1.2 計算機網絡的分類

計算機網絡從不同角度可以有不同的分類方式，下面分別從覆蓋范圍、拓撲結構、傳輸介質、數據交換技術這幾個角度對計算機網絡進行分類介紹。

1.2.1 按覆蓋范圍不同分類

按照網絡覆蓋范圍進行分類，計算機網絡可以分為局域網、城域網和廣域網3種。

1.局域網（Local Area Network，LAN）

局域網是指將有限地理范圍內（如一個實驗室、一幢大樓、一所校園）的計算機、終端及外部設備互相連接構成網絡。局域網按照采用的技術、應用范圍和協議標準的不同可以分為共享局域網與交換局域網。局域網技術發展迅速，應用日益廣泛，是目前計算機網絡中最活躍的領域之一。

局域網的主要特點如下。

● 網絡私有性：LAN通常不對外提供公共服務，因此不僅安全保密性好，而且便于管理。例如，一所學校的LAN通常只對學校內人員提供服務。

● 分布范圍小：LAN分布的范圍較小，小的甚至只有家里的一個房間，較大的可能是一個公司的若干建筑樓。通常LAN的范圍在10km以內，不限制在一個空間中。

● 組建簡單：LAN組建非常方便，由于LAN只對某個單位或個人開放，因此網絡結構相對簡單，同時無需太多設備的投入，所需投資較少。LAN大多數采用的是較便宜的雙絞線布線，并且分布范圍較小，因此布線方式簡單，易實現。

● 傳輸速度快、誤碼率低：目前的以太網局域網技術發展迅速，傳輸速率最快已經達到了10Gbit/s。這是局域網最大的優勢，也是局域網在企業等領域應用廣泛的原因。LAN的誤碼率較低，通常為10^-11~10^-8。

局域網的種類隨著網絡技術的發展不斷變化。早期有IBM令牌網、光纖分布式數據接口（FDDI）網等，目前主要是以太網（Ethernet）和無線局域網（WLAN）等。

2.廣域網（Wide Area Network，WAN）

廣域網是規模最大的一種計算機網絡，其網絡覆蓋范圍可以從幾十千米到幾千千米，分布的地理范圍非常廣，例如，多個城市、多個國家，橫跨幾個洲，甚至全球范圍，形成了遠程網絡。Internet是典型的廣域網，提供最大范圍的公共服務。

WAN的主要特點如下。

● 網絡覆蓋范圍廣：WAN所覆蓋的范圍非常大，可以覆蓋幾個城市或者整個國家，甚至覆蓋全球。

● 網絡成本高：由于網絡的覆蓋面積十分廣，所需的設備很龐大，網絡線路也很長，不僅搭建十分費勁，而且傳輸線路使用的媒介也多種多樣，整個網絡的鋪設成本十分昂貴。

● 安全系數低，網絡復雜：WAN網絡線路長，而且WAN中通常使用的是公共的IP地址，因此網絡的安全保密性能較差。同時，由于WAN連接了不同類型的多個遠程網絡，其網絡結構十分復雜，網絡類型也不盡相同，因此解決多個不同類型網絡的互連問題對于WAN十分重要。

● 傳輸速率慢、誤碼率高：由于WAN傳輸距離遠，又需要依靠公共傳輸網，所以誤碼率很高（一般為10^-8~10^-7），同時傳輸速率也較低。

3.城域網（Metropolitan Area Network，MAN）

城域網范圍大小在局域網（LAN）和廣域網（WAN）之間，其覆蓋范圍主要為10~100km，一般橫跨一個城市或幾個街區。MAN可以為一個或幾個單位提供網絡服務，一般用于提供公共服務，可以將多個局域網進行互連，而且目前很多MAN采用的是以太網技術，因此很多時候可以將MAN歸入LAN中一同討論。

局域網是計算機網絡的研究熱點，“地球村”是指將若干局域網通過廣域通信網連接在一起的互連網絡。

1.2.2 按拓撲結構不同分類

計算機網絡的拓撲結構描述了網絡中的傳輸介質與網絡節點之間的連接方式，即線路的幾何結構。計算機網絡拓撲結構可以分為5種，即星形網絡、樹形網絡、總線型網絡、環形網絡以及網狀網絡。

