2.3　相关知识

2.3.1　网络拓扑结构

当用户组建计算机网络时，要考虑网络的布线方式，即涉及网络拓扑结构。网络拓扑结构指网路中计算机线缆以及其他组件的物理布局。

局域网常用的拓扑结构有总线结构、环状结构、星状结构、复合结构、树状结构和网状结构。拓扑结构影响着整个网络的设计、功能、可靠性和通信费用等许多方面，是决定局域网性能优劣的重要因素之一。几种网络拓扑结构如图2-2所示。

（1）总线拓扑结构

总线拓扑是采用单根传输作为共用的传输介质，将网络中所有的计算机通过相应的硬件接口和电缆直接连接到这根共享的总线上。

总线拓扑结构中，在总线上，任何一台计算机在发送信息时，其他计算机必须等待。而且计算机发送的信息会沿着总线向两端扩散，从而使网络中所有计算机都会收到这个信息，但是否接收，还取决于信息的目标地址是否与网络主机地址相一致，若一致，则接收；若不一致，则不接收。

总线拓扑结构的网络不需要插入任何其他的连接设备，其中任何一台计算机发送的信号都沿一条共同的总线传播，而且能被其他所有计算机接收。

总线拓扑结构的优点如下：

①网络结构简单，结点的插入、删除比较方便，易于网络扩展。

②设备少、造价低，安装和使用方便。

③具有较高的可靠性。因为单个结点的故障不会涉及整个网络。

总线拓扑结构的缺点如下：

①总线传输距离有限，通信范围受到限制。

②故障诊断和隔离比较困难。当结点发生故障时，隔离起来较方便，一旦传输介质出现故障，就需要将整个总线切断。

③易于发生数据碰撞，线路争用现象比较严重。

④分布式协议不能保证信息的及时传送，不具有实时功能，站点必须有介质访问控制功能，从而增加了站点的硬件和软件开销。

（2）星状拓扑结构

星状拓扑结构的网络属于集中控制型网络，整个网络由中心结点执行集中式通行控制管理，各结点间的通信都要通过中心结点。每一个要发送数据的结点都将发送到数据发送中心结点，再由中心结点负责将数据送到目地结点。因此，中心结点相当复杂，而各个结点的通信处理负担都很小，只需要满足链路的简单通信要求。

星状网中任何两个结点要进行通信都必须经过中央结点控制。因此，中央结点的主要功能有三项：当要求通信的站点发出通信请求后，控制器要检查中央转接站是否有空闲的通路，被叫设备是否空闲，从而决定是否能建立双方的物理连接；在两台设备通信过程中要维持这一通路；当通信完成或者不成功要求拆线时，中央转接站应能拆除上述通道。

由于中央结点要与多机连接，线路较多，为便于集中连线，采用一种称为集线器（Hub）或交换机（Switch）的设备作为中央结点。

星状拓扑结构的优点如下：

①控制简单。任何一个站点只和中央结点相连接，因而介质访问控制方法简单，致使访问协议也十分简单。易于网络监控和管理。

②故障诊断和隔离容易。中央结点对连接线路可以逐一隔离进行故障检测和定位，单个连接点的故障只影响一个设备，不会影响全网。

③方便服务。中央结点可以方便地对各个站点提供服务和网络重新配置。

星状拓扑结构的缺点如下：

①需要耗费大量的电缆，安装、维护的工作量也骤增。

②中央结点负担重，容易形成“瓶颈”，一旦发生故障，则全网受影响。

③各站点的分布处理能力较低。

总的来说星状拓扑结构相对简单，便于管理，建网容易，是局域网普遍采用的一种拓扑结构。采用星状拓扑结构的局域网，一般使用双绞线或光纤作为传输介质，符合综合布线标准，能够满足多种宽带需求。

（3）环状拓扑结构

环状结构中各结点通过环路接口连在一条首尾相连的闭合环形通信线路中，环路中各结点地位相同，环路上任何结点均可请求发送信息，请求一旦被批准，便可以向环路发送信息。环形网中的数据传输主要是单向传输，也可以双向传输（双向环）。由于环线公用，一个结点发出的信息必须穿越环中所有的环路接口，信息流的目的地址与环上某结点地址相符时，信息被该结点的环路接口所接收，并继续流向下一环路接口，一直流回到发送该信息的环路接口为止。

