信息中心研发部网络基础知识材料

1第一章.局域网基础第一节网络拓扑结构一、网络拓扑简介1、网络拓扑的定义所谓拓扑(Topology)结构是指网络单元的地理位置和互联的逻辑布局。具体讲就是网络上各节点的连接方式和形式。换种说法，网络拓扑代表网络的物理布局或逻辑布局，特别是计算机分布的位置以及电缆如何通过他们。设计一个网络的时候，应根据自己的实际情况选择正确的拓扑方式，每种拓扑都有优点和缺点。2、网络拓扑的概述目前比较流行的是三种拓扑结构：总线型、星型和环型。在此基础上还可以连成树型、星环型和星线形。树型、星环型和星线形都是三种基本拓扑结构的复合连接。选择网络拓扑结构主要是考虑不同的拓扑结构对网络吞吐量、网络响应时间、网络可靠性、网络接口的复杂性和网络接口的软件开销等因素的影响，此外，还应考虑电缆的安装费和复杂程度、网络的可扩充性、隔离错误的能力以及是否易于重构等。对于LAN（局域网）用户来讲，网络拓扑并不十分重要，因为目前大多数的LAN操作系统都支持多种LAN拓扑结构。例如Windows2000操作系统，不管在总线型还是在环型上提供给用户的界面都一样，用户根本都不用关心网络物理部件。但对于网络支持部门来讲，选择网络拓扑却是一项重要的工作，因为不同拓扑方式的LAN，其所采用的信号技术，信道接人协议及所能达到的网络性能都有很大的不同。下面我们来介绍一下一些常用的网络拓扑结构。二、网络拓扑结构的类型1．总线型拓扑结构(BusTopology)总线拓扑通常用于规模较小、简单或临时性的网络。（1）总线网络的工作原理。在一个典型的总线网络里，通常只有一根或几根电缆，没有安装动态电子设备对信号进行放大，或将信号从一台计算机转发至另一台。也就是说，总线拓扑是一种无源拓扑。总线型网络中所有的用户结点(计算机，终端，工作站，外围设备或电话机等)都同等的挂接在一条广播式公共传输总线上，它没有对网络进行集中控制的装置。如图所示。计算机沿电缆向上或向下发出报文信息以后，网络里的所有计算机都能接受这个信息，但其中只有一台才能真正接受信息，通常，目标地址已编码于报文信息内，只有与地址相符的计算机才能接受信息，其他的计算机尽管收到，但也是简单忽略了事。在一个特定的时刻，只能有一台计算机发出报文。所以，当连接到总线网络里的计算机数目较多时，便会显著的影响网络速度。计算机发出信息之前，必须等待总线进入空闲状态。当然在后面要讲到的星型和环型网络里，同样也存在这个问题。在总线型网络中，有一个很重要的问题是“信号终止”。由于总线是一种无源拓扑，从2起源计算机发出的电子信号会在电缆长度范围内自由的传递。如果不提供终止手段，信号传输到电缆末端的时候，会马上反射回来，再向另一端传输。针对信号这样在电缆段里来回反射，我们将这种情况叫做“振铃”。所以，为了阻止信号“振铃”的发生，必须在封闭的线缆两端分别安装上一个叫终结器的“终止端子”。这个端子能够吸收电子信号，防止信号的反射，避免可能对网络通信带来的干扰。在总线型网络里，必须采取像这样的信号终止措施。（2）总线拓扑的优点。①可以构建简单的小型网络，易于使用和掌握。②通信费用少。因为在覆盖范围和工作站数目相同的情况下，总线拓扑所需的线缆数量很少，比其他的配线方式便宜得多。③总线网络的扩展非常方便。通过一个BNC同轴连接器，可将两条电缆连接成一根更长的电缆，利用这种方式，可将更多的计算机接入网络。也可用一个转发器(中继器)扩展总线网络，转发器能放大信号，允许他在很长的距离内传输。④总线的无源操作和系统的分布控制，保证了网络的高度可靠性。由于公共总线仅仅用于收发信号的无源操作，本身具有高度的可靠性，同时分布控制方式可以保证当某一个工作站发生故障或者脱离网络的时候，不会影响其他的工作站之间的通信。⑤采用了广播式通信方式没有转接站点，具有短传输时延特性。为实时性很强的通行式控制业务提供了物理基础。⑥有利于组建高速的，宽带工作的综合业务局域网。（3）总线拓扑的缺点。①过重的网络负载可能减小了网络的传输速度。