计算机网络基础 中文版 word可编辑007.docx
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第7章局域网技术与网络拓扑
7.1概述
前面章节解释了如何用信号编码位串以便在通信信道上传输，还讨论了连接两台计算机并完成编码和解码工作的调制解调器硬件。
尽管远程通信需要调制解调器，但大多数的网络还是局域的—整个网络位于一幢建筑物或一个房间内。
并且人们经常设计小型网络用于在多台计算机之间共享资源。
例如，连接两台计算机和一台打印机的局域网允许任何一台计算机访问打印机。
局域网所使用的硬件技术并非由调制解调器和电缆组成。
相反地，局域网技术被设计为用
于共享，允许多台计算机或打印机等其他设备直接连接单个共享的网络。
底层的介质是共享的，所以多台计算机必须轮流使用底层传输介质。
本章将描述局域网技术的基本概念，并解释采用共享方式的网络之所以流行的原因。
本章还将描述基本的网络拓扑，并给出常见局域网技术的一些实例。
后面三章将继续局域网的讨论，描述其他细节，包括布线方案的解释。
7.2直接点对点通信
最早的计算机通信系统都使用前面章节描述的方法。
每一个通信信道（例如租用数据线路）只连接两台计算机并只被这两台计算机占用。
被称为点对点网络（pointtopointnetwork）或网状网络（meshnetwork）的方案有三个有用的特点。
第一，因为每个连接都是独立的，所以能使用任何合适的硬件。
例如，底层线路的传输能力（如带宽）和调制解调器不必在所有连接中都相同。
第二，因为连接的计算机独占线路，所以它们能确切地决定怎样通过连接来传输数据。
它们能选择帧格式、差错检测机制和最大帧尺寸。
另外，每个连接是相互独立的，一旦连接着的计算机的主人同意作改变，这些细节就能改变。
第三，由于只有这两台计算机能使用信道，容易增强安全性和私有性。
没有其他计算机能改变被传输的数据，也没有其他计算机能得到使用权。
当然，点对点连接也有缺点当多于两台的计算机需要相互通
信时，这个主要缺点变得很明显在为每一对计算机提供不同的通信信道的点对点方案中，连接的数量随着计算机数量的增长而迅速增长。
例如，图7-1表明两台计
算机只需一条连接，三台计算机需要三条连接，四台计算机需要六条连接。
如图所示，连接的总数量比计算机的总数量增长得快。
从数
学上看，N台计算机所需的连接数量同N的平方成正比：
a）
。
。
b）
c）
图7-1a）两台，b）三台，c）四台计算机需要的独立的点对点连接的数量。
连接数量随着计算机数量
的增长而迅速增长
直接连接数量＝（N2－ N）/2
直观地看，我们通过考虑新增一台计算机到原来的系统中所需的代价能理解它的影响：
新增的计算机必须与每一台已存在的计算机都建立连接。
这样，新增第N台计算机需要N－1条新的连接。
实际上，这种代价是特别高的，因为许多连接都具有相同的物理路径。
例如，假设一个组织有五台计算机，其中两台在一个地点（例如在一幢大楼的底层），另三台在另一地点（例如
在同一幢大楼的顶层）。
图7-2表明如果每一台计算机与所有其他计算机都有一条连接，那么在两个地
点之间有六条连接，在许多情况下这样的连接具有
相同的物理路径。
图7-2显示出在点对点网络中，在两个地点之间的连接数量通常超过计算机的总数量。
如果另一台计算机要加到位置1的两台计算机中，情况就更
坏了：
计算机的总数量变成六台，而在两个位置之
位置1
位置2
间的连接数量增加到九条。
（第12章将介绍如何利用电子交换来减少连接的数量。
）
7.3共享通信信道
图7-2点对点网络的缺点是对每一对计算机需要一条特定的连接。
在两个位置之间的连接总数量超过连接的计算机总数量
当研究人员发展了一种叫做局域网（LocalAreaNetwork，LAN）的技术之后，计算机网