环状拓扑结构的优点如下：

①电缆长度短，只需要将各结点逐次相连。

②可使用光纤。光纤的传输速率很高，十分适合于环状拓扑的单方面传输。

③所有站点都能公平访问网络的其他部分，网络性能稳定。

环状拓扑结构的缺点如下：

①结点故障会引起全网故障，是因为数据传输需要通过环上的每一个结点，如某一结点故障，则引起全网故障。

②检测故障困难。因为不是集中控制，故障检测需在网中各个结点进行，故障的检测不太容易查出。

③结点的加入和撤出过程复杂。

④介质访问控制协议采用令牌传递的方式，在负载很轻时信道利用率相对较低。

（4）树状拓扑结构

树状拓扑结构实际上是星形拓扑的发展和补充，为分层结构，具有根结点和各分支结点，适用于分支管理和控制的系统。树状网络也称多星级形网络。树状网络是由多个层次的星形结构纵向连接而成，一般来说，越靠近树的根部，结点设备的性能越好。

树状拓扑结构是网络结点呈树状排列，整体看来就像一棵朝上的树，因而得名。

树状拓扑具有较强的可折叠性，非常适用于构建网络主干，还能够有效地保护布线投资。这种拓扑结构的网络一般采用光纤作为网络主干，用于军事单位、政府单位等上下界限相当严格和层次分明的网络结构。

与星状拓扑相比，它们有许多相似的优点，比星形拓扑的扩展性更高。

树状拓扑结构的优点如下：

①易于扩展。可以延伸出很多分支和子分支，因而容易在网络中加入新的分支或新的结点。

②易于隔离故障。如果某一线路或某一分支结点出现故障，它主要影响局部区域，因而能比较容易地将故障部位与整个系统隔离开。

树状拓扑结构的缺点：各个结点对根的依赖性太大。

（5）网状拓扑结构

网状拓扑结构主要指各结点通过传输线互连，并且每一个结点至少与其他两个结点相连，网状拓扑结构具有较高的可靠性，但其结构复杂，实现起来费用较高，不易管理和维护，不常用于局域网，一般用于Internet主干网上。

网状拓扑的优点如下：

①网络可靠性高，一般通信子网中任意两个结点交换机之间，存在两条或两条以上的通信路径，当一条路径发生故障时，还可以通过另一条路径把信息送至结点交换机。

②网络可组建成各种形状，采用多种通信信道，多种传输速率。

③网内结点共享资源容易。

④可改善线路的信息流量分配。

⑤可选择最佳路径，传输延迟小。

网状拓扑的缺点如下：

①控制复杂，软件复杂。

②线路费用高，不易扩充。

③在以太网中，如果设置不当，会造成广播风暴，严重时可以使网络完全瘫痪。

2.3.2　局域网常用连接设备

1.集线器

集线器（Hub）是对网络进行集中管理的重要设备，是星形拓扑结构网络的中央结点设备之一。Hub是一个共享设备，其实质是一个中继器，而中继器的主要功能是对接收到的信号进行再生放大，以扩大网络的传输距离。具有多个RJ-45接口的集线器就像是使用镜子把光线分到各个端口。在网络中，集线器主要用于共享网络的建设，是解决从服务器直接到桌面的最佳、最经济的方案。简单的小型集线器见图2-3所示。

（1）集线器工作原理

集线器工作于OSI/RM参考模型的物理层和数据链路层的MAC（介质访问控制）子层。物理层定义了电气信号、符号、线的状态和时钟要求、数据编码和数据传输用的连接器。因为集线器只对信号进行整形、放大后再重发，不进行编码，所以是物理层的设备。

集线器采用了CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测）协议，CSMA/CD为MAC层协议，所以集线器也含有数据链路层的内容。

集线器的工作过程是非常简单的，首先是结点发信号到线路，集线器接收该信号，因信号在电缆传输中有衰减，集线器接收信号后将衰减的信号整形放大，最后集线器将放大的信号广播转发给其他所有端口。由此可见，集线器在物理拓扑结构上是星形拓扑结构，而在逻辑拓扑结构上是总线形拓扑结构。

集线器的广播发送数据方式有三方面的不足：

①用户数据包向所有结点发送，很可能带来数据通信的不安全因素，一些别有用心的人很容易非法截获他人的数据包。

②由于所有数据包都是向所有结点同时发送，加上其共享带宽方式（如果两个设备共享10Mbit/s的集线器，那么每个设备就只有5Mbit/s的带宽速率），可能造成网络塞车现象，更加降低了网络执行效率。

③非双工传输，网络通信效率低。集线器的同一时刻每一个端口只能进行一个方向的数据通信，而不能像交换机那样进行双向双工传输，网络执行效率低，不能满足较大型网络通信需求。

