拓撲結構的選擇往往與傳輸媒體的選擇及媒體訪問控制方法的確定緊密相關。在選擇網絡拓撲結構時,應該考慮的主要因素有下列幾點:
(1)可靠性。儘可能提高可靠性,以保證所有數據流能準確接收;還要考慮系統的可維護性,使故障檢測和故障隔離較爲方便。
(2)費用。建網時需考慮適合特定應用的信道費用和安裝費用。
(3)靈活性。需要考慮系統在今後擴展或改動時,能容易地重新配置網絡拓撲結構,能方便地處理原有站點的刪除和新站點的加入。
(4)響應時間和吞吐量。要爲用戶提供儘可能短的響應時間和最大的吞吐量。
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1.星形拓撲
星形拓撲是由中央節點和通過點到點通信鏈路接到中央節點的各個站點組成,如圖2.16(a)所示。中央節點執行集中式通信控制策略,因此中央節點相當複雜,而各個站點的通信處理負擔都很小。星形網採用的交換方式有電路交換和報文交換,尤以電路交換更爲普遍。這種結構一旦建立了通道連接,就可以無延遲地在連通的兩個站點之間傳送數據。目前流行的專用交換機PBX (Private Branch exchange)就是星形拓撲結構的典型實例。
星形拓撲結構具有以下優點:
(1)控制簡單。在星形網絡中,任何一站點只和中央節點相連接,因而媒體訪問控制方法很簡單,致使訪問協議也十分簡單。
(2)故障診斷和隔離容易。在星形網絡中,中央節點對連接線路可以逐一地隔離開來進行故障檢測和定位,單個連接點的故障隻影響一個設備,不會影響全網。
(3)方便服務。中央節點可方便地對各個站點提供服務和網絡重新配置。
星形拓撲結構的缺點:
(1)電纜長度和安裝工作量可觀。因爲每個站點都要和中央節點直接連接,需要耗費大量的電纜,安裝、維護的工作量也驟增。
(2)中央節點的負擔較重,形成瓶頸。一旦發生故障,則全網受影響,因而對中央節點的可靠性和冗餘度方面的要求很高。
(3)各站點的分佈處理能力較低。
星形拓撲結構廣泛應用於網絡的智能集中於中央節點的場合。從目前的趨勢看,計算機的發展已從集中的主機系統發展到大量功能很強的微型機和工作站,在這種形勢下,傳統的星形拓撲的使用會有所減少。
2.總線拓撲
總線拓撲結構採用一個信道作爲傳輸媒體,所有站點都通過相應的硬件接口直接連到這一公共傳輸媒體上,該公共傳輸媒體即稱爲總線。任何一個站發送的信號都沿着傳輸媒體傳播,而且能被所有其它站所接收。總線拓撲結構見圖2.16(b)。
因爲所有站點共享一條公用的傳輸信道,所以一次只能由一個設備傳輸信號。通常採用分佈式控制策略來確定哪個站點可以發送o發送時,發送站將報文分成分組,然後逐個依次發送這些分組,有時還要與其它站來的分組交替地在媒體上傳輸。當分組經過各站時,其中的目的站會識別到分組所攜帶的目的地址,然後複製下這些分組的內容。
總線拓撲結構的優點:
(1)總線結構所需要的電纜數量少。
(2)總線結構簡單,又是元源工作,有較高的可靠性。
(3)易於擴充,增加或減少用戶比較方便。
總線拓撲的缺點:
(1)總線的傳輸距離有限,通信範圍受到限制。
(2)故障診斷和隔離較困難。
(3)分佈式協議不能保證信息的及時傳送,不具有實時功能。站點必須是智能的,要有媒體訪問控制功能,從而增加了站點的硬件和軟件開銷。
3.環形拓撲
