1.1.3 计算机网络的拓扑结构

拓扑是研究几何图形或空间在连续改变形状后还能保持不变性质的一个学科。在计算机网络中，拓扑被用于设计设备与传输介质之间的物理布局。从拓扑学的角度，网络设备被抽象为一个“点”，传输介质被抽象为“线”，如此网络规划人员可忽略网络中信号的流动与数据的传输，只关心网络的物理连接形态，并借助抽象的网络拓扑结构来评估网络的设计、功能、可靠性与成本等各项性能。常见的计算机网络拓扑结构分为星状、环状、总线、树状和网状等，下面将分别对这几种拓扑结构进行介绍。

1．星状拓扑结构

星状拓扑结构中设备连接成星状网，这种网络中存在中央节点，其他节点都与中央节点直接相连，基于此种结构的网络如图1-5所示。

星状拓扑结构便于网络的集中控制，各端用户在通信时必定经过中心节点，因此星状网便于维护，安全性较高且比较可靠，即便端点设备出现故障，也不会影响其他端用户间的通信。当然，因为各端点都依赖中心节点，所以中心节点必须具有极高的可靠性，否则一旦中心节点故障，整个网络都会受到影响。

2．环状拓扑结构

环状拓扑结构常用于局域网中，这种结构的传输媒介逐个连接端用户，直到将所有用户连成环状，基于此种结构的网络如图1-6所示。

环状网中的数据单向、逐站传送，虽然此种网络结构简单，传播时延稳定，但每个节点都与网络状况息息相关，一旦有某个节点故障，整个网络就会瘫痪。此外，环状网还存在以下问题。

（1）节点数量不能过多。数据在各个节点中串行传输，当环中节点过多时，信息的传输速率将会降低，且网络响应时间将会增加。

（2）网络中节点的增加、移动比较复杂。增加、移动节点时会对多个节点造成影响。

（3）网络的维护和管理比较复杂。当网络故障时，难以对故障进行定位，从而提高了网络维护和管理的难度。

3．总线拓扑结构

总线拓扑结构中，所有节点共用一条信息传输通道（简称信道），基于此种结构的网络如图1-7所示。

总线网中一个节点发送的数据可以被其他各个节点接收。由于多个节点共用信道，此种网络必须规定信道分配方式，决定节点之间使用信道的优先顺序。总线网各节点之间互不影响，自身的故障一般不会影响整个网络，但若总线故障，整个网络将陷入瘫痪。尽管在性能上，总线网毁誉参半，但其成本低、安装简单，因此是使用最普遍的网络之一。

4．树状拓扑结构

树状拓扑结构中的各节点以层次化结构排列，基于此种结构的网络如图1-8所示。

树状网是分级的集中控制式网络，该结构网络的主要优点是易于扩展和故障隔离。树状结构的网络中可延伸出很多分支和子分支，很容易在网络中加入新的分支或节点；若树状网中的某一线路或分支节点出现故障，它主要影响局部区域，因此易于将故障部位与整个网络相隔离。

树状网的缺点也很明显，若其根节点出现故障，整个网络都会瘫痪；此种网络的层级不宜太多，随着层级的增加，网络节点转接开销会同步增加，高层节点的负荷也会加重。

5．网状拓扑结构

网状拓扑结构中各节点之间互相连接，且每个节点至少与其他两个节点相连。基于网状拓扑结构的网络如图1-9所示。

网状网结构复杂，成本较高，难以管理和维护，但它具有较高的可靠性，主要应用于广域网中。