计算机网络：类型和体系结构

计算机网络类型

一、按网络覆盖范围分类

计算机网络按网络覆盖范围分类分为：局域网、城域网、广域网、接入网。

1．局域网

局域网（LAN，Local Area Network）是指覆盖某单位或若干办公楼等局部区域内的多台计算机互联组成的计算机网络。局域网分布范围小，容易管理与配置，拓扑结构组成简洁，速度快，延迟小，故它是应用广泛的计算机网络类型。

以太网IEEE 802．3（IEEE，Institute of Electrical and Electronics Engineers）标准是最常用的局域网组网方式。

2．城域网

城域网（MAN，Metropolitan Area Network）指大型的计算机网络，是介于LAN和WAN之间能传输语音与数据的公用网络，这些网络通常涵盖一个大学校园或一座城市，覆盖的地理范围从几十千米至数百千米。城域网基本上是局域网的延伸，像是一个大型的局域网，通常使用与局域网相似的技术，传输距离较远，布线结构更为复杂。

3．广域网

广域网（WAN，Wide Area Network）是连接不同地区的局域网或城域网来进行计算机通信的远程网。广域网通常可以跨接很大的物理范围，所覆盖的范围从几十千米到几千千米，它能连接多个地区、城市和国家，或横跨几个洲，能够提供远距离通信，形成国际性的远程网络。由于其速度慢，延迟大，广域网中通常具有复杂的互联设备，如交换机、路由器等，由它们负责重要的数据交换业务，入网站点只负责收发数据。

4．接入网

接入网是指骨干网络到用户终端之间的所有设备。其长度一般为几百米到几千米，因而被形象地称为“最后一千米”。由于骨干网一般采用光纤结构，传输速度快，所以接入网作为骨干网与用户终端之间的接口便成为整个网络系统的瓶颈。接入网的接入方式包括铜线（普通电话线）接入、光纤接入、光纤同轴电缆（有线电视电缆）混合接入和无线接入等几种方式。

二、按网络拓扑结构分类

计算机网络的拓扑结构是指计算机网络的通信链路和节点的几何排列或物理布局图形。链路是网络中相邻两个节点之间的物理通路。节点指计算机和网络设备，也可指一个网络。

按网络拓扑结构分类分为：总线型网络、星型网络、树型网络、环型网络和网状拓扑。

1．总线型网络

总线型网络是由一条高速共享总线连接若干个节点所形成的网络。由于多个节点共用一条传输信道，故信道利用率高，但容易产生访问“冲突”。总线型网络的传输速率高，可达1～100Mbps，但可靠性相对较差，常因一个节点出现故障（如接头接触不良等）而导致整个网络瘫痪。

总线型网络的特点包括：结构简单灵活，便于扩充，容易部署。

2．星型网络

星型网络是以中央节点为中心与各节点连接组成的，多节点与中央节点通过点到点的方式连接。中央节点执行集中式控制策略，中央节点较为复杂，负载也比其他各节点大。

星型网络的特点包括：

1）网络结构简单，便于管理。

2）控制简单，组网容易。

3）网络延迟较小，误码率较低。

4）网络共享能力较差。

5）通信线路利用率不高。

6）中央节点负荷太重。

3．树型网络

树型网络是将多级星型网络按层次方式排列即形成树型网络，在实际组建一个大型网络时，往往是采用多级星型网络。我国电话网络即采用树型结构，其由五级星型网络构成。著名的因特网（Internet）从整体上看采用的也是树型结构。

树型网络的主要特点包括：

1）结构比较简单，成本低。在网络中，任意两个节点之间不产生回路，每个链路都支持双向传输。

2）网络中节点扩充方便灵活，寻找链路路径比较方便。但在这种网络系统中，除叶子节点及其相连的链路外，任何一个节点或链路产生的故障都会影响整个网络。

4．环型网络

环型网络中的各个节点均通过环路接口连在一条首尾相连的闭合环型通信线路中，环上的任何节点均可请求发送信息。环型网络也是局域网常用的拓扑结构之一，如某些校园网的主干网就是采用的环网拓扑结构。

