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淺析網絡拓撲結構及應用:淺談網絡拓撲結構在現實中的應用

【摘要】本文對初中信息技術課程中講授的網絡拓樸結構進行了學習和研究，詳細介紹了其優點、缺點和在現實網絡中的使用，對所學的知識進行拓展，并對使用過程中出現的一系列問題進行了分析研究，找到了解決的方法，對于網絡初學者提供了詳實的資料，對現代信息技術課程的研發和教學有積極的現實意義。

【關鍵詞】網絡 ； 拓撲結構 ； 節點

網絡拓撲結構是指用傳輸媒體互連各種設備的物理布局，就是用什么方式把網絡中的計算機等設備連接起來。網絡拓撲是網絡形狀，或者是它在物理上的連通性，構成網絡的拓撲結構有很多種，拓撲圖給出網絡服務器、工作站的網絡配置和相互間的連接，它的結構主要有星型結構、環型結構、總線結構。

1星型

星型結構是最古老的一種連接方式，大家每天都使用的電話屬于這種結構。目前一般網絡環境都被設計成星型拓撲結構。星型網是目前廣泛而又首選使用的網絡拓撲設計之一。

星型結構是指各工作站以星型方式連接成網。網絡有中央節點，其他節點（工作站、服務器）都與中央節點直接相連，這種結構以中央節點為中心，因此又稱為集中式網絡。

星型拓撲結構便于集中控制，因為端用戶之間的通信必須經過中心站。由于這一特點，也帶來了易于維護和安全等優點。端用戶設備因為故障而停機時也不會影響其它端用戶間的通信。同時星型拓撲結構的網絡延遲時間較小，傳輸誤差較低。但這種結構非常不利的一點是，中心系統必須具有極高的可靠性，因為中心系統一旦損壞，整個系統便趨于癱瘓。對此中心系統通常采用雙機熱備份，以提高系統的可靠性。

現有的數據處理和聲音通信的信息網大多采用星型網，目前流行的專用小交換機PBX（Private Branch Exchange），即電話交換機就是星型網拓撲結構的典型實例。它在一個單位內為綜合語音和數據工作站交換信息提供信道，還可以提供語音信箱和電話會議等業務，是局域網的一個重要分支。

在星型網中任何兩個節點要進行通信都必須經過中央節點控制。因此，中央節點的主要功能有三項：當要求通信的站點發出通信請求后，控制器要檢查中央轉接站是否有空閑的通路，被叫設備是否空閑，從而決定是否能建立雙方的物理連接；在兩臺設備通信過程中要維持這一通路；當通信完成或者不成功要求拆線時，中央轉接站應能拆除上述通道。

由于中央節點要與多機連接，線路較多，為便于集中連線，目前多采用一種稱為集線器（HUB）或交換設備的硬件作為中央節點。

2環型

環型結構在LAN中使用較多。這種結構中的傳輸媒體從一個端用戶到另一個端用戶，直到將所有的端用戶連成環型。數據在環路中沿著一個方向在各個節點間傳輸，信息從一個節點傳到另一個節點。這種結構顯而易見消除了端用戶通信時對中心系統的依賴性。

環行結構的特點是：每個端用戶都與兩個相臨的端用戶相連，因而存在著點到點鏈路，但總是以單向方式操作，于是便有上游端用戶和下游端用戶之稱；信息流在網中是沿著固定方向流動的，兩個節點僅有一條道路，故簡化了路徑選擇的控制；環路上各節點都是自舉控制，故控制軟件簡單；由于信息源在環路中是串行地穿過各個節點，當環中節點過多時，勢必影響信息傳輸速率，使網絡的響應時間延長；環路是封閉的，不便于擴充；可靠性低，一個節點故障，將會造成全網癱瘓；維護難，對分支節點故障定位較難。

3總線型

總線上傳輸信息通常多以基帶形式串行傳遞，每個節點上的網絡接口板硬件均具有收、發功能，接收器負責接收總線上的串行信息并轉換成并行信息送到PC工作站；發送器是將并行信息轉換成串行信息后廣播發送到總線上，總線上發送信息的目的地址與某節點的接口地址相符合時，該節點的接收器便接收信息。由于各個節點之間通過電纜直接連接，所以總線型拓撲結構中所需要的電纜長度是最小的，但總線只有一定的負載能力，因此總線長度又有一定限制，一條總線只能連接一定數量的節點。

