計算機網路拓撲結構

計算機網路拓撲結構

計算機網路的拓撲結構，即是指網上計算機或設備與傳輸媒介形成的結點與線的物理構成模式。網路的結點有兩類：一類是轉換和交換信息的轉接結點，包括結點交換機、集線器和終端控制器等；另一類是訪問結點，包括計算機主機和終端等。線則代表各種傳輸媒介，包括有形的和無形的。

組成

每一種網路結構都由結點、鏈路和通路等幾部分組成。

1、結點：又稱為網路單元，它是網路系統中的各種數據處理設備、數據通信控制設備和數據終端設備。常見的結點有伺服器、工作站、集線路和交換機等設備。

2、鏈路：兩個結點間的連線，可分為物理鏈路和邏輯鏈路兩種，前者指實際存在發通信線路，後者指在邏輯上起作用的網路通路。

3、通路：是指從發出信息的結點到接受信息的結點之間的一串結點和鏈路，即一系列穿越通信網路而建立起的結點到結點的鏈。

選擇性

拓撲結構的選擇往往與傳輸媒體的選擇及媒體訪問控制方法的確定緊密相關。在選擇網路拓撲結構時，應該考慮的主要因素有下列幾點:

(1)可靠性。儘可能提高可靠性，以保證所有數據流能準確接收；還要考慮系統的可維護性，使故障檢測和故障隔離較為方便。

(2)費用。建網時需考慮適合特定應用的通道費用和安裝費用。

(3)靈活性。需要考慮系統在今後擴展或改動時，能容易地重新配置網路拓撲結構，能方便地處理原有站點的刪除和新站點的加入。

(4)響應時間和吞吐量。要為用戶提供儘可能短的響應時間和最大的吞吐量。

計算機網路的拓撲結構主要有：匯流排型拓撲、星型拓撲、環型拓撲、樹型拓撲、網狀拓撲和混合型拓撲。

星型拓撲是由中央節點和通過點到點通信鏈路接到中央節點的各個站點組成。中央節點執行集中式通信控制策略，因此中央節點相當複雜，而各個站點的通信處理負擔都很小。星型網採用的交換方式有電路交換和報文交換，尤以電路交換更為普遍。這種結構一旦建立了通道連接，就可以無延遲地在連通的兩個站點之間傳送數據。目前流行的專用交換機PBX (Private Branch exchange)就是星型拓撲結構的典型實例。

星型拓撲結構的優點

（1）結構簡單，連接方便，管理和維護都相對容易，而且擴展性強。

（2）網路延遲時間較小，傳輸誤差低。

（3）在同一網段內支持多種傳輸介質，除非中央節點故障，否則網路不會輕易癱瘓。

（4）每個節點直接連到中央節點，故障容易檢測和隔離，可以很方便地排除有故障的節點。

因此，星型網路拓撲結構是目前應用最廣泛的一種網路拓撲結構。

星型拓撲結構的缺點

（1）安裝和維護的費用較高

（2）共享資源的能力較差

（3）一條通信線路只被該線路上的中央節點和邊緣節點使用，通信線路利用率不高

（4）對中央節點要求相當高，一旦中央節點出現故障，則整個網路將癱瘓。

星型拓撲結構廣泛應用於網路的智能集中於中央節點的場合。從目前的趨勢看，計算機的發展已從集中的主機系統發展到大量功能很強的微型機和工作站，在這種形勢下，傳統的星型拓撲的使用會有所減少。

匯流排拓撲結構採用一個通道作為傳輸媒體，所有站點都通過相應的硬體介面直接連到這一公共傳輸媒體上，該公共傳輸媒體即稱為匯流排。任何一個站發送的信號都沿著傳輸媒體傳播，而且能被所有其它站所接收。

因為所有站點共享一條公用的傳輸通道，所以一次只能由一個設備傳輸信號。通常採用分散式控制策略來確定哪個站點可以發送o發送時，發送站將報文分成分組，然後逐個依次發送這些分組，有時還要與其它站來的分組交替地在媒體上傳輸。當分組經過各站時，其中的目的站會識別到分組所攜帶的目的地址，然後複製下這些分組的內容。

