网络拓扑结构

网络拓扑有两种基本类型，物理拓扑和逻辑拓扑。

用于连接设备的传输介质布局是网络的物理拓扑。对于导电或光纤介质，物理拓扑是指布线布局、节点位置以及节点和布线之间的链路。^[4]网络的物理拓扑由网络接入设备和介质的性能、所需的控制或容错水平以及与布线或电信电路相关的成本决定。

相比之下，逻辑拓扑是信号作用于网络介质的方式，或者是数据通过网络从一个设备传输到下一个设备的方式，而不考虑设备之间的物理互连。网络的逻辑拓扑不必要与其物理拓扑相同。例如，最初使用中继器集线器的双绞线以太网是物理星型拓扑上承载的逻辑总线拓扑。令牌环是一种逻辑环拓扑，但要从媒体访问单元以物理星型连接。物理上，AFDX可以是多个双冗余以太网交换机的级联星型拓扑；然而，AFDX虚拟链路被建模为时间切换的单发射器总线连接，因此遵循了以前在飞机中使用的单发射器总线拓扑的安全模型。逻辑拓扑通常与媒体访问控制方法和协议密切相关。一些网络能够通过对路由器和交换机的配置更改来动态更改其逻辑拓扑。

用于连接设备以形成计算机网络的传输介质（在文献中通常称为物理介质）包括电缆（以太网、HomePNA、电力线通信、G.hn），光纤（光纤通信）和无线电波（无线网络）。在开放式系统互联模型（OSI）中，这些是在第1层和第2层（物理层和数据链路层）定义的。

局域网技术中广泛采用的传输介质系列统称为以太网。IEEE 802.3定义了能够通过以太网在联网设备之间进行通信的媒体和协议标准。以太网通过铜缆和光缆传输数据。无线局域网（LAN）标准（例如，由IEEE 802.11定义的标准）使用无线电波，或者其他标准使用红外信号作为传输介质。电力线通信使用建筑物的电力电缆传输数据。

2.1 有线技术

以下有线技术的顺序大致是从最慢到最快的传输速度。

• 同轴电缆广泛用于有线电视系统、办公楼和局域网的其他工作场所。电缆由被绝缘层（通常是具有高介电常数的柔性材料）包围的铜线或铝线组成，绝缘层本身被导电层包围。绝缘有助于将干扰和失真降至最低。传输速度从每秒2亿比特到超过每秒5亿比特。光纤用来传输光。
• ITU-T的技术使用现有的家庭布线（同轴电缆、电话线和电源线）来创建高速（高达1gb/s）局域网计算机/网络。
• 印刷电路板上的信号走线通常用于板级串行通信，尤其是在特定类型的集成电路之间，SPI就是一个常见的例子。
• 带状电缆（无绞合和可能无屏蔽）是串行协议的一种经济高效的介质，尤其是在金属外壳内，或者在铜带或铜箔内，在短距离内，或者在较低的数据速率下。如果EMC、长度和带宽限制允许，可以部署多种串行网络协议：RS-232^[4]、RS-422、RS-485^[5]、can^[6]、GPIB、SCSI^[7]等，而无需屏蔽或双绞线电缆，即使用“扁平”或“带状”电缆，或混合扁平/绞合带状电缆。
• 双绞线是所有电信中使用最广泛的介质。双绞线电缆由一对互相扭曲的铜线组成。普通电话线由两条成对绞合的绝缘铜线组成。计算机网络电缆（IEEE 802.3定义的有线以太网）由4对铜电缆组成，可用于语音和数据传输。使用两根扭绞在一起的导线有助于减少串扰和电磁感应。传输速度从每秒200万比特到每秒100亿比特不等。双绞线电缆有两种形式：非屏蔽双绞线（UTP）和屏蔽双绞线（STP）。每种形式都有几个类别等级，设计用于各种场景。
• 光纤是一种玻璃纤维。它承载代表数据的光脉冲。光纤相对于金属线的一些优点是传输损耗非常低，并且不受电干扰。光纤可以同时传输多种波长的光，这大大提高了数据的传输速率，并有助于实现高达每秒万亿比特的数据速率。光纤可以用作长距离传输高数据速率的光缆，也可以用于连接大陆的海底光缆。

