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計算機網(wǎng)絡(luò )拓撲結構分析
計算機網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構分析是指從邏輯上抽象出網(wǎng)上計算機、網(wǎng)絡(luò )設備以及傳輸媒介所構成的線(xiàn)與節點(diǎn)間的關(guān)系加以研究，下面是小編搜集整理的一篇探究計算機網(wǎng)絡(luò )拓撲結構的論文范文，歡迎閱讀參考。
摘要：通過(guò)對計算機網(wǎng)絡(luò )拓撲結構的概念、分類(lèi)、特點(diǎn)的介紹，在分析其復雜網(wǎng)絡(luò )結構的基礎上，探討出計算機網(wǎng)絡(luò )拓撲結構模型的有效構建，對其在實(shí)際應用中的冗余設計進(jìn)行了研究，提高了網(wǎng)絡(luò )系統設計的可靠性、安全性。
關(guān)鍵詞：計算機網(wǎng)絡(luò );拓撲結構;網(wǎng)絡(luò )協(xié)議;冗余設計
1、計算機網(wǎng)絡(luò )拓撲結構的概念和分類(lèi)
計算機網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構是指網(wǎng)上計算機或網(wǎng)絡(luò )設備與傳輸媒介所構成的線(xiàn)與節點(diǎn)的物理構成模式。計算機網(wǎng)絡(luò )的節點(diǎn)一般有兩大類(lèi)：一是交換和轉換網(wǎng)絡(luò )信息的轉接節點(diǎn)，主要有：終端控制器、集線(xiàn)器、交換機等;二是各訪(fǎng)問(wèn)節點(diǎn)，主要是終端和計算機主機等。其中線(xiàn)主要是指計算機網(wǎng)絡(luò )中的傳輸媒介，其有有形的，也有無(wú)形的，有形的叫“有線(xiàn)”，無(wú)形的叫“無(wú)線(xiàn)”。根據節點(diǎn)和線(xiàn)的連接形式，計算機網(wǎng)絡(luò )拓撲結構主要分為：總線(xiàn)型、星型、樹(shù)型、環(huán)型、網(wǎng)狀型、全互聯(lián)型拓撲結構。 如圖1所示。
總線(xiàn)型主要是由一條高速主干電纜也就是總線(xiàn)跟若干節點(diǎn)進(jìn)行連接而成的網(wǎng)絡(luò )形式。此網(wǎng)絡(luò )結構的主要優(yōu)點(diǎn)在于其靈活簡(jiǎn)單，容易構建，性能較好;缺點(diǎn)是總線(xiàn)故障將對整個(gè)網(wǎng)絡(luò )產(chǎn)生影響，即主干總線(xiàn)將決定著(zhù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的命運。星型網(wǎng)絡(luò )主要是通過(guò)中央節點(diǎn)集線(xiàn)器跟周?chē)鞴濣c(diǎn)進(jìn)行連接而構成的網(wǎng)絡(luò )。此網(wǎng)絡(luò )通信必須通過(guò)中央節點(diǎn)方可實(shí)現。星型結構的優(yōu)點(diǎn)在于其構網(wǎng)簡(jiǎn)便、結構靈活，便于管理等;缺點(diǎn)是其中央節點(diǎn)負擔較重，容易形成系統的“瓶頸”，線(xiàn)路的利用率也不高。樹(shù)型拓撲是一種分級結構。在樹(shù)型結構的網(wǎng)絡(luò )中，任意兩個(gè)節點(diǎn)之間不產(chǎn)生回路，每條通路都支持雙向傳輸。這種結構的特點(diǎn)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(huán)型拓撲結構主要是通過(guò)各節點(diǎn)首尾的彼此連接從而形成一個(gè)閉合環(huán)型線(xiàn)路，其信息的傳送是單向的，每個(gè)節點(diǎn)需安裝中繼器，以接收、放大、發(fā)送信號。這種結構的優(yōu)點(diǎn)是結構簡(jiǎn)單，建網(wǎng)容易，便于管理;其缺點(diǎn)是當節點(diǎn)過(guò)多時(shí)，將影響傳輸效率，不利于擴充。網(wǎng)狀型主要用于廣域網(wǎng)，由于節點(diǎn)之間有多條線(xiàn)路相連，所以網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)絡(luò )拓撲的特點(diǎn)
隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展，計算機網(wǎng)絡(luò )拓撲結構越來(lái)越呈現出一種復雜性。近些年來(lái)對于計算機拓撲的研究，越來(lái)越趨向于計算機拓撲節點(diǎn)度的冪律分布特點(diǎn)。這種分布在規模不同的網(wǎng)絡(luò )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(diǎn)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(gè)小范圍內進(jìn)行波動(dòng)，k是指節點(diǎn)度，P(k)表示度為k的節點(diǎn)出現的概率，即分布率。
計算機網(wǎng)絡(luò )作為一個(gè)復雜網(wǎng)絡(luò )，從其通信網(wǎng)絡(luò )的優(yōu)化目的來(lái)說(shuō)，其實(shí)現節點(diǎn)間平均距離最小化、網(wǎng)絡(luò )邊數最小化是其拓撲優(yōu)化的主要目標，即未來(lái)通信網(wǎng)絡(luò )的趨勢就是小世界網(wǎng)絡(luò )�？墒怯嬎銠C網(wǎng)絡(luò )所覆蓋的范圍非常巨大，具有全球性，其拓撲結構的發(fā)展還面臨著(zhù)許多技術(shù)上的問(wèn)題。所以，對于計算機網(wǎng)絡(luò )拓撲結構的優(yōu)化目標的實(shí)現有點(diǎn)不大可能。但盡管計算機的發(fā)展并不能實(shí)現拓撲設計的整體優(yōu)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(yōu)化的特點(diǎn)，這些特點(diǎn)的產(chǎn)生可表現出其一些規律，即計算機網(wǎng)絡(luò )具有優(yōu)先連接和生長(cháng)的規律。生長(cháng)表示的是計算機具有動(dòng)態(tài)增長(cháng)的特性，所以計算機的拓撲結構也是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程。優(yōu)先連接規律表示新節點(diǎn)進(jìn)入計算機網(wǎng)絡(luò )的規則，即在新節點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò )時(shí)會(huì )選擇擁有較大連接數的節點(diǎn)進(jìn)行連接。
3、計算機網(wǎng)絡(luò )拓撲模型的構建
3.1一種復雜網(wǎng)絡(luò )拓撲模型
在世人發(fā)現計算機網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)度具有冪律分布的規律之后，計算機網(wǎng)絡(luò )拓撲模型的構建產(chǎn)生巨大的轉變。大家更多的選擇從優(yōu)先連接和生長(cháng)等這一網(wǎng)絡(luò )拓撲規律入手進(jìn)行計算機網(wǎng)絡(luò )的拓撲建模，其主要是為了讓符合現實(shí)計算機拓撲性質(zhì)的模型通過(guò)一些簡(jiǎn)單規則的演化讓其自動(dòng)地產(chǎn)生出來(lái)。利用優(yōu)先連接來(lái)對新節點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò )的過(guò)程進(jìn)行描述還比較粗糙，首先是因為新節點(diǎn)在加入之前，對網(wǎng)絡(luò )全局的信息進(jìn)行了解和把握具有很大的難度，其次一個(gè)原因是單一的優(yōu)先連接不能夠描述復雜的加入決策過(guò)程，而且在全網(wǎng)中容易形成少量的集散節點(diǎn)。所以要建立更加符合現實(shí)計算機拓撲特征的網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)絡(luò )拓撲特性在不同層次和不同規模中表現出某種本質(zhì)上的相似性，所以，本拓撲模型的構建都適應于這兩個(gè)級。此模型主要的規則是前面提到的通過(guò)生長(cháng)和局部?jì)?yōu)先連接，來(lái)形成計算機拓撲模型，這種形成機制就好像一個(gè)層次化比較強的選舉過(guò)程，如圖2所示：
