计算机网络拓扑结构：全面解析

计算机网络的拓扑即计算机网络的结构，是指网络中的站点（工作站、服务器、外部设备等）在逻辑上或物理上的连接方式和形式。常见的网络拓扑结构有星形拓扑、总线型拓扑、环形拓扑，树形拓。拓扑结构的选择往往和传输介质的访问控制方法紧密相关，选择拓扑结构时，主要应考虑以下几方面的因素：

（1）费用低 不管选用何种传输介质，都需要进行安装，如挖电缆沟、敷设电缆管道等，因此费用的降低，就和拓扑结构的选择及相应的传输介质选择、传输距离等有关。

（2）灵活性 计算机网络应具有可扩展性，如原站点删除或新站点加入；另外建网时，还应考虑到设备移动时能够容易重新配置网络的拓扑结构。

（3）可靠性 网络故障常见的有两类：一类是网络中个别节点损坏；另一类是网络本身无法运行。正确选择拓扑结构要使故障检测和隔离较方便。

1.星形拓扑

星形拓扑是数据通信系统中使用最广泛的结构之一，由中央节点和通过点对点链路连接到中央节点的各个站点组成，其拓扑结构如图2-26所示，其中2-26b表示使用接线盒的星形拓扑结构，接线盒相当于中间集中点，可以在每一楼层配置一个。接线盒有足够数量的连接点，以供该楼层的站点使用，站点的位置可灵活设置。

图2-26 星形拓扑结构

中央节点通常用一台中小型计算机或服务器担任，既可以作为信息控制开关，又可以作为通用数据处理设备。中央节点执行集中式通信控制策略，因此中央节点相当复杂，而各个站点的通信处理负担都较小。当外围节点之间希望通信时，请求通信的外围节点，即源节点必须向中央节点发送请求信息，由中央节点建立目标节点的相应通路。如果有多个源外围节点要求与同一目标节点通信，那么这些源外围节点必须排队等待，让优先级别高的节点优先使用由该目标节点与中央节点之间的通路。

采用星形拓扑的交换方式有电路交换和分组交换，尤以电路交换更为普遍。现有的数据处理和语音通信的信息网大都采用这种拓扑结构。

星形拓扑的优点是网络配置灵活方便，且便于故障的检测和隔离，因为线路可以一条条隔离开来进行故障定位，单个节点的故障不会影响全网。但是这种拓扑结构对中央节点的依赖太大，如果中央节点出了故障，则造成全网的瘫痪，所以一般对中央节点的可靠性和冗余度要求较高。

2.总线型拓扑

总线型拓扑是目前最常见的局域网拓扑形式，广泛采用单根传输线作为传输介质，所有的站点都通过相应的硬件接口直接连接到传输介质（或称为总线）上。其结构如图2-27所示。其中，图a是总线拓扑结构，图b是带有中继器的总线型拓扑结构。

总线型拓扑结构是一种共享通路，在总线网络中数据传输采用广播方式，任何一个站点发送的信号，都可以沿着介质传播，而且能被所有其他站点接收。然而，因为所有的站点共享一条公用的传输链路，所以一次只能由一个设备传输信号。需要有一种访问控制策略，来决定下一次哪一个站点可以发送。发送时，发送站将报文分成分组，然后一个一个地依次发送这些分组，有要与其他站点来的分组交替地在介质上传输。当分组经过各站点时，目的站将识别分组的地址，然后复制下这些分组的内容。这种拓扑结构减轻了网络的通信处理的负担，它仅仅是一个无源的传输介质，而通信处理分布在各站点进行。

图2-27 总线型拓扑结构

因为所有的站点接到一个公共数据通路上，所以总线拓扑只需很短的电缆长度，从而减少安装费用，且可靠性高，易于扩充，当需要增加新的站点时，只需在总线的任何点将其接入，如需要增加长度，可通过中继器扩展一个附加段。然而因为总线拓扑不是集中控制，所以故障隔离和检测困难。如果故障发生在站点，则只需将该站点从总线上去掉；如果传输介质故障，则整个这段总线要切除。(www.xing528.com)

图2-28 环形拓扑结构

3.环形拓扑

环形拓扑是另一种常用的网络结构，由一些中继器和连接中继器的点到点链路组成一个闭环，如图2-28所示。环形拓扑是一种非集中控制方式，各工作站之间无主从关系，每个节点都可以获得并执行控制权，不存在对路线选择的问题，控制简单，有利于实现分布式控制。接口线路及连接结构较简单，可采用高速数字式传输信息，而不需要调制解调器。信息在环上的流动是单方向的。环形网络中采用有源节点，即每个站点都是通过一个中继器连接到网络上的，每个中继器都与两条链路相连。中继器是一种比较简单的设备，它能够接收从一条链路上传来的数据，并以同样的传输速率串行地把该数据传送到另一链路上，而不在中继器中缓冲。

数据以分组的形式发送，每个分组包括一段数据加上某些控制信息，其中包括目的站的地址。源站依次把每个分组放到环上，然后通过其他中继器进行循环。当目的站识别带有它自己地址的分组，就在这些分组通过时将它接收下来。由于多个站点共享一个环，因此需要对此进行控制，以便决定每个站什么时候可以把分组放在环上。这种功能是用分布控制的形式完成的，每个站点都有控制发送和接收的访问逻辑。

环形拓扑所需电缆长度短，因为环形拓扑是点到点的连接，所以不需像星形拓扑那样配置接线盒。环形拓扑是单方向传输，而光纤传输速率高，因此光纤传输介质十分适用。然而，环形拓扑结构影响访问协议，当环上每个站点接收到数据后，要负责将它发送到环上，这意味着要同时考虑访问控制协议，因此站点发送数据前，必须事先知道它所使用的传输介质。另外，在环上的数据传输要通过接在环上的每一个节点，如果环中某一节点故障，会引起全网故障，需要对每个节点进行检测，扩充环的配置较困难，同时要关掉一部分已接入网络的站点也不容易，因此常采用旁路技术和双环技术。

4.树形拓扑

树形拓扑又称为层次型拓扑或垂直型拓扑，形状像棵倒置的大树，顶端有一个带分支的根，每个分支还可以延伸出子分支。在这种拓扑中，根部的数据终端设备负责网络的控制，所有节点之间的信息流都起源于根部的数据终端，如图2-29所示。树形拓扑是分布式多处理机系统的一种互连结构，也可作为局域网的一种拓扑形式，通常采用同轴电缆作为传输介质，且使用带宽传输技术。

树形拓扑是从总线拓扑演变过来的，两者的区别在于根的存在，当站点发送时，根接收该信号，然后再重新广播发送到全网。这种结构不需要中继器。树形拓扑最突出问题是对路径的选择。路径算法的好坏，直接影响到网络通信的速度、效率、可靠性等。对路径算法的基本要求：路径短、开销少、独立性好、可靠性强。

图2-29 树形拓扑结构

树形拓扑比较灵活，容易扩展，这种结构可以延伸出很多分支和子分支，因此新的节点和分支易于加入网内。另外，它的故障隔离比较容易，如果某一分支的节点或线路发生故障，很容易将这个分支和整个系统隔离开来，所以网络可靠性高，控制也比较简单。树形拓扑的突出缺点是对根的依赖性太大，如果根发生故障，则全网不能正常工作，因此这种拓扑结构的可靠性问题和星形拓扑结构的相似。

5.传输介质与网络拓扑结构的关系

网络拓扑结构与传输介质有着密切的关系，表2-2给出了每种网络拓扑结构可使用的传输介质种类。

表2-2 拓扑结构与介质的关系