网络入门之计算机网络拓扑结构（三）

网络入门之计算机网络拓扑结构（三）

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5、树形拓扑结构

关于树形拓扑结构（Tree Topology）的描述，目前有多种版本，有的说是总线型拓扑结构的扩展，有的说是星型拓扑结构的扩展，其实两者均有道理。之所以认为是星型拓扑结构的扩展，是因为其中的每个集线设备（如交换机）所连接的就是一个个星型拓扑结构单元。

之所以认为是总线型拓扑结构的扩展，是因为树形拓扑结构中各设备间是通过类似的“总线”（交换机级联电脑）进行互连的，一个星型结构单元的节点与另一个星型结构单元的节点之间的通信都是共享这一条“总线”的。

一般认为树形拓扑结构是星型拓扑结构的扩展。

树形拓扑结构自上而下（从核心交换机（或骨干层）到汇聚层，再到边缘层）是自上而下依次分层扩展的，就像一棵倒放的“树”，这或许就是把它定义为“树形”拓扑结构的原因之一吧。

树形拓扑结构的最顶层（也就是核心层）相当于树的“根”，中间层（汇聚层）相对于“树的枝”，而最下层（边缘层，或者接入层）则相当于树枝上的“细枝”和“树叶”。自上而下，所用的交换机数量是逐层增多的。
         

                       图2-29 树形拓扑结构示意图

简化的树形拓扑结构如图2-29所示（图中每一个大圆圈代表一台交换机，最下面的每个小圆圈代表一台所连接的主机）。

                                                   图2-30 域名结构

在计算机网络技术中，还有一种技术同样引用了“树”的概念，那就是将在第6章介绍的生成树协议（STP）。它形象地利用了“物理层”中树根、树干、树枝、树叶之间这种无交叉的逻辑关系，以实现交换网络中无二层环路。

                                           图2-31 典型树形拓扑结构示例

图2-31所示的就是一个典型的树形拓扑结构。它采用分级的集中控制方式，其传输介质可有多条分支，但不形成闭合回路，每条通信线路都必须支持双向传输。

从以上介绍可以得知，树形拓扑结构的主要优点还是扩展性方面。星型拓扑结构便于扩展我们已经知道，只要在集线设备空余端口上拉出一条网线，就可以添加新的设备；而在树形拓扑结构中，是通过多级星型结构的级联，可以更方便地实现在连接距离和端口数据上的扩展，实现更大规模网络的扩展升级。

但树形拓扑结构自身也有一些不足，这主要体现在以下两个方面：一是对“根”设备（核心，或者骨干层）交换机的依赖性太大，如果“根”发生故障，则那些依赖“根”设备访问的服务器或外网则全部不可访问了，相当于总线型拓扑结构中总线中断后，所有用户网络都中断一样。

另外，处于最顶端的核心层设备，因为下面连接了更多的级联设备和用户，负荷更重，需要配备性能更强的交换机和路由设备，成本比较高。但这些不足都可以通过配置冗余链路和选择高性能设备来弥补。树形拓扑结果是目前中小型以太局域网（如位于同一楼层，或者分布于少数几个楼层的局域网）中最主要的拓扑结构。

6、网状拓扑结构

网状拓扑结构（Mesh Topology）又称无规则型拓扑结构。在这种结构中，各节点之间通过传输介质彼此互连，构成一个网状结构。

网状拓扑结构又有“全网状结构”和“半网状结构”两种。所谓“全网状结构”就是指网络中任何两个节点间都是相互连接的。

假设一个网络中有n个节点，则任何一个节点就有n-1条与其他节点的连接。图2-32所示的就是一个全网状拓扑结构。而所谓的“半网状结构”是指网络中并不是每个节点都与网络的其他所有节点有连接，可能只是一部分节点间有互连，如图2-33所示，A节点就没有与E节点直接连接，C节点也没有与F节点直接连接。

                                   图2-32 全网状拓扑结构示例

                                 图2-33 半网关拓扑结构示例

从以上介绍可以知道，网状拓扑结构的布线是相当复杂的（中间没有集中连接设备，全靠电缆来互连），布线成本也非常高，因为每个节点要用多条电缆与其他节点依次连接。

同样，由于中间没有集中连接设备，每个节点PC都需要安装多块网卡，当一个节点要互连的其他节点比较多时，这显然不可行。所以这种网状拓扑结构在局域网中是极少使用的，最多也只是极少数的节点采用了半网状拓扑结构。

网状拓扑结构主要用于广域网中，这时它们连接的不再是终端用户PC节点，而是网络设备结点，如网络中的交换机、路由器等设备。

在广域网中采用网状拓扑结构可以实现多个网段，或者子网间的彼此互连。因为交换机和路由器这些设备本身就具有多个网络端口，所以进行网状连接也很简单，只是需要多拉几条线而已。

广域网中采用网状拓扑结构的主要目的就是通过实现链路或路由线路的冗余，提高网络的可靠性。当然，一般并不会在整个广域网中而只是在骨干网络中采用这种拓扑结构。

              图2-34 广域骨干网中的全网状拓扑结构示例

图2-34所示为一个广域骨干网全网状拓扑结构示例。示例中各个路由器之间彼此互连。但更多的是采用半网状拓扑结构，仅少数结点需要与网络中其他所有结点互连。

              图2-35 广域骨干网中的半网状拓扑结构示例

如图2-35所示的就是广域骨干网中采用半网状拓扑结构的一个示例。示例中各路由器只与少数其他路由器互连，并不是全部互连。

网状拓扑结构具有较高的可靠性，因为这种拓扑结构中各节点的连接存在冗余线路，任何单一连接线路中断都不会影响网络的整体连接。

同样是由于存在冗余线路，所以比较容易在多条线路上实现负载均衡。但其结构复杂，配置也很复杂，实现起来成本可能很高，特别是在广域网环境，也不易管理、维护和进行网络扩展；同样由于节点间存在多条冗余线路，导致容易出现路由环路，或者二层环路（如果连接的结点是交换机），路由配置复杂。

