8.1.1 计算机网络功能、组成、分类
该节介绍了计算机网络功能，计算机网络的各个组成部分，根据不同的分类规则，产生不同的计算机网络类型。
1．计算机网络的功能
我们讲的计算机网络，其实就是利用通讯设备和线路将地理位置不同的、功能独立的多个计算机系统互连起来，以功能完善的网络软件（即网络通信协议、信息交换方式及网络操作系统等）实现网络中资源共享和信息传递的系统。从网管的角度来讲，就是运用技术手段实现网络间的信息传递，同时为用户提供服务。
计算机网络的功能主要体现在信息交换、资源共享、分布式处理3个方面。
（1）数据通信
数据通信是计算机网络最基本的功能。它用来快速传送计算机与终端、计算机与计算机之间的各种信息，包括文字信件、新闻消息、咨询信息、图片资料、报纸版面等。利用这一特点，可实现将分散在各个地区的单位或部门用计算机网络联系起来，进行统一的调配、控制和管理。
（2）资源共享
“资源”指的是网络中所有的软件、硬件和数据资源。“共享”指的是网络中的用户都能够部分或全部地享受这些资源。例如，某些地区或单位的数据库（如飞机票、饭店客房等）可供全网使用；某些单位设计的软件可供需要的地方有偿调用或办理一定手续后调用；一些外部设备如打印机，可面向用户，使不具有这些设备的地方也能使用这些硬件设备。如果不能实现资源共享，各地区都需要有完整的一套软、硬件及数据资源，则将大大地增加全系统的投资费用。
（3）分布处理
当某台计算机负担过重时，或该计算机正在处理某项工作时，网络可将新任务转交给空闲的计算机来完成，这样处理能均衡各计算机的负载，提高处理问题的实时性；对大型综合性问题，可将问题各部分交给不同的计算机分别处理，充分利用网络资源，扩大计算机的处理能力，即增强实用性。对解决复杂问题来讲，多台计算机联合使用并构成高性能的计算机体系，这种协同工作、并行处理要比单独购置高性能的大型计算机便宜得多。
2．计算机网络的组成
计算机网络通常由3个部分组成，它们是资源子网、通信子网和通信协议。
（1）通信子网
所谓通信子网就是计算机网络中负责数据通信的部分。它是计算机网络中实现网络通信功能的设备及其软件的集合，包括传输线路、网络设备和网络控制中心等硬软件设施，完成网络数据传输、转发等通信处理任务，电信部门提供的网络（如X.25网、DDN、帧中继网等）一般都属于通信子网，通信子网与具体的应用无关。
（2）资源子网
资源子网是计算机网络中面向用户的部分，负责全网络面向应用的数据处理工作。它是网络中实现资源共享功能的设备及其软件的集合，负责全网的数据处理，向网络用户提供各种网络资源与网络服务，由用户的主机和终端组成，主机通过高速通信线路与通信子网的通信控制处理器相连接。
（3）通信协议
协议是为了在网络中不同设备之间进行数据通信而预先制定的一整套通信双方共同遵守的格式和约定。它的存在与否是计算机网络与一般计算机互连系统的根本区别。不同的计算机网络使用不同的通信协议，如开放系统互连参考模型、X.25协议等。
从这一点上来说，我们更能明白计算机网络为什么是计算机技术和通信技术发展的产物了。
3．计算机网络的分类
网络的划分方法有很多种。按照网络的跨度可以划分为广域网、局域网和城域网。按照网络的交换方式主要可以分为电路交换和分组交换网络。按照网络的拓扑结构可以分为星形、总线型、环形、树形和网状网。按照网络的传输介质可以分为双绞线、同轴电缆、光纤和无线网络。按照网络的信道可以分为窄带和宽带网络，按照网络传输技术可以分为点对点和广播式网络，按照网络的用途可以分为教育、科研、商业及企业网络等。本小节按照网络跨度、拓扑结构、传输介质、交换方式对网络进行划分。
