計算機網絡拓撲結構分析
計算機網絡的拓撲結構分析是指從邏輯上抽象出網上計算機、網絡設備以及傳輸媒介所構成的線與節點間的關系加以研究，下面是小編搜集整理的一篇探究計算機網絡拓撲結構的論文范文，歡迎閱讀參考。
摘要：通過對計算機網絡拓撲結構的概念、分類、特點的介紹，在分析其復雜網絡結構的基礎上，探討出計算機網絡拓撲結構模型的有效構建，對其在實際應用中的冗余設計進行了研究，提高了網絡系統設計的可靠性、安全性。
關鍵詞：計算機網絡;拓撲結構;網絡協議;冗余設計
1、計算機網絡拓撲結構的概念和分類
計算機網絡的拓撲結構是指網上計算機或網絡設備與傳輸媒介所構成的線與節點的物理構成模式。計算機網絡的節點一般有兩大類：一是交換和轉換網絡信息的轉接節點，主要有：終端控制器、集線器、交換機等;二是各訪問節點，主要是終端和計算機主機等。其中線主要是指計算機網絡中的傳輸媒介，其有有形的，也有無形的，有形的叫“有線”，無形的叫“無線”。根據節點和線的連接形式，計算機網絡拓撲結構主要分為：總線型、星型、樹型、環型、網狀型、全互聯型拓撲結構。 如圖1所示。
總線型主要是由一條高速主干電纜也就是總線跟若干節點進行連接而成的網絡形式。此網絡結構的主要優點在于其靈活簡單，容易構建，性能較好;缺點是總線故障將對整個網絡產生影響，即主干總線將決定著整個網絡的命運。星型網絡主要是通過中央節點集線器跟周圍各節點進行連接而構成的網絡。此網絡通信必須通過中央節點方可實現。星型結構的優點在于其構網簡便、結構靈活，便于管理等;缺點是其中央節點負擔較重，容易形成系統的“瓶頸”，線路的利用率也不高。樹型拓撲是一種分級結構。在樹型結構的網絡中，任意兩個節點之間不產生回路，每條通路都支持雙向傳輸。這種結構的特點是擴充方便、靈活，成本低，易推廣，適合于分主次或分等級的層次型管理系統。環型拓撲結構主要是通過各節點首尾的彼此連接從而形成一個閉合環型線路，其信息的傳送是單向的，每個節點需安裝中繼器，以接收、放大、發送信號。這種結構的優點是結構簡單，建網容易，便于管理;其缺點是當節點過多時，將影響傳輸效率，不利于擴充。網狀型主要用于廣域網，由于節點之間有多條線路相連，所以網絡的可靠性較高。由于結構比較復雜，建設成本較高。
2、計算機網絡拓撲的特點
隨著網絡技術的發展，計算機網絡拓撲結構越來越呈現出一種復雜性。近些年來對于計算機拓撲的研究，越來越趨向于計算機拓撲節點度的冪律分布特點。這種分布在規模不同的網絡拓撲中表現出一定的穩定性，也就是指，在規模不同的計算機拓撲中，它們的節點度表現出一種冪律分布，即：P(k)=k-β。其中，β一般在2―3這個小范圍內進行波動，k是指節點度，P(k)表示度為k的節點出現的概率，即分布率。
計算機網絡作為一個復雜網絡，從其通信網絡的優化目的來說，其實現節點間平均距離最小化、網絡邊數最小化是其拓撲優化的主要目標，即未來通信網絡的趨勢就是小世界網絡�？墒怯嬎銠C網絡所覆蓋的范圍非常巨大，具有全球性，其拓撲結構的發展還面臨著許多技術上的問題。所以，對于計算機網絡拓撲結構的優化目標的實現有點不大可能。但盡管計算機的發展并不能實現拓撲設計的整體優化，它的`小世界、較少邊、高聚集等特性足以表明其還是具有小范圍優化的特點，這些特點的產生可表現出其一些規律，即計算機網絡具有優先連接和生長的規律。生長表示的是計算機具有動態增長的特性，所以計算機的拓撲結構也是一個動態的過程。優先連接規律表示新節點進入計算機網絡的規則，即在新節點加入網絡時會選擇擁有較大連接數的節點進行連接。
3、計算機網絡拓撲模型的構建
3.1一種復雜網絡拓撲模型
在世人發現計算機網絡節點度具有冪律分布的規律之后，計算機網絡拓撲模型的構建產生巨大的轉變。大家更多的選擇從優先連接和生長等這一網絡拓撲規律入手進行計算機網絡的拓撲建模，其主要是為了讓符合現實計算機拓撲性質的模型通過一些簡單規則的演化讓其自動地產生出來。利用優先連接來對新節點加入網絡的過程進行描述還比較粗糙，首先是因為新節點在加入之前，對網絡全局的信息進行了解和把握具有很大的難度，其次一個原因是單一的優先連接不能夠描述復雜的加入決策過程，而且在全網中容易形成少量的集散節點。所以要建立更加符合現實計算機拓撲特征的網絡模型則需要考慮更完善的加入規則。
現在對于構建計算機模型主要是依據自治域級和路由器級，但由于計算機網絡拓撲特性在不同層次和不同規模中表現出某種本質上的相似性，所以，本拓撲模型的構建都適應于這兩個級。此模型主要的規則是前面提到的通過生長和局部優先連接，來形成計算機拓撲模型，這種形成機制就好像一個層次化比較強的選舉過程，如圖2所示：
