计算机网络拓扑

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计算机网络拓扑（Computer Network Topology）

　　计算机网络拓扑是指由计算机组成的网络之间设备的分布情况以及连接状态.把它两画在图上就成了拓朴图。一般在图上要标明设备所处的位置，设备的名称类型，以及设备间的连接介质类型。它分为物理拓朴和逻辑拓朴两种。

　　每一种网络结构都由结点、链路和通路等几部分组成。

　　1、结点：又称为网络单元，它是网络系统中的各种数据处理设备、数据通信控制设备和数据终端设备。常见的结点有服务器、工作站、集线路和交换机等设备。

　　2、链路：两个结点间的连线，可分为物理链路和逻辑链路两种，前者指实际存在发通信线路，后者指在逻辑上起作用的网络通路。

　　3、通路：是指从发出信息的结点到接受信息的结点之间的一串结点和链路，即一系列穿越通信网络而建立起的结点到结点的链。

　　拓扑结构的选择往往与传输媒体的选择及媒体访问控制方法的确定紧密相关。在选择网络拓扑结构时,应该考虑的主要因素有下列几点:

　　(1)可靠性。尽可能提高可靠性,以保证所有数据流能准确接收;还要考虑系统的可维护性,使故障检测和故障隔离较为方便。

　　(2)费用。建网时需考虑适合特定应用的信道费用和安装费用。

　　(3)灵活性。需要考虑系统在今后扩展或改动时,能容易地重新配置网络拓扑结构,能方便地处理原有站点的删除和新站点的加入。

　　(4)响应时间和吞吐量。要为用户提供尽可能短的响应时间和最大的吞吐量。

　　计算机网络的拓扑结构主要有：总线型拓扑、星型拓扑、环型拓扑、树型拓扑和混合型拓扑。

　　星形拓扑是由中央节点和通过点到点通信链路接到中央节点的各个站点组成。中央节点执行集中式通信控制策略,因此中央节点相当复杂,而各个站点的通信处理负担都很小。星形网采用的交换方式有电路交换和报文交换,尤以电路交换更为普遍。这种结构一旦建立了通道连接,就可以无延迟地在连通的两个站点之间传送数据。目前流行的专用交换机PBX (Private Branch exchange)就是星形拓扑结构的典型实例。

　　（一）星型拓扑结构的优点

　　（1）结构简单，连接方便，管理和维护都相对容易，而且扩展性强。

　　（2）网络延迟时间较小，传输误差低。

　　（3）在同一网段内支持多种传输介质，除非中心结点故障，否则网络不会轻易瘫痪。因此，星型网络拓扑结构是目前应用最广泛的一种网络拓扑结构。

　　（二）星型拓扑结构的缺点

　　（1）安装和维护的费用较高

　　（2）共享资源的能力较差

　　（3）通信线路利用率不高

　　（4）对中心结点要求相当高，一旦中心结点出现故障，则整个网络将瘫痪。

　　星形拓扑结构广泛应用于网络的智能集中于中央节点的场合。从目前的趋势看,计算机的发展已从集中的主机系统发展到大量功能很强的微型机和工作站,在这种形势下,传统的星形拓扑的使用会有所减少。

　　总线拓扑结构采用一个信道作为传输媒体,所有站点都通过相应的硬件接口直接连到这一公共传输媒体上,该公共传输媒体即称为总线。任何一个站发送的信号都沿着传输媒体传播,而且能被所有其它站所接收。

　　因为所有站点共享一条公用的传输信道,所以一次只能由一个设备传输信号。通常采用分布式控制策略来确定哪个站点可以发送o发送时,发送站将报文分成分组,然后逐个依次发送这些分组,有时还要与其它站来的分组交替地在媒体上传输。当分组经过各站时,其中的目的站会识别到分组所携带的目的地址,然后复制下这些分组的内容。

