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3.1.1 星型结构

2007-07-13 18:23 王达 电子工业出版社 字号:T | T
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本章主要将介绍以上各种主要网络拓扑结构,以及网络拓扑结构的绘制、不同规模的企业局域网拓扑结构设计思路和典型的广域网接入方式的拓扑结构设计方法。本节是星型结构。

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3.1.1  星型结构
星型拓扑结构也称“集中式拓扑结构”,是因集线器或交换机连接的各连接节点呈星状分布而得名。因为在这种结构的网络中有中央节点(集线器或交换机),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,因此它又之称为集中式网络。
1.基本星型结构单元
星型结构是目前应用最广、实用性最好的一种拓扑结构。无论在局域网中,还是在广域网中都可以见到它的身影(具体后面将介绍到),但主要应用于有线双绞线以太局域网中。如图3-1所示的是最简单的单台集线器或交换机(目前集线器已基本不用了,所以后面不再提及了)星型结构单元。它采用的传输介质是常见的双绞线和光纤,担当集中连接的设备是具有双绞线RJ-45以太网端口,或者各种光纤端口的集线器或交换机。
图3-1  基本星型结构单元示例
在图3-1中的星型网络结构单元中,所有服务器和工作站等网络设备都集中连接在同一台交换机上。因为现在的固定端口交换机最多可以有48个,或以上交换端口,所以这样一个简单的星型网络完全可以适用于用户节点数在40个以内的小型企业,或者分支办公室选用。模块式的交换机端口数可达100个以上,可以满足一个小型企业连接。但实际上这种连接方式是比较少见的,因为单独用一台模块式的交换机连接成本还要远高于采用多台低端口密度的固定端口交换机级联方式。模块式交换机通常用于大中型网络的核心(骨干层),或会聚层,小型网络很少使用。
扩展交换端口的另一种有效方法就是堆叠了。有一些固定端口配置的交换机支持堆叠技术,通过专用的堆叠电缆连接,所有堆叠在一起的交换机都可作为单一交换机来管理,不仅可以使端口数量得到大幅提高(通常最多堆叠8台),而且还可提高堆叠交换机中各端口实际可用的背板带宽,提高了交换机的整体交换性能。
以上有关交换机的级联和堆叠技术将在本书的第7章介绍。
2.多级星型结构
复杂的星型网络就是在如图3-1所示的基础上通过多台交换机级联形成的,从而形成多级星型结构,满足更多、不同地理位置分布的用户连接和不同端口带宽需求。如图3-2所示的是一个包含两级交换机结构的星型网络,其中的两层交换机通常为不同档次的,可以满足不同需求,核心(或骨干层)交换机要选择档次较高的,用于连接下级交换机、服务器和高性能需求的工作站用户等,下面各级则可以依次降低要求,以便于工作最大限度地节省投资。
图3-2  两级星型结构示例
当然,在实际的大中型企业网络中,其网络结构可能要比如图3-2所示的复杂得多,还可能有三级,甚至四级交换机的级联(通常最多部署四级),还可能有交换机的堆栈,如图3-3所示网络结构中SS3 Switch 4400位置就是由两台这样的交换机堆栈组成的。具体的交换机堆栈技术将在本书的第7章详细介绍。
图3-3  包含堆栈交换机的星型网络结构示例
3.星型结构传输距离限制
因为在星型网络中通常是采用双绞线作为传输介质的(高档网络也有采用光纤的),而单段双绞线的最大长度为100米,集线设备放置在中心点,这样每一个采用此种结构的集线设备所能连接的网络范围最大直径就达到200米,超过这个范围都将要采用级联或者中继方法。采用光纤作为传输介质时传输距离可以长许多,各种连接电缆电缆长度限制如表3-1所示,1000BASE-SX网络的光纤长度限制参见表3-2所示。后面介绍的同轴电缆总线型和环型网络结构的传输距离限制也参见表3-1。
表3-1  各种以太网电缆长度限制

以太网标准

10BASE-T

345100欧姆UTP(非屏蔽双绞线)