此模型首先假設在一個平面中分布著n個節點，并存在著一個離散的均勻走動的時鐘，這些節點都清楚自己是何時進入網絡的，這些節點進入網絡的時刻分布是從零時刻開始至具體某一特定時刻內的隨機分布。每個節點進入網絡前后的動作就是接收和發送消息及依據所接收的消息產生響應。發送和接收的消息中包括了自己的優先度以及消息傳達的范圍等內容。并且這些節點優先度將對其消息傳送的范圍即輻射半徑產生直接的影響。在節點接收消息之后往往是按照消息源的優先度來確定其是否跟發送消息的節點建立連接，若所接收到的許多消息源節點存在相近的優先度，其將會隨機地選擇一個消息源節點進行連接。通過這種規則進行不斷的演化和發展，將會得出圖2的結果。其中a圖表示計算機網絡形成的初始階段，那時僅僅只有一小部分節點進行活動，每個節點度都比較小，其發送和接收消息的范圍還比較小，所以這些節點往往只跟自己相鄰的節點進行連接。而隨著時間的不斷推進，節點度的不斷增加，各個節點的消息所能到達的距離越來越遠，即所形成的連接會越來越大、越來越多。在局部區域勝出的節點代表整個區域參與更大范圍的競爭，以致形成更大區域的代表。這個過程將持續下去，直到網絡中形成幾個較大的聚集中心。如圖2(b)、(c)所示，這種自組織的層次網絡并不具有預先設置的層次數。這就是計算機網絡拓撲結構的形成模型，是一種消息自組織和傳遞接收的模型。
3.2網絡拓撲結構體系與網絡協議的設置
由于網絡拓撲類型的多樣性，使得計算機網絡結構復雜多變。在這個系統中，網絡服務供給者和請求者之間的通信是在一個復雜網絡中進行的。對于復雜網絡中的問題，必須建立起符合計算機網絡拓撲結構體系的網絡協議。具體問題如下：①語言不同的網絡實體如何才可實現彼此通信?②如何才能保證網絡實體正確接收數據?③怎樣實現網絡中各實體之間的聯系?④數據怎樣傳送給指定的接收者?⑤怎樣避免網絡上數據傳輸沖突問題，怎樣對數據流進行控制以避免數據信息丟失?⑥如何通過介質進行網絡數據信息的傳輸?⑦在物理上的各種傳輸線路是如何建立的?
對于上述問題的解決，建立計算機網絡拓撲結構體系是一種有效途徑。計算機網絡拓撲結構體系主要是對網絡結構系統功能進行有效的分解，接著對各種分解后的功能進行設定，以滿意用戶的需求。這種網絡拓撲結構體系其實就是一個層次結構，它的特點主要是任何一層都是在前一層的基礎上建立起來的，其低層總是為高層服務。比如，第N層中的實體在實現自身定義的功能時，就充分利用N-1層提供的服務，由于N-1層同樣使用了N-2層的服務，所以N層也間接利用了N-2 層提供的功能。N層是將以下各層的功能“增值”，即加上自己的功能，為N+1提供更完善的服務，同時屏蔽具體實現這些功能的細節。其中，最低層是只提供服務而不使用其他層服務的基本層;而最高層肯定是應用層，它是系統最終目標的體現。
因此，計算機網絡拓撲結構體系的核心是如何合理地劃分層次，并確定每個層次的特定功能及相鄰層次之間的接口。由于各種局域網的不斷出現，迫切需要不同機種互聯，以滿足信息交換、資源共享及分布式處理等需求，這就要求計算機網絡體系結構標準化。在計算機網絡分層結構體系中，通常把每一層在通信中用到的規則與約定稱為協議。協議是一組形式化的描述，它是計算機通信的語言，也是計算機網絡軟硬件開發的依據。網絡中的計算機如果要相互“交談”，它們就必須使用一種標準的語言，有了共同的語言，交談的雙方才能相互“溝通”�？紤]到環境及通信介質的不可靠性，通信雙方要密切配合才能完成任務。通信前，雙方要取得聯絡，并協商通信參數、方式等;在通信過程中，要控制流量，進行錯誤檢測與恢復，保證所傳輸的信息準確無誤;在通信后，要釋放有關資源(如通信線路等)。由于這種通信是在不同的機器之間進行，故只能通過雙方交換特定的控制信息才能實現上述目的，而交換信息必須按一定的規則進行，只有這樣雙方才能保持同步，并能理解對方的要求。
4、計算機網絡架構冗余設計分析
計算機網絡架構冗余設計主要是指節點之間的鏈路冗余，也就是指在一條鏈路發生斷路時，可以通過其他冗余的鏈路進行通信，以保證數據的安全。網絡架構冗余設計一般是包括核心層和接入層兩個方面的冗余設計，核心層冗余設計主要是采用了節點之間的連線的網狀結構進行，即在一條線路斷路時可以通過其他的兩條或者兩條以上的線路進行通信;接入層冗余設計一般是通過雙上聯或者三上聯的方式進行的，如圖3所示。
通過計算機網絡架構的冗余設計，在一條線路或者多條線路斷路時，可以通過其他線路進行通信，從而將有效保證網絡數據的安全性，提升網絡系統的有效性。
5、結束語
在實際應用中，為了適應不同的要求，拓撲結構不一定是單一的，往往都是幾種結構的混用。這些結構的混合使得計算機網絡復雜性極強，在其拓撲結構構建和形成中表現出來、具體所形成的拓撲規則是：Internet網絡中節點的生長性和優先連接。通過其不斷的生長以及生長出的節點的優先連接，從而使網絡拓撲形成一種消息自組織和傳遞的過程，最終發展成一種網絡拓撲結構體系，其核心是一種層次結構，通過協議加以溝通，進行信息的傳遞。此外在設計過程中，還應充分考慮網絡的冗余設計，最大限度地保證網絡系統的可靠性、安全性。
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