時間：2023-05-30 10:16:40
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇拓撲結構，希望這些內容能成為您創作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
中圖分類號：TP393
1 網絡拓撲概述
網絡拓撲是網絡的形狀，或者它在物理上的連通性，網絡拓撲所關心的是網絡的連接關系以及其圖形表示，并不在意其所連接的節點的各種細節，計算機網絡拓撲結構有節點和鏈路組成，本文所研究的網絡拓撲結構包括總線型、環形、星形、樹形、胖樹形、網格、分布式、full-mesh網絡拓撲結構。
2 網絡拓撲結構的評價指標
本文所研究的網絡拓撲結構都是靜態的網絡，網絡結構一般不會發生改變。其評價指標主要有：（1）節點的度：與節點相連接的邊的數目，模塊化設計要求節點的度保持恒定。（2）距離：兩個節點之間相連的最少邊數。（3）網絡直徑：網絡中任意兩個節點之間距離的的最大值。（4）對稱性：從任何節點看，拓撲結構都一樣，這樣的網絡模擬編程比較容易。
3 各種不同的網絡拓撲結構及其分析
3.1 總線型網絡拓撲結構
總線型拓撲結構是采用單根傳輸線作為總線，將網絡中所有的站點通過相應的接口和電纜直接連接到這根共享的總線上，這些站點共享一條數據通道。任何一個節點信息都可以沿著總線向兩個方向傳播擴散，并且能被總線中任何一個節點所接收。在總線型結構中，設節點數為N，則鏈路數為N+1；每個節點的度為1，對于結構的模塊化比較方便；網絡直徑定義為2，信息傳送相對比較快速；網絡拓撲結構不對稱。總線型拓撲結構的優點：易于分布，擴充方便；其主鏈路為雙向通道，便于信息進行網播式傳播；分布式控制；結構可靠性較高；系統的可擴充性較高。
總線型拓撲結構的缺點：故障診斷困難；故障隔離困難；對節點要求較高，每個節點都要有介質訪問控制功能；所有的工作站通信均通過一條共用的總線，實時性很差。
3.2 環型拓撲結構
環型拓撲結構中各節點通過環路接口連在一條首尾相連的閉合環型通信線路中，環路中各節點地位相同，環路上任何節點均可請求發送信息，請求一旦被批準，便可以向環路發送信息。這種結構使公共傳輸電纜組成環形連接，數據在環路中只能單向傳輸。對于有N個節點的環形拓撲結構，鏈路數為N；直徑為N-1，不同的節點之間網絡時間差距比較大；節點的度為2，對于模塊化也比較方便，網絡結構對稱。環型拓撲結構的優點：兩個節點間僅有唯一的通路，簡化了路徑選擇的控制；某個節點發生故障時，可以自動旁路，可靠性較高；所需電纜長度比星型拓撲要短得多。環型拓撲結構的缺點：要擴充網絡中環的配置或關閉一些已連入環的站點，都會影響網絡的正常運行；當節點過多時，影響傳輸效率，但當網絡確定時，其延時固定，實時性強。
3.3 星型拓撲結構
星型拓撲結構是一種以中央節點為中心，把若干節點連接起來的輻射式互聯結構。網絡中的各節點通過點到點的方式連接到一個中央節點上，由該中央節點向目的節點傳送信息。中央節點執行集中式通信控制策略，因此中央節點相當復雜，負擔比各節點重得多。對于有N個節點的星型網絡，鏈路數為N-1，網絡直徑為2，不同節點之間消息傳送時延恒定；最大節點度為N-1；網絡結構對稱。星型結構的優點：網絡結構簡單，便于大型網絡的維護和調試；控制簡單；網絡延遲時間較短，誤碼率較低；每個連接只接一個設備，單個連接的故障只影響一個設備，不會影響全網。星型結構的缺點：一條通信線路只被該線路上的中央節點和一個站點使用，因此線路利用率不高；對中央節點的依賴性較強，所以對中央節點的可靠性和冗余度要求較高。
3.4 樹型網絡結構
樹型網絡結構實際上是星型拓撲結構的擴展。在樹型網絡結構中，網絡節點是分層進行連接，越是靠近根節點，節點位置越靠近主干，節點的穩定性越重要；越是靠近葉子節點，節點的重要性相對也降低，節點的功能喪失對整個系統的影響相對減小。任何一個節點送出的信息都由根接收后重新發送到所有的節點，可以傳遍整個傳輸介質，也是廣播式網。對于特殊的樹形結構完全二叉樹，N=2^k-1個節點，大多數節點的度為3，對于結構的模塊化很方便，直徑為2（k-1）反映了樹形結構兩個節點之間傳輸信息的最大代價，另外樹型網絡拓撲結構不對稱。樹形結構的優點：易于擴展，有較強的可折疊性，故障隔離容易，樹形結構可以減少布線投資。樹形結構的缺點：一旦靠近根節點的系統出現故障，整個系統都將癱瘓，對靠近根節點的安全性，穩定性要求很高
3.5 胖樹網絡結構
胖樹是樹型拓撲結構的擴展。它具有樹型拓撲結構的層次特性，可以向下擴展，但是和樹型不同的是在層次之間，層次之間采用了一種類似全連接的方式來建立拓撲，例如第二層的任一節點跟第三層及第一層的所有節點之間都有連接。網絡結構中信息的交換主要也是發生在層次之間，同層的節點信息沒有交換。設胖數的層數為n，每層的節點數分別為x1，x2，…xn，則胖數中總的節點數為s=x1+x2+…xn，第i層節點的度=第i-1層的度+第i+1層的度，每一次節點的度都是一樣的，對于模塊化也是比較方便的。網絡的直徑為n-1，網絡的通信速度會更加的快。不對稱。胖樹拓撲的優點：相比樹型拓撲，網絡的健壯性受根節點附近節點影響明顯減弱，某一個中央處理設備癱瘓后，底層節點還可以通過其他的路徑來傳送信息，拓撲結構更加的安全穩定；易于擴展；網絡中信息交換的速度與樹形結構相比也有明顯的加快。胖樹拓撲的缺點：網絡結構比較復雜，當節點很多的時候，建立拓撲速度會比較慢；網絡中的鏈路數明顯增多，網絡結構建模的造價相對比較高。
3.6 網格拓撲結構
網格結構是一種比較比較規律的結構，就像我們畫出的表格一樣，每個網絡節點占據表格的一個節點，網格拓撲的大小取決于網格的行數和列數，除了邊界和頂點節點網格中的每一個節點的鄰居為4，其可靠性和穩定性都比較好，不會因為某一個節點的功能喪失而影響整個網絡。對于有N個節點的r*r的網格結構，有2N-2r條鏈路，直徑為2（r-1），網絡通信開銷相對比較大，節點的度為4，對于拓撲模型的模塊化比較有利。網格拓撲的優點：結構比較的清晰，規律，模型構建容易；網格拓撲的缺點：網絡連接復雜，構建網絡的成本也比較的大
3.7 分布式拓撲結構
分布式結構的網絡是將分布在不同地點的網絡節點通過線路互連起來的一種網絡形式，網中任一點均至少與兩條線路相連，當任意一條線路發生故障時，通信可轉經其他鏈路完成，具有較高的可靠性。同時，網絡易于擴充。分布式拓撲結構優點：采用分散控制，即使整個網絡中的某個局部出現故障，也不會影響全網的操作，可靠性好；各個節點間均可以直接建立數據鏈路，信息流程最短；便于全網范圍內的資源共享。分布式拓撲結構缺點：連接線路用電纜長，造價高；網絡管理軟件復雜；報文分組交換、路徑選擇、流向控制復雜；在一般局域網中不采用這種結構。
3.8 全鏈接（Full-mesh）網絡拓撲結構
Full-mesh是分布式結構的一殊情況，Full-mesh是所有的節點之間都有直接連接的方式，是帶弦環的一種特殊情形在full-mesh網絡結構中，每個網絡節點都要么有一條物理電路要么有一條虛擬電路與所有其他網絡節點相連。Full-mesh提供了大量的冗余，從而可以保證網絡通道的安全性和穩定性。對與有N個節點的full-mesh網絡，網絡中的鏈路數為n（n-1）/2，和相同節點的其他網絡相比，full-mesh的通信鏈路最多。網絡直徑為1，這也說明了上邊的分析，網絡通信非常的方便，這方面性能比其他的網絡有更大的優勢，網絡的度為N-1，節點的度恒定，這種網絡對于模塊化也是最好的。Full-mesh網絡拓撲的優點：在該網絡中所有的節點之間可以通過虛擬通道或者物理通道直接交換信息，當兩個節點之間的之間鏈路無法進行通信的時候，可以通過其他的線路通信，網絡通信的延遲以及信息的丟失率會非常的低。Full-mesh網絡拓撲的缺點：兩個節點之間直接連接來進行通信，最大的缺點就是當節點數量巨大的時候，網絡鏈路將會爆炸性的增長，造成嚴重的資源浪費和管理上的困難。
4 總結
網絡拓撲結構是網絡中的設備實現網絡互連所呈現出的物理布局，它能反映出網絡中各實體間的結構關系。總線型拓撲結構主要用于計算機數目相對較少的局域網中，以太網是典型的總線型局域網；環型拓撲結構在局域網中使用較多，尤其是實時性要求較高的環境中；星型拓撲結構廣泛應用于網絡中智能集中于中央節點的場合；樹型拓撲結構是一種廣播式網絡結構；胖樹型拓撲結構的性能要比樹型結構優越，信息交換速度更快；網格型拓撲結構具有較好的可靠性和穩定性；分布式拓撲結構的路徑選擇、流向控制比較復雜，在一般局域網中不采用這種結構；Full-mesh網絡拓撲結構是一種特殊的分布式結構，網絡通道的安全性和穩定性較高。
網絡拓撲結構是計算機網絡的重要基礎信息，它是網絡管理、數據模擬和信息收集的基礎，同時也是網絡安全評估和實施網絡攻擊的前提。因此對網絡拓撲結構的研究具有十分重要的意義。
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1國際貿易網絡拓撲結構的頂點度分布
