3.7 計算機網絡體系結構

通信網絡是傳遞聲音、文字、圖像和計算機數據等多媒體信息的基礎。要實現數字化、信息化，必須依靠完善的網絡體系。這里所說的網絡體系統是指電信網、有線電視網和計算機通信網，通常稱為“三網”。

計算機網絡是把地理上分散的多臺獨立自主的計算機，按照約定的通信協議，通過軟、硬件互聯的方法實現交互通信、資源共享、信息交換、協同工作和在線處理等功能的系統。它涉及通信和計算機兩個領域。數據通信網絡為計算機之間的數據傳遞和交換提供了必要的手段。

計算機網絡實際上是20世紀60年代冷戰的產物。20世紀60年代初，美國國防部領導的遠景研究規劃局ARPA（Advanced Research Project Agency）提出要研制一種嶄新的、能夠適應現代戰爭、殘存性很強的網絡，其目的是對付蘇聯的核進攻威脅。根據美國軍方提出的要求，這種新型通信網絡必須滿足以下一些基本要求：

（1）新型網絡不僅能打電話，更重要是能用于計算機之間的數據傳送。

（2）能夠連接不同類型的計算機。

（3）所有的網絡結點（Node）都同等重要。即網絡中的某些結點損壞了，不會影響系統工作，這樣可大大提高網絡的生存能力（殘存性）。

（4）計算機通信時，必須有冗余的路由（Routes）。當網絡中某個結點或鏈路被敵方破壞時，冗余路由能夠使通信自動找到其他合適的路由，使通信仍然保持暢通。

（5）網絡結構盡可能簡單，并能非常可靠地傳送數據。

為了解決不同廠商的計算機網絡之間不能互聯的問題，國際標準化組織（ISO）于1978年提出了開放系統互連參考模型（OSI/RM），即OSI網絡體系結構，以推動網絡標準化工作。

由于Internet互聯網的社會需求增長非常迅猛，現在又面臨多種挑戰，包括網絡的帶寬和可擴展性，網絡的安全性，網絡的服務質量和引發的商業、文化及社會問題。為此，美國又提出了“下一代因特網計劃”，即“NGI（Next Generation Initiative）計劃”。

NGI計劃要實現的一個目標是：下一代網絡結構的傳輸速率要超過100Mbit/s～10Gbit/s；采用更加先進的網絡服務技術和擴大應用領域，如遠程醫療、遠程教育、能源和地球系統的研究、高性能的全球通信、環境檢測和預報、緊急情況的處理等等。NGI計劃將使用超高速全光纖網絡，實現更快速的交換和路由選擇，具有實時應用保留帶寬的能力。此外，在因特網的管理、信息安全等方面也會有很大的改進和提高。

3.7.1 電路交換和分組交換

所謂“交換”就是按照某種方式動態地分配傳輸線路資源，提高線路資源的利用率。電話機發明后，要讓所有的電話機都能互相連接是難以實現的。圖3-18a表示兩部電話機只需一對電線。但如果要把5部電話機兩兩相連，則需要10對連接線，如圖3-18b所示。如果N部電話機要兩兩相連，那么需要N（N-1）/2對電線。顯然，這種連接方法需用的連接導線與電話機數量的二次方成正比。于是認識到只有采用交換機的連接方法，即把每一部電話機都連接到交換機上，通過交換機的交換連接，把各電話用戶彼此連接通話，才能提高傳輸線路的利用率，如圖3-18c所示。采用交換機進行交換連接的方式稱為電路交換。

圖3-18 電話機的不同連接方法

a）兩部電話直接相連 b）5部電話兩兩直接相連 c）用交換機連接許多部電話

1.電路交換

從通信資源分配角度來看，“交換”就是按照某種方式動態地分配傳輸線路資源。在使用電路交換（Circuit switching）時，通話之前必須先呼叫（撥號/被叫方的地址），撥號信令通過各個交換機到達被叫用戶所在的交換機時，向用戶話機發出電話振鈴信號。在被叫用戶摘機并且摘機信令回傳到主叫方的交換機后，呼叫即成功。此時，從主叫端到被叫端就建立了一條物理通路，雙方可以開始通話，通話結束，主叫方掛機，釋放連接，如圖3-19所示。

圖3-19 電路交換原理圖

這種必須經過“建立連接→通信→釋放連接”的三個步驟的聯網方式稱為面向連接（Connec-tion-Oriented）。顯然，電路交換必定是面向連接；但在分組交換時，既可使用存儲轉發的無連接方式（Connectionless），也可使用面向連接方式（如廣域網的X.25和ATM網絡）。

