浅析网络拓扑结构及应用

袁芳

摘要文章通过对计算机网络拓扑结构的概念、分类、特点的介绍，在分析其复杂网络结构的基础上，探讨出各种计算机网络拓扑结构模型的优缺点也及其在实际应用范围，提高网络系统设计的可靠性、安全性。

关键词网络拓扑应用计算机网络计算机网络是现代通信技术与计算机技术相结合的产物。所谓计算机网络，就是把分布在不同地理区域的计算机与专门的外部设备用通信线路互连起来，从而使众多的计算机相互之间可以进行信息的传递，共享彼此的硬件、软件、数据信息等资源。

网络拓扑结构就是指用传输媒体把计算机等各种设备互相连接起来的物理布局，是指互连过程中构成的几何形状，它能表示出网络服务器、工作站的网络配置和互相之间的连接。网络拓扑结构可按形状分类，分别有：星型、环型、总线型、树型、总线/星型和网状型拓扑结构。

1 星型拓扑结构

如果把网络中的计算机终端看成每一个结点的话，星型拓扑结构的布局与其他拓扑结构的不一样，它由中央结点和周围结点相连而组成。结构是以中央结点为中心，周围有各结点，这些结点与中央结点相连接，形成一个星形方式。中央结点与各结点通过点对点方式连接，中央结点执行集中式通信控制策略，所以相对来讲中央结点在整个网络系统中承担了相当繁重的任务，系统对中央结点的配置就会有相当高的要求，通常情况为了保证网络通讯的正常，会另外配置一台一模一样的计算机作为中央结点的备份。最常见的星型拓扑结构如图1所示。

如果按星型拓扑结构来进行组网，网络中任何两个结点计算机要进行通信都必须通过中央结点来进行控制。那么能成为中央结点的这台计算机必须具有以下三个方面的主要功能：（1）对要进行通信的双方进行通信可能性的判断，并为双方建立通信物理连接；（2）保证双方通信过程中这一通路完全畅通；（3）在通信结束或通信不成功时，可以及时拆除通道。

星型拓扑结构作为最早使用的一种网络构成方式，目前也算是使用率最高且使用面最广的一种组网方式。综合地说，星型拓扑结构具有以下特点：（1）网络结构相对简单，集中控制易于维护，容易实现组网；（2）网络延迟时间短，传输误码率低；（3）网络共享能力较差，通信线路利用率不高，中央节点负担过重；（4）可同时连双绞线、同轴电缆及光纤等多种媒介。

2 环型拓扑结构

一般情况下我们把环形拓扑结构中的计算机称为环路接口，环形网中各环路接口采取首尾相连的方式，形成闭合环形通信线路，数据会沿着一个方向在这个环路上进行传输。位于这个环路上任何结点所发送的请求如果被通过就可以向环路发送信息。深入分析这条环线的特点，由于位于这条环线上的结点计算机公用，所以只要其中一个结点发送的信息都会经过环中所有的环路接口。发送的信息流中含有的目的地址与环上某环路接口地址相符时，此信息就被该目的结点的环路接口所接收，信息到此不会自动消失，而是会继续传至下面所有的环路接口，直至传回到发送该信息的环路接口结点为止。目前使用的环形网中的数据可以进行单向和双向传输。最常见的环形拓扑结构如图2所示：

环形网的特点是：（1）信息依靠两个相邻的环路接口沿固定方向传送；（2）某个结点都有自举控制的功能；（3）由于信息会经过环路上的所有环路接口，当环路过多时就会影响数据传输效率，网络响应时间变长；（4）一环扣一环的连接方式会让其中一个环路接口的故障造成整个网络的瘫痪，增加维护难度；（5）由于环路是封闭的，所以扩充不方便。

环形网也是微机局域网常用拓扑结构之一，适合信息处理系统和工厂自动化系统。1985年IBM公司推出的令牌环形网（IBM Token Ring）是其典范。在FDDI得以应用推广后，这种结构也广泛得到采用。

3 总线拓扑结构

总线拓扑结构是用一条电缆把所有节点计算机相互之间以线性方式连接起来的布局方式，这条重要的电缆也就是总线，位于总线上的各个结点计算机地位相等。最常见的总线形拓扑结构如图3所示：

在采用总线拓扑结构构建的网络中，所有网上计算机都通过相应的硬件接口直接连在这条总线上，任何一个结点发出的信息都会沿着这条总线同时向两个方向进行传播，位于这条总线中任何一个结点计算机都能够接收信息，但只有目的结点才会从总线上把需要的信息拷贝下来。由于信息的传播方式是同时向四周传播，类似于广播电台的功能，所以我们又把总线式网络称为广播式网络。总线的负荷能力较强，但不能超出它的负荷范围；另外还要注意总线不能无限制延长，而且在这条总线上的结点数量也是有限的。

总线拓扑结构的特点主要有：（1）结构简单，数据入网灵活，便于扩充；（2）不需要中央结点，不会因为一个结点的故障而影响其他结点数据的传输，故可靠性高，网络响应速度快；（3）所需外围设备少、电缆或其他连接媒体相对价格低，安装也很方便；（4）由于发送信息的方式采用的是广播式的工作方式，所以共享资源能力强。

为了解决干扰问题，我们在总线两端连接端结器，主要为了与总线进行阻抗匹配，最大限度吸收传送端部的能量，避免信号反射回总线时产生不必要的干扰。

4 树形拓扑结构

树形结构它是在总线网的基础上把整个电缆连接成树型，树枝分层每个分支点都有一台计算机（如图4）。树形网采用分层控制，沿着这棵树的结构可以很迅速地找到相应的分支和结点路径进行信息广播。树形拓扑结构具有一些优势。具有布局灵活，可扩展性好的特点，而且其容错能力较强，当页结点出现故障时，不会影响其他分支结，这一优点为工作提供了不少便利。但还是明白的是：除了叶节点及其相连的线路外，其他部分的工作还是会受影响的。

5 总线/星型拓扑结构

总线/星型拓扑结构就是总线型和星型的一种组合方式，内层的网络采用总线型，用一条或多条总线把计算机等设备连接起来，每一组以总线方式相连的小网络又呈星型分布。总线材料一般采用同轴电缆，星型传输媒体可使用价格比较便宜的双绞线。采用这种总线/星型拓扑结构，既解决了总线型拓扑结构连接用户数量上的限制，又解决了星型拓扑结构在传输距离上的限制，很好地吸收了两者的优点，又弥补了双方的缺点。

6 网状拓扑结构

前面的几种网络拓扑结构主要用于构建小型的局域网性质的网络，当面对一些大型网络的构建时，一般采用的就是网状拓扑结构了。同样，网状拓扑结构也是一种组合型拓扑结构，它是将多个利用前面介绍的拓扑结构组成的子网或局域网连接起来而构成。网状拓扑结构一般用于Internet骨干网上，使用路由算法发送数据的最佳路径。但在实际应用中，是根据具体需要，几种拓扑结构综合使用。不同的传输介质所适应的拓扑结构的性能比较见表1。