系 统 工 程 学 报
1989年 4卷 第 2期 JOURNAL OF SYSTE／~S ENGINEERING 1989 Vol 4 No 2
局部 网络的一种结构化设计方法 学
李 腊 元
(武汉水运工程学院)
摘 要
本文提 出 了一种 结 构化 局部 同络 设 计方 法 学 (SDMLN) 它 能将 一
个 复杂模 糊 的局部 网络设 计工程 自硒向 下地 连次 分解成若 干个 简单，具体
的作 业， 能精 确 定 义各种 需 求规 范，综 合 考虑影 响局 同设计的 大量 复杂的
因素 ，提 供 完整清 晰的设 计 文档和 最优 局 网设计方 案。 该设计 方法学 已通
过 结构 分析和 设计方 法得 以实现。研 究表 明，SDM LN 是 适应 于 大型 复杂
局部 网络 的一种 有效 的设计方 法学。
A STRUCTURED DESIGN M ETH oDoLo GY
Fo R Lo CAL NETW O RKS
Li Layuan
tw uhan University of W ater Transpo~ation Engineering
Abstract
A Structured design methodology for local networks(SDM LN)is
presented。 A complex and fuzzy project for 1ocal networks design can
be decom posed into some simple and particular activities by using the
SDM LN 。 The SDM LN allows rigorous requirement definition and
permits the exhaustive consideration of large number of factors influ．
encing local network design。 The complete and clear design
documentation and an optimal design can also be provided by this
methodology。 The SDM LN has been implemented by using the struc-
tured analysis and design technique．The study shows that the SDM LN
is an effective design methodology for large and complex local networks．
①本文于1988年9月20收到
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系统工程学报
1989 年 4 茜第 2 期 JOURNAL OF SYSTEMS ENGI"lEERING 1989 VoL4 No.~
局部同绪的一种结构化设计方法学
李瑞元
(武汉水运工程学器重p
摘要
本主提出了一种结询先马部网络设计方法学 ISDMLNλ 它能将一
个复杂模朝的苟部网络运计工程自 rjj 向下地逗次分毒草或若干个简单嘻具体
的作业.能精确定义各种需求延范.综合考虑影响苟同设计的大量复杂约
民章，提供完整清睹的运计丈幸主和最先苟同设计方案，该注计方法学乙通
过结构分析和运计方法得叫实现e 研究表 OJl 哩 SDMLN 是适应于大空革杂
乓部网络的一种有妓的运jt方法学~1
A STRUCTURED DESIGN 真tETHODOLOGY
FOR LOCAL NETWORKS
Li Layuan
口Nuhan U阳、erslly of 飞Wa1er Tranl'opOTlalWfl Engl旦eenngl
Abstrac雹
A Structured design methodology for local net到rorks (SDMLN) ís
presented. A complex and fuzzy project for local networks design can
be decomposεd into some simple and partícular activities by using the
SDMLN. The SDMLN allo羽 s ngorous req Ul自由ent definition and
permits the exhaustive consideratíon of large number of factors in且u
encing local net宵。rk design. The complete and clear design
documentation and an optimal design can also be províded by this
methodology. The SDMLN bas b四n implemented by u臼ng the struc-
tured analysis and design technique _ The study shows that tbe SDMLN
is an effective design methodology for large and complex local net节orks.
.U本文f198昌年9月 20收到
,
1989正 局部网络的一种结构化设计方法学 6l
1 引 言
局部网络已成为现代计算机科学与工程中正迅速发展的新兴学科和技术之一，也是计
算机应用 的一种重要支持环境 目前它已广泛用于三 A：办公 自动化(oA)，工厂 自动化
(FA)和研究所 自动化(LA) 。从应用的服务类型末看，涉及 的面 El益拓宽，如基于局网
环境的经济信 息系统(EIS)、管理信 息系统(M1s)、办公信息 系统(ois)、决策支持系统
fDSS)、CAD／CAM，知识程序设计 、数据知识工程、人工智能 与专家系统、并行处理
与分布式系统等 从应用的信息性质末说，包括数据、语音、和图象等综合信息。信息需
求量也 日趋增大。随着计算机系统工程，包括硬件工程和软件工程的不断发展，局部网络
的计算机系统种类也愈末愈多，从微型机、个人计算机到超级计算机，从多指令系统计算