100

RJ-45

100BASE-T

5100欧姆UTP

100

RJ-45

1000BASE-SX

50/12562.5/125微米多模光纤(MMF

550

SCST

1000BASE-LH

9/125微米单模光纤(SMF

70千米

SCST

1000BASE-LX

9/125微米SMF

5千米

SCST

1000BASE-T

5类、超5类或6UTP

100

RJ-45

表3-2  1000BASE-SX光纤长度限制

62.5/125微米MMF

160MHz/km

220

200MHz/km

275

50/125微米MMF

400MHz/km

500

500MHz/km

550

说明:许多读者朋友认为,星型网络结构只是应用于同楼层的网络中,其实不是这样的。在多楼层,甚至多栋建筑物之间的网络互联多数也是采用星型结构,因为它具有非常高的传输速率。从表3-1和表3-2可以看出,各楼层之间、各建筑物之间都可以采用普通的双绞(通常是大对数的),只有距离在双绞线的有效距离范围内;当超过了双绞线的有效距离后,可以采用光纤连接(光纤的传输距离更远,传输性能更好),但光纤介质和相应接口的设备价格更贵,这必须予以充分考虑。同轴电缆只是一种低成本、低性能选择,因为它的传输性能要远低于双绞线和光纤,在目前实际的楼层和建筑物之间网络互联很少采用。
4.星型结构主要优缺点
星型拓扑结构的主要优点体现在以下几个方面。
(1)网络传输数据快
因为整个网络呈星型连接,网络的上行通道不是共享的,所以每个节点的数据传输对其他节点的数据传输影响非常之小,这样就加快了网络数据传输速度。不同于下面将要介绍的环型网络所有节点的上、下行通道都共享一条传输介质,而同一时刻只允许一个方向的数据传输。其他节点要进行数据传输只有等到现有数据传输完毕后才可。另外,星型结构所对应的双绞线和光纤以太网标准的传输速率可以非常高,如普通的5类、超5类都可以通过4对芯线实现1000Mbps传输,7类屏蔽双绞线则可以实现10Gbps,光纤则更是可以轻松实现千兆位、万兆位的传输速率。而后将要介绍的环型、总线型结构中所对应的标准速率都在16Mbps以内,明显低了许多。
(2)实现容易,成本低
星型结构所采用的传输介质通常采用常见的双绞线(也可以采用光纤),这种传输介质相对其他传输介质(如同轴电缆和光纤)来说比较便宜。如目前常用的主流品牌的5类(或超5类)非屏蔽双绞线(UTP)每米也仅1.5元左右,而同轴电缆最便宜的细同轴电缆也要1.8元以上。
(3)节点扩展、移动方便
在这种星型网络中,节点的扩展时只需要从交换机等集中设备空余端口中拉一条电缆即可;而要移动一个节点只需要把相应节点设备连接网线从设备端口拔出,然后移到新设备端口即可,并不影响其他任何已有设备的连接和使用,不会像下面将要介绍的环型网络那样“牵一发而动全身”。
(4)维护容易
在星型网络中,每个节点都是相对独立的,一个节点出现故障不会影响其他节点的连接,可任意拆走故障节点。正因如此,这种网络结构受到用户的普遍欢迎,成为应用最广的一种拓扑结构类型。但如果集线设备出现了故障,也会导致整个网络的瘫痪。
星型拓扑结构的主要缺点体现在如下几个方面。
(1)核心交换机工作负荷重
虽然说各工作站用户连接的是不同的交换机,但是最终还是要与连接在网络中央核心交换机上的服务器进行用户登录和网络服务器访问的,所以,中央核心交换机的工作负荷相当繁重,要求担当中央设备的交换机的性能和可靠性非常高。其他各级集线器和交换机也连接多个用户,其工作负荷同样非常重,也要求具有较高的可靠性。
(2)网络布线较复杂
每个计算机直接采用专门的网线电缆与集线设备相连,这样整个网络中至少就需要所有计算机及网络设备总量以上条数的网线电缆,使得本身结构就非常复杂的星型网络变得更加复杂了。特别是在大中型企业网络的机房中,太多的电缆无论对维护、管理,还是机房安全都是一个威胁。这就要求我们在布线时要多加注意,一定要在各条电缆和集线器和交换机端口上做好相应的标记。同时最建议做好整体布线书面记录,以备日后出现布线故障时能迅速找到故障发生点。另外,由于这种星型网络中的每条电缆都是专用的,利用率不高,在较大的网络中,这种浪费还是相当大的。
(3)广播传输,影响网络性能
其实这是以太网的一个不足,但因星型网络结构主要应用于以太网中,所以相应也就成了星型网络的一个缺点。因为在以太网中,当集线器收到节点发送的数据时,采取的是广播发送方式,任何一个节点发送信息在整个网中的节点都可以收到,严重影响了网络性能的发挥。虽然说交换机具有MAC地址“学习”功能,但对于那些以前没有识别的节点发送来的数据,同样是采取广播方式发送的,所以同样存在广播风暴的负面影响,当然交换机的广播影响要远比集线器的小,在局域网中使用影响不大。
综上所述,星型拓扑结构是一种应用广泛的有线局域网拓扑结构,由于它采用的是廉价的双绞线,而且非共享传输通道,传输性能好,节点数不受技术限制,扩展和维护容易,所以它又是一种经济、实用的网络拓扑结构。但受到单段双绞线长度100米的限制,所以它仅应用于小范围(如同一楼层)的网络部署。超过这个距离,对照表3-1和表3-2可知,要么用到成本较高的光纤作为传输介质(不仅是传输介质的改变,相应设备也要有相应接口),要么用到后面将要介绍的同轴电缆,但采用同轴电缆作为传输介质时,已不是星型结构网络了,况且同轴电缆的价格也较双绞线的贵不少,特别是粗同轴电缆。
【责任编辑:雪花 TEL:(010)68476606-8007】

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