网络入门之计算机网络拓扑结构（一）

网络入门之计算机网络拓扑结构（一）

拓扑（Topology）学是一种研究与大小、距离无关的几何图形特性的方法。“网络拓扑结构”是由网络节点设备和通信介质通过物理连接所构成的逻辑结构图。

网络拓扑结构是从逻辑上表示网络服务器、工作站的网络配置和互相之间的连接方式和服务关系。

在选择拓扑结构时，主要考虑的因素有：不同设备所担当的角色（或者设备间服务的关系）、各节点设备工作性能要求、安装的相对难易程度、重新配置的难易程度、维护的相对难易程度、通信介质发生故障时受到影响的设备的情况。

本节要分别介绍计算机网络（包括局域网和广域网）中的一些主要拓扑结构。在此先介绍与网络拓扑结构有关的几个基本概念。

1、网络拓扑结构相关基本概念

在设计网络拓扑结构时，我们经常会遇到如“节点”、“结点”、“链路”和“通路”这四个术语。它们到底各自代表什么，它们之间又有什么关系呢？

（1）节点

一个“节点”其实就是一个网络端口。节点又分为“转节点”和“访问节点”两类。“转节点”的作用是支持网络的连接，它通过通信线路转接和传递信息，如交换机、网关、路由器、防火墙设备的各个网络端口等；而“访问节点”是信息交换的源点和目标点，通常是用户计算机上的网卡接口。如我们在设计一个网络系统时，通常所说的共有××个节点，其实就是在网络中有多个要配置IP地址的网络端口。

（2）结点

一个“结点”是指一台网络设备，因为它们通常连接了多个“节点”，所以称之为“结点”。

在计算机网络中的结点又分为链路结点和路由结点，它们就分别对应的是网络中的交换机和路由器。从网络中的结点数多少就可以大概知道你的计算机网络规模和基本结构了。

（3）链路

“链路”是两个节点间的线路。链路分物理链路和逻辑链路（或称数据链路）两种，前者是指实际存在的通信线路，由设备网络端口和传输介质连接实现；后者是指在逻辑上起作用的网络通路，由计算机网络体系结构中的数据链路层标准和协议来实现。如果链路层协议没有起作用，数据链路也就无法建立起来。

（4）通路

“通路”从发出信息的节点到接收信息的节点之间的一串节点和链路的组合。也就是说，它是一系列穿越通信网络而建立起来的节点到节点的链路串连。它与“链路”的区别主要在于一条“通路”中可能包括多条“链路”。

2、星型拓扑结构

星型拓扑结构（Star Topology）又称集中式拓扑结构，是因集线器或交换机连接的各节点呈星状（也就是放射状）分布而得名。

在这种拓扑结构的网络中有中央结点（集线器，或交换机），其他节点（工作站、服务器）都与中央结点直接相连。

2.1.基本星型拓扑结构单元

星型拓扑结构是目前应用最广、实用性最好的一种拓扑结构，这主要是因为它非常容易实现网络的扩展。无论在局域网中，还是在广域网中都可以见到它的身影，但其主要还是应用于有线以太局域网中。

所以事实上，星型拓扑结构主要应用于以太局域网中，以太网包括许多标准，对应的标准集就是IEEE 802.3，具体将在后面内容里介绍。“星型拓扑结构”其实只是一个结构单元（一台集线器，或者交换机设备就是一个星型结构单元），多个星型结构单元连接起来又可以形成下面将要介绍的“树型拓扑结构”。

                      图2-14 基本星型拓扑结构单元示例

图2-14所示的是最简单的单台集线器或交换机星型拓扑结构单元。在这个星型拓扑结构单元中，所有服务器和工作站等网络设备都集中连接在同一台交换机上。

因为现在的固定端口交换机最多可以有48个或以上交换端口，所以这样一个简单的星型网络完全可以适用于用户节点数在40个以内的小型企业，或者分支办公室选用。

模块式的交换机端口数可达100个以上，可以满足一个小型企业的需求。但实际上这种连接方式是比较少见的，因为单独用一台模块式的交换机连接成本要远高于采用多台低端口密度的固定端口交换机级联方式。

模块式交换机通常用于大中型网络的核心层（或骨干层）或汇聚层，小型网络很少使用。

扩展交换端口的另一种有效方法就是堆叠了。

有一些固定端口配置的交换机支持堆叠技术，通过专用的堆叠电缆连接，所有堆叠在一起的交换机都可作为单一交换机来管理，不仅可以使端口数量得到大幅提高（通常最多堆叠8台），还可以提高堆叠交换机中各端口实际可用的背板带宽，提高了交换机的整体交换性能。

