1.2 計算機網絡的拓撲結構

1.2.1 網絡拓撲的概念

拓撲學由圖論演變而來，在拓撲學中，先將實體抽象為與大小、形狀無關的點，再將連接實體的線路抽象為線，進而研究點、線之間的特性，它是一種橡皮泥技術。而計算機網絡的拓撲結構，是研究網絡中各節點之間的連線（鏈路）的物理布局（只考慮節點的位置關系而不考慮節點間的距離和大小）。網絡拓撲結構將網絡中的具體設備，如計算機、交換機等網絡單元抽象為節點，而把網絡中的傳輸介質抽象為線。這樣從拓撲學的角度看計算機網絡就變成了點和線組成的幾何圖形，也就說網絡拓撲結構是一個網絡的通信鏈路和節點的幾何排列或物理圖形布局。

計算機網絡中的節點有兩類：一類是轉接和交換信息的轉接節點，如交換機、集線器和終端控制器等；另一類是訪問節點，如主計算機和終端等，它們是信息交換的源節點和目標節點。

網絡的拓撲結構表示網絡的整體結構和外貌，反映了網絡中節點與鏈路之間相互連接的不同物理形態。它影響著整個網絡的設計、功能、可靠性和通信費用等問題，同時還是實現各種協議的基礎，是研究計算機網絡的主要環節之一。

1.2.2 通信子網的信道類型

通信子網的信道類型也稱線路配置，它是指兩個或兩個以上的通信設備連接到鏈路的方式，主要有點到點式網絡和廣播式網絡兩種。

1.點到點式網絡（Point-to-Point Networks）

通信子網中的點到點連接，是每條物理線路只連接一對設備（計算機或節點交換機），發送的數據在信道另一端只有唯一的一個設備接收。如果兩臺設備之間不是直接連接，而是通過中間節點的接收、存儲、轉發直至目的節點，這樣的線路結構可能很復雜，因此從源節點到目的節點之間可能存在多條路由，因此決定分組從通信子網的源節點到達目的節點的路由需要有路由算法。采用分組存儲轉發是點到點式網絡與廣播式網絡的重要區別之一。

點到點式的拓撲結構中，因為沒有信道競爭，幾乎不存在訪問控制問題，但點到點信道會浪費一些帶寬。廣域網都采用點到點信道，在長距離信道上一旦發生信道訪問沖突，控制起來相當困難，而用帶寬來換取信道訪問控制。

2.廣播式網絡（Broad Networks）

廣播式網絡也稱多點共享，在廣播式網絡中，所有節點共享一個通信信道，任何一個節點發送報文信息時，所有其他節點都會接收到該信息。由于發送的分組中帶有目的地址與源地址，網絡中每個設備都將檢查目的地址；如果目的地址與本節點地址相同，則接收該分組，否則丟棄。在廣播式網絡中，發送的報文分組的目的地址可以有單節點地址、多節點地址和廣播地址三類。

在廣播信道中，由于信道共享會引起爭用信道而產生的介質訪問沖突的問題，因此信道訪問控制是要解決的關鍵問題之一。

1.2.3 計算機網絡的拓撲結構

計算機網絡的拓撲結構主要是指通信子網的拓撲結構，分為總線型、環型、星型、樹型、網狀等幾種類型，其中，總線型、環型結構是廣播式網絡，星型、樹型、網狀是點到點連接的網絡。

1.總線型結構

總線（Bus）型拓撲結構如圖1.5（a）所示。這是一種廣播式網絡，采用單根傳輸線（總線）作為傳輸介質，所有的站點都通過接口連接到總線上，任何一個節點發送的信息傳輸方向都是從發送節點沿著總線向兩端擴散，并被網絡上其他節點接收，類似于廣播電臺發射的電磁波向四周擴散一樣。某一時刻只能有一個節點使用總線傳輸信息，因此存在信道爭用問題。一個沖突域內所有節點共享總線的帶寬。總線可以分為幾段，在各段之間通過中繼器連接（擴充）。總線上傳輸的信息容易發生沖突和碰撞，故不宜用在實時性要求高的場合，解決總線型結構信息沖突（瓶頸）的問題，是總線結構的重要問題。

總線型結構的優點是：結構簡單，價格低廉、安裝使用方便；連線總長度小于星型結構，若需增加長度，可通過中繼器增加一個網段；可靠性高，網絡響應速度快；設備少，價格低，安裝使用方便；共享資源能力強，便于廣播式工作。缺點是故障診斷和隔離比較困難，總線任務重，易產生沖突和碰撞問題。這種結構一般適用于局域網，其典型代表是共享式以太網。

2.環型結構

環（Ring）型結構如圖1.5（b）所示。節點通過環路接口，點到點地連在一條首尾相連的閉合環型線路中。環路中各節點地位相同，環路上任何節點均可請求發送信息，請求一旦成功，便可以向環路發送信息。環型網中，信息流單向沿環路逐點傳輸，一個節點發送的信息必須經過環路中的全部環接口，只有當傳輸信息的目的地址與環上某節點的地址相符時，信息才被該節點接收，并繼續流向下一環路接口，一直回到發送節點為止。由于信號單向傳輸，因此適宜使用光纖構成高速網絡。為了提高通信可靠性，可以采用雙環結構實現雙向通信。