此模型首先假設在一個(gè)平面中分布著(zhù)n個(gè)節點(diǎn)，并存在著(zhù)一個(gè)離散的均勻走動(dòng)的時(shí)鐘，這些節點(diǎn)都清楚自己是何時(shí)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò )的，這些節點(diǎn)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò )的時(shí)刻分布是從零時(shí)刻開(kāi)始至具體某一特定時(shí)刻內的隨機分布。每個(gè)節點(diǎn)進(jìn)入網(wǎng)絡(luò )前后的動(dòng)作就是接收和發(fā)送消息及依據所接收的消息產(chǎn)生響應。發(fā)送和接收的消息中包括了自己的優(yōu)先度以及消息傳達的范圍等內容。并且這些節點(diǎn)優(yōu)先度將對其消息傳送的范圍即輻射半徑產(chǎn)生直接的影響。在節點(diǎn)接收消息之后往往是按照消息源的優(yōu)先度來(lái)確定其是否跟發(fā)送消息的節點(diǎn)建立連接，若所接收到的許多消息源節點(diǎn)存在相近的優(yōu)先度，其將會(huì )隨機地選擇一個(gè)消息源節點(diǎn)進(jìn)行連接。通過(guò)這種規則進(jìn)行不斷的演化和發(fā)展，將會(huì )得出圖2的結果。其中a圖表示計算機網(wǎng)絡(luò )形成的初始階段，那時(shí)僅僅只有一小部分節點(diǎn)進(jìn)行活動(dòng)，每個(gè)節點(diǎn)度都比較小，其發(fā)送和接收消息的范圍還比較小，所以這些節點(diǎn)往往只跟自己相鄰的節點(diǎn)進(jìn)行連接。而隨著(zhù)時(shí)間的不斷推進(jìn)，節點(diǎn)度的不斷增加，各個(gè)節點(diǎn)的消息所能到達的距離越來(lái)越遠，即所形成的連接會(huì )越來(lái)越大、越來(lái)越多。在局部區域勝出的節點(diǎn)代表整個(gè)區域參與更大范圍的競爭，以致形成更大區域的代表。這個(gè)過(guò)程將持續下去，直到網(wǎng)絡(luò )中形成幾個(gè)較大的聚集中心。如圖2(b)、(c)所示，這種自組織的層次網(wǎng)絡(luò )并不具有預先設置的層次數。這就是計算機網(wǎng)絡(luò )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(wǎng)絡(luò )拓撲結構體系與網(wǎng)絡(luò )協(xié)議的設置
由于網(wǎng)絡(luò )拓撲類(lèi)型的多樣性，使得計算機網(wǎng)絡(luò )結構復雜多變。在這個(gè)系統中，網(wǎng)絡(luò )服務(wù)供給者和請求者之間的通信是在一個(gè)復雜網(wǎng)絡(luò )中進(jìn)行的。對于復雜網(wǎng)絡(luò )中的問(wèn)題，必須建立起符合計算機網(wǎng)絡(luò )拓撲結構體系的網(wǎng)絡(luò )協(xié)議。具體問(wèn)題如下：①語(yǔ)言不同的網(wǎng)絡(luò )實(shí)體如何才可實(shí)現彼此通信?②如何才能保證網(wǎng)絡(luò )實(shí)體正確接收數據?③怎樣實(shí)現網(wǎng)絡(luò )中各實(shí)體之間的聯(lián)系?④數據怎樣傳送給指定的接收者?⑤怎樣避免網(wǎng)絡(luò )上數據傳輸沖突問(wèn)題，怎樣對數據流進(jìn)行控制以避免數據信息丟失?⑥如何通過(guò)介質(zhì)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )數據信息的傳輸?⑦在物理上的各種傳輸線(xiàn)路是如何建立的?
