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第23章 计算机网络(2)

2)环形拓扑

在环行拓扑结构中,节点通过相应的网络接口卡NIC,使用点到点线路连接。用一个连续的环将每台设备连接在一起,构成闭合的环形,以保证一台设备上发送的信号可以被环上的其他所有设备都看到。环中数据沿着一个方向绕环逐站传输。在环形拓扑中,由于多个节点共享一条环通路,为了确定环中节点在什么时候可以传送数据帧,同样要进行控制,因此,环形拓扑的实现技术中也要解决介质访问控制方法问题。与总线型拓扑一样,环形拓扑也一般采用某种分布式控制方法,环中每个节点都要执行发送与接收控制逻辑。环形网络的一个例子是令牌环局域网,这种网络结构最早由IBM推出,但现在被其它厂家采用。在令牌环网络中,只有拥有“令牌”的设备允许在网络中传输数据。这样保证了在某一时间内网络中只有一台设备在传送信息。

环形拓扑结构的优点的是通信设备和线路消耗少,网络中的各工作中都是独立的。由于环上传输的任何信息都必须穿过所有端点,因此,如果环的某一点断开,环上所有通信便会终止。

为了克服这种缺点,每个端点除与一个环相连外,还连接到备用环上,当主环出现故障时,会自动转到备用环上。即当某个工作站节点出现故障,此工作站节点就会自动旁路,不影响全网的工作,可靠性高,并且容易安装和监控。但是由于环路是闭合的,所以不便于扩充,系统响应延时长,信息传输效率较低。

3)星形拓扑

星形拓扑结构是最古老的一种连接方式,大家每天都使用的电话就属于这种结构。星形结构网络中有一个唯一的转发节点(中央节点),星形网通过中央节点实现点到点连接。在电话网络中,这种中心结构是PABX(分机系统里的总机)。在数据网络中,这种设备是主机或集线器。

星形拓扑要求至少有一个集线器(Hub)实现计算机之间的连接,两台计算机不能直接相连。现在普遍使用的服务器/客户机局域网一般使用的就是星形拓扑。在星形网中,可以在不影响系统其他设备工作的情况下,非常容易地增加和减少设备。

计算机都通过单独的通信线路连接到中央节点。任何两个节点之间的通信都要通过中心节点转接。端用户设备因为故障而停机时也不会影响其它端用户间的通信。

星形拓扑的优点是传输速度快,容易在网络中增加新的站点,结构简单,建网容易,控制和管理方便。但是其可靠性差,因为中心系统一旦损坏,整个系统便趋于瘫痪。对此中心系统通常采用双机热备份,以提高系统的可靠性。还应指出,以Hub构成的星形拓扑网络结构,虽然呈星形布局,但它使用的访问介质的机制却仍是共享媒体的总线方式。

3.局域网的访问控制方式

在计算机局域网的信息传输过程中,必然要产生冲突现象,为了减少或者避免冲突,一个好的访问控制方式是必需的。目前,计算机局域网中常用的访问控制方式有三种:令牌环、令牌总线和CSMA/CD(带有冲突检测的载波侦听多点访问),分别用于不同的拓扑结构。

1)令牌环(Token Ring)

令牌环介质访问控制技术最早开始于1969年贝尔研究室的Newhall环网。最有影响的令牌环网是IBM Token Ring,它的传输速率为4M bps或16Mbps。IEEE802.5标准就是在IBM Token Ring协议基础上发展与形成的。在令牌环中,节点通过环接口连接成物理环形,信息沿环单向流动,无路径选择问题。令牌(Token)也叫通行证,是一种专门的数据包,在环路上持续地循环传输,从而确定一个节点何时可以发送包。令牌有“忙”和“闲”两个状态。当环正常工作时,令牌总是沿着物理环单向逐站传送,传送顺序与节点在环中排列的顺序相同。当一个工作站准备发送数据帧时,它首先要等待令牌的到来,检测到经过它的令牌为空时,才可以发送数据帧,并将令牌标志位由“闲”变为“忙”,再向下一站发送,下一站转发经过本站但又不属于由本站接收的数据帧。由于环中已没有闲令牌,其他希望发送的工作站必须等待。当数据帧到达目的节点后,该节点一面拷贝全部信息,一面继续转发该信息包。并在令牌中标志出帧已被正确接收和复制。当发送帧的节点再次接收到自己发出的、并已被目的节点正确接收的数据帧时,它将回收已发送的数据帧,并将忙令牌改为空闲令牌,再将空闲令牌向它的下一站传送。这样可以保证在某一时间内网络中只有一台设备可以传送信息。

