網路拓撲定義了裝置在網路內的排列和連線方式。在影響計算機網路歷史的各種拓撲中，環形拓撲佔有獨特的地位。儘管它在現代 LAN 中已被星型和網狀設計所取代，但環形拓撲引入的概念仍然影響著當今的網路工程。本指南解釋了什麼是環形拓撲、它的工作原理、它的相關性以及它與其他常見網路佈局的比較。
什麼是環形拓撲？
環形拓撲是一種網路配置，其中 每個裝置都恰好連線到另外兩個裝置，形成一個連續迴圈. 資料沿環向一個方向傳輸，依次經過各個裝置，直至到達預定目的地。 環中的每個裝置都充當中繼器，接收傳入訊號，重新生成訊號，並將其轉發到下一個節點。
這個圓形排列意味著 沒有中央集線器或交換機控制流量。相反，網路依賴於有紀律、有序的資料流，每個裝置輪流傳輸。
環形拓撲的工作原理
環形網路的執行遵循一個簡單而有效的過程。
單向資料流
在標準環形拓撲中， 資料包沿單一方向傳輸，順時針或逆時針。當裝置想要傳送資料時，它將資料包放入環上。資料包從一個節點移動到另一個節點， 每個裝置檢查它是否是預期的接收者。如果資料不是傳送到當前節點，則該節點會重新生成訊號並將其傳遞到環中的下一個裝置。
這種順序轉發將持續下去，直到資料包到達目的地。一旦傳送，確認資訊將繞環傳送回傳送者，並且傳輸被認為完成。
令牌傳遞
環形拓撲最著名的實現是 令牌環 協議，最初由IBM於20世紀80年代開發。令牌環使用稱為令牌的小控制資料包，它在環上連續迴圈。
該過程的工作原理如下：
- 當沒有裝置傳輸時，空令牌在環中迴圈
- 當裝置需要傳送資料時，它會等待空令牌到達其埠
- 裝置捕獲令牌，將其資料有效負載與目標地址一起附加，並將修改後的令牌釋放回環上
- 資料承載令牌繞環行進，直到到達目標裝置
- 接收者複製資料並將令牌標記為已接收
- The token returns to the original sender, which verifies successful delivery and releases an empty token back onto the ring
這種令牌傳遞機制很優雅，因為它完全消除了資料衝突。 只有持有令牌的裝置才能傳輸，保證網路通訊有序且可預測。
雙環（雙向）配置
針對單環的漏洞， 雙環拓撲使用兩個反向旋轉的環。資料通常在主環上傳輸，而從環作為備份。 如果電纜斷裂或裝置故障破壞了主環，網路可以自動將流量包裝到輔助環上，保持連線。
光纖分散式資料介面 (FDDI)是 20 世紀 90 年代主要用於校園和城市主幹網的網路標準，採用了這種雙環方法。 FDDI 網路可以 跨度長達 200 公里，支援 100 Mbps 的資料速率，這對於那個時代來說是非常出色的表現。
環形拓撲的優點
環形拓撲具有多種優勢，這也解釋了其歷史上的流行。
無資料衝突： 令牌傳遞機制保證一次只有一個裝置進行傳輸，完全消除了困擾早期使用匯流排拓撲的乙太網的衝突問題。
可預測的效能： 由於每個裝置輪流傳輸，因此無論流量負載如何，網路效能都保持一致。多個裝置同時傳輸不會導致速度突然下降。
平等機會： 環上的每個裝置都有平等的機會傳輸資料。任何單個裝置都不能獨佔網路頻寬，這確保了所有連線節點的公平性。
訊號再生： 每個裝置都充當中繼器，在轉發訊號之前重新生成訊號。這使得環網可以跨越更遠的距離，而無需專用的訊號放大裝置。
簡化故障排除： 由於資料按照可預測的路徑流動，因此隔離問題根源相對簡單。如果資料無法到達目的地，則故障網段位於環形路徑上的傳送方和接收方之間的某個位置。
環形拓撲的缺點
儘管有這些優點，環形拓撲也有顯著的缺點，導致其衰落。
單點故障： 在單向環中， 如果任何單個裝置發生故障或任何電纜段斷裂，整個網路就會癱瘓。每個節點對於維持環的連續性都至關重要，這使得網路變得脆弱。
困難修改： 新增或刪除裝置需要打破環，暫時擾亂整個網路。相比之下，星形拓撲允許您新增或刪除裝置而不影響其他連線。
延遲隨著大小而增加： 資料必須經過每個中間節點 發件人和收件人之間。隨著裝置數量的增加，資料完成其旅程所需的時間也會成比例增加。
所有裝置必須處於活動狀態： 每個節點都必須開機並正常執行，環才能執行。一臺關閉的計算機可能會斷開電路並停止所有網路通訊。
成本和複雜性： 令牌環硬體，包括物理連線裝置的多站訪問單元 (MAU)，比乙太網裝置更昂貴。再加上維持連續環路的佈線要求，環形網路的部署和維護成本更高。
環形拓撲與其他拓撲
瞭解環形拓撲與其他設計的比較提供了有用的背景。
戒指與星星
在星形拓撲中， 所有裝置都連線到中央交換機或集線器。如果一臺裝置發生故障，則只有該裝置受到影響，而不是整個網路受到影響。 星形拓撲對於單個裝置故障的恢復能力要強得多 並且更容易擴充套件，這就是它在現代 LAN 中占主導地位的原因。
環路與匯流排
匯流排拓撲連線 所有裝置均連線至一條共享電纜。與環形一樣，如果主電纜斷裂，匯流排拓撲也會遭受單點故障。然而，匯流排拓撲更加簡單且便宜。 Ring的優點是透過令牌傳遞消除衝突，這是匯流排拓撲無法做到的。
環形與網狀
網狀拓撲在裝置之間提供多條冗餘路徑，提供 所有拓撲中最高的容錯能力。然而，它也是實施起來最昂貴和最複雜的。環形拓撲更簡單、更便宜，但彈性要差得多。
仍使用環形拓撲的地方
雖然令牌環 LAN 幾乎完全被乙太網取代，但環概念在多種現代技術中仍然存在。
SONET/SDH： 同步光網路和同步數字體系是支撐世界大部分電信骨幹網的標準，它們使用環形架構來實現自愈光纖網路。當發生光纖切斷時，流量會在幾毫秒內自動繞環重新路由。
城域乙太網環： 許多都會網路使用乙太網環網保護交換來為業務連線服務提供電信級冗餘。
工業網路： 一些工業控制系統和製造環境仍然使用基於環的協議，因為它們具有確定性的效能特徵，這對於實時機器控制至關重要。
RPR（彈性分組環）： 該 IEEE 標準最佳化了光纖環網路上的資料傳輸，將 SONET 環的彈性與基於資料包的資料傳輸的效率相結合。
結論
環形拓撲代表了計算機網路發展的重要篇章。它的令牌傳遞機制完美地解決了衝突問題，其可預測的效能使其在整個 20 世紀 80 年代和 90 年代的企業環境中都很可靠。然而，其易受單點故障影響、修改難度大以及成本較高，最終導致其在大多數 LAN 環境中被星型乙太網所取代。
儘管環形概念在本地網路中的應用有所下降，但它仍然為世界各地的關鍵電信基礎設施提供動力。瞭解環形拓撲可以為網路如何管理資料流、冗餘和容錯提供寶貴的見解，所有這些概念仍然是現代網路設計的核心。