网络原理-网络拓扑与多路访问和路由协议

一、网络拓扑

计算机网络拓扑(Computer Network Topology)是指由计算机组成的网络之间设备的分布情况以及连接状态.把它两画在图上就成了拓朴图.一般在图上要标明设备所处的位置,设备的名称类型,以及设备间的连接介质类型.它分为物理拓朴和逻辑拓朴两种。

计算机网络的拓扑结构，即是指网上计算机或设备与传输媒介形成的结点与线的物理构成模式。网络的结点有两类：一类是转换和交换信息的转接结点，包括结点交换机、集线器和终端控制器等；另一类是访问结点，包括计算机主机和终端等。线则代表各种传输媒介，包括有形的和无形的。
计算机网络的拓扑结构主要有：总线型拓扑、星型拓扑、环型拓扑、树型拓扑、网状拓扑和混合型拓扑。

目前流行的以太网支持星型拓扑和总线型拓扑。

图中的总线网两端的匹配电阻吸收在总线上传播的电磁波信号能量，避免在总线上产生有害的电磁波反射。

最初的以太网是将许多计算机都连接到一根总线上。当初认为这样的连接方法既简单又可靠，因为总线上没有有源器件。

以太网的广播方式发送

总线上的每一个工作的计算机都能检测到 B 发送的数据信号。
由于只有计算机 D 的地址与数据帧首部写入的地址一致，因此只有 D 才接收这个数据帧。
其他所有的计算机（A, C 和 E）都检测到不是发送给它们的数据帧，因此就丢弃这个数据帧而不能够收下来。
具有广播特性的总线上实现了一对一的通信。

上面的总线型，可以清楚说明总线型网络存在干扰和冲突。
干扰(interference)：两个或者两个以上结点同时传输。
冲突(collision)：结点同时接收到两个或者多个信号→接收失败！

以太网提供的服务

以太网提供的服务是不可靠的交付，即尽最大努力的交付。
当目的站收到有差错的数据帧时就丢弃此帧，其他什么也不做。差错的纠正由高层来决定。
如果高层发现丢失了一些数据而进行重传，但以太网并不知道这是一个重传的帧，而是当作一个新的数据帧来发送。

而总线型采用半双工模式。连接到交换机时。交换机负责内外两边信息的传输。这个时候，就有一个冲突。如果两端的信息都往交换机传输呢。所以，我干扰估计，交换机上面应该采用的时分复用来控制两端的信息收发。没发送的信息应该是缓存起来了，等到了时间片，继续发送。【很明显，互联网应该是全双工模式，连接到互联网的局域网可能是半双工也可能是全双工】

为了能够使众多用户能够合理而方便地共享通信媒体资源，所以需要考虑共享信道的问题。

共享信道在技术上有两种实现方法:

静态划分信道
- 频分复用
- 时分复用
- 波分复用
- 码分复用
动态媒体接入控制（多点接入）
- 随机接入：用户可随机发送信息，但是如果多个用户在同一时刻发送信息，那么再共享媒体上就要产生碰撞（冲突），似的这些用户都发送失败，所以必须要有解决碰撞的网络协议。比如 CSMA/CD 以太网的控制方式
- 受控接入：用户不能随意发送信息，必须服从一定的控制，比如有分散控制的令牌环局域网和集中控制的多点线路探询（轮询）

采用静态划分信道可以解决问题，用户只要分配到了信道就不会和其他用户发生冲突。但是这种划分信道的方法代价高，不适合局域网使用。（所以ADSL频分复用那部分线路，都是运营商来负责的）

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半双工以太网采用CSMA/CD协议，以防止产生冲突。全双工以太网由于发送和接收数据是在不同的电缆线上完成，因此不会产生冲突。全双工以太网可以用于如下三种情况：交换机到主机、交换机到交换机、用交叉电缆的主机到主机。请记住：在全双工模式下，不会有冲突域、专用的交换机端口可用于全双工节点、主机的网卡和交换机端口必须能够运行在全双工模式下