机到精简指令系 统计算机 (RISC)，从 同构型系统到各种异构型系统。作为一门新兴学
科，局部网络本身与其它学科的交叉渗透也日益加剧，例如它与通信、 自动化、人机工程
等学科的结合越宋越紧密 因此，无论是从应用环境还是从局部网络本身末考虑，要想设
计出满足上述各种因素的局部网络决非轻而易举之事。它将是一项复杂的系统工程 本文
旨在提出一种局部网络设计方法学 它从系统工程的观点出发，以 自顶向下逐步求精的形
式，统筹规划局部网络的设计作业。它能简化设计过程、缩短设计周期 能在局网设计过
程中不断协调各阶段 目标，以最终实现整体 目标。
2 结 构 分 析与 设 计方 法
D．T Ross等人于七十年代 中期首先发表了结构分析与设计方法(SADT)的概念 “
目前它已广泛用作系统定 义，软件需求分析，以及系统或软件设计和开发的一种工具 。
SADT主要包括分解系统或软件功能的一系列方法，一套图形语 言和使 用这些语言的语
法规则 SADT的基本思想是将表示一个系统全体映象的黑盒，按 自顶向下的形式 ，模
块化、结构化地逐层分解为若干个简单 的子盒。每个盒都可由其特定 的 ICOM 代码表征
其映象的物理含义。若用数学语言末描述，每个盒均可用一个代数式末表征，即
A×X+B=Y。其中 x 表示 ICOM 代码 中的输入 变量，A 和 B表示控 制参数，算 符
x、+和运算本身表示变换 的机制，Y即表示输 出结果。SADT图形语言有时也称作结构
分 析 (sA)语 言 ， 它 由 一 系 列 SA 图 形 组 成 。 SA 图 形 可 分 为 两 种 类 型 ： 作 业 图
(actigram)和数据图 (datagram) 在作业图中，盒表示作业，箭头表示数据 数据图中
盒与箭头表示 的内容与作业图正好相反。 目前 SADT共有 40末种 图形语 言的基本结构。
本文讨论 的局部网络设计方法学可通过 SADT的作业图末具体实现，但不同的是箭头不
仅可 以表示数据，而且还可表示资料、经验和知识等信息流。
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,
、
1989 年 局部网络始 种结构化设计方法学
1 引 言=-0=司
61
局部网络己成为现代计算机科学与工程中正迅速发展的新兴学科和技术之一、也是计
算机应用的一种重要支持环境s 吕前它已广泛用于三 A: 办公自动化tOA)，工厂臼动化
tFA}和研究所自动化tLA) 旧。从应用的Ofl.务类型来看.涉及的西日益拓宽，如基于局网
环境的经济信息系统tEI引、管理信息系统tMIS)，办公信息系统tOIS)，决策支持系统
tDSS)、 CAD/CAM电知识程序设计、数据知识工程、人王智能与专家系统、并行处理
与分布式系统等 5 从应用的信息性质来说，包括数据、语音、和m象等综合信息。信息需
求量也日趋增大，随着计算机系统工程、包括硬件工程和软件工程的不断发展.局部湾络
的计算机系统种类也愈来愈多，从数型机、个人计算机到超级计算机、从多指令系统计算
视到辖简指令系统计算机 tRISC) ，从同构型系统到各种异构型系统。作为一门新兴学
科，局部网络本身与其它学科的交叉渗透也日益加剧，例如它与通信、启动化、人机工程
等学科的结合越菜越紧密a 西此嘻无论是从应用环境还是从局部网络本身末考虑、要想设
汁出满足上述各种因素的局部网络决非轻而易举之事理它将是一项复杂的系统工程e 本文
写在提出一种局部网络设计方法学2 它从系统工程的观点出发，以自顶向下逐步求精的形
式、统筹规划局部网络的设计作业雹它能简化设计过程2 缩短设计局期e 能在局同设计过
程中不跟协调各阶段目标，以最终实现整体目标。
2 结辑分析与最计方法
D丁 Ross 等人于七十年代中黯首先发表了结构分析与设计方法tSADη的镜念山=
目前它已广泛用作系统定义噎软件需求分析、以及系统或软件设计和开发的一种工具E
SADT 主要包括分解系统或软件功能的一系列方法，→套图形语言和使照这些语言的语
法主盟员'L SADT 的基本思想是将表示一个系统全体殃象的黑盒.按自顶向下的形式鲁模
块化、结构化地逐层分解为若干个药单的子盒。每个盒都可由其特定的 ICOM 代码表证
其殃象的物理含义p 苦用数学语言素描述、每个盒均可用一个代数式未表征、 llP
AxX+B=Y。其中 X 表示 ICOM 代码中的输入变量 A 和 B 表示控制参数，算符
x、+和运算本身表示变换的机制， Y llP表示输出结果， SADT 图形语言有时也称作结构
分析 tSA)语言，艺出一系列 SA 图形组成。 SA 图形可分为两种类型-作业理
tactigram) 和数据因 tdatagram扎在作业望目中‘盒表示作业，箭头表示数据。数据闺中
盒与箭头表示的内容与作业因正好相反。目前 SADT 共有 40 来种图形语言部基本结构z
本文讨论的局部网络设计方法学可通过 SADT 的作业图未具体实现司但不同部是箭头不
仅可以表示数据，而且还可表示资料、经验和知识等信息流.
～ 62一 系 统 工 程 学 报 第 2期
3 局 部 网络 设 计方 法 学
局部网络设计工程的顶层逻辑结构 图如 图 l所示。按照 SADT的观点，图 l所示 的
黑盒为系统的全体映象。它可分解成若干个更详细的子盒。其相应的 IcoM 代码及含义
分别为： I表示输入，即用户需求。C表示控制，即指局网设计员的知识经验，所采取的
有关市场策略，以及所应遵循的国际局网标准。 目前，世界范 围内已建立了多种局网标
准。建 立标 准 的有关 组织 及 相应 的 标准 主 要包 括 1EEE802、[SO、ECMA、ANsJ、
CBEMA、DOD、DIX、11oP、MAP和 FDD1等。但其中最具有通用性 和权威性的还
要算 [EEE802和 ISO。图 l中，o表示输出，即局部网络，M 表示机制，这里用局部网
络设计员表征。局网设计工程主要可划分为三个阶段：定义规范、设计和测试运行维护。
图 2表示局网设计工程的阶段划分作业图，它主要由三个盒组成，这些盒由图 l中的黑盒
进一步分解而末。下面我们对每个阶段所要实现的目标和应提供的有关逻辑功能分别加以
讨论
3．1定义规范
本 阶段由局 网设计 员 向用 户调
查，进行需求分析。在此基础上，根
据所具备的计算机系统工程，包括硬
件工程和软件工程等知识经验 ” ，
以及市场策略，提出局网系统的技术
