计算机网络中的环形拓扑

什么是网络？

网络是将一组设备通过链接连接起来的组合。我们可以通过网络连接计算机、手机和其他设备。我们也可以通过有线或无线方式连接网络。

什么是拓扑？

在计算机网络中，研究形状和图形被称为拓扑。在拓扑学中，我们可以研究形状和图形的传输。这意味着我们可以有一个形状；我们可以拉伸它、旋转它，甚至弯曲它，而拓扑学将告诉我们如何在不撕裂或损坏它的情况下做到这一点。

计算机网络中主要有两种类型的拓扑。一种是点集拓扑，另一种是代数拓扑。

• 点集拓扑
  点集拓扑也称为一般拓扑或集合论拓扑。它是数学的一个分支，专注于研究拓扑空间。拓扑空间是用于捕捉连续性、收敛性以及空间其他基本性质的概念的抽象数学结构，而无需依赖距离或度量等概念。
• 代数拓扑
  代数拓扑是数学的一个分支，它结合了代数和拓扑技术来研究拓扑空间及其性质。主要关注点是将代数结构（如群、环和模）与拓扑空间相关联，以捕捉本质的拓扑信息。这使得数学家可以通过代数方法研究拓扑空间，使复杂的拓扑问题更容易解决。

在计算机科学中，“拓扑”一词的用法与其在数学中的用法（点集拓扑或代数拓扑）不同。在计算机科学和计算机网络中，拓扑指的是网络中连接或链路在网络设备（如计算机、路由器和交换机）之间的排列或布局。网络拓扑定义了这些设备如何互连以及数据如何在它们之间流动。

计算机网络中有各种类型的拓扑。环形拓扑就是其中一种。在本文中，我们将学习环形拓扑。

什么是环形拓扑？

环形拓扑是一种网络配置，其中设备（如计算机或网络交换机）以圆形或环形方式连接。环形拓扑中的每个设备都连接到两个相邻的设备，形成一个闭环。数据以单向或双向方式在环中传输，并且通常使用令牌传递机制来控制数据传输。环形拓扑以其可靠性和内置的容错能力而闻名，因为即使环的一部分中断，数据仍然可以沿相反方向传输。

环形拓扑是一种常用于局域网（LAN）和广域网（WAN）的网络设置。在此设置中，计算机使用 RJ-45 网线或同轴电缆（取决于所使用的网卡）以圆形方式连接。环形拓扑的独特之处在于它不需要中央集线器即可工作。与其他配置相比，设置和修复此类网络的故障通常比较简单。

然而，存在一个潜在的缺点：如果环中的一台计算机未能传输数据，可能会中断整个网络。为了解决这个问题，一些环形设置使用双环结构。信息以顺时针和逆时针方向传输，如果一个方向发生故障，则提供备用路径。这些更健壮的系统称为冗余环结构，并提高了网络可靠性。

环形拓扑如何工作？

环形拓扑是一种网络配置，其中所有设备都连接成圆形或环形结构。在环形拓扑中，数据可以从一个设备传输到另一个设备，直到到达目的地。整个环形拓扑基于以下过程工作。

1. 物理连接
   在此步骤中，每个设备都连接到两个相邻的设备。根据所使用的技术，我们可以通过以太网电缆、光纤或无线链路等方式进行连接。
2. 单向或双向
   在环形拓扑中，数据可以单向或双向传输。在单向环中，数据沿环的一个方向传输。在双向环中，数据可以沿顺时针和逆时针方向传输。
   
   • 令牌传递：在环形拓扑中，令牌传递协议用于操作数据传输。令牌是一种特殊的控制数据包或信号，它在环中不断循环。只有持有令牌的设备才被允许向网络传输数据。
   • 数据传输：当设备之间需要传输数据时，它们必须等待令牌到达。一旦收到令牌，它就可以附加其数据并将其发送到环中。数据从一个设备传输到另一个设备，每个设备都会检查数据是否是发给它的。如果是，则设备接收数据；否则，它会简单地将其传递下去。
   • 数据接收：当数据完成在环中的传输过程，返回到发送方或到达其目标目的地时，接收方会提取并处理所有数据。其他设备会继续传递令牌，直到再次需要它。
   • 可靠性：环形拓扑通常是可靠的，因为它们具有闭环结构。如果环的一个段由于电缆断裂而中断，数据仍然可以沿相反方向传输，从而保持网络连接。然而，如果设备发生故障或令牌传递机制出现问题，则可能会中断整个网络。
   • 双环和冗余：一些环形网络使用双环结构来解决单点故障的潜在问题。数据同时以两个方向（顺时针和逆时针）传输，提供冗余。这些系统称为冗余环结构，并提高了可靠性。
   • 可伸缩性：我们可以通过添加更多设备来扩展环形拓扑。当网络变得更大时，管理和维护可能会变得更加困难。
   • 性能：环形拓扑的延迟较低，并且性能可预测，因为数据直接从一个设备传输到下一个设备，而不会像总线拓扑那样发生冲突。