因為所有的節點共享一條公用的傳輸鏈路，所以一次只能由一個設備傳輸。需要某種形式的訪問控制策略、來決定下一次哪一個站可以發送.通常采取分布式控制策略。發送時，發送站將報文分成分組.然后一次一個地依次發送這些分組。有時要與其它站來的分組交替地在介質上傳輸。當分組經過各站時，目的站將識別分組的地址。然后拷貝下這些分組的內容。這種拓撲結構減輕了網絡通信處理的負擔，它僅僅是一個無源的傳輸介質，而通信處理分布在各站點進行。

在總線兩端連接有端結器（或終端匹配器），主要與總線進行阻抗匹配，最大限度吸收傳送端部的能量，避免信號反射回總線產生不必要的干擾。

總線結構是使用同一媒體或電纜連接所有端用戶的一種方式，也就是說，連接端用戶的物理媒體由所有設備共享，各工作站地位平等，無中央節點控制，公用總線上的信息多以基帶形式串行傳遞，其傳遞方向總是從發送信息的節點開始向兩端擴散，如同廣播電臺發射的信息一樣，因此又稱廣播式計算機網絡。各節點在接受信息時都進行地址檢查，看是否與自己的工作站地址相符，相符則接收網上的信息。

使用這種結構必須解決的一個問題是確保端用戶使用媒體發送數據時不能出現沖突。在點到點鏈路配置時，這是相當簡單的。如果這條鏈路是半雙工操作，只需使用很簡單的機制便可保證兩個端用戶輪流工作。在一點到多點方式中，對線路的訪問依靠控制端的探詢來確定。然而，在LAN環境下，由于所有數據站都是平等的，不能采取上述機制。對此，研究了一種在總線共享型網絡使用的媒體訪問方法：帶有碰撞檢測的載波偵聽多路訪問，英文縮寫成CSMA/CD。

這種結構具有費用低、數據端用戶入網靈活、站點或某個端用戶失效不影響其它站點或端用戶通信的優點。缺點是一次僅能一個端用戶發送數據，其它端用戶必須等待到獲得發送權；媒體訪問獲取機制較復雜；維護難，分支節點故障查找難。盡管有上述一些缺點，但由于布線要求簡單，擴充容易，端用戶失效、增刪不影響全網工作，所以是LAN技術中使用最普遍的一種。

4無線電通信

傳輸線系統除同軸電纜、雙絞線、和光纖外，還有一種手段是根本不使用導線，這就是無線電通信，無線電通信利用電磁波或光波來傳輸信息，利用它不用敷設纜線就可以把網絡連接起來。無線電通信包括兩個獨特的網絡：移動網絡和無線LAN網絡。利用LAN網，機器可以通過發射機和接收機連接起來；利用移動網，機器可以通過蜂窩式通信系統連接起來，該通信系統由無線電通信部門提供。

網絡可采用以太網的結構，物理上由服務器，路由器，工作站，操作終端通過集線器形成星型結構共同構成局域網。

總之，網絡時代的到來，使人類構造了一個與現實世界相對應的虛擬的信息世界，了解網絡的連接和使用，處理現實生活中網絡的拓撲結構，為學習信息技術的基礎知識做好鋪墊。

淺析網絡拓撲結構及應用:光纖有線電視網絡拓撲結構

摘要：光纖網建設中采用何種拓撲結構是一個很重要的問題，既要考慮目前的需要，又要考慮以后的升級。現階段CATV是以光纜為干線的光纖加同軸電纜混合網（HFC），即干線和部分支干線采用光纜，支線或分配器以下部分由同軸電纜傳輸。不少網絡經營者已在超干線、干線甚至支干線上采用光纖技術。光纖網建設中采用何種拓撲結構是一個很重要的問題，既要考慮目前的需要，又要考慮以后的升級。常見的幾種拓撲結構有：總線形、環路形、樹枝形、星形等四種，下面逐一分析。

關鍵詞：光纖 有線電視 網絡 拓撲結構

現階段CATV是以光纜為干線的光纖加同軸電纜混合網（HFC），即干線和部分支干線采用光纜，支線或分配器以下部分由同軸電纜傳輸。不少網絡經營者已在超干線、干線甚至支干線上采用光纖技術。光纖網建設中采用何種拓撲結構是一個很重要的問題，既要考慮目前的需要，又要考慮以后的升級。常見的幾種拓撲結構有：總線形、環路形、樹枝形、星形等四種，下面逐一分析。