功能规范和环境规范。它具体又可分 I用
解成五种作业：功能需求分析、环境
需求分析、信息需求分析，配置需求
分析和评审规范 图 3表示定义规范
阶段所包括的几种典型作业。它们可
视为图 2中定义规范盒(双亲盒)所分
解而成的五个子盒。
，、 功 能需 求 分 析
图 1局 同设计顶层结掏图
功能需求分析要解决的主要问题是用户所设计的局网究竟要做什么，即实现什么样的
功能，提供何种类型的服务。这些功能和服务通常包括：报表处理、汉字信息处理、电子
邮件、语音邮件 、图形或图象处理 、传真、打 印服务、文件服务、数据库服务、数据录
入、数据交换、办公信息系统(O1S)，经济信息系统(EIS)、MIS、DSS、知识库服务、专
家系统服务等等。上述这些服务均可看成是一种输入负荷，它们具有各 自的统计特征 这
些统计特征与信包数量和长度密切相关，且影响到吞吐量、延迟、作用负荷和信道利用率
等局网主要性能指标(见表 1)。表 l中假设信道容量 c为 1000帧 ／秒，发送帧的平均丢
失率为 1％，且 要求重发 ，那 么在 I=100的情况下，每秒将会有一 帧要重发， 即有
S 100、G=10l。又设数据是成批到达，且每隔一秒到达一批 。这样就平均而言，当 I
=100时，D=0．0505，信道利用率 s／C=0．1。表 l中最后两行可这样末解释 ，即当 I
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一-62 系统工程字报 第2 蜓
3 局部同结设计方法学
局部网络设计王程的顶层逻辑结构图如图 I 所示.按照 SADT 吉~;\重点，因 1 所示剖
黑盆为系统的全体陕象。它可分解成若干个更详绪的子盒。其相应部 ICOM 代码及含义
分别为‘ E 表示输入，那用户需求。 C 表示控制， ~p指局同设计员的知识经验，所采取的
有关市场策略，以及所应遵循的国际局网标准n 目前、世界范蜜内已建立了多种局网标
准也建立标准的有关组织及格应的标准主要包括lEEE802、 1SO、 ECMA、 ANSI，
CBEMA, DOD、 DIX、 TOP、 MAP 和 FDDl等，但其中最具有通用性和权威性的还
要算 IEEE802 和 ISO. 图 1 中， 0 表示输出， IlP局部湾络、 M 表示祝穗，这里照局董事湾
络设计员表征。局网设计工程主要可划分为三个阶段:定义规范、设计和测试运行维护。
图 2 表示局网设计王程的阶段划分作业窟，它主要自三个盒组成，这些盒由留 1 中的黑盒
进→步分解而来。下面我们对每个阶段所要实现的目标和应提供的有关逻离功能分别加以
i气Ht.
定义规范
本阶段也局同设计员 I药用户调
查，进行需求分析。在此基础上，根
据所具备的it算机系统工程，包括覆
件工程和软件工程等知识经验凹，
以及市场策略，提出局网系统的技术
功能规范和环境规范。它具体又可分
解成五种作业:功能需求分析、环绕
需求分析、信息需求分析毛配置需求
分析和评审巍范咽图 3 表示定义巍范
阶段所包括的几种典型作业。它们可
视为图 2 中定义规范盒4双亲盒}所分
解而成的五个子盒。
J、 功能需求分析
mBB802/ 1SO
知识经撞
市揭集团酷
留 i 局网设计顶层结构圈
功能需求分析要解决的主要问题是用户所设计的局网究竟要做什么， ~p实现什么样豹
功能，提供何种类型的服务a 这些功能和服务通常包括:报表处理、汉字信息处理、电子
部件、语音邮件、图形或图象处理.传真、打印服务毛文件服务、数据库服务、数据录
入、数据交换、办公信息系统(01剖，经济信怠系统(EIS)毛 MIS、 DSS、知识痒服务、专
家系统服务等等e 上述这些报务均可看成是一科输入负荷，它们具有各自的统计特征，这
些统计待征与信包数量和长度密切相关，且影响到吞吐量、延迟、作m负砖满信道利用率
等局河主要性能指标i见表1).表 1 中假设信道容量 C 为 1000 帧/秒.发送帧剖乎均丢
失率为 J%，且要求重发，那么在 1 = 100 的情况下，每秒将会有一帧要重发誓 ~p有
S=I∞， G= 101。又设数据是成批~J达，且每隔一秒到j达一批。这样就平均而言，当 E
= 100 时. D=，信道和i照丑事 S/C=. 表 1 中最后湾行可这样来解释. ~p当 E
二一一一一一一一一一
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989年 局部网络 的一种结构化设计方法学 一 63一
= 990时，系统的全部容量都达到了它们的最大值。如果 I继续增加，系统的传输能力可
老就跟不上了，即每秒只能传送 1000帧，在这种情况下，s将恒等于 990，U也将保
99不变。上述分析说明输人负荷对局网设计有较大影响，因此局网设计员应根据不F
；喟户需求，设计出具有足够容孱的局网，以满足相应的输人负荷，且具有较小的延迟。
陌上 局网 设计 的阶段划分作业网
图 3 定义规范
2、 环 境 需 求 分 析
环境需求分析要解决的主要问题是确定所设计的局网与它将要投人运行的外部环境之
1的边界关系 具体包括现有系统的状况，组建局网的地理条件、几何布局和用户管理的
网技术知识水平等
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午与
J2··tf
》，
一-63 一←
二 990 时嘻系统的全部容量都达到了它们的最大值。如果 I 继续增加嘈系统的传输能力可
草就跟不上了、IlP每秒只能传送 1000 板、在这种情况下. s 将恒等于苦苦。 u 也将提J辛
苦9 不变B 上述分析说明输入负荷对局网设计有较大影响.~此局网设计员@:根据不F
:;用户需求，设计出具有足够容量的局网电以满足相应的输入负荷，且具有较小的延JlL
局部网络的 手中结构化设计方法学ι989 年
lEBE 8021 ISO
设诗员与用户决攘
技术功德舰在
- 环羹巍觅
市辐策略知识经撞
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修正提计
设计
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酱正直E吉E
'睡试运行维护
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市梅簸..