由于每台计算机都可以在任何时间段传输数据，而它们之间又不能互相通知来预定传输时间。因此，如果网络内连接的计算机数目较多，便会耗去大量的带宽(即传输信息的能力)。当进行通信的时候，有可能某台计算机会中断其他计算机的通信。在重负荷下，报文时延特性和吞吐特性都会急剧恶化。②每个同轴BNC连接器都会衰减电子信号，如果连接数过多，会妨碍信号正常传输到目的地。③总线网络一旦出现故障，例如，匹配器损坏、线缆断裂等故障便很难维修，从而导致整个网络的活动停止。④网络覆盖范围受到限制，采用基带传输，竞争型协议的总线网，一般限制在2km以下的电缆长度所能及的范围。2．星型拓扑结构(StarTopology)在星型拓扑网络里，所有的线缆都从计算机连到一个中心位置，在这个位置上，用一个名为Hub(集线器)的设备将所有的线缆连接起来。如图所示。星型拓扑用于集中式网络，在这种网络里可从一个中心位置直接访问末端计算机，如果3希望以后容易对网络进行扩展或需要获得星型拓扑提供的更强的可靠性，便可以考虑安装这种类型的网络。（1）星型网络的工作原理。在星型网络里，每台计算机都需要和一个中央集线器（Hub）相连，这个集线器能将所有的计算机的报文转发给其他所有的计算机或者只发给目标计算机。集线器可以分为有源Hub和无源Hub。有源Hub能重新生成电子信号，然后把它发给与自己相连的计算机，这种类型的Hub也叫“多端口转发器”。有源Hub需要电源才能够运行。而对于无源Hub来讲，它只是一个连接点，不能放大或重新生成信号。无源Hub不需要电源。现在市场上见到的基本上都是有源Hub。在同一个星型网络里，混合的Hub可适应不用类型的电缆。为了扩展星型网络的规模，可以在适当的地方再设置一个星型Hub，让更多的计算机或者Hub与这块Hub连接起来。这样一来便形成了一种“混合星型”网络，如图所示。（2）星型网络的优点。①容易在星型网络里修改和添加新计算机，同时不会对网络的剩余部分带来任何干扰。只需简单的从计算机向中心位置拉一条新线，然后把它插入Hub即可。如果超出了中心Hub的容量，可以用带有更多端口的Hub来替换，以便连接更多的计算机。②星型网络的中心很容易诊断网络故障。利用智能Hub可以实现网络的集中监视与管理。③如果单台计算机出现故障，整个星型网络不会受到影响。Hub可以监测到网络故障，并隔离有问题的计算机和电缆，网络的剩余部分可以照常运行。④只要Hub能使用多种类型的电缆，那么在同—个网络里可以使用多种电缆类型。⑤由于星型LAN结构与传统的本地电话网相类似，因此只要有了电话交换机的单位，就可以利用现有的专用自动交换机系统的线路组成LAN，如果交换机本身具有综合交换功能，更容易组建一个具有综合业务能力的LAN。⑥集中控制有利于将各个工作站送来的数据进行汇集，然后与别的网络互连，连接方便和经济，结构简单。⑦中心交换采用了线路交换并具有透明性，这样任一对工作站之间的报文传输没有转接延时，各通信对之间可以采用不同的通信协议和接口标准，有利于异种机联网，同时，网络的延时时间是确定的。（3）星型网络的缺点。①如果中央集线器出现故障，整个网络会瘫痪。②许多星型网络要求在中心点使用一个设备，以便传播或转换网络通信。③架设星型网络的电缆费用相比之下高很多。④各结点之间的相互通信量不能过大，否则很容易产生信息阻塞现象。4⑤由于线路交换方式存在接续占线的问题，这种星型网络不利于接入共享资源设备。3．环型拓扑(RingTopology)在环型拓扑里，每台计算机都连到下一台计算机，而最后一台计算机则连至第一台计算机。其拓扑结构如图所示。典型情况下，环型拓扑的应用场合包括高性能网络（如FDDI光纤网）：要求预约带宽，以便提供对同步性要求很高的信息，比如影像和声音等。（1）环型网络的工作原理。在一个环型网络里，每台计算机都和其他的计算机首尾相连，而且每台计算机都会重新传输从上一台计算机收到的信息。