络的历史在60年代后期和70年代前期之间发生了巨大的变化。
作为固定的昂贵的点对点连接的替代物，这种设计在基本原理上同远程网络是不同的，因为它们依赖于共享网络。
每一个局域网包括一种共享介质，通常是电缆，许多计算机都连在上面。
计算机按顺序使用介质来
传输包。
通过研究出现了几种局域网设计，这些设计在使用的电压与调制技术等细节以及共享方式
（即协调机制和包传输机制）上有所区别。
由于共享消除了重复性，所以共享对网络有重要的经济影响：
它降低了费用。
结果是允许
计算机共享介质的局域网技术流行起来了。
事实上，
允许多台计算机共享通信介质的网络被用于局域通信。
点对点连接被用于长距离网络和一些其他特殊情况。
如果共享能降低费用，那为什么共享网络只被用于局域通信？
原因在技术上和经济上。
共享网络中的计算机必须协调使用网络，而协调需要通信。
因为通信所需的时间由距离决定，所以计算机之间在地理上的长距离将带来较长的延迟。
长延迟的共享网络是不合适的，因为它们要花费更多时间来协调共享介质的使用，传输数据的时间相应地就减少了。
另外，工程师已经知道提供长距离高带宽的通信信道比提供同样带宽的短距离通信信道要昂贵得多。
7.4局域网的重要性与访问的局部性
局域网的重要性可以简单地归纳为：
局域网技术已经成为计算机网络中最流行的形式。
现在局域网连接的计算机比其他网络类型都多。
安装那么多局域网的原因之一是经济方面的：
局域网技术比较便宜并且容易得到。
然而，
对局域网有很高需求的主要原因可以归结到计算机网络的一个基本原理，就是所谓的访问的局
部性（localityofreference）。
访问的局部性原理指出在一组计算机中通信并不是随机的，而是遵循两种不同的模式。
第一，如果一对计算机通信一次，那么这对计算机有可能在不久的将来
再通信，然后周期性地进行通信。
这种方式叫做访问的时间局部性（temporallocalityofreference），它表示了时间上的关系。
第二，计算机更倾向于和附近的计算机经常通信。
这第
二种方式叫做访问的物理局部性（physicallocalityofreference），也称为访问的空间局部性
（spaciallocalityofreference），它强调了地理上的关系。
我们可以总结为：
访问的局部性原理：
计算机通信遵循两种不同的模式。
第一，计算机与附近的计算机通信的可能性比与远离的计算机通信的可能性大。
第二，计算机很有可能与同一台计算机反复通信。
访问的局部性能很容易理解，因为它与人类的通信方式类似。
例如，人们经常与附近的其他人通信（例如一起工作）。
另外，如果一个人与某个人通信（例如朋友或家庭成员），那么他很有可能与同一个人再次通信。
7.5局域网拓扑结构
由于已有多种局域网技术，了解各个具体技术之间的异同是很重要的。
为了帮助理解相似性，每一种网络按照它的拓扑结构（topology）或一般形状被分类。
这部分描述三种局域网中常用的拓扑结构；后面的部分将描述更多的细节，并给出具体实例。
7.5.1星型拓扑
轮辐，所为集线器了这样一机接收数地。
的星型网没有那种
如果所有计算机都连在一个中心站点上，那么网络使用了星型拓扑（startopology）。
图7-3
表明这个概念。
因为星型网络象车轮的
以星型网络的中心通常被称
（Hub）。
典型的集线器包括种电子装置，它从发送计算据并把数据传输到合适的目的
图7-3表示了一个理想络。
实际上，星型网络几乎集线器与所有计算机都有相同距离的
对称形状。
相反，集线器通常安放在
联网计算机集线器
图7-3星型拓扑的图解，其中每一个计算机都连接在一个叫集线器的点上
与所连计算机相分离的地方。
例如，第9章将表明计算机在各自的办公室里，而集线器安放在网络管理员那里。