1.總線形結構

所謂總線網是以一種傳輸媒介作為公共總線（母線），各終端通過光耦合器與總線直接相連而構成的網。總線網屬于串聯型結構，但網絡各結點是并在總線上，當個別結點出現故障或毀壞時，不會影響其他結點的通信，系統的穩定性較高；各結點共享傳輸線，成本較低，節省投資；設備簡單。它的另一個優點是，該種結構適合于計算機通信的“以太網”，有利于城市網絡的建立與發展。

在發射機功率范圍內，光結點數不能太多，也就是總線網的網徑和容量較小。另外，在共享線上，容易發生信號碰撞，給系統的運行造成一定的困難，只有在保證不小于10Mbit/s數據速率的情況下，矛盾才有所緩解。還有，這種拓撲結構對光接收機的動態范圍要求較高。由于上述劣勢，限制了總線形光纖網在城域網中的應用，往往只能滿足區域網的需求。

2.環形結構

環形結構屬于串聯型結構。各結點共同用一條鏈路，自成一封閉結構，采用雙向光纖。其優點是：①節目可雙向傳輸，傳送的信號分為主路信號和備路信號，提高了網絡的自由度、靈活性及可靠性。②系統的鏈路損耗小，增加了網絡的網徑和容量，一般來說網的周長可達200km，結點數目可達幾百個。

由于環形結構具有結點串聯的特點，各結點發送的信號可在環上魚貫而行。充分利用了網的容量，因此適合于高速網。另外環形結構網對結點接收機的動態范圍要求較小，因為該網中最大傳輸損耗與最小傳輸損耗之間差距不大。

在大型有線電視系統中采用光纖環形結構。由本地前端出發通過一級環形網絡和多個中心前端相互傳輸信息，由中心前端通過二級環形網絡和若干個主光結點相耳傳輸信息。主光結點可以輸出光信號和射頻信號，射頻信號通過三級放大器以后帶動電纜分配網絡；集中供電電源安裝在主光結點上，主光結點和以下的光結點之間既有光纜又有電纜連接，電源通過電纜向射頻放大器供電。

它的明顯不足之處是，環形網結點站的結構比較復雜，對硬件和管理軟件要求較高； 從經濟方面來看，環形網的代價較高，結點的設計與制造也比較困難。這在某種程度上限制了環形結構在有線電視領域中的應用和推廣。

3.樹形結構

光纖樹形網類似于現有的同軸電纜樹形網，呈樹枝狀。樹形結構包含有較多的光無源器件，除結點外，網絡中無任何有源器件，因而對帶寬、波長和傳輸方式無任何限制，是解決本地入網的最佳途徑。這是它明顯的優點。

樹形網由于光無源器件多，一方面造成的鏈路損耗較大，在允許鏈路損耗范圍內，為保證末端載噪比指標，結點數目不能太多，即網徑和容量不會太大；另一方面，光無源器件較易產生光信號失真（包括反射和散射等），為保證系統的CTR、COS指標，對光端機的接收性能要求較高。其缺點之二是，這種樹形結構實質上是分支總，形結構，不適合電話通信。因此，在CATV光纖網方案時較少采用樹形結構。

4.星形結構

所謂星形結構，是每一個端局都設一根獨立的光纖與前端相連，光分配一次到位，光線除經過光耦合器外，中間不再有任何分支， 所用光分路器少，光纖連接點也少，因此光路全程損耗小，也就決定了網絡的容量和網徑極大。

這種結構屬于并聯型結構，將具有控制和轉換功能的星形耦合器作為中心結點，通過光纖連接數個結點，以此構成以中心結點為中心的網絡層結構形式。這種結構各結點間相互獨立，保密性強，容易實現多端無源網絡，大大提高了系統的可靠性，這正是星形光纖網易被CATV組網時廣泛采用的一個重要原因。

此外，星形拓撲結構業務適應性較強，易于升級，特別是隨著集中式交換機技術性能的提高和改進，這種結構更適合高速網，系統內可進行多功能開發，能與B–ISDN相銜接，在網內向用戶傳送多媒體信息。

它的不足之處是：耗用光纖數目較多，提高了成本。

在大型網絡中，為充分發揮光纖傳輸的優勢，常利用長距離超級干線將光分路器置于遠端構成所謂雙（或多）星形拓撲結構。

光纜CATV網絡現階段以單向廣播型信號為主，網上各用戶的，號內容相同，且信號為模擬殘留邊帶調制技術體制。故網絡設計以距離最短為原則。因此，單向廣播型模擬信號光纜傳輸網絡理論上的最佳結構應為星樹形網絡。對于數字視頻信號光纜傳輸系統，由于其無中繼而使傳輸距離可達50km以上。作為城市有線電視超干線的數字視頻光纜傳輸網絡，拓撲結構的設計則應以網絡的安全性為主要設計目標，同時兼顧雙向業務的交換容量及業務流量分配，不再是距離最短原則。而是從其安全性與多路由保護代價來看，環形網絡優于星樹形網絡。