電路交換中各交換機之間擁有大量話路的中繼線，它們是全體用戶共享的。在通話的全部時間內，通話的兩個用戶始終占用端到端的固定傳輸帶寬。

2.分組交換

用電路交換方法傳送計算機數據時，線路的傳輸效率是不高的。因為計算機數據是突發式地向傳輸線路上發送的，所以線路上真正用來傳送數據的時間往往不到10%，甚至僅為1%，絕大部分時間內，通信線路實際上是空閑的。

分組交換（Packet switching）采用存儲轉發技術。圖3-20是分組交換的概念。先將需發送的全部數據信息（稱為報文Message）劃分成一個個更小的等長數據段，例如，每個數據段為2¹⁰=1024bit。在每個數據段前面加上一些必要的控制信息組成的首部（Header），構成一個分組（Pack-et）。分組又稱為“打包”，分組的首部也稱為“包頭”，分組是計算機網絡傳輸的數據單元。分組中的首部（包頭）包含了諸如目的地址和源地址等重要控制信息，有了它才能使每個分組在分組交換網絡中獨立地選擇路由。因此首部是分組交換的一種標記（Label-based），使得分組交換時，在傳遞數據之前可以不首先建立一條連接線路。這種不先建立連接而隨時可發送數據的聯網方式，稱為無連接（Connectionless）傳輸。

圖3-20 數據信息的分組

分組交換網由若干結點交換機（Nodeswitch）和與這些交換機連接的鏈路組成，如圖3-21所示。大圓圈（或大方塊）為結點交換機，是網絡的核心部件。從概念上講，一個結點交換機就是一個計算機。每個結點交換機都有兩組端口。小半圓表示用于與計算機相連的一組端口，鏈路的速率較低。小方塊表示的用于連接高速鏈路和網絡中其他結點計算機的一組端口。結點計算機A……E是進行分組交換用的，用來轉發分組數據信息和經常交換各結點計算機之間的路由信息，為轉發分組找出一條最好的路線。結點計算機將收到的分組數據包先放入緩存，再根據包頭（首部）的地址查找轉發表，找出一條最佳轉發路線。從緩存中將分組數據取出來，再傳送給適當的端口轉發出去。

圖3-21 分組交換網絡

a）分組交換網和主機 b）具有兩組端口的結點交換機

結點交換機暫存的是一個個短的分組數據包，而不是整個長的報文。短的分組數據包是暫存在結點交換機的存儲器（內存）中，而不是存儲在它的磁盤中，這樣可保證較高的交換速率。

由于采用了專門的技術措施，保證了數據傳送的高可靠性。如果分組交換網中的某些結點或鏈路突然地被破壞，網絡可使用路由選擇協議自動找到其他的路徑來轉發分組數據包。此外，分組交換的網絡拓撲結構，在發生網絡擁塞或少數結點、鏈路出現故障時，可以靈活地改變路由而不致引起通信中斷或全網癱瘓。

采用存儲轉發的分組交換方法，實際上是采用了數據通信過程中的中斷（或動態）分配傳輸線帶寬的策略。對突發式發送的計算機數據是非常合適的，大大提高了通信線路的利用率。

綜上所述，分組交換的優點如下：

（1）高效。動態分配傳輸線帶寬，對通信鏈路實行逐段占用。

（2）靈活。每個結點具有智能功能，可為每個分組數據包選擇轉發路由。

（3）迅速。以分組數據包作為傳送單位，可以不先建立連接就可向其他主計算機發送分組。分組交換使用高速鏈路網絡。

（4）可靠。完善的網絡協議，分布式的路由分組交換網，使網絡具有極好的殘存性。

分組交換的缺點如下：

（1）延時較大。分組數據包在各結點存儲轉發時需排隊，造成一定的延時。

（2）各分組數據包必須攜帶一個作為控制用的“首部”（包頭）。數據包的首部描述了它的源地址和目的地址，以便確定將這個數據包發送到哪一條鏈路和哪個目的地址。但增加了數據傳輸的開銷（overhead）。

（3）整個分組交換網需要專門的管理和控制機制。

3.7.2 計算機網絡的特性和主要性能指標

數據通信網絡通常是指計算機網絡中的分組交換網。計算機網絡是指各自主計算機互相連接的集合。最簡單的計算機網絡是由兩臺計算機和把它們連接起來的一條鏈路組成，即兩個結點計算機和一條鏈路。最復雜的計算機網絡是因特網，把非常多的計算機通過路由器（Router）等互連設備互連而成。通過軟硬件的互聯，實現計算機之間的交互通信、資源共享、信息交換、協調工作和在線處理等功能。計算機網絡的定義有三個主要含義：

（1）計算機網絡是指具有獨立自主功能的計算機的互聯集合。自主計算機的概念排除了網絡系統中的主從關系，即網絡中各計算機之間的關系是平等的，都可以強制啟動、停止或控制另一臺計算機。因此，如果由一臺主控機和多臺從屬機組成的系統就不能稱為計算機網絡。一臺帶有遠程打印機和終端打印機的系統也不能稱為計算機網絡。

