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  • 所谓网络拓扑结构,是指用传输媒体互连各种设备物理布局,就是用什么方式把网络中计算机等设备连接起来。 而网络拓扑,就是指将这种网络连接结构呈现出来图形。 二、网络拓扑图的分类 网络拓扑图的常见...

    这篇文章,我将集中回答以下这四个问题:

    1. 网络拓扑图的定义
    2. 网络拓扑图的分类
    3. 网络拓扑图的设计规范
    4. 网络拓扑图的绘制步骤

    一、网络拓扑图的定义

    在认识网络拓扑图前,我们先来了解下网络拓扑结构。

    所谓网络拓扑结构,是指用传输媒体互连各种设备的物理布局,就是用什么方式把网络中的计算机等设备连接起来。

    而网络拓扑图,就是指将这种网络连接结构呈现出来的图形。
    关于网络拓扑图,你想知道的都在这

    二、网络拓扑图的分类

    网络拓扑图的常见结构有星型结构、环形结构、总线结构、网状结构、树型结构、混合结构等。

    • 星型结构

    这是最古老的一种连接方式:网络有中央节点,其他节点(工作站、服务器)都与中央节点直接相连,这种结构以中央节点为中心,因此又称为集中式网络。

    • 环型结构

    区别于星型结构对中心系统的依赖。

    环形结构中的传输媒体从一个端用户到另一个端用户,直到将所有的端用户连成环型。数据在环路中沿着一个方向在各个节点间传输,信息从一个节点传到另一个节点。

    • 树形网络

    在实际建造一个大型网络时,往往是采用多级星形网络,将多级星形网络按层次方式排列即形成树形网络。

    • 总线结构

    总线结构是使用同一媒体或电缆连接所有端用户的一种方式,也就是说,连接端用户的物理媒体由所有设备共享,各工作站地位平等,无中心节点控制。

    • 网状结构

    主要指各节点通过传输线互联连接起来,并且每一个节点至少与其他两个节点相连。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。有时也称为分布式结构。

    • 混合结构

    混合结构是由星型结构或环型结构和总线型结构结合在一起的网络结构,这样的拓扑结构更能满足较大网络的拓展,解决星型网络在传输距离上的局限,而同时又解决了总线型网络在连接用户数量上的限制。

    三、网络拓扑图的设计规范

    想要画好网络拓扑图,基础的设计规范是必须掌握的。

    以上几类拓扑结构的绘制,基本都要遵循以下基本规则:

    1)网络图中不能出现循环路线,否则将使组成回路的工序永远不能结束;

    2)进入一个节点的箭线可以有多条,但相邻两个结点之间只能有一条箭线;

    3)在网络拓扑图中,除网络结点、终点外,其他各结点的前后都有箭线连接,即图中不能有缺口,使自网络始点起经由任何箭线都可以到达网络终点;

    4)箭线的首尾必须有事件,不允许从一条箭线的中间引出另一条箭线;

    5)各个网络设备之间通线线路的箭线要按照实际网络环境标出。

    6)图标大小、标示位置要合理(如下图所示)

                                                                         图标、标示规范

    四、网络拓扑图的具体绘制流程

    掌握网络拓扑图的基本规范后,我们接下来会给出拓扑图的绘制建议和绘制演示:

    • 关于拓扑图的绘制建议
    1. 首先在纸上花个草稿,熟练之后,做到拓扑在心中

    2. 通过辅助手段描绘拓扑框架,利用好线条和框架色块(可根据业务逻辑模块)

    3. 放置网络设备图标

    4. 标记信息元素

    5. 完善外围元素

    6. 完成整体绘制

    • 关于拓扑图的绘制演示

    我们接下来直接演示如何绘制一幅网络拓扑图(以亿图图示绘图软件为例):

    第一,打开软件,选择“新建>软件/计算机>网络图>思科网络拓扑图>新建空白画布”;

                                                                                                                       新建画布

    第二,通过辅助手段描绘拓扑框架,利用好线条和框架色块;

                                                                                 画框架

    第三,从左侧的符号库栏目拖拽合适的图形到画布。亿图图示拥有丰富的图形符号库,26000+个矢量图形,大大省去了你绘制单个组件所需的时间。

    比如思科网络拓扑图类型下的符号库就拥有众多图形符号,基本能满足你的绘图需求。

     

                                                                                              符号自由拖拽

    第四,添加信息点元素;

                    

