局域网基本技术

出处：按学科分类—工业技术 企业管理出版社《工程师手册》第872页（4001字）

局域网基本技术包括：拓朴结构、传输介质和信道访问控制方法。它们共同确定传输信息形式、通信速率和效率、信道容量以及网络所支持的应用服务类型。

1．拓朴结构

局域网具有三种典型拓朴结构：星、环、总线或树型。总线可以看成是一条无树枝的枝干，因而是树的一种特殊形式。

星型是一种较老的拓朴结构形式，集中控制式星型结构适用于一个功能较强的机器管理多个功能较弱的小机器或微型机的情况，现在较少研究，但利用计算机化的交换机系统(CBX)来实现局域网通信，是发展局域网的一种重要手段。人们可以利CBX的有利条件，将模拟通信和数字通信结合起来，一定是很有发展前途的。分布式控制星型拓朴在现代局域网中获得广泛采用。

环型拓朴也是目前局域网常采用的一种拓朴形式，一般采用分布式控制，信息流一般是单向的。路由选择简单，扩展性好，与总线结构相比，环型访问延迟具有确定性，易于采用光纤，它对链路长度报文长度及网规模不敏感，即具有较好的适应性。其主要缺点是单环和系统可靠性差，但现已有一套提高环路可靠性的技术措施。环网在西欧和美国颇为流行，早期的典型代表是剑桥环。环网目前多采用令牌传递(token passing)控制方法，IBM公司积极建议令牌环(Token Ring)并在1985年推出了着名的IBMTOKEN RING。

总线型结构是目前局域网中使用最多的一种拓朴形式，一般采用分布式控制。总线拓朴的一个重要特征就是可采用多路访问和广播式通信，具有较好的稳定性，较适宜于电缆电视技术(CATV)，以构成声象／数据的宽带局域网。总线局域网的典型代表是着名的以太网(Ethernet)，还有各类PC网络如PCnet，Omninet，C-net，PC Network，Wangnet(王安网)等。总线型网一般采用CSMA／CD(载波侦听多路访问／碰撞检测)随机访问方法。

CSMA／CD总线，令牌总线(TOKEN BUS)，与令牌环(TOKEN RINGF)已分别列入IEEE802局域网标准，并已由ISO正式认可．作为局域网的国际标准。

树型拓朴在分布式局域中，是一种具有代表性的拓朴结构，树型网络一般采用同轴电缆作传输介质，对性能要求较低的场合也可以采用双扭线。总线型和树型网络中，采用光纤作传输介质，目前仍处于研究阶段。典型的树型局域网是王安宽带网。树型网络一般也采用CSMA／CD随机访问方法。

混合系统是由各种基本原朴形式交互布置构成，其系统实例有：Datapoint公司提供的一种包括树型和PBX的混合局域网络系统。

综上所述，可以看出总线结构和环形结构是局域网的基本拓朴结构，它们的基本性能比较如表4．2．2－1所示。

表4．2．2－1 总线和环形网络性能比较表

2．传输介质

传输介质实际上决定了信息传输形式(通信方式)。局域网对传输介质的要求与广域网有所不同，因为局域网的范围小，通信距离短，所以传输介质的成本高低不是一个主要因素。比较重要的问题是要尽量减小线路上传输时间的延迟。局域网希望传输介质有很高的频带宽度，以便用户需要时进行高速传输，但频带宽度平时是否都能得到充分的利用无关紧要。局域网最常用的传输介质有双扭线、基带同轴电缆、宽带同轴电缆和光纤，其次还有红外线、激光、无线电波、微波和卫星等。

双扭线厂泛用于电话系统中(电话电缆内)。两条线双扭之后，可以减少线间的辐射干扰，在局域网中双扭线主要用于点到点的通信，如在自动电话交换机PABX或CBX系统中，不宜用于T型引出分支传输，其特点是简单、成本低、比较可靠。但其数据传输速率较低，一般为几Mb／s，高频损耗较大，对噪声干扰敏感，易发生干扰失真，其误码率在10^－5左右。随着局域网传输速率的提高，双扭线用得越来越少了。同轴电缆是一种较好的传输介质，在现代局域网中用得较普遍，同轴电缆具有很低的损耗和很高的传输通频带。人们已经研究出许多低损耗的接插头，高质量的直接耦合器和分路器，以便于连接。此外，同轴电缆辐射很低，对外界干扰不敏感，吞吐量高，连接设备多，性能价格比较好，安装维护也很方便。它既可用于基带系统，又可用于宽带系统。基带同轴电缆在1公里距离内，可提供50Mb／s的数据传输率，在几公里范围内，数据传输速率相应变低。其误码率与网络结构有关，一般为10^－7～10^－11范围内。宽带同轴电缆与城市市区电缆电视(CATV)网的介质相同，可共用现存的电缆电视信道。宽带系统地理覆盖范围大，可达几十公里(基带系统在10公里范围内)，宽带系统可借助FDM(频分多路复用)技术，在一根电缆上提供多条信道，以传送数字数据，模拟语言、图象等综合信息，基带系统只能提供一条信道。目前，大多只能传送数据信息，而综合语音／数据业务目前尚未达到实用阶段。