j哥二忌网点汁的阶段如分作业同
知识经验
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功豁需求
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评审巍范
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环堤需求
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分析锚怠.求
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分析理置需求
A Il4
配量需求 :"li!I麓苞
定主L规范
2、 环坟需求分析
环境需求分析要解决的主要问题是确定所设计的局同与官将要投入运行的外部环境之
1的边界关系。具体包括王军有系统的状况，组建局网的地理条件、几何布局和用户管理的
刘技术知识水乎等，
图 3
-
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- — — 64-—— 系 统 工 程 学 报 第 2期
3、 信 息 需 求 分 析
该作业主要对 系统本质而重要 的信息进行详细的调查分析。它所要解决的主要问题
是：确定信息性质是突发式信息还是具有确定延迟要求的实时信息，明确信息的结构与各
信息之间的关系。估计总输入负荷信息量和系统对各种信息的最大响应时间。
4、 配 置 需 求 分 折
配置需求分析所要锵决的主要问题是对局网所需要的物理部件作出定量估计 具体包 一
括用户节点工作站数 目，资源工作站数 目，服务器(文件服务器或数据库服务器)数目，中
心机数目和其它所需要 的外设的类型和数 目。对于局部网际网系统，还应包括信关或桥的
数 目。
输^ 负荷 吞 吐量 作用 负荷 延 迟 利 用率
(I． 帧 ／秒) (s．桢 ／秒 ) [G 曲 ／秒) <D 抄 】 (u)
100 100 101 0 0505 0 I
500 500 505 0．2525 0 5
990 990 10O0 0 5 0 99
2000 990 0 99
、 评 审规 范
在前述功能、环境、信息和配置需求分析的基础上，局网设计员可初步提出局网系统
的技术功能及环境规范说明书，并与用户对话协商，组织有关专家对该规范说明书进行评
审。提出修正意见后，反馈到前述有关作业中去进行补充调查分析，以完善规范说明书。
至此，已完成局网设计工程的第一阶段，即定义规范阶段。该阶段所产生的成果或文
档是局网规范说明书(参见图 2、图 3)。
3．2设计
本阶段是局网设计工程的实质性 阶段。该阶段 以定义规范阶段所产生的规范说 明书为
基本依据 ，并根据局网设计员所具有的局网知识等经验 ，IEEE802／ISo 国际局网标准，
以及市场策略，提 出两种 以上可供选择的局网设计方案 经过论证后优选出一种最佳方
案。它具体叉可分解成三种作业：设计几种局网方案，论证设计方案和选择最隹方案 图
4表示局网设计 阶段的三种典型作业，它们可视为图 2中 设计盒 (双亲盒)所分解而成的
三个 子盒
、 设 计 几何 局 同 方 案
该作业主要对局网拓扑、传输形式与介质和访问协议进行仔细选择，最后精心设计出
几种局网结构(见图 5)。图 5中包括选择拓扑、选择传输形式与介质、选择访 问协议和提
出几种局网结构四个子盒，它们 由图 4中名为 设计几种局网方案 的双亲盒进一步分解而
耒。
(1)拓扑选择
拓扑选择的主要依据是定义规范阶段中的环境需求分析等约束条件。局网拓扑主要包
括星(无源轴式星、有源轴式星、分布式星)、环(单环、双环、多环)。 、总线(单总线、
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一-64 一- 系统工程学报 第 2期
3、 信，急需求分析
该作业主要对系统本质而重要的信息进行详细的调查分析.它所要解决的主要问题
是:磷定信息性质是突发式信息还是具有稳定延迟要求的实对信息，明确信息的结构与各
信息之阔的关系越估计总输入负荷信患量和系统对各种信息的最大响应纣阂。
4毛 配置需求分析
配置需求分析所要解决的主要闷题是对局网所需要的物理部件作出定量估计.具体包
括用户节点工作站数目，资源工作站数目，服务器(文件服务器或数据库服务器)数目，中
心桃数吕和其它所需要的外设的类型和数吕.对于局部网禄同系统，还应包括信关或桥的
数目。
表 E 局部网络的佳能，鼓
输入量荷 吞吐量 作思量荷 延迟 1院院事
'1.辅 f 静3 自幢/抄} (G、曾/静) (Ð、香} (U)
100 100 101 。 1
500 室。。 505 当25
9 9() 9 9() 10国
2000 990
5 ‘ 坪审规范
在前述功能在环模、信息相配置需求分析的基础上，局同设计员可初步提出局再系统
的技术功能及环境规范说明书，并与用户对话协商，组织有关专家对该规范说明书进行评
审.提出修正意见后，反馈到前述有关作业中去进行补充满查分析，以完善规范说碗书截
至此，已完成局同设计工程部第一阶段，即定义规范阶段.该阶段所产生的1&果或文
挡是局网规范说睽书(参见 纱，
设计
本阶段是局网设计主理的实质性阶段.该阶段以定义耀范阶段所产生的娩范说明书为
基本依据，并根据局网设计员所具有的局同知识等经验， IEEE802/ ISO 画际局凋标准，
以及市场策略，提出两种以上可供选择自告局网设计方案，经过论证后优选出一种最佳方
案.它具体又可分解成三种作业.设计几种局阿方案，论证设计方案幸福选择最佳方案e 图
4 表示局阿设计阶段的三种典型作业，它们可视为002 中植设计盒"(双亲鑫}所分解而成的
三个子盒鲁
I、 设计几何局用方案
该作业主要时局网拓扑、传输形式与1r质相访问协议遂行仔细选择，最后精心设计出
几种局凋结构{见图 5). 图 5 中包括选择拓扑、选择传输形式与介质￥选择访问协议和提
出几种局同结构匹个子盒，它们也在罢 4 中名为"设计几种局同方案"的双亲盆进一步分解而
来.