信息在环中朝固定的方向流动，由于每台计算机都能重传自己收到的信息，所以，环型网络是一种有源的网络，不会出现像总线网络那样的信号减弱和丢失问题。所以，在这种网络里用不着采取“终止”措施，因为环是没有终点的。（2）环型网络的优点。①由于网络的操作是分布式和非竞争的，对于资源的分配比较公平，不管工作站处于环路的什么位置，每台计算机都有相同的访问权限，所以没有一台计算机可以垄断网络。②网络的性能比较稳定，能承受较重的负担。也就是说，由于公平的共享网络资源，所以随着用户的逐渐增加，网络的性能的下降是匀速进行的。尽管速度很慢，但还是可以保证正常运行，而不是一旦超出网络容量，马上中断服务。③网络的接入控制和接口部件比较简单。（3）环型网络的缺点。①环上的任一台计算机出现故障，会影响到整个网络。②很难对一个环型网络进行故障诊断。③网络的扩充不方便，添加或删除联网的计算机都会干扰整个网络的正常运行，它的扩充没有总线型容易。④为保证环内信号的单向传输，每个节点的环接器必须是有源部件，而有源部件存在供电问题，可靠性不如无源部件。⑤环内需要设置对信道资源进行管理的控制装置。在如今实际架设的网络里，经常能够看到总线型、星型、环型拓扑混合使用的情况，下面我们也来简单介绍一下。4．星型总线星型总线拓扑将总线和星型拓扑联合起来使用，也就是说，用总线电缆作干线，将几个星型Hub连接起来。其拓扑结构如图所示。5如果一台计算机出现故障，Hub能检测到这个故障，并将有问题的计算机隔离开，如果Hub出现故障，与之相连的计算机便无法通信，总线网络会断为两段，相互之间也不能通信。5．星环星环型网络中，网络的电缆布局与星型网络很相似，但是中央的Hub采取了环型的方式，外层Hub可以连到内部的Hub，从而有效的扩展了内部环的循环范围。其拓扑结构如图所示。由于多种因素，环型LAN的实际规模局限于环接器的数目，同时，环型结构也受益于连接环接器的物理线路与实际路由选择无关。为了克服环型网的这些问题，并允许构成大型的LAN，就出现了星环结构。6．物理网状拓扑物理网状拓扑的显著特点是：设备之间的冗余链路。在一个真正的网状拓扑环境中，每个网6络设备之间都有一条链路。可以设想一下，如果设备的数量较多，对整个网络的管理是难以维持的。因此，大多数的网络拓扑网络都不是真正的网状网。相反，他们是一些混合型的网状网。其中某些地方包含了一些冗余链路，但并非全部。其拓扑结构如图1-7所示。（1）网状网的安装。在带有n台设备的一个纯粹的网状网里，需要使用1+2+．．．+n-1=n(n—1)/2条电缆。（2）网状网的故障诊断及重新配置。网状网具有很高的容错性能。和其他的任何一种拓扑网络结构比较起来，传输媒体的故障对网状网的影响是最小的，由于使用了冗余链路，数据可以通过几条不同的路径传递。重新配置与安装一个新的网络没有区别，因为设备越多，麻烦越大。（3）网状网的优缺点。优点是出色的容错性能，通信信道的容量得以有效的保证，易于对网状网进行故障的诊断。缺点是安装和配置相当的麻烦，以及维护链路的费用高。7．拓扑结构的选择到底在什么情况下使用哪种拓扑呢?以下总结了一些网络拓扑方案的选型思路。（1）采用总线型拓扑：①网络规模小；②网络不需频繁的重配置；③要求费用最低的方案；④网络的规模增长不快。（2）采用星型拓扑：①必须易于添加和删除客户机计算机；②必须易于故障诊断；③网络的规模较大；④预计网络在未来有大幅度的增加。（3）采用环型拓扑：①网络必须在重负载下可靠地运行；②要求架设一个高速的网络；③经常都要对网络进行重配置。（4）采用星型总线拓扑：①网络要求廉价方案；②能在将来方便的进行重新配置；7③有较大规模的增长。（5）采用星环拓扑：①网络的规模较大；②必须在高速下运行；③在重负荷下可靠地运行。上面的这些标准可以在这实际组网的过程中带来一定的参考。第二节网络基础协议计算机网络中实现通信必须有一些约定，即通信协议。通信协议对速率、传输代码、代码结构、传输控制步骤、出错控制等制定标准。为了使两个结点之间能进行对话，必须在它们之间建立通信