价格是区分企业有线和无线技术光纤通信选项的主要因素。无线选项带来的价格溢价可以使有线计算机、打印机和其他设备的购买带来经济利益。在决定购买硬接线技术产品之前，有必要对选择的约束和限制进行审查。业务和员工需求可能大于任何成本考虑。^[8]

2.2 无线技术

• 地面微波——地面微波通信使用类似卫星天线的地面发射器和接收器。地面微波在千兆赫范围内，这限制了所有通信的视野。中继站间隔约50公里（30英里）。
• 通信卫星——卫星通过微波无线电波进行通信，不会受到大气层影响。卫星位于太空中，通常位于赤道上方35，786公里（22，236英里）的地球静止轨道上。这些地球轨道系统能够接收和中继语音、数据和电视信号。
• 蜂窝和PCS系统使用多种无线电通信技术。这些系统将覆盖的区域划分为多个地理区域。每个区域都有一个低功率发射机或无线电中继天线设备，将呼叫从一个区域中继到下一个区域。
• 无线电和扩频技术——无线局域网使用类似于数字蜂窝的高频无线电技术和低频无线电技术。无线局域网（LANs）使用扩频技术在有限区域内实现多个设备之间的通信。IEEE 802.11定义了一种常用的开放标准的无线电波技术，称为Wi-Fi。
• 自由空间光通信使用可见光或不可见光进行通信。在大多数情况下，使用的是视线传播，这限制了通信设备的物理定位。

2.3 外来技术

已经有各种通过外来介质传输数据的尝试：

• IP over Avian Carriers是一个幽默的愚人节评论请求，发布为RFC 1149。它于2001年在现实生活中实施。^[9]
• 通过无线电波将互联网扩展到行星际空间，即行星际互联网。^[10]

这两种情况都有很长的往返延迟时间，这使得双向通信很慢，但并不妨碍发送大量信息。

网络节点是传输介质与介质中传输的电、光或无线电信号的发射器和接收器的连接点。节点可以与计算机相关联，但是某些特定类型的节点可能只有微控制器，或者可能根本没有可编程设备。在最简单的串行配置中，一个RS-232发射器可以通过一对导线连接到一个接收器，在一条链路上形成两个节点，或者形成点对点拓扑。一些协议只允许单个节点发送或接收（例如ARINC 429）。其他协议的节点既可以在一个信道中发送也可以在一个信道中接收（例如，CAN可以将许多收发器连接到一个总线上）。虽然计算机网络的传统系统构建模块包括网络接口控制器（NICs）、中继器、集线器、网桥、交换机、路由器、调制解调器、网关和防火墙，但是大多数解决物理网络拓扑之外的网络问题，并且可以表示为特定物理网络拓扑上的单个节点。

3.1 网络接口

网络接口控制器（NIC）是计算机硬件，它为计算机提供访问传输介质的能力，并具有处理低级网络信息的能力。例如，NIC可以具有用于接收电缆的连接器、用于无线传输和接收的天线以及相关电路。

NIC响应发往NIC或整个计算机网络地址的流量。

在以太网中，每个网络接口控制器都有一个唯一的媒体访问控制地址（MAC）——通常存储在控制器的永久存储器中。为了避免网络设备之间的地址冲突，电气和电子工程师协会维护和管理MAC的唯一性。以太网MAC的大小是六个八位字节。三个最重要的八位字节被保留以标识网卡制造商。这些制造商仅使用它们分配的前缀，唯一地分配它们生产的每个以太网接口的三个最低有效八位字节。

3.2 中继器和集线器

中继器是接收网络信号、清除不必要的噪声并再生的电子设备。信号可以以更高的功率电平被重新形成或重传到障碍物的另一侧，可能使用不同的传输介质，使得信号可以覆盖更长的距离而不会退化。商用中继器已经将RS-232网段从15米扩展到1公里以上^[11]。在大多数双绞线以太网配置中，长度超过100米的电缆需要中继器。有了光纤，中继器可以相隔几十甚至几百公里。

中继器在OSI模型的物理层内工作，也就是说，中继器或中继器对之间的物理协议没有端到端的变化，即使在中继器或中继器对的两端之间可能使用不同的物理层。中继器需要少量时间来再生信号。这可能会导致传播延迟，影响网络性能并可能影响正常功能。因此，许多网络体系结构限制了一行中可以使用的中继器的数量，例如以太网5-4-3规则。

