1.2 计算机网络的分类和拓扑结构
1.2.1 计算机网络的分类
从不同的角度，按照不同的属性，计算机网络可以有很多种分类方法，即计算机网络依据不同的划分方法可以分为很多种不同的类型，如按网络覆盖的地理范围划分、按网络中计算机所处的地位划分、按网络的传输技术划分、按网络的所有权划分等。
按网络覆盖的地理范围分类
按覆盖的地理范围，计算机网络可以分为三类：局域网（Local Area Network，LAN）、城域网（Metropolitan Area Network，MAN）和广域网（Wide Area Network，WAN）。
局域网
局域网就是把分散在一定范围内、局部区域内的计算机、终端、外围设备、控制器、显示器以及用于连接其他网络而使用的网络设备等，通过高速线路相互连接起来形成的较小区域内的计算机网络，如图1-8所示。
图1-8 局域网
局域网的分布范围在几米到几千米以内，覆盖范围一般是一个部门、一栋建筑物、一所校园或一个公司。它是由部门或单位组建的内部网络，一般不需要租用电信部门电话线路或其他线路，直接由自己敷设专用的通信线路，拥有自主管理权的网络。
局域网常用的传输介质有：同轴电缆、双绞线、光纤与无线通信信道。早期应用最多的是同轴电缆。一般，在覆盖范围比较小的局域网中使用双绞线，在远距离传输中使用光纤，在有移动结点的局域网中采用无线技术。
城域网
城域网又称为城市网、区域网、都市网。随着局域网的广泛使用，人们逐渐要求扩大局域网的使用范围，或者要求将已经使用的局域网互相连接起来，使其成为一个规模更大的城市范围内的网络，如图1-9所示。
图1-9 城域网
城域网的地理覆盖范围可以从几十千米到几百千米，主要是城市范围内的行政部门、大型企业、机关、公司、电信部门、有线电视台等构建的专用网络和公用网络，可以实现大量用户的多媒体信息（语音、图像、动画、视频等）传输。满足该范围内的大量企业、机关、公司与社会服务部门计算机的联网需求，以实现对大量用户提供传输多种综合信息的目的。
随着政府机关、企业局域网建设与个人用户访问Internet需求的不断增加，目前城域网的建设成了各个城市信息基础设施建设的热点问题。但由于各种原因，城域网特有的技术没能在世界各国范围迅速推广。
广域网
广域网也称远程网，是指将分布在不同国家、地域、甚至全球范围内的各种局域网、计算机、终端等互联而形成国际性的大型计算机通信网络。广域网一般容纳多个网络，并能和电信部门的公用网络互联，实现局域资源共享与广域资源共享相结合，扩展成为地域更广大的远程处理和局域处理相结合的一体网际网系统。其通信子网通常归属于电信部门所有，而资源子网归大型单位所有，如图1-10所示。
图1-10 广域网
广域网覆盖的地理范围可从几十千米到几百千米甚至上千、上万千米。因此可跨越城市、地区、国家甚至洲际，网络之间的连接大多采用租用电信部门的专线。广域网的特点是采用的协议和网络结构多样化，速率较低，延迟较大。
当然，随着计算机网络技术与通信技术的进一步发展，对局域网、广域网、城域网的地理覆盖范围、界限已经变得越来越模糊了。
按网络中计算机所处的地位分类
按其中计算机所处的地位，计算机网络可以分为两类：对等网络和客户机/服务器网络（C/S）。
对等网通常是由少量的几台计算机组成的工作组。对等网采用分散管理的方式，网络中的每台计算机既可作为客户机又可作为服务器来工作，每台计算机的地位是平等的，它的磁盘空间和文件都成为公共财产。每个用户可以管理自己机器上的资源，也可以通过授权管理对等网内其他计算机上的资源。对等网非常适合于小型的、处理任务不重的局域网，如在普通办公室、家庭、学生宿舍内均可建立该种网络。
客户机/服务器网络（C/S）是在一个计算机网络中，有一台或多台服务器以及大量的客户机，它们有主从之分，当一台连入网络的计算机向其他计算机提供各种网络服务（如数据、文件的共享等）时，被称为服务器。而那些用于访问服务器资料的计算机则被称为客户机。一般服务器需要配备大容量存储器并安装数据库系统，用于数据的存放和数据检索。同时在客户端安装专用的软件，负责数据的输入、运算和输出。
