1.2 计算机网络的拓扑结构

1.2.1 网络拓扑的概念

拓扑学由图论演变而来，在拓扑学中，先将实体抽象为与大小、形状无关的点，再将连接实体的线路抽象为线，进而研究点、线之间的特性，它是一种橡皮泥技术。而计算机网络的拓扑结构，是研究网络中各节点之间的连线（链路）的物理布局（只考虑节点的位置关系而不考虑节点间的距离和大小）。网络拓扑结构将网络中的具体设备，如计算机、交换机等网络单元抽象为节点，而把网络中的传输介质抽象为线。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，也就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。

计算机网络中的节点有两类：一类是转接和交换信息的转接节点，如交换机、集线器和终端控制器等；另一类是访问节点，如主计算机和终端等，它们是信息交换的源节点和目标节点。

网络的拓扑结构表示网络的整体结构和外貌，反映了网络中节点与链路之间相互连接的不同物理形态。它影响着整个网络的设计、功能、可靠性和通信费用等问题，同时还是实现各种协议的基础，是研究计算机网络的主要环节之一。

1.2.2 通信子网的信道类型

通信子网的信道类型也称线路配置，它是指两个或两个以上的通信设备连接到链路的方式，主要有点到点式网络和广播式网络两种。

1.点到点式网络（Point-to-Point Networks）

通信子网中的点到点连接，是每条物理线路只连接一对设备（计算机或节点交换机），发送的数据在信道另一端只有唯一的一个设备接收。如果两台设备之间不是直接连接，而是通过中间节点的接收、存储、转发直至目的节点，这样的线路结构可能很复杂，因此从源节点到目的节点之间可能存在多条路由，因此决定分组从通信子网的源节点到达目的节点的路由需要有路由算法。采用分组存储转发是点到点式网络与广播式网络的重要区别之一。

点到点式的拓扑结构中，因为没有信道竞争，几乎不存在访问控制问题，但点到点信道会浪费一些带宽。广域网都采用点到点信道，在长距离信道上一旦发生信道访问冲突，控制起来相当困难，而用带宽来换取信道访问控制。

2.广播式网络（Broad Networks）

广播式网络也称多点共享，在广播式网络中，所有节点共享一个通信信道，任何一个节点发送报文信息时，所有其他节点都会接收到该信息。由于发送的分组中带有目的地址与源地址，网络中每个设备都将检查目的地址；如果目的地址与本节点地址相同，则接收该分组，否则丢弃。在广播式网络中，发送的报文分组的目的地址可以有单节点地址、多节点地址和广播地址三类。

在广播信道中，由于信道共享会引起争用信道而产生的介质访问冲突的问题，因此信道访问控制是要解决的关键问题之一。

1.2.3 计算机网络的拓扑结构

计算机网络的拓扑结构主要是指通信子网的拓扑结构，分为总线型、环型、星型、树型、网状等几种类型，其中，总线型、环型结构是广播式网络，星型、树型、网状是点到点连接的网络。

1.总线型结构

总线（Bus）型拓扑结构如图1.5（a）所示。这是一种广播式网络，采用单根传输线（总线）作为传输介质，所有的站点都通过接口连接到总线上，任何一个节点发送的信息传输方向都是从发送节点沿着总线向两端扩散，并被网络上其他节点接收，类似于广播电台发射的电磁波向四周扩散一样。某一时刻只能有一个节点使用总线传输信息，因此存在信道争用问题。一个冲突域内所有节点共享总线的带宽。总线可以分为几段，在各段之间通过中继器连接（扩充）。总线上传输的信息容易发生冲突和碰撞，故不宜用在实时性要求高的场合，解决总线型结构信息冲突（瓶颈）的问题，是总线结构的重要问题。

总线型结构的优点是：结构简单，价格低廉、安装使用方便；连线总长度小于星型结构，若需增加长度，可通过中继器增加一个网段；可靠性高，网络响应速度快；设备少，价格低，安装使用方便；共享资源能力强，便于广播式工作。缺点是故障诊断和隔离比较困难，总线任务重，易产生冲突和碰撞问题。这种结构一般适用于局域网，其典型代表是共享式以太网。

2.环型结构

环（Ring）型结构如图1.5（b）所示。节点通过环路接口，点到点地连在一条首尾相连的闭合环型线路中。环路中各节点地位相同，环路上任何节点均可请求发送信息，请求一旦成功，便可以向环路发送信息。环型网中，信息流单向沿环路逐点传输，一个节点发送的信息必须经过环路中的全部环接口，只有当传输信息的目的地址与环上某节点的地址相符时，信息才被该节点接收，并继续流向下一环路接口，一直回到发送节点为止。由于信号单向传输，因此适宜使用光纤构成高速网络。为了提高通信可靠性，可以采用双环结构实现双向通信。

