局域网第2章拓扑与介质

1、局域网与城域网局域网与城域网第第2章章 拓扑与传输介质拓扑与传输介质本章要求本章要求n理解并掌握理解并掌握n网络拓扑网络拓扑n概念：物理拓扑、逻辑拓扑概念：物理拓扑、逻辑拓扑nLAN的集几种典型拓扑及特点的集几种典型拓扑及特点n传输介质：数据传输的物理基础传输介质：数据传输的物理基础n传输介质与传输容量的关系：香农信道容量定理传输介质与传输容量的关系：香农信道容量定理n主要传输介质的特点：双绞线、光纤、无线主要传输介质的特点：双绞线、光纤、无线“介质介质”n了解并理解了解并理解nLAN拓扑结构的演进拓扑结构的演进nLAN传输介质的演进传输介质的演进n通用布缆系统通用布缆系统本章内容本章内容n2

2、.1 网络拓扑网络拓扑n2.2 传输介质概述传输介质概述n2.3 香农信道容量定理（略）香农信道容量定理（略）n2.4 双绞线双绞线n2.5 光纤光纤n2.6 无线介质无线介质n2.7 通用布缆系统（自学）通用布缆系统（自学）n2.8 小结小结2.1 网络拓扑网络拓扑n2.1.1 网络拓扑概述网络拓扑概述n2.1.2 总线型拓扑总线型拓扑n2.1.3 环型拓扑环型拓扑n2.1.4 星型拓扑星型拓扑n2.1.5 网状拓扑网状拓扑n2.1.6 轮幅状拓扑轮幅状拓扑n2.1.7 层次性拓扑层次性拓扑2.1.1 拓扑结构概述拓扑结构概述n网络拓扑的概念网络拓扑的概念n系统组成的抽象表达系统组成的抽象表

3、达n网络由节点与链路构成网络由节点与链路构成n物理拓扑与逻辑拓扑物理拓扑与逻辑拓扑n物理拓扑：物理拓扑：与网络设备和物理介质的连接相对应与网络设备和物理介质的连接相对应n拓扑结构通常就是指物理拓扑结构拓扑结构通常就是指物理拓扑结构n逻辑拓扑：逻辑拓扑：与数据流在物理中的流向相对应与数据流在物理中的流向相对应n物理拓扑可能与逻辑拓扑形状不同物理拓扑可能与逻辑拓扑形状不同2.1.1 拓扑结构概述拓扑结构概述n局域网早期的基本拓扑结构局域网早期的基本拓扑结构n总线、树形、环形、星形总线、树形、环形、星形n交换式网络的组网常用的层次型结构交换式网络的组网常用的层次型结构n网状、星网状、星-网状、星网状

4、、星-环环 、层次型树状等、层次型树状等2.1.2 总线型拓扑总线型拓扑n共享信道，无需中继共享信道，无需中继n传输无方向性传输无方向性n一发全收，广播通信方式一发全收，广播通信方式n发送每一帧，总线上每个站点都能收到发送每一帧，总线上每个站点都能收到n需要用源需要用源/目的地址指明谁发送目的地址指明谁发送/谁接收谁接收n同一时刻只可能有一个有效发送同一时刻只可能有一个有效发送n多个发送帧在时间上产生重叠时，会造成帧错误多个发送帧在时间上产生重叠时，会造成帧错误n称为冲突，称为冲突，collusionn需要用发送规则来决定当前谁可以发送需要用发送规则来决定当前谁可以发送n通称：通称：MAC协议

5、协议n早期同轴电缆采用的结构早期同轴电缆采用的结构n10Base5n10Base2n目前已退出市场目前已退出市场PCPC端接器端接器BNC头2.1.3 环型拓扑环型拓扑n连接特点连接特点n是最简冗余拓扑结构，目前用于城域网是最简冗余拓扑结构，目前用于城域网n通过转发器与单向链路连成环状通过转发器与单向链路连成环状n各站点通过转发器接入环中各站点通过转发器接入环中n数据传输具有方向性数据传输具有方向性n令牌环的通信特点令牌环的通信特点n网络中传送令牌帧和数据帧两种网络中传送令牌帧和数据帧两种n只有得到令牌的站点才能发送数据帧只有得到令牌的站点才能发送数据帧n准广播通信：数据单向绕环一周，所有站点

