计算机网络拓扑结构及其应用的探究

孙方骏

【摘要】通信技术和计算机产业相互融合发展，催生出了互联网技术，并促使其不但革新。然而，面对复杂而庞大的计算机网络，谋划良好的拓扑结构无疑是网络有序运转的前提。鉴于其重要性，笔者分别从网络拓扑结构的概念、分类及优缺点、应用领域做了详细介绍，最后分析了复杂网络中拓扑结构的作用和发展态势。文中提出的一些想法，以期能够为网络技术革新的探究，起到一定的作用。

【关键词】计算机网络;互联网技术;拓扑结构;应用

中图分类号：TN92                       文献标识码：A                 DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.18.030

处于科技最前沿的因特网技术，其背后均需要强有力的、稳定的计算机网络作为支撑。计算机网络的规划、搭建、运行及维护升级均以稳定、安全和可靠为最终目标。网络逻辑设计阶段中的拓扑结构规划是一项艰巨而又复杂的工作，优秀的网络拓扑设计始终是网络稳定运行工作的坚实基础。为此，在计算机网络工程设计中，工程技术人员引入了拓扑学中“拓扑结构”的相关概念。拓扑学原理主要研究的问题是和距离、大小无关的一般图形形状特点的方法，是由图论发展而来的。拓扑学的引入降低了网络拓扑设计的难度，方便了人们研究和规划网络工程。

1. 拓扑结构的概念解析

计算机网络的拓扑结构规划是针对于网络系统集成、网络工程中的逻辑设计环节而言，是必须进行的重要工作之一。拓扑结构设计的合理性会直接影响到后续的规划、功能的实现、网络的健壮性、数据传送和资费等。

按照前文中提及的拓扑学知识，我们可以将网络中实际存在的具体硬件设备和网络单元（如，Host、Server、Network-Printer、Firewall、Router、Switch等）全部抛开并抽象化，看作图形中的“点或节点”，把用于连接和通信的传输介质（如，弱电双绞线、有线电视同轴电缆、光导纤维等）抽象成“线或连接线”。在忽略了通信距离、线路质量、网络安全、节点大小、通信协议及类型等概念后，整个计算机网络的逻辑连接就变换成了简单的空间图形之间的结构联系，空间图形之间的联络关系就能真实地映射出网络单元之间的逻辑联系。所以，“计算机网络拓扑结构是指互联网中各种网络单元（硬件）的连接形态，它能够反映网络的物理构造，表示设备之间的布局关系，其描述的这种简单易行的抽象过程，就是分析和建立网络拓扑结构的过程”。

2. 网络拓扑结构的典型形态与优缺点

计算机网络中，按照其物理布局、组网的真实状态等情况，拓扑结构也呈现出多种形态。如图1所示，其中较为常用且典型的有5种，分别是：星形结构拓扑、环形结构拓扑、总线型结构拓扑、树形结构拓扑和网状（综合型）结构拓扑等。

2.1 星形拓扑结构

星形拓扑的结构形态，顾名思义，其呈现出一种由中心节点向四周放射的状态。所有的网络节点均通过通信链路（即传输介质）与中央节点相连接，中央节点既可以存储转发数据，也可以与四周互联互通。如图1（a）所示，在该网络中，所有四周的节点设备，均有中央节点控制其数据的传输。通常情况下，中央节点为可控的、有信号再生和过滤功能的存储转发设备，如交换机、路由器、三层交换。也可以是起到管理功能的网络设备，如各类网络服务单元、安全设备等。在目前的以太网中该种结构占据着统治地位，应用极为普遍。

其优点是，网络结构简单、便于组网和集中管理，扩展和更换新设备较易。维护过程中，查询故障点的工程量较小，且网络延迟小、误码率低，容易发挥传输介质和网络设备的性能。但也不难看出，核心节点是该种拓扑中负载最重，是整个网络的“关隘”。其劣势显而易见，中央核心设备一旦崩溃，网络便会陷入拥塞状态，直至停止服务。

2.2 总线型拓扑结构

在总线型网络结构中，通常使用传输速度和效率相对较高的物理介质作为总线（即单根的公共信号传送通道），其余除总线以外的各个网络节点设备，都使用专业的连接器件及接口来连接到这个公共通道中，如图1（b）所示。连接到总线上的各网络设备，在进行数据传输时，这个公共通道是必经之路。目前，总线通道通常使用光缆、CAT 7A以上的双绞线等作为传输介质，且该种拓扑结构在局域网和中小型网络中较为常见，例如，10Base-2 Ethernet和10Base-5 Ethernet等。但是，该网络有一个明显的特点，就是同一时间总线上只能有一个信号在传送数据，其原理近似于“独木桥”。既然传输数据是自由的，那么怎样才能把握发送数据的时机？既获得发送权限又不影响传输？该疑问可以使用国际上颁布的互联网介质访问和控制协议标准，即“载波监听多路访问/冲突检测”（CSMA/CD）来解决。

