525第五讲 网络体系结构.ppt

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1、 描述基本的以及混合的局域网拓扑结构 描述多种企业范围以及广域网的拓扑结构 解释不同拓扑结构的优点和用处,第五讲 网络体系结构,5.1 简单局域网拓扑结构,物理拓扑结构：是解释一个网络物理布局的形式图，它以概括的形式描述一个网络；即，不指定设备、连接方法或网络编址。物理拓扑结构按照基本的几何学图形分为三类：总线形、环形和星形。这些形状也可混合构成混合拓扑结构。在设计一个网络之前，必须理解物理拓扑结构，因为它们能够影响所使用的逻辑拓扑结构（例如，以太网或令牌环网），建筑物里如何铺设电缆，以及使用何种网络介质。,5.1.1 总线形,一个总线形拓扑结构由单根电缆组成，该电缆连接网络中所有节点，其中没

2、有插入其他的连接设备。右图描绘了一种典型的总线形拓扑结构。,单根电缆称为总线，它仅仅只能支持一种信道；因此，每个节点共享总线的全部容量。由于网络中的每个设备都能够接收从一点传输到另一点的数据，因此总线形拓扑结构可以认为是一种端到端的拓扑结构。然而，由于单信道的限制，一个总线形网络上的节点越多，网络发送和接收数据就越慢。在总线形网络上的每个节点都被动地侦听接收到的数据。当一个节点向另一个节点发送数据时，它先向整个网络广播一条警报消息，通知所有的节点它将发送数据，目标节点将接收发送给它的数据，在发送方和接收方之间的其他节点将忽略这条消息。,在每个总线形网络的末端都有一个5 0 欧姆的称为终结器的电

3、阻器。终结器的作用是在信号到达目的地后终止信号。如果没有这些设备，总线形网络上的信号将在网络两端之间无休止地传输，这种现象称为信号反射，它会使新的信号不能通过。,总线型网络的缺点：1.虽然建立一个基于总线形拓扑结构的网络不是很昂贵，但这种网络不能较好地扩展。当增加更多的节点时，网络的性能将下降。一个总线形拓扑结构不适用于一个超过200 台工作站的网络。2.由于在总线网络中难以识别出错误发生的具体位置，所以当网络发生问题时，解决问题就很困难。3.具有较差的容错能力，这是因为在总线上的某个中断或缺陷将影响整个网络。因此，几乎没有一个网络运行在一个单纯的总线拓扑结构上。但存在包括一个总线部分的混合拓

4、扑结构，这将在本讲后续部分讨论。,5.1.2 环形,在一个环形拓扑结构中，每个节点与两个最近的节点相连接以使整个网络形成一个环状，如右图所示，数据绕着环向一个方向发送（单向的）。每个工作站接收并响应发送给它的数据包，然后将其他数据包转发到环中的下一个工作站。一个环形网没有“终止端”，数据在它们的目的地停止继续发送，因而环形网络不需要终结器。,令牌传递是环形网络上传送数据的一种方法。令牌传递过程中，一个3 字节的称为令牌的数据包绕着环从一个节点发送到另一个节点。如果环上的一台计算机需要发送信息，它将截取令牌数据包，加入控制和数据信息以及目标节点的地址，将令牌转变成一个数据帧。然后该计算机将该令牌

5、继续传递到下一个节点。被转变的令牌，就以帧的形式绕着网络循环直到它到达预期的目标节点。目标节点接收该令牌并向发起节点返回一个验证消息。在发送节点接受到应答后，它将释放出一个新的空闲令牌并沿着环发送它。这种方法确保在任一给定时间仅仅只有一个工作站在发送数据。由于每个工作站都参与将令牌绕着环发送的活动，这种体系结构也称为主动拓扑结构。每个工作站如同一个能再生发送信号的中继器。,环形拓扑结构的缺点,1.一个简单环形拓扑结构的缺点是单个发生故障的工作站可能使整个网络瘫痪。如果这些工作站中有一个网络接口卡出现故障，一个节点发送的数据帧将永远不会到达目标 的计算机。2.如同总线拓扑结构，环形网络中参与令牌

