网络拓扑结构

定义

网络拓扑结构指用传输介质互连各种设备所形成的物理布局，描述网络中成员之间特定的排列方式，这种排列既可能是真实存在的物理连接，也可能是逻辑上虚拟的连接^[1]。只要两个网络的连接结构相同，就可以认为它们的拓扑相同，即使两组网络内部的物理接线方式与结点间距并不一样^[2]。

在描述拓扑时通常涉及四个基本概念：节点指一个网络端口，分为负责转接传递信息的转节点与作为信息源点和目标点的访问节点；结点指一台连接了多个端口的网络设备；链路指两个节点之间的线路，有物理链路与逻辑链路之分；通路则是从发送节点到接收节点之间一串节点和链路的组合，一条通路中可能包含多条链路^[1]。

按照信道类型，通信子网可以分为点-点信道网络与广播信道网络两类，前者包括星形、环形、树形、网状和全连通形等结构，后者则有总线形、卫星或无线广播等形式^[3]。

原理

拓扑分析的理论基础来自图论。网络被抽象为由节点集合与支路集合组成的线图，线图中忽略元件性质，边的长短与弯曲程度都不重要，突出的是节点与支路之间的连接关系，这种连接关系及其派生的几何性质统称为拓扑性质^[4]。树被定义为包含线图全部节点但不含回路的连通子图，属于该树的支路称为树支，其余为连支；设线图有 n+1 个节点和 b 条支路，则树支恰有 n 条，连支有 b-n 条，利用树可以系统地找出一组最大数目的独立回路^[2]。

不同拓扑的转发机制差别很大。总线型结构中所有结点共享同一条公共通道，任一时刻只允许一个站点发送数据，其他站点被动接收并比对目的物理地址决定是否收取，因此需要分布式控制策略来仲裁发送权，常用的方式是基于冲突检测的载波侦听多路访问(CSMA/CD)协议^[5]。星形结构中中央结点执行集中式通信控制，各站点通信处理负担很小，任意两个节点之间的通信都要经过中心节点转接^[3]。环形结构中各结点通过环路接口连在首尾相接的闭合线路上，数据沿环依次经过每台设备，一个结点发出的信息必须穿越环中所有环路接口，直到绕回发送结点为止^[6]。

可以用图论的方式刻画结点与链路的连接关系：设网络由结点集合 $V$ 与链路集合 $E$ 构成，记作 $G=(V,E)$，星形结构中存在唯一中心结点 $v_0$，使每条链路都可写为 $(v_0, v_i)$；环形结构则可表示为一条闭合的节点序列 $v_1 - v_2 - \cdots - v_k - v_1$。

发展历程

拓扑方法的思想源头可以追溯到图论的创立。1736 年，瑞士数学家莱昂哈德·欧拉(Leonhard Euler)发表关于柯尼斯堡七桥问题的论文，把四块陆地抽象为点、七座桥抽象为边，由此开创了图论研究，这通常被视为网络拓扑研究的起点^[7]。1845 年和 1847 年，古斯塔夫·基尔霍夫(Gustav Kirchhoff)发表的两篇论文为网络拓扑应用于电网络分析奠定了基础，他首次用树的概念列出电路方程^[4]。

在计算机网络发展的早期，总线形结构是使用最普遍的一种，其最主要的实现是以太网，粗、细同轴电缆以太网就是总线型结构的典型代表^[8]。与之同期应用的还有令牌环等环形网络，令牌环网络通信结构最早由 IBM 推出，传输速率为 4 Mbit/s 和 16 Mbit/s，在令牌环网络中持有令牌的设备才被允许发送数据，从而保证同一时间只有一台设备传送信息^[9]。

随着企业组网规模扩大，能够集中管理和便于故障隔离的星形结构在局域网中占据主流地位，成为使用最多的结构^[2]。2004 年至 2007 年前后，数据中心普遍采用由核心层、汇聚层、接入层组成的三层网络结构，汇聚交换机通常是二层与三层网络的分界点^[10]。

