网络拓扑结构知识

网络拓扑结构知识

网络的拓扑结构是抛开网络物理连接来讨论网络系统的连接形式，网络中各站点相互连接的方法和形式称为网络拓扑。拓扑图给出网络服务器、工作站的网络配置和相互间的连接，它的结构主要有星型结构、总线结构、树型结构、网状结构、蜂窝状结构、分布式结构等。 星型结构

星型结构是指各工作站以星型方式连接成网。网络有中央节点，其他节点（工作站、服务器）都与中央节点直接相连，这种结构以中央节点为中心，因此又称为集中式网络。它具有如下特点：结构简单，便于管理；控制简单，便于建网；网络延迟时间较小，传输误差较低。但缺点也是明显的：成本高、可靠性较低、资源共享能力也较差。 环型结构

环型结构由网络中若干节点通过点到点的链路首尾相连形成一个闭合的环，这种结构使公共传输电缆组成环型连接，数据在环路中沿着一个方向在各个节点间传输，信息从一个节点传到另一个节点。

环型结构具有如下特点：信息流在网中是沿着固定方向流动的，两个节点仅有一条道路，故简化了路径选择的控制；环路上各节点都是自举控制，故控制软件简单；由于信息源在环路中是串行地穿过各个节点，当环中节点过多时，势必影响信息传输速率，使网络的响应时间延长；环路是封闭的，不便于扩充；可靠性低，一个节点故障，将会造成全网瘫痪；维护难，对分支节点故障定位较难。 总线型结构

总线结构是指各工作站和服务器均挂在一条总线上，各工作站地位平等，无中心节点控制，公用总线上的信息多以基带形式串行传递，其传递方向总是从发送信息的节点开始向两端扩散，如同广播电台发射的信息一样，因此又称广播式计算机网络。各节点在接受信息时都进行地址检查，看是否与自己的工作站地址相符，相符则接收网上的信息。

总线型结构的网络特点如下：结构简单，可扩充性好。当需要增加节点时，只需要在总线上增加一个分支接口便可与分支节点相连，当总线负载不允许时还可以扩充总线；使用的电缆少，且安装容易；使用的设备相对简单，可靠性高；维护难，分支节点故障查找难。 分布式结构

分布式结构的网络是将分布在不同地点的计算机通过线路互连起来的一种网络形式，分布式结构的网络具有如下特点：由于采用分散控制，即使整个网络中的某个局部出现故障，也不会影响全网的操作，因而具有很高的可靠性；网中的路径选择最短路径算法，故网上延迟时间少，传输速率高，但控制复杂；各个节点间均可以直接建立数据链路，信息流程最短；便于全网范围内的资源共享。缺点为连接线路用电缆长，造价高；网络管理软件复杂；报文分组交换、路径选择、流向控制复杂；在一般局域网中不采用这种结构。 树型结构

树型结构是分级的集中控制式网络，与星型相比，它的通信线路总长度短，成本较低，节点易于扩充，寻找路径比较方便，但除了叶节点及其相连的线路外，任一节点或其相连的线路故障都会使系统受到影响。 网状拓扑结构

在网状拓扑结构中，网络的每台设备之间均有点到点的链路连接，这种连接不经济，只有每个站点都要频繁发送信息时才使用这种方法。它的安装也复杂，但系统可靠性高，容错能力强。有时也称为分布式结构。 蜂窝拓扑结构

蜂窝拓扑结构是无线局域网中常用的结构。它以无线传输介质（微波、卫星、红外等）点到点和多点传输为特征，是一种无线网，适用于城市网、校园网、企业网。

在计算机网络中还有其他类型的拓扑结构，如总线型与星型混合。总线型与环型混合连接的网络。在局域网中，使用最多的是总线型和星型

网络拓扑结构是指用传输媒体互联各种设备的物理布局。将参与LAN工作的各种设备用媒体互联在一起有多种方法,实际上只有几种方式能适合LAN的工作。

如果一个网络只连接几台设备,最简单的方法是将它们都直接相连在一起，这种连接称为点对点连接。用这种方式形成的网络称为全互联网络,如下图所示。

图中有6个设备，在全互联情况下,需要15条传输线路。如果要连的设备有n个,所需线路将达到n(n-1)/2条!显而易见,这种方式只有在涉及地理范围不大，设备数很少的条件下才有使用的可能。即使属于这种环境,在LAN技术中也不使用。我们所说的拓扑结构，是因为当需要通过互联设备(如路由器)互联多个LAN时,将有可能遇到这种广域网(WAN)的互联技术。目前大多数网络使用的拓扑结构有3种:

- 星行拓扑结构;

- 环行拓扑结构;

- 总线型拓扑结;