环型网络的主要特点包括：

1）信息或数据在网络中沿固定方向流动，两个节点间仅有唯一的通路，大大简化了路径选择的控制。

2）当某个节点发生故障时，可以自动旁路，可靠性较高。

3）由于信息是串行穿过多个节点环路接口，故当节点过多时，网络的响应时间将变长。

4）当网络组成确定时，其延时固定，实时性强。

5．网状型网络

网状型网络中的各节点之间的连接呈网状交错，较为复杂，节点之间存在多条路径可达。它是广域网中最常用的一种组网拓扑形式，是典型的点到点结构。

网状型网络的主要特点包括：

1）具有较高的可靠性。一般通信子网在任意两个节点交换机之间，存在着两条或两条以上的通信路径。这样，当一条路径发生故障时，可以通过另一条路径把信息传送到目的节点交换机。

2）具有较好的可扩充性。该网络无论是在增加新功能，还是将另一台新的计算机接入网络，以形成更大规模的网络时，都比较方便。

3）网络可组建成各种形状，可采用多种通信信道、多种传输速率。

总之，通常选择网络的拓扑结构时，在保证一定的可靠性、时延和吞吐量的前提下，要求选择适合的通路、确定线路带宽和进行流量分配，以使得整个网络的成本最低。5种网络拓扑类型的性能对比如表1-1所示。

表1- 1 5种网络拓扑结构的优缺点及应用

网络拓扑	优点	缺点	应用
总线型	结构简单、灵活，可扩充性好，传输速率高，响应速度快	安全性低，共用总线，实时性差	ATM网
星型	结构简单，组网容易，传输速率高，误码率低	网络共享能力较差，通信线路利用率不高	局域网
树型	易于扩展，故障隔离较容易	节点对根的依赖性较大	Internet
环型	通信设备简单，线路消耗少容易安装	不便于扩充，系统响应时延长	令牌网
网状型	可靠性高，传输时延小，资源易于共享	控制复杂，软件复杂	广域网

三、按交换方式分类

按交换方式分类分为：电路交换、报文交换、分组交换。

网络中传输的数据从一个节点到下一个节点的过程称为交换。

1．电路交换

电路交换（Circuit Switching）是以电路连接为交换目的的通信方式，要求必须在通信双方之间建立连接通道，当连接建立成功之后，双方通信活动才能开始进行。通信双方需要传递的信息是通过已经建立好的连接进行传递，而且这个连接一直维持到通信结束。在这个通信过程中，这个连接始终占有通信资源（信道、带宽等），这也是电路交换的主要特征。

2．报文交换

报文交换（Message Switching）不需要在两个通信节点之间建立专用通道，通信节点把需要发送的信息组成数据报文，该报文中含有目的节点地址，完整的报文在网络中一站一站地向前传输，每一个节点均接收整个报文，检查目的节点地址，然后根据网络的路由规则转发到下一个节点。经过多次的存储/转发，最后到达目的节点。

3．分组交换

分组交换（Packet Switching）是在计算机网络中相对电路交换的一种交换方式，分组由用户数据块、目的地址和管理信息组成。通信节点首先将要发送的数据按照网络协议的要求转化成分组，然后通过最佳路径（路由算法）发送到目标节点，但并不是所有的分组都沿着同一路径传输。最后，由目标节点按照顺序把分组组合成原始数据。

在分组交换中，可以将数据分组分别发送到目标计算机。这里，不仅链路是共享的，而且每个分组都可以独立进行路径选择，这些优点使得分组交换的应用更加广泛。例如，互联网就是分组交换的一个典型应用。

上述三种交换之间的交换原理综合比较如图1-3所示。

图1-3三种数据交换原理方式比较

（a）线路交换；（b）报文交换；（c）分组交换

三种交换方式的特点如表1-2所示。

表1-2三种交换方式的特点

交换方式	特点
电路交换	（1）建立连接的时间长； （2）一旦建立连接就独占线路，线路利用率低； （3）无纠错机制； （4）建立连接后，传输延迟小
报文交换	（1）报文大小不一，造成缓冲区管理复杂； （2）大报文造成存储转发的延时过长； （3）出错后整个报文全部重发
分组交换	（1）存储量要求较小，可以用内存进行缓冲分组，转发速度快； （2）转发延时小，适用于交互式通信； （3）若某个分组出错，则仅重发该分组，效率高； （4）各分组可通过不同路径传输，可靠性高； （5）数据传输前不需要建立一条端到端的通路； （6）有强大的纠错机制、流量控制和路由选择功能

