浅谈网络拓扑结构
"拓扑"这个名词是从几何学中借用来的。网络拓扑是指网络形状,或者是它在物理上的连通性。网络的拓扑结构主要有:星形拓扑、总线拓扑、环形拓扑、树形拓扑、混合形拓扑及网形拓扑.
拓扑结构的选择往往与传输媒体的选择及媒体访问控制方法的确定紧密相关。在选择网络拓扑结构时,应该考虑的主要因素有下列几点:
(1)可靠性。尽可能提高可靠性,以保证所有数据流能准确接收;还要考虑系统的可维护性,使故障检测和故障隔离较为方便。
(2)费用。建网时需考虑适合特定应用的信道费用和安装费用。
(3)灵活性。需要考虑系统在今后扩展或改动时,能容易地重新配置网络拓扑结构,能方便地处理原有站点的删除和新站点的加入。
(4)响应时间和吞吐量。要为用户提供尽可能短的响应时间和最大的吞吐量。
1.星形拓扑
星形拓扑是由中央节点和通过点到点通信链路接到中央节点的各个站点组成,如图一(a)所示。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,而 各个站点的通信处理负担都很小。星形网采用的交换方式有电路交换和报文交换,尤以电路交换更为普遍。这种结构一旦建立了通道连接,就可以无延迟地在连通的 两个站点之间传送数据。目前流行的专用交换机PBX (Private Branch exchange)就是星形拓扑结构的典型实例。
星形拓扑结构具有以下优点:
(1)控制简单。在星形网络中,任何一站点只和中央节点相连接,因而媒体访问控制方法很简单,致使访问协议也十分简单。
(2)故障诊断和隔离容易。在星形网络中,中央节点对连接线路可以逐一地隔离开来进行故障检测和定位,单个连接点的故障只影响一个设备,不会影响全网。
(3)方便服务。中央节点可方便地对各个站点提供服务和网络重新配置。
星形拓扑结构的缺点:
(1)电缆长度和安装工作量可观。因为每个站点都要和中央节点直接连接,需要耗费大量的电缆,安装、维护的工作量也骤增。
(2)中央节点的负担较重,形成瓶颈。一旦发生故障,则全网受影响,因而对中央节点的可靠性和冗余度方面的要求很高。
(3)各站点的分布处理能力较低。
星形拓扑结构广泛应用于网络的智能集中于中央节点的场合。从目前的趋势看,计算机的发展已从集中的主机系统发展到大量功能很强的微型机和工作站,在这种形势下,传统的星形拓扑的使用会有所减少。
2.总线拓扑
总线拓扑结构采用一个信道作为传输媒体,所有站点都通过相应的硬件接口直接连到这一公共传输媒体上,该公共传输媒体即称为总线。任何一个站发送的信号都沿着传输媒体传播,而且能被所有其它站所接收。总线拓扑结构见图一(b)。
因为所有站点共享一条公用的传输信道,所以一次只能由一个设备传输信号。通常采用分布式控制策略来确定哪个站点可以发送o发送时,发送站将报文分成分 组,然后逐个依次发送这些分组,有时还要与其它站来的分组交替地在媒体上传输。当分组经过各站时,其中的目的站会识别到分组所携带的目的地址,然后复制下 这些分组的内容。
总线拓扑结构的优点:
(1)总线结构所需要的电缆数量少。
(2)总线结构简单,又是元源工作,有较高的可靠性。
(3)易于扩充,增加或减少用户比较方便。
总线拓扑的缺点:
(1)总线的传输距离有限,通信范围受到限制。
(2)故障诊断和隔离较困难。
(3)分布式协议不能保证信息的及时传送,不具有实时功能。站点必须是智能的,要有媒体访问控制功能,从而增加了站点的硬件和软件开销。
3.环形拓扑