6、都能收到准广播通信：数据单向绕环一周，所有站点都能收到n数据传输中需要指定源、目地址数据传输中需要指定源、目地址n使用令牌机制：轮转发送，分布式仲裁使用令牌机制：轮转发送，分布式仲裁n无竞争无竞争n需要对发送规则进行监控和管理（令牌管理）需要对发送规则进行监控和管理（令牌管理）n通常站点兼任监控站监测环的状态通常站点兼任监控站监测环的状态n 监控站故障、监控站离开环监控站故障、监控站离开环 怎么办？怎么办？n需对数据进行插入、接收、删除处理（避免循环）PCPCPCPC2.1.4 星型拓扑星型拓扑n物理结构物理结构n物理拓扑是星型物理拓扑是星型n所有站点直接与中央节点相连所有站点直接与中央节点相

7、连n各站点之间无直接连线各站点之间无直接连线n站点之间通信必须通过中央节点转发站点之间通信必须通过中央节点转发n逻辑结构逻辑结构n网络的逻辑拓扑由中央节点的处理方式决定网络的逻辑拓扑由中央节点的处理方式决定n中心节点为交换机：物理拓扑为星型中心节点为交换机：物理拓扑为星型n中心节点为中心节点为HUB：逻辑拓扑为总线型：逻辑拓扑为总线型集线器HUB交换机SW物理结构为星型物理结构为星型逻辑结构为总线型逻辑结构为总线型物理结构为星型物理结构为星型逻辑结构为星型逻辑结构为星型2.1.5 网状拓扑网状拓扑n随着随着LAN技术的发展，交换设备的大量使用，技术的发展，交换设备的大量使用，LAN的的规模显著

8、增大，简单拓扑已不能满足需要规模显著增大，简单拓扑已不能满足需要n交换机之间互连形成交换机之间互连形成LAN主干通常为主干通常为“mesh”结构结构n全连通形式全连通形式n部分连通形式部分连通形式n特点特点: 结构健壮结构健壮2.1.6 轮辐状拓扑轮辐状拓扑n物理结构特点物理结构特点n结合星型和环型结构特点结合星型和环型结构特点n所有站点直接与中央节点相连所有站点直接与中央节点相连n站点之间通过提供环路提供冗余链路站点之间通过提供环路提供冗余链路n中心节点的高可靠性中心节点的高可靠性n应用特点应用特点n中心节点到次节点的星型链路可以匹配中心节点到次节点的星型链路可以匹配信息汇聚的流量模型信息汇

9、聚的流量模型 n次节点之间的环路提供了冗余链路，结次节点之间的环路提供了冗余链路，结构健壮构健壮n适用于：适用于：大型园区主干网、城域主干网大型园区主干网、城域主干网n是是mesh结构的一种特定变型结构的一种特定变型双中心，提高双中心，提高可靠性可靠性2.1.7 层次性拓扑层次性拓扑nLAN/MAN出现核心层与接入层出现核心层与接入层n常见层次性拓扑：常见层次性拓扑：都属于都属于mesh结构的特定变型结构的特定变型n树状拓扑、环星拓扑、网星拓扑树状拓扑、环星拓扑、网星拓扑树状拓扑树状拓扑环星拓扑环星拓扑网星拓扑网星拓扑通过多层星形拓通过多层星形拓扑构成，相对简扑构成，相对简单单采用可靠性较高的

10、环网采用可靠性较高的环网以及成本较低的星形网以及成本较低的星形网络，平衡网络成本与性络，平衡网络成本与性能能采用可靠性更好的采用可靠性更好的Mesh网以及成本较低的星形网网以及成本较低的星形网络，同时提高传输性能与络，同时提高传输性能与可靠性可靠性交换式网络一般拓扑小结交换式网络一般拓扑小结n交换设备的大量使用显著改变了网络拓扑交换设备的大量使用显著改变了网络拓扑n网络设备：网络设备：L2/L3以太网交换机以太网交换机n当前交换式网络的主要拓扑形式：当前交换式网络的主要拓扑形式：mesh-star（mesh）n接入层：主机以星型结构接入交换机，构成资源子网接入层：主机以星型结构接入交换机，构成

