計算機網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用的探究

孫方駿

【摘要】通信技術(shù)和計算機產(chǎn)業(yè)相互融合發(fā)展，催生出了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，并促使其不但革新。然而，面對復(fù)雜而龐大的計算機網(wǎng)絡(luò)，謀劃良好的拓撲結(jié)構(gòu)無疑是網(wǎng)絡(luò)有序運轉(zhuǎn)的前提。鑒于其重要性，筆者分別從網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的概念、分類及優(yōu)缺點、應(yīng)用領(lǐng)域做了詳細介紹，最后分析了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中拓撲結(jié)構(gòu)的作用和發(fā)展態(tài)勢。文中提出的一些想法，以期能夠為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)革新的探究，起到一定的作用。

【關(guān)鍵詞】計算機網(wǎng)絡(luò);互聯(lián)網(wǎng)技術(shù);拓撲結(jié)構(gòu);應(yīng)用

中圖分類號：TN92? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ?DOI：10.12246/j.issn.1673-0348.2021.18.030

處于科技最前沿的因特網(wǎng)技術(shù)，其背后均需要強有力的、穩(wěn)定的計算機網(wǎng)絡(luò)作為支撐。計算機網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、搭建、運行及維護升級均以穩(wěn)定、安全和可靠為最終目標(biāo)。網(wǎng)絡(luò)邏輯設(shè)計階段中的拓撲結(jié)構(gòu)規(guī)劃是一項艱巨而又復(fù)雜的工作，優(yōu)秀的網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計始終是網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運行工作的堅實基礎(chǔ)。為此，在計算機網(wǎng)絡(luò)工程設(shè)計中，工程技術(shù)人員引入了拓撲學(xué)中“拓撲結(jié)構(gòu)”的相關(guān)概念。拓撲學(xué)原理主要研究的問題是和距離、大小無關(guān)的一般圖形形狀特點的方法，是由圖論發(fā)展而來的。拓撲學(xué)的引入降低了網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計的難度，方便了人們研究和規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)工程。

1. 拓撲結(jié)構(gòu)的概念解析

計算機網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)規(guī)劃是針對于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)集成、網(wǎng)絡(luò)工程中的邏輯設(shè)計環(huán)節(jié)而言，是必須進行的重要工作之一。拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性會直接影響到后續(xù)的規(guī)劃、功能的實現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)的健壯性、數(shù)據(jù)傳送和資費等。

按照前文中提及的拓撲學(xué)知識，我們可以將網(wǎng)絡(luò)中實際存在的具體硬件設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)單元（如，Host、Server、Network-Printer、Firewall、Router、Switch等）全部拋開并抽象化，看作圖形中的“點或節(jié)點”，把用于連接和通信的傳輸介質(zhì)（如，弱電雙絞線、有線電視同軸電纜、光導(dǎo)纖維等）抽象成“線或連接線”。在忽略了通信距離、線路質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)安全、節(jié)點大小、通信協(xié)議及類型等概念后，整個計算機網(wǎng)絡(luò)的邏輯連接就變換成了簡單的空間圖形之間的結(jié)構(gòu)聯(lián)系，空間圖形之間的聯(lián)絡(luò)關(guān)系就能真實地映射出網(wǎng)絡(luò)單元之間的邏輯聯(lián)系。所以，“計算機網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)是指互聯(lián)網(wǎng)中各種網(wǎng)絡(luò)單元（硬件）的連接形態(tài)，它能夠反映網(wǎng)絡(luò)的物理構(gòu)造，表示設(shè)備之間的布局關(guān)系，其描述的這種簡單易行的抽象過程，就是分析和建立網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的過程”。

2. 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的典型形態(tài)與優(yōu)缺點

計算機網(wǎng)絡(luò)中，按照其物理布局、組網(wǎng)的真實狀態(tài)等情況，拓撲結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)出多種形態(tài)。如圖1所示，其中較為常用且典型的有5種，分別是：星形結(jié)構(gòu)拓撲、環(huán)形結(jié)構(gòu)拓撲、總線型結(jié)構(gòu)拓撲、樹形結(jié)構(gòu)拓撲和網(wǎng)狀（綜合型）結(jié)構(gòu)拓撲等。

2.1 星形拓撲結(jié)構(gòu)