严格来说，客户机/服务器模型并不是从物理分布的角度来定义的，它所体现的是一种网络数据访问的实现方式。采用这种结构的系统目前应用非常广泛，如宾馆、酒店的客房登记、结算系统，超市的POS系统，银行、邮电的网络系统等。
1.2.2 计算机网络拓扑结构
计算机网络设计的关键，就是要通过合适的方法选择适当的线路、带宽、连接方式，将给定位置的计算机能够按照一定的网络响应时间、吞吐量和相当可靠的性能设计出来，并且保证整个网络结构合理、成本低廉。为了应付这种复杂的计算机网络结构设计方法，人们引用了拓扑学中拓扑结构的概念。
将拓扑学引入到计算机网络中，即是将通信处理机和其他网络通信设备抽象为与大小和形状无关的点，将连接这些设备的通信线路抽象为线，由这些点、线连接而形成的几何图形则称为网络拓扑结构，借以反映出网络中各实体之间的结构关系。在一般的实际应用中，计算机网络的拓扑结构主要是指通信子网的拓扑结构。
组建计算机网络最常见的基本拓扑结构有：总线、环状、星状、树状和网状等。
总线网络拓扑结构
采用单根电缆（一般为同轴电缆）作为公共总线，所有各结点通过硬件接口直接连接在总线上，网络中的所有结点共享这条公用通信线路。如果入网结点较少，公共总线可以是一段电缆；如果结点较多，则用几段电缆通过中继器相连来扩展总线长度。
在总线网络拓扑结构中，各结点地位平等，任何结点都可以向公共总线发送信号，整个通信信道被所有结点共享。发送时，发送结点将报文分成组，然后一次一个地依次发送这些分组，有时要与其他结点来的分组交替地在介质上传输。从一个结点发出的信号到达总线后，将沿总线向两个方向同时传送，网络中的所有结点都可以检测到总线上的信号，并根据数据信号中的地址信息来判断自己是否应该接收。如果有两个以上的结点同时向总线发送数据，数据信号就会在总线上相遇而发生信号冲突，造成信号出错，这表明总线网络一次只能有一个设备传输信号，如图1-11所示。
图1-11 总线网络
优点
● 电缆布线容易：因为所有的结点都是接到一个公共数据通道上，因此只需很短的电缆长度就能满足要求，减少了安装费用，便于布线和维护。
● 可靠性高：总线结构简单，又属于无源元件，从硬件的维护角度，相当可靠。
● 扩充容易：当增加新的结点时，只需在总线的任何点将其接入即可，如需增加总线长度，也只需通过中断器即可将两段总线扩展成一段。
缺点
● 故障诊断困难：尽管总线拓扑简单，可靠性也高，但故障检测却相当不容易，这是由于总线拓扑不是集中控制方式，故障检测时需要在各个结点分别进行。
● 故障隔离困难：在总线拓扑中，一旦某结点发生故障，则只需将该结点从总线上去掉即可，但如果是传输介质故障，则将导致整个总线被切断。
环状网络拓扑结构
环状网络拓扑结构是局域网中常见的拓扑结构。它由连接成封闭回路的网络结点组成，几何构型是封闭的环形。每个结点利用中继器与它相邻的两个结点连接，每个中继器又通过一段链路（采用电缆或光缆）与下一个中继器相连，首尾相接构成一个闭合环。
在环状网络拓扑结构中，结点发出的信息在环内单向流动，沿途到达每个结点时信号都被放大并继续向下传送，直至到达目的结点或回到发送结点时才被从环上移去。任何结点要与其他结点通信，必须通过环路向一个方向发送数据，由其他结点接受数据并给出响应，否则继续传递数据，直到源结点，源结点收回数据，停止继续发送，如图1-12所示。
图1-12 环状网络
优点
● 电缆长度短：环状拓扑所需电缆长度和总线拓扑相似。
● 传输速率高：环状网络是单方向传输，非常适合采用光纤，传输速率高。
● 实时性高：由于传输时间固定，非常适用于对数据传输要求较高的场合。
● 可靠性高：由于存在旁路电路，某个结点发生故障可以自动旁路，此时加入与移出结点都不会引起停机。
● 路由选择短：由于两结点之间只有唯一一条通路，大大简化了路径选择的时间。
缺点
● 诊断故障困难：因为某一故障可能会使全网不工作，因此难于诊断故障，需要对每个结点都进行检测。
● 结点故障会引起全网故障：数据传输是通过在环上的每一个结点，如果环中某一结点出故障将会引起全网故障。
● 重新配置网络不易：要扩充环的配置比较困难，同样要关掉一部分已接入网络的结点也不容易。