11、资源子网n核心（主干）层：交换机以点对点全双工链路、部分或全连通成核心（主干）层：交换机以点对点全双工链路、部分或全连通成网状拓扑，构成通信子网（基础设施）网状拓扑，构成通信子网（基础设施）主机主机交换机交换机通信子网通信子网资源子网资源子网2.2 传输介质概述传输介质概述n传输介质：发送者与接收者之间的物理路径传输介质：发送者与接收者之间的物理路径n电信号以电磁波的形式在介质中传播电信号以电磁波的形式在介质中传播nIEEE 802标准将介质分为标准将介质分为n导向介质（导向介质（guided media）n光纤与铜缆之类固体光纤与铜缆之类固体n不管介质如何弯曲，电信号都会随物理介质向前传播。

12、不管介质如何弯曲，电信号都会随物理介质向前传播。n非导向介质（非导向介质（unguided media）n大气层与外层空间等大气层与外层空间等n可以传播电磁波但不对其导向可以传播电磁波但不对其导向n使用这两类介质传输，通常称为有线通信与无线通信使用这两类介质传输，通常称为有线通信与无线通信2.2 传输介质概述传输介质概述n传输介质对局域网的影响传输介质对局域网的影响n不同介质的带宽、延迟、费用和安装维护上都不同不同介质的带宽、延迟、费用和安装维护上都不同n介质的特性决定着数据传输的性能和质量介质的特性决定着数据传输的性能和质量n介质的带宽决定着数据的传输速率介质的带宽决定着数据的传输速率n介质

13、对信号的衰减决定着数据的传输距离介质对信号的衰减决定着数据的传输距离n介质的抗干扰性能影响数据传输的误码率介质的抗干扰性能影响数据传输的误码率2.2 传输介质概述传输介质概述n历史上曾经使用过多种传输介质历史上曾经使用过多种传输介质n例如：基带同轴电缆、宽带同轴电缆、等等例如：基带同轴电缆、宽带同轴电缆、等等n近年来，已经集中到：近年来，已经集中到：n双绞线：特别是非屏蔽双绞线双绞线：特别是非屏蔽双绞线n光纤：包括多模光纤和单模光纤光纤：包括多模光纤和单模光纤n无线：主要使用无线：主要使用2.5GHz和和5GHz频段频段2.4 双绞线双绞线n2.4.1 双绞线传输基础双绞线传输基础n2.4.2

14、 双绞线双绞线n2.4.3 接插件接插件n2.4.4 双绞线连接线序双绞线连接线序2.4.1 双绞线传输基础双绞线传输基础n特点特点n是当前局域网中使用最广泛的铜传输介质是当前局域网中使用最广泛的铜传输介质n性价比好，施工、维护容易性价比好，施工、维护容易n传输距离和抗干扰性能均弱于同轴电缆传输距离和抗干扰性能均弱于同轴电缆n构成构成n无源部件：双绞线、接插件无源部件：双绞线、接插件n有源器件：收发器，由网络设备端提供有源器件：收发器，由网络设备端提供18182.4.2 双绞线介质双绞线介质n双绞线原理双绞线原理n两根绝缘铜线对绞形成一条平衡型电缆两根绝缘铜线对绞形成一条平衡型电缆n可减小对外

15、电磁干扰并提高抗外来电磁干扰性可减小对外电磁干扰并提高抗外来电磁干扰性n类型：非屏蔽双绞线和屏蔽双绞线类型：非屏蔽双绞线和屏蔽双绞线nUnshielded twisted pair，UTPnShielded twisted pair， STPn类别：类别：categoryn3类线、类线、5类线、类线、6类线，等等类线，等等n常用规格：常用规格：UTPnCat3、Cat5/5enCat6A：augmented category 62.4.2 双绞线的传输带宽双绞线的传输带宽n双绞线的有效传输带宽双绞线的有效传输带宽TIA-568-B 带宽带宽用途用途Cat1 100kHzCat2 1MHzCat

16、3 16MHz话音话音Cat4 20MHzCat5 100MHzCat5e 100MHz10/100/1000BASE-TCat6 250MHzCat6A 500MHz 10GBASE-T2.4.3 双绞线接插件双绞线接插件n双绞线传输系统通常使用下列接插件双绞线传输系统通常使用下列接插件n数据传输：数据传输：RJ45插头座插头座n终端接插件和转接接插件通常都使用终端接插件和转接接插件通常都使用RJ45（俗称水晶头）（俗称水晶头）n话音传输话音传输n终端接插件：终端接插件：RJ11n转接接插件：转接接插件：IDC系列、系列、110系列系列2.4.4 双绞线连接线序双绞线连接线序n两个标准没有本

