1.3.3 按网络的拓扑结构分类
拓扑是音译外来词（英文写作Topology），是一种研究与大小、形状无关的构成图形（线、面）特性的方法。即抛开网络中的具体设备，把工作站、服务器等网络单元抽象为“节点”，把网络中的电缆等通信介质抽象为“线”，形成点和线组成的图形，使人们对网络整体有比较直观的印象。这样从拓扑学的角度看，计算机网络就变成了点和线组成的几何图形，这就是网络的拓扑结构。也就是说，网络拓扑结构是一个网络的通信链路和节点的几何排列或物理图形布局，在计算机网络中忽略了网络的具体物理特性，如节点之间的距离、各节点的位置，而着重研究节点之间的连接关系。
网络中的节点有两类：一类是只转接和交换信息的转接节点，包括节点交换机、集线器和终端控制器等；另一类是访问节点，包括主计算机和终端等，它们是信息交换的源节点和目标节点。
计算机网络的拓扑结构有许多种，最基本的是总线形、星形和环形3种。其他的拓扑结构都是从这3种拓扑结构中衍生而来的。
网络的拓扑结构对网络的各种性能起着至关重要的作用。
1.总线形拓扑结构
总线形拓扑结构是所有网络拓扑结构中最基本、最简单的一种。总线形拓扑结构采用单根传输线作为公用的传输介质，将网络中所有的计算机通过相应的硬件接口和电缆直接连接到这根共享的总线上。任何一个站点发送的信号都可以沿着总线传播，所有的站点都能从总线上获取发给它的信号。
总线形拓扑结构的特点如下。
（1）易于布线
由于节点直接连接到总线上，电缆长度短，使用电缆少，因而安装容易，扩充方便。
（2）故障诊断困难
由于各节点共享总线，因而任何一个节点出现故障都将导致整个网络无法正常工作，并且在检查故障时必须对每一个节点进行检测，这种才能查出有问题的节点。
（3）故障隔离困难
如果节点出现故障，则直接将节点除去；如果传输介质出现故障，则整段总线要切断。
（4）对节点要求较高
每个节点都要有介质访问控制功能，以便与其他节点有序地共享总线。
在总线形拓扑结构中，采用单根传输线作为公用的传输介质，所有的站点都通过相应的硬件接口（如网卡）直接连接到这根共享的总线上。当有站点要传送数据时，就侦听总线，看是不是有站点正在传输，如果没有就发送数据，如果有就等待。当数据发送到总线上后，每一个站点都去检查，看是不是发给自己的，如果是则保存，如果不是就放弃。因此，任何一个站点发送的信号都可以沿着总线传播，所有的站点都能从总线上获取发给它的信号。
总线形网络的优点是：结构简单灵活，易于扩展；共享能力强，便于广播传输；可靠性高，网络响应速度快；网络构建需要设备少，成本低。但由于总线形网络在同一时刻仅允许一个站点发送数据，因此当网络负荷加重时，网络性能将迅速下降。另外，当总线出现故障时，整个网络通信将被中断。总线形拓扑结构如图1.3所示。
图1.3 总线形拓扑结构
总线形拓扑结构曾流行了一段时间，典型的总线形局域网有以太网。总线形拓扑结构适用于连接计算机较少的计算机网络，通常用于构建10Mbps的计算机网络，使用同轴电缆进行连接。
2.星形拓扑结构
星形拓扑结构是一个局域网结构。在这种结构中用一个节点作为中心节点，其他节点直接与中心节点相连。中心节点可以是文件服务器，也可以是连接设备。
星形拓扑结构的网络属于集中控制型网络，整个网络由中心节点执行集中式通信控制管理，各节点间的通信都要通过中心节点。每一个要发送数据的节点都将要发送的数据先发送给中心节点，再由中心节点负责将数据送到目的节点。中心节点相当复杂，而各个节点的通信处理负担都很小，只需满足点到点链路的简单通信要求即可。星形拓扑结构如图1.4所示。
图1.4 星形拓扑结构
星形拓扑结构的特点如下。
（1）可靠性高
在网络中，连接点往往容易产生故障。在星形拓扑结构中，由于每一个连接点只连接一个设备，所以当一个连接点出现故障时，只影响相应的设备，不会影响整个网络。
（2）故障诊断和隔离容易
由于每个节点直接连接到中心节点，因此如果是某一节点的通信出现问题，就能很方便地判断出有故障的连接，方便地将该节点从网络中删除。如果是整个网络的通信都不正常，则需考虑中心节点是否出现了故障。
（3）所需电缆多