7.5.2环状拓扑
使用环状拓扑（ringtopology）的网络将计算机连接成一个封闭的圆环，一根电缆连接第一台计算机与第二台计算机，另一根电缆连接第二台计算机与第三台，以此类推，直到一根电缆连接最后一台计算机与第一台计算机。
因为我们能如图7-4所示想象出电缆把计算机连接成一个圆环，所以环状的名字由此产生。
如同星型拓扑一样，需要理解环状拓
指计算机之间的逻辑连接而不是物理连接是很重要的。
环状网络中的计算机和连接
安排成一个圆环。
事实上，环状网络中的
计算机之间的电缆可以顺着过道或垂直地楼的一层到另一层。
另外，如果一台计算离环中其他计算机，那么连接远距离计算
两根电缆可以有相同的物理路径。
7.5.3总线拓扑
使用总线拓扑（bustopology）的网络通常有一根连接计算机的长电缆（实际上，总线网
一台计算机到下一台计算机的连接
图7-4环状拓扑的图解，其中计算机连接成一个封闭的圆环。
每台计算机与另两台直接相连
扑是
，这不必
一对
从大机远机的
络的末端必须被终止，否则电信号会沿着总线反射）。
任何连接在总线上的计算机都能通过总
线发送信号，并且所有计算机也都能接收信号。
图7-5表明了该拓扑结构。
由于所有连接在电缆上的计算机都能检测到电子信号，因此任何计算机都能向其他计算机发送数据。
当然，连接在总线网络上的计算机必须相互协调，保证在任何时候只有一台计算机发送信号，否则会发生冲突。
总线（共享电缆）
图7-5总线拓扑的图解，其中所有计算机都连接在一根电缆上
7.5.4使用多种拓扑结构的原因
每种拓扑结构都有优点与缺点。
环状拓扑使计算机容易协调使用以及容易检测网络是否正确运行。
然而，如果其中一根电缆断掉，整个环状网络都要失效。
星型网络能保护网络不受一根电缆损坏的影响，因为每根电缆只连接一台机器。
总线拓扑所需的布线比星型拓扑少，但是有和环状拓扑一样的缺点：
如果某人偶然切断总线，网络就要失效。
除了本章后面部分外，其他章节也会提供网络拓扑的详细实例来表明它们之间的差别。
我们能把网络拓扑的主要特点总结为：
网络按照它们的一般形状被分为多种类别。
局域网中使用的基本拓扑是星型、环状和总线拓扑，每种拓扑都有优点与缺点。
7.6总线网络实例：
以太网
7.6.1以太网的历史
以太网（Ethernet）是一种使用广泛的、采用总线拓扑的网络技术。
以太网由Xerox公司PaloAlto研究中心在70年代早期发明。
DEC、Intel和Xerox后来合作制定了一个产品标准，该标准最初以这三家公司名称的首字母命名，称作DIX以太网。
现在由IEEE控制着以太网的标准
（目前有几种不同的以太网并存，本节描述的是最初的以太网技术，第9章将详细讨论各种不同
的以太网）。
根据最初的以太网标准，一个以太网应包括一根叫做以太（ether）的同轴电缆，多台计算机连接在这根电缆上。
工程师们称以太网的同轴电缆为网段。
一个以太网网段在长度上限制为500米，并且标准要求在每一对连接之间最少相隔3米。
最初的以太网硬件运行在10Mbps的带宽上。
一种叫做快速以太网（FastEthernet）的新版本运行在100Mbps的带宽上；而最新的一个版本运行在1000Mbps或1Gbps的带宽上，称为千兆以太网（GigabitEthernet）。
7.6.2以太网上的共享
以太网标准规定了所有的细节，包括计算机通过以太网传输数据的帧格式、使用的电平以及调制信号的方式（第8章将通过一个例子详细讨论以太网帧的细节）。
图7-6通过以太网的位串流。
在传输帧时，计算机独占使用电缆
由于以太网使用总线拓扑，它要求多台计算机共享单一的介质。
发送计算机传输调制过的载波，载波从发送计算机向电缆的两端传播。
图7-6表明数据如何在以太网上传播。
以太网电缆（共享总线）
发送计算机传输帧
