网络拓扑结构研究与分析

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摘 要：网络拓扑结构是网络节点互联所形成的抽象连接方式，通过网络拓扑结构可以清晰地展现网络连接方式以及网络的外貌结构。本文不仅对各种网络拓扑结构进行定性的分析，而且用定量的指标对来评价各种网络拓扑结构的性能，并对比不同结构的特点，具有明显的优势。

关键词：网络拓扑结构；定量评价；对比分析

中图分类号：TP393

1 网络拓扑概述

网络拓扑是网络的形状，或者它在物理上的连通性，网络拓扑所关心的是网络的连接关系以及其图形表示，并不在意其所连接的节点的各种细节，计算机网络拓扑结构有节点和链路组成，本文所研究的网络拓扑结构包括总线型、环形、星形、树形、胖树形、网格、分布式、full-mesh网络拓扑结构。

2 网络拓扑结构的评价指标

本文所研究的网络拓扑结构都是静态的网络，网络结构一般不会发生改变。其评价指标主要有：（1）节点的度：与节点相连接的边的数目，模块化设计要求节点的度保持恒定。（2）距离：两个节点之间相连的最少边数。（3）网络直径：网络中任意两个节点之间距离的的最大值。（4）对称性：从任何节点看，拓扑结构都一样，这样的网络模拟编程比较容易。

3 各种不同的网络拓扑结构及其分析

3.1 总线型网络拓扑结构

总线型拓扑结构是采用单根传输线作为总线，将网络中所有的站点通过相应的接口和电缆直接连接到这根共享的总线上，这些站点共享一条数据通道。任何一个节点信息都可以沿着总线向两个方向传播扩散，并且能被总线中任何一个节点所接收。在总线型结构中，设节点数为N，则链路数为N+1；每个节点的度为1，对于结构的模块化比较方便；网络直径定义为2，信息传送相对比较快速；网络拓扑结构不对称。总线型拓扑结构的优点：易于分布，扩充方便；其主链路为双向通道，便于信息进行网播式传播；分布式控制；结构可靠性较高；系统的可扩充性较高。

总线型拓扑结构的缺点：故障诊断困难；故障隔离困难；对节点要求较高，每个节点都要有介质访问控制功能；所有的工作站通信均通过一条共用的总线，实时性很差。

3.2 环型拓扑结构

环型拓扑结构中各节点通过环路接口连在一条首尾相连的闭合环型通信线路中，环路中各节点地位相同，环路上任何节点均可请求发送信息，请求一旦被批准，便可以向环路发送信息。这种结构使公共传输电缆组成环形连接，数据在环路中只能单向传输。对于有N个节点的环形拓扑结构，链路数为N；直径为N-1，不同的节点之间网络时间差距比较大；节点的度为2，对于模块化也比较方便，网络结构对称。环型拓扑结构的优点：两个节点间仅有唯一的通路，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；所需电缆长度比星型拓扑要短得多。环型拓扑结构的缺点：要扩充网络中环的配置或关闭一些已连入环的站点，都会影响网络的正常运行；当节点过多时，影响传输效率，但当网络确定时，其延时固定，实时性强。

3.3 星型拓扑结构

星型拓扑结构是一种以中央节点为中心，把若干节点连接起来的辐射式互联结构。网络中的各节点通过点到点的方式连接到一个中央节点上，由该中央节点向目的节点传送信息。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，负担比各节点重得多。对于有N个节点的星型网络，链路数为N-1，网络直径为2，不同节点之间消息传送时延恒定；最大节点度为N-1；网络结构对称。星型结构的优点：网络结构简单，便于大型网络的维护和调试；控制简单；网络延迟时间较短，误码率较低；每个连接只接一个设备，单个连接的故障只影响一个设备，不会影响全网。星型结构的缺点：一条通信线路只被该线路上的中央节点和一个站点使用，因此线路利用率不高；对中央节点的依赖性较强，所以对中央节点的可靠性和冗余度要求较高。

3.4 树型网络结构

树型网络结构实际上是星型拓扑结构的扩展。在树型网络结构中，网络节点是分层进行连接，越是靠近根节点，节点位置越靠近主干，节点的稳定性越重要；越是靠近叶子节点，节点的重要性相对也降低，节点的功能丧失对整个系统的影响相对减小。任何一个节点送出的信息都由根接收后重新发送到所有的节点，可以传遍整个传输介质，也是广播式网。对于特殊的树形结构完全二叉树，N=2^k-1个节点，大多数节点的度为3，对于结构的模块化很方便，直径为2（k-1）反映了树形结构两个节点之间传输信息的最大代价，另外树型网络拓扑结构不对称。树形结构的优点：易于扩展，有较强的可折叠性，故障隔离容易，树形结构可以减少布线投资。树形结构的缺点：一旦靠近根节点的系统出现故障，整个系统都将瘫痪，对靠近根节点的安全性，稳定性要求很高

