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一、计算机网络的拓扑结构
**拓扑**是一个数学概念，它把物理实体抽象成与其大小和形状无关的点，把连接实体的线路抽象成线，进而研究点、线、面之间的关系。
计算机网络也采用拓扑学中的研究方法，将网络中的设备定义为节点，把两个设备之间的连接线路定义为链路。从拓扑学的观点看，计算机网络是由一组节点和链路组成的几何图形，这种几何图形就是计算机网络的拓扑结构，它反映了网络中各种实体间的结构关系。网络拓扑结构设计是构建计算机网络的第一步，也是实现各种网络协议的基础，它对网络的性能、可靠性和通信费用等都有很大影响。
网络拓扑结构按照几何图形的形状可分为四种类型：总线拓扑、环型拓扑、星型拓扑和网状拓扑。这些形状也可混合构成混合拓扑结构。不同的网络拓扑结构适用于不同的网络规模。例如局域网应用的是总线、星型或环型拓扑结构，而广域网则采用网状拓扑结构。
1.1星型拓扑结构
在星型拓扑结构中，网络中的每个节点通过一个中央设备，如集线器连接在一起。网络中的每个节点将数据发送到中央设备，再由中央设备将数据转发到目标节点。在星型网络中任何单根电线只连接两个设备（如一个工作站和一个集线器或交换机），电缆出现问题，最多影响两个节点。因此单个电缆或节点发生故障，不会导致整个网络的通信中断。但中央设备的失败将会造成一个星型网络的瘫痪。中央节点执行集中式通信控制策略，因此中央节点相当复杂，负担也重。
以星型拓扑结构组网，其中任何两个站点要进行通信都必须经过中央节点控制。
中央节点主要功能有：
①为需要通信的设备建立物理连接；
②为两台设备在通信过程中维持这一通路；
③在完成通信或不成功时，拆除通道。
星型拓扑结构的优点：
- 网络结构简单，便于管理、集中控制，组网容易；
- 网络延迟时间短，误码率低；
- 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；
- 可同时连接双绞线、同轴电缆及光纤等多种媒介。
星型拓扑结构的缺点：
- 对中心节点的要求极高（包括中心节点的可靠性和冗余度）；
- 如果中心节点出故障，可能造成大面积网络瘫痪；
- 中心节点负担过重，结构较复杂，容易出现瓶颈。
- 系统安全性较差，资源共享性能较差。
1.2 环型拓扑结构
环型拓扑结构是由连接成封闭回路的网络节点组成的，每一节点与它左右相邻的节点连接。
环型网络常使用令牌环来决定哪个节点可以访问通信系统。在环型网络中信息流只能是**单方向的**，每个收到信息包的站点都向它的下游站点转发该信息包。信息包在环网中“旅行”一圈，最后由发送站进行回收。当信息包经过目标站时，目标站根据信息包中的目标地址判断出自己是接收站，并把该信息拷贝到自己的接收缓冲区中。为了决定环上的哪个站可以发送信息，平时在环上流通着一个叫令牌的特殊信息包，只有得到令牌的站才可以发送信息。当一个站发送完信息后就把令牌向下传送，以便下游的站点可以得到发送信息的机会。
环型网的特点是：
信息在网络中沿固定方向流动，两个节点间仅有惟一的通路，大大简化了路径选择的控制。某个节点发生故障时，可以自动旁路，可靠性较高。与总线拓扑结构相同，当环中的节点不断增加时，响应时间也就变得越长。因此，单纯的环型拓扑结构非常不灵活或不易于扩展。此外，在一个简单环型拓扑结构中，单个节点或一处线缆发生故障将会造成整个网络的瘫痪。因此，一些网络采用双环结构以提供容错。环型网也是计算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公司推出的令牌环型网（IBM token ring）是其典范。
环型拓扑结构的优点：
- 各工作站地位相等；
- 系统中无信道选择问题；
- 网络数据传输不会出现冲突和堵塞现象。
环型拓扑结构的缺点：
- 可靠性低，节点的故障将会引起全网的故障；
- 故障诊断困难；
- 不易重新配置网络；
- 当环中节点过多的时候，将会影响信息传输速率。
1.3 总线拓扑结构
用一条称为总线的中央主电缆，将相互之间以线性方式连接的工作站连接起来的布局方式，称为总线型拓扑。
在总线型结构中，所有网上计算机都通过相应的硬件接口直接连在总线上，任何一个节点的信息都可以沿着总线向两个方向传输扩散，当一个节点向另一个节点发送数据时，所有节点都将被动地侦听该数据，只有目标节点接收并处理发送给它的数据，其他节点将忽略该数据。这类似于广播电台，故总线网络也被称为广播式网络。
总线拓扑结构的优点：
- 结构简单灵活，便于扩充；
- 可靠性高，网络响应速度快；
- 设备量少，价格低，安装使用方便；
- 共享资源能力强，便于广播式工作即一个节点发送所有节点都可接收。
总线拓扑结构的缺点：
- 故障诊断困难；
- 故障隔离困难，任何节点的故障都有可能导致全网问题；
- 实时性较差；
- 网络规模较大时，传输效率下降幅度大。
在总线两端连接的器件称为端接器（末端阻抗匹配器或终止器）。主要与总线进行阻抗匹配，最大限度地吸收传送端部的能量，避免信号反射回总线而产生不必要的干扰。
基于总线拓扑结构的网络很容易实现，且组建成本很低，但其扩展性较差。当网络中的节点数量增加时，网络的性能将下降。此外，总线网络的容错能力较差，总线上的某个节点中断或故障将会影响整个网络的数据传输。因此，很少有网络采用一个单纯的总线拓扑结构。
1.4 网状拓扑结构（也称为分布式拓扑结构）
在网络拓扑结构中，每两个节点之间都直接互连。网状拓扑常用于广域网，在这种情况下，节点是指地理场所。由于每个地点都是互连的，数据能够从发送地直接传输到目的地。如果一个连接出了问题，将会轻易并迅速地更改数据的传输路径。由于对两点之间的数据传输提供多条链路，因此，网状拓扑是最具容错性的网络拓扑结构。
网状拓扑的一个缺点是成本问题。将网络中的每个节点与其他节点相连接需要大量的专用线路。
应该指出，在实际组网中，拓扑结构不一定是单一的，通常是几种结构的混用。
网状拓扑结构的优点：
- 有较高的可靠性，当一条线路有故障时，不会影响整个系统工作；
- 资源共享方便，网络响应时间短。
网状拓扑结构的缺点：
- 由于结点也多个结点连接，故结点的路由选择由选择和流量控制难度大，管理软件复杂，硬件成本高。