二、网络的组成与结构

(一)网络的组成

计算机网络由计算机系统、通信设备和通信线路等组成。计算机网络首先是一个通信网络，各计算机之间通过通信媒体、通信设备进行数字通信。在此基础上各计算机可以通过网络软件共享其他计算机上的硬件资源、软件资源和数据资源。为了简化计算机网络的分析与设计，有利于网络的硬件和软件配置，按照计算机网络的系统功能，一个网可分为资源子网和通信子网两大部分，如图6-2所示。

图6-2　资源子网与通信子网

1.资源子网 资源子网由网络中所有的计算机系统、存储设备和存储控制器、软件和可共享的数据库等组成，主要负责整个网络面向应用的信息处理，为网络用户提供网络服务和资源共享功能等。

2.通信子网 通信子网的主要任务是将各种计算机互联起来，完成数据交换和通信处理。它主要包括通信处理机、通信线路(即传输介质)和其他通信设备，完成网络数据传输、转发等通信处理任务。在早期的ARPANET中，承担通信处理机功能的设备是接口报文处理器(interface message processor，IMP)，IMP相当于当前网络中广泛使用的路由器。

将计算机网络分为资源子网和通信子网，简化了网络设计。通信子网可以独立设计和建设，它可以是专用的，专门为某个机构拥有和使用，称为专用数据网；它也可以是公用的，由政府部门(如邮电部门)或某个电信公司拥有和经营，向社会公众提供数据通信服务，称为公用数据通信网。

需要指出的是：广域网可以很明确地划分出资源子网和通信子网；而局域网由于采用的工作原理与结构的限制，不能明确地划分出子网的结构。

(二)网络的拓扑结构

计算机网络发展非常迅速，大量的微型计算机通过局域网连入广域网，广域网又可以和其他的广域网相互连接，全球性的多个广域网互联构成了覆盖全世界的Internet网络系统。由于远距离传输和近距离传输时的传输方式不同，计算机网络连接的拓扑结构也有所不同，这就构成了所谓的局域网和广域网。由于Internet网络系统结构日益复杂，本章主要介绍局域网的几种拓扑结构。

在研究网络组成结构的时候，可以采用拓扑学中的一种研究与大小形状无关的点、线特性的方法，即抛开网络中的具体设备，把工作站、服务器等网络单元抽象为“结点”，把网络中的电缆等通信介质抽象为“线”，这样，从拓扑学的观点看，网络就变成了由点和线组成的几何图形，称为网络的拓扑结构。

网络中的结点共有两类：一类是连接结点，它只负责转发和交换信息，包括交换机、集线器和终端控制器；另一类是访问结点，它们是信息交换的源结点和目标结点。局域网拓扑结构主要有总线型、星形、环形、树形以及网状拓扑结构。

1.总线型拓扑结构 总线型拓扑结构采用单根数据传输线作为通信介质，所有的站点都通过相应的硬件接口直接连接到通信介质，而且能被所有其他的站点接受。图6-3所示为总线型拓扑结构示意图。

图6-3　总线型拓扑结构

总线型网络结构中的结点为服务器或工作站，通信介质为同轴电缆。由于所有的结点共享一条公用的传输链路，所以一次只能由一个设备传输。这样就需要某种形式的访问控制方法，来决定下一次哪一个结点可以发送。目前在局域网常用到传输介质访问控制方法有：以太(Ethernet)方法、令牌(token ring)方法和ATM方法等。

2.星形拓扑结构 星形拓扑结构由中央结点和通过点到点链路连接到中央结点的各结点组成。利用星形拓扑结构的交换方式有电路交换和报文交换，尤以电路交换更为普遍。一旦建立了通道连接，可以没有延迟地在连通的两个结点之间传送数据。工作站到中央结点的线路是专用的，不会出现拥挤的瓶颈现象，如图6-4所示。

图6-4　星形拓扑结构

星形拓扑结构中，中央结点为集线器，其他外围结点为服务器或工作站；通信介质为双绞线或光纤。

星形拓扑结构被广泛应用于网络中智能主要集中于中央结点的场合。由于所有结点的往外传输都必须经过中央结点来处理，因此，对中央结点的要求比较高。

星形拓扑结构信息发送的过程为：某一工作站有信息发送时，将向中央结点申请，中央结点响应该工作站，并将该工作站与目的工作站或服务器建立会话。此时，就可以进行无延时的会话了。

3.环形拓扑结构 环形拓扑结构是一个像环一样的闭合链路，在链路上有许多中继器和通过中继器连接到链路上的结点。也就是说，环形拓扑结构网络是由一些中继器和连接到中继器的点到点链路组成的一个闭合环。在环形网中，所有的通信共享一条物理通道，即连接网中所有结点的点到点链路。图6-5所示为环形拓扑结构。

图6-5　环形拓扑结构

其中，每个中继器通过单向传输链路连接到另外两个中继器，形成单一的闭合通路，所有的工作站都可通过中继器连接到环路上。任何一个工作站发送的信号，都可以沿着通信介质进行传播，而且能被所有其他的工作站接收。中继器为环形网提供了三种基本功能：数据发送到环中、接收数据和从环中删除数据。它能够接收一个链路上的数据，并以同样的速度串行地把该数据送到另一条链路上，即不在中继器中缓冲。由通信介质及中继器所构成的通信链路是单向的，即能在一个方向上传输数据，而且所有的链路是单向的，即能在一个方向上围绕着环进行循环。

