网络拓扑结构-学习计算机网络管理与安全技术

1.1.5　网络的拓扑结构

拓扑结构是决定通信网络性质的关键要素之一。“拓扑”一词来源于拓扑学，拓扑学是几何学的一个分支，它把实体抽象成与其大小、形状无关的点，将点到点之间的连接抽象成线段，进而研究它们之间的关系。计算机网络中也借用这种方法来描述网络节点之间的连接方式。具体而言，就是将网络中的计算机和通信设备抽象成节点，将节点与节点之间的通信线路抽象成链路。这样整个计算机网络的物理结构被抽象成由一组节点和若干链路组成的几何图形。这种计算机网络物理结构的图形化表示方法称之为计算机网络拓扑结构，或称网络结构。计算机网络拓扑结构是组建各种网络的基础，不同的网络拓扑结构涉及不同的网络技术，对网络的设计、性能、可靠性和通信费用等方面都有重要的影响。

计算机网络的拓扑结构，按通信系统的传输方式可分成两大类：点对点传输结构和广播传输结构。

1.点对点传输结构

所谓点对点传输就是“存储-转发”传输。每条物理线路连接一对节点，没有直接链路的两节点之间必须经其他节点转发才能通信。点对点传输结构通常为远程网和大城市网所采用，网络的拓扑结构有星形、环形、树形和网状。

（1）星形结构以一台计算机为中心机，并用单独的线路使中心机与其他各节点相连，任何两节点之间的数据传输都要经过中心机的控制和转发，如图1-3所示。中心机控制着全网的通信，故中心机的可靠性是至关重要的，它的故障可能会导致整个网络瘫痪。星形结构的优点是拓扑结构简单，易于组建和管理，对外围节点要求不高，增加节点时成本低。节点故障容易检测和隔离，单个站点的故障只影响一个设备，不会影响全网。以集线器为中心的局域网是一种最常见的星形拓扑结构网络。

图1-3　星形网络结构

（2）树形拓扑结构是一种分级结构，节点按层次进行连接，如图1-4所示。全网中有一个顶层的节点（树根节点），其余节点按上、下层次进行连接，数据传输主要在上、下层节点之间进行，同层节点之间数据传输时要经上层转发。这种结构的优点是灵活性好，通信线路连接简单，网络管理软件也不复杂，维护方便。树根节点具有统管整个网络的能力，而且可以逐层次扩展网络；但缺点是资源共享能力差，可靠性低。若某一个子节点出故障，则和该子节点连接的终端均不能工作。

图1-4　树形网络结构

（3）环形网络中各计算机节点通过环路接口连接到一条首尾相连的闭环通信线路中，任意两个节点之间的通信必须通过环路，如图1-5所示。在环形拓扑结构中，该环路是共用的，单条环路只能进行单向通信。环路中各节点的地位和作用是相同的，因此容易实现分布式控制。环形拓扑结构的优点是传输控制机制较为简单，传输速率高，网络最大传输时延固定，实时性强。其缺点是可靠性差，当环路上的一个节点出现故障时就会造成整个网络的瘫痪。在某些网络中为了提高可靠性而采用了双环结构，一旦节点出现故障，自动启动备份环工作。因此，双环的可靠性明显优于单环。由于环形网络独特的优势，它被广泛地应用在分布式处理中。

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图1-5　环形网络结构

（4）网状结构如图1-6所示，它又称为分布式结构，是由分布在不同地点的多个节点相互连接而成的。网状结构无严格的布点规定和构形，节点之间有多条线路可供选择，当某一线路或节点故障时不会影响整个网络的工作，具有较高的可靠性，而且资源共享方便，数据传输快。由于各个节点通常和另外多个节点相连，故节点都应具有路由选择和流量控制的功能，网络管理软件比较复杂，硬件成本较高。一般情况下，网状结构常用于广域网中，可在广域网的主要节点之间实现高速通信，在局域网中很少采用这种网状结构。

图1-6　网状网络结构

2.广播式传输结构

在广播式传输结构中，多个网络节点共享一个公共的传输介质。这样，任何一个计算机向网络系统发送信息时，连接在这个公共的传输介质上的所有计算机均可以接收到，因而这种方式又称为共享链路的拓扑结构。广播式传输结构主要有总线型信道、无线电波和卫星通信等网络结构。

（1）总线型。在总线型结构中，网络中所有节点连接到一条共享的传输介质上，所有节点都通过这条传输介质来发送和接收数据，如图1-7所示。任意一个节点发送的数据都能被传输介质上的所有其他节点接收到，这条传输介质就称为总线。

由于共用同一条传输介质，必须有一种介质访问控制方法，使任一时刻只允许一个节点使用链路发送数据，而其余的节点只能“收听”数据。目前，以太网即是一个典型的总线型拓扑结构，采用的介质访问控制方法叫做载波监听多路访问/冲突检测（CSMA/CD）控制机制。在这种结构中，节点的插入或拆卸是非常方便的，易于网络的扩充。另外网络上的某个节点发生故障时，对整个系统的影响很小，所以网络的可靠性较高。

图1-7　总线型网络结构

（2）无线型。无线型拓扑的主要特点是采用同一频率的无线电波作为公用链路，网络中的各节点均通过“广播”的方式发送数据。

（3）卫星通信型。在卫星通信型拓扑结构中，网络中的卫星是所有数据的转发中心。当一个节点需要给另一节点发送数据时，发送节点将数据发送给卫星，由卫星再中转给接收节点。值得注意的是，近年来卫星通信技术有了很大的发展，利用卫星通信来组成广域网，并且实现国家与国家的互联，是未来全球网络的重要技术手段。