令牌环网的传输方法在物理上采用星形拓扑结构,在逻辑上采用的是环形拓扑结构。虽然每个节点都与中央集线器连接,但信息包在传输时还是从一个节点向另一个进行,就像是没有起始点和终止点一样。令牌方式在轻负载环路中,由于发送信息之前必须等待令牌,而且规定由源站收回信息,因此大约有50%的环路在传送无用信息,所以效率较低。而在重负载环路中,令牌以“循环”方式工作,效率就会很高。它的主要优点在于它提供的访问方式有可调整性,令牌环支持多优先级方案,它通过优先级位来设定令牌的优先级。由于令牌环在可靠性、可维护性和可扩充性等方面均有些不足,并且环维护复杂,控制电路实现较困难,已经逐步被总线型以太网取代。

2)令牌总线(Token Bus)

IEEE802.4标准定义了总线拓扑的令牌总线(Token Bus)介质访问控制方法与相应的物理规范。令牌总线访问控制方式主要用于总线型或树形网络结构中,它综合了令牌传递方式和总线网络的优点,在物理上的总线结构中实现令牌传递控制方法,从而构成一个逻辑环路。每个站都有一个前导站和一个后继站,将各工作站置于一个顺序的序列里。例如可以按照接口地址大小排列,实现方法是在每个站点中设一个网络节点标识寄存器NID,初始地址为本站点地址。令牌的逻辑控制方法类似于令牌网,环上的信息发送由令牌控制,或占令牌的站可以在规定的一段时间里控制发送,该站发送完毕或超时后,令牌转给其后继站。在以下情况下,令牌持有者必须交出令牌:

(1)该节点没有数据帧等待发送;

(2)该节点已发送完所有等待发送的数据帧;

(3)令牌持有最长时间到。

因为逻辑环上有一个唯一的令牌沿环循环流动,只有获得令牌的站才能发送,其他的只收不发,所以拓扑结构虽然是总线型,但可以避免冲突。令牌总线网具有极好的吞吐能力,且吞吐量随数据传输速率的增加而增加。各工作站不需要检测冲突,所以信号电压容许较大的动态范围,并且连网距离可以很远。其缺点在于复杂性和等待时间较长,工作站可能必须等待多次无效的令牌传送后才能获得令牌。

3)CSMA/CD

带有冲突检测的载波侦听多点访问CSMA/CD是Carrier Sense Multiple Access With Collision Detection的缩写。CSMA/CD方法是用来解决多节点如何共享公用总线传输介质的问题。如果一个节点要发送数据,它将以“广播”的方式把数据通过作为公共传输介质总线发送出去,各个站点都有一个“侦听器”,连在总线上的所有节点都能用它来“收听”到发送节点的数据信息。

查看信息的有无称为载波侦听,CSMA系统的首要问题是查看信道上是否有信号,侦听总线的忙、闲状态。如果侦听到总线为空闲状态,就可以抢占总线发送准备好的数据信号。如果侦听总线为忙状态,说明总线上已经有数据信号正在传输,就要等待一段时间然后再争取发送权。

确定等待的时间的方法主要有以下两种:

(1)持续的载波侦听多点访问。当侦听到总线为“忙”后,持续侦听下去,一旦发现信道空闲,就立即发送信息。

(2)非持续的载波侦听多点访问。当侦听到总线上为“闲”后,就延迟一个随机时间,然后再检测,不断重复上述过程,直到发现总线空闲后,才开始发送信息。由于网中所有节点都可以利用总线发送数据,并且网中没有控制中心,因此必然会发生冲突。当总线处于空闲时,几乎在相同的时刻有两个或两个以上的节点都检测到总线空闲,同时认为可以发送数据,那么就发生了冲突。因此节点在发送数据的同时应该进行冲突检测。所谓冲突检测就是发送节点在发送的同时,将其发送信号波形与从总线上接收到的信号波形进行比较。如果总线上同时出现两个或两个以上的发送信号,它们叠加后的信号波形将不等于任何节点发送的信号波形。当发送节点发现自己发送的信号波形与从总线上接收到的信号波形不一致时,就表示总线上有多个节点在同时发送数据,冲突已经产生了。这样,节点就要停止发送数据,等待争取总线使用权后重发。因此,CSMA/CD的发送流程可以简单的概括为四点:先听后发,边听边发,冲突停止,随即延迟后重发。

