第2章 计算机网络基础知识
2.4 拓扑结构与传输媒体
2.4.1 拓扑结构
网络拓扑是指网络形状，或者是它在物理上的连通性。网络的拓扑结构主要有：星形拓扑、总线拓扑、环形拓扑、树形拓扑、混合拓扑及网形拓扑。
图2.16 各种网络拓扑
拓扑结构的选择往往与传输媒体的选择及媒体访问控制方法的确定紧密相关。在选择网络拓扑结构时，应考虑的因素有下列几点：
1)可靠性。
2)费用。
3)灵活性。
4)响应时间和吞吐量。
1.星形拓扑的特点及优缺点
优点：1)控制简单；2)故障诊断和隔离容易；3)方便服务；
缺点：1)电缆长度和安装工作量可观；2)中央节点负担较重，形成瓶颈；3)各站点的分布处理能力较低。
2.总线拓扑的特点及优缺点
优点：1)总线结构所需电缆数量少；2)结构简单又是无源工作，有较高的可靠性；3)易于扩充，增减用户方便。
缺点：1)传输距离有限，通信范围受到限制；2)故障诊断和隔离困难；3)分布式协议不保证信息及时传送，不具实时功能。站点必须是智能的，要有媒体访问控制功能，增加站点软件和硬件的开销。
3.环形拓扑的特点及优缺点
优点：1)电缆长度短；2)增减工作站时只需简单连接；3)可用光纤。
缺点：1)节点故障会引起全网的故障；2)故障难检测；3)媒体访问协议都用令牌传递方式，在负载很轻时，信道利用率较低。
4.树形拓扑的定义及优缺点
树形拓扑：从总线拓扑演变而来，像一棵倒置的树，顶端是树根，树根以下带分支，每个分支还可带子分支。树根接收各站点发送的数据，然后再广播发送到全网。
优点：1)易于扩展；2)故障隔离较容易。
缺点：1)节点对根依赖性太大，若根发生故障，则全网不能正常工作。
5.混合形拓扑的定义及优缺点
混合形拓扑：将两种单一拓扑结构混合起来，取两者的优点构成的拓扑。
优点：1)故障诊断和隔离方便；2)易于扩展；3)安装方便；
缺点：1)需用带智能的集中器；2)集中器到各站点的电缆长度会增加。
6.网形拓扑的特点及优缺点
优点：1)应用广泛；2)不受瓶颈问题和失效问题的影响。
缺点：1)结构较复杂，网络协议也复杂，建设成本高。
2.4.2 传输媒体
传输媒体是通信网络中发送方和接收方之间的物理通路，计算机网络中采用的传输媒体分有线和无线两大类。
传输媒体的特性对网络数据通信的质量有很大影响，这些特征是：
⑴物理特性：说明传输媒体的特性。
⑵传输特性：包括是使用模拟信号发送还是使用数字信号发送、调制技术、传输容量及传输频率范围。
⑶连通性：采用点到点连接还是多点连接。
⑷地理范围：在不用中间设备并将失真限制在允许范围内的情况下，整个网络所允许的最大距离。
⑸抗干扰性：防止噪音、电磁干扰对传输数据影响的能力。
⑹相对价格：包括元件、安装和维护等价格。
1.有线传输媒体
1)双绞线(TP)--由螺旋状扭在一起的两根绝缘导线组成。双绞线一般分为非屏蔽双绞线(UTP)和屏蔽双绞线(STP)。计算机网络中最常用的是第三类和第五类非屏蔽双绞线。
⑴物理特性：铜质线芯，传导性能良好。
⑵传输特性：可用于传输模拟信号和数字信号，对于模拟信号，约5--6公里需要一个放大器；对于数字信号，约2--3公里需要一个中继器。双绞线的带宽达268kHz。
对于模拟信号，可用频分多路复用技术把它分成24路来传输音频模拟信号，根据目前的Modem技术，若使用移相键控法PSK，每路可达9600bps以上，这样，在一条24路的双绞线上，总传输率可达230kbps。
对于数字信号，使用T1线路总传输率可达1.544Mbps。达到更高传输率也是可能的，但与距离有关。
对于局域网(10BASE-T和100BASE-T总线)，传输速率可达10Ｍbps-100Ｍbps。常用的3类双绞线和5类双绞线电缆均由4对双绞线组成，3类双绞线传输速率可达10Ｍbps，5类双绞线传输速率可达100Ｍbps。但与距离有关。
⑶连通性：可用于点到点连接或多点连接。
