第三章计算机网络系统
计算机网络就其规模和用户数量，已是仅次于电话网络的全球第二大网络系统。计算机网络与人们的生活、工作、学习和娱乐密切相关，以至于现今社会一旦没有了计算机网络，后果不可想象。由于计算机网络承载的业务是以数字方式传递各种形式的信息，如文字、图形、图像、音视频等等，因此在有些工程设计标准和规范中又被称作信息网络系统。
3.1 系统概述
计算机网络是通信技术与计算机技术相结合一项综合技术，它将各自独立运行的计算机系统通过通信线路连接起来，实现包括硬件资源、软件资源和信息资源等各种资源的共享。
3.1.1 计算机网络的分类
根据网络覆盖的范围，一般把计算机网络分为局域网（Local Area Network，LAN）、城域网（Metropolitan Area Network，MAN）和广域网（Wide Area Network，WAN）。
1.局域网LAN
局域网的覆盖范围通常是在半径几米到几千米。其特征是数据传输速率高，系统安装维护简便，网络产权
归属个人或某一个机构，非运营性质，可以任意增删用户，一般也不提供服务质量（Quality of Service，QoS）保障。网络的传输介质主要采用双绞线、光纤和同轴电缆。建筑物中的计算机网络就规模而言属于局域网范畴，企业网和校园网一般也属于局域网。
2.城域网MAN
顾名思义，城域网就是指可以覆盖一个城市范围的计算机网络，通常网络的半径可以达到几十千米。城域网一般由专门的网络运营商管理和维护，可以承载多种业务的接入和分配，可以互联各种LAN，通信协议复杂，网络可靠性要求高，具有QoS机制和较高的网络安全要求。MAN一般采用光纤或微波传输技术。
3.广域网WAN
更大范围的计算机网络统称为广域网，由不同的网络或电信运营商共同管理和维护。除采用光纤和微波外，还大量使用通信卫星提供传输服务。
提到广域网，必然会联想到因特网（Internet），两者是什么关系呢？
因特网是一个特殊的网络，它的覆盖范围遍及全球。它的特殊之处在于在该网络中运行了一套专有的网络协议并有完整的网络地址分配与管理体制。
3.1.2 计算机网络的拓扑结构与信道类型
拓扑结构是一个数学术语，研究的是“点”和“线”的关系。在计算机网络中，通常把计算机主机和某些网络设备抽象成“点”，而把传输介质抽象成“线”，用来分析和研究计算机网络。计算机网络的拓扑结构一般可分为总线型、星型、环型、树型、网状型和不规则等几种形式。不同的拓扑结构使得计算机之间通信的信道有两种不同的类型，即点-点信道和广播信道。点-点信道类型又被称作存储-转发信道。
1.总线型拓扑
总线型拓扑如图3-1（a）所示，所有的计算机通过一根总线连接起来。在这种拓扑中，任何一台计算机发送的信号，可以被网络中的所有计算机接收。因此总线型拓扑的网络信道是广播信道。总线型拓扑只在局域网中采用，早期的以太网采用同轴电缆作为传输介质，其拓扑结构采用的就是总线型拓扑，如图3-1（b）所示。总线型拓扑的网络具有结构简单，传输距离较大，线缆用量少的特点。其不足之处在于接入新的点不够方便，连接器用量多造成传输的可靠性低，往往一个点出故障影响整个网络的通信。
图3-1 总线拓扑结构网络
（a）拓扑结构；（b）同轴电缆以太网拓扑。
2.星型拓扑
星型拓扑如图3-2（a）所示。在该拓扑中，有一个中心结点，其他结点之间的通信需经过中心结点的转发，因此星型拓扑网络一般是点-点通信信道。星型拓扑既可以应用在局域网中，也可以应用在广域网中。目前广泛使用的快速以太网和高速以太网以及VSAT（Very Small Aperture Terminal）卫星网均为星型拓扑，如图3-2（b）和（c）所示。在快速以太网和高速以太网中，中心结点就是网络交换机。星型拓扑结构的网络具有便于集中管理和增减网络结点（计算机）的特点，而且除中心结点之外的其他结点出现故障时不会影响整个网络。但是星型拓扑网络对中心结点的可靠性和传输处理能力要求高。
早期的双绞线以太网（见图3-3）从形式看似乎也是星型拓扑，但是从工作原理上讲，它是总线型拓扑，属于广播信道，只是将总线缩短到一个集线器（Hub）里了。因此这种网络从形式上讲是星型拓扑结构，而实际上仍然是总线型拓扑结构。