环形拓扑是如何形成的？

我们可以通过将所有设备连接成圆形或环形结构来创建环形拓扑。借助以下内容，我们可以构建环形拓扑。

• 物理连接：所有设备，如计算机、服务器、交换机或网络节点，都通过网络电缆或通信链路进行物理连接。这些连接是点对点的。点对点意味着每个设备直接连接到两个相邻的设备。
• 布线：我们可以根据所使用的技术来使用电缆。基于以太网的环形拓扑通常使用双绞线以太网电缆（RJ-45）或光纤电缆进行物理连接。其他技术可能使用同轴电缆或无线链路。
• 配置：所有设备都这样排列，形成一个闭环或圆形结构。每个设备连接到环中其紧邻的两个邻居。这种配置可以是单向的（数据沿环的一个方向流动）或双向的（数据沿顺时针和逆时针方向流动）。
• 令牌传递（可选）：许多环形拓扑都使用令牌传递协议来操作数据传输。在这种情况下，令牌（一种特殊的控制信号或数据包）在环中循环。只有持有令牌的设备才能向网络传输数据。令牌传递有助于防止数据冲突。
• 初始化：我们可以通过其中一个设备将令牌引入网络来开始连接。该信号开始在环中循环，设备等待访问网络。
• 数据传输：当设备之间需要传输数据时，它必须等待令牌到达。一旦它获得了令牌，它就可以附加其数据并将其发送到环中。数据从设备传输到设备，每个设备都会检查数据是否是发给它的。如果是，则设备接收数据；否则，它会简单地将其传递下去。
• 数据接收：当数据完成在环中的传输后，返回到发送方或到达其目标目的地时，接收方会提取并处理数据。
• 持续运行：令牌或数据在环中循环，当设备持有令牌时，它们会继续访问网络。
• 可靠性：环形拓扑的设计旨在提供可靠性。如果电缆段或设备发生故障，数据仍然可以通过环中的相反方向传输，从而确保网络连接。但是，如果设备发生故障或令牌传递机制出现问题，则可能会中断网络。
• 冗余（可选）：一些环形网络通过使用双环结构来实现冗余。数据同时以两个方向（顺时针和逆时针）传输，以增强容错能力。这些设置称为冗余环结构。

环形拓扑的应用

环形拓扑在各种环境中都有应用，特别是在对可靠性和可预测性能要求较高的情况下。以下是环形拓扑的一些常见应用：

• 局域网 (LAN)：过去，环形拓扑曾用于局域网，连接少量到中等数量的计算机和设备。令牌环（Token Ring）是一种较旧的局域网技术，它使用了环形拓扑。虽然以太网在局域网中已在很大程度上取代了令牌环，但环形拓扑仍可以在特定的旧网络中找到。
• 工业控制系统：环形拓扑常用于工业控制系统和制造环境。这些网络需要高可靠性和低延迟来进行过程控制和自动化。冗余环拓扑经常用于确保网络可用性。
• 光纤网络：在光纤通信网络中，我们使用环形拓扑在网络节点之间进行数据传输。光纤环提供高带宽，并且可以通过自动保护切换 (APS) 进行配置，以便在光纤中断时快速重新路由流量。
• 城域网 (MAN)：有时，我们使用环形拓扑来构建连接城市或区域内不同地点的城域网。光纤环形网络可以为企业、政府机构和教育机构提供高速连接。
• 电信网络：电信在其长途和城域网络中使用环形拓扑以确保容错能力。同步数字体系 (SDH) 和同步光纤网络 (SONET) 网络通常采用环形拓扑。
• 公共安全和紧急服务：环形拓扑也用于公共安全网络和紧急服务之间的通信。它还能确保持续的连接和容错能力，这在通信可能关乎生死的这些应用中至关重要。
• 机场和交通网络：环形拓扑也用于机场、港口和交通枢纽，以连接各种系统，如安全摄像头、乘客信息显示屏和行李处理系统。冗余环确保持续运行。
• 智能电网：环形拓扑用于创建冗余通信网络。在智能电网用于电力分配的场景中，这有助于监控和控制电力分配，检测故障，并有效管理电力负荷。
• 视频监控系统：在大型视频监控系统中，摄像头分布在广阔的区域，环形拓扑可以确保数据可靠地传输回中央监控站。即使在网络故障的情况下，冗余环也有助于维持监控。
• 任务关键型数据中心：一些数据中心使用环形拓扑进行内部网络连接，以确保高可用性和低延迟数据访问。冗余和容错能力在数据中心运营中至关重要。

环形拓扑的优点

• 可靠性
  连接到环形拓扑的每个设备都具有容错能力。如果一条链路发生故障，数据流不会中断，数据会到达目的地。因此，容错是环形拓扑的主要优势。
• 确定性数据流
  在环形拓扑中，所有数据都以可预测的方式传输。这也有利于环形拓扑。拓扑结构主要需要的是数据能够以一致且可预测的延迟传输，例如在实时通信或工业控制系统中。
• 平等访问
  连接到环形拓扑的所有设备都可以平等地访问环形拓扑网络，因为它没有用于数据访问的中央服务器。这种方法可以保护拓扑免受网络拥塞或争用的影响。

环形拓扑的缺点

• 故障影响：环形拓扑对单点故障具有弹性，如果环同时在两个点断开（例如，由于两个设备故障），则整个网络可能会断开连接。这种情况称为“双重故障”问题。
• 可伸缩性有限：通过添加更多设备来扩展环形网络可能很困难且具有破坏性，因为它需要暂时中断环路以插入新设备。这对增长中的网络来说是一个重大缺点。
• 成本：与总线或星型等较简单的拓扑相比，环形拓扑的设置成本可能更高。每个设备都必须有两个连接，这会增加布线成本。
• 延迟：数据包在到达目的地之前必须遍历整个环。这可能会引入一些延迟，尤其是在拥有许多设备的庞大网络中。
• 复杂性：管理和排除环形拓扑的故障非常复杂。定位和修复环中的故障可能很困难，尤其是在较大的网络中。