(l)拓扑选择
拓扑选择的主要依据是定义混范阶段中的环境需求分析等约束条件.局湾拓拎主要包
括星{无源辑式星在有源辙式星、分布式星队环{单环在双环、多环}白毛总线(单总线、
,
•
4
1989年 局部网络的一种结构化设计方法学 一 65一
多总线)和树 。星是一种较古老的拓扑结构 其主要优点是实现简单。缺点是一般都采用
集中控制，轴心节点是系统的 瓶颈 ，缺乏灵活性，可靠性也较差。单环是 目前较流行的
一 种拓扑。其主要优点是便宜，可分布式控制，扩展性较好，易于采用光纤做传输介质。
缺点是脆弱性。为克服此弱点可选用连环集中器和旁路继电器，以自动旁通或隔离故障节
点，使环降级使用。单总线也是 目前较流行的一种拓扑。其主要优点是结构简单，扩展
性、灵活性和可靠性都较好。可分布式控制，可采用多路访问和广播介质以及宽带技术。
易于增减节点和组成分布式系统。主要缺点是共用一条信道，难免出现冲突，信号需要均
衡。树形结构 前在单个局网中采用较少，它一般较适用于多监测点的实时控制或层次型
的管理系统 除上述单一拓扑外，有时还可选择某些复合拓扑，如星一环结构，以及一些
新型拓扑。在局网设计工程中，目前选择较多的拓扑是总线和环，其缘 由除上述所分析的
外，还有很重要的一点是这两种拓扑都 已列入 IEEE802标准
图 4 设计
(2)传输形式与介质选择
传输形式指的是基带传输还是宽带传输。其选用的主要依据是定义规范阶段 中的功能
需求分析，即用户所要求的服务属何种类型。一般而言，若服务内容以数据信息为主，则
可选择基带技术；若服务 内容包含数据、语音和图象等综合信息，则应选择宽带技术。局
网典型的传输介质有双扭线、基带同轴电缆、宽带同轴电缆和光纤等硬缆；其次还有无线
电、微波、红外线、激光和卫星信道等软缆。双扭线是一种较古老的传输介质。它的主要
优点是成本低，适用于单座办公楼等输入负荷较轻的场合 缺点是对噪音干扰敏感 数据
传输率较低。但 目前已开发出数据传输率可达 10Mbps的新型双扭线。基带同轴电缆是 目
前较流行的一种传输介质。主要优点是链连设备数多，数据传输率一般可达 10Mbps。安
装维护方便，性能也比较好。缺点是带宽还 比较有限，一般只限于传送数字数据信息。宽
带 同轴电缆 的主要优点是复盖距离较远，数据传输率 高(一般为 50Mbps)，抗噪性能较
好，可共用现存的电缆电视信道(CATv)和组建 ISDN系统。主要缺点是成本较高。光纤
是局同中很有前途韵一种传输介质。主要优点是复盖距离远，抗嗓能力强，数据传输率根
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1989 年 局部网络约一种结构化设计方法学 岳5
多总线}和树e 星是一静较吉老的拓扑结构。宾主要优点是实现简单。缺点是一般都采用
集中控锁，轴心节点是系统的"施颈"，缺乏灵活性，可靠位也较差.单环是吕前段流行的
一种拓扑.其主要优点是便宜，可分布式控制，扩展性较好，易于采用光纤被传输介质.
缺点是雅弱性。为克服此弱点可选用连环集中器和旁路继皂器，以自动旁通或隔离故障节
点，使环降级使用@单总线也是吕前较流行的一种拓扑。宾主要优点是结构简单，扩展
‘ 性、灵活性和可靠性都较好@可分布式控制.ÜJ采用多路访问和广播介质以及宽带技术a
易于声曾被节点和组成分布式系统e 主要缺点是共用一条信道，难免出现冲突，信号需要均
衡。树形结构接韵在单个局网中采用较少，它一般较适用于多监测点始实时控制或层次型
的管理系统.除上述单一拓扑外，有对还可选择某些复合拓扑，如星 环结构.以及一些
新型拓扑。在局同设计主程中，目前选择较多部拓扑是总线和环，其缘由除上述所分析的
外电还有很重要的一点是这两种拓拎都已列入 IEEE802 标准.
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E菌.
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设廿儿种』鹰院方案
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(2) 传输形式与介质选择
I挚军方集
论汪部防寒
AI22
选择量佳方案
AI23
因 4 设计
传输形式指的是基带传输还是宽带传输.其选用的主要依据是定义规范阶段中的功能
需求分析， IlP用户所要求的服务属何种类型.一般而言，若服务内容以数据信息为主，则
可选择基带技术;若服务内容包含数据、语音和愚象等综合信息，则应选择宽带技术。局
阿典型的传输介质有双扭线、基带同轴电缆驾宽带同轴电缆和光纤等硬缆;其次还有无线
电、微波、红外线、激光和卫星信道等教缆e 双扭线是一种较古老部传输介质.它的主要
优点是成本低，适用于单座办公楼等输入负荷较轻的场合s 缺点是对噪音干扰敏感，数据
.. 传输率较低.但目前已开发出数据传输率可达 lOMbps 的新型双扭线。基带同轴电缆是吕
前较流行的一种传输介质，主要优点是链连设备数多，数据传输率一般可达lOMbps. 安
装维护方便.性能也比较好。缺点是带宽还比较有限，一般只限于传送数字数据信怠.宽
带同袖也缆的主要优点是复盖距离较远，数据传输率高{一般为 50Mbp纱，抗噪性能较
好，可共照现存部电缆电棍信道(CATV)和经建 rSDN 系统.主要缺点是成本较高e 光纤
是局网中很有前途的一种传输介质。主要优点是复盖距离远，就噪能力强，数据传输事领
一 66一 系 统 工 程 学 报 第 2期
高(1千 Mbps)，误码率低(10 )。缺点是 成本高。组建多点结构的总线网还不太方便。
无线电信道(点对．点式)的操作频带可为 4和 6—1 1GHZ 广播式无线电信道的操作频带