環型結構的優點是：信息在網絡中沿固定方向流動，兩個節點間僅有唯一通路，簡化了路徑選擇控制；每個節點收/發信息均由環接口控制，控制軟件較簡單，傳輸延遲固定，實時性強，傳輸速率高，傳輸距離遠，容易實現分布式控制；當某節點發生故障時，可采用旁路環（由中繼器完成）方法，可靠性較高，是局域網中常用的結構之一，特別是IBM公司推出令牌環網之后，環型網就被越來越多的人所采用。環型結構的缺點是由于信息是串行通過多個節點，當節點過多時，會影響傳輸效率，同時使網絡響應時間變長；環節點的加入和撤出過程都很復雜，由于環路封閉，環的某處斷開會導致整個系統的失效。

環型結構比較適合于實時信息處理系統和工廠自動化系統。光纖分布式數據接口FDDI是環型結構的一個典型網絡，在20 世紀90 年代中期，就已達到幾百兆比特傳輸速率，但這種網絡技術復雜，尤其出現高速以太網以后，FDDI已經很少采用。

3.星型結構

星（Star）型結構如圖1.5（c）所示。中心節點是主節點，網絡中的各節點通過點到點的方式連接到一個中心節點上，由中心節點向目的節點傳輸信息。中心節點是通信子網中的轉折點，它接收各分散節點的信息再轉發給相應節點，具有中繼交換和數據處理能力，控制全網的通信。當某一節點想傳輸數據時，它首先向中心節點發送一個請求，以便同另一個目的節點建立連接。一旦兩節點建立了連接，則在這兩點間就像有一條專用線路連接起來一樣。中心節點執行集中式通信控制策略，相當復雜，負擔較重，是網絡的瓶頸。

星型結構的優點是：通信協議簡單，單個站點故障不會影響全網，結構簡單，增刪節點及維護管理容易；故障隔離和檢測容易，網絡延遲時間較短；一個端節點或鏈路的故障不會影響到整個網絡。缺點是每個站點需要有一個專用鏈路連接到中心節點，成本較高，通信資源利用率低；網絡性能過于依賴中心節點，一旦中心節點出現故障將導致整個網絡崩潰。這種結構也常用于局域網，如交換式以太網。

4.樹型結構

樹（Tree）型結構如圖1.5（d）所示。樹型結構是層次化結構，形狀像一棵倒置的樹，具有一個根節點和多個分支節點，星型網絡可看作一級分支的樹型網絡，樹型結構是星型結構的擴展。樹型結構通信線路總長度較短，聯網成本低，易于維護和擴展。樹型結構除了葉節點以外，根節點和所有分支節點都是轉發節點，屬于集中控制式網絡，適用于分組管理的場合和控制型網絡。樹型結構較星型結構復雜，與根節點相連的鏈路有故障時，對整個網絡的影響較大。

樹型結構的優點：結構比較簡單，成本低；網絡中任意兩個節點之間不產生回路，每個鏈路都支持雙向傳輸；擴充節點方便靈活。缺點是除葉節點及其相連的鏈路外，任何一個節點或鏈路產生故障都會影響網絡系統的正常運行；對根節點的依賴性太大，如果根節點發生故障，則全網不能正常工作。因此這種結構的可靠性與星型結構相似。目前的內部網大都采用這種結構。

5.網狀結構

網狀（Mesh）結構如圖1.5（e）所示。網狀結構又稱為分布式結構，沒有嚴格的布點規定和形狀，節點之間的連接是任意的，每兩個節點之間可以有多條路徑可供選擇，當某一線路或節點有故障時，不會影響整個網絡的工作。網狀結構的優點是具有較高的可靠性。缺點是由于各個節點通常和多個節點相連，結構復雜，需要路由選擇和流控制的功能，網絡控制軟件比較復雜，硬件成本較高，不易管理和維護。

網狀結構一般用于廣域網，它是通過郵電部門提供的現有線路和服務，將許多分布在不同地方的局域網互聯在一起。尤其在軍事部門的網絡中，一旦某段線路失效，可以通過其他路徑傳輸數據，而不必像傳統的電話通信那樣，需要重新撥號。在網狀結構中，如果每一個節點與其他所有節點都有一條專用的點到點鏈路，就稱為全互聯型網絡。

6.無線拓撲結構

無線拓撲結構通過空氣作為介質傳輸數據，主要有微波紅外線、衛星通信等形式。衛星通信網絡中，通信衛星就是一個中心交換站，它通過和分布在地球不同地理位置的地面站將各個地區網絡相互連接。

7.混合型拓撲結構

在實際組建網絡而選擇網絡的拓撲結構時，需要考慮所建網絡系統的可靠性、可擴充性及網絡特性等多種因素。如網絡的工作環境、覆蓋范圍和網絡的安全性；用戶地點的變動，網絡范圍的擴大，能靈活地撤銷或增加節點；網絡的故障檢測與故障隔離等。因此網絡的拓撲結構不一定局限于某一種，通常是幾種拓撲結構的組合。例如，一個網絡的主干線采用環型結構，而連接到這個環上的各個組織的局域網可以采用星型結構、總線型結構等。在選擇網絡拓撲結構時，應考慮可靠性、費用、靈活性、響應時間和吞吐量等因素。