5.光纖CATV網絡拓樸結構的發展趨勢

（1）光纖到結點（FTF） 國內外新建的光纖CATV網主要采用FTF模式。該模式中從前端或分前端到各個分配光結點之間采用星形拓撲結構光纜，在各結點處進行光電轉換。而從各光結點處再以樹形方式敷設同軸電纜或用戶電纜到該區域內各用戶家庭，在同軸電纜分配網絡內不再使用干線放大器，一個光結點的服務區域的大小一般在2000～5000戶家庭，一條支線上放大器為3～5個。

（2）光纖到路邊（FTC） 光纖CATV網正逐步狗寬帶綜合業務用戶網過渡，即還要利用該網絡實現許多非廣播電視業務的雙向業務，如電話、計算機通信、影視點播及各類交互式視頻業務等。若一個光結點的用戶數太多，則雙向傳輸的上行頻道就會存在兩個問題：一是若接在一條同軸電纜支線上的成百上千用戶的回傳信號，同時搶占同一放大器狹窄的上行頻道，將會造成通信阻塞；二是在樹形或星形網絡中，一多個反向放大器的輸出噪聲向一個通路匯集，加上上行頻道處于低頻頻段，易受外界干擾，導致上行通路的信噪比很小。為此，必須縮小模式中光結點的服務區域，讓光纖盡可能地滲透到用戶附近，置路邊（Curb）平臺，一個Curb管轄的范圍最好在500戶以下，且只含有一級或兩級放大器。可在FTF模式基礎上改造為FTC模式，即逐步增加光結點的光接收機與回傳光發射機，相當于增加了光結點，使每個光結點所服務的用戶數相應減少，且隨著發展逐步地把光接收機和回傳光發射機向用戶推進。

（3）光纖到最后一個放大器（FTLA） 目前國外正在研究FTLA，該模式為無源同軸網絡結構，該結構是在光接收機后不再使用放大器，完全靠無源同軸電纜及部件把射頻信號直接分配給每一用戶，這樣網絡的可靠性得到進一步提高，而信息的回傳也將非常暢通。

淺析網絡拓撲結構及應用:廣域繼電保護分層系統結構的網絡拓撲設計

摘 要：廣域繼電保護是針對傳統后備保護中存在的突出問題所提出的的一種電力繼電保護新思路，在進行廣域繼電保護的設計實現過程中，擁有實時、可靠的通信網絡是實現廣域繼電保護的重要基礎，廣域繼電保護的分層系統結構就是針對這一要求設計實現的。本文主要結合廣域繼電保護的分層系統結構，從廣域繼電保護的IED接入變電站網絡以及廣域繼電保護的IED接入電力通信網等方面，對于基于MSTP平臺的廣域繼電保護分層系統結構的通信組網設計進行分析論述，以推進廣域繼電保護網絡技術與通信水平的發展提升。

關鍵詞：廣域；繼電保護；分層系統結構；通信網絡；拓撲結構；設計；分析

隨著現代信息技術的發展提升以及智能化電網建設的不斷加快，在現代化電網建設中，先進計算機信息應用技術以及網絡通信技術、電力電子技術等，不僅在電網建設中的應用實現更為廣泛，并且對于電網建設與發展的促進作用也越來越明顯。電網建設與電力系統工作運行過程中，傳統的后備保護方式不僅保護整定比較復雜，并且保護動作延時較長，電網運行過程中，一旦電網結構或者運行工況發生預設以外的變化時，電網的后備保護功能與作用很難得到保障，因而會對于整個電網的工作運行以及穩定性產生不利影響，基于網絡通信以及廣域測量技術的廣域繼電保護就是針對這種傳統后備保護模式的問題，提出的一種電網運行保護新思路和新模式。廣域繼電保護模式在進行電網運行保護中，根據該保護模式的保護算法與分層系統結構情況，進行高效以及雙向、實時、自愈、安全、可靠的通信網絡構建，是廣域繼電保護模式實現的基礎。本文將結合廣域繼電保護模式的分層系統結構特征，從廣域繼電保護模式中IED與變電站網絡的接入實現，以及廣域繼電保護IED與電力通信網絡的接入實現兩個方面，對于基于MSTP平臺的廣域繼電保護分層系統結構的網絡拓撲設計進行分析論述。