    第五,完善外围元素。

    简单 5 步,一幅网络拓扑图就完成了。

    不过,看10遍不如自己亲自试一遍▼▼▼

    一键下载亿图图示>>>高效绘制网络拓扑图​ edrawsoft.cn

    亲自绘制肯定印象更深,对于绘制过程中出现的一些问题也能及时发现并纠正过来。

    值得一提的是,亿图图示支持多端运行,同时兼容Windows、Mac、Linux,以及网页在线版。无论你是什么类型的电脑,亿图图示都可以进行很好的适配。

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    4.0 铺垫

    传统局域网(指由集线器进行组网的局域网)是分组广播式网络,而广域网是分组交换式网络,这是它们主要的区别。

    局域网(LAN)和城域网(WAN)使用相似的技术,这两种网络协议都包含在IEEE LAN/MAN委员会制定的标准中,我们常见的802.xx 协议就是这个委员会制定的。

    4.1 拓扑结构和传输介质

    P94各种拓扑结构图形

    • 总线型拓扑:数据帧沿着总线向两端传播,每个终端都监视总线上的信号。适用于总线型拓扑的传输介质主要是同轴电缆:
      • 基带同轴电缆:传输数字信号,传输距离短,总要用于局域网
      • 宽带同轴电缆:传输模拟信号,传输距离长,主要用在城域网。宽带系统由于需要模拟放大器,而这种放大器只能单方向工作,故要实现双工有两种方案 : 双缆配置和频分双路 (P95)
    • 环形拓扑:数据帧循环流动,每个终端连接一个中继器,中继器从环路中读取数据向终端转发。可使用各种传输介质,最常用的是双绞线
    • 星型拓扑:每个站用两条专线(一条发送一条接收)连接中心节点)Hub,Hub从一条链路接收信息然后向所有链路广播出去。Hub又分为有源和无源(P97)

    传统局域网是一种分组广播网络,而广域网是分组交换网络

    4.2 LAN/MAN IEEE 802标准

    IEEE 802是一个制定广域网和城域网标准的委员会,又分为802.1 ~ 802.22多个研究方向的子委员会,他们分别制定了一系列标准。

    与OSI/RM模型的差异(P99):

    • 局域网是分组广播式网络,不需要网络层的路由功能,故网络层简化成上层协议的服务访问点SAP
    • IEEE 802标准把数据链路层划分成两个子层:逻辑链路控制(Logical Link Control LCC),介质访问控制(Media Access Control MAC),LCC为网络层提供了OSI/RM模型中定义的数据链路层的服务,这使得上层协议能够运行在局域网标准之上。
    • 高层传来的数据加上LLC的帧头再传给MAC层加上帧头和帧尾再传给物理层以比特流的方式透明地传输。

    几个常考察的协议涉及的内容:

    • 802.1 研究局域网体系结构、寻址、网络互连和网络管理
    • 802.2 研究LLC
    • 802.3 研究MAC
    • 802.11 研究WLAN

    4.3 LLC 逻辑链路控制 —— IEE 802.2 标准

    考点:

    • 这个标准与HDLC是兼容的,但帧结构有所不同, 帧校验字段放到了MAC层,而HDLC的标志直接被排除,因为标志和位填充技术不适合局域网。提供目标地址(DSAP)和源地址(SSAP)字段。
    • LLC帧结构:P100
    • LLC地址实际上是主机中上层协议实体地地址。
    • LLC 支持三种操作,分为3类LLC
      • LLC 1型 , 支持无确认无连接地服务,无流控和差错控制功能,TCP 、TP4传输协议就是使用这种类型(因为它们在上层已经具有流控和差错控制机制)
      • LLC 2型 , 支持连接方式的服务,类似于HDLC服务,通过连接提供流控和差错控制功能。
      • LLC 3型 , 支持有确认无连接的服务
    • 关于差错校验:
      • LLC1 型不具备差错校验,LLC2、LLC3型具有差错校验
      • MAC子层具有差错校验

    4.4 MAC 介质访问控制 —— IEE 802.3标准

    802.3标准使用的介质访问控制协议是CSMA/CD协议,用于避免冲突提高信道利用率。

    这个协议的理论基础:局域网里的两个站之间传播时延很小,一个站很容易监听到其它站有没有在发送,而这是无线局域网(802.11)所无法做到的(隐蔽终端问题)。

    注意:CSMA/CD协议适用于由集线器组网的传统局域网,而现代以太网基于交换机和全双工连接建立,不会有碰撞,因此没有必要使用CSMA/CD。

    CSMA/CD有三种监听算法
    类型名称 方式 优点 缺点
    非坚持型 若信道空闲则立即发送;若信道正忙则等待一个随机时间。 减小冲突概率 降低了信道利用率,增大了发送时延
    1-坚持型 若信道空闲则立即发送;若信道正忙则继续监听直到空闲就立即发送。 有利于抢占信道,增大信道利用率 增大了冲突概率
    P-坚持型 若信道空闲,则以P概率发送,(1-P)概率等待单位时间。若正忙则继续等待直至空闲。 综合 综合
    冲突检测算法