光纤是现代局域网中很有前途的一种传输介质，其数据传输速率很高(可达1000Mb／s)，误码率低，一般为10^－9，光纤具有良好的抗干扰性，它已广泛用于点到点通信，并且也较适用于环型局域网，但在多点或多路访问结构中，取代同轴电缆目前还有一些困难，尚需进一步研究。

上述几种典型的传输介质中，双扭线和同轴电缆已列入IEEE802局域网标准；光纤正在酝酿之中。表4．2．2－2给出了局域网的典型传输介质的性能。

表4．2．2－2 典型局域网传输介质性能

3．信道访问控制方法

所谓信道访问控制方法是指各站实际赢得使用信道的方法。在所有广播网(局域网、Ⅱ星网和分组无线网)中它是最关键的技术之一。

信道访问控制方法(也称访问协议)主要有固定分配、随机分配、控制分配(按需分配)和自适应分配四大类。

固定分配是对每个用户分配可用信道容量的一部分，供其专用。这种技术最普遍的形式是FDMA和TDMA，它们适用于大、中容量的点对点通信，也能满足某些用于过程控制的局域网的要求，但对于突发性数据传输，一般效率较低，因此应用较少。

随机分配是为了适应突发性业务而发展起来的一种访问控制方法。其特点是整个带宽作为一个单一信道供网中各用户随机使用。因此，每逢两个以上用户同时使用信道时，势必要发生“碰撞”，并且碰撞的分组必须重发。在这类协议中如何解决争用信道，而使碰撞概率最低(吞吐量最大)是最重要的问题。

集中控制按需分配的例子包括Polling Probing T SRMA。在传输延迟短的环境下，应用这些协议是适宜的。也就是说，这些协议适合于地面无线网和局域网。

分布控制按需分配的典型例子是一类预约协议。在预约的协议中，每个试图发送分组的用户，在开始发送数据分组之前必须先发送对信道的预约信息，预约有两种方式：显式预约和隐式预约。在显式预约中，利用一部分信道容量作为预约子信道，通常以预约分帧的形式出现。各用户在预约子信道中发送预约申请分组。预约子信道的多址协议通常采用争用协议(特别是S-ALOHA协议)或固定分配TDMA协议。Roberts协议和CPODA是着名的争用预约方案的例子。R-TDMA和FPODA是TDMA预约方案的例子，在隐式预约中，不建立预约子信道，也不利用预约申请分组。所谓隐式预约通常是指R-ALOHA(预约ALOHA。它以S-ALOHA协议为基础。在R-ALOHA中，在一个时隙中成功的传输作为对下一帧中相应时隙的预约。通过对那个时隙位置的重复使用，一个用户可以传送一个长的数据流。要想传送更多数据分组的用户，应监听目前帧上的时隙，任何一个空闲或包含碰撞的时隙在下一帧中是可以利用的，用户可以争用该时隙。这种预约协议通常在卫星网中应用。

分布控制按需分配中另一类重要的协议是令牌传递、开槽环法、寄存器插入和虚令牌传递等。这类协议可用于局域网和地面无线网。

自适应分配是几种不同协议的混合方式。其中分配方案的选择是自适应于业务变化的需要，以使在所有时间都获得接近最佳的性能。例如在轻业务负载下按争用方式工作，当业务量增加时自动的变成预约协议。

信道访问控制方法和网络结构及传输介质有极密切的关系，当访问控制方法确定之后，网络拓朴结构就基本上确定了，表4．2．2－3列出了目前常用的访问控制方法的适用范围。

表4．2．2－3 常用访问控制技术的应用范围