網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)研究與分析

摘 要：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)節(jié)點互聯(lián)所形成的抽象連接方式，通過網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以清晰地展現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接方式以及網(wǎng)絡(luò)的外貌結(jié)構(gòu)。本文不僅對各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行定性的分析，而且用定量的指標(biāo)對來評價各種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的性能，并對比不同結(jié)構(gòu)的特點，具有明顯的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；定量評價；對比分析

中圖分類號：TP393

1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓攀?/p>

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫蔷W(wǎng)絡(luò)的形狀，或者它在物理上的連通性，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渌P(guān)心的是網(wǎng)絡(luò)的連接關(guān)系以及其圖形表示，并不在意其所連接的節(jié)點的各種細(xì)節(jié)，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有節(jié)點和鏈路組成，本文所研究的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括總線型、環(huán)形、星形、樹形、胖樹形、網(wǎng)格、分布式、full-mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的評價指標(biāo)

本文所研究的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都是靜態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般不會發(fā)生改變。其評價指標(biāo)主要有：（1）節(jié)點的度：與節(jié)點相連接的邊的數(shù)目，模塊化設(shè)計要求節(jié)點的度保持恒定。（2）距離：兩個節(jié)點之間相連的最少邊數(shù)。（3）網(wǎng)絡(luò)直徑：網(wǎng)絡(luò)中任意兩個節(jié)點之間距離的的最大值。（4）對稱性：從任何節(jié)點看，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都一樣，這樣的網(wǎng)絡(luò)模擬編程比較容易。

3 各種不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其分析

3.1 總線型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是采用單根傳輸線作為總線，將網(wǎng)絡(luò)中所有的站點通過相應(yīng)的接口和電纜直接連接到這根共享的總線上，這些站點共享一條數(shù)據(jù)通道。任何一個節(jié)點信息都可以沿著總線向兩個方向傳播擴(kuò)散，并且能被總線中任何一個節(jié)點所接收。在總線型結(jié)構(gòu)中，設(shè)節(jié)點數(shù)為N，則鏈路數(shù)為N+1；每個節(jié)點的度為1，對于結(jié)構(gòu)的模塊化比較方便；網(wǎng)絡(luò)直徑定義為2，信息傳送相對比較快速；網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不對稱?？偩€型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點：易于分布，擴(kuò)充方便；其主鏈路為雙向通道，便于信息進(jìn)行網(wǎng)播式傳播；分布式控制；結(jié)構(gòu)可靠性較高；系統(tǒng)的可擴(kuò)充性較高。

總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺點：故障診斷困難；故障隔離困難；對節(jié)點要求較高，每個節(jié)點都要有介質(zhì)訪問控制功能；所有的工作站通信均通過一條共用的總線，實時性很差。

3.2 環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中各節(jié)點通過環(huán)路接口連在一條首尾相連的閉合環(huán)型通信線路中，環(huán)路中各節(jié)點地位相同，環(huán)路上任何節(jié)點均可請求發(fā)送信息，請求一旦被批準(zhǔn)，便可以向環(huán)路發(fā)送信息。這種結(jié)構(gòu)使公共傳輸電纜組成環(huán)形連接，數(shù)據(jù)在環(huán)路中只能單向傳輸。對于有N個節(jié)點的環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，鏈路數(shù)為N；直徑為N-1，不同的節(jié)點之間網(wǎng)絡(luò)時間差距比較大；節(jié)點的度為2，對于模塊化也比較方便，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對稱。環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點：兩個節(jié)點間僅有唯一的通路，簡化了路徑選擇的控制；某個節(jié)點發(fā)生故障時，可以自動旁路，可靠性較高；所需電纜長度比星型拓?fù)湟痰枚?。環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的缺點：要擴(kuò)充網(wǎng)絡(luò)中環(huán)的配置或關(guān)閉一些已連入環(huán)的站點，都會影響網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行；當(dāng)節(jié)點過多時，影響傳輸效率，但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)確定時，其延時固定，實時性強(qiáng)。

