網路拓撲

計算機連接的方式叫做“網路拓撲結構”（Network Topology）。網路拓撲是指用傳輸媒體互連各種設備的物理布局，特別是計算機分佈的位置以及電纜如何通過它們。設計一個網路的時候，應根據自己的實際情況選擇正確的拓撲方式。每種拓撲都有它自己的優點和缺點。

拓撲是一種不考慮物體的大小、形狀等物理屬性，而僅僅使用點或者線描述多個物體實際位置與關係的抽象表示方法。拓撲不關心事物的細節，也不在乎相互的比例關係，而只是以圖的形式表示一定範圍內多個物體之間的相互關係。

在實際生活中，計算機與網路設備要實現互聯，就必須使用一定的組織結構進行連接，這種組織結構就叫做“拓撲結構”。網路拓撲結構形象地描述了網路的安排和配置方式，以及各節點之間的相互關係，通俗地說，“拓撲結構”就是指這些計算機與通訊設備是如何連接在一起的。

研究網路和它的線圖的拓撲性質的理論，又稱網路圖論。拓撲是指幾何體的一種接觸關係或連接關係；當幾何體發生連續塑性變形時，它的接觸關係會保持不變。用節點和支路組成的線圖表示的網路結構也具有這種性質。

網路拓樸的早期研究始於1736年瑞士數學家L.歐拉發表的關於柯尼斯堡橋問題的論文。1845年和1847年，G.R.基爾霍夫發表的兩篇論文為網路拓撲應用於電網路分析奠定了基礎。

在設計網路拓撲結構時，我們經常會遇到如“節點”、“結點”、“鏈路”和“通路”這四個術語。它們到底各自代表什麼，它們之間又有什麼關係呢？

（1）節點

一個“節點”其實就是一個網路埠。節點又分為“轉節點”和“訪問節點”兩類。“轉節點”的作用是支持網路的連接，它通過通信線路轉接和傳遞信息，如交換機、網關、路由器、防火牆設備的各個網路埠等；而“訪問節點”是信息交換的源點和目標點，通常是用戶計算機上的網卡介面。如我們在設計一個網路系統時，通常所說的共有××個節點，其實就是在網路中有多個要配置IP地址的網路埠。

（2）結點

一個“結點”是指一台網路設備，因為它們通常連接了多個“節點”，所以稱之為“結點”。在計算機網路中的結點又分為鏈路結點和路由結點，它們就分別對應的是網路中的交換機和路由器。從網路中的結點數多少就可以大概知道你的計算機網路規模和基本結構了。

（3）鏈路

“鏈路”是兩個節點間的線路。鏈路分物理鏈路和邏輯鏈路（或稱數據鏈路）兩種，前者是指實際存在的通信線路，由設備網路埠和傳輸介質連接實現；後者是指在邏輯上起作用的網路通路，由計算機網路體系結構中的數據鏈路層標準和協議來實現。如果鏈路層協議沒有起作用，數據鏈路也就無法建立起來。

（4）通路

“通路”從發出信息的節點到接收信息的節點之間的一串節點和鏈路的組合。也就是說，它是一系列穿越通信網路而建立起來的節點到節點的鏈路串連。它與“鏈路”的區別主要在於一條“通路”中可能包括多條“鏈路”。

圖1是電網路及其線圖的例子，其中的線段稱作支路，點稱作節點，若每條支路都規定了方向就是有向圖，否則為無向圖。樹定義為包含線圖中所有節點但不含迴路的聯通子圖，線圖中屬於該樹的支路叫作樹支，其它則為連支。一個線圖通常有許多棵樹，圖2為圖1(b)線圖的一些樹。設線圖有n+1個節點和b條支路，則樹支恰有n條，連支則有b-n條。利用樹可以系統地找出最大數目的獨立迴路組，方法是選定一棵樹，給樹每增添一條連支，就構成一個只包含該連支的迴路，並稱為基本迴路，這樣由b-n條連支共可得出b-n個獨立的基本迴路組。

節點和支路的關係還可用矩陣來表示。如下圖3及圖4。

迴路矩陣B是描述迴路與支路間關係的（b-n）行b列的矩陣，其中的元素bij取值為1，則表示支路ej包含在迴路ci中，且方向一致，取值為-1則表示方向相反，取值為0則ej不在迴路ci中。B矩陣可由基本迴路組或其線性組合來形成，是一個非奇異矩陣。