⑷地理范围：对于局域网，速率100Kbps,可传输1公里；速率10Mbps--100Mbps,可传输100米。
⑸抗干扰性：低频(10kHz以下)抗干扰性能强于同轴电缆，高频(10-100kHz)抗干扰性能弱于同轴电缆。
⑹相对价格：比同轴电缆和光纤便宜得多。
2)同轴电缆--由绕同一轴线的两个导体所组成，被广泛用于局域网中。为保持同轴电缆的正确电气特性，电缆必须接地，同时两头要有端接器来削弱信号反射作用。
图2.17 同轴电缆
⑴物理特性：单根同轴电缆直径约为1.02-2.54cm，可在较宽频范围工作。
⑵传输特性：基带同轴电缆仅用于数字传输，阻抗为50Ω，并使用曼彻斯特编码，数据传输速率最高可达10Mbps。宽带同轴电缆可用于模拟信号和数字信号传输，阻抗为75Ω，对于模拟信号，带宽可达300-450MHz。在CATV电缆上，每个电视通道分配6MHz带宽，而广播通道的带宽要窄得多，因此，在同轴电缆上使用频分多路复用技术可以支持大量的视、音频通道。基带50
⑶连通性：可用于点到点连接或多点连接。
⑷地理范围：基带同轴电缆的最大距离限制在几公里；宽带电缆的最大距离可以达几十公里。。
⑸抗干扰性：能力比双绞线强。
⑹相对价格：比同轴电缆贵，比光纤便宜。
3)光纤--由能传导光波的石英玻璃纤维外加保护层构成的。光纤具有宽带、数据传输率高、抗干扰能力强、传输距离远等优点。按使用的波长区的不同分为单模和多模光纤通信方式。
图2.18 光纤的电信号传送过程
⑴物理特性：在计算机网络中均采用两根光纤(一来一去)组成传输系统。按波长范围可分为三种：0.85um波长(0.8-0.9um)、1.3um波长(1.25-1.35um)和1.55um波长区(1.53-1.58um)。不同的波长范围光纤损耗特性也不同，其中0.85um波长区为多模光纤通信方式，1.55um波长区为单模光纤通信方式，1.3um波长区有多模和单模两种方式。
⑵传输特性：光纤通过内部的全反射来传输一束经过编码的光信号，内部的全反射可以在任何折射指数高于包层媒体折射指数的透明媒体中进行。实际上光纤作为频率范围从1014-1015Hz的波导管，这一范围覆盖了可见光谱和部分红外光谱。光纤的数据传输率可达Gbps级，传输距离达数十公里。目前，一条光纤线路上只能传输一个载波，随着技术进一步发展，会出现实用的多路复用光纤。
⑶连通性：采用点到点连接还是多点连接。
⑷地理范围：可以在6-8公里的距离内不用中继器传输，因此光纤适合于在几个建筑物之间通过点到点的链路连接局域网。
⑸抗干扰性：不受噪声或电磁影响，适宜在长距离内保持高数据传输率，而且能够提供良好的安全性。
⑹)相对价格：目前价格比同轴电缆和双绞线都贵。
2.无线传输媒体
1)微波通信：载波频率为2GHZ至40GHZ。频率高，可同时传送大量信息；由于微波是沿直线传播的，故在地面的传播距离有限。
2)卫星通信：是利用地球同步卫星作为中继来转发微波信号的一种特殊微波通信形式。卫星通信可以克服地面微波通信距离的限制，三个同步卫星可以覆盖地球上全部通信区域。
3)红外通信和激光通信：和微波通信一样，有很强的方向性，都是沿直线传播的。但红外通信和激光通信要把传输的信号分别转换为红外光信号和激光信号后才能直接在空间沿直线传播。
微波、红外线和激光都需要在发送方和接收方之间有一条视线通路，故它们统称为视线媒体。
3.传输媒体的选择
取决于以下诸因素；网络拓扑的结构、实际需要的通信容量、可靠性要求、能承受的价格范围。
4.基带同轴电缆与宽带同轴电缆
基带同轴电缆用于直接传输数字信号，阻抗为50Ω，基带同轴电缆的最大距离限制在几公里；宽带同轴电缆既可传输数字信号也可传输模拟信号，阻抗为75Ω，宽带电缆的最大距离可以达几十公里。
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