环型结构的优点是：信息在网络中沿固定方向流动，两个节点间仅有唯一通路，简化了路径选择控制；每个节点收/发信息均由环接口控制，控制软件较简单，传输延迟固定，实时性强，传输速率高，传输距离远，容易实现分布式控制；当某节点发生故障时，可采用旁路环（由中继器完成）方法，可靠性较高，是局域网中常用的结构之一，特别是IBM公司推出令牌环网之后，环型网就被越来越多的人所采用。环型结构的缺点是由于信息是串行通过多个节点，当节点过多时，会影响传输效率，同时使网络响应时间变长；环节点的加入和撤出过程都很复杂，由于环路封闭，环的某处断开会导致整个系统的失效。

环型结构比较适合于实时信息处理系统和工厂自动化系统。光纤分布式数据接口FDDI是环型结构的一个典型网络，在20 世纪90 年代中期，就已达到几百兆比特传输速率，但这种网络技术复杂，尤其出现高速以太网以后，FDDI已经很少采用。

3.星型结构

星（Star）型结构如图1.5（c）所示。中心节点是主节点，网络中的各节点通过点到点的方式连接到一个中心节点上，由中心节点向目的节点传输信息。中心节点是通信子网中的转折点，它接收各分散节点的信息再转发给相应节点，具有中继交换和数据处理能力，控制全网的通信。当某一节点想传输数据时，它首先向中心节点发送一个请求，以便同另一个目的节点建立连接。一旦两节点建立了连接，则在这两点间就像有一条专用线路连接起来一样。中心节点执行集中式通信控制策略，相当复杂，负担较重，是网络的瓶颈。

星型结构的优点是：通信协议简单，单个站点故障不会影响全网，结构简单，增删节点及维护管理容易；故障隔离和检测容易，网络延迟时间较短；一个端节点或链路的故障不会影响到整个网络。缺点是每个站点需要有一个专用链路连接到中心节点，成本较高，通信资源利用率低；网络性能过于依赖中心节点，一旦中心节点出现故障将导致整个网络崩溃。这种结构也常用于局域网，如交换式以太网。

4.树型结构

树（Tree）型结构如图1.5（d）所示。树型结构是层次化结构，形状像一棵倒置的树，具有一个根节点和多个分支节点，星型网络可看作一级分支的树型网络，树型结构是星型结构的扩展。树型结构通信线路总长度较短，联网成本低，易于维护和扩展。树型结构除了叶节点以外，根节点和所有分支节点都是转发节点，属于集中控制式网络，适用于分组管理的场合和控制型网络。树型结构较星型结构复杂，与根节点相连的链路有故障时，对整个网络的影响较大。

树型结构的优点：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；扩充节点方便灵活。缺点是除叶节点及其相连的链路外，任何一个节点或链路产生故障都会影响网络系统的正常运行；对根节点的依赖性太大，如果根节点发生故障，则全网不能正常工作。因此这种结构的可靠性与星型结构相似。目前的内部网大都采用这种结构。

5.网状结构

网状（Mesh）结构如图1.5（e）所示。网状结构又称为分布式结构，没有严格的布点规定和形状，节点之间的连接是任意的，每两个节点之间可以有多条路径可供选择，当某一线路或节点有故障时，不会影响整个网络的工作。网状结构的优点是具有较高的可靠性。缺点是由于各个节点通常和多个节点相连，结构复杂，需要路由选择和流控制的功能，网络控制软件比较复杂，硬件成本较高，不易管理和维护。

网状结构一般用于广域网，它是通过邮电部门提供的现有线路和服务，将许多分布在不同地方的局域网互联在一起。尤其在军事部门的网络中，一旦某段线路失效，可以通过其他路径传输数据，而不必像传统的电话通信那样，需要重新拨号。在网状结构中，如果每一个节点与其他所有节点都有一条专用的点到点链路，就称为全互联型网络。

6.无线拓扑结构

无线拓扑结构通过空气作为介质传输数据，主要有微波红外线、卫星通信等形式。卫星通信网络中，通信卫星就是一个中心交换站，它通过和分布在地球不同地理位置的地面站将各个地区网络相互连接。

7.混合型拓扑结构

在实际组建网络而选择网络的拓扑结构时，需要考虑所建网络系统的可靠性、可扩充性及网络特性等多种因素。如网络的工作环境、覆盖范围和网络的安全性；用户地点的变动，网络范围的扩大，能灵活地撤销或增加节点；网络的故障检测与故障隔离等。因此网络的拓扑结构不一定局限于某一种，通常是几种拓扑结构的组合。例如，一个网络的主干线采用环型结构，而连接到这个环上的各个组织的局域网可以采用星型结构、总线型结构等。在选择网络拓扑结构时，应考虑可靠性、费用、灵活性、响应时间和吞吐量等因素。