除A、B外還有其它描述線圖的矩陣，如割集矩陣、鄰接矩陣等，並統稱為拓撲矩陣。

藉助於網路拓撲和矩陣方法，可以系統地建立電網路方程，並且便於用計算機處理。令Ib和Ub分別代表電網路的支路電流矢量和支路電壓矢量，則可將電路的基爾霍夫電流定律(KCL)和電壓定律(KVL)表示為

KCL：AIb=0 (n個獨立方程）

KVL：BUb=O (b-n個獨立方程）

由此得出b個由網路拓撲性質確定的獨立方程，再加上b個由支路元件性質確定的電流和電壓關係式，就足以解出各支路的電流和電壓(共2b個待求量）。由這三組方程還可導出含較少待求量的方程組，如節點電壓方程組、迴路電流方程組和節偶電壓方程組等。

星型結構是指各工作站以星型方式連接成網。網路有中央節點，其他節點（工作站、伺服器）都與中央節點直接相連，這種結構以中央節點為中心，因此又稱為集中式網路。它具有如下特點：結構簡單，便於管理；控制簡單，便於建網；網路延遲時間較小，傳輸誤差較低。但缺點也是明顯的：成本高、可靠性較低、資源共享能力也較差。

星形拓撲結構的主要優點有：

1.結構簡單，容易管理維護；

2.重新配置靈活；

3.方便故障檢測與隔離；

4.控制簡單，便於建網；

5.網路延遲時間較小，傳輸誤差較低；

星形拓撲結構的主要缺點有：

1.成本高、可靠性較低；

環型結構由網路中若干節點通過點到點的鏈路首尾相連形成一個閉合的環，這種結構使公共傳輸電纜組成環型連接，數據在環路中沿著一個方向在各個節點間傳輸，信息從一個節點傳到另一個節點。

環型結構具有如下特點：信息流在網中是沿著固定方向流動的，兩個節點僅有一條道路，故簡化了路徑選擇的控制；環路上各節點都是自舉控制，故控制軟體簡單；由於信息源在環路中是串列地穿過各個節點，當環中節點過多時，勢必影響信息傳輸速率，使網路的響應時間延長；環路是封閉的，不便於擴充；可靠性低，一個節點故障，將會造成全網癱瘓；維護難，對分支節點故障定位較難。

環狀拓撲的優缺點是：優點是由於每個節點都同時與兩個方向的各一個節點相連接，此路不通彼路通，因此環狀拓撲具有天然的容錯性。缺點是由於存在來自兩個方向的數據流，因此必須對這兩個方向加以區分，或者進行限制，以避免無法區分的冗餘數據流對正常通信的干擾。管理和維護比較複雜。

匯流排結構是指各工作站和伺服器均掛在一條匯流排上，各工作站地位平等，無中心節點控制，公用匯流排上的信息多以基帶形式串列傳遞，其傳遞方向總是從發送信息的節點開始向兩端擴散，如同廣播電台發射的信息一樣，因此又稱廣播式計算機網路。各節點在接受信息時都進行地址檢查，看是否與自己的工作站地址相符，相符則接收網上的信息。

匯流排型結構的網路特點如下：結構簡單，可擴充性好。當需要增加節點時，只需要在匯流排上增加一個分支介面便可與分支節點相連，當匯流排負載不允許時還可以擴充匯流排；使用的電纜少，且安裝容易；使用的設備相對簡單，可靠性高；維護難，分支節點故障查找難。

匯流排拓撲的優缺點是：優點是結構簡單，可擴充性好。缺點是維護難、單點的結構可能會影響全網路。

混合拓撲結構是由星型結構或環型結構和匯流排型結構結合在一起的網路結構，這樣的拓撲結構更能滿足較大網路的拓展，解決星型網路在傳輸距離上的局限，而同時又解決了匯流排型網路在連接用戶數量上的限制。

混合拓撲的優點：應用相當廣泛，它解決了星型和匯流排型拓撲結構的不足，滿足了大公司組網的實際需求。擴展相當靈活。速度較快：因為其骨幹網採用高速的同軸電纜或光纜，所以整個網路在速度上應不受太多的限制。缺點是：由於仍採用廣播式的消息傳送方式，所以在匯流排長度和節點數量上也會受到限制。同樣具有匯流排型網路結構的網路速率會隨著用戶的增多而下降的弱點。較難維護，這主要受到匯流排型網路拓撲結構的制約，如果匯流排斷，則整個網路也就癱瘓了。