3.5 胖树网络结构

胖树是树型拓扑结构的扩展。它具有树型拓扑结构的层次特性，可以向下扩展，但是和树型不同的是在层次之间，层次之间采用了一种类似全连接的方式来建立拓扑，例如第二层的任一节点跟第三层及第一层的所有节点之间都有连接。网络结构中信息的交换主要也是发生在层次之间，同层的节点信息没有交换。设胖数的层数为n，每层的节点数分别为x1，x2，…xn，则胖数中总的节点数为s=x1+x2+…xn，第i层节点的度=第i-1层的度+第i+1层的度，每一次节点的度都是一样的，对于模块化也是比较方便的。网络的直径为n-1，网络的通信速度会更加的快。不对称。胖树拓扑的优点：相比树型拓扑，网络的健壮性受根节点附近节点影响明显减弱，某一个中央处理设备瘫痪后，底层节点还可以通过其他的路径来传送信息，拓扑结构更加的安全稳定；易于扩展；网络中信息交换的速度与树形结构相比也有明显的加快。胖树拓扑的缺点：网络结构比较复杂，当节点很多的时候，建立拓扑速度会比较慢；网络中的链路数明显增多，网络结构建模的造价相对比较高。

3.6 网格拓扑结构

网格结构是一种比较比较规律的结构，就像我们画出的表格一样，每个网络节点占据表格的一个节点，网格拓扑的大小取决于网格的行数和列数，除了边界和顶点节点网格中的每一个节点的邻居为4，其可靠性和稳定性都比较好，不会因为某一个节点的功能丧失而影响整个网络。对于有N个节点的r*r的网格结构，有2N-2r条链路，直径为2（r-1），网络通信开销相对比较大，节点的度为4，对于拓扑模型的模块化比较有利。网格拓扑的优点：结构比较的清晰，规律，模型构建容易；网格拓扑的缺点：网络连接复杂，构建网络的成本也比较的大

3.7 分布式拓扑结构

分布式结构的网络是将分布在不同地点的网络节点通过线路互连起来的一种网络形式，网中任一点均至少与两条线路相连，当任意一条线路发生故障时，通信可转经其他链路完成，具有较高的可靠性。同时，网络易于扩充。分布式拓扑结构优点：采用分散控制，即使整个网络中的某个局部出现故障，也不会影响全网的操作，可靠性好；各个节点间均可以直接建立数据链路，信息流程最短；便于全网范围内的资源共享。分布式拓扑结构缺点：连接线路用电缆长，造价高；网络管理软件复杂；报文分组交换、路径选择、流向控制复杂；在一般局域网中不采用这种结构。

3.8 全链接（Full-mesh）网络拓扑结构

Full-mesh是分布式结构的一殊情况，Full-mesh是所有的节点之间都有直接连接的方式，是带弦环的一种特殊情形在full-mesh网络结构中，每个网络节点都要么有一条物理电路要么有一条虚拟电路与所有其他网络节点相连。Full-mesh提供了大量的冗余，从而可以保证网络通道的安全性和稳定性。对与有N个节点的full-mesh网络，网络中的链路数为n（n-1）/2，和相同节点的其他网络相比，full-mesh的通信链路最多。网络直径为1，这也说明了上边的分析，网络通信非常的方便，这方面性能比其他的网络有更大的优势，网络的度为N-1，节点的度恒定，这种网络对于模块化也是最好的。Full-mesh网络拓扑的优点：在该网络中所有的节点之间可以通过虚拟通道或者物理通道直接交换信息，当两个节点之间的之间链路无法进行通信的时候，可以通过其他的线路通信，网络通信的延迟以及信息的丢失率会非常的低。Full-mesh网络拓扑的缺点：两个节点之间直接连接来进行通信，最大的缺点就是当节点数量巨大的时候，网络链路将会爆炸性的增长，造成严重的资源浪费和管理上的困难。

4 总结

网络拓扑结构是网络中的设备实现网络互连所呈现出的物理布局，它能反映出网络中各实体间的结构关系。总线型拓扑结构主要用于计算机数目相对较少的局域网中，以太网是典型的总线型局域网；环型拓扑结构在局域网中使用较多，尤其是实时性要求较高的环境中；星型拓扑结构广泛应用于网络中智能集中于中央节点的场合；树型拓扑结构是一种广播式网络结构；胖树型拓扑结构的性能要比树型结构优越，信息交换速度更快；网格型拓扑结构具有较好的可靠性和稳定性；分布式拓扑结构的路径选择、流向控制比较复杂，在一般局域网中不采用这种结构；Full-mesh网络拓扑结构是一种特殊的分布式结构，网络通道的安全性和稳定性较高。

网络拓扑结构是计算机网络的重要基础信息，它是网络管理、数据模拟和信息收集的基础，同时也是网络安全评估和实施网络攻击的前提。因此对网络拓扑结构的研究具有十分重要的意义。

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作者简介：孙岩（1989-），男，天津蓟县人，硕士，北京科技大学研究生。研究方向：云计算；张楠（1989-），女，河北廊坊人，北京科技大学研究生。研究方向：网络冗余。