國際貿易網絡拓撲結構的頂點度主要代表與頂點存在關聯的邊數，在有向網絡中，各個頂點均存在對應的出度和入度，n(T)表示T年全球進行貿易的國家總數，A國在T年的出度與入度則等于從A國進口以及向A國出口的各個國家的總數。有關學者將貿易網絡中具有某種冪指數形式的度分布稱作無標度網絡，即BA模型，并將真實系統運用自組織建立起無標度網絡歸結為兩個重要因素——增長性與擇優連接。在BA模型中，于整個貿易網絡中找尋連通度最大的頂點視為擇優頂點，從而使中樞頂點可以獲得優勢連接，使之變得更加強大；若貿易網絡中的頂點數量達到一個特定的數值時，貿易網絡中的頂點連接數量就會出現一些頂點存在大規模連接的情況，然而，大部分頂點只存在少量連接[2]。在國際貿易網絡中，具有較強經濟實力的國家在國際貿易關系中存在很大的優勢，一個國家的國內生產總值與其國際貿易關系數量成正比。在本文的研究對象中，選用一部分經濟發展規模相對較小的國家作為表示國際貿易網絡發展中新增頂點的國家，這些國家的貿易產品主要是某些基本商品，考慮到空間地理位置具有差異性，運輸成本將有所增加，因此無標度網絡中的擇優選擇難以在國際貿易網絡中得以展現。對于經濟規模相對較小的國家而言，其在一般情況下是與周邊鄰國發展貿易關系，難以在世界性的貿易網絡中實現擇優連接。由此可見，盡管擇優選擇能夠在國際貿易網絡中發揮一定的積極影響，然而，完整的國際貿易網絡并非典型的無標度網絡。從本質上看，復雜的貿易網絡無標度性可以視為異質性，貿易網絡中存在少數的頂點擁有大規模連接、大部分頂點擁有少量連接的情況，因此，為了進一步描述國際貿易網絡異質性的演化特征，本文采用網絡結構熵與標準網絡結構熵進行分析。通過運用標準網絡結構熵，能夠對比不同年度國際貿易網絡快照的異質性，本文對2003年至2013年的國際貿易網絡進行計算，對國際貿易網絡快照頂點存在相同、邊數相同的某個隨機網絡情況進行分析[3]。實驗表明，國際貿易網絡與隨機網絡的網絡結構熵差異并不明顯，二者的增長趨勢均相同，不存在無標度網絡異質性的情況。國際貿易網絡從2003年至2013年的演化過程中，標準網絡結構熵與隨機網絡趨近，說明國際貿易網絡頂點度的異質性特征在不斷消失，國際貿易網絡的拓撲結構出現隨機化趨勢。所得研究表明，隨著現代交通運輸和通信技術的發展，國際貿易中的運輸與通信費用得到了極大的降低，在此情況下，國際貿易自由化的領域得到進一步的拓展延伸，從而使得各個國家之間有條件自行開展直接貿易，極大地促使了國際貿易趨向全球化發展的局面，在一定程度上削弱了發達國家在發展國際貿易關系中的主導地位，使世界貿易呈現多元化發展的趨勢。
2國際貿易網絡拓撲結構的群聚性
群聚系數的一般含義為對于存在kA條邊的頂點A，群聚系數表示為。在上述公式中，nA是A的kA個鄰邊的數量，若CA=0，則頂點A的鄰邊不存在連通情況；若CA=1，則頂點A的所有鄰邊都存在連通的情況，群聚性越高則說明頂點周邊的鄰邊連通性越好。通過計算得知，2003年至2013年國際貿易網絡快照C(k)和k存在一定的關系，在每個網絡快照中，C(k)的總體趨勢與k呈負相關，即C(k)隨著k的增加而不斷下降[4]。頂點度k能夠反映一個國家貿易聯系范圍的廣泛性，頂點度數低的國家通常為經濟發展規模相對較小的國家，因其受本國經濟規模的制約，只能在國與國之間的周邊區域內開展貿易關系，其國際貿易伙伴在區域上相對集中，貿易往來的機會也隨之增高；頂點度數高的國家通常為世界性的貿易強國，其貿易伙伴數量多且分布的范圍廣，然而這些貿易伙伴之間能夠直接開展貿易往來的概率較小。從網絡快照的對比中可以看出，2003年一部分國家的頂點度數很低，與周邊國家的貿易聯系相對較少，由網絡快照的頂點分布情況可知，2003年的國際貿易系統還未形成有序的結構；而在2013年的網絡快照中，各個頂點數分布得更為集中，表現出極強的統一性和一致性，這就意味著2013年世界各國在國際貿易格局中的地位與貿易分工更為明細，此時國際貿易網絡趨于協調、有序的方向發展。
3國際貿易網絡的拓撲結構度相關性
在一般情況下，頂點之間的有邊連接存在的情況往往由頂點類型決定，在復雜網絡中，根據頂點度的選擇性關聯，被稱作頂點的度相關性，并可以分為同類混合和非同類混合兩類。同類混合就是指度數高的頂點更傾向于和度數高的頂點相連接。非同類混合就是指度數高的頂點更傾向于與度數低的頂點相連接。本文將同類混合網絡度相關數值設置為正，非同類混合網絡度相關數值設置為負，結合國際貿易度相關數值的變化情況，度相關＜0則說明國際貿易網絡為非同類混合網絡，頂點度低的國家更傾向于與周邊中樞國家發展貿易關系，并形成以區域中樞國家為中心的區域經濟合作組織，諸如東盟、歐盟等。另外，在經濟全球化的背景下，各區域經濟合作組織不能與其他地區斷絕經濟關系，在此基礎上，區域經濟大國成為連接各個地區貿易溝通的橋梁，因此，國際貿易網絡系統已經形成全球化經濟發展、區域經濟發展并存的局面，當度相關系數數值越低，這一趨勢也隨之加強。
4國際貿易網絡的拓撲結構的互惠性
在國際貿易網絡拓撲結構中，當中的貿易關系并非全部呈現雙向性特征，換言之，A國與B國存在貿易出口關系，但B國對A國不一定也存在貿易出口關系，因此，這就牽扯到了國際貿易網絡的互惠性。國際貿易網絡的互惠性，主要就是指貿易網絡中兩個國家之間存在雙向貿易關系的具體程度，互惠性是國際貿易網絡拓撲結構中的一個關鍵測量指標，其重要性不僅在于互惠性能夠對國際貿易網絡存在的威脅傳播機制與傳播速度產生相當重要的作用，還在于其能夠對世界各國國際貿易網絡參與程度進行全面的衡量。從2003～2013年各個年度國際貿易網絡互惠系數的變化可知，2003年的互惠系數為1.03，2013年的互惠系數為1.57。由此可見，國際貿易網絡的互惠性在逐漸增長，并不斷呈現上升趨勢，說明世界各國都存在雙向貿易關系，世界各國之間的經濟互補性日益增強，使得更多的國家能夠建立本國的比較優勢，并積極投入到國際貿易分工的全球化貿易體系之中。
5結語
綜上所述，國際貿易網絡是一個典型的、復雜的經濟網絡，對國際貿易網絡的拓撲結構發展演化進行描述，有助于更好地理解國際貿易系統的運作規律，還有助于各個國家制定科學合理的貿易政策。本文通過對國際貿易網絡拓撲結構的發展演化進行分析，由度分布性得知一個完整的國際貿易網絡并非典型的無標度網絡，隨著世界貿易交易成本的逐漸降低，越來越多的國家開始發展本國的直接貿易關系，國際貿易網絡不斷向隨機網絡趨同。對國際貿易網絡拓撲結構的群聚性分析，說明國際貿易網絡中各個國家之間的分工合作變得更為有序。國際貿易網絡的度相關性表明國際貿易網絡非同類混合網絡，更多的小國更青睞于同區域大國開展貿易合作，國際貿易已經趨向全球化發展。國際貿易網絡的互惠性逐漸增長，表面國際貿易中雙向貿易呈現不斷上升的發展趨勢，世界各國之間的經濟互補合作得到進一步加強。
作者：李萬里單位：北京京北職業技術學院
拓撲是集合上的一種結構。設T為非空集X的子集族。若T滿足以下條件：
1、X與空集都屬于T;
2、T中任意兩個成員的交屬于T;
3、T中任意多個成員的并屬于T;
則T稱為X上的一個拓撲。具有拓撲T的集合X稱為拓撲空間，記為(X，T)。
設T1與T2為集合X上的兩個拓撲。若有關系T1T2，則稱T1粗于T2，或T2細于T1。當X上的兩個拓撲相互之間沒有包含關系時，則稱它們是不可比較的。在集合X上，離散拓撲是最細的拓撲，平凡拓撲是最粗的拓撲。
（來源：文章屋網 ）
關鍵詞：片上網絡 NoC 拓撲結構 路由算法
Master-Slave IP core connected Octagon
Loop Topology for Network-on-chip
WANG Hui，WANG Chang-shan
（School of Computer Science&Technology，Xidian University，Shannxi ，Xi’an ，710071）
Abstract:This paper presents a topology - Octagon loop structure connect the Master-Slave IP core （Master-Slave IP Core Octagon Loop, MSOL）, the topology has 8m nodes and each node connects Master-Slave IP core, respectively, except for layer ring each node connects 3 adjacent nodes, each node on the inner ring connects 4 adjacent nodes. MSOL is a topology simple, flat, symmetrical and has a good scalability of the interconnection network, routing based on shortest path algorithm, in the simulation experiment,the MSOL was compared with Mesh and Cluster-Mesh for the average network communication delay and the throughput, The results show that the MSOL topology is a good trade-off between performance and cost．It is a more optimal and efficient network-on-chip topology.