二、网络访问

因为计算机网络拓扑不同，可以分为多路访问【点到多点访问】和点对点访问。

1、多路访问：一个点连接多个点。
2、点对点访问：一个点只连接一个点。

本质上区分：网络是否共享传输介质。总线型网络可以也可以看成点到多点访问。

根据两种分类，设计了数据链路层协议：

1、点对点链路：PPP协议，关于HDLC的问题。（HDLC可以通过原始主从模式正常响应模式（NRM）和异步响应模式（ARM）用于点对多点连接，但它们现在很少使用; 现在几乎只使用异步平衡模式（ABM）将一个设备连接到另一个设备。）

2、多路访问链路：

支持广播

（1）、广播多路访问：以太网，WLAN，令牌环网、ARCNET、FDDI 。

参考：
发送Beacon广播管理帧http://www.cnblogs.com/littlehann/p/3700357.html
https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%BC%80%E6%94%BE%E5%BC%8F%E6%9C%80%E7%9F%AD%E8%B7%AF%E5%BE%84%E4%BC%98%E5%85%88）
FDDI采用了和令牌环网中令牌环（token-ring）相似的方式，ARCNET采用令牌总线(token-bus），和令牌环相似，估计也是广播形式，引用的确是广播。http://www.kepuchina.cn/wiki/ct/201803/t20180306_555756.shtml

不支持广播：【唯一的疑问的X.25是点多点访问，理论上不是多路访问，存疑】

（2）、非广播多路访问（NBMA）：帧中继（FR）、X.25和异步传输模式(ATM）。

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核心总结：只有共享介质的情况下，才会出现下面的问题【干扰和冲突】。

干扰(interference)：两个或者两个以上结点同时传输。
冲突(collision)：结点同时接收到两个或者多个信号→接收失败！

说明：对于一对一访问的情况下，介质是独占的,不会出现干扰和冲突。至于两边是否会同时发送信息，从而导致碰撞问题。解决办法：

1、只用一个回路（两条线）：

（1）采用时分复用，时间片轮流，两端收发状态互换，同一时刻只有一端发另一端只能收。因为时隙都很短，我们用起来感觉上是收发同时进行的。

（2）采用传递模拟电信号（双线电话模拟信号）实现全双工，两端可以同时收发。

2、用两个回路（四条线）：

这个一般用在数字电信号里面，一个回路用来发信号，一个回路用来收信号。

关于光纤，一根光纤，可以利用波分复用，实现两端同时收发。

关于无线网，要看无线网卡是两根天线还是一根天线。两根天线相当于两个回路，一个回路收，一个回路发。一个天线，基本用的是时分复用，同一时刻只有一端在发。当然目前有实验室的demo，可以用一根天线实现双方同时发，用的是电磁波混合。在接收端，顺便过滤掉自己的电磁波。这样就只剩下对方的电磁波了。

GSM上网也就是2G上网：采用TDMA，时分双工（即半双工），因为时隙都很短，我们用起来感觉上是收发同时进行的。GSM中采取收发有三个时隙间隔的方式。

然后我们在考虑多路访问情况下，多路访问主要问题就是占用介质。

1、采用静态划分信道的办法。时分复用，频分复用，波分复用，码分复用。

2、动态信道划分：（1）随机访问（2）轮转

这样子，多路访问的干扰和冲突就解决了，也就是解决了占用介质问题。

接下来，该考虑双方是否会同时发送信息，导致碰撞。这就回到了一对一两端信号同时发送产生碰撞的问题。

【最典型的例子：无线网中，采用的TDMA 时分复用技术，时分双工（即半双工），发送和接收不能同时进行，但是对我们上网是不受影响的，发送和接收数据所占用的时隙都很短，我们用起来感觉上是收发同时进行的。当有多个无线设备，接入时，采用CSMA/CA 决定介质占用权。】