（2）互聯必須遵循約定的通信協議，并通過相應的軟硬件實現。為了成功地通信，它們必須具有同樣的語言、交流什么、怎樣交流和何時交換等，都必須遵循相互能接受的規則，這些規則的集合稱為通信協議。

（3）互聯既可使用銅纜、光纖等有線傳輸介質，也可借助于微波、衛星等無線傳輸介質。

為滿足計算機網絡的可用性和高效性，下面的技術參數是計算機網絡的重要特性：

計算機網絡的主要技術特性指標包括：帶寬（Bandwidth或稱吞吐量Throughput）、延時（Delay或Latency）、延時帶寬積和往返延時。

（1）帶寬。信號的帶寬是指該信號包含的不同頻率成分所占有的頻率范圍，例如，音樂節目信號的帶寬為50Hz～16kHz或更寬些，電話語音信號的帶寬為300Hz～3.4kHz，視頻信息的帶寬為6MHz。帶寬的單位為赫茲（Hz）、千赫（kHz）、兆赫（MHz）和千兆赫（GHz）等。

過去，通信線路都是傳送模擬信號，因此線路的帶寬表示可以通過信號的頻率范圍，用頻率的單位來衡量。但是，當通信線路用來傳送數字信號時，再用模擬通信線路的帶寬來表示就不大確切了，應該使用數字信號的傳送速率來表示線路帶寬。線路帶寬越寬，它傳送數字信號的速率也越高。它們之間有密切關系，但不能混淆，更不能直接替代。

數字信號的傳送速率（或稱數據率、比特率）是指每秒鐘內傳送二進制碼（bit）的數量。比特（bit）是計算機中的最小數據單元，它也是信息量的度量單位。一個bit就是二進制數字中的一個“1”或“0”。

在計算機網絡中，數據傳送的帶寬單位為每秒比特（bit/s），更常用的單位為千比特每秒（kbit/s）、兆比特每秒（Mbit/s）、吉比特每秒（Gbit/s）和太比特每秒（Tbit/s）。現在人們常用更簡單的但很不嚴格的記法來描述網絡或鏈路的帶寬，如100k、10M或10G等，省略了后面的bit/s單位。

因為數字網絡的帶寬代表數字信號的發送速率，因此有時也稱為“吞吐量”。在實際應用中，吞吐量常用每秒發送的比特數或字節數或幀數來表示。

在數字通信和計算機領域中，數字單位“千”、“兆”和“吉”等用英文表示的意思與實際的數字表達略有不同。計算機中的大寫K表示2¹⁰，即1024，而不是1000；1MB表示2²⁰（1048576）B，并非是10⁶=1000000B。1GB表示2³⁰（1073741824）B，并非是10⁹=1000000000B。此外，一個字節（Byte）代表8個比特（bit）。字節的用英文表示為大寫B，比特用英文表示為bit。

（2）延時。延時（Delay或Latency）是指一個報文（即要發送的整塊數據）或一個分組（將較長的報文劃分成一個個更小的等長數據段，例如每個數據段為1024bit，并在每個數據段前面加上由一些控制信息組成的首部后，就構成了一個分組，如圖3-20所示）從網絡的一端傳送到另一端需要的時間由以下幾個部分組成：

1）傳輸延時。傳輸延時是電磁波在信道中傳播所需要的時間，計算公式如下：

傳輸延時=信道長度L/電磁波在傳輸媒體中的傳輸速度V （3-4）

式中，傳輸延時的單位為秒（s）；L為信道長度，單位為公里（km）；V為電磁波的傳輸速度，單位為km/s。

電磁波在不同介質中的傳播速率如下：

①電磁波在自由空間的傳播速度同光速，即3.0×10⁸km/s；

②電磁波在電纜中的傳播速率為2.3×10⁵km/s；

③電磁波在光纖中的傳播速率為2.0×10⁵km/s。

例如：1000km長的光纖線路帶來的傳輸延時約為5ms。3.6萬km高空的同步通信衛星的傳輸延時（往返）約為0.24s（240ms）。

2）發送延時。發送延時是指發送數據所需要的時間，計算公式如下：

發送延時=數據塊長度/信道帶寬 （3-5）

式中，發送延時的單位為秒（s）；數據塊長度的單位為比特（bit）或字節（B）；數據在信道上的傳輸速率單位為每秒傳送的比特數（bit/s）或字節數（B/s）；

信道帶寬的單位為bit/s或B/s。

例如：要在Cat.5UTP非屏蔽五類雙絞線鏈路上傳送10MB的一個數據塊（報文），計算發送這個數據塊所需的時間。

解：Cat.5UTP的信道帶寬為100MB/s，因此發送延時=10MB/100MB/s=0.1s。

再看一個例子。傳送的數據僅一個字節（即在鍵盤上輸入一個字符，也就是8bit）。在1Mbit/s的信道上的發送延時為8bit/1Mbit/s=8μs。

3）排隊延時。這是在數據交換結點排隊等候發送緩存中的數據分組所需的時間。這種延時決定于網絡中當時的數據通信量。當網絡通信擁擠時，還會發生數據溢出，使數據丟失，這就相當于排隊延時為無窮大。因此