（2）集线器的类型

①按端口数量来分。这是最基本的分类标准之一。目前主流集线器主要有8口、16口和24口等大类，但也有少数品牌提供非标准端口数，如4口和12口的，还有的有5口、9口、18口的集线器产品，这主要是想满足部分对端口数要求过严、资金投入比较谨慎的用户需求。此类集线器一般用作家庭或小型办公室等。

②按带宽划分。集线器也有带宽之分，如果按照集线器所支持的带宽不同，通常可分为10Mbit/s、100Mbit/s10/100Mbit/s三种。

③按照配置的形式分。如果按整个集线器的配置来分，一般可分为独立型集线器、模块化集线器和堆叠式集线器三种。

独立型集线器在低端应用是最多的，也是最常见的。独立型集线器是带有许多端口的单个盒子式的产品，独立型集线器之间多数是可以用一段10Base-5同轴电缆把它们连接在一起，以实现扩展级联，这主要应用于总线形网络中，也可以用双绞线通过普通端口实现级连，但要注意所采用的网线跳线方式不一样。独立型集线器具有低价格、容易查找故障、网络管理方便等优点，在小型的局域网中广泛使用。但这类集线器的工作性能比较差，尤其是在速度上缺乏优势。

模块化集线器一般都配有机架，带有多个卡槽，每个槽可放一块通信卡，每个卡的作用就相当于一个独立型集线器，多块卡通过安装在机架上的通信底板进行互连并进行相互间的通信。现在常使用的模块化集线器一般具有4～14个插槽。模块化集线器各个端口都有专用的带宽，只在各个网段内共享带宽，网段之间采用交换技术，从而减少冲突，提高通信效率，因此又称为端口交换机模块化集线器。其实这类Hub已经采用交换机的部分技术，已不是单纯意义上的集线器，它在较大的网络中便于实施对用户的集中管理，在较大型网络中得到了广泛应用。

堆叠式集线器可以将多个集线器“堆叠”使用，当它们连接在一起时，其作用就像一个模块化集线器一样，堆叠在一起的集线器可以当作一个单元设备进行管理。一般情况下，当有多个集线器堆叠时，其中存在一个可管理集线器，利用可管理集线器可对此可堆叠式集线器中的其他“独立型集线器”进行管理。可堆叠式集线器可非常方便地实现对网络的扩充，是新建网络时最为理想的选择。

④从是否可进行网络管理来分。按照集线器是否可被网络管理分，有不可通过网络进行管理的“非网管型集线器”和可通过网络进行管理的“网管型集线器”两种。

非网管型集线器也称傻瓜集线器，是指既无须进行配置，也不能进行网络管理和监测的集线器。该类集线器属于低端产品，通常只被用于小型网络，这类产品比较常见，只要集线器插上电，连上网线就可以正常工作。这类集线器虽然安装使用方便，但功能较弱，不能满足特定的网络需求。

网管型集线器也称智能集线器，可通过SNMP协议（Simple Network Management Pro-tocol，简单网络管理协议）对集线器进行简单管理的集线器，这种管理大多是通过增加网管模块来实现的。实现网管的最大用途是用于网络分段，从而缩小广播域，减少冲突提高数据传输效率。另外，通过网络管理可以在远程监测集线器的工作状态，并根据需要对网络传输进行必要的控制。需要指出的是，尽管同是对SNMP提供支持，但不同厂商的模块是不能混用的，甚至同一厂商不同产品的模块也不同。

2.交换机

交换是按照通信两端传输信息的需要，用人工或设备自动完成的方法，把要传输的信息送到符合要求的相应路由上的技术的统称。

交换机（Switch）也称交换式集线器，又称网络开关。它是一种基于MAC地址标识，能够在通信系统中完成信息交换功能的设备。交换机有多个端口，每个端口都具有桥接功能，可以连接一个局域网或一台高性能服务器或工作站。实际上，交换机有时被称为多端口网桥。随着带宽的需求越来越大，共享式网络远远不能满足要求，这也就推动了局域网交换机的出现。

局域网交换机拥有许多端口，每个端口有自己的专用带宽，并且可以连接不同的网段。交换机各个端口之间的通信是同时的、并行的，这就大大提高了信息吞吐量。为了进一步提高性能，每个端口还可以只连接一个设备。为了实现交换机之间的互连或与高档服务器的连接，局域网交换机一般拥有一个或几个高速端口，如100Mbit/s以太网端口、FDDI端口或155MATM端口，从而保证整个网络的传输性能。如图2-4所示，是ECOM二层交换机S2624L。