（1）按照网络跨度划分
根据网络覆盖的范围，网络可以分为广域网、局域网、城域网等。
1）广域网
也称为远程网，它的覆盖范围可从几百到几千千米，可以覆盖一个地区或一个国家，甚至整个世界。因为距离较远，信息衰减比较严重，所以这种网络一般需要租用专线。由于其规模较大，传输延迟也较大。如我们国家的CH1NANET、CHINAPAC和CHINADDN都属于广域网。
2）局域网
局域网是最常见、应用最广的一种网络。它的覆盖范围在几十米或数千米，限定在较小的区域内。通常安装在一个建筑物或校园园区中，常由一个单位投资组建，有的家庭中甚至都有自己的小型局域网。局域网在计算机数量配置上没有太多的限制，少至两台，多则可达几百台。局域网不存在寻径问题，通常不包括网络层的应用。
局域网的特点是连接范围窄、用户数少、配置容易、连接速率高。目前局域网的最快速率达到10Gbit/s。IEEE的802标准委员会定义了多种形式的局域网，包括以太网（Ethernet）、令牌环网（Token Ring）、光纤分布式数据接口网络（Fiber Distributed Data Interface，FDDI）以及无线局域网等。
3）城域网
城域网也称市域网，覆盖范围一般是一个城市，介于局域网和广域网之间。它的覆盖范围在几十千米至数百千米，采用IEEE802.6标准。与LAN相比，MAN的扩展距离更长，连接的计算机数量更多，在地理范围上可以说是LAN的延伸。在一个大型城市或都市地区，一个MAN网络通常连接着多个LAN。
随着网络技术的发展以及新型的网络设备和传输媒体的广泛应用，局域网和城域网之间的区别逐渐模糊。有些从局域网中发展起来的技术也可以用于城域网，甚至广域网中。
（2）按照网络拓扑结构划分
网络的拓扑结构是指网络中通信线路和站点（计算机或设备）的几何排列形式。计算机网络按其拓扑结构分类可以分为星形网、环形网和总线型网3类。
1）星形网
星形拓扑结构是用一个节点作为中心节点，其他节点直接与中心节点相连构成的网络。中心节点可以是文件服务器，也可以是连接设备。常见的中心节点为集线器。
星形拓扑结构的网络属于集中控制型网络，整个网络由中心节点执行集中式通行控制管理，各节点间的通信都要通过中心节点。每一个要发送数据的节点都将要发送的数据发送中心节点，再由中心节点负责将数据送到目地节点。因此，中心节点相当复杂，而各个节点的通信处理负担都很小，只需要满足链路的简单通信要求，其拓扑图如图8-1所示。
星形拓扑结构的优点如下。
·控制简单。任何一站点只和中央节点相连接，因而介质访问控制方法简单，致使访问协议也十分简单。易于网络监控和管理。
·故障诊断和隔离容易。中央节点对连接线路可以逐一隔离进行故障检测和定位，单个连接点的故障只影响一个设备，不会影响全网。
·方便服务。中央节点可以方便地对各个站点提供服务和网络重新配置。
·星形拓扑结构的缺点如下。
·需要耗费大量的电缆，安装、维护的工作量也骤增。
·中央节点负担重，形成“瓶颈”，一旦发生故障，则全网受影响。
·各站点的分布处理能力较低。
总的来说星形拓扑结构相对简单，便于管理，建网容易，是目前局域网普遍采用的一种拓扑结构。采用星形拓扑结构的局域网，一般使用双绞线或光纤作为传输介质，符合综合布线标准，能够满足多种宽带需求。
2）环形网
环形结构由网络中若干节点通过点到点的链路首尾相连形成一个闭合的环，这种结构使公共传输电缆组成环形连接，数据在环路中沿着一个方向在各个节点间传输，信息从一个节点传到另一个节点，其拓扑图如图8-2所示。
图8-1 星形拓扑结构示意图