 

 

体系结构

一、标准化组织

标准化组织包括ISO、IEEE、IETF和ITU等。

1．ISO

国际标准化组织（ISO，International Organization for Standardization）是由不同国家的标准机构组成的世界范围的联合会，包含140多个成员国，其主要任务是制定国际标准，协调世界范围内的标准化工作，与其他国际性组织合作研究有关标准化问题。

“开放系统互联/参考模型”（OSI/RM，Open System Interconnection/Reference Model）就是其标准，此标准用以解决信息的处理、发送和管理等问题。

2．IEEE

美国电气和电子工程师协会（IEEE，Institute of Electrical and Electronics Engineers）是一个国际性的电子技术与信息科学工程师的协会，是世界上最大的专业技术组织之一。

3．IETF

互联网工程任务组（IETF，Internet Engineering Task Force）是一个由网络设计者、厂商和研究者组成的开放国际组织，主要任务是负责制定互联网的相关技术规范，为互联网架构的演进和互联网的正常运转提供支持。

4．ITU

国际电信联盟（ITU，International Telecommunication Union）是联合国的一个专门机构，它负责主管信息通信技术事务，包括确立国际无线电和电信的管理制度和标准，它也是联合国机构中历史最长的一个国际组织，简称“国际电联”。此外，国际电联不仅是世界范围内联系各国政府和私营部门的纽带,还是信息社会世界高峰会议的主办机构。

二、开放系统互联/参考模型

开放系统互联/参考模型即OSI/RM模型为网络设备的互联提供了参考标准。该模型共有七层，并有特定的数据传输过程。

1．OSI/RM模型

国际标准化组织ISO制定了开放系统互联/参考模型OSI/RM（Open System Interconnection/Reference Model），为网络之间的设备互联提供了一个参考标准。

为了实现OSI/RM模型，通信双方需遵循一些规则，这些规则在计算机网络中被称为“协议”。具体来说，计算机网络协议由语法、语义和同步3个要素组成。

为了简化复杂的计算机之间的通信流程，计算机网络采用分层结构，将通信功能细化，以便于工程化实现。在计算机网络分层体系结构中，层与层之间是通过相应的接口进行通信的，接口包括软接口和硬接口两种类型，其中硬接口又可以从机械、电气、功能和规程4个方面进行描述。

2．OSI/RM模型的七层

OSI/RM参考模型共有7层，分为两部分，上面4层为应用程序对数据进行处理，而下面3层主要完成数据的通信功能，如图1-4所示。其中，最高层为应用层，它为用户提供通信的接口；最低层为物理层，与传输介质相连用于传输比特流。分层的设计使得OSI/RM参考模型的每层都具有独立和特定的功能，在低层为高层提供服务的同时，高层也需要利用低层所提供的这些服务，为应用程序提供网络环境服务。

图1-4 OSI/RM参考模型

3．OSI/RM模型的功能

物理层：物理层与通信媒介直接相连，在电子与机械层面上传输比特流，并提供了发送和接收数据的载体。

数据链路层：数据链路层的主要功能是把上层的数据包封装成数据帧并转给物理层，确立两个端点之间的逻辑连接，数据帧中的每一帧均包含数据信息和必要的控制信息，比如地址信息、同步信息、差错控制等，保证了数据的可靠性传输。

网络层：网络层的主要功能是把网络地址转化成物理地址并把信息发送到目的地。在把信息发送到目的地时，需要选择合适的路由，对在此过程中产生的网络拥塞、交换等问题进行管理，网络层的协议包括IP、ICMP和IGMP等。

传输层：传输层为端到端的数据提供透明传输，利用流控制、错误检测和分段等机制为上一层提供可靠的服务，如果数据在传输过程中出现错误，则传输层负责重传。传输层主要包括两种类型的服务：一种是面向连接的服务，可提供可靠的交付；另一种是无连接的服务，该服务无法保证提供可靠的交付。