（1）交换机的原理

交换机工作在数据链路层，拥有一条很高带宽的背部总线和内部交换矩阵。交换机的所有端口都挂接在这条背部总线上，控制电路收到数据包以后，处理端口会查找内存中的地址对照表以确定目的MAC（网卡的硬件地址）的NIC（网卡）挂接在哪个端口上，通过内部交换矩阵迅速将数据包传送到目的端口，若目的MAC不存在，则广播到除本端口所有的端口，接收端口回应后交换机会“学习”新的MAC地址，并把它添加入内部MAC地址表中。

交换机和网桥一样，是工作在链路层的联网设备，它的各个端口都具有桥接功能，每个端口可以连接一个LAN或一台高性能网站或服务器，能够通过自学习来了解每个端口的设备连接情况。所有端口由专用处理器进行控制，并经过控制管理总线转发信息。

（2）交换机的三种交换方式

①直通式。直通式的交换机可以理解为在各端口间是纵横交叉的线路矩阵电话交换机。它在输入端口检测到一个数据包时，检查该包的包头，获取包的目的地址，启动内部的动态查找表转换成相应的输出端口，在输入与输出交叉处接通，把数据包直通到相应的端口，实现交换功能。由于不需要存储，延迟非常小、交换非常快，这是它的优点。其缺点是，因为数据包内容并没有被以太网交换机保存下来，所以无法检查所传送的数据包是否有误，不能提供错误检测能力。由于没有缓存，不能将具有不同速率的输入/输出端口直接接通，而且容易丢包。

②存储转发。存储转发方式是计算机网络领域应用最为广泛的方式。它把输入端口的数据包先存储起来，然后进行CRC（循环冗余码校验）检查，在对错误包处理后才取出数据包的目的地址，通过查找表转换成输出端口送出包。正因如此，交换机存储转发方式在数据处理时延时大，这是它的不足，但是它可以对进入交换机的数据包进行错误检测，有效地改善网络性能。尤其重要的是它可以支持不同速度的端口间的转换，保持高速端口与低速端口间的协同工作。

③碎片隔离。这是介于前两者之间的一种解决方案。交换机检查数据包的长度是否够64B，如果小于64B，说明是假包，则丢弃该包；如果大于64B，则发送该包。这种方式也不提供数据校验。它的数据处理速度比存储转发方式快，但比直通式慢。

（3）交换机的功能

交换机的基本功能包括地址学习、帧转发及过滤、环路避免。

①地址学习。以太网交换机了解每一端口相连设备的MAC地址，并将地址同相应的端口映射起来存放在交换机缓存中的MAC地址表中。

当交换机被初始化时，其MAC地址表是空的，此时如果有数据帧到来，交换机就向除了源端口之外的所有端口转发，并把源端口和相对应的MAC地址记录在地址表中。以后每收到一个信息都査看地址表，有记录的就按照地址表中对应的地址转发，没有记录的就把信息转发给除源端口之外的所有端口，并记录下端口和MAC地址的对应信息。直到连接到交换机的所有的计算机都发送过数据之后，交换机最终建立完整的MAC地址表。

②帧转发及过滤。交换机最基本的功能是把网络中一台设备的信息转发到另一台设备上。交换机是智能化的设备，不再广播式转发，而是有针对地把数据转发到指定的设备上。由交换机的地址学习功能可知，当一个帧到达交换机后，交换机通过查找MAC地址表来决定如何转发。如果目的MAC地址存在，则将帧向其对应的端口转发。如果在表中找不到目的地址的相应项，则将数据帧向除了源端口的所有端口转发。

③环路避免。当网络的范围不断扩展，出现多台交换机互相连接时，经常把交换机之间互相连接形成一个交换链路环，以保持网络的冗余性和稳定性，一台交换机出现问题，链路不会中断。但互相连接形成环路之间会产生广播风暴、多帧复制和MAC地址表不稳定等现象，严重影响网络正常运行。因此交换机大都通过使用生成树STP协议来管理局域网内的这种环路，避免帧在网络中不断兜圈子现象的发生。

（4）三层交换机

三层交换机就是具有部分路由器功能的交换机，三层交换机的最重要目的是加快大型局域网内部的数据交换，所具有的路由功能也是为这目的服务的，能够做到一次路由，多次转发。对于数据包转发等规律性的过程由硬件高速实现，而像路由信息更新、路由表维护、路由计算、路由确定等功能，由软件实现。三层交换技术就是二层交换技术+三层转发技术。传统交换技术是在OSI网络标准模型第二层——数据链路层进行操作的，而三层交换技术是在网络模型中的第三层实现了数据包的高速转发，既可实现网络路由功能，又可根据不同网络状况做到最优网络性能。