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一、計算機網絡的拓撲結構
**拓撲**是一個數學概念，它把物理實體抽象成與其大小和形狀無關的點，把連接實體的線路抽象成線，進而研究點、線、面之間的關係。
計算機網絡也採用拓撲學中的研究方法，將網絡中的設備定義爲節點，把兩個設備之間的連接線路定義爲鏈路。從拓撲學的觀點看，計算機網絡是由一組節點和鏈路組成的幾何圖形，這種幾何圖形就是計算機網絡的拓撲結構，它反映了網絡中各種實體間的結構關係。網絡拓撲結構設計是構建計算機網絡的第一步，也是實現各種網絡協議的基礎，它對網絡的性能、可靠性和通信費用等都有很大影響。
網絡拓撲結構按照幾何圖形的形狀可分爲四種類型：總線拓撲、環型拓撲、星型拓撲和網狀拓撲。這些形狀也可混合構成混合拓撲結構。不同的網絡拓撲結構適用於不同的網絡規模。例如局域網應用的是總線、星型或環型拓撲結構，而廣域網則採用網狀拓撲結構。
1.1星型拓撲結構
在星型拓撲結構中，網絡中的每個節點通過一箇中央設備，如集線器連接在一起。網絡中的每個節點將數據發送到中央設備，再由中央設備將數據轉發到目標節點。在星型網絡中任何單根電線只連接兩個設備（如一個工作站和一個集線器或交換機），電纜出現問題，最多影響兩個節點。因此單個電纜或節點發生故障，不會導致整個網絡的通信中斷。但中央設備的失敗將會造成一個星型網絡的癱瘓。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，負擔也重。
以星型拓撲結構組網，其中任何兩個站點要進行通信都必須經過中央節點控制。
中央節點主要功能有：
①爲需要通信的設備建立物理連接；
②爲兩臺設備在通信過程中維持這一通路；
③在完成通信或不成功時，拆除通道。
星型拓撲結構的優點：
- 網絡結構簡單，便於管理、集中控制，組網容易；
- 網絡延遲時間短，誤碼率低；
- 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；
- 可同時連接雙絞線、同軸電纜及光纖等多種媒介。
星型拓撲結構的缺點：
- 對中心節點的要求極高（包括中心節點的可靠性和冗餘度）；
- 如果中心節點出故障，可能造成大面積網絡癱瘓；
- 中心節點負擔過重，結構較複雜，容易出現瓶頸。
- 系統安全性較差，資源共享性能較差。
1.2 環型拓撲結構
環型拓撲結構是由連接成封閉迴路的網絡節點組成的，每一節點與它左右相鄰的節點連接。
環型網絡常使用令牌環來決定哪個節點可以訪問通信系統。在環型網絡中信息流只能是**單方向的**，每個收到信息包的站點都向它的下游站點轉發該信息包。信息包在環網中“旅行”一圈，最後由發送站進行回收。當信息包經過目標站時，目標站根據信息包中的目標地址判斷出自己是接收站，並把該信息拷貝到自己的接收緩衝區中。爲了決定環上的哪個站可以發送信息，平時在環上流通着一個叫令牌的特殊信息包，只有得到令牌的站纔可以發送信息。當一個站發送完信息後就把令牌向下傳送，以便下游的站點可以得到發送信息的機會。
環型網的特點是：
信息在網絡中沿固定方向流動，兩個節點間僅有惟一的通路，大大簡化了路徑選擇的控制。某個節點發生故障時，可以自動旁路，可靠性較高。與總線拓撲結構相同，當環中的節點不斷增加時，響應時間也就變得越長。因此，單純的環型拓撲結構非常不靈活或不易於擴展。此外，在一個簡單環型拓撲結構中，單個節點或一處線纜發生故障將會造成整個網絡的癱瘓。因此，一些網絡採用雙環結構以提供容錯。環型網也是計算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公司推出的令牌環型網（IBM token ring）是其典範。
環型拓撲結構的優點：
- 各工作站地位相等；
- 系統中無信道選擇問題；
- 網絡數據傳輸不會出現衝突和堵塞現象。
環型拓撲結構的缺點：
- 可靠性低，節點的故障將會引起全網的故障；
- 故障診斷困難；
- 不易重新配置網絡；
- 當環中節點過多的時候，將會影響信息傳輸速率。
1.3 總線拓撲結構
用一條稱爲總線的中央主電纜，將相互之間以線性方式連接的工作站連接起來的佈局方式，稱爲總線型拓撲。
在總線型結構中，所有網上計算機都通過相應的硬件接口直接連在總線上，任何一個節點的信息都可以沿着總線向兩個方向傳輸擴散，當一個節點向另一個節點發送數據時，所有節點都將被動地偵聽該數據，只有目標節點接收並處理髮送給它的數據，其他節點將忽略該數據。這類似於廣播電臺，故總線網絡也被稱爲廣播式網絡。
總線拓撲結構的優點：
- 結構簡單靈活，便於擴充；
- 可靠性高，網絡響應速度快；
- 設備量少，價格低，安裝使用方便；
- 共享資源能力強，便於廣播式工作即一個節點發送所有節點都可接收。
總線拓撲結構的缺點：
- 故障診斷困難；
- 故障隔離困難，任何節點的故障都有可能導致全網問題；
- 實時性較差；
- 網絡規模較大時，傳輸效率下降幅度大。
在總線兩端連接的器件稱爲端接器（末端阻抗匹配器或終止器）。主要與總線進行阻抗匹配，最大限度地吸收傳送端部的能量，避免信號反射回總線而產生不必要的干擾。
基於總線拓撲結構的網絡很容易實現，且組建成本很低，但其擴展性較差。當網絡中的節點數量增加時，網絡的性能將下降。此外，總線網絡的容錯能力較差，總線上的某個節點中斷或故障將會影響整個網絡的數據傳輸。因此，很少有網絡採用一個單純的總線拓撲結構。
1.4 網狀拓撲結構（也稱爲分佈式拓撲結構）
在網絡拓撲結構中，每兩個節點之間都直接互連。網狀拓撲常用於廣域網，在這種情況下，節點是指地理場所。由於每個地點都是互連的，數據能夠從發送地直接傳輸到目的地。如果一個連接出了問題，將會輕易並迅速地更改數據的傳輸路徑。由於對兩點之間的數據傳輸提供多條鏈路，因此，網狀拓撲是最具容錯性的網絡拓撲結構。
網狀拓撲的一個缺點是成本問題。將網絡中的每個節點與其他節點相連接需要大量的專用線路。
應該指出，在實際組網中，拓撲結構不一定是單一的，通常是幾種結構的混用。
網狀拓撲結構的優點：
- 有較高的可靠性，當一條線路有故障時，不會影響整個系統工作；
- 資源共享方便，網絡響應時間短。
網狀拓撲結構的缺點：
- 由於結點也多個結點連接，故結點的路由選擇由選擇和流量控制難度大，管理軟件複雜，硬件成本高。