● 传输效率低：由于信号以串行方式通过多个结点的环路接口，因此，当结点较多时，传输效率将大打折扣，网络响应时间也会无限变长。
星状网络拓扑结构
星状网络是目前应用最多的一种局域网类型。星状网络拓扑结构中，每个结点都通过自己的分支链路与网络中心结点（交换机）相连。网络中每一个结点发出的数据信息都经中央结点中转，再转发给其他结点。在广播式星状网络中，交换机将信息发送给其他所有结点，在交换式星状网络中，交换机只将信息发送给指定结点。
在星状网络拓扑结构中，每一个网络设备都能独立访问介质，共享或使用各自的带宽进行通信。网络的访问采用集中式控制策略。目前一般用交换机充当中心结点，用双绞线作分支链路构成星状网络。中央结点接受各个分散结点的信息，负担很大，而且还必须具有中继交换和数据处理的能力，其他结点的负担较小，因此中央结点相当复杂，是整个网络的传输核心，如图1-13所示。
图1-13 星状网络
优点
● 重新配置简单：中央结点有一批集中点，可方便地提供服务和网络重新配置。
● 故障隔离容易：每个连接口只接入一台终端，该终端发生故障只影响到本身，不会影响全网。
● 集中控制：由于每个结点直接连接到中央结点，因此方便实现集中控制，也方便将有故障的结点从系统中剔除。
● 访问协议简单：任何一个连接只涉及到中央结点和另一个结点，因此，控制介质访问的方法很简单，致使访问协议也十分简单。
缺点
● 扩展困难：要增加新的结点，就要增加中央结点的连接，这需要在初始安装时，放置有大量冗余的电缆与配置更多的连接口。
● 依赖于中央结点：中央结点一旦发生故障，则全网将会瘫痪，对中央结点的可靠性和冗余度要求非常高。
● 费用高：因为每个结点直接和中央结点相连，需要大量的电缆和电缆管道，维护、安装等问题会较多，费用相当可观。
树状网络拓扑结构
树状网络拓扑结构属于一种分层结构，是星状结构的扩展，是从总线拓扑演变过来的，可看成在总线网络加上分支形成的，每个分支又延伸出子分支，是一种多级星状结构。这种拓扑结构特别适用于分级管理和集中控制的网络。
在一个校园内组建校园网络时可采用这种结构，其中，每个楼层内通过接入层交换机以星状网络连接各办公室内的计算机，形成小局域网，再向上集中连接到该楼幢内的汇聚交换机上，最后各楼幢中的汇聚交换机向上连接到网络中心机房的核心交换机上，如图1-14所示。
图1-14 树状网络
优点
● 易于扩展：本身这种结构就是其他网络拓扑的延伸，因此这种结构可以延伸出很多分支和子分支，新的结点和新的分支非常容易加入到网络内。
● 故障隔离方便：如果某一分支的结点或线路发生故障，很容易将这个分支和整个系统隔离开来。
● 网络层次清楚：由于结点按层次进行连接，网络层次较容易理顺，信息交换主要在上、下结点之间进行。
缺点
● 依赖于根结点：如果根发生故障，将导致全网不能正常工作，因此要求根结点有较高的可靠性和冗余性。
● 时延大：由于数据在传输过程中要经过多条链路，因此时延相对较大。
网状网络拓扑结构
网状网络拓扑结构又称为无规则型结构。物理网状拓扑结构要求任意两个结点之间都设置链路，这在实际网络中是不可能的，从节省费用的角度出发，通常是根据实际需要在两个结点间设置直通链路。任意两个结点都设置链路才为真正的网状拓扑结构，而根据实际需要设置直通链路的则为混合网状拓扑结构。
目前实际存在和使用的广域网、多个局域网互联基本上就采用网状拓扑结构，如图1-15所示。
图1-15 网状网络
优点
● 系统可靠性高：由于网络中每个结点都有冗余链路，可靠性高。
● 容错性能好：由于是混合型网状结构，链路呈无规则设置，有多条路径，可以优选最佳路径，改善流量分配，提高网络性能。
● 便于故障诊断：任意结点的移出不会影响其他链路，通信信道容量能得到保证，故障诊断容易。
缺点
● 结构复杂：从结构上可以看出，由于网络链路设置路径较多，路径选择也比较复杂，不易管理与维护。
● 线路费用高：需要的传输电缆多，成本相对较高，同时维护费用高，一般仅适用于大型广域网络。
安装和配置较为不便：每个结点都有几条链路，安装和配置都较复杂。