3.3 星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一種以中央節(jié)點為中心，把若干外圍節(jié)點連接起來的輻射式互聯(lián)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)中的各節(jié)點通過點到點的方式連接到一個中央節(jié)點上，由該中央節(jié)點向目的節(jié)點傳送信息。中央節(jié)點執(zhí)行集中式通信控制策略，因此中央節(jié)點相當(dāng)復(fù)雜，負(fù)擔(dān)比各節(jié)點重得多。對于有N個節(jié)點的星型網(wǎng)絡(luò)，鏈路數(shù)為N-1，網(wǎng)絡(luò)直徑為2，不同節(jié)點之間消息傳送時延恒定；最大節(jié)點度為N-1；網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對稱。星型結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單，便于大型網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)和調(diào)試；控制簡單；網(wǎng)絡(luò)延遲時間較短，誤碼率較低；每個連接只接一個設(shè)備，單個連接的故障只影響一個設(shè)備，不會影響全網(wǎng)。星型結(jié)構(gòu)的缺點：一條通信線路只被該線路上的中央節(jié)點和一個站點使用，因此線路利用率不高；對中央節(jié)點的依賴性較強(qiáng)，所以對中央節(jié)點的可靠性和冗余度要求較高。

3.4 樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實際上是星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的擴(kuò)展。在樹型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是分層進(jìn)行連接，越是靠近根節(jié)點，節(jié)點位置越靠近主干，節(jié)點的穩(wěn)定性越重要；越是靠近葉子節(jié)點，節(jié)點的重要性相對也降低，節(jié)點的功能喪失對整個系統(tǒng)的影響相對減小。任何一個節(jié)點送出的信息都由根接收后重新發(fā)送到所有的節(jié)點，可以傳遍整個傳輸介質(zhì)，也是廣播式網(wǎng)。對于特殊的樹形結(jié)構(gòu)完全二叉樹，N=2^k-1個節(jié)點，大多數(shù)節(jié)點的度為3，對于結(jié)構(gòu)的模塊化很方便，直徑為2（k-1）反映了樹形結(jié)構(gòu)兩個節(jié)點之間傳輸信息的最大代價，另外樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不對稱。樹形結(jié)構(gòu)的優(yōu)點：易于擴(kuò)展，有較強(qiáng)的可折疊性，故障隔離容易，樹形結(jié)構(gòu)可以減少布線投資。樹形結(jié)構(gòu)的缺點：一旦靠近根節(jié)點的系統(tǒng)出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)都將癱瘓，對靠近根節(jié)點的安全性，穩(wěn)定性要求很高

3.5 胖樹網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

胖樹是樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的擴(kuò)展。它具有樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的層次特性，可以向下擴(kuò)展，但是和樹型不同的是在層次之間，層次之間采用了一種類似全連接的方式來建立拓?fù)?，例如第二層的任一?jié)點跟第三層及第一層的所有節(jié)點之間都有連接。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中信息的交換主要也是發(fā)生在層次之間，同層的節(jié)點信息沒有交換。設(shè)胖?jǐn)?shù)的層數(shù)為n，每層的節(jié)點數(shù)分別為x1，x2，…xn，則胖?jǐn)?shù)中總的節(jié)點數(shù)為s=x1+x2+…xn，第i層節(jié)點的度=第i-1層的度+第i+1層的度，每一次節(jié)點的度都是一樣的，對于模塊化也是比較方便的。網(wǎng)絡(luò)的直徑為n-1，網(wǎng)絡(luò)的通信速度會更加的快。不對稱。胖樹拓?fù)涞膬?yōu)點：相比樹型拓?fù)?，網(wǎng)絡(luò)的健壯性受根節(jié)點附近節(jié)點影響明顯減弱，某一個中央處理設(shè)備癱瘓后，底層節(jié)點還可以通過其他的路徑來傳送信息，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更加的安全穩(wěn)定；易于擴(kuò)展；網(wǎng)絡(luò)中信息交換的速度與樹形結(jié)構(gòu)相比也有明顯的加快。胖樹拓?fù)涞娜秉c：網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，當(dāng)節(jié)點很多的時候，建立拓?fù)渌俣葧容^慢；網(wǎng)絡(luò)中的鏈路數(shù)明顯增多，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)建模的造價相對比較高。

3.6 網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

網(wǎng)格結(jié)構(gòu)是一種比較比較規(guī)律的結(jié)構(gòu)，就像我們畫出的表格一樣，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點占據(jù)表格的一個節(jié)點，網(wǎng)格拓?fù)涞拇笮∪Q于網(wǎng)格的行數(shù)和列數(shù)，除了邊界和頂點節(jié)點網(wǎng)格中的每一個節(jié)點的鄰居為4，其可靠性和穩(wěn)定性都比較好，不會因為某一個節(jié)點的功能喪失而影響整個網(wǎng)絡(luò)。對于有N個節(jié)點的r*r的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，有2N-2r條鏈路，直徑為2（r-1），網(wǎng)絡(luò)通信開銷相對比較大，節(jié)點的度為4，對于拓?fù)淠Ｐ偷哪K化比較有利。網(wǎng)格拓?fù)涞膬?yōu)點：結(jié)構(gòu)比較的清晰，規(guī)律，模型構(gòu)建容易；網(wǎng)格拓?fù)涞娜秉c：網(wǎng)絡(luò)連接復(fù)雜，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的成本也比較的大