由于每个节点直接与中心节点连接，所以整个网络需要大量的电缆，增加了组网成本。
（4）可靠性依赖于中心节点
如果中心节点出现故障，则影响到全网。
星形拓扑结构的中心节点最早使用的是一个被称为集线器的设备，由其负责将各个站点广播转发，或直接转发给接收方节点。现在通常使用智能更高、速度更快的交换机作为中心节点，以全面提高网络速度。
总的来说，星形拓扑结构相对简单，便于管理，建网容易，是目前局域网普遍采用的一种拓扑结构。采用星形拓扑结构的局域网，一般使用双绞线或光纤作为传输介质，符合综合布线标准，能够满足多种带宽要求。
3.环形拓扑结构
环形拓扑结构使用公共电缆组成一个封闭的环，各节点直接连接到环上，信息沿着环按一定方向从一个节点传送到另一个节点。环接口一般由发送器、接收器、控制器、线控制器和线接收器组成。在环形拓扑结构中，有一个控制发送数据权力的“令牌”，它是一个用来决定环上的哪个站可以发送信息的特殊信息包。“令牌”在环中流动，某节点需要发送数据，必须先等待空的“令牌”到来，将要发送的数据附在“令牌”的后边按一定的方向单向绕环传送，每经过一个节点都要被接收、判断一次，是发给它的则接收，否则的话将数据送回到环中继续往下传，直到发送数据的源节点为止。环形网络拓扑结构如图1.5所示。
环形拓扑结构的特点如下。
（1）所需电缆少
与总线形类似，环形拓扑也是共享传输介质的，比较节省电缆。
图1.5 环形网络拓扑结构
（2）控制简单
信息单向传输，不需路径选择。
（3）适用于光纤
环形拓扑结构中数据的传输方向都是单向的，比较适合选用光纤。
（4）整体可靠性差
由于所有的节点是一个挨着一个地连接，因此任何一个节点出现故障都会影响到全网。
（5）故障诊断困难
诊断故障时，需要对每个节点进行检测，才能查出有问题的节点。
（6）对节点的要求高
环形拓扑结构中要求每个节点对信息都要有地址识别能力，因此，每个节点的网络接入设备较复杂，也比其他网络拓扑结构的接入设备昂贵。
环形拓扑结构是3种基本拓扑结构中最少见的一种，适合于信息处理系统和工厂自动化系统。
4.树形拓扑结构
树形拓扑结构是一种分层结构，是总线形结构的扩展，它是在总线网上加上分支形成的。其传输介质可有多条分支，但不形成闭合回路。也可以把它看成是星形结构的叠加。树形拓扑结构又称为分级的集中式结构，如图1.6所示。树形拓扑有其独特的特点而与众不同。它具有层次结构，是一种分层网络，网络的最高层是中央处理机，最低层是终端，其他各层可以是多路转换器、集线器或部门用计算机。其结构可以对称，联系固定，具有一定容错能力，一般一个分支和节点的故障不会影响另一个分支和节点的工作，任何一个节点送出的信息都由根接收后重新发送到所有的节点，可以传遍整个传输介质，也是广播式网络。著名的因特网（Internet）也是大多采用树形结构的。
（1）树形拓扑结构的优点
➢ 结构比较简单，成本低。
➢ 网络中任意两个节点之间不产生回路，每个链路都支持双向传输。
➢ 网络中节点扩充方便、灵活，寻找链路路径比较方便。
（2）树形拓扑结构的缺点
➢ 除叶节点及其相连的链路外，任何一个工作站或链路产生故障都会影响整个网络系统的正常运行。
图1.6 树形拓扑结构
➢ 对根的依赖性太大，如果根发生故障，则全网不能正常工作。因此，这种结构的可靠性问题和星形结构相似。
5.混合形拓扑结构
混合形网络拓扑结构是两种或两种以上拓扑结构的组合。常见的有星形总线形拓扑结构和星形环形拓扑结构。
星形总线形拓扑结构是星形与总线形的混合体，它通常以总线形为主干，把星形拓扑结构的网络作为总线的节点串在一根传输介质上。采用这种拓扑结构的网络可以覆盖较大的范围，容易与不同的网络进行连接或断开。由于任何一台计算机发生故障都不会影响整个网络，因此，这种网络的整体可靠性高。在这种混合形网络中，通常使用双绞线作为星形结构的连接线，使用光纤作为主干线路的连接线，充分发挥了星形和总线形各自的优势。星形总线形拓扑结构如图1.7所示。
图1.7 星形总线形拓扑结构
星形环形拓扑结构是星形结构与环形结构的混合体，它通常以环形结构为主干，将星形结构的网络作为节点接入环中。