计算机网络的物理拓扑结构

物理拓扑结构决定了网络最基本的技术范围，因此对于任何一个计算机网络系统的设计，首先要决定选择一种网络物理拓扑结构。

物理拓扑结构是以传输媒介构成的计算机网络的结构或数据信号所传输的物理路径。不过，网络数据通信并不一定按照物理拓扑结构所搭建的路径传输数据，而是按照网络的逻辑拓扑结构所定义的路径和方式传送数据。也就是说，在某些特定的情况下，物理网络拓扑结构并不能反映网络的实际运作方式和数据传输的路径，即真正的数据信号路径是逻辑拓扑结构所定义的路径。

通俗地讲，网络设备之间的连接方式称为网络的物理拓扑结构。所有的计算机网络都是建立在点到点或多点连接基础上的，网络设备通过传输媒介相互连接，故而网络物理拓扑结构的实质是网络传输媒介的连接结构。

在选择网络物理拓扑结构时，应从如下方面考虑。

●所选择的物理拓扑结构安装的相对难易程度。

●结构进行再配置的难易程度。

●结构维护的相对难易程度。

●传输媒介故障对网络连接设备的影响程度。

OSI物理层为网络通信提供了多种物理拓扑结构，它们是：总线型拓扑结构、环形拓扑结构、星形拓扑结构、网状拓扑结构和蜂窝状拓扑结构。

1.总线型拓扑结构

（1）结构特点

物理总线型拓扑结构的网络，通常使用一条长电缆把设备串联起来，这条电缆叫主干。总线型拓扑结构的具体方式如图2-2所示。

图2-2 总线型拓扑结构

在总线上连接的设备使用T型头连接于主干，所采用的媒介为同轴电缆，并且要求在主干两端安装终端匹配器（俗称“堵头”），使信号通过所有设备后从主干上消失，而不被反射造成对真实信号的干扰。

在总线型拓扑结构中，大多数通信信号都可以双向传输，但是，有些应用则要求实现单向传输。在此情况下，信号仅能传到下游设备，如果要传输反方向的信号，就要使用特定的终端匹配器。

（2）应用性能

安装难易程度：总线型拓扑网络的安装相对比较容易，只需简单地将主干电缆从一处拉到另一处，使用标准的连接器件（T型头和BNC头）把设备串联在传输媒介上，因而不但布线连接简单，而且比其他拓扑结构使用的电缆少。

不过，需要注意的是，在每一个物理总线型拓扑结构中，为了保持信号的可读性，所容纳的设备总数和每个设备之间的距离有一定的限制。例如，若采用50Ω细缆作为总线主干，则一条总线型拓扑结构的最长距离不能超过185m，而若采用50Ω粗缆，则最长距离可以达到500m。

再配置难易程度：一般来说，总线型拓扑结构的计算机网络中的设备添加或减少相对简单，但当一条总线的长度超过有关的协议规范或所容纳的设备超过一定的数量时，总线型拓扑结构将无法扩充，常常必须修改主干，甚至更换主干。

维护难易程度：总线型拓扑结构的维护相对比较困难。其原因很简单，当网络出现故障时的最简单方法是把问题隔离在某个网段。但是，因为总线型拓扑结构网络是基于一条电缆的，要把问题隔离相对来说比较困难。

媒介故障对网络连接设备影响程度：总线型拓扑结构网络的一个最大特点是，网络中的设备连接为串联方式。因此，当总线出现故障或断开，整个网上的通信就无法进行。

（3）优势与劣势

优势：使用成熟确定的标准；安装比较容易；比其他拓扑结构使用的电缆少。

劣势：当距离和设备数量达到最大的允许值时再配置困难；排除故障困难；媒介一旦出现故障网络随即瘫痪；现有采用总线型拓扑结构的网络通信协议的通信带宽有限（10Mbit/s）。

可以这样认为，现代计算机网络基本已不再采用总线型拓扑结构的原因，正是由于上述其不可克服的弱点（劣势）所致。

2.环形拓扑结构

（1）结构特点

环形拓扑结构就像其名称一样，网络设备以串联的方式连接并构成一个封闭的环状。网络的每台设备通过一个接口设备和分支电缆连到环上，如图2-3所示。

图2-3 环形拓扑结构

在环形拓扑结构中，通信信号是顺着某个方向从一台设备传到另一台设备。每台设备均有一个接收器，并同时有一个发送器，信号在环中如同烽火台传递信息一样，以接力方式把信号发送到目的地。可见，在环形拓扑结构的网络中，每台设备都像一个中继器，具有对信号重复与放大的功能，信号在环网中传输的衰减很小。因此，从这个意义上讲，环形结构的网络的传输距离可以没有限制，但考虑到信号的传输速率和数据传输可靠性的需要，环形拓扑结构的设备连接的总长度必须有一定限制。

