断困难虽然总线拓扑结构简单，可靠性高，而且是互不影响的并行连接，但故障的检测仍然很不容易。这是因为这种网络不是集中式控制，故障诊断需要在网络中各节点计算机上分别进行。(3)故障隔离比较困难在这种结构中，如果故障发生在各个计算机内部，只需要将计算机从总线上去掉，比较容易实现。但是如果是总线传输介质发生故障，则故障隔离就比较困难了。(4)网络效率和传输性能不高因为在这种结构网络中，所有的计算机都在一条总线上，发送信息时比较容易发生冲突，故这种结构的网络实时性不强。网络传输性能也不高。(5)难以实现大规模扩展虽然相对环型网络来说，总线型的网络结构在扩展性方面有了一定的改善，可以在不断开网络的情况下添加设备，还可添加中继器之类的设备予以扩展，但仍受到传输性能的限制，其扩展性远不如星型网络，难以实现大规模的扩展。综上所述，单纯总线型结构网络目前也已基本不用，因为传输性能太低(只有1 0Mbps)，可扩展性也受到性能的的限制。目前使用总线型结构的就是后面将要介绍的混合型网络中才有些用到。在这些混合型网络中使用总线型结构的目的就是用来连接两个(如两栋建筑物)，或多个(如多楼层)相距超过1 00米的局域网，细轴电缆连接的距离可达1 8 5米，粗同轴电缆可达500米。如果超过这两个标准，就需要用到光纤了。但无论采用哪种传输介质的总线型结构，传输速率都保持有1 0Mbps，实用性极低。还不如直接采用光纤星型结构。基本星型结构单元 星型结构是目前应用最广、实用性最好的一种拓扑结构。无论在局域网中，还是在广域网中都可以见到它的身影(具体后面将介绍到)，但主要应用于有线双绞线以太局域网中。如下图所示的是最简单的单台集线器或交换机(目前集线器已基本不用了，所以后面不再提及了)星型结构单元。它采用的传输介质是常见的双绞线和光纤，担当集中连接的设备是具有双绞线RJ一45以太网端口，或者各种光纤端口的集线器或交换机。 在上图中的星型网络结构单元中，所有服务器和工作站等网络设备都集中连接在同一台交换机上。因为现在的固定端口交换机最多可以有48个，或以上交换端口，所以这样一个简单的星型网络完全可以适用于用户节点数在40个以内的小型企业，或者分支办公室选用。模块式的交换机端口数可达1 00个以上，可以满足一个小型企业连接。但实际上这种连接方式是比较少见的，因为单独用一台模块式的交换机连接成本还要远高于采用多台低端口密度的固定端口交换机级联方式。模块式交换机通常用于大中型网络的核心(骨干层)，或会聚层，小型网络很少使用。扩展交换端口的另一种有效方法就是堆叠了。有一些固定端口配置的交换机支持堆叠技术，通过专用的堆叠电缆连接，所有堆叠在一起的交换机都可作为单一交换机来管理，不仅可以使端口数量得到大幅提高(通常最多堆叠8台)，而且还可提高堆叠交换机中各端口实际可用的背板带宽，提高了交换机的整体交换性能。2多级星型结构复杂的星型网络就是在如图31所示的基础上通过多台交换机级联形成的，从而形成多级星型结构，满足更多、不同地理位置分布的用户连接和不同端口带宽需求。如下图所示的是一个包含两级交换机结构的星型网络，其中的两层交换机通常为不同档次的，可以满足不同需求，核心(或骨干层)交换机要选择档次较高的，用于连接下级交换机、服务器和高性能需求的工作站用户等，下面各级则可以依次降低要求，以便于工作最大限度地节省投资。 当然，在实际的大中型企业网络中，其网络结构可能要比上图所示的复杂得多，还可能有三级，甚至四级交换机的级联(通常最多部署四级)，还可能有交换机的堆栈，如下图所示网络结构中SS3 Switch 4400位置就是由两台这样的交换机堆栈组成的。3星型结构传输显巨禹限制因为在星型网络中通常是采用双绞线作为传输介质的(高档网络也有采用光纤的)，而单 段双绞线的最大长度为1 OO米，集线设备放置在中心点，这样每一个采用此种结构的集线设 备所能连接的网络范围最大直径就达到200米，超过这个范围都将要采用级联或者中继方法。 