中的数据位
目标计算机接收每一位信号沿整条电缆传播
如图所示，信号从发送计算机向共享电缆的两端传播。
有一点需要理解，局域网技术中的共
享并不意味着多个帧可以同时传输。
在帧的传输过程中发送计算机独占使用整个电缆—其他计算机必须等待。
在此计算机完成帧传输后，共享电缆才能为其他计算机使用。
我们可以总结为：
以太网是总线网络，多台计算机共享单一的传输介质。
当一台计算机向另一台计算机传输帧时，所有其他计算机必须等待。
7.7多路存取网络上的载波侦听
以太网最有趣的方面是协调传输的机制。
以太网不使用中央控制器来通知每台计算机怎样按顺序使用共享电缆。
相反，所有连接在以太网上的计算机都参与一种叫做多路存取载波侦听
（CarrierSenseMultipleAccess，CSMA）的分布协调方案。
这种方案使用电缆上的电子信号来
确定状态。
当没有计算机发送帧时，以太中不含有电子信号。
然而在帧的传输过程中，发送计算机传输用于对位串进行编码的电子信号。
尽管这种信号与第5章描述的载波有细微的差别，但还是非正式地把它们也称为载波。
这样，为了确定电缆当前是否正被使用，计算机可以检测
载波。
如果当前没有载波，计算机就能传输一帧。
如果当前存在载波，计算机必须等待其他计算机发送完成。
从技术上讲，检测载波叫做载波侦听，并且这种利用信号的存在性来确定何时传输的想法叫做多路存取载波侦听（CSMA）。
7.8冲突检测与重发
因为CSMA允许每台计算机分别确定共享线路是否已被其他计算机使用，所以它能防止计
算机打断一个正在进行的传输。
然而，CSMA不能防止所有可能的冲突。
为了理解其中的原因，
我们想象一下如果两台分别位于空闲电缆两端的计算机同时准备发送帧时会发生什么。
两台计算机将同时检测载波，同时发现电缆是空闲的，然后同时开始发送帧。
电子信号的传播速度大
约为光速的70%，当两台计算机发送的电子信号在电缆上同一点相遇时，它们将会相互干扰。
两个信号的相互干扰称为冲突。
尽管冲突不会损坏硬件，但是它产生了混淆的传输，阻止了任何一个帧的正确接收。
为了确保没有其他计算机同时传输，以太网标准要求每个发送站监测电缆上的信号。
如果电缆上的信号不同于该站发送出去的信号，即意味着出现了冲突（为确
保冲突在停止发送前到达所有的计算机，以太网标准规定了最大的电缆长度和最小的帧尺寸）。
当一台正在发送的计算机检测到冲突，它立即停止传输。
这种在传输的过程中监测电缆的方法称为冲突检测（CollisionDetect，CD），并且这种以太网机制称为载波侦听多路存取/冲突检测
（CarrierSenseMultipleAccessWithCollisionDetect，CSMA/CD）。
CSMA/CD不仅仅只检测冲突—它也能从冲突中恢复。
在一个冲突发生后，计算机必须等待电缆再次空闲后才能传输帧。
然而，如果以太网一空闲计算机就开始传输，那么另一次冲
突就会发生。
为了防止多次冲突，以太网要求每台计算机在冲突后延迟一段时间才尝试传输。
标准指定了最大延迟d，并且要求每台计算机选择一个小于d的随机延迟。
在大多数情况下，当计算机随机选择一个延迟时，它将选一个与其他计算机所选的值都不相同的值—选择到最小延迟的计算机将开始发送帧，网络将恢复正常运行。
如果有两台或多台计算机在冲突后恰好选择几乎相同的延迟，那么它们将几乎同时开始传输，导致第二次冲突。
为了防止一连串的冲突，以太网要求每台计算机在每次冲突后把选择延迟的范围加倍。
这样，计算机在第一次冲突后从0到d之间选择一个随机延迟，在第二次冲突后从0到2d之间选择，在第三次冲突后从0到4d之间选择，依此类推。
在几次冲突后，选择随机值的范围变得很大，一些计算机选择了较短的延迟而无冲突传输的概率就变得很大。
