什么是计算机网络？计算机网络的拓扑结构及分类

3.2.1　计算机网络

1. 什么是计算机网络

计算机网络是在计算机技术和通信技术高度发展的基础上，由二者结合的产物。是通过通信线路，按照网络协议，以共享资源和相互通信为主要目的，将地理上分散而独立自主的主机相互联接的集合。计算机网络通过信息收集、识别、存储和处理等技术，把分散在广泛区域中的许多信息处理系统有机的连接起来，组合成一个规模更大、功能更强、可靠性更高的信息综合处理系统，以达到资源共享、分布处理和相互通信的目的，是社会高度信息化的必然趋势。

计算机网络是网络节点和物理信道的集合，一般由通信子网和资源子网两部分组成。资源子网由主机、终端、I/O设备、各种软件资源和数据库等组成。资源子网负责处理业务，向网络用户提供各种网络资源和网络服务。通信子网包含传输介质和通信设备。承担全网的数据传输、转接、加工和变换等通信工作。

2. 计算机网络的拓扑结构

在计算机网络中，要将分散在不同地方的计算机连接起来，究竟采用什么样的方式连接，才能达到网络物理上的连通性？连通性不仅仅是连通，它还包括准备连网计算机的物理位置、链路的流量、响应时间、灵活性、传输媒体以及媒体访问控制方法等多种因素。同时也应具有较好的经济性，即连网的费用要低，计算机网络拓扑结构就是研究网络的连通性和经济性的问题。

拓扑（topology）这个名词是从几何学中借用来的。用拓扑的方法可以把计算机网络看成是由一组结点和链路组成，这些结点和链路所组成的几何图形就是网络的拓扑结构。一般构成的网络拓扑结构有许多种，如图3-2所示。

图3-2　计算机的网络拓扑结构

（1）总线型拓扑结构

总线型拓扑结构采用一个公共信道作为传输媒体，所有结点都通过相应的硬件接口直接连到这一公共传输媒体上，任何一个结点计算机发送的信号都沿着传输媒体传播，而且能被其他结点计算机接收，这个公共传输媒体被称之为总线。因为所有结点共享一条总线，所以同一时刻，只有一个结点占用总线传输信号，通常采用分布式控制策略来决定哪个结点可以占用总线发送信号。发送时采用广播方式进行通信（网上所有的结点都可以收到同一信息）。

总线拓扑结构的优点是：总线结构所需要的线缆数量少，成本低；易于扩充，增加结点或减少结点比较方便；总线结构简单，又可以无源工作，可靠性较高。总线拓扑结构的缺点是：由于采用竞争总线方式传输信息，往往会产生争用总线的冲突，特别是在结点多重负荷情况下，其传输效率明显降低；故障诊断和隔离比较困难，因为总线拓扑结构不是集中控制，故障检测需要在网上各个结点进行，故障检测不是很容易。

（2）星型拓扑结构

星型网络拓扑结构由中央结点和通过点到点通信链路接到中央结点的各个结点组成，星型拓扑结构采用集中式通信控制策略，结点之间的通信都要通过中央结点并由其控制，因此中央结点相当复杂，而其他各个结点的通信处理负担都很小。

星型拓扑结构的优点是：结构形式和控制方法都比较简单，便于管理。这是因为任何一个结点只需要和中央结点相连接，因而媒体访问控制的方法比较简单，访问协议也比较简单；容易做到故障跳断和隔离，单个结点的故障只影响一个设备，不会影响全网；方便服务，中央结点可方便地对各个结点提供服务，进行网络的重新配置。星型拓扑结构的缺点是：线缆需要的总长度较长，成本较高；可靠性全依赖于中央结点，一旦发生故障，则引起全网瘫痪。

（3）环型拓扑结构

环型拓扑结构由结点和连接结点的链路组成一个闭合环，每个结点能够接收从一条链路来的数据，并以同样的速度把该数据沿环送到另一端链路上。环型网络拓扑结构采用非集中式控制方式，各结点之间无主从关系。环链路可以是单向的，也可以是双向的。单向的环型网络，数据只能沿一个方向传输，环中的数据途经环中的所有结点并回到始发的结点。仅当信息中所含的接受方地址与途经的某结点的地址相同时，该信息才被接收，否则不予理睬。环型拓扑的网络上任一结点发送的信息，其他结点都可以收到，因此它采用的信道也叫广播式信道。

环型拓扑结构的优点是：结构简单，连通整个网络所需线缆比较短，成本较低；安装方便，增加结点或减少结点都比较容易；可以使用光纤，传输率高。环型拓扑结构的缺点是：可靠性差，环中的某个结点发生故障会引起全网瘫痪；检测故障困难；环形网络拓扑结构的媒体访问控制协议一般采用令牌传递的方式，在负载很轻的情况下，其等待的时间相对来说比较长。

（4）树型拓扑结构

树型拓扑结构可以认为是从总线型拓扑结构发展演变而来的。形状像一个倒置的树，顶端是树根，树根以下带分支，每个分支还可再带分支。树型拓扑结构的优缺点与总线型拓扑结构的优缺点大致相同，但也有一些特殊之处。

树型拓扑结构的优点：易于扩展，从本质上讲，这种结构可以延伸出很多分支和子分支，这些新的结点和新的分支都比较容易加人网络中；故障隔离比较容易，可以把故障隔离到一个小的分支。树型拓扑结构的缺点：各个结点对根的依赖性大，如果根结点发生故障，也会引起全网瘫痪。

现在许多局域网利用交换机或集线器将网络配置成级连的树型拓扑结构，组网灵活，扩展方便，应用较广。

3. 计算机网络的分类

计算机网络的分类可按多种方法来进行，如表3-1所示。常用的网络分类是按照网络的覆盖范围来划分的。

表3-1　计算机网络的分类

[注] 带宽的单位是Hz（赫兹），它的宽窄是相对的。传输速率的单位是b/s，表示每秒传输的比特数，其传输速率的高低也是相对的。一般，高速网是宽带网，低速网是窄带网。

（1）局域网（LAN，Local Area Network）

局域网的地理分布范围在1公里到几公里范围内，通常建立在机关、单位、学校内部的一幢大楼内或在这些单位内的许多大楼内，也可以是在一个房间或实验室内将几台计算机连成的小型局域网。局域网的特点是：①局域网的覆盖距离有限；②局域网的数据传输率高，一般在10～100Mb/s，目前的高速局域网的数据传输率可达1000Mb/s。这也是因为局域网的覆盖范围较小带来的好处；③局域网易于安装，便于维护；④局域网的拓扑结构一般采用总线型、星型和环型，没有采用网状型。

（2）广域网（WAN，Wide Area Network）

广域网的覆盖范围可以从几十公里到几千公里，甚至是全球范围。它可以是一个国家来建立或管理，规模十分庞大而复杂。它的传输媒体由专门负责公共数据通信的机构提供，如我国的电信部门。广域网的数据传输率一般不高，通常为1.2～45Mb/s，这是因为公共数据网是要为许多用户（许多局域网和计算机）提供服务的，再高的传输速率也会被许多用户分享。

（3）城域网（MAN，Metropolitan Area Network）

城域网就是覆盖在一个城市内的网络，覆盖范围在LAN和WAN之间，地理分布在10～100公里。