可为 300MHZ 3GHZ和 3GHz～30GHz。微波的数据传输率为 1．5Mbps，站点间距离
可达 25公里。红外线的数据传输率约为 250Kbps。激光的数据传输率约为 1．5M1ws 卫
星信道的主要特 点是能复盖非常宽广的地理 区域。主要缺点是传输 延迟大 ，一般可为
O．24～0．27秒 ，误码率不稳定 ，正常情 况下 为1O一一1O～，恶劣环境下可为10一或更
差。在局网设计工程中， 目前选择较多的介质是同轴电缆和双扭线。其中被 IEEE802和
图 5设计几种局同方案
ISO 确 定 为标 准 的 有 ： 10Mbps的 基带 和 宽 带 同轴 电缆 ， 1Mbps和 无 屏 蔽 双 扭线
(DIs8802／3)； 1．5、10Mbps的宽 带 和单 通 道宽 带 同轴 电 缆(DIS8802／4)以及 l、
4Mbps的屏蔽双扭线(DIS8802／5)。此外还有 ASC×3T9．5FDDI所规定的 100Mbps光
纤。在某些应用场合，由于机动性等要求，也可选用软缆。
(3)访问协议选择
访 问协议选择 主要是指介质访问控制(MAC)协议的选择 。其基本依据是定义规范阶
段中的功能需求分析和信息需求分析。局网的访 问协议主要包括五大类 ：固定分配、需求
配 、适 应式 分 配 ．探 询和 随 机分 配 (参 见 文献 4) 其 中较 有 代表 性 的， 且 已被
iEEE802／ISO 确立为标 准 的是 CSMA／CD 总线(802 3)、令牌总线 (802．4)和令 牌环
802 5)。从 运行条 件末看，在低负荷下 CSMA／CD性能居 中、令牌总线较差，令牌环
较好 。在 重负荷 下 CSMA／CD 较差， 令牌总线 居 中， 令牌环较 好 。在短包 情况下
CSMA／CD较差，令牌总线居 中，令牌环较好。在长包情况下 CsMA／CD 居中，令牌
总线较差，令牌环较好。大量理论分析和模拟研究表明：CSMA／cD较适用于突发式信
息和轻等或 中等负荷的环境 其主要问题是访问的统计特性或不确定性使之不适宜实时应
用环境，重负荷时性能下降，稳定性差 令牌总线 的访问具有确定性，无最小包长限制，
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，、
岳岳-一 系统工程学报 第 2 期
高(1千 Mbps). 误码率低(1口气缺点是成本离，组建多点结构的总线网还不太方便e
无线电信道i点对.点式)的操作频带司为 4 和 6-11GHZ，广播式无线电信道的操作费带
可为 300MHZ-3GHZ 和 3GHZ-30GHZ. 被波的数据传输率为，站点问距离
可达 25 公里g 红外线的数据传输率约为 250Kbps。激光的数据传输率约为. 卫
星信道的主要特点是能复盖非常宽广的地理区域。主要缺点是传输延迟大，一般可为
秒 i莫码率不稳定，正常情况下为 10- 6 _10-7 ，恶劣环境下可为10 -4或更
差2 在局网设计工程中，目前选择较多的介质是同轴电缆和双翅线。其中被lEEE802 和
~ IBEE 翻n
E妇
袭求功德规范
知识经撞
环撞撞鑫
E
选篝拓孙' '
A121l .
.
茸 裙'匠'
矗修正方案
·量
陆择传输形式与介翼
A1212 . .. .
选择洒洒iIJ议
A1213
'-1 A1214
•
严
雷彗设计J1种局何方司是
[SO 确定为标准的有lOMbps 的基带和宽辛苦同输电缆. 1 Mbps 和无屏蔽双翅线
(D1S8802 I 3) 二 L 5、lOMbps 的宽蒂和单通道宽带向轴电缆(DIS8802/ 引以及 1 、
4Mbps 的屏蔽农扭线(D1S8802/5λ 此外还有 ASC x 所规定的 100Mbps 光
纤。在某些应用场合，由于机动柱等要求，也可选用软缆。
(3) 访问l?JJ.议选择
访问协议选择主要是指介质访问控亩4(MAC)协议的选择B 其基本依据是定义规范阶
段中的功能需求分析和信息需求分析.局网的访问协议主要包括五大类:商定分配、需求
t云霞、适应式分配.探询和随机分配t参见文献韵。其中较有代表性的，且已被
,EEE802/ 150 确立为标准的是 CSMA/CD 总线()，令牌总线()和令牌环
)，从运行条件来看，在低负荷下 CSMA/CD 性能居中、令牌总线较差.令牌环
较好 e 在重负荷下 CSMA/CD 较差，令牌总线居中啕令草草环较好e 在短包情况下
CSMA/CD 较差，令骋，总线居中，令牌环较好=在长包情况下 CSMA/CD 居中雹令牌
总线较差，令梓环较好。大量理论分析和模拟研究表码 CSMA/CD较适用于突发式信
息和轻等或中等负砖的环境。其主要问题是访问的统计特性或不确定性使之不适宜实时应
用环境，重负荷时性能下降‘稳定性差。令牌总线的访问具有确定性，无最小包长限制，
~
1989年 局部网络的一种结掏化设计方法学 一 67一
适用于重负荷环境。其主要问题是协议的控制机制较复杂，轻负荷时性能下降。令牌环的
访问也具有确定性，适用于实时应用环境。其主要问题是管理令牌维护、启动与恢复等所
要求的协议软件开销较大 除上述三种标准协议外，有时还可选择寄存器插入和时间片环
协议 。
在局网设计工程中，上述拓扑、传输形式与介质(物理层)以及访问协议(链路层)的选
择一般不宜单独进行，由于它们相关性强，互相制约，因而在设计时应统筹考虑。表 2示
出了局网拓扑、传输介质和访 问协议的组合选择关系。
(4)提 出几 局 网结构
在上述拓扑、传输形式、介质和访问协议已选定的基础上，即可提出几种详细设计结
构。具体包括：设计 出局网逻辑结构图，规划网络部件和信道的平面布置 确定有关参
拓 扑
总 线 树 环 星
双扭 线 ，／ 0，
