1.2.1 网络的拓扑结构

连接在网络上的计算机、大容量的磁盘、高速打印机等部件均可看作是网络上的一个结点。网络的拓扑结构是指各结点在网络上的连接形式。计算机网络中常见的拓扑结构有总线型、星形、环形、树形和混合型等。

拓扑结构的选择往往与传输媒体的选择和媒体访问控制方法的确定紧密相关。在选择网络拓扑结构时，应该考虑的主要因素有下列几点。

1）可靠性：尽可能提高可靠性，保证所有数据流能准确接收。还要考虑系统的维护，使故障检测和故障隔离较为方便。

2）低费用：建网时需考虑适合特定应用的信道费用和安装费用。

3）灵活性：需要考虑系统在今后扩展或改动时，能容易地重新配置网络拓扑结构，能方便地删除原有站点和加入新站点。

4）响应时间和吞吐量：要有尽可能短的响应时间和最大的吞吐量。

1.总线型结构

总线型结构采用一条单根的通信线路（总线）作为公共的传输通道，所有的结点都通过相应的接口直接连接到总线上，并通过总线进行数据传输。例如，在一根电缆上连接了组成网络的计算机或其他共享设备（如打印机等），如图1-1所示。由于单根电缆仅支持一种信道，因此连接在电缆上的计算机和其他共享设备共享电缆的所有容量。连接在总线上的设备越多，网络发送和接收数据就越慢。

总线型网络使用广播式传输技术，总线上的所有结点都可以发送数据到总线上，数据沿总线传播。但是，由于所有结点共享同一条公共通道，所以在任何时候只允许一个站点发送数据。当一个结点发送数据，并在总线上传播时，数据可以被总线上的其他所有结点接收。各站点在接收数据后，分析目的物理地址再决定是否接受该数据。粗、细同轴电缆以太网就是这种结构的典型代表。

总线型结构的优点如下：

1）总线型结构所需要的电缆数量少，因为结点都连接在一根总线上，共用一个数据通路。

2）总线型结构简单，又是无源工作，有较高可靠性。

3）易于扩充，增加或减少用户比较方便，不需停止网络的正常工作。

总线型结构的缺点如下：

1）系统范围受到限制。同轴电缆的工作长度一般在2km以内，在总线的干线基础上扩展长度时，需使用中继器扩展一个附加段。

2）故障诊断和隔离较困难。因为总线型拓扑网络不是集中控制，故障检测需在网内各个结点进行，不易进行。如果故障发生在结点，只需将该结点从总线上去掉。如果故障发生在总线，则对系统是毁灭性的，必须将整个总线切除。

3）网络上信息的延迟时间是不确定的，因此不适合实时通信。

2.环形结构

环形结构把各个网络结点通过环接口连在一条首尾相接的闭合环形通信线路中，如图1-2所示。每个结点设备只能与它相邻的一个或两个结点设备直接通信。如果要与网络中的其他结点通信，数据需要依次经过两个通信结点之间的每个设备。环形网络既可以是单向的也可以是双向的。单向环形网络的数据绕着一个方向环向发送，数据所到达的环中的每个设备都将接收数据，经再生放大后将其转发出去，直到数据到达目标结点为止。双向环形网络中的数据能在两个方向上进行传输，因此设备可以和两个邻近结点直接通信。如果一个方向的环中断了，数据还可以通过相反的方向在环中传输，最后到达其目标结点。

环形结构有两种类型，即单环结构和双环结构。令牌环（Token Ring）是单环结构的典型代表，光纤分布式数据接口（FDDI）是双环结构的典型代表。

环形结构的优点如下：

1）电缆长度短，其所需的电缆长度和总线拓扑网络相似，但比星形拓扑结构要短得多。

2）增加或减少工作站时，仅需简单地连接。

3）可使用光纤，它的传输速度很高，适用于环形拓扑的单向传输。

4）传输信息的时间是固定的，从而便于实时控制。

环形网络的缺点如下：

1）当结点发生故障时，整个网络将不能正常工作。这是因为在环上的数据传输必须通过接在环上的每一个结点，一旦环中某个结点发生故障就会引起全网的故障。

2）检测故障困难。因为不是集中控制，故障检测需在网内各个结点进行，故障的检测就不很容易。

3）环形拓扑结构的媒体访问控制协议都采用令牌传递的方式，因而在负载很轻时，其等待时间相对比较长。

3.星形结构

星形结构的每个结点都由一条点对点链路与中心结点（公用中心交换设备，如交换机、集线器等）相连，如图1-3所示。星形网络中的一个结点如果向另一个结点发送数据，首先将数据发送到中央设备，然后由中央设备将数据转发到目标结点。信息的传输是通过中心结点的存储转发技术实现的，并且只能通过中心结点与其他结点通信。星形网络是局域网中最常用的拓扑结构。

星形结构的优点如下：

1）控制简单。在星形结构中，任何一个站点只和中央结点相连接，因而媒体访问控制的方法很简单，访问协议也十分简单。

2）容易做到故障诊断和隔离。在星形结构中，中央结点对连接线路可以一条一条地隔离出来进行故障检测和定位。单个连接点的故障只影响一个设备，不会影响全网。

3）方便服务。中央结点可方便地对各个站点提供服务和网络重新配置。

星形结构的缺点如下：

1）电缆长度和安装工作量大。因为每个站点都要和中央结点直接连接，需要耗费大量电缆。安装、维护的工作量也骤增。

2）中央结点的负担加重，形成瓶颈，一旦故障，则整个网络系统彻底崩溃，因而中央结点在可靠性和冗余度方面的要求很高。

3）各站点的分布处理能力较弱。

4.树形结构

树形结构（也称星形总线拓扑结构）是从总线型和星形结构演变来的。网络中的结点设备都连接到一个中央设备（如集线器）上，但并不是所有的结点都直接连接到中央设备，而是大多数的结点首先连接到一个次级设备，次级设备再与中央设备连接。如图1-4所示是一个树形总线网络。

树形结构有两种类型，一种是由总线型拓扑结构派生出来的，它由多条总线连接而成，如图1-5a所示；另一种是星形结构的变种，各结点按一定的层次连接起来，形状像一棵倒置的树，故称树形结构，如图1-5b所示。在树形结构的顶端有一个根结点，它带有分支，每个分支还可以再带子分支。

树形拓扑结构的主要优点为易于扩展、故障易隔离、可靠性高。但这种结构电缆成本高，而且对根结点的依赖性大，一旦根结点出现故障，将导致全网不能工作。

5.网状结构与混合型结构

网状结构是指将各网络结点与通信线路连接成不规则的形状，每个结点至少与其他两个结点相连，或者说每个结点至少有两条链路与其他结点相连，如图1-6所示。大型互联网一般都采用这种结构，如我国的教育科研网CERNET（见图1-7）、Internet的主干网都采用网状结构。

网状拓扑结构有以下主要特点：

● 可靠性高，结构复杂，不易管理和维护，线路成本高，适用于大型广域网。

● 因为有多条路径，所以可以选择最佳路径，减少延时，改善流量分配，提高网络性能，但路径选择比较复杂。

混合型结构是由以上几种拓扑结构混合而成的，如环星形结构，它是令牌环网和FDDI网常用的结构。再如总线型和星形的混合结构等。