Key words: network-on-chipNoCtopologyrouting algorithm
隨著片上系統（SoC）和納米級 CMOS 集成電路技術的不斷發展，片上多處理器（CMP）技術開始朝多核化和異構化的方向發展。 SoC 設計中廣泛采用的共享總線結構，已經無法滿足 SoC 系統的需要，成為制約CMP 性能的主要瓶頸。片上網絡（Network-on-chip，NoC）技術應運而生，核心思想就是將計算機網絡技術移植到芯片設計中來，用網絡取代傳統的總線結構，從而省去了大量的專屬線，減少了布線資源。同時，它使電參數可控，計算與通信分離，并且提供了良好的并行處理與通信能力，是一個能在芯片級上進行路由的微型網絡。
片上網絡的拓撲結構體現了 NoC 中的通訊節點是如何在芯片中分布和連接的。拓撲結構的選擇對系統性能和芯片面積具有顯著的影響。拓撲結構的衡量標準通常是以理論上影響路由成本和性能為基礎的，除了要考慮普通網絡中所關心的節點數量、邊的數量、網絡維度、網絡直徑、平均距離、對分寬度之外，還要考慮通信模式的嵌入屬性，例如消息吞吐量、傳輸延遲、功耗、芯片面積等因素。
在NoC中，最適合且使用最廣的網絡結構是包交換的直接網絡。每個節點通過雙向通道連接到相鄰的節點。在大規模的集成芯片中，NoC并非是單一的拓撲結構，很可能是一種層次化的混合網絡拓撲結構，通信密集的組件組合在一起，構成一個子網絡，以實現高效的通信。本文提出了一種新的、稱為MSOL的NoC拓撲結構，實驗結果表明，這種結構與現有的幾種拓撲結構相比，在某些特定條件下，性能更加優化、高效[1-3]。
1MSOL網絡拓撲的基本結構
在NoC的研究過程中，人們在簡單的環型總線結構的基礎上提出了一個籠統的拓撲規范――Spidergon，它是對環總線結構的一種改進，縮短了平均距離，并且使網絡具有了一定的可擴展性。而Octagon是Spidergon當N=8時的特例。這種結構的最大特點就是網絡距離短，任何兩個結點之間通信最多只需兩步即可完成。運用在其上的分組形式和路由算法均比較靈活，并且布線復雜度較交叉開關結構低很多[5]。
圖1中，對Octagon的布線方式和傳統的交叉開關（Crossbar）的布線方式進行了比較。如圖1（a），各連接之間采用兩條反向的單向鏈路，共24條，在布線復雜度上明顯低于交叉開關結構。
Octagon有兩種擴展方式（如圖2）。其一是兩個Octagon通過一個中間節點連接的結構，但很顯然這種結構的中間節點將成為通信的瓶頸。另一種結構是把一個Octagon中的每一個節點都擴展成一個Octagon，再把相應位置的節點連接起來，但這種方法的致命弱點是布線復雜度太高[4]。
為解決Octagon以上兩種擴展方式的突出瓶頸，本人提出了一種連接主從IP核的Octagon環型（Master-Slave IP Core Octagon Loop，MSOL）拓撲結構，該拓撲結構具有8m個節點，并且每個節點分別連接主從IP核，除外層環上各核連接3個相鄰節點外，內層環上各節點均與4個相鄰節點連接。MSOL是一種拓撲結構簡單、平面的、對稱的并且具有良好擴展性的互連網絡。
圖3所示為外接一環，具有16個節點的MSOL結構。
MSOL結構有效回避了Octagon原結構的擴展瓶頸，具有良好的擴展性，在每環節點固定的情況下只需擴展環數，網絡是平面性的，極大地方便了網絡的布局布線，并且有效地繼承了Octagon結構網絡距離短的優點，與環、Mesh及Octagon自身擴展結構相比具有明顯的網絡距離優勢，其與各個拓撲結構性能參數對比如表1所示。
2基于最短路徑的路由算法
路由算法是影響片上網絡通信效率的重要因素．充分利用MSOL 網絡拓撲結構和節點分布連接的特點，每個節點接收到消息后，由本節點決定是接收該消息到主或從IP核還是計算路由將該消息發送到相鄰節點，本節點采用基于最短路徑的路由算法[5]，具體步驟如下：
輸入：源節點（SR ,Sθ），目的節點（DR ,Dθ）
輸出：路由路徑routpath
算法步驟：（cur_routerR ,cur_routerθ）
Step1：初始化當前路由節點（cur_routerR ,cur_routerθ）=（SR ,Sθ）；路由路徑routpath=cur_router；
Step2：判斷cur_routerR =DR？若cur_routerR =DR則執行步驟step3；否則執行步驟step4；
Step3：檢查cur_routerθ =Dθ？若是則算法終止，輸出路由路徑routpath；否則，執行計算|Sθ -Dθ|值，并執行步驟step5；
Step4：判斷cur_routerR >DR？，若cur_routerR >DR則執行（cur_routerR ,cur_routerθ）=（cur_routerR -1,cur_routerθ），routpath=[routpath,cur_router]，并返回步驟step2；否則執行（cur_routerR ,cur_routerθ）=（cur_routerR +1,cur_routerθ），routpath=[routpath,cur_router]，并返回步驟step2；
Step5：若00?，若是則（cur_routerR ,cur_routerθ）=（cur_routerR ,cur_routerθ-1），routpath=[routpath,cur_router]返回步驟step2；否則（cur_routerR ,cur_routerθ）=（cur_routerR ,cur_routerθ+1），routpath=[routpath,cur_router]返回步驟step2；
Step6: 若6≤|cur_routerθ-Dθ|≤7，則判斷cur_routerθ-Dθ>0?，若是則（cur_routerR ,cur_routerθ）=（cur_routerR ,（cur_routerθ+1）mod8），routpath=[routpath,cur_router]返回步驟step2；否則（cur_routerR ,cur_routerθ）=（cur_routerR ,（cur_routerθ-1）mod8），返回步驟step2；
Step7: 若3≤|cur_routerθ-Dθ|≤6，則（cur_routerR ,cur_routerθ）=（cur_routerR ,（cur_routerθ+4）mod8）,routpath=[routpath,cur_router]返回步驟step2；
對主從IP核的說明：片上網絡系統芯片內部由于各個IP核的功能不同，相互之間的數據訪問量不同，通信和數據交換的頻繁程度也不盡相同，這就造成了IP核之間的不對等性，一些IP核經常需要在其它IP核的配合下共同完成某項功能。那些能夠主動產生請求的IP核，稱之為主（master）IP核。另外一些IP核只是對主IP核的請求進行應答，稱之為從（slave）IP核。已經有研究表明，采用經過優化設計的路由器連接區分主從的兩個IP核可有效降低能耗，提高網絡運行效率。
3仿真分析
NoC拓撲結構設計的兩個重要的性能參數是平均通訊延遲和平均吞吐量。為了進一步研究MSOL互連網絡的性能，模擬和分析了MSOL，Mesh和Cluster―Mesh結構，MSOL采用基于最短路徑的路由算法，Mesh和Cluster―Mesh結構采用了x-y路由算法．x-y路由算法是一種維序路由算法，采用一條虛信道，蟲孔交換機制，除Cluster―Mesh每個節點有4個外部網絡接口連接IP到NoC外，Mesh及MSOL均連接主從兩個IP核，根據模擬情況的不同可以是信源或者信宿。信源IP產生的數據包為8個字節分為1字節的頭flit（flowcontrol unit，流控單元）、4字節的數據flit和3字節的尾flit，每個flit為4個字節，流入網絡的速率和目的節點可以控制．每個輸入通道具有8個flit的fifo，每個輸出通道有1個flit的buffer，仿真時采用4×4的網絡結構（網絡節點數均為16），鏈路速率為100 Mbps。以下主要對均勻流量模式及10%熱點模式下的幾種互連網絡的性能進行評估[6-8]。
圖4（a）為均勻流量模式下三種網絡拓撲中消息延遲比較，圖4（b）是熱點10%模式下三種網絡中消息延遲比較，可以看出均勻流量模式和熱點流量模式下，當所有的源節點均勻地增加注入速率時，網絡的平均延遲增加直到達到飽和，采用MSOL結構的平均延遲都明顯低于另兩者，這與其較短的網絡直徑密切相關。
圖5（a）為均勻流量模式下三種網絡拓撲中網絡吞吐性能比較，圖5（b）是熱點10%模式下兩種網絡中網絡吞吐性能比較，可以看出均勻流量模式和熱點流量模式下，采用MSOL結構的吞吐性能優于另兩者。當所有的節點增加注入速率時，網絡的吞吐量差別急劇增大，直到飽和狀態。
4結論
本文在對現有經典平面拓撲結構進行深入分析與研究的基礎上，提出了一種連接主從IP核的Octagon環型拓撲結構――MSOL，該結構具有網絡距離短、擴展性好、可行性高的突出特點，針對該結構的特性，提出了適應該結構的基于最短路徑的路由算法，有效地避免了死鎖。對比分析了其與Mesh和CMesh拓撲結構的網絡特性，仿真結果表明，MSOL有較低的通信延遲，較高的網絡吞吐，是一種簡單高效的平面互聯網絡。
參考文獻
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關鍵詞：TCMS；地鐵列車；控制及監視系統；核心系統；拓撲結構；調試方法 文獻標識碼：A
中圖分類號：U231 文章編號：1009-2374（2016）36-0121-03 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.36.060
1 概述
目前，我國城軌列車正朝著自動化、節能化、舒適化的方向發展，為滿足這些需求，TCMS的可靠性發揮著重要的作用。TCMS是一種分布式的控制系統，它將分布于列車的智能模塊連成一個列車網絡，通過信息的傳輸、記錄、診斷，實現控制并監視整個列車狀態。為提高TCMS的可靠性，合理的TCMS拓撲結構及調試方法尤為重要。
2 列車總線拓撲結構
2.1 編組方式
此型地鐵列車為六輛編組，2/3動力配置。編組形式為：-Tc+Mp+M*M+Mp+Tc-（Tc：帶司機室拖車，Mp：帶受電弓動車，M：不帶受電弓動車，-：全自動車鉤，*：半自動車鉤，+：半永久牽引桿）。
2.2 網絡拓撲結構
此型地鐵的TCMS采用分布式總線網絡控制技術，劃分為兩級：列車控制級及車輛控制級。列車控制級總線和車輛控制級總線均采用EMD電氣中距離介質的多功能車輛總線（MVB）。MVB在物理層上采用兩對冗余的雙絞線總線結構，通過總線連接器實現列車各智能子系統與列車中央控制單元（VCU）之間的數據通信。為防止反射及干擾，避免通訊故障，MVB在總線的每一端都設有終端電阻（120Ω）。具體的網絡拓撲結構如圖1所示。
圖1中各英文縮寫的具體含義見表1。
2.3 TCMS網絡拓撲結構的典型特征及優勢
2.3.1 每輛車分別配置兩個REP，且兩個REP為熱備冗余，MVB線的LineA和LineB分別和兩個REP連接，能夠保證單個中繼器故障情況下列車功能不降級。