3.7 分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

分布式結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)是將分布在不同地點的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點通過線路互連起來的一種網(wǎng)絡(luò)形式，網(wǎng)中任一點均至少與兩條線路相連，當(dāng)任意一條線路發(fā)生故障時，通信可轉(zhuǎn)經(jīng)其他鏈路完成，具有較高的可靠性。同時，網(wǎng)絡(luò)易于擴(kuò)充。分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)點：采用分散控制，即使整個網(wǎng)絡(luò)中的某個局部出現(xiàn)故障，也不會影響全網(wǎng)的操作，可靠性好；各個節(jié)點間均可以直接建立數(shù)據(jù)鏈路，信息流程最短；便于全網(wǎng)范圍內(nèi)的資源共享。分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)缺點：連接線路用電纜長，造價高；網(wǎng)絡(luò)管理軟件復(fù)雜；報文分組交換、路徑選擇、流向控制復(fù)雜；在一般局域網(wǎng)中不采用這種結(jié)構(gòu)。

3.8 全鏈接（Full-mesh）網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

Full-mesh是分布式結(jié)構(gòu)的一中特殊情況，F(xiàn)ull-mesh是所有的節(jié)點之間都有直接連接的方式，是帶弦環(huán)的一種特殊情形在full-mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點都要么有一條物理電路要么有一條虛擬電路與所有其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點相連。Full-mesh提供了大量的冗余，從而可以保證網(wǎng)絡(luò)通道的安全性和穩(wěn)定性。對與有N個節(jié)點的full-mesh網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的鏈路數(shù)為n（n-1）/2，和相同節(jié)點的其他網(wǎng)絡(luò)相比，full-mesh的通信鏈路最多。網(wǎng)絡(luò)直徑為1，這也說明了上邊的分析，網(wǎng)絡(luò)通信非常的方便，這方面性能比其他的網(wǎng)絡(luò)有更大的優(yōu)勢，網(wǎng)絡(luò)的度為N-1，節(jié)點的度恒定，這種網(wǎng)絡(luò)對于模塊化也是最好的。Full-mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膬?yōu)點：在該網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點之間可以通過虛擬通道或者物理通道直接交換信息，當(dāng)兩個節(jié)點之間的之間鏈路無法進(jìn)行通信的時候，可以通過其他的線路通信，網(wǎng)絡(luò)通信的延遲以及信息的丟失率會非常的低。Full-mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞娜秉c：兩個節(jié)點之間直接連接來進(jìn)行通信，最大的缺點就是當(dāng)節(jié)點數(shù)量巨大的時候，網(wǎng)絡(luò)鏈路將會爆炸性的增長，造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)和管理上的困難。

4 總結(jié)

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互連所呈現(xiàn)出的物理布局，它能反映出網(wǎng)絡(luò)中各實體間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。總線型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要用于計算機(jī)數(shù)目相對較少的局域網(wǎng)中，以太網(wǎng)是典型的總線型局域網(wǎng)；環(huán)型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在局域網(wǎng)中使用較多，尤其是實時性要求較高的環(huán)境中；星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)中智能集中于中央節(jié)點的場合；樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一種廣播式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；胖樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的性能要比樹型結(jié)構(gòu)優(yōu)越，信息交換速度更快；網(wǎng)格型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有較好的可靠性和穩(wěn)定性；分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的路徑選擇、流向控制比較復(fù)雜，在一般局域網(wǎng)中不采用這種結(jié)構(gòu)；Full-mesh網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一種特殊的分布式結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)通道的安全性和穩(wěn)定性較高。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的重要基礎(chǔ)信息，它是網(wǎng)絡(luò)管理、數(shù)據(jù)模擬和信息收集的基礎(chǔ)，同時也是網(wǎng)絡(luò)安全評估和實施網(wǎng)絡(luò)攻擊的前提。因此對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究具有十分重要的意義。

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作者簡介：孫巖（1989-），男，天津薊縣人，碩士，北京科技大學(xué)研究生。研究方向：云計算；張楠（1989-），女，河北廊坊人，北京科技大學(xué)研究生。研究方向：網(wǎng)絡(luò)冗余。