网络入门之计算机网络拓扑结构（二）
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3.2.令牌环网数据传输原理
令牌环网中由点对点链路构成的环路虽然不是真正意义上的广播媒体，但令牌环网上运行的数据帧仍能被所有的站点接收到。而且任何时刻仅允许一个站点发送数据，因此理论上是存在发送权竞争问题的，这实际上就是我们将在后面内容介绍的“介质争用”问题。
为了解决这个问题，在令牌环网中使用了一个称之为“令牌”（Token，可以联想到以前武将出征杀敌时手中拿的由皇上发的帅印，代表一种授权）的特殊的MAC控制帧（该帧中有一个比特位用来标志令牌的忙或闲），使其沿着环路循环。
并且规定只有获得“令牌”的站点才有权发送数据帧（就像战争中只有一位统帅可以获得“帅印”一样），完成数据发送后立即释放令牌以供其他站点使用。
由于环路中只有一个令牌，因此任何时刻至多只有一个站点发送数据，不会产生冲突。但令牌环网上各站点均有相同的机会获得令牌。
图 2-19 令牌环网示例
图2-19所示的是一个简单令牌环网（注意，这里的环是逻辑意义上的，并不是真正的物理环），其中连接了4台机器。现假设A站点要向C站点发送数据。下面介绍A站点的具体数据发送流程。
1）首先环网中的令牌是在网上按照一个方向循环流动的，如图2-20所示（图中的“T”代表的就是环网中的“令牌”）。
图 2-20 令牌在环网上流动
2）当令牌转到A站点时，A站点的RPU截获该令牌（如图2-21所示），把令牌的状态控制位设置为1，代表处于忙的状态（表示令牌目前已被占用），同时在令牌帧上附加要发送的数据帧沿着环的路径向下发送出去。
当令牌帧和数据帧组合的信息帧（在此称之为“信息帧”）流经B站点时，B站点把自己的MAC地址与帧中的目的MAC地址进行比较，发现不匹配，于是不接收该数据帧，继续转发信息帧，如图2-22所示。
图 2-21 A站点截获令牌
图 2-22 B站点不接收信息帧
3）当信息帧流经C站点时，C站点也会把自己的MAC地址与帧中的目的MAC地址进行比较，发现正好匹配，于是C站点的RPU复制其中的数据帧，并把复制的数据帧传送给C站点，丢弃其中的令牌帧，如图2-23所示。
图 2-23 C站点的RPU复制该数据帧，并把其传送给C站点
4）原来的信息帧继续向下传递，流经D站点时同样因它的MAC地址与数据帧中的目的MAC地址不匹配，故不接收，信息帧继续转，直到回到源站点A，如图2-24所示。
图 2-24 信息帧返回源站点，并释放令牌
此时恰好循环一周，A站点根据返回的有关信息确定所传数据帧有无出错。若有错则重发存于缓冲区中的待确认帧，否则释放缓冲区中的待确认帧。
确认无错后，A站点的RPU会把其中的令牌帧状态置为0，表示处于空闲状态，释放令牌，然后在网上发送出去，令牌继续在环网上流动。其他站点如果想要发送数据，则可通过获得该令牌进行数据发送。
一个控制了令牌的站点可以进行一次或多次数据帧发送，只要不超过网络中规定的最长令牌控制时间即可。而具体的最长令牌控制时间要视具体网络环境通过计算才能得出，在此不做具体介绍。
3.环形拓扑结构的主要优缺点
环形拓扑结构网络的优点主要体现在以下方面。
（1）网络路径选择和网络组建简单
在这种拓扑结构网络中，信息在环形网络中流动是沿着一个特定的方向，每两台计算机之间只有一个通路，简化了路径的选择，路径选择效率非常高。同样因为这个，这类网络的组建相当简单。
（2）投资成本低
在投资成本方面，主要体现在令牌环网络中没有任何其他专用网络设备（如交换机），各站点直接通过电缆连接，所以无需任何投资去购买网络设备。
尽管有以上两个看似非常诱人的优点，但环形网络的缺点仍是主要的，这也是它最终被淘汰出局的根本原因。环形拓扑结构网络的缺点主要体现在以下几个方面。
（1）传输速度慢
这是它最终不能得到发展和用户认可的最根本原因。虽说它在刚出现时，较当时的10Mbps以太网在速度上有一定优势（因为它可以实现16Mbps的接入速率），但由于这种网络技术后来一直没有任何发展，速度仍保留在原来水平，相对现在最起码的100Mbps、1Gbps速率的以太网来说，实在是太落后了。现在连无线局域网（WLAN）的传输速度都远远超过了它。这么低的连接性能决定了它只能被淘汰的局面。
（2）连接用户数非常少
在这种环形拓扑结构中，各用户是相互串联在一条传输电缆上的，所以可以连接的用户数非常有限。尽管可以有中继设备，但中继器只起到一个信号放大和连接距离的拓展的作用，并不能很明显地提高连接用户的数量（通常最多也就是几十个用户）。
