1.3 計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和通信鏈路所組成的邏輯幾何形狀。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將物理實體抽象成與物理實體的大小、位置和形狀無關(guān)的點，將與實體相連接的線路抽象成線。一般用拓?fù)鋵W(xué)的方法來研究計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，將計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點與通信鏈路之間的幾何關(guān)系表示成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。這些節(jié)點和鏈路所組成的幾何圖形就是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對于計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的可靠性、穩(wěn)定性和通信費用都有重大的影響。例如，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和安裝完成后，可能需要添加或移動某些網(wǎng)絡(luò)用戶，這些用戶可能在同一樓層的相同或不同的辦公室中，也可能在其他樓層或其他大樓內(nèi)。在這種情況下，不同計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的擴(kuò)展性能是大不相同的。在設(shè)計和選擇使用何種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時，應(yīng)該考慮組網(wǎng)的主要用途、今后是否需要擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模和是否有其他網(wǎng)絡(luò)要與這個網(wǎng)絡(luò)連接等多個方面。計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)有很多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，最常用的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有：總線型結(jié)構(gòu)、環(huán)型結(jié)構(gòu)、星型結(jié)構(gòu)、樹型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)和混合型結(jié)構(gòu)。

1.3.1 總線型結(jié)構(gòu)

總線型結(jié)構(gòu)采用一條單根的通信線路（總線）作為公共的傳輸通道，所有的節(jié)點都通過相應(yīng)的接口直接連接到總線上，并通過總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。例如，在一根電纜上連接了組成網(wǎng)絡(luò)的計算機(jī)或其他共享設(shè)備（如打印機(jī)等），如圖1-6所示。由于單根電纜僅支持一條信道，因此連接在電纜上的計算機(jī)和其他共享設(shè)備共享電纜的所有帶寬。連接在總線上的設(shè)備越多，網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)就越慢。

總線型網(wǎng)絡(luò)使用廣播式傳輸技術(shù)。總線上的所有節(jié)點都可以發(fā)送數(shù)據(jù)到總線上，數(shù)據(jù)沿總線傳播。但是，由于所有節(jié)點共享同一條公共通道，所以在同一時刻只允許一個站點發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)并在總線上傳播時，數(shù)據(jù)可以被總線上的其他所有節(jié)點接收。各站點在接收數(shù)據(jù)后，分析目的物理地址，再決定是否接收該數(shù)據(jù)。粗、細(xì)同軸電纜以太網(wǎng)就是這種結(jié)構(gòu)的典型代表。

總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有如下特點：

（1）結(jié)構(gòu)簡單、靈活，易于擴(kuò)展；共享能力強，便于廣播式傳輸。

（2）網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度快，但負(fù)荷重時性能迅速下降；局部站點故障不影響整體，可靠性較高。但是如果總線出現(xiàn)故障，則將影響整個網(wǎng)絡(luò)。

（3）易于安裝，費用低。

1.3.2 環(huán)型結(jié)構(gòu)

環(huán)型結(jié)構(gòu)是各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過環(huán)接口連在一條首尾相接的閉合環(huán)型通信線路中，如圖1-7所示。每個節(jié)點設(shè)備只能與它相鄰的一個或兩個節(jié)點設(shè)備直接通信。如果要與網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點通信，數(shù)據(jù)需要依次經(jīng)過兩個通信節(jié)點之間的每個設(shè)備。環(huán)型網(wǎng)絡(luò)既可以是單向的，也可以是雙向的。單向環(huán)型網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)繞著環(huán)向一個方向發(fā)送，數(shù)據(jù)所到達(dá)環(huán)中的每臺設(shè)備都將數(shù)據(jù)接收，經(jīng)再生放大后將其轉(zhuǎn)發(fā)出去，直到數(shù)據(jù)到達(dá)目標(biāo)節(jié)點為止；雙向環(huán)型網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)能在兩個方向上進(jìn)行傳輸，因此設(shè)備可以和兩個鄰近節(jié)點直接通信。如果一個方向的環(huán)中斷了，數(shù)據(jù)還可以向相反的方向在環(huán)中傳輸，最后到達(dá)其目標(biāo)節(jié)點。