1 廣域繼電保護的分層系統結構特征分析

廣域繼電保護作為電網運行保護的一種新模式以及電力系統的新增業務，其分層系統結構主要將整個保護網絡分為三個結構層次，即接入層、匯聚層以及核心層。廣域繼電保護分層系統結構的通信網絡設計中，關鍵是對于與數字化變電站網絡以及電力通信網絡的接入進行設計實現，以在滿足廣域繼電保護功能的同時，不對于變電站以及電力通信網絡中現有的業務功能產生影響。在該廣域繼電保護分層系統結構中，主要采用的是變電站信息集中和區域集中決策相協調的分層系統結構模式。在該分層系統結構中，變電站以及調度中心內部網絡結構，在該結構中IED1到IEDn均表示智能電子設備，其中，子站中的廣域繼電保護IED被定義為TCU，主站中的廣域繼電保護的IED被定義為DCU，而調度中心的廣域繼電保護IED則被定義為MU，而目前所謂的廣域繼電保護主要是指實現同一電壓等級下的線路保護；在廣域繼電保護分層系統結構中，通常情況下，從廣域通信網絡的結構層面上來看，同一電壓等級的整個電網廣域繼電保護分層系統結構主要包含三個層次結構，即接入層以及匯聚層、核心層，在進行廣域繼電保護通信網絡構建過程中，將整個廣域電網看作是若干個有限區域共同組成，然后在每個區域選擇其中的一個變電站作為主站，將所有區域的主站設置為匯聚層，對于子站TCU上傳的信息內容進行匯聚，同時以主站為中心進行區域劃分實現，將區域內部除主站外的其他變電站歸結設置為子站，這樣一來整個廣域電網內的子站就構成了接入層，而廣域電網的調度中心MU則是整個分層系統結構的核心層。

在廣域繼電保護的分層系統結構中，子站中的廣域繼電保護主要由信息采集單元和跳閘執行單元兩個結構部分組成，其中，信息采集單元的主要功能作用包括，進行啟動元件的判斷以及被保護線路模擬量與開關量的測量等，并且在進行被保護線路模擬量測量中，進行模擬量測量預處理后，進行相量值的計算，并將計算所得的相量值與開關量通過遠程通信網絡傳送到主站中；而在子站廣域繼電保護的跳閘執行單元結構部分，其主要功能為接受主站的控制命令，并在與本地的傳統在后備保護進行綜合決策后，進行相應斷路器的跳合閘操作控制，同時上傳指令到廣域電網主站與調度中心結構部分。而在廣域繼電保護分層系統結構中，主站中的廣域繼電保護主要由信息采集單元與綜合決策單元兩個部分組成，其中信息采集單元在承擔主站中的TCU任務，進行本區域內TCU上傳信息的收集同時，進行調度中心下指令的接受；而主站中的廣域繼電保護綜合決策單元，則具有定時根據子站上傳信息進行廣域繼電保護運算，并且在區域內出現故障問題后，進行故障問題處理決策的制定與下發，以實現對于相關故障問題的切除控制。最后，廣域繼電保護的調度中心結構部分，主要是進行各區域廣域繼電保護系統運行情況以及全網實時拓撲結構、故障記錄查詢等的實施協調與監控。

2 廣域繼電保護IED接入變電站網絡與電力通信網

2.1 廣域繼電保護IED接入變電站網絡

對于廣域繼電保護IED接入變電站網絡，需要結合數字化變電站網絡的通信設計方案，在確定數字化變電站網絡的通信方案后，進行廣域繼電保護IED接入變電站網絡的設置實現。通常情況下，在數字化變電站通信中，應用較多的通信網絡方案主要有獨立過程網絡與全站統一網絡兩種網絡通信方案。其中，獨立過程網絡是一種比較容易實現的數字化變電站網絡通信方案，而全站統一網絡具有信息高度共享的特征優勢，是數字化變電站通信網絡的最終方案形態。以220kV的兩電壓等級數字化變電站為例，在廣域繼電保護TCU/DCU接入數字化變電站的全站統一網絡拓撲結構中，數字化變電站的低壓側主要采用的是集中備用的雙星形冗余網絡拓撲結構，而在數字化變電站的高壓側，對于每一套單一間隔設備通過間隔交換機和本間隔內的合并單元以及斷路器智能終端等過程層設備進行相互連接實現從而形成一個通信子網，數字化變電站的低壓側單一間隔設備則通過間隔交換機與集中備用交換機，與本間隔內的過程層設備進行相互連接實現。此外，對于上述網絡拓撲結構中，跨間隔設備在高壓側是通過公共交換機與本間隔內過程層設備相連實現，低壓側保護則是通過另一公共交換機與連接實現。

