局域网的拓扑结构

1.4　局域网的拓扑结构

网络的拓扑结构是指网络中节点之间物理的或逻辑的连接方式。

两个节点之间的连接线路构成了点对点（Point-to-Point）的物理连接，在物理连接上可以使用电信号或光信号传送数据信息。连接线路通常是一根实际的线缆，如铜介质电缆或光纤，有时也会使用微波或卫星。多个节点也可以直接连在一起，共享一个物理连接。物理连接的集合构成了网络的物理拓扑。

逻辑连接是指在两个节点间直接交换数据信息的连接，又称为链路，属于链路层的概念。两个具有物理连接的节点并不一定交换链路层的数据信息，因此在逻辑上不存在连接。逻辑连接的集合构成了网络的逻辑拓扑。

网络的拓扑结构用几何的方法描述连接集合和相互连接的节点之间的关系。在计算机网络中有五种基本的拓扑结构，分别是：网状、星型、树型、总线型和环型。这五种类型描述了网络中的节点如何互相连接，给出节点间连接的相互关系，而不一定是它们的物理位置。广域网和网络的互连通常使用网状拓扑结构，局域网通常采用星型、树型、总线型和环型等结构。

1．网状拓扑结构

网状拓扑结构中的节点用点对点的方式相互连接在一起。一个全连接的网状网络需要n(n－1)/2个物理通道连接n个节点。为了适应全连接的需要，每个节点必须有n－1个输入/输出端口（I/O端口，如图1-13（a）所示）。

与其他网络拓扑结构相比，网状拓扑结构的优点在于每个连接仅承担它自己的数据传送负载，这就排除了多个节点共享连接所引起的各种数据流动问题。其次，网状拓扑结构很健壮，如果一条连接因为某种原因不能使用，整个网络系统还能运行。另外，网状拓扑结构有较好的安全性，数据在专用链路上传送时，仅有预定的接收者才能看到，线路的物理特性防止了其他用户读取这些数据。最后，点对点的连接很容易做到故障的定位和隔离，因此数据流动过程中可以避开那些有问题的连接。

网状拓扑结构的缺点主要是需要大量的通信电缆和节点的I/O端口。每个节点必须与其他节点相互连接，因此建立和配置线路连接比较困难。另外，建立连接所需要的硬件（I/O端口和电缆）费用也比较大。因此，网状拓扑结构一般用在要求较高的应用场合，例如混合型网络的主干网，连接主要的计算机以及局域网之间的互连。

2．星型拓扑结构

星型拓扑结构中的每个节点都与中心控制节点进行专用的点对点连接。在局域网中，这个中心控制节点可以是网络集线器（HUB），也可以是交换机和路由器。使用HUB时，其逻辑拓扑实际上等同于总线型，因为数据交换直接在节点间进行；使用交换机和路由器时，其逻辑拓扑也是星型，数据交换发生在节点和中心控制节点之间，如果某个节点想要发送数据到另一个节点，它首先把数据发送到中心控制器，中心控制节点再把数据发送到另一个节点（如图1-13（b）所示）。

星型拓扑结构中每个节点只需要一个物理连接和一个I/O端口，使用的电缆数也减少了，因此费用较小，建立和配置线路连接也容易。另外，在网络上增加节点，或者移动、减少节点也仅仅和HUB有关，与其他节点没有关系。

星型拓扑结构也有一定的健壮性，如果某个物理连接损坏了，仅影响该连接上的数据传送，其余连接不受影响。这一点也有助于故障的定位和隔离。只要工作正常，HUB就能用来监视物理连接的状态，旁路损坏的物理连接。

星型拓扑结构的一种变化是树型拓扑结构。网络连接的节点数增加以后，可以用几个HUB或交换器连接这些节点，HUB之间再用星型方式连接在一个中心控制节点上。整个网络的拓扑结构看上去像树一样，树根和主干是中心控制节点，分支是一般的HUB，而树叶是各种设备。用这种拓扑结构一方面可以连接更多的节点，增加网络的覆盖面积，同时也可以隔离和优化节点间的通信。

3．总线型拓扑结构

前面介绍的拓扑结构都以点对点连接为基础。总线型拓扑结构是一种多点互连的结构，由一根电缆构成整个网络，连接所有的设备（如图1-13（c）所示）。

总线拓扑结构的好处是网络容易建立。电缆可以最经济的方法伸展，因此所需要的电缆较少。但其缺点是网络的重新构造和故障的分析比较困难，增加新设备到网络中将会影响网络的工作。另外，设备与电缆的连接处会产生干扰电波，从而影响信号传输的质量，这也限制了网络可连接的设备数和电缆的长度。

4．环型拓扑结构

在环型拓扑结构中，每个设备分别与其相邻的两个设备用点对点方式相连，所有的设备互连形成一个环。信号以同一个方向延着环传送，一直到达目的设备。环上的设备同时起重复器的作用，放大经过的信号（如图1-13（d）所示）。

环型拓扑结构比较容易建立和重新构造，加入或去掉一个设备仅和相邻的两个设备有关。另外，故障的分析比较简单。因为总有信号在环上循环，因此，如果一个设备在一个固定的时间周期内没有收到信号就可以发出警报，告诉故障的位置。

环上信号单方向传送是它的缺点，如果每个设备关闭了，或者某段线路中断了，都将影响整个网络的运行。解决的方法是使用双环结构，或者用可以隔离中断点的开关装置。

图1-13　网络拓扑结构

5．混合型拓扑结构

在真实的局域网中采用的往往是上述几种拓扑结构结合而成的混合型拓扑结构。例如，数学系局域网采用总线拓扑，化学系局域网采用树型拓扑，而校园网用星型方式把它们连接在一起。