会话层：会话层的主要功能是创建、保持和释放通信链路，可以创建全双工、半双工和单一的连接，并能保持跟踪客户端与服务器之间的会话。

表示层：表示层主要是对信息格式和编码进行转化，从应用层发送来的数据被转化成可以被计算机识别的格式。

应用层：应用层为用户与应用程序提供了一个接口，以满足用户不同的需求，比如FTP、E-mail和浏览器等应用程序就工作在这一层。

4．数据传送过程

在OSI/RM模型中，数据的传送过程如图1-5所示。若主机A与主机B之间直接相连，进行通信，主机A的应用程序产生数据传到应用层，应用层根据该层的协议加上应用层报头（AH，application header），封装成数据包转交给表示层。

表示层接收到信息，加上相应的报头组成报文，传送给会话层。会话层也做同样的工作并交给传输层，传输层收到数据包，加上本层的报头信息后，再转交到网络层。由于网络层是面向用户与通信网的，而通信网对报文的长度是有一定限制的。因此，网络层接收到数据包后，首先进行报文分析。如果没有超过最大允许长度，则直接添加报头；如果超过最大允许长度，则先进行数据包的拆分，再逐个传送。

当数据包到达数据链路层时，数据包不仅被加上帧头信息还要加上帧尾信息，构成数据帧，比如校验和同步信息。最后，将数据帧交给物理层转换为比特数据进行发送。

在接收方，按照与发送端相反的方向从物理层到应用层一步步地进行拆包，恢复了原始发送的数据后，主机B的应用程序才能正确识别主机A所发送的数据，这样才是完成了主机A到主机B的信息发送全过程。同理，主机B给主机A进行反馈信息也是相同的过程。

图1-5 数据传输的过程

虽然应用程序的数据每次都要经过如此复杂的过程发送到目的地，但是这个过程对用户是完全透明的。任何两个同层次之间的数据进行通信的过程如图1-5中的水平直线所示，这也就是所谓的对等通信，其中各层的协议就是对等层之间的各项规定。

三、TCP/IP模型

TCP/IP模型是因特网的体系架构模型。TCP/IP模型与OSI/RM模型比较，两者有各自的特点。

TCP/IP是因特网的体系结构模型，它是由若干通信协议组成的协议簇，包括应用层、传输层、网际层和网络接口层。

1．TCP/IP模型各层的功能

（1）网络接口层：网络接口层主要负责主机的逻辑连接和物理连接，是TCP/IP模型的最底层，主要包括数据链路和介质访问方式等。

（2）网际层：网际层是整个TCP/IP模型的核心，主要功能是路由寻址，即根据数据包头部的源IP地址和目的IP地址，将数据包发送到正确的目的地。该层中主要的协议有IP、ICMP、IGMP、ARP和RARP等，它们共同构成了IP协议簇。

（3）传输层：传输层主要为应用层提供数据报和虚电路服务，为应用进程之间提供端到端的逻辑通信。传输层的主要协议包括TCP（Transmission Control Protocol）协议和UDP（User Datagram Protocol）协议，TCP协议提供可靠的、面向连接的端到端的数据传输，而UDP协议提供不可靠的、无连接的数据传输。

（4）应用层：应用层规定应用进程在通信中所遵守的协议，为应用程序提供接口服务，应用层主要包括FTP、SMTP、DNS和HTTP等应用协议。

2．TCP/IP模型的分层设计具有以下两方面的优势

（1）降低了通信的复杂性，提高了可用性和通用性，每层都实现了其特定的功能。

（2）简化了数据的发送、传输和接收过程，在发送端通过“自上而下”的形式一层层地打包发送，在接收端通过“自下而上”的形式进行解包接收信息。

3．OSI/RM模型和TCP/IP模型的比较

TCP/IP模型是一个事实上的工业标准，现已发展为覆盖全球的因特网协议体系结构。OSI/RM模型和TCP/IP模型均采用分层的设计模式，但是两者略有差异，如图1-6所示为OSI/RM与TCP/IP体系结构的对比图，其中TCP/IP体系结构分为4层，与OSI/RM体系结构的7层相对应。

图1-6 OSI/RM与TCP/IP体系结构对比

OSI/RM模型和TCP/IP模型的共同点是两者都解决了异构网络的通信问题，实现了不同终端设备和不同交换设备之间的通信，两种模型均采用分层的设计思想，将复杂的功能分解细化。其中，两者各层的划分与功能大致相同，解决了信息的封装、差错控制、流量控制、传输同步和复用等通信问题。