星形拓撲的結(jié)構(gòu)形態(tài)，顧名思義，其呈現(xiàn)出一種由中心節(jié)點向四周放射的狀態(tài)。所有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點均通過通信鏈路（即傳輸介質(zhì)）與中央節(jié)點相連接，中央節(jié)點既可以存儲轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，也可以與四周互聯(lián)互通。如圖1（a）所示，在該網(wǎng)絡(luò)中，所有四周的節(jié)點設(shè)備，均有中央節(jié)點控制其數(shù)據(jù)的傳輸。通常情況下，中央節(jié)點為可控的、有信號再生和過濾功能的存儲轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，如交換機、路由器、三層交換。也可以是起到管理功能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如各類網(wǎng)絡(luò)服務(wù)單元、安全設(shè)備等。在目前的以太網(wǎng)中該種結(jié)構(gòu)占據(jù)著統(tǒng)治地位，應(yīng)用極為普遍。

其優(yōu)點是，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、便于組網(wǎng)和集中管理，擴展和更換新設(shè)備較易。維護過程中，查詢故障點的工程量較小，且網(wǎng)絡(luò)延遲小、誤碼率低，容易發(fā)揮傳輸介質(zhì)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的性能。但也不難看出，核心節(jié)點是該種拓撲中負載最重，是整個網(wǎng)絡(luò)的“關(guān)隘”。其劣勢顯而易見，中央核心設(shè)備一旦崩潰，網(wǎng)絡(luò)便會陷入擁塞狀態(tài)，直至停止服務(wù)。

2.2 總線型拓撲結(jié)構(gòu)

在總線型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，通常使用傳輸速度和效率相對較高的物理介質(zhì)作為總線（即單根的公共信號傳送通道），其余除總線以外的各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備，都使用專業(yè)的連接器件及接口來連接到這個公共通道中，如圖1（b）所示。連接到總線上的各網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，在進行數(shù)據(jù)傳輸時，這個公共通道是必經(jīng)之路。目前，總線通道通常使用光纜、CAT 7A以上的雙絞線等作為傳輸介質(zhì)，且該種拓撲結(jié)構(gòu)在局域網(wǎng)和中小型網(wǎng)絡(luò)中較為常見，例如，10Base-2 Ethernet和10Base-5 Ethernet等。但是，該網(wǎng)絡(luò)有一個明顯的特點，就是同一時間總線上只能有一個信號在傳送數(shù)據(jù)，其原理近似于“獨木橋”。既然傳輸數(shù)據(jù)是自由的，那么怎樣才能把握發(fā)送數(shù)據(jù)的時機？既獲得發(fā)送權(quán)限又不影響傳輸？該疑問可以使用國際上頒布的互聯(lián)網(wǎng)介質(zhì)訪問和控制協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，即“載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測”（CSMA/CD）來解決。

其優(yōu)點是，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活簡單、設(shè)備便于安裝、維護和擴展簡單，網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度快，布線維護較廉價。但同時存在著其固有的缺陷，隨著總線帶寬的承載力和線路長度的限制，傳輸實時性差、故障查找周期長、過長的總線傳輸信號衰減也快。

2.3 環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)

如圖1（c）所示，該拓撲結(jié)構(gòu)中，整個網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成都處在一個“圈”中，我們形象的把這個圈稱作“環(huán)”。網(wǎng)絡(luò)中的全部設(shè)備都通過公共傳輸通道連接在一個閉塞的環(huán)中，在大多數(shù)情況下，信道中的數(shù)據(jù)信號有一定的發(fā)送方向，即單一方向傳輸。那么，為了確保相同時刻公共通道上只有單一節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)信號，不出現(xiàn)“碰撞”。網(wǎng)絡(luò)設(shè)計者，為該網(wǎng)絡(luò)中放置了一塊特殊的，邏輯意義上的“令牌”。那么，得到該“令牌”的網(wǎng)絡(luò)單元或節(jié)點才能夠傳輸信息。這樣“令牌”就仿佛一張通行證，使得環(huán)形網(wǎng)絡(luò)有序展開工作。通常，F(xiàn)DDI、令牌式環(huán)形網(wǎng)絡(luò)和CDDI等使用該種邏輯結(jié)構(gòu)。

其優(yōu)點是，結(jié)構(gòu)簡單、數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量高、網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定、因故障造成的恢復(fù)時間可預(yù)估，各個節(jié)點之間傳輸路徑唯一，效率高且可靠性強。其缺點是，一旦封閉的環(huán)路出現(xiàn)故障，會引發(fā)整個網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓收稀?/p>

2.4 樹形拓撲結(jié)構(gòu)

工程技術(shù)人員認為，該拓撲可以看作是多級星形結(jié)構(gòu)和總線型結(jié)構(gòu)融合發(fā)展形成的一種拓撲結(jié)構(gòu)。如圖1（d）所示，其形態(tài)酷似一棵根部在上，“反置”的大樹，所以稱為樹形拓撲結(jié)構(gòu)。其中，每一個分支都可以繼續(xù)分叉，連接網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，呈現(xiàn)出一定的層次感。處在中層及高層的節(jié)點都可以進行數(shù)據(jù)的交換轉(zhuǎn)發(fā)，而相鄰節(jié)點一般信息交換量較小。這種拓撲結(jié)構(gòu)通常用于廣域網(wǎng)、異構(gòu)網(wǎng)等分級管理的網(wǎng)絡(luò)。

