网络拓扑结构研究与分析

　　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，把若干外围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