采用光纤作为传输介质时传输距离可以长许多，各种连接电缆电缆长度限制如表31所不， 1 OOOBASESX网络的光纤长度限制参见表32所示。后面介绍的同轴电缆总线型和环型网络 结构的传输距离限制也参见表31。表31 各种以太网电缆长度限制 以太网标准电缆类型最大长度接头类型1 0BASE-T3、4、5类1 OO欧姆UTP(非屏蔽双绞线)1 OO米RJ-451 00BASE-T 5类1 OO欧姆UTPl OO米RJ-451 000BASE-SX50125或625125微米多模光纤(MMF)550米SC或ST1 000BASE-LH 9125微米单模光纤(SMF) 70千米SC或ST1 000BASE-LX 9125微米SMF 5千米SC或ST1 000BASE-T5类、超5类或6类UTP1 OO米RJ一45321000BASE-SX光纤长度限制光纤直径光纤宽带最大长度62.5/125微米MMF160MHz/km220米200MHz/km275米50/125微米MMF400MHz/km500米500MHz/km550米4星型结构主要优缺点 星型拓扑结构的主要优点体现在以下几个方面。(1)网络传输数据快因为整个网络呈星型连接，网络的上行通道不是共享的，所以每个节点的数据传输对其他节点的数据传输影响非常之小，这样就加快了网络数据传输速度。不同于下面将要介绍的环型网络所有节点的上、下行通道都共享一条传输介质，而同一时刻只允许一个方向的数据传输。其他节点要进行数据传输只有等到现有数据传输完毕后才可。另外，星型结构所对应的双绞线和光纤以太网标准的传输速率可以非常高，如普通的5类、超5类都可以通过4对芯线实现1 OOOmps传输，7类屏蔽双绞线则可以实现1 OGbps，光纤则更是可以轻松实现千兆位、万兆位的传输速率。而后将要介绍的环型、总线型结构中所对应的标准速率都在16Mbps以内，明显低了许多。(2)实现容易，成本低星型结构所采用的传输介质通常采用常见的双绞线(也可以采用光纤)，这种传输介质相对其他传输介质(如同轴电缆和光纤)来说比较便宜。如目前常用的主流品牌的5类(或超5类) 非屏蔽双绞线(UTP)每米也仅15元左右，而同轴电缆最便宜的细同轴电缆也要18元以上。(3)节点扩展、移动方便在这种星型网络中，节点的扩展时只需要从交换机等集中设备空余端口中拉一条电缆即可；而要移动一个节点只需要把相应节点设备连接网线从设备端口拔出，然后移到新设备端口即可，并不影响其他任何已有设备的连接和使用，不会像下面将要介绍的环型网络那样“牵一发而动全身。(4)维护容易在星型网络中，每个节点都是相对独立的，一个节点出现故障不会影响其他节点的连接，可任意拆走故障节点。正因如此，这种网络结构受到用户的普遍欢迎，成为应用最广的一种拓扑结构类型。但如果集线设备出现了故障，也会导致整个网络的瘫痪。星型拓扑结构的主要缺点体现在如下几个方面。(1)核心交换机工作负荷重虽然说各工作站用户连接的是不同的交换机，但是最终还是要与连接在网络中央核心交换机上的服务器进行用户登录和网络服务器访问的，所以，中央核心交换机的工作负荷相当繁重，要求担当中央设备的交换机的性能和可靠性非常高。其他各级集线器和交换机也连接多个用户，其工作负荷同样非常重，也要求具有较高的可靠性。(2)网络布线较复杂每个计算机直接采用专门的网线电缆与集线设备相连，这样整个网络中至少就需要所有计算机及网络设备总量以上条数的网线电缆，使得本身结构就非常复杂的星型网络变得更加复杂了。特别是在大中型企业网络的机房中，太多的电缆无论对维护、管理，还是机房安全都是一个威胁。这就要求我们在布线时要多加注意，一定要在各条电缆和集线器和交换机端口上做好相应的标记。同时最建议做好整体布线书面记录，以备曰后出现布线故障时能迅速找到故障发生点。另外，由于这种星型网络中的每条电缆都是专用的，利用率不高，在较大的网络中，这种浪费还是相当大的。(3)广播传输，影响网络性能其实这是以太网的一个不足，但因星型网络结构主要应用于以太网中，所以相应也就成了星型网络的一个缺点。