1.星型拓扑结构

星型结构是最古老的一种连接方式，大家每天都使用的电话都属于这种结构，如下图所示。其中,图(a)为电话网的星型结构,图(b)为目前使用最普遍的以太网(Ethernet)星型结构,处于中心位置的网络设备称为集线器,英文名为Hub。

(a)电话网的星行结构

(b)以Hub为中心的结构

这种结构便于集中控制,因为端用户之间的通信必须经过中心站。由于这一特点,也带来了易于维护和安全等优点。端用户设备因为故障而停机时也不会影响其它端用户间的通信但这种结构非常不利的一点是,中心系统必须具有极高的可靠性,因为中心系统一旦损坏，整个系统便趋于瘫痪。对此中心系统通常采用双机热备份,以提高系统的可靠性。

这种网络拓扑结构的一种扩充便是星行树,如下图所示。每个Hub与端用户的连接仍为星型,Hub的级连而形成树。然而,应当指出,Hub级连的个数是有限制的,并随厂商的不同而有变化。

还应指出,以Hub构成的网络结构,虽然呈星型布局,但它使用的访问媒体的机制却仍是共享媒体的总线方式。

2.环型网络拓扑结构

环型结构在LAN中使用较多。这种结构中的传输媒体从一个端用户到另一个端用户,直到将所有端用户连成环型,如图5所示。这种结构显而易见消除了端用户通信时对中心系统的依赖性。

环行结构的特点是,每个端用户都与两个相临的端用户相连,因而存在着点到点链路,但总是以单向方式操作。于是,便有上游端用户和下游端用户之称。例如图5中,用户N是用户N+1的上游端用户,N+1是N的下游端用户。如果N+1端需将数据发送到N端，则几乎要绕环一周才能到达N端。

环上传输的任何报文都必须穿过所有端点,因此,如果环的某一点断开,环上所有端间的通信便会终止。为克服这种网络拓扑结构的脆弱,每个端点除与一个环相连外，还连接到备用环上,当主环故障时,自动转到备用环上。

3.总线拓扑结构

总线结构是使用同一媒体或电缆连接所有端用户的一种方式,也就是说，连接端用户的物理媒体由所有设备共享，如下图所示。使用这种结构必须解决的一个问题是确保端用户使用媒体发送数据时不能出现冲突。在点到点链路配置时,这是相当简单的。如果这条链路是半双工操作，只需使用很简单的机制便可保证两个端用户轮流工作。在一点到多点方式中,对线路的访问依靠控制端的探询来确定。然而，在LAN环境下,由于所有数据站都是平等的,不能采取上述机制。对此，研究了一种在总线共享型网络使用的媒体访问方法:带有碰撞检测的载波侦听多路访问,英文缩写成CSMA/CD。

这种结构具有费用低、数据端用户入网灵活、站点或某个端用户失效不影响其它站点或端用户通信的优点。缺点是一次仅能一个端用户发送数据，其它端用户必须等待到获得发送权。媒体访问获取机制较复杂。尽管有上述一些缺点,但由于布线要求简单,扩充容易,端用户失效、增删不影响全网工作,所以是网络技术中使用最普遍的一种。

按网络拓扑结构划分

网络的拓扑结构是指网络中通信线路（揽线）和计算机、以及其他组件的物理布局。 网络的拓扑结构影响网络的性能。选择哪种拓扑结构与具体的网络要求相关。网络拓扑结构主要影响网络设备的类型、设备的能力、网络的扩张潜力、网络的管理模式等等。

总线型网络

总线型网络也称线形总线拓扑，是最简单也是最常见的一种组网方法。总线型网络是网络中所有的站点共享一条数据通道。总线型网络的优点在于安装简单方便，需要铺设的电缆最短，成本低，某个站点的故障一般不会影响整个网络。总线型网络的缺点是介质的故障会导致网络瘫痪，总线网安全性低，监控比较困难，并且增加新站点不如星型网容易。总线型网络是一种被动的拓扑结构，一条数据线上的计算机只接收网上的数据，不负责将数据从一台计算机传送到另一台计算机。在主动的拓扑结构中，计算机可

将数据传送下去。

总线型网络

星型网络

在星型拓扑中各站点计算机通过揽线与中心站（多为Hub集线器）相连，数据信息从计算机通过集线器传送到网上所有计算机。星型网络的特点是很容易在网络中增加新的站点，数据的安全性和优先级容易控制，易实现网络监控，但因为所有计算机都连接到一点，网络规模较大时，需要大量的揽线，并且，如果集线器出现故障，整个网络会瘫痪。如果网络中的某一台计算机或者揽线出现了故障不会影响整个网络的运行，网络中除去这太计算机以外的部分都可以正常运行。