6、传递的工作站越多，响应时间也就越长。因此，单纯的环形拓扑结构是非常不灵活或不易于扩展。因此，当前的局域网几乎不使用单纯的环形拓扑结构。环形拓扑结构的一种改变形式，也称为星形环拓扑结构流行于某些类形的网络中，如令牌环网。星形环网和令牌环网技术将会在本讲的后续部分讨论。,5.1.3 星形,在一个星形拓扑结构中，网络中的每个节点通过一个中央设备，如集线器连接在一起。右图 描绘了一个典型的星形拓扑结构。在一个星形网络中任何单根电线只连接两个设备（如，一个工作站和一个集线器）。因此，电缆问题最多影响两个节点。设备如工作站或打印机将数据发送到集线器，再由集线器将数据转发到包含目标节点的网络段。,星形拓扑结

7、构的优缺点：星形拓扑结构需要的电缆和配置稍许多于环形或总线网络，发生故障的单个电缆或工作站不会使星形网络瘫痪。但一个集线器的失败将导致一个局域网段的瘫痪。由于中央连接点的使用，星形拓扑结构可以很容易地移动、隔绝或与其他网络连接。因此，它们更易于扩展。由于这些原因，在目前的局域网中，星形拓扑结构是最流行的基本体系结构。许多网络管理员在近几年都用星形网络代替旧的总线或环形网络。单个星形网络通常都通过集线器和交换机与其他网络互连以形成一个更复杂的拓扑结构。现代的以太网都使用星形拓扑结构。,除非在规模非常小的网络中，否则很难遇见一个网络严格地遵从仅仅一种总线环形或星形拓扑结构。简单的拓扑结构有太多的限

8、制，特别是在局域网必须容纳大量的设备时。更可能的选择是使用这些简单的拓扑结构形成复杂的组合。这也称为混合拓扑结构。下面解释几种混合拓扑结构。,5.2混合局域网拓扑结构 5.2.1 星形环,星形环：,星形环拓扑结构将星形的物理布局与令牌环传递的数据传输方法联合使用。下图描绘了这种体系结构。其中实线代表了物理连接，虚线代表了数据流。数据以循环方式绕着星形网络传输。这种混合拓扑结构的优点包括星形拓扑结构的容错性（数据传输不依靠每一个工作站作为中继器）和令牌传递的可靠性。在IEEE802.5中规范的现代令牌环网使用这种混合形拓扑结构。,5.2.2 星形总线,星形总线：另一种流行的混合拓扑结构组合了星形

9、和总线结构。在星形总线拓扑结构中，工作站组以星形连接到集线器上，然后通过单根总线进行连网，如下图 所示。通过这种设计，网络可以覆盖较大的距离，较易与不同的网络段进行互连或隔绝。这种结构的一个缺点是它比单独使用星形特别是总线拓扑结构要昂贵得多。星形总线拓扑结构是组成以太网和快速以太网的基础。,5.2.3 菊花链形,菊花链形 即使星形环网络拓扑和星形总线网络拓扑也是过于简单而不能代表一种典型的中等规模局域网。然而，为星形总线或星形环拓扑提供服务的集线器能形成菊花链以构成一个更为复杂的混合拓扑结构。如下图所示。一个菊花链就是一系列设备的链接。由于星形混合拓扑能进行模块化扩展，菊花链是网络扩展的一种逻

10、辑解决方法。同时，多台集线器可以通过电缆连接到它们的端口上，从而实现网段互连。因此通过这种方法扩展一个局域网的基础结构几乎不需额外的成本。,Warning：菊花链简单拓扑结构能引起灾难。例如，IEEE规范如Ethernet802.3 标准为维护传输的完整性指定了能有序连接的集线器的最大数目。使用的集线器个数超过了标准所建议的数目，将对一个局域网的功能有负面的影响。其他方面，如果扩展一个局域网超出了它所推荐的规模，会导致一些间歇性且不可预料的数据传输错误。此外，假如使用有限的带宽进行拓扑结构的菊花链化，可能有信道超载及产生更多数据错误的风险。,5.2.4 层次结构,层次结构：将设备按等级分层有许