數據傳輸的總延時=傳輸延時+發送延時+排隊延時（3-6）

在總延時中，哪一種延時占主導地位，必須具體分析。

（3）延時帶寬積。延時帶寬積，即[傳輸延時]×[網絡帶寬]。這是一個說明網絡中能容納多少數據量的一個有用的性能指標。圖3-22表示延時帶寬積的示意圖。

圖3-22 網絡的延時帶寬積

這是一個代表鏈路的空心管道，管道的長度是鏈路的傳輸延時，管道的截面積是鏈路的帶寬。因此，延時帶寬積就表示這個管道的體積（容積），表示這個鏈路可容納多少個比特。例如，鏈路的傳輸時間為20ms，帶寬為10Mbit/s。延時帶寬積=20×10^-3×10×10⁶=2×10⁵bit。這就表示，如果發送端連續發送數據，當發送的第一個比特到達終點時，發送端已連續發送了20萬個比特，這20萬個比特都正在鏈路上傳輸。因此，鏈路的延時帶寬積又稱為以比特為單位的鏈路長度。對于一條傳送數據的鏈路，只有在鏈路管道都充滿比特時，鏈路才能得到充分利用。

有時在發送端和接收端之間相隔有好幾個網絡。發送端發送出去的數據要經過多次轉發才能到達接收端。這時我們仍然可使用上面這樣的從發送端到接收端的傳輸管道和延時帶寬積這個度量。但這時的延時不再僅僅是網絡的傳輸延時，還包括各中間結點產生的排隊延時和發送延時。管道中的比特數表示從發送端到接收端之間的比特數量。

（4）往返延時

往返延時（Round-Trip Time，RTT）也是數據傳送網絡的一個重要特性指標。它表示數據從發送端開始發送直至在發送端收到來自接收端的確認接收，總共經歷的時間。例如鏈路的傳輸時間為20ms，那么它的往返延時RTT是40ms。往返延時與帶寬的乘積比延時帶寬積大一倍。同樣，對于復雜的網絡系統，往返延時應包括中間各結點的排隊延時和數據發送的發送延時。

往返延時帶寬積的意義是當發送端連續發送數據時，在收到對方確認之前，就已經把這樣多的比特數量發送到鏈路上了。對于上述的例子，如果數據傳輸的接收終點發現了差錯，那么當發送端收到這一出錯信息時，即使立刻停止發送，也已經發送了40萬bit了。

（5）網絡的安全性。網絡信息安全是指對計算機信息的處理、存儲、傳輸和訪問等全過程所提供的安全保護，防止信息被竊取、篡改和非法操作。它包括網絡安全和信息安全兩個層面。前者是指對信息載體的處理、存儲和傳輸的安全，后者是指信息自身的安全，即信息的機密性、完整性和可審查性等。

（6）網絡傳輸的可靠性。網絡傳輸的可靠性包括發生故障的頻度、恢復運行所需的時間和突發特性故障時的網絡健壯性。所有各種網絡都可能會發生故障。但是，如果網絡經常發生故障，那么，對用戶來說，這種網絡的使用價值就不大了。此外，發生故障后恢復時間的長短也直接影響網絡的可用性。網絡必須有對突發性事件的應急措施。突發性事件包括火災、地震、偷竊和病毒侵襲等。對不可預見的危害要用網絡軟件的后備予以保護。

3.7.3 網絡分類

計算機網絡可以從網絡技術、覆蓋地域、拓撲結構和交換功能等各種不同角度加以分類。

（1）按地域范圍，可分為局域網、城域網和廣域網三類。

（2）按拓撲結構，可分為總線型、星形、環形和網狀型等網絡。

（3）按交換方式，可分為電路交換網、分組交換網、信元交換網和幀中繼交換網。

（4）按網絡協議，可分為TCP/IP、SNA、SPX/IPX、APPLETALK和ATM等。

1.按覆蓋地域分類

（1）局域網。局域網（Local Area Network，LAN）是將小區域范圍內的各種通信設備互聯在一起的通信網絡。大多數局域網只局限于一幢大樓、一個校園或一個企業。它可通過各類傳輸介質與相距很遠的另一個局域網相連。局域網由建設單位自己管理和使用。它的數據傳輸速率一般等于或小于100Mbit/s。