图3-2 星形拓扑结构网络
（a）拓扑结构；（b）高速以太网；（c）VSAT卫星通信网。
图3-3 采用Hub组成的以太网——逻辑上的总线型拓扑，物理上的星型拓扑
3.环型拓扑
环型拓扑中，各结点依次相连，组成一个闭合的环。环型结构有几种不同的形式，见图3-4。其中，（a）图是一个典型的环型（Loop）拓扑结构，通信信道采用点-点传输形式，结构本身具有链路容错功能。目前城域网MAN和蜂窝移动通信网中的多采用这种拓扑结构。（b）图是交叉环拓扑结构，两
个环在一个结点上有交叉，该结点既是左环上的一个点，又是右环上的一个点。蓝牙网络采用了这种拓扑结构。（c）图是环型（Ring）的另一种形式，它是采用广播信道
形式实现通信的，传送的信息在环上单向绕环运行，环上的每一个结点（计算机）都可以接收到环上的信息。但在同一时刻，环上只能有一台计算机发送信息。在早期的某些LAN，如IBM Token Ring曾采用这种拓扑结构。与上面提到的用Hub 组成的以太网相似，在Token Ring网络中需采用一个称为MAU（multistation Access Unit）的设备，计算机连接到该设备实现联网，如图3-5所示。因此类似Token Ring的网络，形式上是星型拓扑，实际上是环型拓扑。（d）图是一种双环拓扑结构，两个环采用一主一备工作，正常情况下其工作状态与（c）图所示拓扑相同，一旦主环出现故障，可以启动备用环，因而具有自愈功能。因此双环网络又被称为自愈环网。第一个100Mbps光纤局域网FDDI（Fiber Distributed Data Interface）采用的就是这种拓扑结构。
图3-4 环形拓扑结构网络
（a）点对点环形拓扑；（b）交叉环拓扑；（c）广播式信道环形拓扑；（d）双环拓扑。
图3-5 Token Ring——逻辑上的星形拓扑，物理上的环形拓扑
4.树型拓扑进程间通信效率最高的方式是
树形拓扑结构如图3-6所示，是一棵倒置的树，根在上，枝在下。树型拓扑可以看作是多层星型拓扑的集
成或扩充。在树型拓扑中，传输信道是点-点形式的，并且是在相邻的两层之间进行信息传输，同层次之间没有直接的信息交换。
树型拓扑是较大规模的局域网和广域网经常采用的拓扑形式。
图3-6 树型拓扑结构网络
（a）拓扑结构；（b）三级交换机组成的局域网。
5.网状型拓扑与不规则拓扑
网状型拓扑与不规则拓扑结构如图3-7所示。在网状型拓扑中，网络中的任何一个结点都与其他结点有直接相连的链路，采用点-点信道传输方式，网络中任何一段链路出现故障不会影响任何一个结点的信息传输。因此，网状型拓扑的可靠性和鲁棒性很高。但是代价是线路长、电路多，建设费用高。通常在校园网或企业网的核心层和广域网中的骨干结点采用网状型拓扑。不规则拓扑是网状拓扑的简化形式，任何一个网络结点均有两个以上的链路与其他结点相连。这种拓扑主要是在广域网中采用。
图3-7 网状拓扑与不规则拓扑结构网络。（a）网状拓扑；（b）不规则拓扑。
3.1.3 计算机网络体系结构
计算机网络实质上是让不同的计算机之间实现通信。这是一个非常复杂的事情，为此，计算机网络系统的构建往往采用分层结构进行设计。众所周知，不同实体之间的通信需要有通信规约。层次化后的对应层之间便有相应的规约。在计算机网络专业中，这些规约被称为协议（protocol）。其次，分层后各层之间应有功能划分，层与层之间需要有接口。计算机网络体系结构就是指分层、对等层间协议及上下层间的接口。简单地讲，计算机网络体系结构就是层和协议的集合。
最早的计算机网络体系结构是IBM在上世纪七十年代提出的SNA（System Network Architecture），并且现在仍在使用。一些国际知名的IT大公司也相继推出了各自的网络体系结构。1983年国际标准化组织ISO（International Standards Organization）提出了一个网络参考模型，称为开放系统互连（Open System

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