    用于冲突发生时的处理。

    • 边发送边接收
    • 若接收到的数据与自己发送的不一致则存在冲突
    • 停止发送并发送一个干扰信号(Jamming)
    • 发送Jamming后,等待一段时间(这段时间的长短由后退算法决定)。

    最小帧长(P106):其值等于两倍发送时延,发送站必须对较短的帧增加填充位使其等于最小帧长,小于最小帧长的帧被认为是冲突碎片而丢弃。以太网规定的最小帧长是64Bytes

    二进程指数后退算法
    • 网络负载越大,可能等待的时间就越长
    • 发送端维持一个重发计数器n ,每重发一次n++
    • 后退时延 = random[0 , 2^n]
    • 重发次数到达一定上限后就报告给上层协议。

    802.3选用的CSMA/CD实现

    • IEEE 802.3使用1-坚持型监听算法
    • 使用8个十六进制序列55555555作为Jamming Signal
    • 规定了最小帧长为64Bytes
    • 为了给接收站处理时间,规定了帧间最小间隔为9.6us

    综上,工作流程如下:

    1. 准备以太网帧
    2. 检测信道
      - 信道正忙,则持续监测
      - 信道空闲,在9.6us(帧间最小间隔)之后发送
    3. 边发送边监听
      - 发送成功
      - 检测到碰撞,发送失败。发送Jamming Signal,采取二进制后退算法。若后退超过一定次数则停止后退并向上报错。
    802.3 MAC帧结构

    MAC帧结构有两种协议规定,802.3 和 DIX 以太网,教材以802.3为主。
    IP数据报加上LLC帧头后成为LLC帧并传到MAC层

    • 目的地址、源地址:即源终端和目标设备的MAC地址(下文详细讲)
    • 长度:长度字段指示“数据”字段的长度。
    • 校验和:CSMA/CD采用的是CRC校验,这个校验和的长度为4个字节,即采用的是CRC-32检验码。

    注意:教材P110上的MAC帧结构中的“前导字段”和“帧起始符”这八个字节是在物理层才加上的,它不属于MAC帧。前七个字节用于在物理层进行时钟同步,第八个字节标志帧的起始,而由于以太网种帧之间存在间隔,所以不需要结束标志。

    注意:MAC帧中的“长度”的值为从目的地址到校验和,这个长度应大于等于最小帧长度,而这里的目的地址和源地址就是我们所说的MAC地址。
    注意:802.3规定最小帧长为64字节,除去目的地址、源地址、长度和校验和已经占用的18个字节之外,数据字段应有至少46字节,当小于这个值时就需要填充。
    注意:802.3规定数据字段长度为46到1500字节, 故帧长为64到1518字节。
    注意:DIX以太网规定的MAC帧结构与802.3的主要区别是“长度”字段变成了“类型”字段,用于指明网络层使用的协议类型。而802.3规定的“长度字段”仅当其值小于0x0600时才表示长度,否则表示类型,此时与DIX V2兼容。

    MAC地址(补充内容)

    MAC地址可以是六个字节或两个字节长,目前一般都是六个字节长(46bits),高三个字节由IEEE为每个硬件厂商指定,后三个字节由硬件制造商自己编码。

    第48bit区分单播和组播,为0时是单播,为1时组播。组播地址是一些具有特殊用途的地址,是不刻录在网卡上的,48比特全为1则代表广播地址。

    第47bit区分全局地址和本地地址,本地地址仅在本地局域网有效。0表示全局地址,1表示本地地址。

    我们的网卡上的MAC地址的第48bit和第47bit都是0。

    4.5 交换式以太网

    交换式以太网核心部件是交换机,有一个高速 底板,插上一些插槽,插槽上有一些连接器, 用于连接10M网卡的主机。

    具有以下特点:

    • 交换机是即插即用的,其地址标自动建立
    • 全双工方式
    • 无碰撞
    • 拓扑结构为星型,不使用CSMA/CD协议,但仍使用以太网帧结构

    4.6 高速以太网

    快速以太网:(常考各个标准的传输介质)