（2）城域網。城域網（Metropolitan Area Network，MAN）的地理覆蓋范圍為5～100km，是一種以支持高速率數據、聲音和圖像等信息傳輸的通信網絡。以光纖為主要傳輸媒體，傳輸速率高于1000Mbit/s。城域網是城市通信的主干網，也是不同區域局域網之間的通信橋梁，并可向外接入廣域網。

（3）廣域網。廣域網（Wide Area Network，WAN）的地理覆蓋范圍為數十千米到數千千米，可以連接若干城市、地區，甚至跨越國家和遍及全球的一種通信網絡，因此也稱為遠程網（Long Home Network）。

廣域網可采用不同通信技術，包括公用交換電話網（PSTN）、綜合業務數字網（ISDN）、分組交換數據網（PSDN）、數字數據網（DDN）、異步傳輸模式（ATM）網、移動通信網以及衛星通信網等。

隨著計算機網絡技術的發展，現在局域網、城域網和廣域網的界限變得逐漸模糊了。

（4）國際互聯網。國際互聯網（Internet）又稱因特網。它是全球最大的、開放的、由眾多網絡互聯而成的計算機互聯網，采用開放的TCP/IP通信協議。

Internet國際互聯網提供了極為豐富的信息資源和應用服務。它為發展信息網絡技術和網絡應用提供了豐富的經驗，對信息市場的開拓和信息社會的發展具有深遠的影響。

（5）內部網。內部網（Intranet）又稱為內聯網，是專門為政府機關或企業網內部服務的網絡。它采用防止外部侵入的安全措施與外界聯接。

（6）外部網。外部網（Extranet）又稱外聯網，它是以企業的內部網為基礎，企業通過計算機技術形成為擴展了的企業，使企業延伸到客戶、供應商和合作伙伴。從一個有形的企業變成一個更大的企業虛擬網絡。改變了現有的人際交往和組織部門間的通信方式。

2.根據網絡拓撲結構分類

網絡的拓撲結構是從網絡拓撲觀點來討論網絡中的信號結點和通信線路或通信信道的連接所構成的各種網絡幾何結構。網絡的拓撲結構是用來反映網絡各組成成分之間的結構關系。實際上，這里考慮得更多的是通信子網的拓撲結構問題。通信子網可以設計為兩種類型：點對點通信（point-to-point）和廣播通信（Broadcast）。

（1）點對點信道的特點是一條線路連接一對結點。兩臺主機常常經過幾個結點相連接。信息傳輸采用存儲轉發方式。這種信道形成的通信子網絡的拓撲結構有星形、樹形、回路形、相交回路形、全連接形和分布形等。

（2）廣播信道的特點是只有一條供各結點共享的通信信道。任一結點發出的信息報文可被所有其他結點接收。當然對信道需有一定的訪問控制。這類通信子網的拓撲結構有總線型、環形、衛星型或無線廣播通信方式。

按網絡拓撲結構形狀可分為：星形、環形、總線型、樹形、總線/星形等六種類型的網際拓撲結構。

（1）星形拓撲結構。星形拓撲結構是以中央結點為中心與其他各結點相連組成，各結點與中央結點通過點對點方式連接，中央結點執行集中式通信控制，如圖3-23所示。在星形結構的拓撲網絡中，任何兩個站點進行通信都必須經過中央結點控制。在文件服務器/工作站局域網中，中央結點為文件服務器，存放共享資源。中心點與多臺計算機相連，大多采用集線器Hub連接。Hub具有信號再生轉發功能，通常有4個、8個、12個、16個和24個端口等規格。

星形拓撲結構的特點是：網絡結構簡單、便于管理、集中控制、組網容易、網絡延遲時間短、誤碼率低；但網絡共享能力較差，通信線路的利用率不高、中央結點的負擔過重。網絡中可同時連接雙絞線、同軸電纜及光纖等多種傳輸媒體。

圖3-23 星形拓撲結構

（2）環形拓撲結構。環形網中各結點通過環路接口連接在一條首尾相連的閉合環形通信線路上。環路上任何一個結點均可請求發送信息和接收信息，環形網中的數據流既可單向傳輸（單環）也可以雙向傳輸（雙環）。由于環線是公用的，一個結點發出的數據信息必須穿越環中所有的環路接口，信息流中的目的地址與環上某個結點地址相符時，信息會被該結點的環路接口所接收，后面的信息繼續流向下一個接口，直至回到發送該信息的環路接口結點為止，如圖3-24所示。圖3-25是雙環環形網絡，數據信息流在一個環中按順時針方向傳輸，另一個環按逆時針方向傳輸。任何一個環發生故障時，另一個可作為備份。如果兩個環在同一點發生故障，則兩個環可合成一個單環，但傳輸線長度幾乎增加一倍。