7、混合型拓扑结构

混合型网络结构是目前局域网，特别是分布型大中型局域网中应用最广泛的网络拓扑结构，它可以解决单一网络拓扑结构的传输距离和连接用户数扩展的双重限制。

7.1.混合型拓扑结构概述

混合型网络拓扑结构是指由多种结构（如星型拓扑结构、环形拓扑结构、总线型结构、网状结构）单元组成的拓扑结构，但常见的是由星型拓扑结构和总线型拓扑结构结合在一起组成的，如图2-36所示。

                                                图2-36 混合型拓扑结构示例

混合型拓扑结构更能满足较大网络的灵活扩展，解决星型网络在传输距离上的局限（因为双绞线的单段最大长度要远小于同轴电缆和光纤），同时又解决了总线型网络在连接用户数量的限制。

图2-36所示只是一种简单的混合型网络结构，实际上的混合型拓扑结构主要应用于分布在多层或者多栋建筑物中的网络中。其中采用同轴电缆或光纤的“总线”用于垂直或横向干线，基本上不连接工作站，只是连接各楼层或各建筑物中各核心交换机，而其中的星型拓扑结构网络则体现在各楼层或各建筑物内部的各用户网络中，如图2-37所示。

                                 图2-37 多楼层的混合型网络结构示例

在实际的组网中，现在一般很少使用同轴电缆作为总线了，而是采用传输性能更好，更方便进行网络连接的大对数双绞线。因为在一般的20层以内的楼中，100m的双绞线就可以满足，如图2-38所示。

                               图2-38 分层星型拓扑结构示例

如果距离过远，如高楼层或多建筑物之间的网络互连，则可以用光纤作为传输介质，无论哪一种，传输性能均要比总线型连接方式好许多。

7.2.混合型拓扑结构的主要特点

混合型拓扑结构主要有以下几个方面的特点。

（1）应用广泛

这主要是因混合型拓扑结构解决了星型和总线型拓扑结构的不足，满足了大公司组网的实际需求。目前在一些智能化的信息大厦中的应用非常普遍。

在一幢大厦中，各楼层间采用光纤作为总线传输介质，一方面可以保证网络传输距离，另一方面，光纤的传输性能要远好于同轴电缆，在传输性能上也给予了充分保证。当然，这不仅关系到传输介质的选择问题，更重要的是涉及网卡和交换机端口类型的选择，光纤类型端口网卡和交换机要贵许多的。

（2）扩展灵活

这主要是因为混合型拓扑结构继承了星型拓扑结构的优点。但由于仍采用广播式的消息传送方式，因此在总线长度和节点数量上也会受到限制，不过在局域网中的影响不是很大。

（3）维护较为困难

这主要受到总线型网络拓扑结构的制约，如果总线中断，则互连的各部分网络也就中断了，特别是对于那些使用统一核心交换机的网络；但是如果是分支网段出了故障，则仍不影响整个网络的正常运作。

8、无线局域网的两种拓扑结构

在无线局域网（WLAN）中有Ad-Hoc和Infrastructure两种拓扑结构（其实可以理解为WLAN的两种管理模式），前者连接性能较差，连接用户较少（通常为5个以内），主要用于小型家庭和SOHO网络中；后者连接性能较好，主要用于较多用户的企业网络中，应用更为广泛。

8.1.无线AP的Ad-Hoc模式主要优缺点

Ad-Hoc对等WLAN模式采用的是点对点连接方式（如图2-39所示），只能单点通信，就像有线网络中对等网一样，所以连接性能较差，仅适用于较少数量的计算机无线互连（通常是在5台主机以内）。

同时由于这一模式没有中心管理单元，因此这种网络在可管理性和扩展性方面受到一定的限制。而且各无线节点之间只能单点通信，不能实现交换连接。当然这一无线网络结构还是有它自身优点的，那就是网络结构简单，只要安装了无线网卡即可连接，无需其他网络设备，成本非常低。

                               图2-39 Ad-Hoc对等无线局域网结构

8.2.基于无线AP的Infrastructure结构

这种基于无线AP的Infrastructure基础结构模式其实与有线网络中的星型交换模式差不多（如图2-40所示），除了各无线用户需要安装无线网卡外，还需要一个用于集中连接各无线用户的无线AP，它相当于有线网络中的集线器。

无线AP都提供了一个有线以太网接口，用于与有线网络、工作站和路由设备的连接。这种网络结构模式主要优势表现在网络易于扩展、便于集中管理、能提供用户身份验证等方面上，另外数据传输性能也明显高于Ad-Hoc对等结构。

                               图2-40 Infrastructure基础无线局域网结构

其实图2-40所示也只是一个Infrastructure基础结构单元，在实际的企业WLAN网络中，可能有许多台AP设备，而且还可能有WLAN天线、WLAN中继器、WLAN网桥、WLAN控制器等设备。

WLAN天线和WLAN中继器可用于连接更远距离的WLAN用户，WLAN网桥可用于连接不同的WLAN网段，WLAN控制器则可对整个WLAN网络进行管理。这就涉及信道的分配和优化了，在一定范围内不能有信道的重叠，否则信号之间就可能产生冲突。