因为在以太网中，当集线器收到节点发送的数据时，采取的是广播发送方式，任何一个节点发送信息在整个网中的节点都可以收到，严重影响了网络性能的发挥。虽然说交换机具有MAC地址“学习功能，但对于那些以前没有识别的节点发送来的数据，同样是采取广播方式发送的，所以同样存在广播风暴的负面影响，当然交换机的广播影响要远比集线器的小，在局域网中使用影响不大。综上所述，星型拓扑结构是一种应用广泛的有线局域网拓扑结构，由于它采用的是廉价的双绞线，而且非共享传输通道，传输性能好，节点数不受技术限制，扩展和维护容易，所以它又是一种经济、实用的网络拓扑结构。但受到单段双绞线长度1 00米的限制，所以它仅应用于小范围(如同一楼层)的网络部署。超过这个距离，对照表31和表32可知，要么用到成本较高的光纤作为传输介质(不仅是传输介质的改变，相应设备也要有相应接口)，要么用到后面将要介绍的同轴电缆，但采用同轴电缆作为传输介质时，已不是星型结构网络了，况且同轴电缆的价格也较双绞线的贵不少，特别是粗同轴电缆。环型网络结构概述 环型网络拓扑结构主要应用于采用同轴电缆(也可以是光纤)作为传输介质的令牌网中，是由连接成封闭回路的网络节点组成的。如图34所示的是一个典型的环型网络。 这种网络中的每一节点是通过环中继转发器(RPU)与它左右相邻的节点串行连接，在传输介质环的两端各加上一个阻抗匹配器就形成了一个封闭的环路，这样在逻辑上就相当于形成了一个封闭的环路，“环型结构的命名起因就在于此。在细同轴电缆环型网中的中继器是一个BNC接头3环型结构的主要优缺点 环型结构网络的主要优点体现在以下几个方面。(1)网络路径选择和网络组建简单在这种结构网络中，信息在环型网络中流动是一个特定的方向，每两个计算机之间只有一个通路，简化了路径的选择，路径选择效率非常高。同样因为这样，这类网络的组建就相当简单。(2)投资成本低这主要体现在两个方面：一方面是线材的成本非常低。在环型网络中各计算机连接在同一条传输电缆上，所以它的传输电缆成本就非常低，电缆利用率相当高，节省了投资成本；另一方面，由于这种网络中没有任何其他专用网络设备，所以无须花费任何投资购买网络设备。尽管有以上两个看似非常诱人的优点，但环型网络的缺点仍是主要的，这也是它最终被淘汰出局的根本原因。环型结构网络的主要缺点体现在以下几个方面。(1)传输速度慢这是它最终不能得到发展和用户认可的最根本原因。虽然说在出现时较当时的1 0Mbps 以太网，在速度上有一定优势(因为它可以实现1 6Mbps的接入速率)，但由于这种网络技术后来一直没有任何发展，速度仍在原来水平，相对现在最高可达到1 0Gbps的以太网来说，它实在是太落后了，连无线局域网的传输速度都远远超过了它。这么低的连接性能决定了它只能承受被淘汰的局面，所以目前这种网络结构技术可能只在实验室中可以见到。(2)连接用户数非常少在这种环型结构中，各用户是相互串联在一条传输电缆上的，本来传输速率就非常低，再加上共享传输介质，各用户实际可能分配到的带宽就非常低了，而且还没有任何中继设备，所以这种网络结构可连接的用户数就非常少，通常只是几个用户，最多不超过20个。(3)传输效率低因为这种环型网络共享一条传输介质，每发送一个令牌数据都要在整个环状网络中从头走到尾，哪怕是已有节点接受了数据。在有节点接受数据后，也只是复制了令牌数据，令牌还将继续传递，看是否还有其他节点需要同样一份数据，直到回到发送数据的节点。这样一来，传输速率本来就非常低的网络传输效率就更加低了。(4)扩展性能差因为是环型结构，且没有任何可用来扩展连接的设备，决定了它的扩展性能远不如星型结构的好。如果要新添加或移动节点，就必须中断整个网络，在适当位置切断网线，并在两端做好环中继器转发器才能连接。并且受网络传输性能的限制，这种网络连接的用户数非常有限，也不能随意扩展。(5)维护困难虽然在这种网络中只有一条传输电缆，看似结构也非常简单，但它仍是一个闭环，设备都连接在同一条串行连接的环路上，所以一旦某个节点出现了故障，整个网络将出现瘫痪。