2.3.2 因DCU/M、DCU/A、BECU設備位于車下，空間設備有限，無法使用MVB專用總線連接器，其他連入TCMS的各智能設備均采用MVB專用總線連接器連接。采用MVB專用總線連接器，優點在于MVB總線的LineA和LineB分別布線，通道完全冗余，保證了列車單個節點故障不影響整列車的網絡通信。
2.3.3 將蓄電池監視單元連入TCMS網絡中，方便列車司機及維修人員查看蓄電池的實時狀態，有效減少蓄電池故障排查的時間。
3 列車TCMS的調試方法
TCMS作為列車的核心系統，其調試分析是列車調試工作中的重點，具體的調試工作劃分為以下三個階段：列車上電前、列車通110V直流電后、列車通1500V高壓后。
3.1 列車上電前
3.1.1 DXM和DIM設備地址編碼檢查。此列車中DXM和DIM設備是利用其電源連接器中引腳短接的形式進行設備地址配置的。因此，在網絡設備上電前，需要目視檢查DXM和DIM的設備地址是否按照設計文件配置正確，防止因設備地址配置錯誤引起網絡通信故障。
3.1.2 終端電阻測試。列車級通信W絡終端電阻測試：斷開連接兩個中繼器的MVB專用連接器，測量連接接口X1的連接器管腳1、2（即線路A通道），其電阻值應為60±10%Ω；測量連接接口X2的連接器管腳4、5（即線路B通道），其電阻值應為60±10%Ω。
車輛級通信網絡終端電阻測試：斷開連接空調控制器的兩個MVB專用連接器，測量連接接口MVB-M2的連接器管腳1、2（即線路A通道），其電阻值應為60±10%Ω；測量連接接口MVB-M1的連接器管腳4、5（即線路B通道），其電阻值應為60±10%Ω。
3.2 列車通110V直流電后
3.2.1 配置AXM設備地址。AXM上電后，利用串口工具按照設計文件配置AXM的設備地址。
3.2.2 上載應用程序。利用以太網線纜及優盤將VCU、ERMe、HMI的應用程序上載到相應的硬件模塊中，在HMI的版本信息界面核實應用軟件的軟件版本是否正確，如圖2所示：
3.2.3 檢查MVB網絡線路的傳輸質量。準備條件：全部聯網子系統上載完應用程序，在HMI的網絡拓撲界面確認各連網設備通信正常，如圖3所示，HMI的事件信息界面的當前故障無MVB線路故障，如圖4所示。
列車級網絡線路通信質量測試：將1車或6車VCU模塊接口X5處的MVB專用連接器斷開，使用MVB分析儀連在VCU模塊的接口X5，對車輛通信線路B通道上傳輸數據進行200秒的記錄，并對記錄的數據檢查分析后得到錯誤幀數據，以此評價線路B通道的通信質量是否合格；將該車VCU模塊的接口X6處的MVB專用連接器連接，將其接口X6處的MVB專用連接器斷開，使用MVB分析儀連在VCU模塊的接口X6，使用MVB分析儀對整個車輛通信線路A通道上傳輸數據進行200秒的記錄，并對記錄的數據檢查分析后得到錯誤幀數據，以此評價線路A通道的通信質量是否合格。
車輛級網絡線路通信質量測試：將1車空調控制器的接口MVB-M2處的MVB專用連接器斷開，使用MVB分析儀連在空調控制器的接口MVB-M2，對車輛通信線路B通道上傳輸數據進行200秒的記錄，并對記錄的數據檢查分析后得到錯誤幀數據，以此評價線路B通道的通信質量是否合格；將該車車廂空調柜中空調控制器的接口MVB-M2處的MVB專用連接器連接，將其接口MVB-M1處的MVB專用連接器斷開，使用MVB分析儀連在空調控制器的接口MVB-M1，使用MVB分析儀對整個車輛通信線路A通道上傳輸數據進行200秒的記錄，并對記錄的數據檢查分析后得到錯誤幀數據，以此評價線路A通道的通信質量是否合格。按上述步驟分別對2/3/4/5/6車的車輛網絡線路通信質量進行的測試。
MVB網絡線路的傳輸質量的合格標準為：列車網絡通信線路在200秒的通信時間內錯誤幀數量小于1個，如圖5所示：
通常情況下，導致MVB網絡線路的傳輸質量低的原因有以下4點：（1）連接器制作工藝粗糙，例如連接器雙絞線虛接、有毛刺、屏蔽層處理不正確；（2）MVB電纜彎曲半徑過小；（3）終端電阻配置錯誤；（4）設備地址沖突。
3.3 列車通1500V高壓后
確認各網絡設備及聯網子設備的MVB電纜均連接完好，MVB網絡線路傳輸無錯誤幀后，當列車通1500V高壓后，查看VCU是否能正常啟動DCU/A、ACU及空壓機。
4 結語
列車的TCMS能夠實時監控列車的運行狀態及故障信息，且在HMI上能夠顯示列車電氣上的DI、DO、AI、AO等信息，這些功能都可以有效地幫助司機和維護人員迅速地做出判斷和操作，對提高列車運行的安全系數有很大的幫助，更好地了解TCMS的拓撲結構和調試方法對研究某型列車的控制原理有重要的意義。
參考文獻
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關鍵詞：建筑結構；數字化建造；3D打印；拓撲優化
縱觀建筑結構歷史的發展，變革往往來自背后的設計方法與建造工具，如透視法對文藝復興的影響，切石法對巴洛克的推動，軸側畫法對現代主義的作用，而現如今，隨著建造的操作主體經歷手工、傳統機械、數控機械乃至3D打印機的轉化，建造的操作對象從傳統磚混材料向先進復合材料發展，同時結合由計算機技術孕育而生的參數化設計、算法化設計，毫無疑問地，建筑結構的數字化設計與建造時代已經到來。
1 3D打印
作為建筑結構數字化建造中極其重要的組成部分，3D打印是以設計模型的三維數據為基礎，采用材料逐漸累加的方法生成三維實體的技術，因此又被稱為增材制造。作為第三次工業革命的重要標志，3D打印目前已廣泛應用于航空航天、汽車、醫療、珠寶、玩具等行業領域，對傳統社會生產造成巨大沖擊，成為公認的將改變人類未來的創造性技術。
與傳統的建筑結構建造方式相比，3D打印方式具有可實現高度復雜結構的自由生長成形、極大地減少施工工序、縮短施工周期、降低施工成本、環保節能等突出優點，并且可以極大地拓寬建筑結構的設計空間，使建筑師更多的靈感與創意成為真實。
目前，輪廓工藝、D-Shape、自由形式建造是國際上建筑結構領域最被寄予厚望的三大3D打印技術。
美國南加州大學的Khoshnevis教授所提出的輪廓工藝研究項目已獲得美國宇航局NASA的資助，用于測試并評估采用輪廓工藝在月球上快速就地取材，批量建造住所、實驗室以及其它設施的可能性。Khoshnevis教授指出，在2050年左右，建筑結構的3D打印將會成為一種成熟的技術。
由意大利發明家Enrico Dini發明的D-Shape打印機使用的原料主要是砂與鎂基膠而非混凝土，建造出來的建筑結構質地類似于大理石，這種新型材料由于其堅固的微結晶結構而表現出良好的密實度和抗拉強度。
自由形式建造工藝是由英國拉夫堡大學創新和建筑研究中心提出的，并得到英國工程和自然科學研究委員會、福斯特建筑設計事務所等的資助與合作。
2014年，上海青浦張江工業園，我國的盈創建筑科技有限公司（以下簡稱盈創）采用自主研發的全球最大建筑3D打印機在24小時內打印了10棟房屋。2015年初，盈創又宣布打印出一棟15米高的六層住宅，以及作為上海浦東湯臣一品售樓處的1100平方米三層別墅。該別墅的建筑成本約100萬元人民幣，3D打印所用材料為回收的建筑垃圾、玻璃纖維以及高強混凝土。
2014年，奧雅納工程顧問（以下簡稱奧雅納）為荷蘭海牙的某項目設計張拉整體結構，但由于整個結構和電纜構成的網絡過于錯綜復雜，導致結構中處處存在著不規則連接與特殊結構角度，即1200個鋼節點各不相同。奧雅納的工程師們嘗試解放受傳統機械加工工藝束縛的設計思路，通過對鋼節點進行純力學意義上的優化設計，得到相比傳統設計節省約75%材料的異形鋼節點，并利用選擇性激光燒結3D打印技術生產出了這些復雜的異形鋼節點。
2 拓撲優化
正如奧雅納的工程師將3D打印技術與結構優化結合起來從而充分享受到了自由設計的巨大優勢，哈佛大學設計研究院的帕納約蒂斯教授也指出，數字化建造技術最重要的貢獻并不在于讓人類更易于建造復雜的建筑結構，而在于脫離建筑結構的拼裝體系、連接建構體系從而達到材料柔性分布體系。帕納約蒂斯教授認為，3D打印技術允許材料在空間中更加連續地復合在一起，同時建造出具有材料層級的結構，尤其是在多重材料打印技術的輔助下，將可以制造出各點材料屬性不一的結構。
帕納約蒂斯.米哈拉托斯教授基于連續體拓撲優化等結構優化方法，在參數化設計工具Grasshopper中開發出插件Millipede，允許建筑師在方案設計階段融入結構性能優化的概念，使結構性能分析工具與建筑形態生成工具一體化。
作為數字化結構性能生形工具Millipede的算法原理之一，連續體拓撲優化是過去二十多年里結構多學科優化領域最熱門的研究方向。連續體拓撲優化是指在指定的設計區域內，給定荷載與邊界條件，在一定的約束條件下，通過改變結構的拓撲形式或者說材料布局，使結構的某種性能指標達到最優。目前最常見的連續體拓撲優化方法有SIMP法、水平集法、ESO/BESO法等。連續體拓撲優化方法在航空航天、汽車、機械等行業早已成為概念設計的有力工具，而對于采用3D打印技術建造的建筑結構，作為其數字化結構性能生形工具更是極具發展潛力。
2004年，大森博司等在日本的芥川河畔辦公樓項目中使用擴展ESO算法對該樓的西、南、北三個立面進行拓撲優化設計。2005年，磯崎新和佐佐木睦郎使用BESO算法對卡塔爾國際會議中心長達250m的入口進行拓撲優化設計。謝億民等與澳大利亞BKK建筑事務所使用BESO算法對澳大利亞某城際高速公路凈跨72m的步行橋進行概念設計，同時還采用殼體單元優化得到穿孔殼管設計，通過引入不同的周期性幾何約束調整出精彩各異的設計方案。2014年，Lauren等采用變密度法并考慮對稱約束與模式重復約束，實現超高層建筑的斜撐布局優化。
3 結語
在建筑結構的數字化設計與建造時代中，人類將告別傳統的梁板柱構件拼裝體系，利用3D打印技術等數字化建造技術實現性能更優更可控的材料柔性分布體系，使更多的靈感與創意成為真實。同時，以拓撲優化方法為核心的建筑結構數字化設計工具將極大地拓寬建筑結構的設計空間，使結構性能化設計與建筑美學設計進一步融合。
參考文獻
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關鍵詞：指揮信息系統；通信網絡；拓撲分析
指揮信息系統，主要為各級防空指揮員及指揮機關遂行防空作戰指揮任務提供自動化的指揮控制平臺。
通信網絡是指揮信息系統各分系統組網運行的基礎，是指控、情報等要素的重點保障。研究指揮信息系統通信網絡的拓撲結構，對于分析裝備使用過程中的風險點，使裝備的使用風險最小、效能最大，對提高基于指揮信息系統的體系作戰能力有著重要意義。
復雜網絡就是具有復雜拓撲結構和動力行為的大規模網絡。從復雜網絡的定義，可以得出所要研究的該裝備通信網絡也是一個典型的復雜網絡。因為該通信網由大量的節點所組成，且每個節點具有自身動力學特征，每個節點不是獨立存在的，它們與其他節點具有相互連接、相互作用的特點，從而整個通信網具有非常復雜的動力學特征。故該裝備的通信網絡作為一個典型的復雜網絡，用復雜網絡理論對它進行可靠性研究是科學有效的。
本文對該裝備的通信網拓撲結構進行分析，為該裝備的通信網風險管理做基礎性研究。
1 基本定義及通信網絡拓撲分析模型