對于上述問(wèn)題的解決，建立計算機網(wǎng)絡(luò )拓撲結構體系是一種有效途徑。計算機網(wǎng)絡(luò )拓撲結構體系主要是對網(wǎng)絡(luò )結構系統功能進(jìn)行有效的分解，接著(zhù)對各種分解后的功能進(jìn)行設定，以滿(mǎn)意用戶(hù)的需求。這種網(wǎng)絡(luò )拓撲結構體系其實(shí)就是一個(gè)層次結構，它的特點(diǎn)主要是任何一層都是在前一層的基礎上建立起來(lái)的，其低層總是為高層服務(wù)。比如，第N層中的實(shí)體在實(shí)現自身定義的功能時(shí)，就充分利用N-1層提供的服務(wù)，由于N-1層同樣使用了N-2層的服務(wù)，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(wù)，同時(shí)屏蔽具體實(shí)現這些功能的細節。其中，最低層是只提供服務(wù)而不使用其他層服務(wù)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(wǎng)絡(luò )拓撲結構體系的核心是如何合理地劃分層次，并確定每個(gè)層次的特定功能及相鄰層次之間的接口。由于各種局域網(wǎng)的不斷出現，迫切需要不同機種互聯(lián)，以滿(mǎn)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(wǎng)絡(luò )體系結構標準化。在計算機網(wǎng)絡(luò )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(chēng)為協(xié)議。協(xié)議是一組形式化的描述，它是計算機通信的語(yǔ)言，也是計算機網(wǎng)絡(luò )軟硬件開(kāi)發(fā)的依據。網(wǎng)絡(luò )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(yǔ)言，有了共同的語(yǔ)言，交談的雙方才能相互“溝通”�？紤]到環(huán)境及通信介質(zhì)的不可靠性，通信雙方要密切配合才能完成任務(wù)。通信前，雙方要取得聯(lián)絡(luò )，并協(xié)商通信參數、方式等;在通信過(guò)程中，要控制流量，進(jìn)行錯誤檢測與恢復，保證所傳輸的信息準確無(wú)誤;在通信后，要釋放有關(guān)資源(如通信線(xiàn)路等)。由于這種通信是在不同的機器之間進(jìn)行，故只能通過(guò)雙方交換特定的控制信息才能實(shí)現上述目的，而交換信息必須按一定的規則進(jìn)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(wǎng)絡(luò )架構冗余設計分析
計算機網(wǎng)絡(luò )架構冗余設計主要是指節點(diǎn)之間的鏈路冗余，也就是指在一條鏈路發(fā)生斷路時(shí)，可以通過(guò)其他冗余的鏈路進(jìn)行通信，以保證數據的安全。網(wǎng)絡(luò )架構冗余設計一般是包括核心層和接入層兩個(gè)方面的冗余設計，核心層冗余設計主要是采用了節點(diǎn)之間的連線(xiàn)的網(wǎng)狀結構進(jìn)行，即在一條線(xiàn)路斷路時(shí)可以通過(guò)其他的兩條或者兩條以上的線(xiàn)路進(jìn)行通信;接入層冗余設計一般是通過(guò)雙上聯(lián)或者三上聯(lián)的方式進(jìn)行的，如圖3所示。
通過(guò)計算機網(wǎng)絡(luò )架構的冗余設計，在一條線(xiàn)路或者多條線(xiàn)路斷路時(shí)，可以通過(guò)其他線(xiàn)路進(jìn)行通信，從而將有效保證網(wǎng)絡(luò )數據的安全性，提升網(wǎng)絡(luò )系統的有效性。
5、結束語(yǔ)
在實(shí)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(wǎng)絡(luò )復雜性極強，在其拓撲結構構建和形成中表現出來(lái)、具體所形成的拓撲規則是：Internet網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)的生長(cháng)性和優(yōu)先連接。通過(guò)其不斷的生長(cháng)以及生長(cháng)出的節點(diǎn)的優(yōu)先連接，從而使網(wǎng)絡(luò )拓撲形成一種消息自組織和傳遞的過(guò)程，最終發(fā)展成一種網(wǎng)絡(luò )拓撲結構體系，其核心是一種層次結構，通過(guò)協(xié)議加以溝通，進(jìn)行信息的傳遞。此外在設計過(guò)程中，還應充分考慮網(wǎng)絡(luò )的冗余設計，最大限度地保證網(wǎng)絡(luò )系統的可靠性、安全性。
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