其優(yōu)點是，易于擴展和管理，由于分支較多，在故障點很明確的情況下隔離較容易，不至于因部分故障影響整個網(wǎng)絡(luò)的通信。其缺點是，頂部的根節(jié)點設(shè)備要求較高，承載力較大，對其依賴性較強。

2.5 網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)

網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)其實可以看作是以上幾種結(jié)構(gòu)綜合運用的一種復(fù)合型結(jié)構(gòu)，因其節(jié)點的連接隨意性較強，沒有規(guī)律，連接的設(shè)備多種多樣，像一張無形的大網(wǎng)，四通八達，如圖1（e）所示。主要應(yīng)用于大型網(wǎng)絡(luò)和廣域網(wǎng)中。其優(yōu)點是，能夠較充分利用信道資源傳輸，數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠性高，網(wǎng)絡(luò)運行穩(wěn)定。由于其構(gòu)造復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)龐大等特點，呈現(xiàn)出來查找問題節(jié)點難、故障恢復(fù)時間長，管理難度大、網(wǎng)絡(luò)安全維護成本高等缺陷。

3. 拓撲結(jié)構(gòu)在目前運用中的狀況

互聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展的今天，單獨使用一種拓撲結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)規(guī)劃、集成從而完成網(wǎng)絡(luò)搭建的任務(wù)已十分困難，表現(xiàn)出的往往是在不同規(guī)模和不同地理位置的網(wǎng)絡(luò)，按照多個拓撲形態(tài)進行布局，使得目前呈現(xiàn)出單一型與復(fù)合型并存的態(tài)勢，例如機關(guān)事業(yè)單位、企業(yè)、醫(yī)療機構(gòu)、大學(xué)和科研單位對數(shù)據(jù)通信量和帶寬的需求較高。因此，單一形態(tài)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)很難滿足數(shù)據(jù)高質(zhì)量傳輸?shù)囊?，在系統(tǒng)集成前期的邏輯設(shè)計階段，如果拓撲結(jié)構(gòu)選擇不當(dāng)，會給后續(xù)的維護和使用帶來巨大影響。例如，采用分層的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，設(shè)備按照不同的類別和作用集成在一起，傳輸層部署交換機和路由器，骨干層部署光網(wǎng)設(shè)備。從而解決了高速傳輸中，峰值帶寬不足，用戶體驗不佳等問題，實現(xiàn)了性價比較高的維護方式，現(xiàn)在這種運用已經(jīng)成為了主流。

4. 拓撲結(jié)構(gòu)在復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的運用

復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的概念定義，主要是探尋復(fù)雜系統(tǒng)的一些解決辦法，其嗅探的重點方向是網(wǎng)絡(luò)中相互關(guān)聯(lián)的拓撲結(jié)構(gòu)。通俗地講，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境就是指構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)、運行網(wǎng)絡(luò)和維護網(wǎng)絡(luò)的軟、硬件因素是復(fù)雜的。綜合考慮，解決復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)拓撲選擇運用的問題，可以將多種網(wǎng)絡(luò)拓撲混合使用，例如，星總型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。這樣的拓撲形態(tài)最大程度上解決了復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的展拓，使得星形結(jié)構(gòu)在遠程距離上的缺陷得以彌補，同時也最大程度上彌補了總線型結(jié)構(gòu)中鏈路用戶數(shù)量上的弊端。這一解決思想會不斷催生網(wǎng)絡(luò)拓撲變換和革新，這對于提高網(wǎng)絡(luò)傳輸能力和構(gòu)建健壯的網(wǎng)絡(luò)都起到“催化劑”的作用，甚至能為下一代智能因特網(wǎng)或物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計與形成，提供一些新的思路和啟迪。

5. 結(jié)語

我們對互聯(lián)網(wǎng)的認識永無止境。不斷提出的新思路，演變的新技術(shù)，推廣生產(chǎn)的新產(chǎn)品，都會不斷的推動人們?nèi)ヌ骄炕ヂ?lián)網(wǎng)領(lǐng)域的理論。近年來，隨著以傳統(tǒng)計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心，以物聯(lián)網(wǎng)為切入點，催生出的AI技術(shù)、Big Data技術(shù)、Cloud Computing等技術(shù)把人們帶進了“ABC”的時代。對網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的探尋，必將推動更多新技術(shù)的誕生。對網(wǎng)絡(luò)世界的探索，永遠是走在時代的最前沿。

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