2.2 廣域繼電保護IED接入電力通信網

廣域繼電保護IED與電力通信網的接入實現，則是在以MSTP作為傳輸平臺的情況下，通過將廣域繼電保護的網絡通信業務接入到電力通信網的方式，實現廣域繼電保護IED接入電力通信網，即為廣域繼電保護業務與變電站其他業務通過MSTP平臺設備接入到電力通信網的傳輸模型結構。

3 廣域繼電保護分層系統結構的網絡拓撲設計

根據上文所述可知，在進行廣域繼電保護分層系統結構的網絡拓撲設計實現過程中，主要是以MSTP設備的接入或者說是以MSTP作為平臺設計實現的。

首先，在進行廣域繼電保護分層系統結構的HVPLS網絡拓撲結構設計過程中，接入MSTP平臺設備的以太網接口業務主要包括，廣域繼電保護數據網、調度數據網、綜合數據網等，各種業務通過不同以太網接口的接入，并以各自獨立的虛擬網橋，實現相互連接。在廣域繼電保護模式中，分層系統結構的廣域繼電保護是一種集中式業務形式，保護區域內子站廣域繼電保護信息均向主站匯集，并最終匯集到核心層結構中，以組網方式實現點到多點、多點到點的網絡通信傳輸結構形式。此外，在進行廣域繼電保護分層系統結構中信息傳輸方式以及過程的設計中，由于MSTP以太網業務處理單板具有匯聚功能，能夠通過以太網進行多個接口的數據連接實現，因此，在進行廣域繼電保護分層系統結構信息傳輸方式與過程設計中，主要是以這種子站、調度中心以及主站等結構相互連接的方式設計實現，以滿足廣域網運行過程中，運行傳輸業務對于傳輸通道的帶寬需求，同時對于降低廣域網通信傳輸過程中的故障率也有著積極的作用。。

結語

總之，高效、穩定的網絡通信是廣域繼電保護實現的基礎，進行廣域繼電保護分層系統結構的網絡拓撲設計，有利于促進廣域繼電保護在電網運行與建設中的推廣應用，對于電網的安全穩定運行實現有著積極作用和意義。

淺析網絡拓撲結構及應用:計算機網絡拓撲結構分析

摘要：通過對計算機網絡拓撲結構的概念、分類、特點的介紹，在分析其復雜網絡結構的基礎上，探討出計算機網絡拓撲結構模型的有效構建，對其在實際應用中的冗余設計進行了研究，提高了網絡系統設計的可靠性、安全性。

關鍵詞：計算機網絡；拓撲結構；網絡協議；冗余設計

作者簡介：吳亞軍(1974-)，男，江蘇如皋人，江蘇教育學院如皋分院如皋高等師范學校講師，研究方向為計算機網絡。

0引言

計算機網絡的拓撲結構分析是指從邏輯上抽象出網上計算機、網絡設備以及傳輸媒介所構成的線與節點間的關系加以研究。

1計算機網絡拓撲結構的概念和分類

計算機網絡的拓撲結構是指網上計算機或網絡設備與傳輸媒介所構成的線與節點的物理構成模式。計算機網絡的節點一般有兩大類：一是交換和轉換網絡信息的轉接節點，主要有：終端控制器、集線器、交換機等；二是各訪問節點，主要是終端和計算機主機等。其中線主要是指計算機網絡中的傳輸媒介，其有有形的，也有無形的，有形的叫“有線”，無形的叫“無線”。根據節點和線的連接形式，計算機網絡拓撲結構主要分為：總線型、星型、樹型、環型、網狀型、全互聯型拓撲結構。 如圖1所示。

圖1計算機網絡拓撲結構圖

總線型主要是由一條高速主干電纜也就是總線跟若干節點進行連接而成的網絡形式。此網絡結構的主要優點在于其靈活簡單，容易構建，性能較好；缺點是總線故障將對整個網絡產生影響，即主干總線將決定著整個網絡的命運。星型網絡主要是通過中央節點集線器跟周圍各節點進行連接而構成的網絡。此網絡通信必須通過中央節點方可實現。星型結構的優點在于其構網簡便、結構靈活，便于管理等；缺點是其中央節點負擔較重，容易形成系統的“瓶頸”，線路的利用率也不高。樹型拓撲是一種分級結構。在樹型結構的網絡中，任意兩個節點之間不產生回路，每條通路都支持雙向傳輸。這種結構的特點是擴充方便、靈活，成本低，易推廣，適合于分主次或分等級的層次型管理系統。環型拓撲結構主要是通過各節點首尾的彼此連接從而形成一個閉合環型線路，其信息的傳送是單向的，每個節點需安裝中繼器，以接收、放大、發送信號。這種結構的優點是結構簡單，建網容易，便于管理；其缺點是當節點過多時，將影響傳輸效率，不利于擴充。網狀型主要用于廣域網，由于節點之間有多條線路相連，所以網絡的可靠性較高。由于結構比較復雜，建設成本較高。