（3）传输效率低
这种环形拓扑结构网络共享一条传输电缆，每发送一个数据均要先取得令牌，每次数据的发送，令牌都要在整个环状网络中从头走到尾，哪怕是已有站点接受了数据；而且每个环形网络中只有一个令牌，所以同一时刻只有一个站点可以取得令牌并发送数据，所以传输效率是非常低的，明显不再适用当前复杂的网络应用需求。
（4）扩展性能差
因为是环形拓扑结构，且没有任何可用来扩展连接的设备，决定了它的扩展性能远不如星型拓扑结构好。如果要新添加或移动站点，就必须中断整个网络，在适当位置切断网线，并在两端做好环中继转发器才能连接。
（5）维护困难
虽然在环形拓扑结构网络中只有一条传输电缆，看似结构也非常简单，但它是一个闭环，设备都连接在同一条串行连接的环路上，所以一旦某个站点出现了故障，整个网络将瘫痪。并且在这样一个串行结构中，要找到具体的故障点非常困难，必须一个站点一个站点地排除，非常不便。
另一方面，因为同轴电缆所采用的是插针接触方式，也非常容易出现接触不良，造成网络中断，网络故障率非常高。笔者就曾经维护过这样一个小型企业网，虽然只有20多台机，但因分布在几栋建筑物中，几乎天天发生网络故障，有时一查就可能是几个小时。
4、总线型拓扑结构
总线型拓扑结构（Bus Topology）与上节介绍的环形拓扑结构从外形上看有些类似，都是共享一条同轴电缆作为传输介质，通过RPU（中继转发器）连接多台计算机，而且网络通信中都是以令牌的方式进行的。
所谓“总线”就表示，网络中连接的各站点间进行数据通信时都必须通过这条线缆。但总线型拓扑结构采用的是IEEE 802.4标准（对应RFC 1230），接入速率也低于上节介绍的环形网络（只有10Mbps），这两种拓扑结构还是存在较大不同的，具体将在本节后面介绍。
但要说明的是，在当前的局域网中，纯粹的总线型结构网络基本上不见了，取而代之的是在一些特殊的网络环境中与星型拓扑结构混合使用，也就是在本章后面即将介绍的混合型拓扑结构。
4.1.总线型结构概述
总线型拓扑结构网络中所有设备通过连接器并行连接到一条传输电缆（通常称之为中继线、总线、母线或干线）上，并在两端加装一个称为“终接器”的组件，如图2-25所示。
终接器主要用来与总线进行阻抗匹配，最大限度吸收传送端部的能量，避免信号反射回总线产生不必要的干扰。
图 2-25 总线型结构示例
总线型结构网络所采用的传输介质一般也是同轴电缆（包括粗同轴电缆和细同轴电缆，也有采用光纤的），如ATM网、Cable Modem所采用的网络等都属于总线型网络结构。
为了扩展所连接的计算机数量，可以在网络中添加其他的扩展设备，如中继器。图2-26所示的就是通过中继器连接的两个总线型网络单元。
图 2-26 双总线结构网络互连示例
总线型拓扑结构的代表技术就是IBM的ARCNet令牌网络，所以总线型拓扑结构通常认为是令牌总线（Token Bus）结构。物理上是总线网，逻辑上是令牌网。总线型拓扑结构与上节介绍的环形拓扑结构相比，不同之处主要体现在以下两个方面。
（1）与传输电缆的连接方式不同
环形拓扑结构中的连接器与电缆是串联的，所以任何连接站点出现故障都会引起整个网络的中断，而总线型拓扑结构中的连接器与电缆是并联的，所以某个站点发生故障不会影响网络中的其他站点通信。
（2）数据传输原理不同
两种拓扑结构的数据传输原理不一样。在总线型拓扑结构中，令牌帧和数据帧都是沿着根据当前网络环境自动生成的逻辑令牌环进行传输的，而不是像环形拓扑结构那样按照物理环路径进行传输的。具体将在本节后面介绍。
4.2.令牌总线数据传输原理
IEEE 802.4标准下的令牌总线的介质访问控制（MAC）是根据局域网物理总线的各站点先生成一个逻辑环，每一个站点都在一个序列中被指定一个逻辑位置（注意，不是物理位置），序列中最后一个站点的后面又跟着第一个站点，以形成一个逻辑上闭合的环路。
图 2-27 令牌总线中的站点连接表
图2-27所示的就是一个小型总线拓扑型拓扑结构计算机网络示例。从图中可以看出，在物理结构上，它是一个总线拓扑结构局域网，但是在逻辑结构上，又成了一种环形拓扑结构的局域网：A→D→C→G→F→B→E→A。
另外，在总线型拓扑结构网络中，每个站点都知道在它之前的站点和在它之后的邻居站点标识。为了保证逻辑闭合环路的形成，每个站点都动态地维护着一个连接表，该表记录着本站点在环路中的前继、后继和本站点的地址。