从技术上讲，每次冲突后随机延迟的范围加倍就是所谓的二进制幂重发（binaryexponentialbackoff）。
从本质上来说，幂重发意味着以太网能在冲突后迅速恢复，因为每台计算机都同意当电缆繁忙时，在两次尝试之间等待更长时间。
在两台或多台计算机几乎选择相同延迟的极少数事件中，幂重发保证了在几次冲突后电缆的竞争将会降低。
我们可以总结为：
连接在以太网上的计算机使用CSMA/CD，即计算机在传输帧以前要等待以太网空闲。
如果两台计算机同时传输，冲突就会发生。
计算机将使用指数重发来选择让哪台计算机传输。
每台计算机在试图再次传输之前要延迟一段随机时间，并在随后的每次冲突后，延迟都加倍。
7.9无线局域网和CSMA/CA
现在已经有许多种采用CSMA/CD变种的无线局域网技术，并且多家公司生产这种产品。
例如，NCR公司的WaveLAN，Solectek公司的AirLAN以及Proxim公司的RangeLAN。
无线局域网硬件并不在电缆上传输信号，而是利用天线在空中广播其他计算机能接收的
RF信号。
这种设备使用的频率为900MHz，可以达到的数据传输速率为2Mbps。
和其他局域网技术一样，无线局域网也采用共享方式。
无线局域网中的所有计算机都使用相同的无线电频率，它们也必须轮流发送包。
无线传播的方式导致了有线局域网和无线局域网在管理共享上的一个区别。
尽管电磁波向各个方向传播，但无线局域网的发送器功率较小，使得它只能传播很短的距离，并且金属障碍
物会阻碍信号的传播。
所以，相距很远或被障碍物阻隔的无线设备不能接收对方发送的信号。
这些限制意味着无线局域网不能使用以太网所使用的CSMA/CD机制。
为了理解这一点，考虑图7-7中相距很远的三台计算机，它们都安装了无线局域网硬件。
dd
计算机1计算机2计算机3
图7-7三台安装了无线局域网硬件的计算机，它们之间的距离为最大传输距离d，尽管计算机2可以接收到其他两台计算机发送的信号，但计算机1和计算机3相互都不能接收到对方发送的信号
在图中，两边的两台计算机因为相距太远而不能接收到对方发送的信号。
在这种情况下，载波侦听和冲突检测是不够的。
例如，假设计算机1正在发送一个包给计算机2，因为计算机3并不能接收到任何传输，它也可能开始发送信号，这就会导致冲突。
相似地，如果计算机1和计算机3同时发送一个帧，只有计算机2才能检测到冲突。
为了保证传输介质被正确地共享，无线局域网使用一种改进的机制—防止冲突的多路存取载波侦听（CarrierSenseMultipleAccessWithCollisionAvoidance，CSMA/CA）。
它并不依赖于所有计算机都能接收到传输，而是在传输一个包之前先由接收者发送很短的控制消息。
例如，假设图7-7中的计算机1要给计算机2发送一帧数据。
在真正发送之前，计算机1首先发送一个很短的控制消息。
当计算机2接收到控制消息后，它发送另一个控制消息表明已经准备好接收数据。
当计算机1接收到响应的控制消息后，它就可以开始发送帧。
只要考虑到传输并不对称，那么等待接收者发回响应消息的优点就很清楚了。
如图所示，计算机3虽然接收不到计算机1的传输，但它能接收到计算机2的传输。
这样，只要计算机2发送一个响应消息，所有在它天线范围内的计算机都将等待下一个包的传输（即使它们并不能接收
到传输）。
在CSMA/CA中，控制消息的传输可能会发生冲突，但能够很容易地处理。
例如在图7-7中，如果计算机1和计算机3同时给计算机2发送一个控制消息，它们将同时到达计算机2，导致冲突
的发生。
当这种冲突发生时，发送者可以随机等待一段时间，然后重发控制消息。
因为控制消息比数据帧要短得多，所以发生第二次冲突的可能性也要比传统以太网要小很多。
最终将有一
个控制消息正确到达，然后计算机2发送一个响应消息。
7.10总线网络另一实例：
LocalTalk