1.1 復雜網絡的定義
復雜網絡就是具有復雜拓撲結構和動力行為的大規模網絡。就目前的研究成果而言，一般從圖論和矩陣兩種方式定義復雜網絡。
從圖論的方面出發，假設網絡中存在n個節點和m條連接線，則可以定義節點集合V={v1，v2，v3，…vn}和邊集E={e1，e2，e3，…em}來表示這個網絡，其中的邊可以有方向和無方向兩種，為了簡化計算，只考慮無向圖。圖1是一個網絡圖示例，它有5個節點和4條連接這些節點的邊，可以將它視為端集V={1，2，3，4，5}，邊集E={e12，e15，e23，e25}，其中節點4為獨立節點。
從矩陣的角度出發，最常用的就是用一個鄰接矩陣A來表示網絡的圖的結構信息，如果網絡中的i節點和j節點是相互連接的，則矩陣上相應位置上Aij的數值為1，如果這兩點之間不存在連接邊，則相應的Aij的數值就為0，顯然一個無向圖的鄰接矩陣式一個對稱矩陣。為了方便對復雜網絡的同步特性的研究，本文用比較特殊的對稱鄰接矩陣表示所對應的網絡。
對角線上元素Aij=。對于圖1的矩陣表示為
復雜網絡的可靠性定義為：在自然或者人為的破壞下，復雜網絡自身能夠保持原有功能的能力。
從復雜網絡的定義可以看出，包括了可靠性的研究對象、規定條件、原有功能著三個要素。首先研究對象就是：具有數量級大的節點和邊的復雜網絡，且這些節點具有非線性動力性、還要具有按照一定網絡拓撲漸漸演化的過程。規定的條件：自然或認為的破壞作用，這里主要是指對網絡中的節點和邊進行隨機攻擊或者進行智能攻擊。保持原有功能的能力指的是：復雜網絡的存在都是為了完成現實中的一些客觀存在的功能，如果對這些網絡進行了隨機攻擊和智能攻擊后，會對原來的網絡造成一定的影響，然而在這種情況下，復雜網絡仍然能夠保持或者部分保持實現某一功能的能力。
1.2 指揮信息系統通信網絡模型
為了計算的方便我們將導彈營、高炮營配屬數量減半并簡化，將節點編號如圖3：
從網絡拓撲的簡化結構圖可以看出節點對之間的連接關系，可以將它表示為
端集V={1，2，3，…，13}，
邊集E={e12，e13，e14，e15，e16，e23，e24，e25，e28，e29，e2，10，e34，e35，e3，11，e3，12，e3，13，e45，e47}的圖。
2 復雜網絡的描述參數
復雜網絡的描述參數有助于我們對網絡的內部特征深入了解，描述參數有：網絡的度、網絡的聚集系數、網絡的最短路徑和耦合矩陣特征值。
2.1 節點的度
節點度數ki是第i個節點連接的邊數目，即相當于i點的所有相鄰節點的數目。在物理學領域中，節點的度表示本地的網絡連接的連通性。通過鄰接矩陣可以很簡單地推出度ki的值：
節點的度分布是一個擴展的節點的度的概念。用分布函數P（k）來表示度的分布，P（k）是網絡中某個節點具有k條邊或k個鄰接點的概率。網絡的全局連通性和節點在網絡中的重要性都靠節點度的分布，所以它是整個網絡的基本統計特征，它同樣可以表征網絡的均勻性特征。復雜網絡的平均度也是一個很重要的概念，平均度這里用表示：
網絡的平均度是用來表征整個網絡上的所有節點的平均度的數值，同樣也可以來衡量網絡的疏密程度，越大，對應的網絡就越密集，越小，網絡就越稀疏。
2.2 最短路徑
我們將網絡中某一節點到達另一節點所要經過的距離定義為路徑長度，在本文中就是指節點直接相互連接所需要的邊的數目。最短路徑長度lij表示的是節點i到節點j的最短距離，即經過的最少的邊的數目。從上述定義可以得出，最短路徑長度是以邊長作為單位的拓撲距離。與平均節點度概念類似，也存在平均最短路徑長度L的概念，它表示的是圖的任意兩點的最短路集合{lij}的平均值。最短路徑長度L的數值可以表征網絡的特征尺寸，可以表征網絡的連通度。
2.3 聚集系數
我們將圖中某一節點的兩個最近鄰也是近鄰的概率定義為聚集系數C。設點i的數目為Ei，k表示這些近鄰點與i之間有連線的數目。則定義節點i的聚集系數為：
節點i附近環境的連通性用聚集系數Ci來表示。對網絡上全部節點Ci進行平均計算得到的C即為平均聚集系數，整個網絡的連通性用C來衡量。
2.4 耦合矩陣特征值
耦合矩陣的特征值是用來表征網絡同步特性的重要參數，復雜網絡的同步特征是一個重要的屬性，反映復雜網絡同步特征的參數就是耦合矩陣的特征值。
對于圖3，可以得到每個節點的節點度，如k1=5，k2=7，則該網絡的平均節點度=2.77，從平均節點度可以看出，該網絡的密集程度不高。
3 網絡的點攻擊設計
為了對網絡可靠性進行評價，首先要對網絡進行攻擊，本文中，分別對網絡進行隨機攻擊和智能攻擊，從而評價一個網絡所能承受攻擊的能力，為網絡可靠性的評定提供依據。
3.1 隨機攻擊
隨機攻擊就是對網絡中的點進行隨機的撤除或對該節點的連接線進行隨機的切斷。在現實中可能發生的事故是由于網絡自身的故障，而引起某個或部分節點失效。只要對網絡相應的鄰接矩陣中的某行和列進行隨機的置零就完成了。
對網絡進行隨機點攻擊的流程出圖4：
隨機點攻擊的MATLAB代碼如下：
T=input（‘T=’）；
p2=input（‘p2=’）；
N=size（A，2）；
c=randperm（N）；
h=1；
for k=1：T
h1=h+p2-1
for i=h：h1
A（c（i），：）=0
A（：，c（i））=0
end
h=h+p2
end
3.2 智能攻擊
智能攻擊就是有選擇性地對網絡中的點，按照一定的策略進行蓄意的破壞攻擊。如，敵人在選擇攻擊目標時，總是先選擇重要度高的目標進行攻擊。為了研究對網絡的智能攻擊，我們對網絡中的節點按照它的節點度的大小按照一定比例進行去除。與隨機攻擊類似，我們對網絡相應的鄰接矩陣按照節點度的大小將該矩陣的某一行和列上的元素進行置零，這樣就可以對網絡進行智能點攻擊。
對網絡進行智能點攻擊的流程如圖5
生成智能攻擊的MATLAB代碼如下：
T=input（‘T=’）；
p2=input（‘p2=’）；
N=size（A，2）；
for kc=1：T
dc1=sum（A）；
dc2=length（dc1）；
[sorted，index]=sort（dc1）；
cc=rot90（index，2）；
Ac（cc（1：p2*kc），：）=0；
Ac（：，cc（1：p2*kc））=0；
end
對通信網絡進行隨機點攻擊和智能點攻擊，可以評價一個網絡的抗毀性。對某型指揮信息系統的通信網絡進行攻擊，在受到隨機點攻擊后，網絡表現除的抗毀性比較強，但受到智能點攻擊后，由于網絡中節點度高的點被智能地去除，所有網絡的連接度被破壞，網絡的抗毀性下降的比較明顯。
4 計算通信網絡拓撲結構的可靠性
4.1 計算步驟
對于一個給定的網絡，其網絡結構包含三部分：節點N，連接節點之間的弧E和網絡拓撲結構T，網絡的抗毀性R與節點、弧及網絡的拓撲結構有關。
若通信網共有n個節點，通信網拓撲結構抗毀性R的計算步驟如下：
（1）確定每條弧的可靠性，經過分析，我們簡化設定每條弧的可靠性為rk=0.9；
（2）計算路徑的可靠性，節點對i，j之間的第m條路徑上弧的數目為p，則該路徑的可靠性為：
（3）計算節點對之間的可靠性，節點對i，j之間共有m條路徑，則節點對i，j之間的可靠性：
（4）確定整個通信網絡的可靠性
4.2 數據仿真
對于ET90B通信網，首先根據第二步公式計算路徑的可靠性，假設我們計算節點1到節點13的路徑可靠性為0.81，則對應的節點1和節點13之間的可靠性為0.81，從而通過編程計算可以算出整個某型指揮信息系統通信網絡的可靠性。這里算出的可靠性，可以為該裝備通信網風險評估提供基礎數據。
5 結語
利用復雜網絡理論對某型指揮信息系統通信網絡進行分析，可以簡化網絡模型，將通信網絡抽象為只有節點與連接線的圖，對網絡進行隨機點攻擊和智能點攻擊，來評價網絡受到這兩種攻擊下抗毀性的變化，針對規程給出的拓撲可靠性計算步驟，對某型指揮信息系統通信網絡拓撲的可靠性進行仿真計算，可以看出，該裝備通信網絡密集程度不高，拓撲結構較為可靠，但抗毀性不強，為該裝備通信網風險評估相關研究開辟了蹊徑、提供網絡拓撲可靠性的基礎數據。
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關鍵詞：連續體結構； 拓撲優化； 徑向點插值方法； 簡諧激勵； 帶懲罰的各向同性固體微結構模型； 優化準則方法
中圖分類號：TB115.2 文獻標志碼：A
Topology optimization of continuum structures subject to harmonic excitation based on
meshless radial point interpolation method
ZHENG Juan, LONG Shuyao, LI Guangyao, DING Canhui
（State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body, Hunan University, Changsha 410082, China）
Abstract： While using finite element method to perform topology optimization of continuum structures, there exists the continuous mesh reconstruction problem in dealing with mesh distortion and moving, and the numerical computation is not stable. The meshless Radial Point Interpolation Method (RPIM) is used to carry out the topology optimization of continuum structures subjected to a harmonic excitation. Taking the relative density of nodes as design variables and the dynamic compliance minimization of structures as objective function, the topology optimization model is established using Solid Isotropic Microstructures with Penalization (SIMP) model. The sensitivity analysis of the objective function is derived by the adjoint method. The optimization model is solved by the optimization criteria method. The classical 2D continuum structure topology optimization examples show that the method is feasible and efficient.