如图2-27所示，A站点中有E、D、A这三个地址，分别代表着A站点的前继站点（E站点）MAC地址、后继站点（D站点）MAC地址和本站点MAC地址。每个站点根据它的后继站点MAC地址确定下一个可能要占有令牌的站点。所以，令牌的传递顺序与总线上各站点的物理位置无关。
如果总线网络中某个站点出现故障或没有工作，则会重新建立新的逻辑令牌环网络，绕开出现故障或没有工作的站点（因为各站点之间是并行连接的），如图2-28所示的就是图2-27所示的总线型拓扑结构网络在出现两个站点（C和G站点）没有正常工作时新建的令牌环网。
图 2-28 当总线网络中出现不能正常工作站点时新建的令牌环网络
令牌总线网络与令牌环网络的数据传输原理基本一样，都是站点在发送数据前必须先取得“令牌”，取得令牌的站点有数据帧要发送则可发送，如果没有数据帧要发送，则直接把令牌传递到逻辑令牌环中的后继站点。
而且只有获得令牌的站点才能发送信息，其他站点只能接收信息，或者被动地发送信息（在拥有令牌的站点要求下发送信息）。由于站点接收到令牌的过程是顺序依次进行的，因此对所有站点都有公平的访问权，也不会出现介质访问冲突。
在具体的数据发送过程中，取得了令牌的站点把令牌帧和数据帧一起（在此也称之为信息帧）在总线网络中发送，其他各站点均可收到这个信息帧，但也只有其MAC地址与接收到的数据帧中的目的MAC地址一致的站点才会复制并接收该信息帧，把其中的数据帧传递给对应的站点PC（将其中的令牌帧丢弃），然后原来的信息帧继续沿着逻辑令牌环传递，直到回到发送数据的源站点。
当发送数据帧的站点收到接收数据帧的站点的响应后就可得知该次数据发送成功，随即释放自己所控制的令牌，按照逻辑令牌环的顺序把令牌依次传递到它的后继站点。
4.3.总线拓扑结构的主要优缺点
总线拓扑结构的优点与环形拓扑结构差不多，主要有如下几点。
（1）网络结构简单，易于布线
因为总线型网络与环形网络一样都是共享传输介质，也通常无需另外的网络设备，所以整个网络结构比较简单，布线比较容易。
（2）扩展较容易
这是总线型网络相对同样是采用同轴电缆（或光纤）作为传输介质的环形网络结构的最大的一个优点。因为总线型结构网络中，各站点与总线的连接是通过并行连接（环形网络中连接器与电缆的连接是串行的）实现的，所以站点的扩展无需断开网络，扩展容易了许多。而且还可通过中继设备扩展连接到其他网络中，进一步提高了可扩展性能。
（3）维护容易
总线型网络中的连接器与总线电缆是并行连接的，这给整个网络的维护带来了极大的便利，因为一个站点的故障不会影响其他站点，更不影响整个网络，所以故障点的查找就容易了许多。这与星型拓扑结构类似。
尽管有以上一些优点，但是它与环形拓扑结构网络一样，缺点仍是主要的，这些缺点也决定了它在当前网络应用中也极少使用的命运。总线型结构的主要缺点表现在以下几个方面。
（1）传输速率低
IEEE 802.5令牌环网中的最高传输速率可达16Mbps，但IEEE 802.4标准下的令牌总线网络标准最高传输速率仅为10Mbps。所以它虽然在扩展性方面较令牌环网络有一些优势，但它同样摆脱不了被淘汰的命运。
（2）故障诊断困难
虽然总线拓扑结构简单、可靠性高，而且是互不影响的并行连接，但故障的检测仍然很不容易。这是因为这种网络不是集中式连接，故障诊断需要在网络中各站点计算机上分别进行。另外，在这种结构中，如果故障发生在各个计算机内部，只需要将计算机从总线上去掉，比较容易实现。但是如果是总线传输介质发生故障，则需要更换全部相应段传输介质了。
（3）难以实现大规模扩展
虽然相对环形网络来说，总线型网络在扩展性方面有了一定的改善，可以在不断开网络的情况下添加设备，还可添加中继器之类的设备予以扩展，但受到传输性能的限制，其扩展性仍然远不如星型网络，难以实现大规模的扩展。
综上所述，单纯总线型结构网络目前也已基本不用，因为传输性能太低（只有10Mbps），可扩展性也受到性能的限制。
目前总线型结构就是在后面将要介绍的混合型网络中才会用到的。在这些混合型网络中使用总线型结构的目的就是用来连接两个（如两栋建筑物），或多个（如多楼层）相距超过100m的局域网，细同轴电缆连接的距离可达185m，粗同轴电缆可达500m。
如果超过这两个标准，就需要用到光纤了。但无论采用哪种传输介质的总线型结构，传输速率都只有10Mbps，实用性极低，还不如直接采用光纤星型拓扑结构。
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