星型网络示意图 星型网络实物图

环形网络

环形网络拓扑将各站点的计算机通过揽线连成一个封闭的环形。环形拓扑不需要终结器。数据信号会沿着环行的一个方向进行传播，依次通过每一台计算机。环形网容易安装和监控，但容量有限，网络建成后，难以增加新的站点。 由于数据信号是依次通过每一台计算机的，所以网络中的任何一台机器出现故障都会影响整个网络的正常工作。

环形网络

网络拓扑是指网络中各个端点相互连接的方法和形式。网络拓扑结构反映了组网的一种几何形式。局域网的拓扑结构主要有总线型、星型、环型以及混合型拓扑结构。

1.6.1 总线型拓扑结构

总线型拓扑结构采用单根数据传输线作为通信介质，所有的站点都通过相应的硬件接口直接连接到通信介质，而且能被所有其他的站点接受。图1-6所示为总线型拓扑结构示意图。

总线型网络结构中的节点为服务器或工作站，通信介质为同轴电缆。

由于所有的节点共享一条公用的传输链路，所以一次只能由一个设备传输。这样就需要某种形式的访问控制策略，来决定下一次哪一个节点可以发送。一般情况下，总线型网络采用载波监听多路访问/冲突检测(CSMA/CD)控制策略。

50Ω 终端匹配器

通信介质

图1-6 总线型拓扑结构

总线型网络信息发送的过程为：发送时，发送节点对报文进行分组，然后一次一个地址依次发送这些分组，有时要与其他工作站传来的分组交替地在通信介质上传输。当分组经过各节点时，目标节点将识别分组的地址，然后将属于自己的分组内容复制下来。

总线型拓扑结构在局域网中得到广泛的应用，主要优点有：

● 布线容易、电缆用量小。总线型网络中的节点都连接在一个公共的通信介质上，所以需要的电缆长度短，减少了安装费用，易于布线和维护。

● 可靠性高。总线结构简单，从硬件观点来看，十分可靠。

● 易于扩充。在总线型网络中，如果要增加长度，可通过中继器加上一个附加段；如果需要增加新节点，只需要在总线的任何点将其接入。

● 易于安装。总线型网络的安装比较简单，对技术要求不是很高。

总线型拓扑结构虽然有许多优点，但也有自己的局限性：

● 故障诊断困难。虽然总线拓扑简单，可靠性高，但故障检测却不容易。因为具有总线拓扑结构的网络不是集中控制，故障检测需要在网上各个节点进行。

● 故障隔离困难。对于介质的故障，不能简单地撤消某工作站，这样会切断整段网络。

● 中继器配置。在总线的干线基础上扩充时，可利用中继器，需要重新设置，包括电缆长度的裁剪，终端匹配器的调整等。

● 通信介质或中间某一接口点出现故障，整个网络随即瘫痪。

● 终端必须是智能的。因为接在总线上的节点有介质访问控制功能，因此必须具有智能，从而增加了站点的硬件和软件费用。

1.6.2 星型拓扑结构

星型拓扑结构是中央节点和通过点到点链路连接到中央节点的各节点组成。利用星型拓扑结构的交换方式有电路交换和报文交换，尤以电路交换更为普遍。一旦建立了通道连接，可以没有延迟地在连通的两个节点之间传送数据。工作站到中央节点的线路是专用的，不会出现拥挤的瓶颈现象。图1-7所示为星型拓扑结构图。

图1-7 星型拓扑结构

星型拓扑结构中，中央节点为集线器(HUB)，其他外围节点为服务器或工作站；通信介质为双绞线或光纤。

星型拓扑结构被广泛的应用于网络中智能主要集中于中央节点的场合。由于所有节点的往外传输都必须经过中央节点来处理，因此，对中央节点的要求比较高。

星型拓扑结构信息发送的过程为：某一工作站有信息发送时，将向中央节点申请，中央节点响应该工作站，并将该工作站与目的工作站或服务器建立会话。此时，就可以进行无延时的会话了。

星型拓扑结构的优点为：

● 可靠性高。在星型拓扑的结构中，每个连接只与一个设备相连，因此，单个连接的故障只影响一个设备，不会影响全网。

● 方便服务。中央节点和中间接线都有一批集中点，可方便地提供服务和进行网络重新配置。

● 故障诊断容易。如果网络中的节点或者通信介质出现问题，只会影响到该节点或者通信介质相连的节点，不会涉及整个网络，从而比较容易判断故障的位置。

星型拓扑结构虽有许多优点，但也有缺点：

● 扩展困难、安装费用高。增加网络新节点时，无论有多远，都需要与中央节点直接连接，布线困难且费用高。

● 对中央节点的依赖性强。星型拓扑结构网络中的外围节点对中央节点的依赖性强，如果中央节点出现故障，则全部网络不能正常工作。

1.6.3 环型拓扑结构

环型拓扑结构是一个像环一样的闭合链路，在链路上有许多中继器和通过中继器连接到链路上的节点。也就是说，环型拓扑结构网络是由一些中继器和连接到中继器的点到点链路组成的一个闭合环。在环型网中，所有的通信共享一条物理通道，即连接网中所有节点的