CSMA/CD方式的主要特点是可以有效地控制多节点对共享总线的传输介质的访问,原理比较简单,技术上容易实现,效率高。网络中各工作站处于同等地位,没有集中控制。但这种方式不能提供优先级控制,各节点平等地争用发送时间,不能满足远程控制所需要的确定延时和绝对可靠性的要求。当负载增大时,发送信息的等待时间也较长。

4.2.3局域网在办公自动化中的作用

办公系统内部局域网的建立,实现了办公无纸化和数字化。文件、通知和联系均可以通过网络进行,而不需要印刷大量的纸张。日常办公的过程实际上就是公务信息的收集、处理,传递的过程。有了局域网,在网上运行办公系统管理软件,工作人员只要打开网络上的任何一台计算机,都可以看到相关的电子信息,也可以利用各自办公室的网络工作站处理文件,处理完后按“提交”,文件瞬间就传递到了下一个工作站。

内部局域网的建立为办公室内部所有资源的共享提供了可能性,人力、物力、财力资源的配置可以达到最优化。利用局域网提供的分布处理功能,使一项办公业务可在局域网中的几个地方分担完成。如需要打印一张彩色图片,就可以利用其他办公室的高档彩色打印机在自己的工作站上操作。该功能可以降低整个办公大楼的设备资源投资,提高了设备资源的利用率。

在办公业务中,很重要的一项内容是检索、查阅档案资料。现代社会是有一个发达的信息社会,拥有最新、最全的信息,才能为领导提供决策依据。办公自动化系统中的查询系统,使得该办公自动化系统的办公人员可以利用本办公室的个人计算机,进行网上信息的查询、检索。地域的阻隔将不再是一种障碍。此外,随着办公功能的复杂化,局域网也可以实现电子邮件和综合通信等功能,其中包括支持声音、图片、影像、传真等多种信息的综合通信。

4.3广域网

4.3.1广域网与局域网比较

1.覆盖范围不同

广域网WAN(Wide Area Network)是一种不同于局域网的网络技术。比较而言,广域网网络分布面积要比局域网广阔得多,通常是一个地区,一个国家乃至全球范围。由于广域网的传输距离大,从几十公里到上千公里,故而广域网的传输速率要比局域网低得多,而且误码率也要比局域网高得多。

2.通信方式不同

局域网通信所选用的通信介质通常是同轴电缆、双绞线和光纤等进行传输数字信号的专用线路,所以采用的是数字通信方式。广域网通信通常是利用公用线路,如公用电话线。电话线传输的信号是模拟信号,所以广域网通信大多采用的是模拟通信方式。目前也有借助卫星进行通信的系统,所采用的是微波通信,而借助光纤的通信系统采用的是光纤远程高速信息通信。

3.功能侧重点不同

局域网和广域网都具有共同的网络功能特性,但从整体上看,它们的侧重点不同,局域网侧重共享信息的处理,而广域网侧重的是共享信息准确无误、安全传输。

4.通信管理不同

局域网通信管理相对简单,投资少。广域网远程通信要配置较强功能的计算机,配置各种通信软件设备,建设投资大,通信管理复杂,需要高额的运行费用。

5.服务对象不同

局域网的服务对象是一个或几个特定用户,通常是为某个部门或单位的特殊业务工作的需要而建造的网络,所以它是具有专用性质的专用网络。广域网目的是为了使更大范围内的用户、更多的局域网能够相互连接,因此不仅具有专用服务特性,它还具有公用服务特性。所以要求数据信息的安全保密性,防止非法用户使用,甚至网络犯罪,这样就对网络要求非常高。

4.3.2广域网协议

为了实现广域网网络通信,许多国际标准化组织和企业推出了相关的广域网协议。这些协议一般只涉及ISO/OSI的低三层协议,即:物理层、数据链路层和网络层。

1.广域网常用的物理层协议有:

1)EIA定义的串行通信接口标准:RS-232C、RS-422A、RS-423、RS-449和RS-485。

2)CCITT推荐的DCE-DTE接口标准:X.20、X.21、X.21bis等。分组交换网的接口标准:X.3、X.28、X.29等。