1.2 计算机网络的拓扑结构

计算机网络的拓扑结构是指网络中各种设备的连接构型，它反映网络的物理布局，表示设备之间的结构关系。网络的拓扑结构对网络的设计、功能、可靠性，数据传输方式、传输控制、通信费用等都有影响。网络的拓扑结构主要对通信的性能产生影响，而对各个主机系统的功能没有影响，所以，网络的拓扑结构通常是指通信子网的拓扑结构。图1-4表示了计算机网络与拓扑图之间的关系：图1-4（a）是计算机设备及它们的物理连接结构，图1-4（b）是其拓扑图。

1.2.1 基本术语

1.结点

从网络拓扑的观点来看，计算机网络是由一组结点和连接这些结点的链路所组成的。

为了方便对网络中设备的连接结构进行研究，就把这些设备抽象为一个点，称为结点。这样，计算机网络就被抽象为由众多的点和连接这些点的线组成的几何图形，这个几何图形代表了网络的连接结构。

结点可以是主机、终端，也可以是交换机、路由器等连接设备。结点可以分为端结点（也叫访问结点）和网络结点（也叫转接结点）。端结点是主机或终端，它们是数据通信的源点和终点，它们集中了各种软、硬件资源和信息资源，构成网络的资源子网；网络结点包括通信处理机、交换机、路由器等连接设备，它们不提供资源和计算能力，而是负责在通信的源点和终点之间建立一条可以传输数据的路径，实现源点和终点之间的数据通信。它们与传输介质一起构成网络的通信子网。

2.链路

链路是两个结点之间承载数据流的线路或通道。构成链路的介质可以是有线的，也可以是无线的。采用多路复用技术，在一条链路上可以实现多路信息的传输。

3.通路

通路是指端结点之间的物理通道，在两个端结点之间的通路上可能包括一连串的网络结点和结点间的链路。在广域网的拓扑结构中，两个端结点之间往往有多条通路，每条通路由不同的网络结点和链路组成。

在图1-4（b）中可以看出结点、链路和通路之间的关系。

1.2.2 星型结构

图1-5是星型结构的拓扑图。

在星型结构的网络中，有一个位于中央位置的结点，称为中央结点，其他结点都连接在中央结点上，所有结点之间的通信都要通过中央结点来完成。中央结点控制两个结点之间的通信，这是一种通信控制集中管理的方式。中央结点的通信处理负担很重，而其他结点的通信处理负担则很轻。

星型结构的特点是结构简单，控制简单，某个结点出现故障易于隔离。系统的可靠性主要取决于中央结点，一旦中央结点发生故障，则导致全网瘫痪。

一个典型的星型结构的例子是交换局域网。网络的中央结点是局域网交换机，网络上的计算机连接在交换机的端口上，交换机负责为每对需要通信的计算机分配信道。

1.2.3 环型结构

环型结构的网络是将各个结点沿固定方向连接成一个封闭的环，如图1-6所示。在环型拓扑结构中，所有结点公用同一个信息环路，每个结点都可提出发送数据的请求，获得发送权的结点可以发送数据。数据沿设计的固定方向在环路中流动，从一个结点传到下一个结点，穿过途经的其他结点，只有地址与数据分组中的收信地址相同的结点才接收数据分组。在环型网中，因为公用同一个环路，减少了线路的长度。由于数据在环中单向流动，所以不需要选择路径。

与星型结构的网络相比，环型网采用的是分散化的通信控制策略，将通信的控制分散在每个结点上，而不是集中在一个中央结点上，每个结点既提供资源和计算能力，也要与其他结点共同负担通信的控制与管理。这种分散控制的策略提高了网络的可靠性，但增加了复杂性。

采用令牌控制的环型网在负载较轻时，环型网上的结点也不能立即发送数据，而要等到令牌传到后，才能发送数据，所以在轻负载时的效率比较低；但在重负载时各结点的机会比较平等，效率比较高，网络的吞吐量比较大。

环型结构的故障诊断比较困难，需要对每个结点进行检测，某段线路出现故障会引起全网的故障。

1.2.4 网状结构

如果在网络的各结点之间有多条通路，就构成了网状拓扑结构，也叫分布式结构或无规则结构，如图1-7所示。网状拓扑结构没有固定的连接形式，从发信端到收信端的通路可能不止一条。在通信时，网络中的各个结点可以根据实际情况动态地选择通信路径。

网状结构的特点是：通信的控制功能分散在各个结点上，通信控制比较复杂；由于在端结点之间存在多条通路，中间结点必须采用路由选择算法选择路径。网状结构的可靠性比较高，当某些结点或链路发生故障时，仍有其他通路畅通，从而保证通信不受影响。广域网一般都采用网状结构，局域网基本上不采用这种结构。

1.2.5 总线型结构

前面几种拓扑结构的特点是结点之间由链路连接，是一种点到点的结构，总线结构则是一种一点到多点的结构。总线型结构是把每个结点都连接在一条公共线路上，这条公共线路称为总线，如图1-8所示。网络上的所有结点公用同一根总线，在某个时刻，只有一个结点可以发送信息。所有结点都可以检测到总线上的信息，但只有具有接收地址的结点才接收信息，这是一种一点到多点的方式，被称为广播式传输方式。

总线型结构的优点是：结构简单，是无源元件，可靠性好；各结点公用总线，使用的电缆数量少；总线型结构的可扩充性好，增减结点比较容易，在网络负载较轻时，可以随时发送信息，有比较高的效率。

总线型结构的缺点是：总线的长度不能太长，网络的地理范围较小；通信控制采用分散策略，故障诊断困难；网络负载较重时，由于冲突迅速增加，使得网络的吞吐量明显下降。在总线型结构的网络中，故障的诊断与隔离比星形结构困难。

1.2.6 点到点结构的网络和一点到多点结构的网络

从网络拓扑结构的角度看，网络可以分为两大类：点到点结构的网络和一点到多点结构的网络，不同的结构采用的传输技术不同。

1.点到点结构的网络

在点到点结构的网络中，每段线路都连接着两个结点，数据从一个结点传输到另一个结点。如果在发送结点和接收结点之间没有直接的链路连接，而是通过其他结点形成一条通路，则数据的传输就要穿过这些中间结点，数据在每个中间结点上进行存储和转发。如果在发送结点和接收结点之间存在多条通路，则每个中间结点还要进行路径的选择。所以，点到点结构的网络往往要进行存储转发和路由选择等工作。星型结构、环型结构和网状结构都属于点到点的结构。广域网中大多采用点到点的结构，局域网和城域网中也有采用点到点结构的例子。

2.一点到多点结构的网络

一点到多点结构的网络也叫广播式传输网络。在广播式传输的网络中，所有结点都连接在公共物理线路上，在某一时刻只允许一台计算机发送数据。被发送的信息通过公共线路传送时，所有连接在公共线路上的其他计算机都可收到这些信息，这与无线电广播的发送与接收方式类似，因此，这种传输方式称为广播式传播方式，即一台计算机在公共线路上“广播”它发送的数据，其他计算机“收听”这些数据。由于广播的数据分组中带有目的地的地址，只有具有该地址的计算机才能接收这些数据分组，而其他计算机则丢弃不属于自己的数据分组。总线型结构属于一点到多点的结构。广播式传播的网络要解决的问题是如何避免多台计算机同时要求发送数据而产生的冲突。典型的广播式网络是总线型结构的局域网。此外，在卫星通信网和城域网中也有使用广播式传播方式的情况。