具有多个端口的中继器被称为集线器，以太网中的称为以太网集线器，USB网络中的称为USB集线器。

• USB网络使用集线器来形成分层星型拓扑。
• LANs中的以太网集线器和中继器大多被现代交换机淘汰。

3.3 网桥

网桥在OSI模型的数据链路层（第2层）连接并过滤两个网段之间的流量，形成单一网络。这打破了网络的冲突域，但保持了统一的广播域。网络分段将一个大而拥挤的网络分解成更小、更高效的网络集合。

桥梁有三种基本类型：

• 本地网桥：直接连接LANs
• 远程网桥：可用于在局域网之间创建广域网（WAN）链路。连接链路比终端网络慢的远程网桥，在很大程度上已经被路由器所取代。
• 无线网桥：可用于连接局域网LANs或将远程设备连接到局域网LANs。

3.4 交换机

网络交换机是一种根据每个数据帧中的目的地MAC在端口之间转发和过滤OSI第2层数据报（帧）的设备。^[12]交换机不同于集线器，它只将帧转发到通信中涉及的物理端口，而不是连接的所有端口。它可以被认为是一座多端口桥。^[13]它通过检查接收帧的源地址来将物理端口与媒体访问控制地址相关联。如果目标是未知的目的地，交换机将广播到除源之外的所有端口。交换机通常有许多端口，便于设备采用星型拓扑，并级联更多交换机。

多层交换机能够基于第3层寻址或附加逻辑级别进行路由。术语交换机通常被松散地用于包括诸如路由器和网桥之类的设备，以及可以基于负载或基于应用程序内容（例如，Web URL identifier）来分配流量的设备。

3.5 路由器

路由器是一种网络互联设备，通过处理数据包或数据报中包含的路由信息（来自第3层的互联网协议信息），在网络之间转发数据包。路由信息通常与路由表（或转发表）一起处理。路由器使用路由表来确定数据包转发到哪里。路由表中的目的地可以包括“null”接口，也称为“black hole”接口，因为数据可以进入其中，然而，对所述数据不做进一步的处理，即数据包被丢弃。

3.6 调制解调器

调制解调器（调制器-解调器）用于通过线路连接最初不是为数字网络业务或无线网络设计的网络节点。为此，一个或多个载波信号被数字信号调制，以产生可以被调整以给出传输所需的特性的模拟信号。调制解调器通常用于电话线，使用数字用户线技术。

3.7 防火墙

防火墙是用于控制网络安全和访问规则的网络设备。防火墙通常被配置为拒绝来自未识别来源的访问请求，同时允许来自已识别来源的操作。随着网络攻击的不断增加，防火墙在网络安全中扮演着重要的角色。

网络拓扑的研究认识到八种基本拓扑：点对点、总线、星型、环形或圆形、网状、树形、混合型或菊花链。^[14]

4.1 点对点

两个端点之间有专用链路的最简单拓扑。在点对点拓扑的变化中，最容易理解的是点对点通信信道，对用户来说，它似乎永久地与两个端点相关联。儿童锡罐电话是物理专用信道的一个例子。

使用电路交换或分组交换技术，点对点电路可以动态建立，并在不再需要时丢弃。交换点对点拓扑是传统电话的基本模型。

永久点对点网络的价值在于两个端点之间的通信不受阻碍。按需点对点连接的值与潜在用户对的数量成正比，并被表示为梅特卡夫定律。

4.2 总线

在使用总线拓扑的局域网中，每个节点都通过接口连接器连接到一根电缆上。这条中央电缆是网络的主干，被称为总线（因此得名）。来自信号源的信号双向传输到总线电缆上连接的所有机器，直到找到预期的接收方。如果机器地址与数据的预期地址不匹配，机器将忽略该数据。或者，如果数据与机器地址匹配，则数据被接受。因为总线拓扑仅由一根导线组成，所以与其他拓扑相比，它的实现成本相当低。然而，实施该技术的低成本被管理网络的高成本所抵消。此外，因为只使用了一根电缆，所以它可能是单点故障。在这种拓扑结构中，任何节点都可以访问正在传输的数据。

线性总线

它是网络拓扑的一种类型，其中网络的所有节点都连接到一个只有两个端点的公共传输媒介上（这就是总线，通常也称为主干网或中继线）——网络中节点之间传输的所有数据都通过这个公共传输媒介传输，并且能够被网络中的所有节点同时接收。^[15]