　　（一）总线拓扑结构的优点

　　(1)总线结构所需要的电缆数量少，线缆长度短，易于布线和维护。

　　(2)总线结构简单,又是元源工作,有较高的可靠性。传输速率高，可达1~100Mbps。

　　(3)易于扩充,增加或减少用户比较方便，结构简单，组网容易，网络扩展方便

　　(4)多个结点共用一条传输信道，信道利用率高。

　　（二）总线拓扑的缺点

　　(1)总线的传输距离有限,通信范围受到限制。

　　(2)故障诊断和隔离较困难。

　　(3)分布式协议不能保证信息的及时传送,不具有实时功能。站点必须是智能的,要有媒体访问控制功能,从而增加了站点的硬件和软件开销。

　　环形拓扑网络由站点和连接站点的链路组成一个闭合环。每个站点能够接收从一条链路传来的数据,并以同样的速率串行地把该数据沿环送到另一端链路上。这种链路可以是单向的,也可以是双向的。数据以分组形式发

　　送,例如图中的A站希望发送一个报文到C站,就先要把报文分成为若干个分组,每个分组除了数据还要加上某些控制信息,其中包括C站的地址。A站依次把每个分组送到环上,开始沿环传输,C站识别到带有它自己地址的分组时,便将其中的数据复制下来。由于多个设备连接在一个环上,因此需要用分布式控制策略来进行控制。

　　（一）环形拓扑的优点

　　(1)电缆长度短。环形拓扑网络所需的电缆长度和总线拓扑网络相似,但比星形拓扑网络要短得多。

　　(2)增加或减少工作站时,仅需简单的连接操作。

　　(3)可使用光纤。光纤的传输速率很高,十分适合于环形拓扑的单方向传输。

　　（二）环形拓扑的缺点

　　(1)节点的故障会引起全网故障。这是因为环上的数据传输要通过接在环上的每一个节点,一旦环中某一节点发生故障就会引起全网的故障。

　　(2)故障检测困难。这与总线拓扑相似,因为不是集中控制,故障检测需在网上各个节点进行,因此就不很容易。

　　(3)环形拓扑结构的媒体访问控制协议都采用令牌传递的方式,在负载很轻时,信道利用率相对来说就比较低。

　　树形拓扑从总线拓扑演变而来,形状像一棵倒置的树,顶端是树根,树根以下带分支,每个分支还可再带子分支，树根接收各站点发送的数据,然后再广播发送到全网。树形拓扑的特点大多与总线拓扑的特点相同,但也有一些特殊之处。

　　（一）树形拓扑的优点

　　(1)易于扩展。这种结构可以延伸出很多分支和子分支,这些新节点和新分支都能容易地加入网内。

　　(2)故障隔离较容易。如果某一分支的节点或线路发生故障,很容易将故障分支与整个系统隔离开来o

　　（二）树形拓扑的缺点

　　各个节点对根的依赖性太大,如果根发生故障,则全网不能正常工作。从这一点来看,树形拓扑结构的可靠性有点类似于星形拓扑结构。

　　将以上某两种单一拓扑结构混合起来,取两者的优点构成的拓扑称为混合形拓扑结构。一种是星形拓扑和环形拓扑混合成的"星一环"拓扑,另一种是星形

　　拓扑和总线拓扑混合成的"星一总"拓扑。其实,这两种混合形在结构上有相似之处,若将总线结构的两个端点连在一起也就成了环形结构。这种拓扑的配置是由一批接入环中或总线的集中器组成,由集中器再按星形结构连至每个用户站。