升 基带同轴 电缆 ，／
质 宽带 同轴 电缆
光鲆
CSM A／CD CSMA ／CD 令 牌 时间 片 点对 点
夸 牌 夸牌 寄存 器 插^ R8232
访 问 协 议
数，如电气机械参数，编码形式，信包格式和长度，确定各种服务在各种网络部件上的功
能分配，并指定 其访 问优先权，以及网络接 口部件的缓冲区长度等等 确定有关网络轱
件，如汉字网络操作系统(CNOS)、网络数据库管理系统、网络程序设计语言、高层 网络
协议和有关网络辅助支持工具、 自动工具等的版本或设计 。
0、 论 证 设 计 方 案
该作业主要对已设计 出的几种局 网方案进行性能评价、质量分析、成本估计与分析，
在此基础上提 出论证意见和结果(见图 6)。图 6中包括评价性能、分析质量和分析成本三
个子盒。它们 由图4名为“论证设计方案 的双亲盒进一步分解而耒。
(1)性能评价
局网设计阶段的性能评价方法主要有两种：分析和模拟 这往往需要借助概率统计、
排 队论和 Petri网等方面的知识经验 性能评价的内容一般 可包括三个方面 a．网络特
性：网络特性主要涉及拓扑、信息量、网络部件的时间延迟、信道容量、数据传输率和噪
音影响等内容。其 中最主要的是信道的数据传输率 R和站点之间的平均传输延迟 D 它
们的乘积 R×D决定 了局网利用率的上限，是影响局网性能的关键技术指标。
设局网利用率为 u 吞吐量为 s、发送时阃为 T，则有
U=姜
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,
'腼
]989 茸三 渴部阿主昌的 种结构化设计方法学 一-67
适用于重负荷环境e 其主要问题是协议的控和i祝福较复杂，轻负荷对性能下降E 令章阜环的
访何也具有确定性电适用于实时应用环境E 宾主要问题是管理令摔维护、启动与恢复等所
要求必协议软件开销较大=除上述三种标准协议外.有对还可选择寄存器插入和时凋片环
协议.
在局网设计工程中电上述拓扑、传输形式与介质{物理层}以及访问协议(链路层}的选
择一般不宜单独进行噎由于它们相关性强，互板和j约，因而在设ita才应统筹考虑e 表 2 示
出了局在哥拓扑、传输介质和访闵协议的组合选择关系.
(4) 提出几局网结构
在上述拓扑、传输形式、介质和前问拚议己选定的基磁上电即可提出几乎中详细设计结
构，具体包括 设计出局网逻辑结构图.规划网络部件和信道的平在重布置z 确定有关参
表 2 搭扑、传输介质与请问协议之姆的关系
事b 1"
且蝇 剖 环 皇
在拯线 飞 、 马步
介 基带!司输电缆 飞 、
在 宽带i巧轴电撞 飞 飞
Jt纤 飞
CSMA , 'CD cs如IA/CD 今睡时间片 点 Z等点
主f 膊 争理 寄存器插入 去8'::32
1可闻恪 ì!1
数，如电气机被参数.编码形式.信包格式手~*度，确定各种服务在各种网络部件上的功
能分配‘并指定其访问优先权穹以及网络接口吾事件的缓冲区长度等等。确定有关网络尊重
件，如汉字网络操作系统(CNOS). 网络数据库管理系统、网络程序设计语言、高层网络
协议和有关网络辅助支持工具.启动工具等的版本或设计 l2) 。
3、 论证运it方案
该作业主要对己设计出的几种局网方案进行性能评价嘻质量分析、成本估计与分析啕
在此基磁上提出论证意见和结果{觅囹 6)盼图 6 中包括评价性能，分析质量和分析成本三
个手盒。它们由图 4 名为"论证设计方案"的双亲盒进一步分解而素，
(1)性能t平价
局同设计阶段的性能评价方法主要有两种:分析初模拟D 这往往需要借助概率统计、
排队论和民tri ~毒等方洒的知识经验电性能评价的内容 4般可包括三个方面 a. 网络将
性:网络辛辛性主要涉及拓扑.信息量、网络部件的时间建迟、信道容量、数据传输罩在和噪
音影响等内容，其中最主要的是信道的数据传输率 R 和站点之间的平均传输延迟 D. 它
们的乘亨、 RxD 决定了肩网利用率的上限，是影响局同性能的关键技术指标e
设局网乖11 ffl率为 U、吞吐量为 5、发送对j再为 τ电则有
u=~
R
一 68一 系 统 工 程 学 报 第 2期
即
图 6 论证设计方案
U = =
其中 RD／L可看成是归一化延迟，若令 RD／L=a，0．01≤a<1，那么对于所有的
MAC协议 ，均有下式成立： ．
u =
b．MAC协议的性能：访问协议 的特征与局网大多数性能有关。它 的引入会给 网络带未
一 些额外的时间延迟 例如，CSMA／CD会 由于冲突浪费过多的访 问时间。令牌协议 由
于令牌的传递而可能会增加一定的时间延迟 时间片环的额外延迟可能因为浪费一些空时
间片而引起。寄存器插入协议则可能会由于寄存器插入到环上，信包从一个站点传送到一
个站点的传输时间，而引入某些额外时间延迟。访问协议的评价大都集中在吞吐量一延迟
特性方面。因此，对不同访问协议的吞吐量—延 迟特性估计将有助于发现一个好的局网设
计方寨 c．端对端性能：为了确定网络的性能，则可能要对高层协议进行建模分析 。高
层协议包括从逻辑链路控制(LLc)到应用层的所有协议。这些协议的性能将会对用户的服
务质量发生重要影响 分析局网的端对端性 能是一种较为复杂的工作 ，它需要借助一些专
门的方法学和建模技术。
(2) 质量分析
局网设计 阶段的质量分析可从以下几个方面进行考虑：网络保密性是网络环境下很重
要的一个问题 为了防止敌手用户非法访 问网络数据，必须对网络用户采取有关授权措
施，如设置多级 口令等。但总的未说，在多点访问的局网上实现这种授权机制是相当复杂
的。另外为了防止数据在传送过程中不致被非法窃听，可采用公开密锁加密等技术。除保
密性外，还须对局网的可靠性 、坚定性、可扩展性和可维护性等质量进行定性或定量分
析。