1.星形網絡

星形網絡通常是指一個中央節點和若干周圍的用戶節點組成的網絡。中央節點可與周圍的用戶節點直接進行通信，而用戶節點之間的通信則必須經由中央節點才可以完成。星形網絡拓撲結構如圖1-4所示。

中央節點通常可以分為兩種，一種是功能強大的計算機。它既可以作為處理信息的獨立計算機，又可以作為其他計算機實現信息交換的中間媒介。另一種中央節點并不是一臺計算機，而是一臺網絡轉接或交換設備。交換機（Switch）或集線器（Hub）均屬于這一類中央節點。早期的星形網絡采用的多是第一種類型，而現在的星形網絡則大多采用第二種類型。

（1）星形網絡的優點

● 傳輸效率高：每個節點單獨占一條傳輸線路，避免了數據傳送堵塞現象。總線型與環形網絡在數據傳送上的弱勢就是線路問題。

● 可靠性高：星形網絡拓撲結構中，每個分節點及相應接口的故障不會影響其他線路上的分節點，因而不會導致整個網絡癱瘓，網絡仍舊可以運行。同時，網絡結構的故障檢測和隔離較容易，使得網絡易于維護和管理。

● 可擴展性高：由于網絡結構采用單點對單線模式，網絡配置更為靈活，添加、刪除或修改一個分節點，不會影響其他節點。

（2）星形網絡的缺點

● 星形網絡采用的單點對單線模式大大增加了結構中線纜的使用量，網絡結構的布線、安裝都十分耗時耗力。

● 網絡的可靠性十分依賴于中央節點。由于網絡中只有一個中央節點（交換機或集線器），當中央節點選擇不當或出現故障時，網絡會出現癱瘓。

2.樹形網絡

樹形網絡是一種層次結構，可以看作是一種多級連接的星形網絡，但這種多級的星形網絡從上而下以三角形結構分布，形狀猶如一棵樹。樹形網絡拓撲結構如圖1-5所示。樹的頂端通常稱為根節點（網絡的核心層），最底端稱為葉子節點（網絡的邊緣層，一般為網絡用戶節點），中間稱為樹枝節點（網絡的匯聚層，完成數據的存儲轉發）。樹形結構通常采用分級的集中控制方式，網絡中的傳輸介質有多條分支，但是網絡中不存在閉合的回路，并且網絡中的每條通信線路都必須支持雙向傳輸。

（1）樹形網絡的優點

● 易于擴展：樹形網絡可以延伸出許多的分支和子分支，因此新的節點和新的分支都很容易就加入原網絡結構中。

● 故障排查容易：某一分支中的節點或其所在線路發生故障，很容易將該分支與整個系統隔離開來處理。

（2）樹形網絡的缺點

● 由于樹形網絡中的根節點在整個網絡結構中的位置和作用至關重要，一旦根節點出現故障，整個網絡將癱瘓。

● 由于樹形網絡拓撲結構可看作多級星形網絡，因此樹形網絡的可靠性也和星形網絡類似。

3.總線型網絡

總線型網絡是采用一條公共的總線作為整個網絡的傳輸介質，網絡中的每臺計算機通過相應的硬件接口接到總線上，數據信息沿著總線，以廣播方式進行傳輸。總線型網絡拓撲結構如圖1-6所示。目前流行的以太網采用的就是總線型網絡拓撲結構。

總線型網絡中的信息傳輸屬于共享模式，信息從信源發出，在總線上傳送，總線上的所有節點均可接收到該信息。但是網絡中如果有兩個及以上節點同時發出信息，則會發生信號沖突，造成網絡堵塞。

（1）總線型網絡的優點

● 可靠性高：總線型網絡采用一條公共總線，結構簡單，可靠。

● 可擴展性高：總線型網絡布線容易，易施工安裝。同時，由于網絡結構只有一條公共總線，如果增加、刪減某個節點，只需增加或去掉該節點的硬件接口。如果需要擴展網絡結構，可通過增加中繼器來實現距離延伸。

● 節約線纜：總線型網絡只需一條公共總線，且兩端的終結器安裝在兩端計算機接口處，線纜的使用量很低。

（2）總線型網絡的缺點

● 由于網絡只有一條公共總線，任何信息的傳送都要經過總線，因此總線上的節點過多時，容易產生信息的堵塞。

● 計算機利用硬件接口接入網絡，當硬件接口發生故障時，整個網絡也會癱瘓。

● 當網絡發生故障時，故障診斷與故障隔離都十分困難。

4.環形網絡

環形網絡是一個封閉的環形結構，網絡中的計算機均配有一個硬件入網接口，這些接口首尾相連，形成一條鏈路。鏈路中的信息傳送采用單向（如順時針或逆時針）逐點傳送方式，信息傳送為廣播方式。環形網絡拓撲結構如圖1-7所示。

