计算机网络拓扑结构

摘 要：通过对计算机网络拓扑结构的概念、分类、特点的介绍,在分析其复杂网络结构的基础上,探讨出计算机网络拓扑结构模型的有效构建,对其在实际应用中的冗余设计进行了研究,提高了网络系统设计的可靠性、安全性.

关 键 词：计算机网络；拓扑结构；网络协议；冗余设计

中图分类号：TP393.01文献标识码：A文章编号：16727800（2011）012011302

作者简介：吴亚军(1974-),男,江苏如皋人,江苏教育学院如皋分院如皋高等师范学校讲师,研究方向为计算机网络.

0引言

计算机网络的拓扑结构分析是指从逻辑上抽象出网上计算机、网络设备以及传输媒介所构成的线与节点间的关系加以研究.

1计算机网络拓扑结构的概念和分类

计算机网络的拓扑结构是指网上计算机或网络设备与传输媒介所构成的线与节点的物理构成模式.计算机网络的节点一般有两大类：一是交换和转换网络信息的转接节点,主要有：终端控制器、集线器、交换机等；二是各访问节点,主要是终端和计算机主机等.其中线主要是指计算机网络中的传输媒介,其有有形的,也有无形的,有形的叫“有线”,无形的叫“无线”.根据节点和线的连接形式,计算机网络拓扑结构主要分为：总线型、星型、树型、环型、网状型、全互联型拓扑结构.如图1所示.

图1计算机网络拓扑结构图

总线型主要是由一条高速主干电缆也就是总线跟若干节点进行连接而成的网络形式.此网络结构的主要优点在于其灵活简单,容易构建,性能较好；缺点是总线故障将对整个网络产生影响,即主干总线将决定着整个网络的命运.星型网络主要是通过节点集线器跟周围各节点进行连接而构成的网络.此网络通信必须通过节点方可实现.星型结构的优点在于其构网简便、结构灵活,便于管理等；缺点是其节点负担较重,容易形成系统的“瓶颈”,线路的利用率也不高.树型拓扑是一种分级结构.在树型结构的网络中,任意两个节点之间不产生回路,每条通路都支持双向传输.这种结构的特点是扩充方便、灵活,成本低,易推广,适合于分主次或分等级的层次型管理系统.环型拓扑结构主要是通过各节点首尾的彼此连接从而形成一个闭合环型线路,其信息的传送是单向的,每个节点需安装中继器,以接收、放大、发送信号.这种结构的优点是结构简单,建网容易,便于管理；其缺点是当节点过多时,将影响传输效率,不利于扩充.网状型主要用于广域网,由于节点之间有多条线路相连,所以网络的可靠性较高.由于结构比较复杂,建设成本较高.

2计算机网络拓扑的特点

随着网络技术的发展,计算机网络拓扑结构越来越呈现出一种复杂性.近些年来对于计算机拓扑的研究,越来越趋向于计算机拓扑节点度的幂律分布特点.这种分布在规模不同的网络拓扑中表现出一定的稳定性,也就是指,在规模不同的计算机拓扑中,它们的节点度表现出一种幂律分布,即：P(k)等于k-β.其中,β一般在2―3这个小范围内进行波动,k是指节点度,P(k)表示度为k的节点出现的概率,即分布率.

计算机网络作为一个复杂网络,从其通信网络的优化目的来说,其实现节点间平均距离最小化、网络边数最小化是其拓扑优化的主要目标,即未来通信网络的趋势就是小世界网络.可是计算机网络所覆盖的范围非常巨大,具有全球性,其拓扑结构的发展还面临着许多技术上的问题.所以,对于计算机网络拓扑结构的优化目标的实现有点不大可能.但尽管计算机的发展并不能实现拓扑设计的整体优化,它的小世界、较少边、高聚集等特性足以表明其还是具有小范围优化的特点,这些特点的产生可表现出其一些规律,即计算机网络具有优先连接和生长的规律.生长表示的是计算机具有动态增长的特性,所以计算机的拓扑结构也是一个动态的过程.优先连接规律表示新节点进入计算机网络的规则,即在新节点加入网络时会选择拥有较大连接数的节点进行连接.

3计算机网络拓扑模型的构建

3.1一种复杂网络拓扑模型

在世人发现计算机网络节点度具有幂律分布的规律之后,计算机网络拓扑模型的构建产生巨大的转变.大家更多的选择从优先连接和生长等这一网络拓扑规律入手进行计算机网络的拓扑建模,其主要是为了让符合现实计算机拓扑性质的模型通过一些简单规则的演化让其自动地产生出来.利用优先连接来对新节点加入网络的过程进行描述还比较粗糙,首先是因为新节点在加入之前,对网络全局的信息进行了解和把握具有很大的难度,其次一个原因是单一的优先连接不能够描述复杂的加入决策过程,而且在全网中容易形成少量的集散节点.所以要建立更加符合现实计算机拓扑特征的网络模型则需要考虑更完善的加入规则.

