計算機網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)分析
計算機網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)分析是指從邏輯上抽象出網(wǎng)上計算機、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及傳輸媒介所構(gòu)成的線與節(jié)點間的關(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(jié)構(gòu)的論文范文，歡迎閱讀參考。
摘要：通過對計算機網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的概念、分類、特點的介紹，在分析其復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，探討出計算機網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)模型的有效構(gòu)建，對其在實際應(yīng)用中的冗余設(shè)計進行了研究，提高了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計的可靠性、安全性。
關(guān)鍵詞：計算機網(wǎng)絡(luò);拓撲結(jié)構(gòu);網(wǎng)絡(luò)協(xié)議;冗余設(shè)計
1、計算機網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的概念和分類
計算機網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)是指網(wǎng)上計算機或網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與傳輸媒介所構(gòu)成的線與節(jié)點的物理構(gòu)成模式。計算機網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點一般有兩大類：一是交換和轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)信息的轉(zhuǎn)接節(jié)點，主要有：終端控制器、集線器、交換機等;二是各訪問節(jié)點，主要是終端和計算機主機等。其中線主要是指計算機網(wǎng)絡(luò)中的傳輸媒介，其有有形的，也有無形的，有形的叫“有線”，無形的叫“無線”。根據(jù)節(jié)點和線的連接形式，計算機網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)主要分為：總線型、星型、樹型、環(huán)型、網(wǎng)狀型、全互聯(lián)型拓撲結(jié)構(gòu)。 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(jié)點進行連接而成的網(wǎng)絡(luò)形式。此網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點在于其靈活簡單，容易構(gòu)建，性能較好;缺點是總線故障將對整個網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生影響，即主干總線將決定著整個網(wǎng)絡(luò)的命運。星型網(wǎng)絡(luò)主要是通過中央節(jié)點集線器跟周圍各節(jié)點進行連接而構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。此網(wǎng)絡(luò)通信必須通過中央節(jié)點方可實現(xiàn)。星型結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于其構(gòu)網(wǎng)簡便、結(jié)構(gòu)靈活，便于管理等;缺點是其中央節(jié)點負擔(dān)較重，容易形成系統(tǒng)的“瓶頸”，線路的利用率也不高。樹型拓撲是一種分級結(jié)構(gòu)。在樹型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，任意兩個節(jié)點之間不產(chǎn)生回路，每條通路都支持雙向傳輸。這種結(jié)構(gòu)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(tǒng)。環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)主要是通過各節(jié)點首尾的彼此連接從而形成一個閉合環(huán)型線路，其信息的傳送是單向的，每個節(jié)點需安裝中繼器，以接收、放大、發(fā)送信號。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，建網(wǎng)容易，便于管理;其缺點是當(dāng)節(jié)點過多時，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(jié)點之間有多條線路相連，所以網(wǎng)絡(luò)的可靠性較高。由于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，建設(shè)成本較高。
2、計算機網(wǎng)絡(luò)拓撲的特點
隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，計算機網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)越來越呈現(xiàn)出一種復(fù)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(jié)點度的冪律分布特點。這種分布在規(guī)模不同的網(wǎng)絡(luò)拓撲中表現(xiàn)出一定的穩(wěn)定性，也就是指，在規(guī)模不同的計算機拓撲中，它們的節(jié)點度表現(xiàn)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(nèi)進行波動，k是指節(jié)點度，P(k)表示度為k的節(jié)點出現(xiàn)的概率，即分布率。
計算機網(wǎng)絡(luò)作為一個復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，從其通信網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化目的來說，其實現(xiàn)節(jié)點間平均距離最小化、網(wǎng)絡(luò)邊數(shù)最小化是其拓撲優(yōu)化的主要目標(biāo)，即未來通信網(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(jié)構(gòu)的發(fā)展還面臨著許多技術(shù)上的問題。所以，對于計算機網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)化目標(biāo)的實現(xiàn)有點不大可能。但盡管計算機的發(fā)展并不能實現(xiàn)拓撲設(shè)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，這些特點的產(chǎn)生可表現(xiàn)出其一些規(guī)律，即計算機網(wǎng)絡(luò)具有優(yōu)先連接和生長的規(guī)律。生長表示的是計算機具有動態(tài)增長的特性，所以計算機的拓撲結(jié)構(gòu)也是一個動態(tài)的過程。優(yōu)先連接規(guī)律表示新節(jié)點進入計算機網(wǎng)絡(luò)的規(guī)則，即在新節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)時會選擇擁有較大連接數(shù)的節(jié)點進行連接。
3、計算機網(wǎng)絡(luò)拓撲模型的構(gòu)建
3.1一種復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)拓撲模型
在世人發(fā)現(xiàn)計算機網(wǎng)絡(luò)節(jié)點度具有冪律分布的規(guī)律之后，計算機網(wǎng)絡(luò)拓撲模型的構(gòu)建產(chǎn)生巨大的轉(zhuǎn)變。大家更多的選擇從優(yōu)先連接和生長等這一網(wǎng)絡(luò)拓撲規(guī)律入手進行計算機網(wǎng)絡(luò)的拓撲建模，其主要是為了讓符合現(xiàn)實計算機拓撲性質(zhì)的模型通過一些簡單規(guī)則的演化讓其自動地產(chǎn)生出來。利用優(yōu)先連接來對新節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的過程進行描述還比較粗糙，首先是因為新節(jié)點在加入之前，對網(wǎng)絡(luò)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(yōu)先連接不能夠描述復(fù)雜的加入決策過程，而且在全網(wǎng)中容易形成少量的集散節(jié)點。所以要建立更加符合現(xiàn)實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(guī)則。