圖3-24 典型的單環環形拓撲結構

圖3-25 雙環環形網絡拓撲結構

環形網的特點是：信息在網絡中沿固定方向流動，兩個結點間僅有唯一的通路，大大簡化了路徑選擇的控制。某個結點發生故障時，可以自動旁路，可靠性較高。當網絡確定后，其延時也固定了，實時性較強。但當環路結點過多時，影響傳輸效率，網絡響應時間變長，此外，由于環路是封閉的，所以擴充不方便。

環形網是局域網常用的拓撲結構之一，適合于信息處理系統和工廠的自動化系統。1985年IBM公司推出的令牌環形網（IBM Token Ring）是它的典范。它在FDDI（光纖分布式數據接口）中應用較廣泛。

（3）總線型拓撲結構。用一條稱為總線的中央主電纜將各計算機連接起來的布局稱為總線型拓撲，如圖3-26所示。

圖3-26 總線型拓撲結構

在總線結構中，所有網上的計算機都通過相應的硬件接口直接連到總線上。任何一個結點的數據信息都可沿著總線向兩個方向傳輸擴散，并能被總線上任何一個結點接收。

總線的長度有一定限制，一條總線只能連接一定數量的結點。在總線的兩個端頭，必須連接終端負載（末端阻抗匹配器），終端負載的大小應與總線的特性阻抗相符合，這樣可達到最大限度地吸收傳送到總線終端被反射回來的信號能量，避免反射回波的干擾。

總線型拓撲結構的特點是：結構簡單靈活，便于擴充，可靠性高，網絡響應速度快，價格低，便于安裝，共享資源能力強，因此是目前使用最廣泛的拓撲結構。

（4）樹形拓撲結構。樹形結構是總線結構的擴展，它是在總線網上加上分支形成的，傳輸介質可有多條分支，但不形成閉合回路。樹形網是一種分層網絡，具有一定的容錯能力，一般來說，一個分支或一個結點的故障不會影響另一個分支結點的工作，任何一個結點發送出的數據信息可以傳遍整個傳輸介質，如圖3-27所示。

（5）網際拓撲結構。在實際組網中，拓撲結構不一定是單一的，通常是幾種結構的混用。還可將多個子網或多個局域網連接起來構成網際拓撲結構。

圖3-27 樹形拓撲結構

在子網中，用集線器（Hub）、中繼器將多個設備連接起來。多個子網可用網橋（Bridge）、路由器（Router）、交換機（Switch）和網關（Gateway）等設備將子網連接起來。

圖3-28是用交換式集線器（SwitchHub）把4個網段連接起來的例子。

圖3-28 用交換式集線器連接網段

3.7.4 網絡體系結構和通信協議

計算機網絡是一個非常復雜的系統。連接在網絡上的兩臺計算機要互相傳送文件或交互信息，除了在這兩臺計算機之間必須有一條傳送數據的鏈路外，至少還需完成以下一些工作：

（1）發起通信的計算機必須將數據通信的通路進行激活（Activate）。所謂激活就是要發出一些指令（信令），保證要傳送的計算機數據能夠在這條通路上正確地發送和接收。

（2）告訴網絡如何識別將要接收數據的計算機。

（3）發起通信的計算機必須查明對方計算機是否已準備好接收數據。

（4）查明對方接收計算機中的文件管理程序是否已做好文件接收和文件存儲的準備工作。

（5）如果計算機文件格式不兼容，則至少其中一臺計算機應具有格式轉換功能。

（6）對出現的各種差錯和意外事故，如數據傳送錯誤、重復或丟失數據和網絡中某個結點交換機故障等，應當有可靠的保障措施，保證對方計算機最終能夠收到正確的文件。

由此可見，相互通信的兩臺計算機系統必須高度協調一致才行。為設計這樣復雜的計算機網絡，早在最初的Arpanet設計時就采用分層處理方法。“分層”處理可將一個復雜問題轉化為若干較小的局部問題，這些較小的局部問題就可較容易研究和處理了。