三、通信方式

在计算机入门必备常识中，已经提到过：

计算机网络中传输的信息都是数字数据，计算机之间的通信就是数据通信方式，数据通信是计算机和通信线路结合的通信方式。在数据通信中，按每次传送的数据位数，通信方式可分为：并行通信和串行通信。

并行通信是一次同时传送8位二进制数据，从发送端到接收端需要8根传输线。并行方式主要用于近距离通信，如在计算机内部的数据通信通常以并行方式进行。这种方式的优点是传输速度快，处理简单。
串行通信一次只传送一位二进制的数据，从发送端到接收端只需要一根传输线。串行方式虽然传输率低，但适合于远距离传输，在网络中（如公用电话系统）普遍采用串行通信方式。

对于前面提到的多路访问

面向点对点的：PPP协议（一对一独占介质，不存在干扰和冲突；全双工，不存在两边同时发信息而导致碰撞）
至于PPPOE（在Ethernet帧内部封装PPP），PPPOA（在ATM网络中封装PPP）。目前暂时不清楚，PPPOE，PPPOA,拨号成功后，是否会一直保留会话层。按照推理来说，拨号成功后，PPP隧道会一直存在，直到电脑关机。以后找一个办法，测试看看。

面向多路访问的：
—–可能会出现两个问题—–
干扰(interference)：两个或者两个以上结点同时传输。
冲突(collision)：结点同时接收到两个或者多个信号→接收失败！

其实多路访问的核心问题就是，共享传输介质的问题。不共享传输介质就不会出现干扰和冲突。（解决的问题是如何共享传输介质，并且不会出现干扰和冲突）

一根光纤（一根光纤里面就一条通路），可以采用WDM（波分复用技术），双向同时传递光信号，光信号终端会解码成数字信号。这样就能双向传输信号，实现全双工，不会发生干扰和冲突。

一根电话线（里面有两根导线，如果传递数字信号只能半双工，如果传递模拟信号，可以借用2/4线转换器实现全双工。）

一根网线：

同轴电缆情况，里面有电芯和外面的网状金属层，可以实现一个回路。在传递数字信号时，半双工。传递模拟信号的话，可以和电话线那样。

双绞线情况，有许多种不同的标准适用于这种基于的铜线的物理媒介。最广泛使用的包括10BASE-T、100BASE-TX和1000BASE-T (吉比特以太网), 速率分别为10 Mbit/s, 100 Mbit/s, and 1000 Mbit/s (1 Gbit/s)。这三种标准都使用相同的连接头。也有适用于光纤的以太网。以前家里常见的是100BASE-TX（熟称cat5；五类线），支持100M/s,使用4根线（8根线用了4根线，其他4根线没有用），等于两对线，一对线用于输出数字信号，一对线用于接收数字信号，实现全双工。目前常见的是cat5e（超5类线，可以传1000M/s）

以太网在使用双绞线作为传输介质时只需要2对(4芯)线就可以完成信号的发送和接收。在使用双绞线作为传输介质的快速以太网中存在着三个标准：100Base-TX、100Base-T2和100Base-T4。其中：100Base-T4标准要求使用全部的4对线进行信号传输，另外两个标准只要求2对线。而在快速以太网中最普及的是100Base-TX标准，所以你在购买100M网络中使用的双绞线时，不要为图一点小便宜去使用只有2个线对的双绞线。在美国线缆标准(AWG)中对3类、4类、五类和超五类双绞线都定义为4对，在千兆位以太网中更是要求使用全部的4对线进行通信。所以，标准五类线缆中应该有4对线。