17、质区别，只是线序颜色的不同两个标准没有本质区别，只是线序颜色的不同n本质问题是本质问题是n保证保证1和和2、3和和6、4和和5、7和和8分别是一个绕对分别是一个绕对n目前，工程中多使用目前，工程中多使用TIA-568-B标准的线序标准的线序2.4.4 双绞线连接线序双绞线连接线序直连线直连线连接特点：连接特点：1-1，2-2 8-8交叉线交叉线连接特点：连接特点：1-3, 2-6，3-1, 6-2n在局域网中通常只用在局域网中通常只用2对双绞线对双绞线n发送：发送：1、2发送发送n接收：接收：3、6接收接收n直连线与交叉线的使用直连线与交叉线的使用n直连线用于：直连线用于：PC与交换机之间互连

18、与交换机之间互连n交叉线用于：交叉线用于：PC机之间、交换机之间互连（同类设备之间）机之间、交换机之间互连（同类设备之间）n具有线缆自适应的交换机之间互连，可用直连线。如华为公司的交换机具有线缆自适应的交换机之间互连，可用直连线。如华为公司的交换机双绞线介质在局域网发展中的重要作用双绞线介质在局域网发展中的重要作用n价格便宜、维护方便，性价比高价格便宜、维护方便，性价比高n布线方便，使规范化、结构化的布缆得以实现，布线方便，使规范化、结构化的布缆得以实现，对局域网的大规模发展起到了重大推动作用对局域网的大规模发展起到了重大推动作用n为全双工以太网的实现打下良好基础为全双工以太网的实现打下良好基

19、础n收发分开，各采用一对绞线收发分开，各采用一对绞线n双绞线的出现对以太网的发展具有里程碑的意义双绞线的出现对以太网的发展具有里程碑的意义2.5 光纤光纤n2.5.1 光纤通信系统光纤通信系统n2.5.2 光纤结构光纤结构n2.5.3 单模光纤与多模光纤单模光纤与多模光纤n2.5.4 推荐光纤类型推荐光纤类型（自学，见附件）（自学，见附件）n2.5.5 光纤接插件光纤接插件（自学，见附件）（自学，见附件）n2.5.6 光缆光缆（自学，见附件）（自学，见附件）2.5 光纤光纤n光纤通信的优点光纤通信的优点n高带宽：超大容量传输，可达高带宽：超大容量传输，可达Tb/sn低衰减：可长距离，单段可达低

20、衰减：可长距离，单段可达300kmn电磁隔离：光传输不受电磁干扰、不易窃听电磁隔离：光传输不受电磁干扰、不易窃听n小型轻便：对管线、支持物要求相对较低小型轻便：对管线、支持物要求相对较低2.5.1 光纤通信系统光纤通信系统n光纤通信系统的构成光纤通信系统的构成n无源部件：光纤，光缆（内封单纤或多纤）无源部件：光纤，光缆（内封单纤或多纤）n有源器件有源器件n光发射器（光源），光接收器（光检测器）光发射器（光源），光接收器（光检测器）2.5.1 光纤通信窗口光纤通信窗口n石英光纤存在多个低损耗传输窗口石英光纤存在多个低损耗传输窗口n主要窗口有主要窗口有3个：个： 850nm、1310nm、1550

21、nmn光纤的类型光纤的类型n按材料不同分为按材料不同分为n石英光纤石英光纤n塑料光纤塑料光纤n按光波传输路径分为按光波传输路径分为n多模光纤多模光纤MMF（距离近）（距离近）n单模光纤单模光纤SMF（距离远）（距离远）2.3.3光纤通信光纤通信光纤类型光纤类型2.5.2 光纤结构光纤结构n光纤结构光纤结构n纤芯、包层纤芯、包层n其界面形成光的全反射界面其界面形成光的全反射界面n涂覆层：提高光纤的性能稳定性涂覆层：提高光纤的性能稳定性n多模光纤的结构多模光纤的结构n几何参数：芯径几何参数：芯径/包层直径包层直径/涂层外径涂层外径n规格：规格：62.5/125/250， 50/125/250n单模