2.2.多级星型拓扑结构

复杂的星型结构网络就是在图2-14基础上通过多台交换机级联形成的，从而形成多级星型拓扑结构，满足更多、不同地理位置分布的用户连接和不同端口带宽需求。其实这就是下面将要介绍的“树型拓扑结构”。

                     图2-15 两级星型拓扑结构示例

图2-15是一个包含两级交换机结构的星型网络，其中的两层交换机通常为不同档次的，可以满足不同需求。

核心（或骨干层）交换机要选择档次较高的，用于连接下级交换机、服务器和有高性能需求的工作站用户等，下面各级则可以依次降低要求，以便最大限度地节省投资。

当然，在实际的大中型企业网络中，其网络结构可能要比图2-15所示的网络复杂许多，还可能有三级，甚至四级交换机的级联（通常最多部署四级），还可能有交换机的堆叠和集群。

                       图2-16 包含交换机堆叠的星型拓扑结构示例

图2-16所示网络结构中SS3 Switch 4400位置就是由两台这样的交换机堆叠组成的。

2.3.星型拓扑结构传输距离限制

因为在星型结构网络中通常是采用双绞线和光纤作为传输介质的，而单段双绞线的最大长度为100m，集线设备放置在中心点，这样每一个采用此种结构的集线设备所能连接的网络范围最大直径就达到200m，超过这个范围都将要采用级联或中继的方法。

采用光纤作为传输介质时虽然传输距离可以长许多，但也是有限制的。各种连接电缆长度限制如表2-1所示，1000BASE-SX网络的光纤长度限制如表2-2所示。

经验之谈：许多读者朋友认为，星型拓扑结构只适用于同楼层的网络，其实不是这样的。在多楼层，甚至多栋建筑物之间的网络互连多数也可以采用星型拓扑结构，因为它具有非常高的传输速率。

从表2-1和表2-2可以看出，各楼层之间，各建筑物之间都可以采用普通的双绞线进行连接（通常是大对数的），只要距离在双绞线的有效距离范围内；当超过了双绞线的有效距离后，可以采用光纤连接（光纤的传输距离更远，传输性能更好），但光纤介质和相应接口的设备价格更贵，这必须予以充分考虑。同轴电缆只是一种低成本、低性能的选择，因为它的传输性能要远低于双绞线和光纤，在目前实际的楼层和建筑物之间网络互连很少采用。

2.4.星型拓扑结构主要优缺点

星型拓扑结构的优点主要体现在以下几个方面：

（1）节点扩展、移动方便

在星型拓扑结构网络中，节点扩展时只需要从交换机等集中设备空余端口中拉一条电缆与要加入的节点连接上即可；而要移动一个节点只需要把相应节点设备连接网线从设备端口拔出，然后移到新设备端口即可。

上述过程并不影响其他任何已有设备的连接和使用，不会像下面将要介绍的环形网络那样“牵一发而动全身”。这是星型拓扑结构的最大优势。

（2）网络传输数据快

因为整个网络呈星型连接，网络的上行通道不是共享的，所以每个节点的数据传输对其他节点的数据传输影响非常小，这样就加快了网络数据传输速度。

另外，星型拓扑结构所对应的双绞线和光纤以太网标准的传输速率可以非常高（主要是因为相应的网络技术发展非常快），如普通的5类、超5类都可以通过4对芯线实现1000Mbps传输速率，7类屏蔽双绞线则可以实现10Gbps传输速率，光纤则更是可以轻松实现千兆、万兆的传输速率。而后面要介绍的环形、总线型结构中所对应的标准速率都在16Mbps以内，明显低了许多。

（3）维护容易

在星型网络中，每个节点都是相对独立的，一个节点出现故障不会影响其他节点的连接，可任意拆走故障节点。正因如此，这种网络结构受到用户的普遍欢迎，成为应用最广的一种拓扑结构类型。但如果集线设备出现了故障，也会导致整个网络的瘫痪。

星型拓扑结构的缺点主要体现在如下几个方面。

（1）核心交换机工作负荷重

虽然说各工作站用户连接的是不同的交换机，但是最终还是要与连接在网络中央核心交换机上的服务器进行用户登录和网络服务器访问操作，所以中央核心交换机的工作负荷相当繁重，故对担任中央设备的交换机的性能和可靠性的要求非常高。其他各级集线器和交换机也连接多个用户，其工作负荷同样非常重，也要求具有较高的可靠性。