　　（一）混合形拓扑的优点

　　(1)故障诊断和隔离较为方便。一旦网络发生故障,只要诊断出哪个集中器有故障,将该集中器和全网隔离即可o

　　(2)易于扩展。要扩展用户时,可以加入新的集中器,也可在设计时,在每个集中器留出一些备用的可插入新的站点的连接口。

　　(3)安装方便。网络的主电缆只要连通这些集中器,这种安装和传统的电话系统电缆安装很相似。

　　（二）混合形拓扑的缺点

　　(1)需要选用带智能的集中器。这是为了实现网络故障自动诊断和故障节点的隔离所必需的。

　　(2)像星形拓扑结构一样,集中器到各个站点的电缆安装长度会增加。

　　网形拓扑。这种结构在广域网中得到了广泛的应用,它的优点是不受瓶颈问题和失效问题的影响。由于节点之间有许多条路径相连,可以为数据流的传输选择适当的路由,从而绕过失效的部件或过忙的节点。这种结构虽然比较复杂,成本也比较高,提供上述功能的网络协议也较复杂,但由于它的可靠性高,仍然受到用户的欢迎。

　　目前瞻局域网都不采用单纯的某一种网络拓扑结构，而是将几种网络结构 进行综合。根据实际需要选择合适的混合式网络结构，具有较高的可靠性和较强的扩充性。常见的混合式网络拓扑结构有星总线型和星环型身等。

　　（1）星总线型

　　星总线型拓扑结构是将星型拓扑和总线型拓扑结合起来的一种拓扑结构，即网络的主干线采用总线型结构，而在非主干线上采用星型网络拓扑结构，通过集线器将其结合起来。这种网络拓扑结构中，只要主干线不出现故障，任何一个结点出现故障都不会影响网络的正常运行。

　　（2）星环型

　　星环型拓扑结构是星型拓扑结构与环型拓扑结构混合而成的。这种网络结构布局与星型网络很相似。但是中央集线器采取了环型方式，外层集线器可以连到内部集线器，从而有效地扩展了内总环的循环范围。采用星环型拓结构还可将环中的任意一个结点和整个网络剥离开，从而方便故障的诊断和隔离。

　　随着PWM技术的不断发展和完善，开关电源以其高的性价比得到了广泛的应用。开关电源的电路拓扑结构很多，常用的电路拓扑有推挽、全桥、半桥、单端正激和单端反激等形式。其中， 在半桥电路中，变压器初级在整个周期中都流过电流，磁芯利用充分，且没有偏磁的问题，所使用的功率开关管耐压要求较低，开关管的饱和压降减少到了最小，对输入滤波电容使用电压要求也较低。由于以上诸多原因，半桥式变换器在高频开关电源设计中得到广泛的应用。

　　开关电源常用的基本拓扑约有14种。

　　每种拓扑都有其自身的特点和适用场合。一些拓扑适用于离线式(电网供电的)AC/DC变换器。其中有些适合小功率输出(<200W)，有些适合大功率输出；有些适合高压输入(≥220V AC)，有些适合120V AC或者更低输入的场合；有些在高压直流输出(>～200V)或者多组(4～5组以上)输出场合有的优势；有些在相同输出功率下使用器件较少或是在器件数与可靠性之间有较好的折中。较小的输入/输出纹波和噪声也是选择拓扑经常考虑的因素。

　　一些拓扑更适用于DC/DC变换器。选择时还要看是大功率还是小功率，高压输出还是低压输出，以及是否要求器件尽量少等。另外，有些拓扑自身有缺陷，需要附加复杂且难以定量分析的电路才能工作。

　　因此，要恰当选择拓扑，熟悉各种不同拓扑的优缺点及适用范围是非常重要的。错误的选择会使电源设计一开始就注定失败。

　　开关电源常用拓扑：

　　buck开关型调整器拓扑 、boost开关调整器拓扑 、反极性开关调整器拓扑 、推挽拓扑 、正激变换器拓扑 、双端正激变换器拓扑 、交错正激变换器拓扑 、半桥变换器拓扑 、全桥变换器拓扑 、反激变换器 、电流模式拓扑和电流馈电拓扑 、SCR振谐拓扑 、CUK变换器拓扑

　　开关电源各种拓扑集锦先给出六种基本DC/DC变换器拓扑

　　依次为buck，boost，buck－boost，cuk，zeta，sepic变换器

　　树形拓扑的缺点：

　　各个节点对根的依赖性太大。