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第 2赐援学程主统系-68-
市揭簸圈酷
环撞规范
麓西E
评价位德
知识昼撞评价标准
A
沦丧露露
I\J22J
分析'$;本
1\1223
分析.. 量
1\1222
,
4
论证设计方案
u _ L/(D+τ') L /(D + L/ R) 1
一一 一RD L + 1
其中 RD/L 可看成是归一化延迟.若令 RD/L= "， a<l. 那么对于所有的
MAC 协议.均有下式成立:
u = 1
a+l
h. MAC 协议的性能:访问协议的特征与局网大多数性挺有关事它的引人会给湾络带来
一些额外部时间延迟。ØlJ主昌、 CSMA/CD 会由于冲突浪费过多的访问时间e 令辉伤议出
于令牌的传递丽可能会增加一定的时间延迟。时间片环的额外延迟可能因为浪费一些空时
间片商引起.寄存器插入协议lit~可能会出于寄存器插入到环上，信包从一个站点传送到一
个站点的传输时间，而引人某些额外时刻延迟e 访问协议剖评价大都集中在吞吐量 延迟
特性方面=因此.对不同该问协议的吞吐量二延迟特性倍it将有助于发现一个好灼局网设
计方案。 C. 端主主端性能'为了确定网络的注能，则可能要对高层协议送行建模分析.高
层协议包括从逻缉链路控制(LLC)到应用层的所有协议.这些主非议的性能将会对m户的服
务质量发生重要影将.分析局网的端对端性能是一种较为复杂的工作，它需要借助一些专
门的方法学和建摸技术.
(2) 质量分析
局网设计阶段的质量分析可从以下几个方面进行考虑:网络保密性是网络环绕下很重
要的一个问题事为了防止敌手用户非法访问网络数据，必须对凋络用户采取有关授权措
施，如设置多级口令等e 但总的来说.在多点访问的局网上实现这种授权机制是担当复杂
的.另外为了防止数据在传送过程中不致被非法窃听，可采用公开密锁恕密等技术.除保
密性铃，还须对局院的可靠性、坚定性事可扩展性和可维护性等质量进行定性或定量分
析。
006
重F
1989年 局部网络的一种结构化设计方法学 一 69
(3)成本分析
成本分析主要依据环境规范和可能采取的市场策略对各种局网设计方案的成本进行估
计分析。主要包括网络硬件和软件成本、装配成本以及运行和维护成本。
3、 选 择 最 隹 方 案
该作业是在方案论证的基础上，根据各种局网设计方案所展示的性能、质量和成本效
益进行综台平衡。最后由局网设计员和用户根据论证意见作 出决择，并提出最隹方案的设
计说 明书。
至此，已完成局网设计工程的第二阶段，即设计阶段。该阶段所产生的成果或文档是
局 网设计 说 明书 。
3、3测试运行维护
本阶段以设计阶段所产生的设计说 明书为基本依据，并根据有关市场策略和局网标准
进行测试和具体实现。从某种意义上讲，该阶段可看成是对设计方案的一种实现验证。
4 结 论
局部网络设计是一项涉及因素多、知识经验综合性强的复杂的系统工程。为使局部网
络设计工程能系统化、规范化、文档化地进行，本文提出了一种适应于局部网络的结构化
设计方法学(SDMLN)。研究表明，该方法学已可能通过 自动化工具实现。它能详细地进
行技术功能和环境等需求分析，能对整个设计工程和各个设计阶段提供精确清晰的文档，
能从系统的全局观点末规划局网设计作业。本文所做的研究工作表明，该 SDMLN是适
应于复杂的异构型环境和大型局网系统的一种有效的设计方法学。
参考文献
【1】 D T Ross，Application and extension of SADT，IEEE Comput．kpril(1985)，25—34
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EDITIoNS， 1987
[6] 李腊元等编著，计算机局部网络，湖北科技 出版社，1987。
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1989 年 蜀部凋绪的一种结掏化设计方法学 69
(3) 成本分析
成本分析主要依据环绕规范和可能采取部市场策略对各种局同设计方案的成本进行估
计分析.主要包括网络廷件和软件成本‘装配成本以及运行和维护成本.
3、 选择最位方案
该作业是在方案论证的基础上，根据各种局向设计方案所展示灼性能、质量和成本效
益进行综合平衡.最后出局网设计员和用户根据论证意见作出决择噜并提出最佳方案的设
计说晓书.
至此，已完成局词设计工程的第二阶段， !lP设计阶段.该阶段所产生割成果或文档是
局同设it说明书，
3, 3 源试运行维妒
本阶段以设计阶段所产生剖设计说瞬书为基本依据，并根据有关市场策略和局同标准
进行褪试和具体实现.从某种意义上讲，该阶段可看或是对设计方案的一种实现验证.
4 主言 ~
局部网络设计是一项涉及因素多、知识经验综合性强的复杂费量系统工程.为使局部网
络设计工程能系统手ι 混范化、文挡化地进行，本文提出了一种适应于局部网络的结构化
设计方法学(SDMLNλ 研究表碗，该方法学己可能通过自动化工具实现。官能详细地进
行技术功能和环凌等需求分析，能x;f整个设计工程秘各个设计阶段提供稿确清晰的文挡，
能从系统的全局观点来规划局阿设计作业。本文所做的研究工作表明，该 SDML只是适
应于复杂的异构型环境和大型局同系统的一种有效的设计方法学。
参考文献
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i主 . Software engine自ing-A practitioner's approach. McGRAW-HILLINτ
EDITIONS、 1987
[6J 李黯元等编著.计算桃肩茵河络，湖北科技出版社， 1987.