（1）環形網絡的優點

● 可采用光纖連接：環形網絡采用的是點對點的連接方式，并且信息是沿著某一個方向單向傳播，這就使得該網絡結構可以以光纖作為傳輸介質。著名的光纖分布式數據接口（FDDI）采用的就是雙環形拓撲結構。

● 傳輸距離遠：環形網絡采用令牌協議，網上傳送的信息發生堵塞（碰撞）的可能性小，因此即使不采用光纖，其傳輸距離也要遠于其他拓撲結構，這種網絡結構適合做主干網絡。

● 線纜用量小，故障易定位：環形網絡采用的是一條總線，首尾封閉，初始安裝容易。同時該結構的單向傳播使得網絡中的故障診斷較易進行。

（2）環形網絡的缺點

● 除了FDDI外，一般的環形網絡都是單環結構，網絡上任何節點的入網接口出現故障都會使網絡癱瘓，因此環形網絡的可靠性較差。

● 環形網絡的結構特點使得網絡的管理費用較高，網絡結構靈活性差，一旦網絡結構中需要增加、刪減或修改某個節點，一般整個網絡都需停下來重新配置，因此配置起來較困難，網絡維護也不易。

5.網狀網絡

網狀網絡是指計算機網絡中的任何兩個節點之間都可以直接相連，而且任何兩個節點之間也可能存在多條路徑，拓撲結構沒有固定模式，數據在傳輸過程中可以選擇適當的路由，繞過失效的路線或者是過忙的節點。網狀網絡拓撲結構如圖1-8所示。

（1）網狀網絡的優點

● 可靠性高：由于網狀網絡存在多條路徑可供選擇，因此可靠性高，很受用戶的喜歡，在廣域網中得到了廣泛的應用。

● 不受瓶頸問題和失效問題影響：網狀網絡中節點間的路徑多，從而可以繞過失效或者過忙的節點，碰撞和阻塞減少，并且局部故障不影響整個網絡。

（2）網狀網絡的缺點

● 這種結構線路多，結構復雜，不易建網和擴充，網絡構建的成本和提供網絡功能的網絡協議也較為復雜。

● 網絡控制機制也很復雜，必須采用路由算法和流量控制機制。

網絡拓撲結構是描述網絡結構的重要方法，將具體的網絡結構抽象成點、線、面的幾何結構，可以清晰、準確地描述網絡的邏輯結構。

1.2.3 按傳輸介質不同分類

所謂的傳輸介質是指連接通信設備之間的物理連接媒介，將信號從一臺設備傳送到另一臺設備。計算機網絡按傳輸介質可以分為有線網絡和無線網絡兩大類。

1.有線網絡

有線網絡是指網絡的傳輸介質為雙絞線、同軸電纜和光纖等實體媒介。雙絞線和同軸電纜傳輸電信號，光纖傳輸光信號。

2.無線網絡

無線網絡是指不使用有線的物理連接，而是利用無線傳輸介質進行數據傳輸的網絡。無線傳輸一般是指自由空間中的電磁波，信息被加載到電磁波后在空間中進行傳輸。電磁波根據頻譜可分為無線電波、微波、紅外線、激光等。

1.2.4 按交換技術不同分類

計算機網絡按交換技術不同可分為線路交換網、報文交換網和分組交換網。線路交換網是基于線路交換的網絡，報文交換網和分組交換網是基于存儲轉發交換的網絡。

1.線路交換網

線路交換網又稱為電路交換網，它基于線路（電路）交換技術。線路交換技術是通信網中出現最早的一種數據交換方式，其工作方式屬于一種直接的交換方式，兩臺計算機之間進行數據交換之前需要建立一個真正的物理線路連接，其后的數據交換就在這條線路上進行，屬于獨占式數據交換。線路交換通信過程示意圖如圖1-9所示，圖中用戶A和用戶B經過4個交換機進行數據交換，通信過程可以分為線路建立、數據傳輸和線路拆除3個階段，具體過程如下。