分層處理的特點：各層分工明確、各司其職、不包羅萬象、便于處理和容易維護。

兩個實體要想成功地進行通信和有條不紊地交換數據，它們必須具有同樣的語言。交流什么，怎樣交流及何時交流，那么，通信實體之間都要遵守事先約定好的一些規則和標準。

這些規則、標準和約定的集合稱為通信協議。協議的關鍵成分是

（1）語法（Syntax），包括數據格式、編碼和信號電平等。

（2）語義（Semantics），包括用于協調和差錯處理、流量控制等控制信息。

（3）定時（Timing），包括同步和時序。

網絡體系結構（Architecture）是指網絡的各功能層及其協議的集合。網絡的體系結構是抽象的，它的功能需要用硬件和軟件來實現。

1974年，美國IBM公司宣布研制成功了系統網絡體系結構（System Network Architecture，SNA）。隨著全球經濟的快速發展，使用不同網絡體系結構的用戶要求能夠互相交換信息。為使不同體系結構的數據通信網都能互連，1979年國際標準化組織（ISO）成立了一個專門研究機構。不久，這個機構提出了一個解決各種計算機在世界范圍內互聯成網的標準框架，即著名的開放系統互連基本參考模型（Open System Interconnection Reference Model，OSI-RM），簡稱OSI。“開放”是指只要遵循OSI標準，一個系統就可以和位于世界上任何地方的、也遵循這同一標準的其他任何系統進行通信。OSI-RM是個抽象的概念。1983年形成了正式文件，即ISO7498國際標準，也就是所謂的七層協議的體系結構。

20世紀90年代初，雖然整套的OSI國際標準已全部制訂出來了，但由于因特網已搶先在全世界覆蓋了相當大的范圍。與此同時，市場上幾乎很少找到符合OSI標準的商用產品。于是OSI因缺少執行的軟、硬件產品而無法推廣應用。

從OSI失敗的原因可得出這樣的結論：能夠占領市場的就是標準。現在得到最廣泛應用的不是法律上承認的國際標準OSI，而是占領市場的非國際標準TCP/IP。

1.OSI開放系統互連參考模型簡介

網絡體系結構的每一層功能及其所提供的服務都有非常精確的說明。層數如果設置得太少，就會使每一層的協議太復雜。但是層次設置得太多，又會在描述和綜合各層功能的系統工程任務時遇到較多的困難。通常每一層需要實現的功能往往是下面的一種或多種：

（1）差錯控制。使網絡對口端的相應層次的通信更加可靠。

（2）流量控制。使發送端的發送速率能適應接收端的接收速率。

（3）分段和重裝。將發送端要發送的數據塊劃分為更小的單位，便于接收端還原。

（4）復用和分用。發送端幾個高層復用一條低層的連接，在接收端再進行復用。

（5）建立連接和釋放。在數據交換之前，先交換一些控制信息，以建立一條邏輯連接。數據傳送結束時，將邏輯連接釋放（斷開）。

OSI采用七層協議的網絡體系結構：物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層，如圖3-29所示。各層中，每層的目的都是為上邊的層提供服務的。各層之間是獨立的。每一層并不需要知道它的下面一層是如何實現服務功能的，而只需知道該層通過層間接口（界面）所提供的服務。由于每一層只實現一種相對獨立的功能，所以可將一個難以處理的復雜問題分解為若干較容易處理的更小一些的問題。此外，它的靈活性好，任何一層發生技術上的改變時，只要層間接口關系保持不變，它的上、下層均不會受到影響。

下面將對這些層的服務功能進行說明。

（1）物理層。物理層（physical layer）是OSI分層結構中的最低層，是開放系統與物理介質（傳輸鏈路）的接口。它是開放系統互連的基礎，可分為永久連接或動態交換連接、雙工傳輸或半雙工傳輸和同步傳輸或異步傳輸。物理層的任務是透明地傳送比特流，在它的下面是傳送信息的物理介質，如雙絞線、同軸電纜或光纜等。

“透明”是一個專用術語。它表示某一個實際存在的事物，看起來好像不存在一樣。“透明地傳送比特流”表示經實際電路傳送的比特流沒有發生任何變化，因此這個實際電路對比特流來說是“透明”的。這樣，任意組合的比特流都可以在這個電路上傳送。至于比特流中的哪幾個比特代表什么意思，則不是物理層所要管的。

物理層應向上面的數據鏈路層提供的服務有：數據電路標識、物理連接及其端點、服務數據單元、排序、故障狀態通知和服務質量參數。

圖3-29 OSI開放系統互連參考模型

物理層協議的處理功能有：激活和拆除物理連接、傳輸物理服務數據單元和完成物理層的管理工作。

（2）數據鏈路層。數據鏈路層（Datalink layer）的任務是在網絡相鄰兩個結點之間的線路上無差錯地傳送以幀（frame）為單位的數據。每一幀包括數據和必要的控制信息。在傳送數據時，如果接收結點檢測到收到的數據中有差錯時，馬上通知發送方重發這一幀，直到這一幀正確無誤地到達接收結點為止。每一幀的控制信息包括同步信息、地址信息、差錯控制和流量控制信息等。

