1.2 计算机网络的定义
1.2.1 计算机网络的定义
计算机网络是现代计算机技术与通信技术密切结合的产物，是随社会对信息共享和信息传递的要求而发展起来的，不同的发展阶段，提出的定义不同。计算机网络的定义反映当时网络技术水平，和人们对网络的认识程度。
从广义上说，计算机网络是以传输信息为主要目的，利用通信线路将各计算机系统连接起来的计算机群称为计算机通信网络。这是在计算机网络发展的第一阶段提出的观点，实际上定义了计算机通信网络。在计算机网络发展的第二阶段，提出了用户透明的的观点，定义了分布式计算机系统。目前，计算机网络的定义大多采取资源共享的观点，是将地理位置不同，并具有独立功能的多个计算机系统（自治计算机系统）通过通信设备和线路连接起来，以适用的软件（即网络通信协议，信息交换方式，网络操作系统等）实现所有网络部件的资源共享的系统称为计算机网络。
由此可见，现代计算机网络具有如下特点：
（1）计算机网络建立的目的是实现计算机资源的共享；
（2）是分布在不同地理位置的多台独立的“自治计算机”（无明确的主从关系）；
（3）连网计算机通信必须遵循共同的网络协议。
同时，我们在概念上应该注意计算机网络与分布式计算机系统的区别。分布式计算机系统中存在着一个能为用户自动管理资源的网络操作系统，由它调用完成用户任务所需要的资源，而整个网络像一个大的计算机系统一样对用户是透明的。计算机网络为分布式系统的研究提供了技术基础，而分布式系统是计算机网络技术发展的高级阶段。分布式计算机系统的特点是无主从区分；计算机之间交换信息；资源共享；相互协作完成一个共同任务。
1.2.2 计算机网络的功能
计算机网络的功能主要表现在以下三个方面。
（1）硬件资源共享
可以在全网范围内提供对处理资源、存储资源、输入输出资源等的共享，特别是对一些较高级和昂贵的设备，如大型计算机、具有特殊功能的处理部件、高分辨率的激光打印机、大型绘图仪以及大容量的外部存储器等。从而使用户节省投资，以便于集中管理，均衡分扣负荷。
（2）软件资源共享
允许Internet上的用户远程访问各种类型的数据库，可以得到网络文件传送服务、远程管理服务和远程文件访问，数据资源的重复存储，便于集中管理。
（3）用户之间的信息交换
计算机网络为分布在各地的用户提供了强有力的通信手段。可以通过计算机网络传送电子邮件、发布新闻消息和进行电子数据交换（EDI），极大地方便了用户，提高了工作效率。
计算机网络的功能，为用户带来了高可靠性、更高的性能价格比和易扩充等好处，使得它在工业、农业、交通运输、邮电通信、文化教育、商业、国防以及科学研究等各个领域获得越来越广泛的应用。
1.2.3 计算机网络的拓扑结构
拓扑学是几何学的一个分支，是从图论演变而来。拓扑学首先把实体抽象成与其大小、形状无关的点，将连接实体的线路抽象成线，进而研究了点、线、面之间的关系。计算机网络拓扑是通过网中结点与通信线路之间的几何关系表示网络结构，反映出网络中各实体间的结构关系，网络的连接形状，或者是网络在物理上的连通性。计算机网络拓扑主要是指通信子网的拓扑构型。构成网络的拓扑结构有很多种，通常包括：星形拓扑、总线型拓扑、环形拓扑、树形拓扑、混合型拓扑、网形拓扑。
拓扑结构的选择往往与传输介质的选择和媒体访问控制方法的确定紧密相关。在选择网络拓扑结构时，应该考虑的主要因素有以下几点：
（1）可靠性。尽可能提高可靠性，保证所有数据流能准确接收。还要考虑系统的维护，要使故障检测和故障隔离较为方便；
（2）费用低。它包括建网时需考虑适合特定应用的费用和安装费用，在保证性能和使用方便的情况下尽可能节省；
（3）可扩展性。需要考虑系统在今后扩展或改动时，能容易地重新配置网络拓扑结构，能方便地进行原有站点的删除和新站点的加入；
（4）性能高。要有尽可能短的响应时间和最大的吞吐量。
拓扑设计对网络性能、系统可靠性与通信费用都有重大影响。拓扑设计是建设计算机网络的首步，也是实现各种网络协议的基础，它对网络性能、系统可靠性与通信费用都有重大影响。拓扑设计的原则是在保证一定的网络响应时间、吞吐量和可靠性的前提下，选择适当的线路、线路容量、与连接方式，使整个网络的结构合理、成本低廉。最简单的连接方法是全互连网络，每两个结点间都有直接连接，如图1-8所示，但这种方法耗费太大。
图1-8 全互连网络
1.2.3.1 星型拓扑
星形拓扑是由中央节点和通过点到点通信链路接到中央节点的各个站点组成，如图1-9所示。中央节点执行集中式通信控制策略，任何两节点的通信都要通过中心节点。因此中央节点较复杂，而各个站点的通信处理负担都小。现在的数据处理和声音通信的信息网大多采用这种拓扑结构。