点到点链路。图1-8为环型拓扑结构。

节点

节点

节点

通信介质

图1-8 环型拓扑结构

其中，每个中继器通过单向传输链路连接到另外两个中继器，形成单一的闭合通路，所有的工作站都可通过中继器连接到环路上。任何一个工作站发送的信号，都可以沿着通信介质进行传播，而且能被所有其他的工作站接收。中继器为环型网提供了3种基本功能：数据发送到环中，接收数据和从环中删除数据。它能够接收一个链路上的数据，并以同样的速度串行地把该数据送到另一条链路上，即不在中继器中缓冲。由通信介质及中继器所构成的通信链路是单向的，即能在一个方向上传输数据，而且所有的链路是单向的，即能在一个方向上围绕着环进行循环。

环型拓扑结构的交换方式采用分组交换。由于多个工作站共享同一环，因此需要对此进行控制，以便决定每个站在什么时候可以把分组放在环上。一般情况下，环型拓扑结构网

络采用令牌环(Token Ring)的介质访问控制。信息发送的过程为：如果某一站点希望将报文发送到另一目的站点，那么它需要将这个报文分成若干个分组。每个分组包括一段数据再加上一些控制信息，其中控制信息包括目的站点的地点。发送信息的站点依次把每个分组放到环上之后，通过其他中继器进行循环；环中的所有中继器都将分组的地址与该中继器连接的节点的地址相比较，当地址符合时，该站点就接收该分组。

环型拓扑结构具有以下优点：

● 电缆长度短。环型拓扑结构所需的电缆长度与总线型相当，但比星型要短。

● 适用于光纤。光纤传输速度高，环型拓扑网络是单向传输，十分适用于光纤通信介质。如果在环型拓扑网络中把光纤作为通信介质，将大大提高网络的速度和加强抗干扰的能力。

● 无差错传输。由于采用点到点通信链路，被传输的信号在每一节点上再生，因此，传输信息误码率可减到最少。

环型拓扑结构的缺点为：

● 可靠性差。在环上传输数据是通过接在环上的每个中继器完成的，所以任何两个节点间的电缆或者中继器故障都会导致全网故障。

● 故障诊断困难。因为环上的任一点出现故障都会引起全网的故障，所以难于对故障进行定位。

● 调整网络比较困难。要调整网络中的配置，例如扩大或缩小，都是比较困难的。

1.6.4 混合型拓扑结构

混合型拓扑结构是指综合性的一种拓扑结构。组建混合型拓扑结构的网络有利于发挥网络拓扑结构的优点，克服相应的局限。图1-9为一个混合型拓扑结构。

图1-9 星型与总线型相结合的混合型拓扑结构

局域网中的各组成部分可以有多种连接方式，即我们所知的局域网拓朴结构。目前它包括四种基本类型： 星型：局网络中的各工作站节点设备通过一个网络集中设备（如集线器或者交换机）连接中心站。如果中心节点运行在广播方式下，如集线器，那么从站到节点的传输帧将在所有导出链路中进行转发。在这种情况下，尽管局域网在物理上采用的是星型结构，但在逻辑上却是总线型。在中心节点作为交换机的情况下，节点处需要处理导入帧并通过导出链路将它们转发至目的站。星型局域网中以太网协议（IEEE 802.3）使用较为普遍。

环型：局域网中的各节点通过通信介质连成一个封闭的环形，并且所有节点的网络接口卡（NIC）作为中继器。该种结构中没有起点和终点。每个节点转发网络上的任意信号但不考虑目的地。目的站识别信号地址并将它保存到本地缓存器中。直到重新回到源站，帧才停止传输过程。令牌环（IEEE 802.5）是最常见的环型拓朴结构协议。此外，FDDI（IEEE 802.6）是另外一种基于令牌环的环型拓朴结构

总线型：局域网中的各节点共享一条数据电缆通道相连。电缆线路上的每个节点可以看到同一线路上的其它各个站点的传输情形。在每个总线终端连接的是一个终结器，负责将接收到的所有信号移出总线结构。所以很明显电缆线是总线传输成败的一个关键。总线型局域网中使用的是以太网协议（IEEE 802.3）。 树型：树型拓朴结构是对总线拓朴结构的逻辑扩展。主机按级分层连接，并不形成封闭的环路结构。这种树型结构从一个首端点开始，可能会有多个分支点，每个分支点以下又可能有很多其它分支。从而形成复杂的树形拓朴结构。