苹果计算机公司发明了另一种使用总线拓扑的局域网。
这种叫做LocalTalk的技术，是为使用苹果个人计算机而设计的，并且在那些拥有许多苹果计算机的组织中特别流行。
每台苹果Macintosh计算机都含有连接LocalTalk网络所需的全部硬件，LocalTalk硬件也可供其他品牌的计算机使用。
尽管每个LocalTalk网络是一根总线，连接着的计算机在存取介质时并不使用CSMA/CD，而使用一种版本的CSMA/CA。
和无线局域网类似，计算机在传输数据之前先发送一个特殊的短消息来预订介质。
如果预订成功（即没有冲突发生），在发送计算机传输帧时，所有其他计
算机被禁止使用介质。
因为预订消息与常规的数据消息相比是极小的，所以发送预订消息所需
的时间可以忽略。
同以太网相比，LocalTalk也有其优点和缺点。
一个缺点是带宽，LocalTalk网络硬件能以
230.4千位/秒（Kbps）的速度发送数据，这只是10Mbps以太网带宽的2.3%。
低带宽意味着传输大量数据需要较长的时间。
LocalTalk也有距离限制，并且不是所有的计算机都能使用LocalTalk。
尽管有这些限制，LocalTalk也有一些优点。
主要的优点来自于它的价格：
LocalTalk几乎是免费的，因为每台Macintosh计算机都有连接LocalTalk网络所需的大部分硬件。
例如，连接两台Macintosh计算机只需一根电缆。
另外LocalTalk很容易安装—这种技术使用简单的连接器，它允许人们不用工具也不用接受特殊训练就能连接或改变连接。
最后，许多打印机都能使用LocalTalk硬件，使得打印机连网成为可能，从而多台计算机都能使用该打印机。
7.11环状网络实例：
IBM令牌环
使用环状拓扑的局域网把计算机连接成一个圆环。
大多数使用环状拓扑的局域网也使用一种叫做令牌传输（tokenpassing）的存取机制，这种网络叫做令牌传输环状网络（tokenpassingringnetwork），简称令牌环（tokenring）。
令牌环运行在单个共享介质上。
如果一台计算机需要发送数据，在存取网络之前必须等待许可。
一旦它得到许可，发送计算机完全控制令牌环—不会有其他传输同时发生。
当发送计算机传输帧时，位串从发送计算机向下一个计算机发送，然后再向下一个发送，如此继续，直到位串走遍整个环并传回发送计算机。
图7-8表明了这个概念。
未持有令牌的计算机传输数据位
持有令牌的发送方传输帧中的数据位
目的计算机传输并
复制数据位
发送方回收帧中数据位
图7-8令牌环网上一个传输位串的流动方式。
除了发送方，网络上的计算机传输帧的位串到下一个站点。
目的站点复制一份位串
如图所示，除了发送方以外的所有站点沿环转发位串。
这样，为了证实没有传输差错发生，发送计算机能把收到的数据同发送的数据比较。
其他站点监测所有的传输。
如果一帧是发给某一特定的计算机，那么那台计算机在位串经过时复制一份。
发送计算机怎样在令牌环上得到传输许可呢？
不象以太网，令牌环传输不依赖于CSMA/CD，而是由令牌环硬件在所有连接着的计算机中协调来保证许可按顺序传输给每台计算机。
这种协调使用一种叫做令牌（Token）的特殊的保留报文。
令牌是一种不同于普通数据帧的位模式。
为了保证普通数据不被解释为令牌，一些令牌环技术在环上传输时使用位充填来临时改变数据中的令牌出现（回忆第6章中的位充填编码数据位，接收方不会将其与令牌相混）。
更重要的是，令牌环硬件保证在令牌环网上只有一个令牌存在。
本质上，令牌许可计算机发送一个帧。
这样，在计算机发送一帧之前，它必须等待令牌的到来。
当令牌到达时，计算机从环上临时去除令牌并且使
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