星型网络拓扑下，每台主机连接hub，逻辑上还是连的总线型。

现在考虑环形网络和总线型网络：

令牌环网和总线型网络，其实连接主机的分线，可以看做是从hub上分离出来的。

令牌环网，通过令牌，来避免数据包的干扰和冲突。

总线型，以前用同轴电缆作为主线，分线处采用BNC-T型连接器连接主机。（和hub的功能差不多，主线用的是同轴电缆，分线其实没有用电缆而是直接将T型口插入电脑的接口中）参考：https://books.google.com/books?id=9-kAI9-VwDsC&pg=PA129&lpg=PA129&dq=BNC+%E4%B8%8A%E7%BD%91&source=bl&ots=BeWOmrptGp&sig=1X832lp3gHyC83EwOoGKyi7iUbQ&hl=zh-CN&sa=X&ved=2ahUKEwjSnYeApdvcAhXTA4gKHX9nAFAQ6AEwC3oECAQQAQ#v=onepage&q=BNC%20%E4%B8%8A%E7%BD%91&f=false

这种半双工总线型网络，采用CSMA/CD 来避免发生数据包干扰和冲突。

现在估计都用双绞线了吧，分线可能都是交换机了，所以和星型差不多了，而且还是全双工，所以不需要CSMA/CD了。

好了，整理一下，多路访问共享介质的方法。

1.1多路访问控制协议(multiple access control protocol)

采用分布式算法决定结点如何共享信道，即决策结点何时可以传输数据
必须基于信道本身，通信信道共享协调信息！
无带外信道用于协调

1.2 理想MAC协议

给定：速率为R bps的广播信道

期望：

当只有一个结点希望传输数据时，它可以以速率 R发送.
当有M个结点期望发送数据时，每个节点平均发送数据的平均速率是R/M
完全分散控制:
• 无需特定结点协调
• 无需时钟、时隙同步
简单

1.3 MAC协议分类

三大类：

信道划分(channel partitioning)MAC协议
- 多路复用技术
- TDMA、 FDMA、 CDMA、 WDMA等
随机访问(random access)MAC协议
- 信道不划分，允许冲突
- 采用冲突“恢复”机制
轮转(“taking turns” )MAC协议
- 结点轮流使用信道

多路访问更多详细内容，可以参看本站的相关文章。

四、路由协议

因为内网节点多了，各种网络拓扑结构可能组合在一起了，时间久，内网的路由器就变多了。这个时候，需要在内网中选举一台路由器最为内网核心路由器，还有一台作为备份。这样做可以提高整个内网数据包路由速度，缩短内网路由路径。

这个协议就叫 OSPF 属于 GP（内部网关协议）。

IGP（内部网关协议）是在一个自治网络内网关（主机和路由器）间交换路由信息的协议。路由信息能用于网间协议（IP）或者其它网络协议来说明路由传送是如何进行的。IGP协议包括RIP、OSPF、IS-IS、IGRP、EIGRP。

借此，介绍一下路由协议。

路由协议通过在路由器之间共享路由信息来支持可路由协议。路由信息在相邻路由器之间传递，确保所有路由器知道到其它路由器的路径。总之，路由协议创建了路由表，描述了网络拓扑结构；路由协议与路由器协同工作，执行路由选择和数据包转发功能。

路由选择协议主要是运行在路由器上的协议，主要用来进行路径选择，路由协议工作在网络层。

路由协议分类：

1、IGP（内部网关协议）

在一个AS（Autonomous System，自治系统，指一个互连网络，就是把整个Internet划分为许多较小的网络单位，这些小的网络有权自主地决定在本系统中应采用何种路由协议）内的路由协议称为内部网关协议（interior gateway protocol）

正在使用的内部网关路由协议有以下几种：RIP-1，RIP-2，IGRP，EIGRP，IS-IS和OSPF。其中前3种路由协议采用的是距离向量算法，IS-IS和OSPF采用的是链路状态算法,EIGRP是结合了链路状态和距离矢量型路由选择协议的Cisco私有路由协议。对于小型网络，采用基于距离向量算法的路由协议易于配置和管理，且应用较为广泛。

