1.1.2　计算机网络拓扑结构

计算机网络的拓扑结构是引用拓扑学中研究与大小、形状无关的点、线关系的方法。把网络中的计算机和通信设备抽象为一个点，把传输介质抽象为一条线，由点和线组成的几何图形就是计算机网络的拓扑结构。拓扑结构隐去了网络的具体物理特性（如距离、位置等），而抽象出节点之间的结构关系加以研究，它对网络的性能、系统的可靠性和通信开销都有重大影响。对于广域网和局域网来说，它们在网络拓扑结构上有着显著的差异，下面对此进行分别介绍。

1.广域网拓扑结构

广域网将多个子网或多个局域网互连起来。在一个子网或者局域网中，集线器、中继器、交换机等设备将多台终端连接起来形成局域网拓扑结构；而桥接器、路由器、传输设备及网关等设备则将子网或局域网连接起来形成网际拓扑结构。根据组网硬件不同，主要有两种网际拓扑结构。

（1）网状拓扑结构

广域网由多种类型和型号的设备及链路组建而成，网络的结构复杂。它的主干网络通常为网状拓扑结构，其中网络节点与通信线路互连成不规则的形状，节点之间的连接是任意的，没有规律。通过这种网状连接，可让网络在多条路径中选择一条最优路径传送数据。如图1-2所示。

图1-2　网状拓扑结构示意图

网状拓扑结构的优点是：

·系统可靠性高，比较容易扩展，这种网络中任意两个节点之间，通常存在着两条或两条以上的通信路径，这样当一条路径发生故障时，可以通过其他条路径进行信息传送；

·可改善线路的信息流量分配；

·可选择最佳路径，以降低传输延迟；

·网络可组建成各种形状、采用多种通信信道、多种传输速率、适合广域网复杂的网络环境。

缺点是：

·线路和节点成本高；

·结构复杂，难于管理和维护，每一节点都与其他多个节点进行连接，必须采用路由算法和流量控制方法。

（2）环型拓扑结构

通过桥接器、传输设备和路由器把不同的子网或局域网连接起来形成环型拓扑结构，这种网络通常采用光纤做主干线，可靠性高，不存在单点失效问题，可以灵活地建立各种链路备份策略。

但是环型拓扑结构中可选路由较少，通常只有一个备份，节点间连接关系单一，连接效率较低，不适合复杂的大规模网络。对于长距离传输网络，这种结构可以较大地节省传输介质，并且远距离传输所使用的传输介质的稳定性和可靠性通常较高，所以在远距离传输网络中比较适合采用环型拓扑。

2.局域网拓扑结构

局域网覆盖范围小，网络结构简单，典型的拓扑结构有以下4种：星型、环型、总线型和树型。

（1）星型拓扑结构以中央节点为中心，用单独的线路使中央节点分别与其他站点相连，各站点间的通信都要通过中央节点。如图1-3（a）所示。星型拓扑结构的优点是增加/删除节点容易、成本低，可以很容易地确定网络故障点；另外，通道分离，整个网络不会因一个节点的故障而受到影响。这种拓扑结构的缺点是中央节点出故障时会导致整个系统瘫痪，可靠性较差。星型拓扑结构非常适合于局域网中使用，可以提高多台计算机间的通信效率；近年来，星型拓扑已经逐渐成为以太网中的主要拓扑结构。

（2）环型拓扑结构中计算机相互连接形成一个环。实际上，参与连接的不是计算机本身而是环接口（一种数据收发设备，如图1-3（b）中的干线耦合器），计算机连接环接口，环接口又逐段连接起来而形成环，如图1-3（b）所示。环中数据只能单向传输，信息在每台设备上的延时是固定的，特别适合实时控制局域网系统。环网中的每个节点均成为网络可靠性的瓶颈，任意节点出现故障都可能造成网络瘫痪，故障诊断也较困难。另外，容量有限，网络建成后，难以增加新的节点。这种拓扑结构在令牌环网和FDDI网络中有较好的应用。

（3）总线型结构是将各个节点（服务器、工作站等）用一根总线（如同轴缆、双绞线、光纤等）连接起来。总线型拓扑结构的特点是计算机都连接到同一条公共传输介质（总线）上，计算机相对于总线的位置关系是平等的，如图1-3（c）所示。在总线两端连接的器件称为端结器（末端阻抗匹配器或终止器），主要与总线进行阻抗匹配，最大限度吸收传送端的能量，避免信号反射回总线产生不必要的干扰。这种结构需要铺设的电缆最短、成本低，某个节点的故障一般不会影响整个网络，但总线的故障会导致整个网络瘫痪。总线型拓扑安全性低，监控比较困难，通信效率比较低下，增加新节点也不如星型拓扑容易。较早的以太网多采用这种拓扑结构。

（4）树型拓扑结构中计算机即连接它的父节点（除根节点外），又连接它的子节点（除叶节点外），连接关系呈树状，如图1-3（d）所示。它是一种层次结构，节点按层次连接，信息交换主要在上、下层节点之间进行，相邻节点或同层节点之间一般不进行数据交换。这种结构连接简单，维护方便，适用于汇集信息的应用要求；但是资源共享能力较低，可靠性不高。这种结构在目前的网络中较少使用。

图1-3　局域网络典型拓扑结构