（2）应用性能

安装难易程度：环形拓扑结构的安装与总线型拓扑结构一样，初始安装时都比较简单，对两个设备间的距离限制很小，但对环上所能连接设备的数量有一定的限制。由于一般在环形拓扑结构中信号的传输通常是单方向的，所以反射信号不会给信号造成影响。

再配置难易程度：环形拓扑结构的网络有一个最大的问题，就是随着网上设备的增加，再配置的难度也增加。虽然该结构对两个分支点之间的距离限制比较少，但是环的最大长度和环上设备总数有一定的限制，从而有可能给网络的再配置带来困难。此外，由于在此结构中，要求有一个网络管制中心设备，当在网络中添加或减少任何一个设备时，都必须在管制中心设备上进行设置。

维护难易程度：由于在环形拓扑结构中，每台设备都像一个中继器，信号在每个设备上均会停留。因此，当媒介出现故障时很容易被察觉，当某个设备（下游中继器）没能在特定的时间内接收到信号，就说明它与上游设备之间出现了故障。虽然，环形拓扑结构与总线型拓扑结构都采用串联方式连接，但是，由于信号的传输处理方式不同，环形拓扑结构的可维护性要大大好于总线型拓扑结构。

媒介故障对网络连接设备的影响程度：大多数环形拓扑结构仅使用一个环。在单环网络系统媒介上出现的任何错误，都会影响网上的所有设备。但是，若采用双环系统，由于双环系统中有两个电子的或物理的分离环，两个环的传输方向相反。利用这种不同方向的传输，当网络中的某根电缆出现故障时，可及时改变信号传输的方向，保障网络仍能把信号正确地传输到目的地。虽然这种信号传输方向的改变，可能会使传输距离和时间变长，但是可以保证不会使任何设备在网络媒介出现故障时从网络上被隔离。

（3）优势与劣势

优势：电缆故障易排除；即使电缆布局不规则，使用双环结构可具有很高的容错能力。

劣势：安装和配置较总线型拓扑结构难；单方向或单环传输媒介故障将可使网络完全瘫痪；现有铜缆的环形拓扑网络协议的通信带宽有限（最高为16Mbit/s）。

早期大型计算机网络的主干均采用环形结构，其中最典型的是FDDI（光纤分布式数据接口）。FDDI采用光纤双环拓扑结构，通信带宽可达到100Mbit/s。但在现代计算机网络应用中，环形拓扑结构已经很少见，其原因与上述的劣势有很大的关系。

3.星形拓扑结构

（1）结构特点

星形拓扑结构与总线型拓扑结构和环形拓扑结构有较大的差别。每个星形拓扑结构均拥有一个中心设备，其他所有网络设备均以点到点方式连接到该中心设备上。现代网络应用中使用的集线器和交换机都是典型的星形拓扑结构中的中心连接设备，如图2-4所示。

图2-4 典型的星形拓扑结构

在星形拓扑结构中，一个星形拓扑可以隐在另一个星形结构中，从而形成一个树形或层次型网络拓扑结构（见图2-5），这正是现代网络应用中所采用的主流网络物理拓扑结构。

图2-5 星形拓扑结构演变后的树形拓扑结构(www.xing528.com)

（2）应用性能

安装难易程度：星形拓扑结构与总线型拓扑结构和环形拓扑结构相比，使用更多的电缆，其安装也相对比较困难。但是，由于现在的安装工具有了很大的进步，星形拓扑结构的电缆的安装已经不再是一件困难的事情了。

再配置难易程度：鉴于星形拓扑结构所具备的特点，星形拓扑结构网络相对来说比较容易再配置。当需要移去、增加或改变网络中的任何一个设备的连接时，仅涉及被改变的那台网上设备与中心设备端口，其他端口上连接的设备可继续正常工作。

维护难易程度：由于在星形拓扑结构的网络上的所有数据都要通过中心设备，并在中心设备被收集，所以维护起来很容易。若用星形结构组成层次型结构，将可使网络的架构更加灵活，并能分流通信量。

媒介故障对网络连接设备的影响程度：星形拓扑结构的一个最大优点就是能够较好地处理传输媒介故障。如果网络上的传输媒介发生故障，在中心连接设备上就可以很方便地确定出是哪一条链路的传输媒介出现了故障，并可以从容地从网络上移去受故障影响的设备，而不会危及其他网上设备正常通信。

（3）优势与劣势

优势：现有所有的高速网络协议均支持星形拓扑结构；再配置较容易；排除故障方便；媒介故障易排除。

劣势：比其他拓扑结构使用的电缆多。

在现代计算机网络应用中，几乎是星形拓扑结构的天下，除了由于目前几乎所有的高速网络协议均建立在星形拓扑结构之上外，星形拓扑结构所具备的上述优势是决定性的因素。虽然，星形拓扑结构使用的电缆稍多一些，但电缆的费用在网络的整个建设中的比重微不足道，星形拓扑结构的配置方便、排故容易和媒介故障影响小的三大特点，足以使星形拓扑结构成为现代计算机网络标准的物理拓扑结构。