匯流排拓撲結構的優點

(1)匯流排結構所需要的電纜數量少，線纜長度短，易於布線和維護。

(2)匯流排結構簡單，又是元源工作，有較高的可靠性。傳輸速率高，可達1~100Mbps。

(3)易於擴充，增加或減少用戶比較方便，結構簡單，組網容易，網路擴展方便

(4)多個節點共用一條傳輸通道，通道利用率高。

匯流排拓撲的缺點

(1)匯流排的傳輸距離有限，通信範圍受到限制。

(2)故障診斷和隔離較困難。

(3)分散式協議不能保證信息的及時傳送，不具有實時功能。站點必須是智能的，要有媒體訪問控制功能，從而增加了站點的硬體和軟體開銷。

在環型拓撲中各節點通過環路介面連在一條首尾相連的閉合環型通信線路中，環路上任何節點均可以請求發送信息。請求一旦被批准，便可以向環路發送信息。環型網中的數據可以是單向也可是雙向傳輸。由於環線公用，一個節點發出的信息必須穿越環中所有的環路介面，信息流中目的地址與環上某節點地址相符時，信息被該節點的環路介面所接收，而後信息繼續流向下一環路介面，一直流回到發送該信息的環路介面節點為止。

環型拓撲的優點

(1)電纜長度短。環型拓撲網路所需的電纜長度和匯流排拓撲網路相似，但比星形拓撲網路要短得多。

(2)增加或減少工作站時，僅需簡單的連接操作。

(3)可使用光纖。光纖的傳輸速率很高，十分適合於環型拓撲的單方向傳輸。

環型拓撲的缺點

(1)節點的故障會引起全網故障。這是因為環上的數據傳輸要通過接在環上的每一個節點，一旦環中某一節點發生故障就會引起全網的故障。

(2)故障檢測困難。這與匯流排拓撲相似，因為不是集中控制，故障檢測需在網上各個節點進行，因此就不很容易。

(3)環型拓撲結構的媒體訪問控制協議都採用令牌傳遞的方式，在負載很輕時，通道利用率相對來說就比較低。

樹型拓撲可以認為是多級星型結構組成的，只不過這種多級星型結構自上而下呈三角形分佈的，就像一棵樹一樣，最頂端的枝葉少些，中間的多些，而最下面的枝葉最多。樹的最下端相當於網路中的邊緣層，樹的中間部分相當於網路中的匯聚層，而樹的頂端則相當於網路中的核心層。它採用分級的集中控制方式，其傳輸介質可有多條分支，但不形成閉合迴路，每條通信線路都必須支持雙向傳輸。

樹型拓撲的優點

(1)易於擴展。這種結構可以延伸出很多分支和子分支，這些新節點和新分支都能容易地加入網內。

(2)故障隔離較容易。如果某一分支的節點或線路發生故障，很容易將故障分支與整個系統隔離開來。

樹型拓撲的缺點

各個節點對根的依賴性太大，如果根發生故障，則全網不能正常工作。從這一點來看，樹型拓撲結構的可靠性有點類似於星型拓撲結構。

混合型拓撲是將兩種單一拓撲結構混合起來，取兩者的優點構成的拓撲。

一種是星型拓撲和環型拓撲混合成的"星-環"拓撲，另一種是星型拓撲和匯流排拓撲混合成的"星-總"拓撲。

這兩種混合型結構有相似之處，如果將匯流排拓撲的兩個端點連在一起也就變成了環型拓撲。

在混合型拓撲結構中，匯聚層設備組成環型或匯流排型拓撲，匯聚層設備和接入層設備組成星型拓撲。

混合型拓撲的優點

(1)故障診斷和隔離較為方便。一旦網路發生故障，只要診斷出哪個網路設備有故障，將該網路設備和全網隔離即可。

(2)易於擴展。要擴展用戶時，可以加入新的網路設備，也可在設計時，在每個網路設備中留出一些備用的可插入新站點的連介面。

(3)安裝方便。網路的主鏈路只要連通匯聚層設備，然後再通過分支鏈路連通匯聚層設備和接入層設備。

混合型拓撲的缺點

(1)需要選用智能網路設備，實現網路故障自動診斷和故障節點的隔離，網路建設成本比較高。

(2)像星型拓撲結構一樣，匯聚層設備到接入層設備的線纜安裝長度會增加較多。

網型拓撲。這種結構在廣域網中得到了廣泛的應用，它的優點是不受瓶頸問題和失效問題的影響。由於節點之間有許多條路徑相連，可以為數據流的傳輸選擇適當的路由，從而繞過失效的部件或過忙的節點。這種結構雖然比較複雜，成本也比較高，提供上述功能的網路協議也較複雜，但由於它的可靠性高，仍然受到用戶的歡迎。