4.树形拓扑结构 树形拓扑由总线型拓扑演变而来，其结构图看上去像一颗倒挂的树，如图6-6所示。树最上端的结点称为根结点，一个结点发送信息时，根结点接收该信息并向全树广播。树形拓扑易于扩展与故障隔离，但是对根结点依赖性太大。

5.网状拓扑结构 网状拓扑结构又称为无规则型拓扑结构。在网状拓扑结构中，结点之间的连接是任意的，没有规律，如图6-7所示。网状拓扑的主要优点是系统可靠性高，但是结构复杂。目前实际存在和使用的广域网基本上都是采用网状拓扑结构。

图6-6　树形拓扑结构

图6-7　网状拓扑结构

(三)网络的分类

计算机网络的分类方式有很多种，可以按地理范围、传输速率、传输介质和拓扑结构等分类。

1.按地理范围分类

(1)局域网(local area network，LAN)：局域网地理范围一般为几百米到10km，属于小范围内的联网。如一个建筑物内、一个学校内、一个工厂的厂区内等。局域网的组建简单、灵活，使用方便。

(2)城域网(metropolitan area network，MAN)：城域网地理范围可从几十公里到上百公里，可覆盖一个城市或地区，是一种中等形式的网络。

(3)广域网(wide area network，WAN)：广域网地理范围一般在数千公里，属于大范围联网。如几个城市、一个或几个国家，是网络系统中最大型的网络，能实现大范围的资源共享，如国际性的Internet网络。广域网WAN一般最多只包含OSI参考模型的底下三层，而且大部分广域网都采用存储转发方式进行数据交换，也就是说，广域网是基于报文交换或分组交换技术的(传统的公用电话交换网除外)。广域网中的交换机先将发送给它的数据包完整接收下来，然后经过路径选择找出一条输出线路，最后交换机将接收到的数据包发送到该线路上去，以此类推，直到将数据包发送到目的结点。广域网可以提供面向连接和无连接两种服务模式，对应于两种服务模式，广域网有两种组网方式：虚电路方式和数据报方式。

(4)万维网(world wide web，WWW)：将世界上的不同物理结构、协议和标准的网络通过网关连接起来，并可以由网关完成相应的转换功能。这种多个网络相互连接构成的集合称为万维网(这里不是指国际互联网Internet，而是指internetwork)。万维网的最常见形式是多个局域网通过广域网连接起来。

2.按传输速率分类 网络的传输速率有快有慢，传输速率快的称高速网，传输速率慢的称低速网。传输速率的单位是bit/s(每秒比特数，英文缩写为bps)。一般将传输速率在Kbit/s～Mbit/s的网络称为低速网，在Mbit/s～Gbit/s的网络称为高速网。也可以将Kbit/s网络称为低速网，将Mbit/s网络称为中速网，将Gbit/s网络称为高速网。

网络的传输速率与网络的带宽有直接关系。带宽是指传输信道的宽度，带宽的单位是Hz(赫兹)。按照传输信道的宽度可分为窄带网和宽带网。一般将k Hz～MHz带宽的网络称为窄带网，将MHz～GHz的网络称为宽带网，也可以将k Hz带宽的网络称窄带网，将MHz带宽的网络称为中带网，将GHz带宽的网络称为宽带网。通常情况下，高速网就是宽带网，低速网就是窄带网。

3.按传输介质分类 传输介质是指数据传输系统中发送装置和接收装置间的物理媒体，按其物理形态可以划分为有线和无线两大类。

(1)有线网：传输介质采用有线介质连接的网络称为有线网，常用的有线传输介质有双绞线(twisted pairwire，TP)、同轴电缆和光缆。

1)双绞线：由两根绝缘金属线互相缠绕而成，这样的一对线作为一条通信线路，由四对双绞线构成双绞线电缆。双绞线点到点的通信距离一般不能超过100m。目前，计算机网络上使用的双绞线按其传输速率分为三类线、五类线、六类线、七类线，传输速率在10～600Mbit/s，双绞线电缆的连接器一般为RJ-45。

2)同轴电缆：由内、外两个导体组成，内导体可以由单股或多股线组成，外导体一般由金属编织网组成。内、外导体之间有绝缘材料，其阻抗为50Ω。同轴电缆分为粗缆和细缆，粗缆用DB-15连接器，细缆用BNC和T连接器。

3)光缆：由两层折射率不同的材料组成。内层由具有高折射率的玻璃单根纤维体组成，外层包一层折射率较低的材料。光缆的传输形式分为单模传输和多模传输，单模传输性能优于多模传输。所以，光缆分为单模光缆和多模光缆，单模光缆传送距离为几十公里，多模光缆为几公里。光缆的传输速率可达到数百Mbit/s。光缆用ST或SC连接器。光缆的优点是不会受到电磁的干扰，传输的距离也比电缆远，传输速率高。光缆的安装和维护比较困难，需要专用的设备。

(2)无线网：采用无线介质连接的网络称为无线网。目前无线网主要采用三种技术：微波通信、红外线通信和激光通信。这三种技术都是以大气为介质的。其中微波通信用途最广，目前的卫星网就是一种特殊形式的微波通信，它利用地球同步卫星作中继站来转发微波信号，一颗同步卫星可以覆盖地球的三分之一以上表面，三颗同步卫星就可以覆盖地球上全部通信区域。

4.按拓扑结构分类 计算机网络的物理连接形式称为网络的物理拓扑结构。连接在网络上的计算机、大容量的外存、高速打印机等设备均可看作网络上的一个结点，也称为工作站。计算机网络中常用的拓扑结构有总线型、星形、环形等，如前所述。