图1-9 星型拓扑
星型拓扑的优点：
（1）控制简单。在星形网络中，任何节点都直接和中央节点相连接，因而媒体访问接制的方法很简单，致使访问协议也十分简单；
（2）容易做到故障诊断和隔离。在星形网络中，中央节点对连接线路可以一条一条地隔离开来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；
（3）便于管理。中央节点可方便地对各个站点提供服务和对网络重新配置。
星型拓扑的缺点：
（1）电缆长度和安装工作不可观。因为每个站点都要和中央节点直接连按，需要耗费大量的电缆，所带来的安装、维护工作的复杂；
（2）中央节点的负担加重，形成瓶颈，一旦出现故障，则全网受影响，因而对中央节点的可靠性和冗余度方面的要求很高；
（3）各站点的分布处理能力较弱。
1.2.3.2 树型拓扑
树型拓扑是星型结构的扩展，节点按层进行连接，信息交换主要在上下节点之间进行，相邻的节点一般不进行信息交换或交换量小。其特点和星型相同，主要适用于汇集信息，如图1-10所示。
图1-10 树形拓扑
树形拓扑的优点：
（1）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，这些新节点和新分支都能较容易地加入网内；
（2）故障隔离较容易。如果某一分支的节点或线路发生故障，很容易将故障分支和整个系统隔离开来。
树形拓扑的缺点是各个节点对根的依赖性太大，如果根发生故障，全网就不能正常工作，与星形拓扑结构相似。
1.2.3.3 总线型拓扑
总线结构是使用同一媒体或电缆连接所有端用户的一种方式，也就是说，连接端用户的物理媒体由所有设备共享，如图1-11所示。使用这种结构必须解决的一个问题是确保某个端用户使用媒体发送数据时不能出现冲突。这种结构具有费用低、数据端用户入网灵活、站点或某个端用户失效不影响其他站点或端用户通信的优点。缺点是一次仅能一个端用户发送数据，其他端用户必须等待到获得发送权。媒体访问获取机制较复杂。尽管有上述一些缺点，但由于布线要求简单，扩充容易，端用户失效、增删不影响全网工作，所以是网络技术中使用最普遍的一种。
图1-11 总线型拓扑
总线型拓扑的优点：
（1）隔离性比较好，一个站点出现故障，断开连线即可；
（2）总线结构所需要的电缆数量少；
（3）总线结构简单；
（4）易于扩充、增加或减少用户比较方便。
总线型拓扑的缺点：
（1）系统范围受到限制。同轴电缆的工作长度扩展时，需使用中继器扩展一个附加段；
（2）故障诊断较困难。因为总线拓扑网络不是集中控制，故障检测需要在网上各个节点进行，故障检测不容易。
1.2.3.4 环型拓扑
环型拓扑由站点和连接站点的链路组成一个闭合环，如图1-12所示。每个站点能够接收从一条链路传来的数据，并以同样的速度串行地把该数据传送到另一端链路上，数据只能沿一个方向传输。数据以分组形式发送，例如图1-12中1站希望发送一个报文到3站，那么要把报文分成若干个分组，每个分组包括一段数据加上某些控制信息，其中包括3站的地址。1站依次把每个分组送到环上，沿环传输，3站识别到带有它自己地址的分组时，就将它接收下来。由于多个设备连接在一个环上，因此需要用分布控制形式的功能来进行控制，每个站都有控制发送和接收的访问逻辑。
图1-12 环型拓扑
环型拓扑的优点：
（1）电缆长度短。环型拓扑网络所需的电缆长度和总线型拓扑网络相似，比星型网络要短得多；
（2）增加或减少工作站时，硬件上仅需要简单的连接。
环型拓扑的缺点：
（1）节点的故障会引起全网故障，一旦环中其一节点发生故障，就会引起全网的故障；
（2）检测故障困难，因为不是集中控制，故障检测需在网上各个节点进行，故障检测就不是很容易；
（3）在负载很轻时，其等待时间也比较长；
（4）环中节点的加入和撤除都很复杂。
1.2.3.5 网状型拓扑（无规则型）
网状型拓扑的节点连接是任意的，没有规律。它的优点是不受瓶颈问题和失效问题的影响，如图1-13所示。由于节点之间有许多条路径相连，可以为数据流的传输选择适当的路由，绕过失效的部件或过忙的节点。这种结构虽然比较复杂，成本比较高，为提供上述功能，网形拓扑结构的网络协议也较复杂，但由于它的可靠性高，仍受到用户的欢迎。目前实际存在的广域网基本都是采用网状拓扑构型。
图1-13 网状型拓扑
1.2.3.6 混合型拓扑
将以上两种单一拓扑结构类型混合起来，取两种拓扑结构的优点可以构成一种混合型拓扑结构。