11、多原因。考虑到安全性、开销、可扩展性、网络编址、带宽或可靠性，可能将集线器、交换机和路由器分层。此外，存在许多方法分割设备和工作组，从而产生各种不同的层次拓扑结构。如可以把拓扑结构想象成类似于一个公司的组织图表，其中部门按照功能划分，不同的人员属于组织图表中不同的级别。对网络中的设备分组的一种可能的方法是将它们分割成层。一个层仅是对网络设备进行逻辑分割。一个层次混合拓扑结构使用层将设备按照它们的优先权或功能进行分割。一个层次拓扑结构可以有许多层，并可以连接不同类型的简单拓扑结构。例如，下图描绘了一个具有三层的层次环形拓扑结构。顶层是网络的主干，第二层对文件服务器提供直接的连接，并对第三层提供中

12、间连接，第三层则为多个工作组提供服务，如管理、销售和信息技术。,将拓扑结构层次化有以下几种优点：对不同的组进行带宽隔离的能力，易于增加或隔绝不同的网络组，易于与不同的网络类型互连，因此，层次拓扑结构构成了高速局域网和广域网设计的基础。,5.3 企业网的拓扑结构 5.3.1 主干网络,术语“企业”指的是一个完整的组织，包括本地和远程的公司、多种计算机系统以及多个部门。因此企业级的计算机系统必须考虑一个大型组织的计算机所需的广度和可变性。企业级网络是对简单的混合局域网拓扑结构的扩展。因此，与简单局域网拓扑结构所提供的设备及环境相比，这种拓扑结构需要更多的互连设备和更加健壮的数据传输环境。一个企业级

13、网络可以使用或形成广域网的一个部分，但前者只能连接一个组织的资源，而广域网（如Internet）可以连接来自许多不同组织的资源。,当使用局域网拓扑结构时，企业级网络的拓扑结构存在许多不同点。这里描述几种常用的用于组织大型网络的方法。,5.3.1 主干网络,网络主干：是连接网络的集线器、中继器以及路由器的电缆。主干通常比连接工作站到集线器上的电缆有更大的通信容量。由于主干要比网络中的其他电缆处理更大的通信容量，增加主干的通信容量是必须的。下面主要介绍4种主干方式：串行主干、分布式主干、折叠式主干和并行式主干。,1.串行主干 串行主干是最简单的主干类型。它由两个或更多的通过单根电缆相互连接的集线器

14、组成。串行主干网络完全等同于在前面混合局域网拓扑结构中讨论的菊花链网络（请参看前面5.2.3的菊花链网络图）。正如以前所提到的，它们不适合大型网络或远距离传输。虽然串行主干网络能用于企业级网络，但几乎都不采用这种方案。,2.分布式主干 分布式主干由许多连接到位于层次拓扑结构中的一系列中央集线器或路由器上的集线器组成，如右图图所示，短划线代表了主干。由于更多的集线器层可以增加到现有的层上，对这种拓扑结构的扩展只需考虑简单的扩充和有限的资金开销。例如，假设你是一个出版社办公室的网络管理员。开始，你使用包含两个集线器的分布式主干建构网络，其中每个集线器连有1 0 个用户，总共对2 0 个用户提供连接

15、。当公司雇佣更多的员工时，你可以将新的一个集线器连接到现有的集线器上，并用这个新的集线器连接新的员工到网络上。,右图 是一个更复杂的分布式主干，它使用路由器连接多个局域网或局域网段。在这个例子中，路由器形成了连接多个局域网的主干的最高层。网络管理员能够采用分布式主干来隔离工作组，这样就能更轻易地管理它们。这种结构能较好地适应位于单个大厦的一个企业级网络。在这种网络中，集线器层可以根据楼层或部门进行安排。然而，当设计一个分布式主干网络时，必须考虑节点之间可允许的最大距离及网络介质所指定的服务器。实现一个分布式主干网络还是相对比较简单、迅速和廉价的。,3.折叠式主干 折叠式主干拓扑结构使用一个路由