其优点是，网络结构灵活简单、设备便于安装、维护和扩展简单，网络响应速度快，布线维护较廉价。但同时存在着其固有的缺陷，随着总线带宽的承载力和线路长度的限制，传输实时性差、故障查找周期长、过长的总线传输信号衰减也快。

2.3 环形拓扑结构

如图1（c）所示，该拓扑结构中，整个网络的构成都处在一个“圈”中，我们形象的把这个圈称作“环”。网络中的全部设备都通过公共传输通道连接在一个闭塞的环中，在大多数情况下，信道中的数据信号有一定的发送方向，即单一方向传输。那么，为了确保相同时刻公共通道上只有单一节点在發送数据信号，不出现“碰撞”。网络设计者，为该网络中放置了一块特殊的，逻辑意义上的“令牌”。那么，得到该“令牌”的网络单元或节点才能够传输信息。这样“令牌”就仿佛一张通行证，使得环形网络有序展开工作。通常，FDDI、令牌式环形网络和CDDI等使用该种逻辑结构。

其优点是，结构简单、数据传输质量高、网络稳定、因故障造成的恢复时间可预估，各个节点之间传输路径唯一，效率高且可靠性强。其缺点是，一旦封闭的环路出现故障，会引发整个网络传输的故障。

2.4 树形拓扑结构

工程技术人员认为，该拓扑可以看作是多级星形结构和总线型结构融合发展形成的一种拓扑结构。如图1（d）所示，其形态酷似一棵根部在上，“反置”的大树，所以称为树形拓扑结构。其中，每一个分支都可以继续分叉，连接网络设备，呈现出一定的层次感。处在中层及高层的节点都可以进行数据的交换转发，而相邻节点一般信息交换量较小。这种拓扑结构通常用于广域网、异构网等分级管理的网络。

其优点是，易于扩展和管理，由于分支较多，在故障点很明确的情况下隔离较容易，不至于因部分故障影响整个网络的通信。其缺点是，顶部的根节点设备要求较高，承载力较大，对其依赖性较强。

2.5 网状拓扑结构

网状结构其实可以看作是以上几种结构综合运用的一种复合型结构，因其节点的连接随意性较强，没有规律，连接的设备多种多样，像一张无形的大网，四通八达，如图1（e）所示。主要应用于大型网络和广域网中。其优点是，能够较充分利用信道资源传输，数据质量可靠性高，网络运行稳定。由于其构造复杂、网络庞大等特点，呈现出来查找问题节点难、故障恢复时间长，管理难度大、网络安全维护成本高等缺陷。

3. 拓扑结构在目前运用中的状况

互聯网飞速发展的今天，单独使用一种拓扑结构进行网络系统规划、集成从而完成网络搭建的任务已十分困难，表现出的往往是在不同规模和不同地理位置的网络，按照多个拓扑形态进行布局，使得目前呈现出单一型与复合型并存的态势，例如机关事业单位、企业、医疗机构、大学和科研单位对数据通信量和带宽的需求较高。因此，单一形态的网络拓扑结构很难满足数据高质量传输的要求，在系统集成前期的逻辑设计阶段，如果拓扑结构选择不当，会给后续的维护和使用带来巨大影响。例如，采用分层的网络拓扑结构，设备按照不同的类别和作用集成在一起，传输层部署交换机和路由器，骨干层部署光网设备。从而解决了高速传输中，峰值带宽不足，用户体验不佳等问题，实现了性价比较高的维护方式，现在这种运用已经成为了主流。

4. 拓扑结构在复杂网络环境下的运用

复杂网络的概念定义，主要是探寻复杂系统的一些解决办法，其嗅探的重点方向是网络中相互关联的拓扑结构。通俗地讲，复杂网络环境就是指构成网络、运行网络和维护网络的软、硬件因素是复杂的。综合考虑，解决复杂网络环境下网络拓扑选择运用的问题，可以将多种网络拓扑混合使用，例如，星总型网络拓扑结构。这样的拓扑形态最大程度上解决了复杂网络的展拓，使得星形结构在远程距离上的缺陷得以弥补，同时也最大程度上弥补了总线型结构中链路用户数量上的弊端。这一解决思想会不断催生网络拓扑变换和革新，这对于提高网络传输能力和构建健壮的网络都起到“催化剂”的作用，甚至能为下一代智能因特网或物联网的设计与形成，提供一些新的思路和启迪。

5. 结语

我们对互联网的认识永无止境。不断提出的新思路，演变的新技术，推广生产的新产品，都会不断的推动人们去探究互联网领域的理论。近年来，随着以传统计算机网络技术为核心，以物联网为切入点，催生出的AI技术、Big Data技术、Cloud Computing等技术把人们带进了“ABC”的时代。对网络拓扑结构的探寻，必将推动更多新技术的诞生。对网络世界的探索，永远是走在时代的最前沿。

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