Key words： continuum structure; topology optimization; radial point interpolation method; harmonic excitation; solid isotropic microstructures with penalization model; optimality criteria method
0 引 言
連續體結構的拓撲優化設計是繼結構尺寸優化和形狀優化之后，在結構優化領域出現的一個富有挑戰性的研究方向［1］，其優點是能在未知結構拓撲形狀的前提下根據已知邊界條件和載荷條件確定比較合理的結構形式，從而提出最佳形狀設計方案.連續體結構拓撲優化本質上是一種0-1離散變量的組合優化問題.代表性的拓撲優化方法主要有均勻化方法［2］、變密度方法［3］和漸進結構優化（Evolutionary Structural Optimization，ESO）方法［4］等.
目前，連續體結構拓撲優化問題的相關研究主要針對靜力問題，動態拓撲優化的研究進展較慢，大部分研究集中在結構基頻最大化或以頻率為約束的問題中.XIE等［5］基于ESO方法實現頻率約束下的拓撲優化；彭細榮等［6］基于獨立連續映射（Independent Continuous Mapping，ICM）方法建立在靜位移及頻率約束下，以重量最小為目標的連續體結構拓撲優化模型.對于結構動響應的研究涉及較少，石連栓等［7］采用擬靜力法將結構慣性力極值作為靜載荷施加在結構上，實現動、靜載荷同時作用下桁架結構的拓撲優化；MA等［8］基于均勻化方法研究動態結構的拓撲優化問題；徐斌等［9］在ESO方法的基礎上研究諧和激勵下的連續體結構拓撲優化問題；JOG［10］研究周期載荷作用下的結構拓撲優化問題，從減振降噪角度定義新的動柔度全局指標；顧松年等［11］全面闡述結構動力學設計優化的研究背景和意義，對動力優化問題的性質、解的存在性等問題進行展望；彭細榮等［12］基于ICM方法，對強迫諧振動下結構拓撲優化問題建立以重量最小化為目標、位移幅值為約束的拓撲優化模型.
目前，連續體結構拓撲優化問題基本上都基于有限元法，在處理網格畸變及網格移動等問題時需不斷重構網格，以解決與原始網格線不一致的不連續和大變形問題.同時，由于有限元法中單元網格的存在，常使結構拓撲優化中出現一些數值計算不穩定現象［1,13］，如中間密度材料現象、單元鉸接現象、網格依賴性現象和棋盤格現象等.
無網格方法是近年來迅速發展起來的一種新型數值方法，采用基于點的近似，可徹底或部分消除網格，不需要網格的初始劃分和重構，不僅可以保證計算精度，而且可以減小計算的難度.目前，已提出多種無網格法主要有無單元Galerkin方法 ［14］、光滑質點流體動力學方法 ［15］、再生核粒子法［16］以及無網格局部Galerkin法［17］等，但利用無網格方法對連續體結構進行拓撲設計優化的研究較少，且均為靜力問題的研究.ZHOU等［18］基于再生核粒子法研究線彈性結構拓撲優化問題，選擇高斯點的密度為設計變量，但需引入數值穩定性方法消除棋盤格現象；鄭娟等［19］將無網格徑向點插值方法(Radial Point Interpolation Method，RPIM)引入到連續體結構拓撲優化中，選擇節點的相對密度為設計變量，有效克服棋盤格現象；CHO等 ［20］基于再生核粒子法研究非線性幾何結構的拓撲優化問題；杜義賢等［21］利用無單元Galerkin法對柔性機構進行拓撲優化研究.與有限元法不同，無網格法中使用的近似函數大多不具有插值特性，因此在基于Galerkin法的無網格中對邊界條件的處理比較棘手，LIU等［22］提出的無網格點插值方法則較好地解決了這個問題.點插值方法的插值函數具有Delta函數性質，可很方便地施加本質邊界條件，不足之處在于計算插值函數時矩陣易奇異.實際上，帶有多項式的徑向點插值法可有效解決點插值法中遇到的奇異性問題.
本文基于RPIM對簡諧激勵下的連續體結構進行拓撲優化設計.選取節點的相對密度作為設計變量，以動柔度最小化為目標函數，基于帶懲罰的各向同性固體微結構（Solid Isotropic Microstructure with Penalization，SIMP）模型［23］建立簡諧激勵下的連續體結構拓撲優化模型，采用伴隨法求解得到目標函數的敏度分析公式，引入靈敏度過濾技術得到清晰的拓撲優化結果，利用優化準則法對優化模型進行求解，通過經典的二維連續體結構拓撲優化算例證明該方法的可行性和有效性.
1 RPIM的動力學基本理論
1.1 RPIM的形函數
在徑向點插值法中，計算域用一系列點離散，每個點都有一定的影響域，某給定點處的位移通過對該點的影響域中其他點處的位移進行插值得到.設二維域僦械娜我緩數ux，可用徑向基和多項式基的線性組合表示為
ux=ni=1Rixai+mj=1Pjxbj=
RTxa+PT(x)b(1)
式中：Rix為徑向基函數（Radial Basis Function,RBF）；ai為Rix的系數；Pjx為坐標xT=x y的單項式;bj為Pjx的系數;n為RBF的項數;m為多項式基函數的項數.為保證能取得較好的穩定性，通常取mn.在二維問題中，一般采用線性基PTx=1 x y.
5 結 論
將RPIM成功引入到簡諧激勵下的連續體結構拓撲設計優化中，并對二維線彈性結構進行拓撲優化設計.在優化過程中，以節點相對密度為設計變量，以結構動柔度最小化為目標函數，基于SIMP模型建立結構拓撲優化數學模型，利用無網格方法和優化準則法求解優化模型.通過算例討論不同激勵圓頻率下的拓撲優化結果.結果表明，利用RPIM對簡諧激勵下的連續體結構進行拓撲設計優化可行、有效.