    快速以太网:802.3u标准,速率可到 100M

    标准 传输介质 距离 记忆
    100Base-TX(常考 两对5类UTP 或两对STP 100m T代表twisted-pair双绞线
    100Base-FX 一对单模光纤或一对多膜光纤
    100Base-T4 四对3类UTP 100m 数字4,四队双绞线
    100Base-T2 两对3类UTP 100m 数字2,两对双绞线
    千兆以太网:(常考光源和距离)

    千兆以太网:802.3z标准,速率可达1000M

    标准 传输介质 距离 记忆
    1000Base-SX 光纤(短波) 550m S表示短
    1000Base-LX 光纤(长波) 5000m L表示长
    1000Base-CX 两对UTP 25m C表示铜
    1000Base-T (802.3ab标准) 四对UTP 100m

    802.3z嗨定义了一种帧突发方式,使得一个站可以连续发多个帧

    万兆以太网

    万兆以太网:802.3ae标准,速率可达10G

    表格见P117

    4.7 虚拟局域网

    VLAN划分方式:

    1. 静态分配VLAN: 基于端口。
    2. 动态分配VLAN:基于MAC地址 (2层)、网络层IP(3层)、规则策略(高层)等。

    VLAN划分的好处:

    • 控制网络流量,抑制广播风暴。
    • 提高网络安全性,不同VLAN之间 可做控制。
    • 网络管理灵活,用户可以随地接 入网络。

    不同VLAN之间通信:需要路由器或三层交换 机。

    VLAN使用标准802.1q , 在原来的以太帧中增加了4B的控制信息,其中包含12位VLAN标识符VID(P120)

    4.8 局域网互联

    • 局域网通过网桥互联
    • IEEE 802标准有两种关于网桥的规范:
      • 802.1d定义的透明网桥
      • 802.5定义的源路由网桥

    值得注意的是,网桥这种解决方案很快就被交换机取代了。

    4.9 城域网

    考察较少,略

    习题

    1. IEEE802.3规定的最小帧长为64B,这个帧长是指

      A. 从前导字段到校验和的字段

      B. 从目标地址到校验和的长度

      C. 从帧起始符到校验和的长度

      D. 数据字段的长度

    2. 在以太网的帧结构中“填充”字段的作用是( )。

      A. 承载任选的路由信息

      B. 用于捎带应答

      C. 发送紧急数据

      D. 保持最小帧长 。

    3. 下面的光纤以太网标准中,支持1000m以上传输距 离的是( )。

      A. 1000Base-Fx

      B. 1000Base-Cx

      C. 1000Base-Sx

      D. 1000Base-Lx

    4. 一个CSMA/CD协议的以太网,数据速率为1Gb/s, 网段长1km,信号速率为200000km/s,则最小帧长为 ( )bit。 A. 1000 B. 2000 C. 10000 D. 2000000 24

    5. 以太网采用的CSMA/CD协议,当冲突发生时 要通过二进制指数后退算法计算后退时延,关 于这个算法;以下论述中错误的是( )。

      A. 冲突次数越多,后退的时间越短

      B. 平均后退次数的多少与负载大小有关

      C. 后退时延的平均值与负载大小有关

      D. 重发次数达到一定极限后放弃发送

    6. 在以太网中,载波监听是网络协议设计中很重要 的一个方面。在下列载波监听算法中,信道利用 率最高的是(1)监听算法,其存在的最大不足是(2)。

      A.非坚持型 B. 1-坚持型 C. p-坚持型 D.N-坚持型

      A.算法的效率不够高,会降低网络速率 B.算法的硬件实现太复杂,会大大提高成本 C.对冲突的检测会有影响,实现起来不太容易 D.它会增大冲突出现的概率。

      7.在生成树协议STP中,根交换机是根据什么来选择的?
      A.最小的MAC地址 B.最大的MAC地址 C.最小的交换机ID D.最大的交换机ID

      8.动态划分VLAN的方法中不包括()。

    ​ A.网络层协议 B.网络层地址 C.交换机端口 D.MAC地址

    答案

    1:B。 2:D。 3:D。

    4:C。

    R=1Gbps=10^9bps S=1km=1000m

    v=200000m/s=2*10^8m/s

    L=2R*(S/v)=210^9×(1000 / 210^8) =10000bit。

    5:A。 例题06:B;D。

    7:C

    8: C

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