22、光纤的结构单模光纤的结构n几何参数：模场直径几何参数：模场直径/包层直径包层直径/涂层外径涂层外径n规格：规格：9.5/125/2502.5.3 单模光纤与多模光纤单模光纤与多模光纤n多模光纤多模光纤nMMF：Multiple Mode Fibern光在光纤中以多条路径、或多模式传播光在光纤中以多条路径、或多模式传播光纤分为多模光纤分为多模n多模光纤多模光纤系统系统特点特点n传输距离短：传输距离短：300m5kmn容量不太高容量不太高n通常为通常为1001000Mb/s，10G系统需用特殊的万兆光纤系统需用特殊的万兆光纤n系统价格低：光纤略贵，但光收发器价格低系统价格低：光纤略贵，但光收发器价

23、格低n短距离系统价格尤其低短距离系统价格尤其低2.5.3 单模光纤与多模光纤单模光纤与多模光纤n单模光纤单模光纤nSMF：Singer Mode Fibern光在光纤中以单一路径、或单模式传播光在光纤中以单一路径、或单模式传播n单模光纤单模光纤系统系统特点特点n传输距离长：传输距离长：1040km，300kmn系统价格高：光纤价格略低，但光收发器价很高系统价格高：光纤价格略低，但光收发器价很高n长距离系统结构相对并不太高长距离系统结构相对并不太高n传输容量高传输容量高n单波可达单波可达40Gb/s，使用，使用DWDM技术可达几十技术可达几十Tb/sn光纤的传输模式光纤的传输模式渐变式多模光纤渐

24、变式多模光纤单模光纤单模光纤阶跃式多模光纤阶跃式多模光纤2.5.3 单模光纤与多模光纤单模光纤与多模光纤2.5.4 推荐光纤类型推荐光纤类型n布缆系统中的光纤：布缆系统中的光纤： OS1、OM1/OM2/OM3 n使用规范：使用规范：ISO 11801 : 2002n多模光纤多模光纤nOM1/OM2/OM3：IEC 60793系列规范系列规范nOM1：62.5/125，适用于，适用于100BASE-FXnOM2：50/125，适用于，适用于1000BASE-SXnOM3：50/125，适用于，适用于10GBASE-SRn单模光纤单模光纤nOS1，ITU G.652n适用于适用于1000BASE

25、-LX、10GBASE-LR/ER2.6 无线介质无线介质nIEEE 802中的两个术语中的两个术语n无线介质：无线介质：WM, Wireless Mediumn非导向介质：非导向介质：unguided mediumn无线通信的某些特殊的优点无线通信的某些特殊的优点n广受欢迎的用户接入方式广受欢迎的用户接入方式n不受线缆的束缚、可以移动等等不受线缆的束缚、可以移动等等n宽带无线接入是近年来的热点宽带无线接入是近年来的热点nBroadband Wireless Access，BWAnWLAN和和WMAN都在蓬勃发展都在蓬勃发展2.6 无线介质无线介质n频率分配频率分配n无线频率是受到严格监管的不

26、可再生资源无线频率是受到严格监管的不可再生资源n ITU-R：统筹规划全球的频率使用：统筹规划全球的频率使用n国际电联无线电部国际电联无线电部n各个国家的无线电主管部门各个国家的无线电主管部门n具体分配并监管频率的使用具体分配并监管频率的使用n免照频段免照频段n无需申请许可证即可使用的频段无需申请许可证即可使用的频段n各个国家各个地区并不完全相同各个国家各个地区并不完全相同n典型频段：典型频段：2.4GHz，2.42.4835GHzn典型频段：典型频段：5GHz，5.7255.825GHz2.6 无线介质无线介质n无线介质的传输质量远比有线介质差无线介质的传输质量远比有线介质差n是广播环境但不能简单认为是是广播环境但不能简单认为是“总线型总线型”n覆盖缺乏全连通性，可形成隐蔽站点和暴露站点覆盖缺乏全连通性，可形成隐蔽站点和暴露站点n传播时延可能变化，连通可能不对称传播时延可能变化，连通可能不对称n拓扑结构的动态性，由站点移动或信号变化形成拓扑结构的动态性，由站点移动或信号变化形成n外来信号易于侵入共享的无线介质外来信号易于侵入共享的无线介质n无线介质上的通信远比在有线介质上困难无线介质上的通信远比在有线介质上困难n无线通信特别是无线接入无可取代的优点无线通信特别是无线接入无可取代的优点n无线传输技术的持续改进，通