2計算機網絡拓撲的特點

隨著網絡技術的發展，計算機網絡拓撲結構越來越呈現出一種復雜性。近些年來對于計算機拓撲的研究，越來越趨向于計算機拓撲節點度的冪律分布特點。這種分布在規模不同的網絡拓撲中表現出一定的穩定性，也就是指，在規模不同的計算機拓撲中，它們的節點度表現出一種冪律分布，即：P(k)=k-β。其中，β一般在2―3這個小范圍內進行波動，k是指節點度，P(k)表示度為k的節點出現的概率，即分布率。

計算機網絡作為一個復雜網絡，從其通信網絡的優化目的來說，其實現節點間平均距離最小化、網絡邊數最小化是其拓撲優化的主要目標，即未來通信網絡的趨勢就是小世界網絡。可是計算機網絡所覆蓋的范圍非常巨大，具有全球性，其拓撲結構的發展還面臨著許多技術上的問題。所以，對于計算機網絡拓撲結構的優化目標的實現有點不大可能。但盡管計算機的發展并不能實現拓撲設計的整體優化，它的小世界、較少邊、高聚集等特性足以表明其還是具有小范圍優化的特點，這些特點的產生可表現出其一些規律，即計算機網絡具有優先連接和生長的規律。生長表示的是計算機具有動態增長的特性，所以計算機的拓撲結構也是一個動態的過程。優先連接規律表示新節點進入計算機網絡的規則，即在新節點加入網絡時會選擇擁有較大連接數的節點進行連接。

3計算機網絡拓撲模型的構建

3.1一種復雜網絡拓撲模型

在世人發現計算機網絡節點度具有冪律分布的規律之后，計算機網絡拓撲模型的構建產生巨大的轉變。大家更多的選擇從優先連接和生長等這一網絡拓撲規律入手進行計算機網絡的拓撲建模，其主要是為了讓符合現實計算機拓撲性質的模型通過一些簡單規則的演化讓其自動地產生出來。利用優先連接來對新節點加入網絡的過程進行描述還比較粗糙，首先是因為新節點在加入之前，對網絡全局的信息進行了解和把握具有很大的難度，其次一個原因是單一的優先連接不能夠描述復雜的加入決策過程，而且在全網中容易形成少量的集散節點。所以要建立更加符合現實計算機拓撲特征的網絡模型則需要考慮更完善的加入規則。

現在對于構建計算機模型主要是依據自治域級和路由器級，但由于計算機網絡拓撲特性在不同層次和不同規模中表現出某種本質上的相似性，所以，本拓撲模型的構建都適應于這兩個級。此模型主要的規則是前面提到的通過生長和局部優先連接，來形成計算機拓撲模型，這種形成機制就好像一個層次化比較強的選舉過程，如圖2所示：

圖2計算機網絡拓撲模型

此模型首先假設在一個平面中分布著n個節點，并存在著一個離散的均勻走動的時鐘，這些節點都清楚自己是何時進入網絡的，這些節點進入網絡的時刻分布是從零時刻開始至具體某一特定時刻內的隨機分布。每個節點進入網絡前后的動作就是接收和發送消息及依據所接收的消息產生響應。發送和接收的消息中包括了自己的優先度以及消息傳達的范圍等內容。并且這些節點優先度將對其消息傳送的范圍即輻射半徑產生直接的影響。在節點接收消息之后往往是按照消息源的優先度來確定其是否跟發送消息的節點建立連接，若所接收到的許多消息源節點存在相近的優先度，其將會隨機地選擇一個消息源節點進行連接。通過這種規則進行不斷的演化和發展，將會得出圖2的結果。其中a圖表示計算機網絡形成的初始階段，那時僅僅只有一小部分節點進行活動，每個節點度都比較小，其發送和接收消息的范圍還比較小，所以這些節點往往只跟自己相鄰的節點進行連接。而隨著時間的不斷推進，節點度的不斷增加，各個節點的消息所能到達的距離越來越遠，即所形成的連接會越來越大、越來越多。在局部區域勝出的節點代表整個區域參與更大范圍的競爭，以致形成更大區域的代表。這個過程將持續下去，直到網絡中形成幾個較大的聚集中心。如圖2(b)、(c)所示，這種自組織的層次網絡并不具有預先設置的層次數。這就是計算機網絡拓撲結構的形成模型，是一種消息自組織和傳遞接收的模型。