網型拓撲的一個應用是在BGP協議中。為保證IBGP對等體之間的連通性，需要在IBGP對等體之間建立全連接關係，即網狀網路。假設在一個AS內部有n台路由器，那麼應該建立的IBGP連接數就為n(n-1)/2個。

網型拓撲的優點

(1)節點間路徑多，碰撞和阻塞減少。

(2)局部故障不影響整個網路，可靠性高。

網型拓撲的缺點

(1)網路關係複雜，建網較難，不易擴充。

(2)網路控制機制複雜，必須採用路由演演算法和流量控制機制。

隨著PWM技術的不斷發展和完善，開關電源以其高的性價比得到了廣泛的應用。開關電源的電路拓撲結構很多，常用的電路拓撲有推挽、全橋、半橋、單端正激和單端反激等形式。其中，在半橋電路中，變壓器初級在整個周期中都流過電流，磁芯利用充分，且沒有偏磁的問題，所使用的功率開關管耐壓要求較低，開關管的飽和壓降減少到了最小，對輸入濾波電容使用電壓要求也較低。由於以上諸多原因，半橋式變換器在高頻開關電源設計中得到廣泛的應用。

開關電源常用的基本拓撲約有14種。

每種拓撲都有其自身的特點和適用場合。一些拓撲適用於離線式(電網供電的)AC/DC變換器。其中有些適合小功率輸出(<200W)，有些適合大功率輸出；有些適合高壓輸入(≥220V AC)，有些適合120V AC或者更低輸入的場合；有些在高壓直流輸出(>～200V)或者多組(4～5組以上)輸出場合有的優勢；有些在相同輸出功率下使用器件較少或是在器件數與可靠性之間有較好的折中。較小的輸入/輸出紋波和雜訊也是選擇拓撲經常考慮的因素。

一些拓撲更適用於DC/DC變換器。選擇時還要看是大功率還是小功率，高壓輸出還是低壓輸出，以及是否要求器件盡量少等。另外，有些拓撲自身有缺陷，需要附加複雜且難以定量分析的電路才能工作。

因此，要恰當選擇拓撲，熟悉各種不同拓撲的優缺點及適用範圍是非常重要的。錯誤的選擇會使電源設計一開始就註定失敗。

開關電源常用拓撲：

buck開關型調整器拓撲、boost開關調整器拓撲、反極性開關調整器拓撲、推挽拓撲、正激變換器拓撲、雙端正激變換器拓撲、交錯正激變換器拓撲、半橋變換器拓撲、全橋變換器拓撲、反激變換器、電流模式拓撲和電流饋電拓撲、SCR振諧拓撲、CUK變換器拓撲

開關電源各種拓撲集錦先給出六種基本DC/DC變換器拓撲

依次為buck，boost，buck－boost，cuk，zeta，sepic變換器

樹型拓撲的缺點：

各個節點對根的依賴性太大。

以上分析了幾種常用拓撲結構的優缺點。不管是區域網或廣域網，其拓撲的選擇，需要考慮諸多因素：網路既要易於安裝，又要易於擴展；網路的可靠性也是考慮的重要因素，要易於故障診斷和隔離，以使網路的主體在局部發生故障時仍能正常運行；網路拓撲的選擇還會影響傳輸媒體的選擇和媒體訪問控制方法的確定，這些因素又會影響各個站點在網上的運行速度和網路軟、硬體介面的複雜性。

計算機網路拓撲結構

首先部署人員要熟悉各種網路的計算機網路拓撲結構，將適合自己計算機網路拓撲結構羅列出來，再一一篩選。

沒有一種計算機網路拓撲結構是能通用或者適應所有的企業和公司。作為技術人員，你首先要對計算機網路拓撲結構很熟悉，比如根據預算，採用千兆還是萬兆的主幹網路等等，這樣才有助於你解決網路的技術難題。