環形拓撲網絡由站點和連接站點的鏈路組成一個閉合環,如圖2.16(c)所示。每個站點能夠接收從一條鏈路傳來的數據,並以同樣的速率串行地把該數據沿環送到另一端鏈路上。這種鏈路可以是單向的,也可以是雙向的。數據以分組形式發送,例如圖中的A站希望發送一個報文到C站,就先要把報文分成爲若干個分組,每個分組除了數據還要加上某些控制信息,其中包括C站的地址。A站依次把每個分組送到環上,開始沿環傳輸,C站識別到帶有它自己地址的分組時,便將其中的數據複製下來。由於多個設備連接在一個環上,因此需要用分佈式控制策略來進行控制。
環形拓撲的優點:
(1)電纜長度短。環形拓撲網絡所需的電纜長度和總線拓撲網絡相似,但比星形拓撲網絡要短得多。
(2)增加或減少工作站時,僅需簡單的連接操作。
(3)可使用光纖。光纖的傳輸速率很高,十分適合於環形拓撲的單方向傳輸。
環形拓撲的缺點:
(1)節點的故障會引起全網故障。這是因爲環上的數據傳輸要通過接在環上的每一個節點,一旦環中某一節點發生故障就會引起全網的故障。
(2)故障檢測困難。這與總線拓撲相似,因爲不是集中控制,故障檢測需在網上各個節點進行,因此就不很容易。
(3)環形拓撲結構的媒體訪問控制協議都採用令牌傳遞的方式,在負載很輕時,信道利用率相對來說就比較低。
4.樹形拓撲
樹形拓撲從總線拓撲演變而來,形狀像一棵倒置的樹,頂端是樹根,樹根以下帶分支,每個分支還可再帶子分支,如圖2.16(d)所示。樹根接收各站點發送的數據,然後再廣播發送到全網。樹形拓撲的特點大多與總線拓撲的特點相同,但也有一些特殊之處。
樹形拓撲的優點:
(1)易於擴展。這種結構可以延伸出很多分支和子分支,這些新節點和新分支都能容易地加入網內。
(2)故障隔離較容易。如果某一分支的節點或線路發生故障,很容易將故障分支與整個系統隔離開來o
樹形拓撲的缺點是,各個節點對根的依賴性太大,如果根發生故障,則全網不能正常工作。從這一點來看,樹形拓撲結構的可靠性有點類似於星形拓撲結構。
5.混合形拓撲
將以上某兩種單一拓撲結構混合起來,取兩者的優點構成的拓撲稱爲混合形拓撲結構。如圖2.16(e)所示,一種是星形拓撲和環形拓撲混合成的"星一環"拓撲,另一種是星形
拓撲和總線拓撲混合成的"星一總"拓撲。其實,這兩種混合形在結構上有相似之處,若將總線結構的兩個端點連在一起也就成了環形結構。這種拓撲的配置是由一批接入環中或總線的集中器組成,由集中器再按星形結構連至每個用戶站。
混合形拓撲的優點:
(1)故障診斷和隔離較爲方便。一旦網絡發生故障,只要診斷出哪個集中器有故障,將該集中器和全網隔離即可o
(2)易於擴展。要擴展用戶時,可以加入新的集中器,也可在設計時,在每個集中器留出一些備用的可插入新的站點的連接口。
(3)安裝方便。網絡的主電纜只要連通這些集中器,這種安裝和傳統的電話系統電纜安裝很相似。
混合形拓撲的缺點:
(1)需要選用帶智能的集中器。這是爲了實現網絡故障自動診斷和故障節點的隔離所必需的。
(2)像星形拓撲結構一樣,集中器到各個站點的電纜安裝長度會增加。
6.網形拓撲
網形拓撲如圖2.16(f)所示。這種結構在廣域網中得到了廣泛的應用,它的優點是不受瓶頸問題和失效問題的影響。由於節點之間有許多條路徑相連,可以爲數據流的傳輸選擇適當的路由,從而繞過失效的部件或過忙的節點。這種結構雖然比較複雜,成本也比較高,提供上述功能的網絡協議也較複雜,但由於它的可靠性高,仍然受到用戶的歡迎。
以上分析了幾種常用拓撲結構的優缺點。不管是局域網或廣域網,其拓撲的選擇,需要考慮諸多因素:網絡既要易於安裝,又要易於擴展;網絡的可靠性也是考慮的重要因素,要易於故障診斷和隔離,以使網絡的主體在局部發生故障時仍能正常運行;網絡拓撲的選擇還會影響傳輸媒體的選擇和媒體訪問控制方法的確定,這些因素又會影響各個站點在網上的運行速度和網絡軟、硬件接口的複雜性。