環(huán)型結(jié)構(gòu)有兩種類型，即單環(huán)結(jié)構(gòu)和雙環(huán)結(jié)構(gòu)。令牌環(huán)（Token Ring）是單環(huán)結(jié)構(gòu)的典型代表，光纖分布式數(shù)據(jù)接口（FDDI）是雙環(huán)結(jié)構(gòu)的典型代表。

環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有如下特點：

（1）在環(huán)型網(wǎng)絡(luò)中，各工作站間無主從關(guān)系，結(jié)構(gòu)簡單；信息流在網(wǎng)絡(luò)中沿環(huán)單向傳遞，延遲固定，實時性較好。

（2）兩個節(jié)點之間僅有唯一的路徑，簡化了路徑選擇，但可擴(kuò)充性差。

（3）可靠性差。任何線路或節(jié)點的故障，都有可能引起全網(wǎng)故障，且故障檢測困難。

1.3.3 星型結(jié)構(gòu)

星型結(jié)構(gòu)的每個節(jié)點都由一條點對點的鏈路與中心節(jié)點（公用中心交換設(shè)備，如交換機(jī)、集線器等）相連，如圖1-8所示。星型網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點如果向另一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，首先將數(shù)據(jù)發(fā)送到中央設(shè)備，然后由中央設(shè)備將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)節(jié)點。信息的傳輸是通過中心節(jié)點的存儲轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)實現(xiàn)的，并且只能通過中心節(jié)點與其他節(jié)點通信。星型網(wǎng)絡(luò)是局域網(wǎng)中最常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有如下特點：

（1）結(jié)構(gòu)簡單，便于管理和維護(hù)；易實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化布線；結(jié)構(gòu)易擴(kuò)充，易升級。

（2）通信線路專用，電纜成本高。

（3）星型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)由中心節(jié)點控制與管理，中心節(jié)點的可靠性基本上決定了整個網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

（4）中心節(jié)點負(fù)擔(dān)重，易成為信息傳輸?shù)钠款i，且中心節(jié)點一旦出現(xiàn)故障，會導(dǎo)致全網(wǎng)癱瘓。

1.3.4 樹型結(jié)構(gòu)

樹型結(jié)構(gòu)（也稱星型總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)）是從總線型和星型結(jié)構(gòu)演變來的。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點設(shè)備都連接到一個中央設(shè)備（如集線器）上，但并不是所有的節(jié)點都直接連接到中央設(shè)備，大多數(shù)的節(jié)點首先連接到一個次級設(shè)備，次級設(shè)備再與中央設(shè)備連接。圖1-9所示的是一個樹型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的示例。

樹型結(jié)構(gòu)有兩種類型：一種是由總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)派生出來的，它由多條總線連接而成，如圖1-10（a）所示；另一種是星型結(jié)構(gòu)的變種，各節(jié)點按一定的層次連接起來，形狀像一棵倒置的樹，故得名樹型結(jié)構(gòu)，如圖1-10（b）所示。在樹型結(jié)構(gòu)的頂端有一個根節(jié)點，它帶有分支，每個分支還可以再帶子分支。

樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要特點如下：

（1）易于擴(kuò)展，故障易隔離，可靠性高，電纜成本高。

（2）對根節(jié)點的依賴性大。一旦根節(jié)點出現(xiàn)故障，將導(dǎo)致全網(wǎng)不能工作。

1.3.5 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)與混合型結(jié)構(gòu)

網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是指將各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點與通信線路連接成不規(guī)則的形狀，每個節(jié)點至少與其他兩個節(jié)點相連，或者說每個節(jié)點至少有兩條鏈路與其他節(jié)點相連，如圖1-11所示。大型互聯(lián)網(wǎng)一般都采用這種結(jié)構(gòu)。例如我國的教育科研網(wǎng)CERNET（圖1-12）、Internet的主干網(wǎng)都采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。

網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有以下主要特點：

（1）可靠性高；結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易管理和維護(hù)；線路成本高；適用于大型廣域網(wǎng)。

（2）因為有多條路徑，所以可以選擇最佳路徑，減少時延，改善流量分配，提高網(wǎng)絡(luò)性能，但路徑選擇比較復(fù)雜。

混合型結(jié)構(gòu)是由以上幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)混合而成的。例如環(huán)星型結(jié)構(gòu)，它是令牌環(huán)網(wǎng)和FDDI網(wǎng)常用的結(jié)構(gòu)；再如總線型和星型的混合結(jié)構(gòu)等。