2.5 以太网拓扑结构演变

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1 总线型拓扑

早期以太网技术采用粗同轴电缆传输数据，组成总线拓扑（Bus Topology）。

如上图所示，总线型拓扑是一种所有计算机（A、B、C、D、E）通过一根主干总线连接的网络结构，有如下特点：

1. 连接方式：各计算机通过一根主干电缆连接，数据在主干电缆上传输。
2. 匹配电阻：在总线两端连接了匹配电阻（图中的蓝色方块），用于吸收信号，防止信号在总线末端反射，减少干扰。
3. 数据传输：各计算机共享同一信道，若两台计算机同时发送数据则可能发生碰撞。

总线拓扑结构简单，布线方便，但随着节点数量增加，碰撞概率增大，信道利用率下降。该拓扑结构在现代网络中已逐渐被星形拓扑等更高效的拓扑结构所取代。

2 星形拓扑

随着技术的进步，网络介质从粗同轴电缆逐步改用细同轴电缆，后来发展为使用双绞线介质。如今，双绞线已成为局域网（LAN）中较为常用的介质，以星形拓扑结构连接各个节点，这种网络结构更稳定，具有较高的容错能力。

上图展示了采用双绞线的星形拓扑结构下的局域网连接方式，有如下特点：

1. 拓扑结构：以中央集线器（Hub）或交换机为中心，各节点通过双绞线相连。
2. 传输标准：1990年，IEEE发布了10BASE-T以太网标准（IEEE 802.3i），规范了星形拓扑的连接方式。这种标准使用两对双绞线和RJ-45接头，数据传输速率为10Mbps。
3. 连接距离：根据10BASE-T标准，集线器与每个工作站之间的距离不能超过100米，否则信号可能出现衰减，影响传输质量。

3 集线器

①定义
集线器（Hub）是星形拓扑中的核心设备，负责接收和广播数据到所有连接的设备。虽然在物理结构上是星形，但逻辑上集线器的以太网仍表现为总线结构，仍需使用CSMA/CD协议来处理数据碰撞。

②特点

• 工作在物理层：通过电子器件模拟电缆连接，相当于多接口转发器。
• 共享冲突域：所有连接到集线器的设备共享同一逻辑总线，可能会发生数据碰撞。
• 信道利用率：在多个站点同时工作时，可能因碰撞而浪费信道资源，因此信道利用率难以达到100%。

【示例】

• 集线器：位于星形拓扑的中心，将接收到的数据信号广播给所有连接的工作站。
• 双绞线连接：每个工作站通过双绞线与集线器连接。这种连接方式具有较好的抗干扰能力，信号传输稳定。
• 网卡：每个工作站中都安装了网卡，用于将计算机连接到网络并管理数据的发送和接收。网卡负责处理网络层到物理层的数据转换。
• 数据传输方式：当一个工作站发送数据时，集线器将信号广播到所有工作站，因此所有工作站都可以接收到数据。由于集线器不具备选择性转发功能，它无法根据数据的目的地进行定向转发，而是向所有端口广播数据。这种方式会导致所有工作站处于同一冲突域中，因此在多个工作站同时发送数据时，可能会发生碰撞，影响传输效率。

4 信道利用率

①定义
在以太网中，多个节点同时发送数据可能造成碰撞，导致信道资源浪费。为评估信道利用率，引入了参数 𝑎=𝜏/𝑇₀ ，其中：

1. 𝜏（单程端到端传播时延）：

   • 数据帧从一个节点传输到网络中另一节点所需的单程传播时间。
   • 表示信号在网络介质（如电缆）中传播的速度和距离。
   • 在CSMA/CD协议中，争用期设置为 2𝜏，以便确保节点在发送数据时能够检测到碰撞。因为碰撞信号从一端传播到另一端，经过单程（𝜏）时延；为了确保检测到所有可能的碰撞，设置了双程（2𝜏）的争用期。

2. 𝑇₀（帧发送时间）：

   • 发送一个完整数据帧所需要的时间，通常由帧的大小（单位为比特）和传输速率（单位为比特每秒）决定,与网络中的传播时延无关。
   • 计算公式为：𝑇₀ = L/C，其中 L 表示帧的长度（比特），C 表示网络传输速率（比特/秒）。

【注意】
信道占用期的总时间是 𝑇₀ + 𝜏，因为当帧的最后一位数据被发送出去之后，信号还需要 𝜏 时间才能确保所有节点都能接收到该数据帧。

②参数 a 的影响

• ** a 越小**：

  • 当 a→0 时，帧发送时间𝑇₀远大于传播时延 𝜏 。一旦发生碰撞，节点能够立即检测到并停止发送，避免浪费过多信道资源，信道利用率较高。

• a 越大：

  • 当 a 增大时，传播时延 𝜏 在总传输时间中占比增大，每次发送都要等待较长的传播时间，以确保无碰撞， 信道利用率降低。

③ 如何控制 a 值以提高信道利用率

• 缩短网络的物理距离

• 增加帧长度

• 适当选择传输速率