注意：当电信号到达总线末端时，信号会沿线路反射回来，造成不必要的干扰。作为一种解决方案，总线的两个端点通常由一个称为终结器的设备终止，该设备可以防止这种反射。

分布式总线

它是网络拓扑的一种类型，其中网络的所有节点都连接到一个公共传输媒介上，该媒介具有两个以上的端点，这些端点是通过向传输媒介的主要部分添加分支而创建的——物理分布式总线拓扑的功能与物理线性总线拓扑完全相同（即，所有节点共享一个公共传输媒介）。

4.3 星型网络

在具备星型拓扑的局域网中，每个网络主机都通过点对点连接连接到一个中心集线器。因此，可以说每台计算机都在集线器的帮助下间接连接到每一个其他节点。在星型拓扑中，每个节点（计算机工作站或任何其他外围设备）都连接到一个称为集线器或交换机的中心节点。交换机是服务器，外围设备是客户端。网络不一定要像星型网络一样才能被归类为星型网络，但是网络上的所有节点必须连接到一个中央设备。所有通过网络的流量都经过中央集线器。集线器充当信号中继器。星型拓扑被认为是最容易设计和实现的拓扑。星型拓扑的一个优点是添加额外节点很简单。星型拓扑的主要缺点是集线器代表单点故障。由于所有外围设备通信都必须通过中央集线器，因此总的中央带宽构成了大型集群的网络瓶颈。

扩展星型网络

扩展星型网络拓扑通过中心节点和外围（或“辐条”）节点之间的一个或多个中继器扩展物理星型拓扑。中继器用于扩展物理层的最大传输距离，即中心节点和外围节点之间的点对点距离。中继器允许在中心节点的发射功率之外达到更大的传输距离。中继器的使用也可以克服基于物理层的标准的限制。

中继器被集线器或交换机取代的物理扩展星型拓扑是一种混合网络拓扑，被称为物理分层星型拓扑，尽管有些文献没有对这两种拓扑进行区分。

物理分层星型拓扑也可以称为层星型拓扑，这种拓扑与树形拓扑的不同之处在于起始网络连接在一起的方式。分层星型拓扑使用中心节点，而树形拓扑使用中心总线，也可以称为星型总线网络。

分布式星型网络

一种由单个网络组成的网络拓扑，这些单个网络基于以线性方式连接的物理星型拓扑，即“雏菊链”，没有中心或顶层连接点（例如，两个或多个“堆叠”集线器及其相关星型连接节点或“辐条”）。

4.4 环形网络

环形拓扑是闭环中的总线拓扑。数据沿着环的一个方向传播。当一个节点向另一个节点发送数据时，数据通过环上的每个中间节点，直到到达目的地。中间节点重复（重传）数据以保持信号的强度。^[15]每个节点都是对等的；客户机和服务器之间没有层次关系。如果一个节点无法重新传输数据，它会在总线中切断前后节点之间的通信。

优势：

• 当网络负载增加时，其性能优于总线拓扑。
• 不需要网络服务器来控制工作站之间的连接。

缺点：

• 两个节点之间最弱的链路限制了总网络带宽。

4.5 网状网络

假设任意两个端点直到并包括所有端点的通信组都近似满足里德定律，则全网状网络的值与用户数量的指数成正比。

完全连接网络

在完全连接的网络中，所有节点都是互连的。（在图论中，这叫做完全图。）最简单的完全连接网络是双节点网络。完全连接的网络不需要使用分组交换或广播。但是，由于连接数与节点数呈二次增长：

这使得大型网络不切实际。这种类型的拓扑不会跳闸和影响网络中的其他节点。

部分连接网络

在部分连接的网络中，某些节点只连接到另一个节点；但是一些节点通过点对点链路连接到两个或多个其他节点。这使得能够利用物理上完全连接的网状拓扑的一些冗余，而不需要网络中每个节点之间连接所需的费用和复杂性。

4.6 混合物

混合拓扑也称为混合网络。^[15]混合网络以这样的方式组合了两个或更多个拓扑，使得最终的网络不呈现标准拓扑之一（例如总线、星型、环形等）。例如，树形网络（或星型总线网络）是一种混合拓扑，其中星型网络通过总线网络互连。^[16][17]但是，连接到另一个树形网络的树形网络在拓扑上仍然是树形网络，而不是不同的网络类型。当两种不同的基本网络拓扑连接时，总是会产生混合拓扑。