4.网状拓扑结构

（1）结构特点

在网状拓扑结构的网络中，每台设备之间相互都有点到点的链路连接，如图2-6所示。

图2-6 网状拓扑结构

网状拓扑结构中的每台设备都要求与其他所有设备有一个接口，因此网状拓扑结构一般不实用。除非每个站点都要频繁地向其他所有站点发送信号，否则绝大多数网络带宽就被浪费掉了。但是，网状网络却有一个最大的优点，其容错性能非常好，并且能为每一连接提供足够的带宽。因此，在实际的应用中并非绝对不采用网状拓扑结构。通常在一个混合性网络中，其最大的或最重要的站点之间的互连使用的便是网状拓扑结构。

例如，某网络中心管理着一个具有多个重要的网络服务站点（称为“主站点”）和多个远程广域网，每一个主站点都有一台以上主机，所有的主机都必须相互通信以支撑一个分布式数据库，这时，就需要使用混合型网状拓扑结构在主站点之间提供冗余链路连接，以确保主机之间的通信畅通。

（2）应用性能

安装难易程度：网状网络相对来说安装困难，当设备数增加时，安装的工作量及难度呈几何级数增长。

再配置难易程度：与难于安装的原因一样，网状拓扑结构的网络也难于进行再配置。

维护难易程度：网状拓扑结构易于维护，每一传输媒介链路都互相独立，可以很容易地确定故障所在，并可将受影响的连接隔离开来。

媒介故障对网络连接设备影响程度：网状拓扑结构比其他拓扑结构的容错性都好。由两台以上设备组成的网状网络中，每台设备都有多于一条的路径可向其他设备发送信号。如果某条路径出现故障，信号的传输可避开有故障的路径。因此，网状拓扑结构的网络理论上没有设备会受到媒介故障的影响。但是，如果所有路径都使用每条链路的最大容量，那么，当信号要避开有故障的路径时，网络的整体性能会有所下降。

（3）优势与劣势

优势：故障易排除；故障点易隔离；有很高的容错能力。

劣势：随着设备数量的增加，系统的安装和再配置特别困难。

在现代计算机网络应用中，网状拓扑结构应用不多，或者说不通用，但并不是无处可用。

5.蜂窝状拓扑结构

（1）结构特点

蜂窝状拓扑结构一般用于无线网络中，结合无线点到点和多点策略，一个地理区域被划分成多个单元，每一个单元代表网络的一部分，在每个区域内，有特定的连接方式，单元内的设备与中央站点或集线器进行通信。中央站点或集线器再相互连接，使数据能跨过不同的区域遍及整个网络，从而构成一个完整的网络结构。现在广泛使用的移动电话通信系统是蜂窝状拓扑结构网络应用的成功范例，如图2-7所示。

图2-7 蜂窝状拓扑结构

蜂窝状拓扑作为一种无线结构，网上设备之间的通信依赖于无线传输媒介中央站点或集线器所处的位置，数据信号可从一个单元漫游到另一个单元，并最终到达目的地。

（2）应用性能

安装难易程度：由于蜂窝状拓扑结构的网络一般均为无线网络，并且均在室外，网络跨度大。因此，该结构网络的集线器安装很麻烦，不仅需要土建施工，而且必须得到批准。

再配置难易程度：一般不需要进行再配置。只要设备处在网络的任何一个集线器的有效范围内，它就可以与网络保持连接。

维护难易程度：设备与中央站点集线器连接的维护相对较简单，因为每一个集线器都独立地与每台设备进行交互。但集线器与集线器之间的维护有一定的困难，因为它们一般相距很远。

媒介故障对网络连接设备影响程度：当蜂窝状拓扑结构中的某些区域受到干扰导致设备与集线器通信故障时，一般来讲，该区域所有设备的连接都会受到不同程度的影响。

（3）优势与劣势

优势：故障易排除；故障点易隔离；用户增加或移动时不需要媒介的再配置；用户设备与中央站的连接安装相对容易。

劣势：中央站集线器故障将导致该区域所有设备的连接失败。

6.各种拓扑结构的组合应用

从上述对各种基本网络拓扑结构的介绍和分析可以看出，任何一种结构都没有绝对的优势和绝对的劣势。在实际的网络规划与设计中，必须根据应用的要求，针对现场的条件和当时技术发展的水平以及资金状况来选择某一种拓扑结构作为网络的连接方式。

然而，在实际的工作中，大多数情况下的网络结构并不是单一的，通常都是一、两种以上结构的组合，以便取长补短，充分发挥不同结构的最大优势。在实际的应用中最常见的组合有以下几种。

●总线结构与星形结构的组合——总线+星形拓扑结构。

●环形结构与星形结构的组合——环形+星形拓扑结构。

●星形结构与星形结构的组合——树状拓扑结构。

在现代计算机网络的结构设计中，采用最多的是由星形拓扑结构组合而成的树状拓扑结构，如图2-8所示。

图2-8 现代计算机网络的典型结构——树状拓扑结构