2010 年以后，虚拟化技术带来大量虚拟机动态迁移需求，数据中心内部服务器之间的东西向流量迅速增长，而传统三层架构为南北向流量设计，东西向流量必须逐层经汇聚层与核心层转发，且生成树协议无法利用并行转发路径，拓扑收敛也较慢^[10]。为应对这一变化，数据中心网络在经历三层架构、胖树(Fat-Tree)架构之后逐步过渡到脊叶(Spine-Leaf)架构，被视为 CLOS 网络模型的又一次应用^[10]。

应用

总线型结构布线要求简单、扩充容易，一个端用户失效或增删不影响全网工作，适合信息管理系统和办公自动化等场景^[8]。环形结构因传输延时固定、实时性较好，特别适合实时控制的局域网系统，并可在楼内使用双绞线、在户外主干网使用光缆以提升速率和抗干扰能力^[5]。星形结构则被电话用户交换机(PBX)等系统采用，中央节点集中控制，可方便地提供服务和重新配置^[3]。

在当代数据中心中，脊叶架构成为主流组网方式：脊交换机充当主干，每个叶交换机连接到所有脊交换机，路径可以随机选择，使流量负载在脊交换机之间均匀分配，单个脊交换机故障只会造成网络性能略微下降^[11]。该架构使用等价多路径(ECMP)技术主动管理端点之间的多条可用路径，线上常使用 BGP 与 OSPF 等动态三层协议构建路由表^[12]。

在云数据中心中，虚拟可扩展局域网(VXLAN)等叠加网技术常与脊叶扁平组网结合使用，通过二层逻辑通道支持大二层互联，并可与软件定义网络(SDN)配合，实现转发平面与控制平面分离^[13]。工业过程控制领域中，现场总线(Fieldbus)一类基于总线的网络协议被用于在局域网内的多台设备之间建立双向数字通信，支撑自动化生产系统的实时控制^[14]。

局限

各基本拓扑都有难以回避的短板。总线型结构故障诊断困难，由于不是集中控制，故障检测需要在网上各个节点进行；介质故障的隔离也很麻烦，不能简单撤销某个工作站，否则会切断整段网络，通信介质或中间接口点出现故障可能导致整个网络随即瘫痪^[5]。同时，接入的设备越多，网络发送和接收数据就越慢，总线长度与可连接的结点数量都有一定限制^[5]。

星形结构的代价是过度依赖中央节点，中央节点一旦发生故障整个网络便无法工作，对中心设备的可靠性要求很高；当中央节点性能不足时，它还会成为整个网络的性能瓶颈^[5]。此外，每个站点都需单独与中央节点相连，需要大量电缆，在安装与维护方面容易出问题^[3]。

环形结构的可靠性较差，数据在环上的传输依赖接在环上的每个中继器，任意两个节点之间的电缆或中继器故障都会导致全网故障，且故障点难以定位；网络扩大或收缩等配置调整也比较困难^[5]。网状结构虽然容错能力强，但网络结构复杂、安装成本很高、软件控制麻烦，全网状拓扑还要求每个节点与其他所有节点直接相连，布线数量与接口数量都随之急剧增长^[15]。

拓扑设计本身也存在方法论上的限制。传统的拓扑方法在分析大型网络时计算量随规模急骤增加，因而一般局限于分析小型网络^[4]。实际网络也往往无法追求理论上的理想形态，例如在大规模数据中心里采用完全连接的非分层 Clos 拓扑并不经济也无必要，受物理条件制约，拓扑通常呈现一定的层次结构^[16]。

参见

• 图论 —— 研究节点与边所组成图形的数学分支，是网络拓扑分析的理论基础。

• 局域网 —— 网络拓扑结构最典型的应用场所，星形结构在其中使用最多。

• 以太网 —— 总线型拓扑最主要的实现，并成为局域网的标准。

• CSMA/CD —— 总线型网络用于仲裁发送权、降低碰撞影响的介质访问控制协议。

• 软件定义网络 —— 将转发平面与控制平面分离的网络架构，常与脊叶拓扑配合部署。