图8-2 环状拓扑结构示意图
这种结构的网络形式主要应用于令牌网中，在这种网络结构中各设备是直接通过电缆来串接的，形成一个闭环，整个网络发送的信息就是在这个环中传递，通常把这类网络称为“令牌环网”。
实际上大多数情况下这种拓扑结构的网络不会是所有计算机真的要连接成物理上的环形，一般情况下，环的两端是通过一个阻抗匹配器来实现环的封闭的，因为在实际组网过程中因地理位置的限制不方便真的做到环的两端物理连接。
这种拓扑结构的网络主要有如下几个特点
·这种网络结构一般仅适用于IEEE 802.5的令牌网，在这种网络中，“令牌”是在环形连接中依次传递。所用的传输介质一般是同轴电缆。
·这种网络实现也非常简单，投资最小。可以从其网络结构示意图中看出，组成这个网络除了各工作站就是传输介质——同轴电缆，以及一些连接器材，没有价格昂贵的节点集中设备，如集线器和交换机。但也正因为这样，所以这种网络所能实现的功能最为简单，仅能当做一般的文件服务模式。
·传输速度较快。在令牌网中允许有16Mbit/s的传输速度，它比普通的10Mbit/s以太网要快许多。当然随着以太网的广泛应用和以太网技术的发展，以太网的速度也得到了极大提高，目前普遍都能提供100Mbit/s的网速，远比16Mbit/s要高。
·维护困难。从其网络结构可以看到，整个网络各节点间是直接串联，这样任何一个节点出了故障都会造成整个网络的中断、瘫痪，维护起来非常不便。另一方面因为同轴电缆所采用的是插针式的接触方式，所以非常容易造成接触不良，网络中断，而且这样查找起来非常困难，这一点相信维护过这种网络的人都会深有体会。
·扩展性能差。它的环形结构决定了它的扩展性能远不如星形结构的好，如果要新添加或移动节点，就必须中断整个网络，在环的两端作好连接器才能连接。
·信息流在网中是沿着固定方向流动的，两个节点仅有一条道路，故简化了路径选择的控制。
·环路上各节点都是自举控制，故控制软件简单。
·环形结构的缺点为由于信息源在环路中是串行地穿过各个节点，当环中节点过多时，势必影响信息传输速率，使网络的响应时间延长；环路是封闭的，不便于扩充；可靠性低，一个节点故障，将会造成全网瘫痪；维护难，对分支节点故障定位较难。
3）总线型网
总线型网上的所有站点共享一条数据通道。特点是铺设电缆最短，成本低，安装简单方便。但监控较困难，安全性低，若介质发生故障会导致网络瘫痪，增加新站点也不如星形网容易。
总线型网络拓扑结构中所有设备都直接与总线相连，它所采用的介质一般也是同轴电缆（包括粗缆和细缆），不过现在也有采用光缆作为总线型传输介质的，如ATM网、Cable Modem所采用的网络等都属于总线型网络结构。
总线结构是指各工作站和服务器均挂在一条总线上，各工作站地位平等，无中心节点控制，公用总线上的信息多以基带形式串行传递，其传递方向总是从发送信息的节点开始向两端扩散，如同广播电台发射的信息一样，因此又称广播式计算机网络。各节点在接受信息时都进行地址检查，看是否与自己的工作站地址相符，相符则接收网上的信息，其拓扑图如图8-3所示。
总线型结构的网络特点如下。
·结构简单，可扩充性好。当需要增加节点时，只需要在总线上增加一个分支接口便可与分支节点相连，当总线负载不允许时还可以扩充总线。
·使用的电缆少，且安装容易；使用的设备相对简单，可靠性高。
·组网费用低。从拓扑示意图8-3可以看出这样的结构根本不需要另外的互连设备，是直接通过一条总线进行连接，所以组网费用较低。
·这种网络因为各节点是共用总线带宽的，所以在传输速度上会随着接入网络的用户的增多而下降。