星型环网由两个或多个环网组成，这些环网使用多站接入单元（MAU）作为中央集线器。

雪花拓扑是星型网络中的一种。

另外两种混合网络类型是混合网络和分层星型。^[16]

4.7 雏菊链

除了基于星型的网络之外，向网络中添加更多计算机最简单的方法是雏菊链，或者将每台计算机串联到下一台。如果一条消息是给中途下线的计算机的，每个系统会按顺序传送它，直到它到达目的地。雏菊链网络可以采取两种基本形式：线性和环形。

• 线性拓扑在一台计算机和另一台计算机之间建立了双向连接。然而，在计算的早期，这是昂贵的，因为每台计算机（除了两端的那台）需要两台接收机和两台发射机。
• 通过在两端连接计算机，可以形成环形拓扑。该环的一个优点是发射机和接收机的数量可以减半，因为消息最终会一路循环。当节点发送消息时，该消息由环中的每台计算机处理。如果环在特定链路断开，那么传输可以通过反向路径发送，从而确保在单个故障的情况下所有节点始终连接。

星型拓扑通过连接所有外围节点（计算机等）来降低网络故障的概率以连接到中央节点。当物理星型拓扑应用于逻辑总线网络，如以太网时，该中心节点（传统上为集线器）将从任何外围节点接收的所有传输重新广播到网络上的所有外围节点，有时包括始发节点。因此，所有外围节点可以通过仅向中央节点发送和从中央节点接收来与所有其他节点通信。将任何外围节点连接到中心节点的传输线的故障将导致该外围节点与所有其他节点隔离，但其余外围节点将不受影响。然而，缺点是中心节点的故障将导致所有外围节点的故障。

如果中心节点是无源的，则始发节点必须能够容忍其自身传输的回波的接收，该回波被延迟了双向往返传输时间（即往返于中心节点）加上在中心节点中产生的任何延迟。主动星型网络具有主动中心节点，该节点通常具有防止回波相关问题的方法。

树形拓扑（也称为层次拓扑）可以看作是按层次排列的星型网络的集合。该树具有单独的外围节点（例如叶子），只需要向另一个节点发送和从另一个节点接收，而不需要充当中继器或再生器。与星型网络不同，中心节点的功能可以是分布式的。

如在传统星型网络中，单个节点因此仍然可能由于到节点的传输路径的单点故障而与网络隔离。如果连接一片叶子的链路出现故障，该叶子将被隔离；如果到非叶子节点的连接失败，网络的整个部分将与其余部分隔离。

为了减少来自向所有节点广播所有信号的网络流量，开发了更高级的中央节点，该中央节点能够跟踪连接到网络的节点的身份。这些网络交换机将通过在正常数据传输过程中“监听”每个端口、检查数据包并在存储器中保存的查找表中记录每个连接节点的地址/标识符以及它连接到哪个端口来“学习”网络布局。然后，该查找表只允许将来的传输被转发到预期的目的地。

在部分连接的网状拓扑中，至少有两个节点之间有两条或多条路径，以便在提供其中一条路径的链路出现故障时提供备用路径。当使用单个设备作为中心节点时，分散网络通常用于补偿出现的单点故障缺点（例如，在星型和树形网络中）。限制两个节点之间跳数的一种特殊网络是超立方体。网状网络中任意分叉的数量使得它们更难设计和实现，但是它们的分散性使得它们非常有用。2012年，电气和电子工程师协会（IEEE）发布了最短路径桥接协议，以简化配置任务，并允许所有路径都处于活动状态，从而增加所有设备之间的带宽和备用。^{[18][19][20][21][22]}

这在某些方面类似于网格网络，在网格网络中，线性或环形拓扑用于在多个方向上连接系统。例如，多维环具有环形拓扑。

完全连接的网络、完全拓扑或完全网状拓扑是指所有节点对之间都有直接链接的网络拓扑。在有n个节点的全连接网络中，有n（n-1）/2条直接链路。采用这种拓扑设计的网络通常建立起来非常昂贵，但是由于节点之间的大量备用链路为数据提供了多条路径，因此提供了高度的可靠性。这种拓扑结构在军事应用中最为常见。