16、器或交换机作为多个子网的单个中央连接点，如右图所示。在折叠式主干中，单个路由器或交换机是主干的最高层。构成折叠式主干的路由器或交换机必须包含多个处理器以处理通过它的大量通信量。使用这种分布式的危险即是中央路由器或集线器的失败将导致整个网络的崩溃；另一方面，路由器处理传输数据不如集线器快（因为路由器解析到网络层，而集线器只解析到数据链路层），因而使用路由器可能减慢数据传输速率。,4.并行式主干 并行式主干是健壮性更强的企业级网络的拓扑结构。与折叠式主干不同的是：并行式主干有多个从中央路由器或交换机到每个网段的连接。右图 描绘了一个简单的并行式主干拓扑结构。使用并行式主干最重要的优点是它的冗余连接

17、可以保证网络连接到企业的任何一个地点。并行式主干要比其他企业级网络的拓扑结构昂贵得多，但它们可以提供更多的性能来弥补这种额外的开销。,5.3.2 网状网络,在网状网络中，路由器间至少可通过两条路径互相链接，如下图3 所示。网状网络要比前面所讨论的主干网络更为复杂。实际上，它一般包括了多个主干网。术语“网状网络”是一个通用的拓扑术语，适用于工作组和互连设备的各种不同的组合。虽然一个简单的局域网可以是一个网状网络，但这种拓扑结构更常用于企业级网络和广域网。因特网就是一个网状广域网的一个例子。,5.4 广域网拓扑结构,广域网是一种链接地理上有差异的多个场所的网络，这些场所可以属于相同的组织，也可以属

18、于不同的组织。广域网拓扑结构不仅使用局域网和企业级网络的拓扑结构作为建构单元，而且由于它们所覆盖的距离、服务的大量用户，以及它们所处理的大量通信量，使其更为复杂。例如，一个简单的环形拓扑结构可以满足一个有1 0 个用户的小型办公室环境，但它不能扩展，从而不能为1 0 0 0 个用户提供服务。选择某种特定的广域网拓扑结构将依赖于所必须链接的场所个数，场所之间的距离和任何现有的基础结构。广域网拓扑结构与局域网拓扑结构的不同还在所使用的互连设备（如路由器和交换机）的类型和范围方面有所不同。这种差别将直接导致本地网络段与涉及远距离传输的网络段对连网协议的处理方式不同。例如，一个局域网可以在单个段上携带

19、NetBEUI、IPX/S PX及TCP/I P 这些协议的通信数据，但由于广域网通过路由器与局域网互连，且NetBEUI是不可路由的协议，一个广域网链接只能携带IPX/SPX和TCP/IP 的通信数据。广域网的拓扑结构形式有：端到端、环形、星形、网状、分层。,端到端：每个地点只有单个连接的广域网被设计成端到端拓扑结构。广域网的端到端拓扑结构类似于局域网的端到端模型。它的每个节点依靠网络中其他的每个节点进行数据的发送和接收。然而，端到端局域网使用通过共享电缆接入的计算机，而广域网的端到端拓扑结构使用通过（通常）专线连接的不同地点。这种拓扑结构对于只有几个地点且能使用专用线路的组织来说是最好的解

20、决方案。所谓专用线路是指从通信提供商，如ISP处租用的两个接入点之间的不间断的物理或逻辑连接（如T 1 或I S D N 连接）,5.4.1 端到端,专用线路能够使数据有规则地、可靠地传输即可。上图 描绘了一个使用T 1 和I S D N 连接的端到端广域网。端到端广域网拓扑结构只适用于小型的广域网。由于所有的地点都必须参与通信的承载，这种模型不能很好地扩展。增加更多的地点将导致性能下降。同时，在端到端广域网上发生的单点失败将导致所有地点间的通信崩溃。,5.4.2 环形,环形：,在一个环形广域网拓扑结构中，每个节点被连接到两个其他地点以使整个广域网形成一个环形模形，如下图 所示（使用了T1和I