3.2網絡拓撲結構體系與網絡協議的設置

由于網絡拓撲類型的多樣性，使得計算機網絡結構復雜多變。在這個系統中，網絡服務供給者和請求者之間的通信是在一個復雜網絡中進行的。對于復雜網絡中的問題，必須建立起符合計算機網絡拓撲結構體系的網絡協議。具體問題如下：①語言不同的網絡實體如何才可實現彼此通信?②如何才能保證網絡實體正確接收數據?③怎樣實現網絡中各實體之間的聯系？④數據怎樣傳送給指定的接收者?⑤怎樣避免網絡上數據傳輸沖突問題，怎樣對數據流進行控制以避免數據信息丟失?⑥如何通過介質進行網絡數據信息的傳輸？⑦在物理上的各種傳輸線路是如何建立的？

對于上述問題的解決，建立計算機網絡拓撲結構體系是一種有效途徑。計算機網絡拓撲結構體系主要是對網絡結構系統功能進行有效的分解，接著對各種分解后的功能進行設定，以滿意用戶的需求。這種網絡拓撲結構體系其實就是一個層次結構，它的特點主要是任何一層都是在前一層的基礎上建立起來的，其低層總是為高層服務。比如，第N層中的實體在實現自身定義的功能時，就充分利用N-1層提供的服務，由于N-1層同樣使用了N-2層的服務，所以N層也間接利用了N-2 層提供的功能。N層是將以下各層的功能“增值”，即加上自己的功能，為N+1提供更完善的服務，同時屏蔽具體實現這些功能的細節。其中，最低層是只提供服務而不使用其他層服務的基本層；而最高層肯定是應用層，它是系統最終目標的體現。

因此，計算機網絡拓撲結構體系的核心是如何合理地劃分層次，并確定每個層次的特定功能及相鄰層次之間的接口。由于各種局域網的不斷出現，迫切需要不同機種互聯，以滿足信息交換、資源共享及分布式處理等需求，這就要求計算機網絡體系結構標準化。在計算機網絡分層結構體系中，通常把每一層在通信中用到的規則與約定稱為協議。協議是一組形式化的描述，它是計算機通信的語言，也是計算機網絡軟硬件開發的依據。網絡中的計算機如果要相互“交談”，它們就必須使用一種標準的語言，有了共同的語言，交談的雙方才能相互“溝通”。考慮到環境及通信介質的不可靠性，通信雙方要密切配合才能完成任務。通信前，雙方要取得聯絡，并協商通信參數、方式等；在通信過程中，要控制流量，進行錯誤檢測與恢復，保證所傳輸的信息準確無誤；在通信后，要釋放有關資源(如通信線路等)。由于這種通信是在不同的機器之間進行，故只能通過雙方交換特定的控制信息才能實現上述目的，而交換信息必須按一定的規則進行，只有這樣雙方才能保持同步，并能理解對方的要求。

4計算機網絡架構冗余設計分析

計算機網絡架構冗余設計主要是指節點之間的鏈路冗余，也就是指在一條鏈路發生斷路時，可以通過其他冗余的鏈路進行通信，以保證數據的安全。網絡架構冗余設計一般是包括核心層和接入層兩個方面的冗余設計，核心層冗余設計主要是采用了節點之間的連線的網狀結構進行，即在一條線路斷路時可以通過其他的兩條或者兩條以上的線路進行通信；接入層冗余設計一般是通過雙上聯或者三上聯的方式進行的。

5結束語

在實際應用中，為了適應不同的要求，拓撲結構不一定是單一的，往往都是幾種結構的混用。這些結構的混合使得計算機網絡復雜性極強，在其拓撲結構構建和形成中表現出來、具體所形成的拓撲規則是：Internet網絡中節點的生長性和優先連接。通過其不斷的生長以及生長出的節點的優先連接，從而使網絡拓撲形成一種消息自組織和傳遞的過程，最終發展成一種網絡拓撲結構體系，其核心是一種層次結構，通過協議加以溝通，進行信息的傳遞。此外在設計過程中，還應充分考慮網絡的冗余設計，最大限度地保證網絡系統的可靠性、安全性。