分散式結構的網路是將分佈在不同地點的計算機通過線路互連起來的一種網路形式，分散式結構的網路具有如下特點：由於採用分散控制，即使整個網路中的某個局部出現故障，也不會影響全網的操作，因而具有很高的可靠性；網中的路徑選擇最短路徑演演算法，故網上延遲時間少，傳輸速率高，但控制複雜；各個節點間均可以直接建立數據鏈路，信息流程最短；便於全網範圍內的資源共享。缺點為連接線路用電纜長，造價高；網路管理軟體複雜；報文分組交換、路徑選擇、流向控制複雜；在一般區域網中不採用這種結構。

樹型結構是分級的集中控制式網路，與星型相比，它的通信線路總長度短，成本較低，節點易於擴充，尋找路徑比較方便，但除了葉節點及其相連的線路外，任一節點或其相連的線路故障都會使系統受到影響。

樹狀拓撲的優點是：易於擴展；易於隔離故障。

在網狀拓撲結構中，網路的每台設備之間均有點到點的鏈路連接，這種連接不經濟，只有每個站點都要頻繁發送信息時才使用這種方法。它的安裝也複雜，但系統可靠性高，容錯能力強。有時也稱為分散式結構。

蜂窩拓撲結構是無線區域網中常用的結構。它以無線傳輸介質（微波、衛星、紅外等）點到點和多點傳輸為特徵，是一種無線網，適用於城市網、校園網、企業網。

在計算機網路中還有其他類型的拓撲結構，如匯流排型與星型混合。匯流排型與環型混合連接的網路。在區域網中，使用最多的是匯流排型和星型結構。

可以依據用戶網路規劃的意圖，創建管理拓撲，將其應用到自動拓撲中，使自動拓撲變得更具有管理意義。

支持從交換機、路由器、防火牆、三層交換機、內容交換機、網閘、安全設備IDS等不同功能的網路設備，支持思科、華為、北電、港灣、華三等各個主流廠商的網路設備。並且，系統中提供靈活的介面，可對一些偏僻、少見的網路設備提供支持。

獨有的搜索發現引擎，具備強大的發現網路設備的能力和拓撲繪製功能，發現整個網路的拓撲結構和設備的介面信息等。這一切的前提僅僅是輸入一台網路設備的IP地址，實現了真正的自動化網路發現。

同時支持物理的網路拓撲和邏輯的網路拓撲，發現引擎在發現網路的同時，同時繪製物理的網路拓撲和邏輯的網路拓撲。

摩卡網路管理模塊的優勢在於其靈活性，不僅對不支持的設備支持提供靈活的介面，也支持自定義網路拓撲圖和拓撲元素，自定義背板和圖表，自定義管理元素和機房設施，自定義機房的機架圖等，這一切，都可以與實際的網路設備相關聯。

網路拓撲系統管理員非常重視的模塊，可以說是系統管理員所有信息的入口，通過摩卡軟體的網路拓撲，系統管理員可以查看所有主機、網路、應用等所有IT監控的資源。

掌握和控制網路的狀態，用二層的物理連接拓撲和三層邏輯圖來描繪所有的網路設備的連接關係，以適當的比例映射到這個拓撲圖上。用精心設計的各種圖標來表示各種網路對象，而這些圖標又往往塗上不同顏色來表示相應設備的不同狀態。使管理員能夠通過拓撲圖就可以很及時的了解到網路運行情況。

檢測、定位和排除網路設備的故障。當出現故障時，能夠及時確認故障、記錄故障，並找出故障的位置儘可能地排除這些故障。

在生成拓撲圖的同時，系統會記錄下每個網路設備的配置信息，一旦配置發生變化，會通過簡訊、郵件等多種方式告知管理員。即使是誤操作使設備無法正常運行，也可以通過恢復配置文件的方法來解決問題。

對網路資源及其重要信息訪問的約束和控制，不同的用戶身份可以設置不同的訪問許可權及訪問時間，詳細記錄下每個用戶登錄的時間及做過的操作、設置等，以保證系統有較高的安全性。

提供靈活的自定義拓撲的工具，使用這些工具可以定義出多種風格的網路拓撲圖，以滿足多用戶的需求。除此之外，可根據實際行政區域劃分來定義每個網路設備的位置使拓撲視圖更加清晰、易懂。