拓撲結構

網絡拓撲結構是指把網絡電纜等各種傳輸媒體的物理連接等物理佈局特徵，通過借用幾何學中的點與線這兩種最基本的圖形元素描述，抽象地來討論網絡系統中各個端點相互連接的方法、形式與幾何形狀，可表示出網絡服務器、工作站、網絡設備的網絡配置和相互之間的連接。它的結構主要有總線型結構、星型結構、環型結構、樹型結構、網狀結構。 ^[3] 

計算機網絡的拓撲結構分析是指從邏輯上抽象出網上計算機、網絡設備以及傳輸媒介所構成的線與節點間的關係加以研究的一種研究方式。在進行計算機網絡拓撲結構設計的過程中，通過對網絡節點進行有效控制，對節點與線的連接形式進行有效選取，已經成為合理計算機網絡拓撲結構構建的關鍵。設計人員對計算機網絡拓撲結構進行有效選擇，可以在很大程度上促進當前網絡體系的運行效果，從根本上改善技術性能的可靠性、安全性。 ^[2] 

隨着計算機網絡的發展，人們發現計算機網絡拓撲結構存在着節點度的冪律分佈特點。節點度的冪律分佈特點促使了網絡拓撲模型的巨大轉變。越來越多的模型構建都是從冪律規律中的優先連接和優先生長的特點入手，讓那些比較符合計算機拓撲性質的模型根據其中一些簡單的演化規則自動地產生、生長和連接。通過這種優先連接和優先生長的規律不斷地加入新節點。正是網絡拓撲結構的這些特點，使得網絡的發展變得越來越複雜，其性能越來越可靠，從而也促使了許多網絡拓撲連接規則的出現，即網絡拓撲結構形成機制的構建。 ^[4] 

正是因為計算機網絡拓撲結構在不同規模和不同層次都表現着優先生長和優先連接的特性，本質上趨於類似，所以，拓撲結構構件模型就像層次化的選舉過程。具體形成機制如圖1所示。 ^[4] 

網絡拓撲結構形成過程中，首先假定某平面中佈置着許多個節點，同時存在着一個均勻走動的離散的時鐘，通過這個時鐘將每個節點進入網絡的時間記錄下來，記錄下來的時間都是隨機分佈的。每一個節點在進入網絡時刻的前後所要採取的行為就是接收信息或者消息和發送對已收信息的響應。這些收發信息中設置了優先度和傳達範圍，它們將對信息的輻射範圍產生着最為直接的影響。所有的節點在接收信息之後一般是依據信息源的優先度來設計優先度的，若所接收到的許多消息源節點存在相近的優先度，其將會隨機地選擇一個消息源節點進行連接。根據這種模式進行不斷的發展，最後將會產生圖1的圖形結果。在整個拓撲網絡形成過程中，首先要經歷圖1中（a）的初始階段，在網絡形成初始階段，只有非常小一部分節點參與活動，所接收的和發送的信息範圍還非常小，它們僅僅只能跟周邊的節點進行通信或者是連接。而隨着網絡的不斷髮展，節點度在不斷擴大，每一個節點所收發的信息範圍越來越大，所形成的連接也將越來越大和越來越多，網絡此時正在對外大肆擴展。在小局域網中勝出的一些節點將參與更大範圍的連接和競爭，從而形成較大的局域網，最後發展成更大的城域網和廣域網。持續這樣下去最後便形成聚集中心，如上面圖1中的(b)和(c)。這就是計算機網絡拓撲結構的形成模型，是一種消息自組織和傳遞接收的模型。 ^[4] 

計算機網絡的拓撲結構是指網絡中包括計算機在內的各種網絡設備（如路由器、交換機等）實現網絡互連所展現出來的抽象連接方式。計算機網絡拓撲所關心的是這種連接關係及其圖表繪示，並不在意所連接計算機或設備的各種細節。通過拓撲圖表可以清晰的瞭解到整個網絡中各節點的線路連接情況以及整個網絡的外貌結構。其中的節點主要是指網絡中連接的各種有源設備，比如計算機、路由器、打印機、交換機等等，這些節點通過微波、線路、光纖、電話等介質進行信息流的連接從而形成網絡。因此，計算機網絡拓撲結構就是節點和鏈路所組成的。計算機網絡拓撲結構根據其連線和節點的連接方式可分為以下幾種類型：（1）總線型，（2）環形，（3）星型，（4）樹形，（5） 網型。 ^[4] 

計算機網絡拓撲結構中，總線型就是一根主幹線連接多個節點而形成的網絡結構。在總線型網絡結構中，網絡信息都是通過主幹線傳輸到各個節點的。總線型結構的特點主要在於它的簡單靈活、構建方便、性能優良。其主要的缺點在於總幹線將對整個網絡起決定作用，主幹線的故障將引起整個網絡癱瘓。總線型的圖形如圖2所示。 ^[4] 