（1）線路建立階段

用戶A和用戶B之間進行數據通信，首先要在用戶A和用戶B之間建立數據連接。這條線路的建立需要利用4個交換機，首先用戶A向交換機A發出請求連接信息，發送包含源地址與目的地址在內的信息，交換機A基于某種算法選擇下一個交換機B，發送請求連接信息。當交換機B接收了連接請求，同樣采用某種算法選擇下一個交換機C，以此類推，當交換機D接收到連接請求后，向與其直接連接的用戶B發送請求連接信息，至此，用戶A和用戶B之間的物理線路建立完成。

（2）數據傳輸階段

線路交換連接建立完成后，數據就可以從源節點發送到中間節點，再由中間節點交換到終端節點。同樣，數據也可以通過相同方式從用戶B傳送到用戶A。這種傳輸通常為全雙工傳輸。

（3）線路拆除階段

當用戶A和用戶B之間數據傳輸完畢，需要進行線路拆除。用戶A向用戶B發送釋放連接信息，用戶B同意結束連接后，向交換機D發送釋放連接信息，然后交換機C、交換機B、交換機A到用戶A依次釋放相互之間的物理連接，完成本次的通信工作。通信工作結束后，資源釋放。釋放的線路資源可以被別的設備重新利用。

每一條數據采用線路交換進行傳送的過程如圖1-10所示。

線路交換方式屬于交互式通信，采用專用信道通信，實時性較強，數據傳輸迅速且可靠，但是這種方式的線路利用率較低。其一是由于通信建立的時間較長，尤其是存在呼損。呼損是指在建立過程中由于交換網繁忙等原因而使建立失敗，對于交換網則要拆除已建立的部分電路，用戶需要掛斷重撥的情況。其二是線路拆除時間，每條線路只有等其占用的資源得到釋放后才可以被其他數據傳輸使用。同時這種線路交換方式不具備存儲數據的能力、不能平衡通信量、不具備差錯控制能力，無法發現與糾正傳輸過程中發生的差錯。

2.報文交換網

報文交換網采用的是存儲轉發技術。存儲轉發技術不需要在兩個節點之間建立專用線路，中間交換節點收到數據時先存儲在緩沖區中，根據目的地址尋找下一個連接的節點并將緩沖數據轉發出去。

在報文交換網中，當源節點向目的節點發送數據時，首先將需要傳送的所有數據封裝成一個報文，然后一次性傳送出去（不論報文長度如何）。報文交換原理如圖1-11所示，報文從源節點A出發，到達中間轉發節點N1、N3、N6時，這些中間節點首先檢查整個報文，確認無誤后，將整個報文存儲起來，等線路空閑時再將該報文傳到下一個節點，最后送到目的節點B。

（1）報文交換的優點

● 采用存儲轉發方式，不存在專用線路，數據傳輸采用“緩存—等待—傳輸”模式，多用戶的多數據共享通信線路。

● 報文交換不需要提前建立線路連接，也不需要拆除連接，線路的利用率提高。

● 存儲轉換方式使得收發雙方不需要同步工作，數據可以暫存在中間節點，等到線路空閑時再進行數據通信。

● 報文交換提供了傳輸速率和數據格式的轉換，保證了不同傳輸速率和數據格式的通信端點之間可以相互通信。

（2）報文交換的缺點

● 由于報文交換采用的是先存儲后轉發的方式，不可避免地產生了時延。

● 時延的長短受到報文長短影響，波動幅度變化較大，因此，報文交換不適合實時通信。

3.分組交換網

分組交換又稱為包交換，也是采用存儲轉發方式進行數據傳輸。報文轉發方式存在的時延問題與報文長度有密切關系，因此在現代計算機網絡中，主機通常會將長報文分為若干數據塊，稱為分組。分組交換網中，源主機發出的數據分成若干個分組，以分組為單位在通信線路中進行傳輸，當所有分組均到達目的主機時，再將所有分組重組成原來的數據。分組交換技術解決了報文交換中的時延問題。分組具有統一的格式和長度，便于在中間節點上存儲和處理。