目前大多數數據中心的主要計算機網路拓撲結構都是基於第三層協議構建。典型的結構就是通過一個核心交換機連接第二級交換機或者其他網路設備，包括外部網路和內部網路的用戶層和匯聚層。

leaf節點和 spine節點是數據中心計算機網路拓撲結構最重要和明顯的部分，簡稱leaf-spine。這種計算機網路拓撲結構的隨著交換機設備的增多會帶來傳輸上的瓶頸，如存儲區域網路的數據流量會受到這種交換機節點增多的影響。

新的計算機網路拓撲結構設計是一種專用通道的計算機網路拓撲結構，具體的應用走專用的網路通道，這種計算機網路拓撲結構設計理論上考慮到網路內的設備可以自由移動物理位置，並繼承了傳統計算機網路拓撲結構的交換機轉發數據的特點。雖然目前的主流計算機網路拓撲結構好像用不上這些技術，但新興技術的成熟總需要時間來驗證，也許不是現在，但作為次世代的技術，在未來有很大的發展空間。

還有一些其他已經成型的新型計算機網路拓撲結構，這些新興的計算機網路拓撲結構已經超越了傳統基於第三層網路leaf-spine的計算機網路拓撲結構。雖然這些計算機網路拓撲結構並不多見。因為這些計算機網路拓撲結構大多應用於特殊領域的數據中心。

多層的leaf-spine計算機網路拓撲結構已經很接近計算機網路拓撲結構的基線，許多大型網路利用垂直部署的方法來擴展網路，如VLAN等等。

Hypercube立方體計算機網路拓撲結構。一個簡單的3D Hypercube結構就像由六個面組成的立體方形的網路，每個聯結點都由交換機構成。而一個4D Hypercube網路就如一個3D Hypercube網路位於另一個3D Hypercube裡面，裡外兩個網路通過轉角的節點連接彼此，設備節點連接在外層的網路。如要實施這種計算機網路拓撲結構，需要對自己的需求和預算進行了解，並且要詳細明白這種計算機網路拓撲結構的特點在哪裡。

Toroidal環型計算機網路拓撲結構。這種計算機網路拓撲結構其實是指任何環型計算機網路拓撲結構。一個3D 的環型計算機網路拓撲結構是高度結構化的網路環。環型計算機網路拓撲結構通常用於需要高性能計算環境，並可能依靠交換機之間的互連節點計算。

Jellyfish水母型計算機網路拓撲結構。聽起來名字很奇怪，但挺符合它的稱呼的。這種計算機網路拓撲結構主要的特點在它是一種大隨機性的計算機網路拓撲結構，這種計算機網路拓撲結構的交換機根據網路設計師的設計相互連接。這種計算機網路拓撲結構結構的設計比起傳統結構可以提高甚至25%的數據容量。

DCell計算機網路拓撲結構。在這種計算機網路拓撲結構中，網路內的伺服器都有多個網卡。其中部分網卡相互連接各個伺服器，伺服器就像一個大網路環境的細胞一樣。DCell一般需要每伺服器有四個或更多的網卡。

FiConn計算機網路拓撲結構。類似DCell，FiConn結構中，每計算機網路拓撲結構伺服器到另一個伺服器的互聯形成一個細胞節點，但只需要兩個網卡。

BCube計算機網路拓撲結構。類似DCell，FiConn，BCube使用額外的伺服器埠直接連接，這些埠是專為模塊化網路部署。微軟在背後主推BCube計算機網路拓撲結構，並建立BCube源路由協議來管理網路數據中心的計算機網路拓撲結構。

CamCube計算機網路拓撲結構。這種計算機網路拓撲結構目的是為了優化整個環面的數據傳輸，計算機網路拓撲結構被用於集群主機互連，計算機網路拓撲結構是建立在微軟的CamCubeOS之上。傳統的計算機網路拓撲結構管理方式在這種網路結構上不起作用。

Butterfly蝴蝶型計算機網路拓撲結構。谷歌的扁平式蝴蝶結構是一個特定的計算機網路拓撲結構，類似於一個棋盤。在這種網路結構中，任何節點都可以作為一個開關，節點控制著流量。這種類型的網路目的在於降低功耗，有綠色環保的意義。