现在对于构建计算机模型主要是依据自治域级和路由器级,但由于计算机网络拓扑特性在不同层次和不同规模中表现出某种本质上的相似性,所以,本拓扑模型的构建都适应于这两个级.此模型主要的规则是前面提到的通过生长和局部优先连接,来形成计算机拓扑模型,这种形成机制就好像一个层次化比较强的选举过程,如图2所示：

图2计算机网络拓扑模型

此模型首先检测设在一个平面中分布着n个节点,并存在着一个离散的均匀走动的时钟,这些节点都清楚自己是何时进入网络的,这些节点进入网络的时刻分布是从零时刻开始至具体某一特定时刻内的随机分布.每个节点进入网络前后的动作就是接收和发送消息及依据所接收的消息产生响应.发送和接收的消息中包括了自己的优先度以及消息传达的范围等内容.并且这些节点优先度将对其消息传送的范围即辐射半径产生直接的影响.在节点接收消息之后往往是按照消息源的优先度来确定其是否跟发送消息的节点建立连接,若所接收到的许多消息源节点存在相近的优先度,其将会随机地选择一个消息源节点进行连接.通过这种规则进行不断的演化和发展,将会得出图2的结果.其中a图表示计算机网络形成的初始阶段,那时仅仅只有一小部分节点进行活动,每个节点度都比较小,其发送和接收消息的范围还比较小,所以这些节点往往只跟自己相邻的节点进行连接.而随着时间的不断推进,节点度的不断增加,各个节点的消息所能到达的距离越来越远,即所形成的连接会越来越大、越来越多.在局部区域胜出的节点代表整个区域参与更大范围的竞争,以致形成更大区域的代表.这个过程将持续下去,直到网络中形成几个较大的聚集中心.如图2(b)、(c)所示,这种自组织的层次网络并不具有预先设置的层次数.这就是计算机网络拓扑结构的形成模型,是一种消息自组织和传递接收的模型.

3.2网络拓扑结构体系与网络协议的设置

由于网络拓扑类型的多样性,使得计算机网络结构复杂多变.在这个系统中,网络怎么写作供给者和请求者之间的通信是在一个复杂网络中进行的.对于复杂网络中的问题,必须建立起符合计算机网络拓扑结构体系的网络协议.具体问题如下：①语言不同的网络实体如何才可实现彼此通信②如何才能保证网络实体正确接收数据③怎样实现网络中各实体之间的联系?④数据怎样传送给指定的接收者⑤怎样避免网络上数据传输冲突问题,怎样对数据流进行控制以避免数据信息丢失⑥如何通过介质进行网络数据信息的传输?⑦在物理上的各种传输线路是如何建立的?

对于上述问题的解决,建立计算机网络拓扑结构体系是一种有效途径.计算机网络拓扑结构体系主要是对网络结构系统功能进行有效的分解,接着对各种分解后的功能进行设定,以满意用户的需求.这种网络拓扑结构体系其实就是一个层次结构,它的特点主要是任何一层都是在前一层的基础上建立起来的,其低层总是为高层怎么写作.比如,第N层中的实体在实现自身定义的功能时,就充分利用N-1层提供的怎么写作,由于N-1层同样使用了N-2层的怎么写作,所以N层也间接利用了N-2层提供的功能.N层是将以下各层的功能“增值”,即加上自己的功能,为N+1提供更完善的怎么写作,同时屏蔽具体实现这些功能的细节.其中,最低层是只提供怎么写作而不使用其他层怎么写作的基本层；而最高层肯定是应用层,它是系统最终目标的体现.

因此,计算机网络拓扑结构体系的核心是如何合理地划分层次,并确定每个层次的特定功能及相邻层次之间的接口.由于各种局域网的不断出现,迫切需要不同机种互联,以满足信息交换、资源共享及分布式处理等需求,这就要求计算机网络体系结构标准化.在计算机网络分层结构体系中,通常把每一层在通信中用到的规则与约定称为协议.协议是一组形式化的描述,它是计算机通信的语言,也是计算机网络软硬件开发的依据.网络中的计算机如果要相互“交谈”,它们就必须使用一种标准的语言,有了共同的语言,交谈的双方才能相互“沟通”.考虑到环境及通信介质的不可靠性,通信双方要密切配合才能完成任务.通信前,双方要取得联络,并协商通信参数、方式等；在通信过程中,要控制流量,进行错误检测与恢复,保证所传输的信息准确无误；在通信后,要释放有关资源(如通信线路等).由于这种通信是在不同的机器之间进行,故只能通过双方交换特定的控制信息才能实现上述目的,而交换信息必须按一定的规则进行,只有这样双方才能保持同步,并能理解对方的要求.

4计算机网络架构冗余设计分析

计算机网络架构冗余设计主要是指节点之间的链路冗余,也就是指在一条链路发生断路时,可以通过其他冗余的链路进行通信,以保证数据的安全.网络架构冗余设计一般是包括核心层和接入层两个方面的冗余设计,核心层冗余设计主要是采用了节点之间的连线的网状结构进行,即在一条线路断路时可以通过其他的两条或者两条以上的线路进行通信；接入层冗余设计一般是通过双上联或者三上联的方式进行的,如图3所示.

图3计算机网络架构冗余设计

通过计算机网络架构的冗余设计,在一条线路或者多条线路断路时,可以通过其他线路进行通信,从而将有效保证网络数据的安全性,提升网络系统的有效性.

5结束语

在实际应用中,为了适应不同的要求,拓扑结构不一定是单一的,往往都是几种结构的混用.这些结构的混合使得计算机网络复杂性极强,在其拓扑结构构建和形成中表现出来、具体所形成的拓扑规则是：Inter网络中节点的生长性和优先连接.通过其不断的生长以及生长出的节点的优先连接,从而使网络拓扑形成一种消息自组织和传递的过程,最终发展成一种网络拓扑结构体系,其核心是一种层次结构,通过协议加以沟通,进行信息的传递.此外在设计过程中,还应充分考虑网络的冗余设计,最大限度地保证网络系统的可靠性、安全性.