21、SDN专线）。除了一个环形广域网拓扑结构连接的是地点而不是本地节点之外，这种体系结构类似于环形局域网拓扑结构。基于端到端广域网的环形广域网的优点是：单个电缆问题不会影响整个网络，以及在任何地点的路由器可以根据通信模式对数据传输进行改向。另一方面，扩展一个环形配置的广域网很困难且非常昂贵。因此，使用环形拓扑结构的广域网仅对少于4 个或5 个地点的连接适用。,5.4.3 星形,星形,星形拓扑结构与一个星形局域网相似。单个地点作为许多其他地点的中央连接点，如右图 所示。这种分布对任何两个地点之间的数据传输提供独立的线路。因此，星形广域网比端到端或环形广域网更可靠。一般来说，随着传输数据的潜在线路数目

22、的增加，可靠性也将增加。例如，若Oak Street 和Main Street 两点之间的T 1 连接失败，Watertown和Columbus仍然可以使用不同线路与Main Street 通信。但在一个端到端或环形拓扑结构中，单点失败可能会导致所有地点间的通信停止。,星形广域网的另一个优点是：当所有的专用线路都有效时，星形广域网能提供任何两个地点间的最短数据传输路径。扩展一个星形广域网也是很容易的。它的扩展成本要比扩展一个端到端或环形广域网低得多。例如，一个使用上图 所示的星形广域网的组织想对它的拓扑结构增加一个Maple Street，Madison地点，它只需简单地从Main Stree

23、t 办公室租用一个新的专用线路到Maple Street办公室即可。没有其他办公室会因为这个改变而受到影响。如果该组织使用的是端到端环形广域网拓扑结构，则需要两个独立的专用连接才能将新的地点合并到网络中去。如同星形局域网拓扑结构，星形广域网最大的缺点是中央连接点的失败可能导致整个广域网的崩溃。例在上图中，如果Main Street 办公室遭遇了一次灾难性火灾，整个广域网将会崩溃。,如同一个企业网一样，网状广域网拓扑结构直接连接许多互连节点，在这种情况下，节点是指地理场所，由于每个地点都是互连的，数据能够从发起点直接传输到目标节点。如果一个连接出了问题，路由器将轻易并且迅速地对数据改向。由于网状

24、广域网对两个点之间的数据传输提供多条路线，这种网络是最具容错性的广域网配置。如右图中的Madison办公室遭遇一次灾难性火灾，Dubuque办公室仍然能够对Detroit 办公室进行数据的传输，且数据是直接到达Detroit办公室。如果Madison和Detroit 办公室都出现问题，Dubuque和Indianapolis办公室仍然能够进行通信。,网状广域网的一个缺点是成本问题。将网络中的每个节点与其他节点相连接需要租借大量的专用线路。随着广域网规模的扩大，开销可能是非常大的。为缩减开支，可以选择实现半网状，在这种网状结构中，直接连接关键的广域网节点，通过星形或环形拓扑结构连接次要的节点，如

25、图上图 所示，与全网状的广域网相比，半网状的广域网更加适用，因而在当前的商业领域亦是更通用的。,5.4.4 网状,网状,5.4.5 分层,分层广域网拓扑结构类似于局域网所使用的层次混合拓扑结构。在分层广域网拓扑结构中，以星形或环形连接的广域网地点被互连到不同的级别，这些互连点构成了所谓的层。下图描绘了一个分层的广域网。在这个例子中，Madison、Detroit 和New York 办公室形成上层，Dubuque、Indianapolis、Toronto、Toledo、Washington 和Boston 办公室遇到问题，Toronto和Toledo办公室将不能与广域网上的任何其他节点通信。同样，Dubuque和Indiana polis办公室的广域网连接依赖于Madison办公室，正如Washington和Boston办公室的广域网连接依赖于New York办公室一样。,这种拓扑结构的变化形式是多种多样的。确实，灵活性使得分层方案非常实用。一个网络设计师能够根据通信模式或关键数据路径决定高层路由器的最佳位置。除此之外，分层系统易于扩展，它包含了支持扩展的冗余链接。在另一个方面，它们巨大的灵活性使得在构建一个分层广域网时需要仔细考虑地理因素的使用模式和发展潜力。,