并且在这样一个串行结构中，要找到具体的故障点还是非常困难的，必须一个个节点排除，非常不便。另一方面因为同轴电缆所采用的是插针接触方式，也非常容易出现接触不良，造成网络中断，网络故障率非常高。笔者曾经就维护过这样一个小型企业网，虽然只有1 0多台计算机，但因分布在几栋建筑物中，几乎天天发生网络故障，有时一查就可能是几个小时。综上所述，环型拓扑结构以太网性能太差，因为它利用的是IEEE 8025令牌环标准，传输性能低、连接用户少、可扩展性差、维护困难等这些都是它致命的弱点，这也决定了它不能得以继续发展和应用的命运。这种网络在20世纪90年代中期以前还有些应用，主要应用于那些小型个体企业，连接的用户数一般是10多个。现在基本上不用了，即使只有几个用户，因为它的传输性能太差，1 6Mbps的传输速率远不能满足当前企业网络复杂应用的高带宽需求。再加上，现在组建一个1 O多个小型局域网的方案非常多，随便买一台二手的集线器或交换机都可以实现，而且现在无线局域网性能有了大幅提高，54Mbps主流速率也远比1 6Mbps高，l网络成本上虽然可能有些高(毕竟环型网不用网络设备)，但就目前的这些网络设备价格水平，根本不会影响用户的购买。所以，建议用户在新构建的网络系统中不要选用这种网络结构。以上介绍的3种网络结构是基本的网络结构单元，由他们自己，或者相互混合就可以形成复杂的扩展网络结构，本节和下节将要介绍的树形结构和混合型结构就属于扩展性拓扑结构。 关于属性拓扑结构的描述，目前有多种版本，有的说是总线型结构的扩展，有的说是环形结构的扩展，但根多的说是星形结构的扩展，笔者认为是星形结构的扩展更合适。树形拓扑结构可以认为是多级星形结构组成的，只不过这种多级星形结构自上而下（从核心交换机（或骨干层）到会聚层，再到边缘层）是呈三角形分布的，也就是上层的终端和集中交换节点多少，中层的终端和集中交换节点多些，而下层的终端和集中交换节点多些，而下层的终端和集中交换节点最多，如3-9所示。就想一颗树一样，最顶端的枝叶少些，中间的多些，而最下面的枝叶最多。树的最下端相当于网络中的边缘层，树的中间部分相当于网络中的会聚层，而树的顶端则相当于网络中的核心(或骨干)层，顶端交换机就是树的“干。它采用分级的集中控制方式，其传输介质可有多条分支，但不形成闭合回路，每条通信线路都必须是支持双向传输的。 大中型网络通常采用树型拓扑结构，它的可折叠性非常适用于构建网络主干。由于树型拓扑具有非常好的可扩展性，并可通过更换集线设备使网络性能迅速得以升级，极大地保护了用户的布线投资，因此非常适宜于作为网络布线系统的网络拓扑。树型拓扑结构除了具有星型结构的所有优点外，还具有以下自身优点。 (1)扩展性能好其实这也是星型结构的主要优点，通过多级星型级联，就可以十分方便地扩展原有网络，实现网络的升级改造。只需简单地更换高速率的集线设备，即可平滑地从lOMbps升级至 1 OOMbps、1 OOOMbps甚至1 OGbps，实现网络的升级。正是由于这两条重要的特点，星型网络才会成为网络布线的当然之选。(2)易于网络维护集线设备居于网络或子网络的中心，这也正是放置网络诊断设备的绝好位置。就实际应用来看，利用附加于集线设备中的网络诊断设备，可以使得故障的诊断和定位变得简单而有效。这种结构的缺点就是对根(核心，或者骨干层)交换机的依赖性太大，如果根发生故障，则全网不能正常工作。同时，大量数据要经过多级传输，系统的响应时间较长。1混合型结构概述 混合型网络拓扑结构是指多种结构(如星型结构、环型结构、总线型结构)单元组成的结构，但常见的是由星型结构和总线型结构结合在一起组成的，如图31 O所示。 网络型拓扑结构更能满足较大网络的拓展，解决星型网络在传输距离上的局限(因为双绞线的单段最大长度要远小于同轴电缆和光纤)，而同时又解决了总线型网络在连接用户数量的限制。如图310所示只是一种简单的混合型网络结构，实际上的混合结构网络主要应用于多层建筑物中。其中采用同轴电缆或光纤的“总线用于垂直布线，基本上