數據鏈路層向網絡層提供的功能有：建立、維護和釋放數據鏈路，數據服務單元的透明傳送，數據傳送的流量控制，差錯指示和服務質量管理。

（3）網絡層。網絡層（Network layer）的任務是選擇合適的路由，按照地址找到目的主機，為分組交換網上的不同主機提供通信服務。給傳輸層提供如下服務功能：網絡地址服務、網絡連接及端點標識、差錯通知、保證接收順序、流量控制、網絡層差錯處理、接收確認和釋放網絡連接等。

（4）傳輸層。傳輸層（Transport layer）又稱運輸層，它的任務是負責兩個正在運行程序（稱為進程）的主機之間的通信。具有承上啟下的作用。它給OSI高層提供高可靠、低費用的透明數據傳輸，并保證低層的服務質量能滿足高層的要求。

（5）會話層。會話層（Session layer）不參與具體的數據傳輸，它的任務是對數據傳輸進行管理。如建立會議（通信）、使用和拆除、會話管理、確定是雙工工作還是半雙工工作和異常報告等。

（6）表示層。表示層（Presentation layer）的任務是給用戶提供執行會話服務的方式。即把交換的數據從某個抽象的語法變換為適合于OSI內部使用的傳送語法（Transfer syntax）。

（7）應用層。應用層（Application layer）是體系結構中的最高層，它直接為用戶的應用過程（正在運行的程序）提供服務，完成一系列業務處理需要的服務功能，因此應用層的協議量是很多的。

OSI的七層協議體系結構既復雜又不實用，但它的概念清楚、理論較完整，是局域網、互聯網等網絡體系結構的基礎。

2.TCP/IP的體系結構

應用最廣泛的Internet互聯網采用的是4個層次構成的TCP/IP體系結構。TCP（Transmission Control Protocol）表示傳輸控制協議，IP（Internet Protocol）表示網絡協議。4個層次結構包括應用層、TCP運輸層、IP網際層和網絡接口層。

（1）應用層。應用層是TCP/IP體系結構的最高層。用戶可以調用應用程序訪問TCP/IP互聯網提供的多種服務。應用程序將按要求的數據格式傳送給運輸層。

（2）運輸層。運輸層（傳輸層）的任務是提供應用層之間的通信，即端到端的通信。運輸層的管理信息流提供可靠的傳輸服務，確保數據無差錯地按序到達目的地。

（3）IP網際層。IP網際層的任務是處理兩個通信終端之間的通信。它接收來自運輸層的請求，將帶有目的地址的分組發送出去；將分組封裝到數據包中，填入數據報頭，用路由算法決定是直接把數據傳送至目的主機，還是傳送給路由器，然后把數據報送至相應的網絡。IP運輸層還要處理接收到的數據報，檢驗其正確性，并決定是由本地接收，還是路由至相應的目的站。

（4）網絡接口層。網絡接口層又稱數據鏈路層，這是TCP/IP體系結構的最低層，負責收發IP數據報。圖3-30是TCP/IP分層工作的原理圖。圖3-31是使用路由器的TCP/IP分層工作的原理圖。

圖中的報文使用了兩種不同的網絡幀，一個是從主機A到路由器R，另一個是從路由器R到主機B。主機A發出的幀和路由器R接收到的幀相同，但可不同于路由器R和主機B之間幀的傳送。

圖3-30 TCP/IP分層工作的原理圖

圖3-31 使用路由器的TCP/IP分層工作的原理圖

3.OSI與TCP/IP體系結構的比較

圖3-32畫出了TCP/IP與OSI兩種體系結構的對比。在OSI參考模型中把應用層再劃分為三個層次，它們分別為：應用層、表示層和會話層。在一些問題的處理上，TCP/IP與OSI是不相同的。例如：

（1）TCP/IP一開始就考慮到多種異構網的互聯問題，并將網際協議IP作為TCP/IP的重要組成部分。ISO和CCITT（國際電話電報咨詢委員會）最初只考慮到使用一種標準的公用數據網將各種不同的系統互連在一起。

（2）TCP/IP一開始就對面向連接服務和無連接服務并重。所謂面向連接服務是指具有建立連接、數據傳輸和釋放（拆除）三個階段的服務。無連接服務是指兩個實體之間的通信不需要先建立好一個連接，它的下一層資源將在數據傳輸時動態地進行分配。此外，兩個通信實體不必同時處于激活狀態，發送端進行發送時，它才被激活；接收端進行接收時，它也才需被激活。也就是說，發送與接收兩個通信實體不必同時激活。因此，無連接服務的優點是靈活方便和迅速。但是無連接服務不能防止報文丟失和重復發送，適用于傳送少量零星的報文。

圖3-32 TCP/IP與OSI體系結構的比較

（3）TCP/IP有較好的網絡管理功能。

（4）TCP/IP模型的不足之處是沒有將“服務”、“協議”和“接口”等概念很清楚地區分，會給采用新技術設計的新型網絡帶來一些麻煩。