計算機網絡拓撲結構中，環型結構主要是各個節點之間進行首尾連接，一個節點連接着一個節點而形成一個環路。在環形網絡拓撲結構中，網絡信息的傳輸都是沿着一個方向進行的，是單向的，並且，在每一個節點中，都需要裝設一箇中繼器，用來收發信息和對信息的擴大讀取。環形網絡拓撲結構的主要特點在於它的建網簡單、結構易構、便於管理。而它的缺點主要表現為節點過多，傳輸效率不高，不便於擴充。環形結構的圖形如圖3所示。 ^[4] 

在計算機網絡拓撲結構中，星型結構主要是指一箇中央節點周圍連接着許多節點而組成的網絡結構，其中中央節點上必須安裝一個集線器。所有的網絡信息都是通過中央集線器（節點）進行通信的，周圍的節點將信息傳輸給中央集線器，中央節點將所接收的信息進行處理加工從而傳輸給其他的節點。星型網絡拓撲結構的主要特點在於建網簡單、結構易構、便於管理等等。而它的缺點主要表現為中央節點負擔繁重，不利於擴充線路的利用效率。星型網絡拓撲結構如圖4所示。 ^[4] 

在計算機網絡拓撲結構中，樹形網絡結構主要是指各個主機進行分層連接，其中處在越高的位置，此節點的可靠性就越強。樹形網絡結構其實是總線性網絡結構的複雜化，如果總線型網絡結構通過許多層集線器進行主機連接，從而形成了樹形網絡結構，如圖5所示。在互聯網中，樹形結構中的不同層次的計算機或者是節點，它們的地位是不一樣的，樹根部位（最高層）是主幹網，相當於廣域網的某節點，中間節點所表示的應該是大局域網或者城域網，葉節點所對應的就是最低的小局域網。樹型結構中，所有節點中的兩個節點之間都不會產生迴路，所有的通路都能進行雙向傳輸。其優點是成本較低、便於推廣、靈活方便，比較適合那些分等級的主次較強的層次型的網絡。 ^[4] 

在計算機網絡拓撲結構中，網型結構是最複雜的網絡形式，它是指網絡中任何一個節點都會連接着兩條或者以上線路，從而保持跟兩個或者更多的節點相連。網型拓撲結構各個節點跟許多條線路連接着，其可靠性和穩定性都比較強，其將比較適用於廣域網。同時由於其結構和聯網比較複雜，構建此網絡所花費的成本也是比較大的。網型拓撲結構如圖6所示。 ^[4] 

總線拓撲結構的特點主要有：

（1）結構簡單，數據入網靈活，便於擴充； ^[4] 

（2）不需要中央結點，不會因為一個結點的故障 而影響其他結點數據的傳輸，故可靠性高，網絡響應速度快； ^[4] 

（3）所需外圍設備少、電纜或其他連接媒體相對價格低，安裝也很方便； ^[4] 

（4）由於發送信息的方式採用的是廣播式的工作方式， 所以共享資源能力強。 為了解決干擾問題，我們在總線兩端連接端結器， 主要為了與總線進行阻抗匹配， 最大限度吸收傳送端部的能量，避免信號反射回總線時產生不必要的干擾。 ^[4] 

星型拓撲結構具有以下特點：

（1）網絡結構相對簡單，集中控制易於維護，容易實現組網； ^[4] 

（2）網絡延遲時間短，傳輸誤碼率低； ^[4] 

（3）網絡共享能力較差，通信線路利用率不高，中央節點負擔過重； ^[4] 

（4）可同時連雙絞線、 同軸電纜及光纖等多種媒介。 ^[4] 

環形網的特點是：

（1）信息依靠兩個相鄰的環路接口沿固定方向傳送； ^[4] 

（2）某個結點都有自舉控制的功能； ^[4] 

（3）由於信息會經過環路上的所有環路接口，當環路過多時就會影響數據傳輸效率，網絡響應時間變長；

（4）一環扣一環的連接方式會讓其中一個環路接口的故障造成整個網絡的癱瘓，增加維護難度； ^[4] 

（5）由於環路是封閉的，所以擴充不方便。 環形網也是微機局域網常用拓撲結構之一，適合信息處理系統和工廠自動化系統。1985 年IBM公司推出的令牌環形網是其典範。在FDDI 得以應用推廣後，這種結構也廣泛得到採用。 ^[4] 

樹枝分層每個分支點都有一台計算機（如圖7）。樹形網採用分層控制，沿着這棵樹的結構可以很迅速地找到相應的分支和結點路徑進行信息廣播。樹形拓撲結構具有一些優勢。 具有佈局靈活，可擴展性好的特點，而且其容錯能力較強，當葉結點出現故障時，不會影響其他分支結，這一優點為工作提供了不少便利。 ^[4] 

但還是明白的是：除了葉節點及其相連的線 路外， 其他部分的工作還是會受影響的。 ^[4] 

前面的幾種網絡拓撲結構主要用於構建小型的局域網性質的網絡， 當面對一些大型網絡的構建時， 一般採用的就是網狀拓撲結構了。同樣，網狀拓撲結構也是一種組合型拓撲結構，它是將多個利用前面介紹的拓撲結構組成的子網或局域網連接起來而構成。網狀拓撲結構一般用於 Internet 骨幹網上，使用路由算法發送數據的最佳路徑。但在實際應用中，是根據具體需要，幾種拓撲結構綜合使用。 ^[4]