计算机网络毕业论文计算机网络拓扑结构分析

计算机网络拓扑结构分析

计算机网络的拓扑结构分析是指从逻辑上抽象出网上计算机、网络设备以及传输媒介所构成的线与节点间的关系加以研究，下

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摘要：通过对计算机网络拓扑结构的概念、分类、特点的介绍，在分析其复杂网络结构的基础上，探讨出计算机网络拓扑结

构模型的有效构建，对其在实际应用中的冗余设计进行了研究，

提高了网络系统设计的可靠性、安全性。

关键词：计算机网络;拓扑结构;网络协议;冗余设计

1、计算机网络拓扑结构的概念和分类

计算机网络的拓扑结构是指网上计算机或网络设备与传输媒

介所构成的线与节点的物理构成模式。计算机网络的节点一般有

两大类：一是交换和转换网络信息的转接节点，主要有：终端控

制器、集线器、交换机等;二是各访问节点，主要是终端和计算机

主机等。其中线主要是指计算机网络中的传输媒介，其有有形的，也有无形的，有形的叫“有线”，无形的叫“无线”。根据节点

和线的连接形式，计算机网络拓扑结构主要分为：总线型、星型、树型、环型、网状型、全互联型拓扑结构。如图1所示。

总线型主要是由一条高速主干电缆也就是总线跟若干节点进

行连接而成的网络形式。此网络结构的主要优点在于其灵活简单，容易构建，性能较好;缺点是总线故障将对整个网络产生影响，即

主干总线将决定着整个网络的命运。星型网络主要是通过中央节

点集线器跟周围各节点进行连接而构成的网络。此网络通信必须

通过中央节点方可实现。星型结构的优点在于其构网简便、结构

灵活，便于管理等;缺点是其中央节点负担较重，容易形成系统的“瓶颈”，线路的利用率也不高。树型拓扑是一种分级结构。在

树型结构的网络中，任意两个节点之间不产生回路，每条通路都

支持双向传输。这种结构的特点是扩充方便、灵活，成本低，易

推广，适合于分主次或分等级的层次型管理系统。环型拓扑结构

主要是通过各节点首尾的彼此连接从而形成一个闭合环型线路，

其信息的传送是单向的，每个节点需安装中继器，以接收、放大、发送信号。这种结构的优点是结构简单，建网容易，便于管理;其

缺点是当节点过多时，将影响传输效率，不利于扩充。网状型主

要用于广域网，由于节点之间有多条线路相连，所以网络的可靠

性较高。由于结构比较复杂，建设成本较高。

2、计算机网络拓扑的特点

随着网络技术的发展，计算机网络拓扑结构越来越呈现出一

种复杂性。近些年来对于计算机拓扑的研究，越来越趋向于计算

机拓扑节点度的幂律分布特点。这种分布在规模不同的网络拓扑

中表现出一定的稳定性，也就是指，在规模不同的计算机拓扑中，它们的节点度表现出一种幂律分布，即：P(k)=k-β。其中，β一般在2―3这个小范围内进行波动，k是指节点度，P(k)表示度为

k的节点出现的概率，即分布率。

计算机网络作为一个复杂网络，从其通信网络的优化目的来说，其实现节点间平均距离最小化、网络边数最小化是其拓扑优化的主要目标，即未来通信网络的趋势就是小世界网络。可是计算机网络所覆盖的范围非常巨大，具有全球性，其拓扑结构的发展还面临着许多技术上的问题。所以，对于计算机网络拓扑结构的优化目标的实现有点不大可能。但尽管计算机的发展并不能实现拓扑设计的整体优化，它的小世界、较少边、高聚集等特性足以表明其还是具有小范围优化的特点，这些特点的产生可表现出其一些规律，即计算机网络具有优先连接和生长的规律。生长表示的是计算机具有动态增长的特性，所以计算机的拓扑结构也是一个动态的过程。优先连接规律表示新节点进入计算机网络的规则，即在新节点加入网络时会选择拥有较大连接数的节点进行连接。

3、计算机网络拓扑模型的构建

3.1一种复杂网络拓扑模型

在世人发现计算机网络节点度具有幂律分布的规律之后，计算机网络拓扑模型的构建产生巨大的转变。大家更多的选择从优先连接和生长等这一网络拓扑规律入手进行计算机网络的拓扑建模，其主要是为了让符合现实计算机拓扑性质的模型通过一些简单规则的演化让其自动地产生出来。利用优先连接来对新节点加入网络的过程进行描述还比较粗糙，首先是因为新节点在加入之前，对网络全局的信息进行了解和把握具有很大的难度，其次一个原因是单一的优先连接不能够描述复杂的加入决策过程，而且

在全网中容易形成少量的集散节点。所以要建立更加符合现实计算机拓扑特征的网络模型则需要考虑更完善的加入规则。

现在对于构建计算机模型主要是依据自治域级和路由器级，但由于计算机网络拓扑特性在不同层次和不同规模中表现出某种本质上的相似性，所以，本拓扑模型的构建都适应于这两个级。此模型主要的规则是前面提到的通过生长和局部优先连接，来形成计算机拓扑模型，这种形成机制就好像一个层次化比较强的选举过程，如图2所示：

此模型首先假设在一个平面中分布着n个节点，并存在着一个离散的均匀走动的时钟，这些节点都清楚自己是何时进入网络的，这些节点进入网络的时刻分布是从零时刻开始至具体某一特定时刻内的随机分布。每个节点进入网络前后的动作就是接收和发送消息及依据所接收的消息产生响应。发送和接收的消息中包括了自己的优先度以及消息传达的范围等内容。并且这些节点优先度将对其消息传送的范围即辐射半径产生直接的影响。在节点接收消息之后往往是按照消息源的优先度来确定其是否跟发送消息的节点建立连接，若所接收到的许多消息源节点存在相近的优先度，其将会随机地选择一个消息源节点进行连接。通过这种规则进行不断的演化和发展，将会得出图2的结果。其中a图表示计算机网络形成的初始阶段，那时仅仅只有一小部分节点进行活动，每个节点度都比较小，其发送和接收消息的范围还比较小，所以这些节点往往只跟自己相邻的节点进行连接。而随着时间的不断推进，节点度的不断增加，各个节点的消息所能到达的距离越来越远，即所形成的连接会越来越大、越来越多。在局部区域胜出的节点代表整个区域参与更大范围的竞争，以致形成更大区域的代表。这个过程将持续下去，直到网络中形成几个较大的聚