但在面对大型网络时，不但其固有的环路问题变得更难解决，所占用的带宽也迅速增长，以至于网络无法承受。因此对于大型网络，采用链路状态算法的IS-IS和OSPF较为有效，并且得到了广泛的应用。IS-IS与OSPF在质量和性能上的差别并不大，但OSPF更适用于IP，较IS-IS更具有活力。IETF始终在致力于OSPF的改进工作，其修改节奏要比IS-IS快得多。这使得OSPF正在成为应用广泛的一种路由协议。不论是传统的路由器设计，还是即将成为标准的MPLS（多协议标记交换），均将OSPF视为必不可少的路由协议。

2、外部网关协议（Exterior Gateway Protocol，EGP）

AS之间的路由协议称为外部网关协议（exterior gateway protocol）。这里网关是路由器的旧称。

外部网关协议最初采用的是EGP。EGP是为一个简单的树形拓扑结构设计的，随着越来越多的用户和网络加入Internet，给EGP带来了很多的局限性。为了摆脱EGP的局限性，IETF边界网关协议工作组制定了标准的边界网关协议–BGP。

备注：BGP从功能划分上来说，属于外部网关协议。EGP应该已经淘汰了。

五、OSPF简单介绍

开放式最短路径优先（英语：Open Shortest Path First，缩写为 OSPF）是内部网关协议的一种。

所有的“多路访问”网络类型（具体就是 broadcast 和 NBMA ）的网络上，只要有2个或以上的 OSPF 路由器，就需要选举 DR 和 BDR。
OSPF 里的broadcast和nbma这两种网络类型看上去写法差异很大，实际就可以这样记忆， broadcast 就是 BMA （广播多路访问），NBMA（非广播多路访问）。B和NB，决定是否动态发现邻居还是手工指定，MA决定了这两种方式都要选举 DR。

OSPF相关概念介绍：

路由器ID（RID）：是用来标识此路由器的IP地址。选举方法，1、以环回接口中最高IP地址来当RID；2、如果没有配置环回地址，以所有激活的物理接口中最高的IP地址为RID。

广播多路访问：广播网络允许多个设备连接（或访问）到同一个网络上（即这个网络允许广播的性质（以太网），说明这个网络可以支持多个设备同时接入），并通过将单一数据包投递到网络中所有的结点来提供广播能力，如以太网。在OSPF中，每个广播多路访问网络都必须选出一个DR和一个BDR。

非广播多路访问（NBMA）：非广播多路网络是那些诸如帧中继、X。25和异步传输模式(ATM）等类型的网络。这此网络允许多路访问，但不具备以太网那样的广播能力。因此，要实现恰当的功能，NBMA网络需要特殊的OSPF配置，并且邻居关系必须详细定义。

指定路由器（DR）：指当路由器被连接到同一多路访问网络时，都需要一个指定路由器DR。典型的例子就是以太局域网。为了使建立的邻接关系的最小化，就需要在此局域网的多个路由器中挑选出一个DR，它负责将路由选择信息颁发到广播网络或链路中其他路由器上，或收集其他路由器的路由选择信息。具有相同优先级的路由吕中选择DR时，拥有最高路由器ID的路由器将成为DR。

备用指定路由器(BDR):指多路访问链路上随时准备着的待命的DR。它从OSPF邻接路由器上接收所有的路由更新，但并不泛发链路信息状态（LSA)。

配置OSPF中DR、BDR选举方法：

不选举情况：网络拓扑图中没有广播多路访问网络，这个拓扑图属于点到点链路就不需要选举DR、BDR。点到点链路指网络不支持广播传输数据只能点对点传输数据（如，路由器通过Serial口相连，Serial口没有MAC地址的，不属于以太网，不能广播）。如下图，

Router4#sh ip ospf neighbor

Neighbor ID Pri State Dead Time Address Interface
192.168.2.1 0 FULL/ – 00:00:33 1.1.3.1 Serial0/3/0

选举情况：在OSPF中，每个广播多路访问网络都必须选出一个DR和一个BDR。下图中路由器通过以太网接口interface GigabitEthernet0/1连接。属于广播多路访问。