网络拓扑定义了设备在网络内的排列和连接方式。在影响计算机网络历史的各种拓扑中，环形拓扑占有独特的地位。尽管它在现代 LAN 中已被星型和网状设计所取代，但环形拓扑引入的概念仍然影响着当今的网络工程。本指南解释了什么是环形拓扑、它的工作原理、它的相关性以及它与其他常见网络布局的比较。
什么是环形拓扑？
环形拓扑是一种网络配置，其中 每个设备都恰好连接到另外两个设备，形成一个连续循环. 数据沿环向一个方向传输，依次经过各个设备，直至到达预定目的地。 环中的每个设备都充当中继器，接收传入信号，重新生成信号，并将其转发到下一个节点。
这个圆形排列意味着 没有中央集线器或交换机控制流量。相反，网络依赖于有纪律、有序的数据流，每个设备轮流传输。
环形拓扑的工作原理
环形网络的运行遵循一个简单而有效的过程。
单向数据流
在标准环形拓扑中， 数据包沿单一方向传输，顺时针或逆时针。当设备想要发送数据时，它将数据包放入环上。数据包从一个节点移动到另一个节点， 每个设备检查它是否是预期的接收者。如果数据不是发送到当前节点，则该节点会重新生成信号并将其传递到环中的下一个设备。
这种顺序转发将持续下去，直到数据包到达目的地。一旦传送，确认信息将绕环发送回发送者，并且传输被认为完成。
令牌传递
环形拓扑最著名的实现是 令牌环 协议，最初由IBM于20世纪80年代开发。令牌环使用称为令牌的小控制数据包，它在环上连续循环。
该过程的工作原理如下：
- 当没有设备传输时，空令牌在环中循环
- 当设备需要发送数据时，它会等待空令牌到达其端口
- 设备捕获令牌，将其数据有效负载与目标地址一起附加，并将修改后的令牌释放回环上
- 数据承载令牌绕环行进，直到到达目标设备
- 接收者复制数据并将令牌标记为已接收
- The token returns to the original sender, which verifies successful delivery and releases an empty token back onto the ring
这种令牌传递机制很优雅，因为它完全消除了数据冲突。 只有持有令牌的设备才能传输，保证网络通信有序且可预测。
双环（双向）配置
针对单环的漏洞， 双环拓扑使用两个反向旋转的环。数据通常在主环上传输，而从环作为备份。 如果电缆断裂或设备故障破坏了主环，网络可以自动将流量包装到辅助环上，保持连接。
光纤分布式数据接口 (FDDI)是 20 世纪 90 年代主要用于校园和城市主干网的网络标准，采用了这种双环方法。 FDDI 网络可以 跨度长达 200 公里，支持 100 Mbps 的数据速率，这对于那个时代来说是非常出色的表现。
环形拓扑的优点
环形拓扑具有多种优势，这也解释了其历史上的流行。
无数据冲突： 令牌传递机制保证一次只有一个设备进行传输，完全消除了困扰早期使用总线拓扑的以太网的冲突问题。
可预测的性能： 由于每个设备轮流传输，因此无论流量负载如何，网络性能都保持一致。多个设备同时传输不会导致速度突然下降。
平等机会： 环上的每个设备都有平等的机会传输数据。任何单个设备都不能独占网络带宽，这确保了所有连接节点的公平性。
信号再生： 每个设备都充当中继器，在转发信号之前重新生成信号。这使得环网可以跨越更远的距离，而无需专用的信号放大设备。
简化故障排除： 由于数据按照可预测的路径流动，因此隔离问题根源相对简单。如果数据无法到达目的地，则故障网段位于环形路径上的发送方和接收方之间的某个位置。
环形拓扑的缺点
尽管有这些优点，环形拓扑也有显着的缺点，导致其衰落。
单点故障： 在单向环中， 如果任何单个设备发生故障或任何电缆段断裂，整个网络就会瘫痪。每个节点对于维持环的连续性都至关重要，这使得网络变得脆弱。
困难修改： 添加或删除设备需要打破环，暂时扰乱整个网络。相比之下，星形拓扑允许您添加或删除设备而不影响其他连接。
延迟随着大小而增加： 数据必须经过每个中间节点 发件人和收件人之间。随着设备数量的增加，数据完成其旅程所需的时间也会成比例增加。
所有设备必须处于活动状态： 每个节点都必须开机并正常运行，环才能运行。一台关闭的计算机可能会断开电路并停止所有网络通信。
成本和复杂性： 令牌环硬件，包括物理连接设备的多站访问单元 (MAU)，比以太网设备更昂贵。再加上维持连续环路的布线要求，环形网络的部署和维护成本更高。
环形拓扑与其他拓扑
了解环形拓扑与其他设计的比较提供了有用的背景。
戒指与星星
在星形拓扑中， 所有设备都连接到中央交换机或集线器。如果一台设备发生故障，则只有该设备受到影响，而不是整个网络受到影响。 星形拓扑对于单个设备故障的恢复能力要强得多 并且更容易扩展，这就是它在现代 LAN 中占主导地位的原因。
环路与总线
总线拓扑连接 所有设备均连接至一条共享电缆。与环形一样，如果主电缆断裂，总线拓扑也会遭受单点故障。然而，总线拓扑更加简单且便宜。 Ring的优点是通过令牌传递消除冲突，这是总线拓扑无法做到的。
环形与网状
网状拓扑在设备之间提供多条冗余路径，提供 所有拓扑中最高的容错能力。然而，它也是实施起来最昂贵和最复杂的。环形拓扑更简单、更便宜，但弹性要差得多。
仍使用环形拓扑的地方
虽然令牌环 LAN 几乎完全被以太网取代，但环概念在多种现代技术中仍然存在。
SONET/SDH： 同步光网络和同步数字体系是支撑世界大部分电信骨干网的标准，它们使用环形架构来实现自愈光纤网络。当发生光纤切断时，流量会在几毫秒内自动绕环重新路由。
城域以太网环： 许多城域网使用以太网环网保护交换来为业务连接服务提供电信级冗余。
工业网络： 一些工业控制系统和制造环境仍然使用基于环的协议，因为它们具有确定性的性能特征，这对于实时机器控制至关重要。
RPR（弹性分组环）： 该 IEEE 标准优化了光纤环网络上的数据传输，将 SONET 环的弹性与基于数据包的数据传输的效率相结合。
结论
环形拓扑代表了计算机网络发展的重要篇章。它的令牌传递机制完美地解决了冲突问题，其可预测的性能使其在整个 20 世纪 80 年代和 90 年代的企业环境中都很可靠。然而，其易受单点故障影响、修改难度大以及成本较高，最终导致其在大多数 LAN 环境中被星型以太网所取代。
尽管环形概念在本地网络中的应用有所下降，但它仍然为世界各地的关键电信基础设施提供动力。了解环形拓扑可以为网络如何管理数据流、冗余和容错提供宝贵的见解，所有这些概念仍然是现代网络设计的核心。