現(xiàn)在對于構(gòu)建計算機模型主要是依據(jù)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(guī)模中表現(xiàn)出某種本質(zhì)上的相似性，所以，本拓撲模型的構(gòu)建都適應(yīng)于這兩個級。此模型主要的規(guī)則是前面提到的通過生長和局部優(yōu)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(shè)在一個平面中分布著n個節(jié)點，并存在著一個離散的均勻走動的時鐘，這些節(jié)點都清楚自己是何時進入網(wǎng)絡(luò)的，這些節(jié)點進入網(wǎng)絡(luò)的時刻分布是從零時刻開始至具體某一特定時刻內(nèi)的隨機分布。每個節(jié)點進入網(wǎng)絡(luò)前后的動作就是接收和發(fā)送消息及依據(jù)所接收的消息產(chǎn)生響應(yīng)。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(nèi)容。并且這些節(jié)點優(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(jié)點接收消息之后往往是按照消息源的優(yōu)先度來確定其是否跟發(fā)送消息的節(jié)點建立連接，若所接收到的許多消息源節(jié)點存在相近的優(yōu)先度，其將會隨機地選擇一個消息源節(jié)點進行連接。通過這種規(guī)則進行不斷的演化和發(fā)展，將會得出圖2的結(jié)果。其中a圖表示計算機網(wǎng)絡(luò)形成的初始階段，那時僅僅只有一小部分節(jié)點進行活動，每個節(jié)點度都比較小，其發(fā)送和接收消息的范圍還比較小，所以這些節(jié)點往往只跟自己相鄰的節(jié)點進行連接。而隨著時間的不斷推進，節(jié)點度的不斷增加，各個節(jié)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(qū)域勝出的節(jié)點代表整個區(qū)域參與更大范圍的競爭，以致形成更大區(qū)域的代表。這個過程將持續(xù)下去，直到網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)并不具有預(yù)先設(shè)置的層次數(shù)。這就是計算機網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)體系與網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的設(shè)置
由于網(wǎng)絡(luò)拓撲類型的多樣性，使得計算機網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變。在這個系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)供給者和請求者之間的通信是在一個復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中進行的。對于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中的問題，必須建立起符合計算機網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)體系的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。具體問題如下：①語言不同的網(wǎng)絡(luò)實體如何才可實現(xiàn)彼此通信?②如何才能保證網(wǎng)絡(luò)實體正確接收數(shù)據(jù)?③怎樣實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中各實體之間的聯(lián)系?④數(shù)據(jù)怎樣傳送給指定的接收者?⑤怎樣避免網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)傳輸沖突問題，怎樣對數(shù)據(jù)流進行控制以避免數(shù)據(jù)信息丟失?⑥如何通過介質(zhì)進行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)體系是一種有效途徑。計算機網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)體系主要是對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)功能進行有效的分解，接著對各種分解后的功能進行設(shè)定，以滿意用戶的需求。這種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)體系其實就是一個層次結(jié)構(gòu)，它的特點主要是任何一層都是在前一層的基礎(chǔ)上建立起來的，其低層總是為高層服務(wù)。比如，第N層中的實體在實現(xiàn)自身定義的功能時，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)，同時屏蔽具體實現(xiàn)這些功能的細節(jié)。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(yīng)用層，它是系統(tǒng)最終目標(biāo)的體現(xiàn)。
因此，計算機網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)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(wǎng)的不斷出現(xiàn)，迫切需要不同機種互聯(lián)，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(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化。在計算機網(wǎng)絡(luò)分層結(jié)構(gòu)體系中，通常把每一層在通信中用到的規(guī)則與約定稱為協(xié)議。協(xié)議是一組形式化的描述，它是計算機通信的語言，也是計算機網(wǎng)絡(luò)軟硬件開發(fā)的依據(jù)。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(biāo)準(zhǔn)的語言，有了共同的語言，交談的雙方才能相互“溝通”。考慮到環(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(shù)、方式等;在通信過程中，要控制流量，進行錯誤檢測與恢復(fù)，保證所傳輸?shù)男畔?zhǔn)確無誤;在通信后，要釋放有關(guān)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(xiàn)上述目的，而交換信息必須按一定的規(guī)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(wǎng)絡(luò)架構(gòu)冗余設(shè)計分析
計算機網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)冗余設(shè)計主要是指節(jié)點之間的鏈路冗余，也就是指在一條鏈路發(fā)生斷路時，可以通過其他冗余的鏈路進行通信，以保證數(shù)據(jù)的安全。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)冗余設(shè)計一般是包括核心層和接入層兩個方面的冗余設(shè)計，核心層冗余設(shè)計主要是采用了節(jié)點之間的連線的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)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(shè)計一般是通過雙上聯(lián)或者三上聯(lián)的方式進行的，如圖3所示。
通過計算機網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的冗余設(shè)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(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的安全性，提升網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的有效性。
5、結(jié)束語
在實際應(yīng)用中，為了適應(yīng)不同的要求，拓撲結(jié)構(gòu)不一定是單一的，往往都是幾種結(jié)構(gòu)的混用。這些結(jié)構(gòu)的混合使得計算機網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性極強，在其拓撲結(jié)構(gòu)構(gòu)建和形成中表現(xiàn)出來、具體所形成的拓撲規(guī)則是：Internet網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的生長性和優(yōu)先連接。通過其不斷的生長以及生長出的節(jié)點的優(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程，最終發(fā)展成一種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)體系，其核心是一種層次結(jié)構(gòu)，通過協(xié)議加以溝通，進行信息的傳遞。此外在設(shè)計過程中，還應(yīng)充分考慮網(wǎng)絡(luò)的冗余設(shè)計，最大限度地保證網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性、安全性。
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