分組交換工作原理如圖1-12所示。分組交換網由主機H1~H6、中間轉發網絡節點A~E以及節點間的通信線路組成。如果主機H1向主機H6發送數據，則H1需首先將數據等分為若干個分組，將這些分組依次發送到網絡節點A的緩存區，節點A按照一定算法選擇下一個轉發節點，將數據轉發出去直至傳送到網絡節點E，主機H6直接從節點E接收數據。在整個分組交換網絡中，如果從主機H1傳送數據到H6，節點A是進入網絡的入口，節點E是離開網絡的出口，而數據分組在網絡中的傳輸路徑是不確定的，由系統選用的路徑選擇算法決定。

分組交換方式又分為數據報和虛電路兩種工作方式。

（1）數據報方式

數據報是報文分組存儲轉發的一種形式。在數據報方式中，分組傳輸前不需要預先在源主機與目的主機之間建立線路連接，源主機發送的每個分組都可以獨立選擇一條傳輸路徑，每個分組在通信子網中可能通過不同的傳輸路徑到達目的主機。數據報方式的工作原理如圖1-13所示，圖中A~G為分組交換網的中間處理節點，稱為節點A~節點G，它們共同構成一個通信子網。

數據報方式的工作過程如下。

1）源主機（主機A）將報文劃分成多個分組p1，p2，…，pn依次發送到與之直接相連的節點A。

2）節點A每接到一個分組都進行差錯檢測，以保證主機A與節點A的數據傳輸正確。節點A依次接到分組p1，p2，…，pn后，為每個分組進行路由選擇，由于網絡通信狀態是不斷變化的，分組p1的下一個節點可能選擇節點C，分組p2的下一個節點可能選擇節點D，因此報文的不同分組通過子網的路徑可能不同。

3）節點A向節點C發送分組p1時，節點C對p1進行差錯檢測，如果p1傳輸正確，節點C向節點A發送確認信息ACK；節點A接收到節點C的ACK信息后，確認p1已經正確傳輸，這時它就可以丟棄p1的副本，分組p1通過通信子網中多個節點存儲轉發，最終正確到達目的節點（主機B）。

數據報方式主要特點如下。

● 同一報文的不同分組可以經過不同的傳輸路徑通過通信子網。

● 同一報文的不同分組到達目的節點時可能出現亂序、重復與丟失現象。

● 每個分組在傳輸過程中都必須帶有目的地址與源地址。

● 數據報方式的傳輸延遲較大，適用于突發性通信，不適用于長報文、會話式通信。

（2）虛電路方式

虛電路方式試圖將數據報與線路交換相結合起來，發揮這兩種方法各自的優點，以達到最佳的數據交換效果。虛電路方式的工作原理如圖1-14所示。

虛電路方式在分組發送前，發送方和接收方需要建立一條稱為虛電路的邏輯連接（類似線路交換的線路建立）。虛電路方式的工作過程分為3個階段：虛電路建立階段、數據傳輸階段與虛電路拆除階段。

在虛電路建立階段，源節點（節點A）使用路由選擇算法確定下一個節點（例如節點B），然后向節點B發送“呼叫請求分組”；同樣，節點B也要使用路由選擇算法確定下一個節點。依此類推，“呼叫請求分組”經過A、B、C、D的路徑到達節點D。目的節點（節點D）向節點A發送“呼叫接收分組”，至此虛電路建立。在數據傳輸階段，利用已建立的虛電路以存儲轉發方式順序傳送分組。在所有的數據傳輸結束后，進入虛電路拆除階段，將按照D、C、B、A的順序依次拆除虛電路。

虛電路方式的主要特點如下。

● 在每次分組傳輸之前，需要在源節點與目的節點之間建立一條邏輯連接。由于連接源節點與目的節點的物理鏈路已經存在，因此不需要真正去建立一條物理鏈路。

● 一次通信的所有分組都通過虛電路順序傳送，因此分組不必帶目的地址、源地址等信息。分組到達目的節點時不會出現丟失、重復與亂序的現象。

● 分組通過虛電路上的每個節點時，節點只需要進行差錯檢測，而不需要進行路由選擇。

● 通信子網中每個節點可以與任何節點建立多條虛電路連接。

虛電路方式與線路交換方式的區別：虛電路是在傳輸分組時建立的邏輯連接。之所以稱為“虛電路”是因為這種電路不是專用的。每個節點可以同時與多個節點之間建立虛電路，每條虛電路支持兩個節點之間的數據傳輸。由于虛電路方式具有分組交換與線路交換的優點，因此在計算機網絡中得到廣泛的應用。