·网络用户扩展较灵活。需要扩展用户时只需要添加一个接线器即可，但所能连接的用户数量有限。
·维护较容易。单个节点失效不影响整个网络的正常通信。但是如果总线一断，则整个网络或者相应主干网段就断了。
·这种网络拓扑结构的缺点是一次仅能一个终端用户发送数据，其他终端用户必须等待到获得发送权。
4）树形网络
树形结构是分级的集中控制式网络，与星形相比，它的通信线路总长度短，成本较低，节点易于扩充，寻找路径比较方便，但除了叶节点及其相连的线路外，任一节点或其相连的线路故障都会使系统受到影响，其结构图如图8-4所示。
图8-3 总线型拓扑结构示意图
图8-4 树形拓扑结构示意图
树形结构的优点是易于扩充。树形结构可以延伸出很多分支和子分支，这些新节点和新分支都能容易地加入网内。另外故障隔离较容易。如果某一分支的节点或线路发生故障，很容易将故障分支与整个系统隔离开来。
树形结构缺点是各个节点对根节点的依赖性太大。如果根发生故障，则全网不能正常工作。
（3）按照传输介质划分
计算机网络按其传输介质分类可以分成有线网和无线网两大类。
1）有线网
有线网又有两种之分，一是采用同轴电缆和双绞线连接的网络；二是采用光导纤维作传输介质的网络。后者又称为光纤网。
采用同轴电缆和双绞线连接的网络比较经济，安装方便，但传输距离相对较短，传输率和抗干扰能力一般；光纤网则传输距离长，传输率高（可达数千兆位每秒），且抗干扰能力强，安全性好，但价格较高，且需高水平的安装技术，目前普及度正慢慢提升。
2）无线网
采用空气作传输介质、用电磁波作传输载体的网络。联网方式灵活方便，但联网费用较高，目前正在发展，前景看好。
（4）按照网络交换方式划分
按照网络的交换方式主要可以分为电路交换和分组交换网络。
1）电路交换
采用电路交换方式时，在通信开始之前要先建立通路，在通信结束之后还要释放链路。在整个通信进行的过程中，通信信道由参与通信的用户独享，即使某个时刻没有信息在信道上传递，其他用户也不能使用此信道。采用这种交换方式，可以保证用户的通信带宽，时延较短。但线路的利用率不高。现在广泛使用的电话通信网络中使用的就是电路交换技术。
2）分组交换
分组是指包含用户数据和协议头的块，每个分组通过网络交换机或路由器被传送到正确目的地。一条信息可能被划分为多个分组，每个分组在网络中独立传输，并可能沿不同路由到达目的地。一旦属于同一条信息的所有分组都到达了目的地，就可以将它们重装，形成原始信息，传递给上层用户。这个过程称为分组交换。
分组交换有虚电路交换和数据报交换两种方式。
采用虚电路方式，在两个节点开始传送数据之前，需要先建立路由，在每个中间节点的路由表中需要标识出属于此虚电路的分组应该沿哪条路由传递。通信结束之后，需要将虚电路拆除。这种通信过程与电路交换的过程类似，两者最大的不同在于，当信道中没有属于此虚电路的分组传输时，可以在信道上传输其他分组，提高了信道的利用率。
采用数据报方式时，每个分组头部都包含了分组目的地信息。中间节点通过检查分组头部，为分组确定路由。每个分组通过网络时的路由可能是不同的。因此，分组抵达目的节点时的顺序与其发送顺序可能不同。
如上所述，与电路交换相比，分组交换的主要优势在于通信线路不是独占的。电路交换的优点是数据传输快速、按序到达目的地且到达速率恒定。因此电路交换适用于实时数据传输过程，如对服务质量有较高要求的音频和视频信息。目前得到广泛应用的电话交换系统就是电路交换网络。而分组交换更适用于突发数据的传输，且能抵御传输中的时延和抖动。大多数网络协议，如TCP/IP、X.25及帧中继等，都是基于分组交换技术的。互联网就是一种分组交换网络。