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1拓撲優化模型的建立
1.1節點變量法目前，對于連續體結構拓撲優化問題，通常采用單元密度為設計變量，設計域內的任一點的位移和密度采用Q4/U插值方法，如圖1(a)所示。單元內任一點的密度均勻相等，通過節點的位移進行雙線性插值計算得到單元內任一點的位移eu式中iu—單元節點位移iN—單元形函數m—單元的節點數e—單元內任一點的密度—單元密度這種插值方法只能保證位移場具有0C連續性，然而密度場只具有1C連續性，光滑性差，導致拓撲優化結果中出現棋盤格等數值不穩定性[10]現象。以節點密度為設計變量，單元內的位移和密度采用Q4/Q4單元插值方法，如圖1(b)所示，單元內部每一點的密度不再是均勻相等，而是任意一點的位移和密度通過單元節點的位移和密度進行雙線性插值求得[11,12]節點密度法保證了位移場與密度場都具有0C連續性，可以避免拓撲優化結果中的數值不穩定性現象[13]；但是這種方法不能實現最小尺寸約束。節點變量法采用映射函數表示節點設計變量與節點密度變量關系，來滿足拓撲優化設計的最小尺寸約束，獲得優化結構便于制造加工。映射函數采用類似于文獻[14,15]提出的方法，利用最大函數表示為max()iijjd(3)式中jd—第j節點設計變量i—第i節點的子區域第節點的子區域是指以第節點為圓心，以設定最小半徑minr為半徑的區域，如圖2(a)所示。子區域內的任一節點與節點的距離滿足關系ijminirrrrj(4)式中r—i節點與j節點之間的距離ir—節點與節點相對于參考點的距離jr—節點與j節點相對于參考點的距離設定最小半徑minr為指定的約束最小尺寸的一半，它決定了最優拓撲結構中的最小尺寸大小。表示在子域任意一個節點，如圖2(b）所示。1.2拓撲優化模型以應變能力最小化為目標函數來滿足連續體結構的剛度最大化，以體積為約束，采用映射函數表示設計變量與單元節點的密度關系來達到最小尺寸約束目的。1.3靈敏度分析移動漸近法(Methodofmovingasymptotes,MMA)采用顯式的線性凸函數來近似隱式的目標和約束函數，構造移動近似子問題來得到一個原問題的近似解。MMA法對于各種結構拓撲優化問題都具有很好的魯棒性[16]。MMA法是基于梯度的優化方法，目標函數及約束函數的靈敏度分析是必要的。
2數值算例
以懸臂梁結構為例采用節點變量法進行結構拓撲優化設計。懸臂梁結構的設計域尺寸如圖3所示。懸臂梁結構的長度L與寬度H之比為8:5，載荷作用在結構右邊中點，載荷大小F=1N，左邊固定，材料的彈性模量E為100GPa，泊松比為0.3，體積比為0.4。為了對比說明，采用單元變密度法、過濾處理的單元變密度法和本文提出的節點密度法進行懸臂結構拓撲優化設計，設計域離散為8050個4節點矩陣單元，最小半徑minr為2.5。采用不同方法獲得的懸臂梁結構拓撲優化結果如圖4所示。圖4(a)是直接采用單元變密度法獲得的拓撲圖，可以看到優化結果存在棋盤格現象；圖4(b)是采用過濾處理的單元變密度法獲得的拓撲圖，過濾處理能夠消除棋盤格，但是結構邊界容易出現中間密度單元；圖4(c)是采用節點變量法得到的拓撲圖,拓撲優化結果清晰地顯現了設計區域內的黑白邊界,消除了棋盤格現象。這說明節點變量法能夠消除棋盤格現象，并且可以獲得清晰邊界結構。對設計域進行8050、160100及240150網格劃分，采用提出的方法進行懸臂梁結構拓撲優化設計，拓撲優化結果如圖5所示。由圖5可知，在不同網格劃分情況下，除了網格數越多邊界越光滑外，得到的拓撲圖是一致的，不存在網格依賴性。網格劃分為8050，采用最小半徑分別為1.5、2.5情況下，進行懸臂梁結構拓撲優化設計，拓撲結果如圖6所示。映射函數通過最小半徑來控制拓撲結構的最小尺寸，允許的最小尺寸是由兩倍最小半徑決定的。由圖6可知，與最小半徑為1.5相比，最小半徑為2.5時拓撲優化結果出現較大的尺寸結構。這說明通過設定的最小半徑來控制優化結果中的最小尺寸約束可行，并且設定的最小半徑越大，拓撲圖出現越大尺寸的結構，便于加工制造。
3結論
(1)采用節點變量法進行連續體結構拓撲優化設計方法是可行的，能夠得到清晰材料分布的拓撲圖。(2)采用節點變量法進行連續體結構拓撲優化設計，拓撲優化結果能夠避免棋盤格、網格依賴性等數值不穩定性現象。(3)通過最小半徑來實現拓撲優化結果中的最小尺寸約束，設定的最小半徑越大，拓撲圖出現越大尺寸的結構，便于加工制造。
作者：占金青 楊康 黃志超 單位：華東交通大學機電工程學院
［關鍵詞］算法 搜索 關聯矩陣 OSPF協議 分電壓等級 有色Petri法
引言
拓撲結構不僅是潮流分析、狀態估計等高級應用的基礎, 它是電力系統網絡分析其他應用軟件的基礎，它的任務是根據電力網絡中開關的開斷狀況，通過一定的算法計算出網絡的實時結構拓撲，進而進行更高級運算以了解電力網絡的運行狀態和安全穩定性，或者得到拓撲數據供電力系統應用程序使用。同時拓撲分析的效果直接影響著工作人員進行故障估計、診斷和其他應用程序的使用效果。
一、深度或廣度搜索法
早期的網絡拓撲分析是利用堆棧技術進行搜索。一般是將拓撲結構表述為鏈表關系，用圖論中的搜索技術，如深度優先搜索法和廣度優先搜索法分析節點的連通性。這種方法一般需要建立反映拓撲結構的鏈表，通過處理鏈表實現拓撲分析，然后以搜索回溯的框架, 利用堆棧記錄劃分。由于其基本算法采用“堆棧”原理――先進后出的搜索邏輯，程序不可避免采用遞歸的實現形式，因此編程和維護較復雜，效率較低。況且當應用于實時網絡分析時, 在運算時間上不能滿足要求。
二、面向對象(OO)的啟發式搜索算法
由于在電網的實際運行過程中，狀態頻繁發生變化的開關占少數，因此將追蹤技術引入拓撲分析中，僅在開關狀態發生改變時進行局部拓撲分析，可以減少拓撲分析的計算量。在完成網絡的初始拓撲分析并構筑了電網的結點樹之后，當電網發生開關變位事件時，根據開關變位只造成局都電網拓撲發生變化的特點，采用啟發式搜索算法進行電網結點樹拓撲的跟蹤。針對不同的變位事件，分開關“開”和“合”兩種情況進行分析。實現拓撲跟蹤OO模型的啟發式拓撲分析方法，利用OO技術可擴展拓撲算法的適用范圍。
三、基于關聯矩陣的集合劃分算法
文獻[4]是以SVG圖形模型為基礎，再結合CIM 和XML的特點，采用改進的集合劃分方法---基于關聯矩陣的網絡拓撲分析方法，將拓撲分析與代數分析有機結合，這樣可進一步提高計算效率。在改進方法中，先將連接點都新建成各個獨立的拓撲點，其中連接點中包含了與拓撲點的關聯信息，這樣在歸并拓撲點時就避免了遍歷比較；在拓撲點歸并過程中只銷去拓撲點中的信息，而拓撲點對象依然存在，最后在進行一次總的導入。
四、基于OSPF協議的算法
目前獲取網絡拓撲普遍采用的方法是基于SNMP協議或ICMP協議的主動探測技術，但此類技術容易增加網絡負擔，影響其正常運行。文獻[5]提出了一種基于OSPF協議數據庫描述報文和鏈路狀態更新報文的拓撲分析算法。因為OSPF協議報文中含有網絡拓撲信息，為有效處理報文數據，所以采用這種算法。該算法的主要思想是：將OSPF協議報文按區域劃分，采用模擬路由器的工作方式構造鏈路狀態數據庫，分別計算各個區域的拓撲，再利用邊界路由器連接分散的拓撲得到完整的網絡拓撲。
五、分電壓等級算法
該拓撲分析方法只搜索斷開開關所在的廠站電壓等級，大大減小了搜索的空間，提高了網絡拓撲分析的效率。其基本原理為：首先對所有狀態發生變化的開關(或刀閘)信息進行掃描，根據開關信息判斷開關的首末連接節點是否在同一電壓等級。分級搜索法流程見圖所示。
當開關狀態發生變化時，可能會對初始拓撲節點編號造成以下幾種影響：
(1)網絡內開關操作后，未造成拓撲節點變化，連接節點仍屬于同一拓撲節點；(2)開關開斷后分裂出一個或多個拓撲節點；(3)開關閉合后刪除一個或多個拓撲節點；(4)以上情況的組合。
在初始拓撲節點編號的基礎上中，以上幾種情況可以歸結為兩類來處理：
(1)新增的拓撲節點，其編號排在初始拓撲節點最大編號之后；(2)不增加新拓撲節點，采用初始拓撲節點編號。
這樣，網絡中任何開關操作對拓撲節點造成的任何影響都可以在初始拓撲節點的基礎上歸結為兩類操作，簡單明了，易于實現。
六、基本分析單元的有色Petri法
將整個電網拓撲分析問題分解為若干基本分析單元，采用基本分析單元的有色Petri網模型，只重新計算受開關狀態變化影響的分析單元，減小了搜索的空間，可提高拓撲分析的效率。
七、結語
以上幾種利用數據結構加上特定的算法來實現拓撲分析的改進方法，目的是為了加快拓撲的速度和效率，得到準確的拓撲結構。
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0引言
網絡資源拓撲的發現是網絡資源管理的核心功能之一，它可以定義為：將運行在各式各樣異構的網絡環境下的資源，主要是網絡設備之間的連接關系與實際的運行狀態通過一定的手段對其進行整理匯總，以統一的格式提交給網絡管理系統，從而有效提高了管理復雜網絡環境的效率。其中，如何構建全方位、直觀的網絡拓撲圖在網絡拓撲發現中是一個重要課題。當前存在的網絡拓撲發現方法包括：（1）基于ICMP網絡控制報文協議拓撲發現，由主機向路由器發送測試報文來發現網絡拓撲結構。其特點是實現簡單，但是發送過多的測試報文同時增加的網絡的負載，容易造成鏈路阻塞，不適宜目前大型的網絡環境。（2）基于ARP地址解析協議拓撲發現，通過主機向網絡中廣播目標地址的ARP請求來發現具體的網絡拓撲，并加載在ARP緩存中。其特點是ARP緩存中網絡地址都是有效唯一的，這大大提高了網絡拓撲發現的效率；但是此方法的缺點也很明顯，在網絡縱深過大的環境下，由于ARP緩存儲存的信息量是有限的，會產生ARP請求到達不了的“盲區”。所以滿足不了動態異構的大型網絡對網絡拓撲發現的要求。
1SNMP協議在網絡拓撲發現中的運用