环形拓扑网络由站点和连接站点的链路组成一个闭合环,如图一(c)所示。每个站点能够接收从一条链路传来的数据,并以同样的速率串行地把该数据沿环送到另 一端链路上。这种链路可以是单向的,也可以是双向的。数据以分组形式发送,例如图中的A站希望发送一个报文到C站,就先要把报文分成为若干个分组,每个分 组除了数据还要加上某些控制信息,其中包括C站的地址。A站依次把每个分组送到环上,开始沿环传输,C站识别到带有它自己地址的分组时,便将其中的数据复 制下来。由于多个设备连接在一个环上,因此需要用分布式控制策略来进行控制。
环形拓扑的优点:
(1)电缆长度短。环形拓扑网络所需的电缆长度和总线拓扑网络相似,但比星形拓扑网络要短得多。
(2)增加或减少工作站时,仅需简单的连接操作。
(3)可使用光纤。光纤的传输速率很高,十分适合于环形拓扑的单方向传输。
环形拓扑的缺点:
(1)节点的故障会引起全网故障。这是因为环上的数据传输要通过接在环上的每一个节点,一旦环中某一节点发生故障就会引起全网的故障。
(2)故障检测困难。这与总线拓扑相似,因为不是集中控制,故障检测需在网上各个节点进行,因此就不很容易。
(3)环形拓扑结构的媒体访问控制协议都采用令牌传递的方式,在负载很轻时,信道利用率相对来说就比较低。
4.树形拓扑
树形拓扑从总线拓扑演变而来,形状像一棵倒置的树,顶端是树根,树根以下带分支,每个分支还可再带子分支,如图一(d)所示。树根接收各站点发送的数据,然后再广播发送到全网。树形拓扑的特点大多与总线拓扑的特点相同,但也有一些特殊之处。
树形拓扑的优点:
(1)易于扩展。这种结构可以延伸出很多分支和子分支,这些新节点和新分支都能容易地加入网内。
(2)故障隔离较容易。如果某一分支的节点或线路发生故障,很容易将故障分支与整个系统隔离开来o
树形拓扑的缺点是,各个节点对根的依赖性太大,如果根发生故障,则全网不能正常工作。从这一点来看,树形拓扑结构的可靠性有点类似于星形拓扑结构。
5.混合形拓扑
将以上某两种单一拓扑结构混合起来,取两者的优点构成的拓扑称为混合形拓扑结构。如图一(e)所示,一种是星形拓扑和环形拓扑混合成的"星一环"拓扑,另一种是星形
拓扑和总线拓扑混合成的"星一总"拓扑。其实,这两种混合形在结构上有相似之处,若将总线结构的两个端点连在一起也就成了环形结构。这种拓扑的配置是由一批接入环中或总线的集中器组成,由集中器再按星形结构连至每个用户站。
混合形拓扑的优点:
(1)故障诊断和隔离较为方便。一旦网络发生故障,只要诊断出哪个集中器有故障,将该集中器和全网隔离即可o
(2)易于扩展。要扩展用户时,可以加入新的集中器,也可在设计时,在每个集中器留出一些备用的可插入新的站点的连接口。
(3)安装方便。网络的主电缆只要连通这些集中器,这种安装和传统的电话系统电缆安装很相似。
混合形拓扑的缺点:
(1)需要选用带智能的集中器。这是为了实现网络故障自动诊断和故障节点的隔离所必需的。
(2)像星形拓扑结构一样,集中器到各个站点的电缆安装长度会增加。
6.网形拓扑
网形拓扑如图一(f)所示。这种结构在广域网中得到了广泛的应用,它的优点是不受瓶颈问题和失效问题的影响。由于节点之间有许多条路径相连,可以为数据流 的传输选择适当的路由,从而绕过失效的部件或过忙的节点。这种结构虽然比较复杂,成本也比较高,提供上述功能的网络协议也较复杂,但由于它的可靠性高,仍 然受到用户的欢迎。
以上分析了几种常用拓扑结构的优缺点。不管是局域网或广域网,其拓扑的选择,需要考虑诸多因素:网络既要易于安装,又要易于扩展;网络的可靠性也是考虑的 重要因素,要易于故障诊断和隔离,以使网络的主体在局部发生故障时仍能正常运行;网络拓扑的选择还会影响传输媒体的选择和媒体访问控制方法的确定,这些因 素又会影响各个站点在网上的运行速度和网络软、硬件接口的复杂性。