（2）网络布线较复杂

每个计算机直接采用专门的电缆与集线设备相连，这样整个网络中至少就需要所有计算机及网络设备总量以上条数的电缆，这使得结构本就非常复杂的星型网络变得更加复杂了。特别是在大中型企业网络的机房中，太多的电缆无论对维护、管理，还是对机房安全都是一个威胁。

这就要求我们在布线时要多加注意，一定要在各条电缆、集线器和交换机端口上做好相应的标记。同时建议做好整个布线系统的标记和记录，以备日后出现布线故障时能迅速找到故障发生点。另外，由于这种星型网络中的每条电缆都是专用的，利用率不高，在较大的网络中，这种浪费还是相当大的。

（3）广播传输影响网络性能

其实这是以太网的一个不足，但因星型拓扑结构主要应用于以太网中，所以相应的也就成了星型网络的一个缺点。因为在以太网中，当集线器收到节点发送的数据时，采取的是广播发送方式，任何一个节点发送信息在整个网中的节点都可以收到，这严重影响了网络性能的发挥。

虽然说交换机具有MAC地址“学习”功能，但对于那些以前没有识别的节点发送来的数据，同样是采取广播方式发送的，所以同样存在广播风暴的负面影响。当然交换机的广播影响要远比集线器的要小得多，在局域网中使用影响不大。

综上所述，星型拓扑结构是一种应用广泛的有线局域网拓扑结构，特别是它可以采用廉价的双绞线进行布线，而且是非共享传输通道，传输性能好，节点数不受技术限制，扩展和维护容易，所以它又是一种经济、实用的网络拓扑结构。

但受到单段双绞网线长度必须在100m以内的限制，超过这个距离则需要采取交换机级联拓展方式，或者采用成本较高的光纤作为传输介质（不仅是传输介质的改变，相应设备也要有相应的接口）。

3、环形拓扑结构

环形拓扑结构（Ring Topology）在20世纪90年代计算机网络刚开始进入国内时采用得比较多，应用的标准是IEEE 802.5。

可以说，令牌环在物理上是一个由一系列环接口（称之为中继转发器，即RPU）和这些接口间的点对点链路构成的闭合环路，各站点PC通过环接口连到网上。

目前这一网络拓扑结构形式已不用了，因为它的传输速率最高只有16Mbps，扩展性能又不好，早已被性能远超过它的星型拓扑结构双绞线以太网替代了。

3.1.环形网络结构概述

                     图2-17 环形拓扑结构网络示例

环形网络拓扑结构主要应用于采用同轴电缆作为传输介质的令牌网中，图2-17就是一个典型的环形网络。

笔者曾于2000年为一家小型公司组建过局域网，该局域网采用的就是这种结构的。这种网络中的每一站点都是通过环中继转发器与它左右相邻的站点串行连接起来的，在传输介质环的两端各加上一个阻抗匹配器（又称终端匹配器）就形成了一个封闭的环路，“环形”结构的命名起因就在于此了。

在细同轴电缆环形网中的环中继转发器是一个BNC接头，阻抗匹配器上的那个链子样的东西接在PC外壳上（相当于接地），如图2-18所示。

                     图2-18 BNC中继转发器和阻抗匹配器

说明：图2-17只是一种示意图，实际这种拓扑结构的网络不会是所有计算机真的要连接成物理上的环形，其连成的可以是任意形状，如直线形、半环形等。这里所说的“环”是从电气性能上来讲的，“环”的形成并不是通过电缆两端直接连接形成的，而是通过在环的电缆两端加装一个阻抗匹配器来实现的。

环形拓扑结构网络的一个典型代表就是采用同轴电缆作为传输介质的IEEE 802.5的令牌环网（Token Ring Network）。令牌环拓扑结构最早是由IBM推出的，传输速率为4Mbps或16Mbps，比当时只有2Mbps的以太网性能要高出好几倍，所以在当时得到了广泛的应用。

但随着以太网技术的跳跃式发展，令牌环网技术性能不能再适应时代的要求了，故逐渐被淘汰出局了。

令牌环网的传输原理是，RPU（环中继转发器）从其中的一个环段（称为上行链路）上获取帧中的每个比特位信号，然后经过整形和放大转发到另一环段（称为下行链路）。如果帧中的目的MAC地址与本站点MAC地址一致，则复制该MAC帧发送给连接本RPU的站点。

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