SNMP協議在當前網絡管理中起著至關重要的作用，越來越多的網絡設備都支持該協議，SNMP協議的運行模式是：所有被網絡管理系統所監管的網絡設備將與網絡運行相關的數據項通過Agent進程進行匯總處理，并提交給MIB管理信息庫，由Manager管理終端與進程的交互，使用SNMP協議所規定的TRAP、GetRequest、GetRespones等指令來完成相應的網絡信息查詢和設置修改參數。
2網絡拓撲發現算法描述
網絡拓撲中各子網通過與之相連的路由器轉發設備相互連接。這些通過網關相連的子網可能是同處在一個局域網之內的，也可能是分布在不同的局域網中，通過路由器的不同端口或者不同相連的路由器建立連接從而進行網絡通信。因此網絡拓撲結構被分割成了兩個緊密相關的層次，一級網絡拓撲結構與二級網絡拓撲結構。我們把網絡中各子網通過的路由器相連的整體連接狀況稱為一級網絡拓撲結構；而在各子網內部的網絡設備的連接情況稱為二級網絡拓撲結構。構造一級網絡拓撲結構是通過查詢路由信息表中的ipRouteNextHop（路由下一跳的ip地址）、ipRouteDes（t網絡目的端的ip地址）和ipMask（路由掩碼）等參數，從網絡管理終端出發依次遍歷整個網絡中的路由設備。其中，需要除去可能出現在路由表中的設備本地ip地址，通過查詢路由設備中ipForwarding參數值來判斷該路由設備是否是子網間的外部網關，若ipForwarding值為1，表明此路由設備屬于一級拓撲結構，反之則表明此路由設備屬于二級拓撲結構。構造二級網絡拓撲結構主要是通過查詢子網內每臺網絡設備接口表ifTable中的Ifindex端口索引來判斷同屬一個子網內的路由器各端口連接的網絡設備情況，路由器每個端口號與次端口連接的子網的子網號一一對應，并按照不同的端口號與子網掩碼分別放入不同的路由隊列中。基于SNMP協議的網絡拓撲發現算法的基本流程包括如下步驟：（1）初始化路由隊列Q；（2）通過Agent進程訪問Q中的初始節點A，visited[A]=1，A為隊列Q中的第一個元素；（3）由Agent進程向A的下一個鄰接節點B發送查詢數據包并等待節點B的反饋數據包，收到反饋后對其進行解析，通過MIB信息中的IpRouteType值來判斷B是否與A處于同一個子網中；若IpRouteType的值為3，表明這兩個節點是處在同一子網內；IpRouteType值為4時，表示路由器連接入另一個非本地子網中，需至少再經過一個路由器的轉發；將所經過的路由信息添加至路由鏈表中，并記錄A與B之間的連接關系。（4）如果B未被Agent進程訪問，則visited[B]=B，節點B進入隊列Q中，并將ipRouteNextHop參數無重復地放入連接隊列，將ipRouteDest無重復地放入子網隊列中；以此類推，直到遍歷完所有節點。
3具體實現步驟
（1）網絡設備由Agent進程收集有關的網絡SNMP信息，將Community中公開的權限設置為可讀，并設置Trap的告警信息指向網絡管理系統；（2）網絡管理系統通過使用SNMP協議中的GET指令來查詢收集網絡中各類設備的唯一標識碼OID，來訪問各網絡設備的MIB變量信息，并對這些MIB信息進行統一的分類與整理完畢后，一起儲存在數據庫中；（3）后臺通過使用JAVA語言編寫統一的類和接口，方便同時訪問不同關系的，存儲網管系統所提供各類設備網絡相關信息的數據庫；（4）為了將存儲在數據庫中的網絡信息鏈表以一種簡單直觀的圖形方式呈獻給用戶，要求WEB服務器不僅可以取到數據庫中的與網絡設備相關的數據，而且當WEB服務器接收到繪圖指令后，讀取網絡拓撲信息，查詢拓撲信息表內的末端元素，根據算法的遞歸深度來判斷此元素在拓撲結構中的具置；（5）由于網絡環境的復雜多變性，對網絡結構拓撲圖產生了新的要求，網絡拓撲需要在一定的時間段內刷新，用以實時發現更新后的網絡拓撲，再對拓撲結構圖進行相應的改動，而這個刷新的間隔時間的取值需適中，間隔時間太長會影響網絡拓撲信息的實時準確性，會造成系統的負載過大，從而對網絡管理造成不必要的負擔。每次添加新的網絡節點時，需要判斷是否與已知存在的節點使用同一個路由器，避免路徑的回路重復顯現。
4結語
網絡資源拓撲結構發現是網絡資源管理的關鍵問題之一。本文給出了一種基于SNMP簡單網絡管理協議的網絡資源拓撲圖的構建方法，通過使用SNMP協議中的GET指令取出網絡設備中MIB管理信息庫的相應的網絡信息，實現網絡資源的按需發現與拓撲結構圖的自動構建。
作者：羅翔 楊朝紅 毛軍禮 王小振 單位：裝甲兵工程學院信息工程系 中國電子科技集團公司第五十四研究所
關鍵詞：光纖；CATV；網絡拓撲；HFC
中圖分類號：TN948 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 (2012) 06-0086-01
一、引言
隨著光纖的普及以及技術的進步，激光制造的造價不斷下降，具有頻帶極寬，損耗低等特點的光纖傳輸CATV信號的各項指標得到了提升，CATV在廣電領域也得到了廣泛的被應用。光纖網絡的鋪設和其他信號媒介的鋪設一樣，講究鋪設結構的設置。一般來說，光纖網絡鋪設的拓撲結構有環形拓撲結構、樹形拓撲結構以及HFC拓撲結構，在當前廣電光纖網絡使用較多的是最后一種。而在網絡協議的處理上，廣電光纖網絡沒有采取應用較為廣泛的RS-232協議，而是采取的是HDLC協議和X.21協議。
二、光纖網絡拓撲結構
（一）環形拓撲結構。環形拓撲結構中的每個中繼器都與兩條鏈路鏈接，并且不在中繼器中緩存。這種鏈路只能在一個方向上傳輸數據，而且所有的鏈路都按同一方向傳輸，數據就在一個方向上圍繞著環進行循環，即它是單向的。因為多個設備共享一個環，為了解決每個站的分組什么時間放到環上，需要對此進行控制。這種功能是每個站點都有控制接收和控制發送的訪問邏輯這種功能是用分布控制的形式完成的，每個站都有控制發送和接收的訪問邏輯。由于信息包在封閉環中必須沿每個結點單向傳輸，因此，環中任何一段的故障都會使各站之間的通信受阻。為了增加環形拓撲可靠性，還引入了雙環拓撲。
（二）樹形拓撲結構。樹形拓撲是從總線拓撲演變而來的，它把星形和總線形結合起來，形狀像一棵倒置的樹，頂端有一個帶分支的根，每個分支還可以延伸出子分支，樹根接收各節點發送的數據，然后再廣播發送到全網。這種拓撲和帶有幾個段的總線拓撲的主要區別在于根的存在。當結點發送時，根接收該信號，然后再重新廣播發送到全網。
（三）HFC拓撲結構。HFC是光纖和同軸電纜相結合的混合網絡，也是當前廣電光纖網絡中使用最多的方式。HFC通常由光纖干線、同軸電纜支線和用戶配線網絡三部分組成，從有線電視臺出來的節目信號先變成光信號在干線上傳輸；到用戶區域后把光信號轉換成電信號，經分配器分配后通過同軸電纜送到用戶。它與早期CATV同軸電纜網絡的不同之處主要在于，在干線上用光纖傳輸光信號，在前端需完成電—光轉換，進入用戶區后要完成光—電轉換。HFC有限電視是一個星形的拓撲結構，是以前端為中心，光纖延伸到城市小區，以光點為總結點的結構。
HFC網絡能夠傳輸的帶寬為750MHz～860MHz，少數達到1GHz。根據原郵電部1996年意見，其中5～42/65MHz頻段為上行信號占用，用QPSK或者16QAM調制是為了提高抗干擾能力，能夠實現廣播業務，狀態監控信號業務，數據通信業務等。
三、光纖網絡的搭建
（一）光纖網絡通信協議。光纖網絡通信和其他通信一樣，需要按照固定的網絡通信協議，才能夠進行數據的傳輸。一般來說，小范圍、低功率的光纖信號傳輸中，采用較多的是RS-232網絡傳輸協議。RS-232協議的技術發展較為成熟，可靠性較好，在RS-232基礎之上發展而來的RS-484協議，在數據傳輸方面同樣優秀，這兩種數據傳輸協議，也就是我們經常所說的串口通信協議。RS-232和RS-485這兩種串口通信協議在傳輸速度上表現不能夠令人滿意，傳輸速率較低，不能滿足當前人們對多媒體、流媒體的要求。在當前我們使用最多的是HDLC協議以及X.21協議，這兩種協議在廣電通信領域也被應用得最為廣泛，其中HDLC協議的傳輸速度和可靠性兩個方面表現優異，該協議的特點是：不受位組合限制，可以對數據進行不間斷的傳輸，并能夠實現即時通訊的目的，這些優點決定了HDLC主要應用于數據鏈路層，能夠匹配更多的終端設備，更合適于計算機、電視機機頂盒等設備。X.21協議是DCE和DTE直接接口的定義，該協議對物理層進行了規定，另一種是網絡層的功能進行了定義。物理層是使用在專業線連接，既使用物理層也使用網絡層的是線路交換數據網中。
（二）鋪設技術方案。由于各城市到各個城區前端的距離較遠，回傳至前端的一套電視節目采用調頻單路模擬光傳輸設備來實現。所以，我們必須在單位區域內裝備一臺光發機，將各個城市的現場實況及話音經光纖送到縣前端，在上級區域內端安裝14臺光接收機，即每個單位區域對應一套光端機(包括一發一收)。在前端增加視頻切換器等少許設備即可實現回傳。在當前，隨著技術的發展，光機的價格普遍下降，可以進行大范圍鋪設。
（三）由于大多數新建的CATV網都采用光纖同軸混合網絡（HFC網，即Hybrid Fiber Coax Network），使原有的550MHzCATV網擴展為750MHz的HFC雙向CATV網，其中有200MHz的帶寬用于數據傳輸，接入國際互聯網。這種模式的帶寬上限為860MHz～1000MHz。Cable Modem技術就是基于750MHz HFC雙向CATV網的網絡接入技術的。有線電視一般從42MHz-750MHz之間電視頻道中分離出一條6MHz的信道，用于下行傳送數據。
四、總結
本文首先分析了網絡拓撲結構的搭建，研究了當前幾種比較常見的網絡拓撲結構，著重剖析了當前廣電光纖使用的HFC拓撲結構，最終根據光纖網絡通信分析了光纖網絡的搭建方法。在光纖網絡的鋪設方面，要實現各個城市到各個城區的普及，在進行信號解調時，要設置好相應的頻率范圍。
參考文獻：
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