1.2 計算機網絡的分類和拓撲結構

1.2.1 計算機網絡的分類

從不同的角度，按照不同的屬性，計算機網絡可以有很多種分類方法，即計算機網絡依據不同的劃分方法可以分為很多種不同的類型，如按網絡覆蓋的地理范圍劃分、按網絡中計算機所處的地位劃分、按網絡的傳輸技術劃分、按網絡的所有權劃分等。

按網絡覆蓋的地理范圍分類

按覆蓋的地理范圍，計算機網絡可以分為三類：局域網（Local Area Network，LAN）、城域網（Metropolitan Area Network，MAN）和廣域網（Wide Area Network，WAN）。

局域網

局域網就是把分散在一定范圍內、局部區域內的計算機、終端、外圍設備、控制器、顯示器以及用于連接其他網絡而使用的網絡設備等，通過高速線路相互連接起來形成的較小區域內的計算機網絡，如圖1-8所示。

局域網的分布范圍在幾米到幾千米以內，覆蓋范圍一般是一個部門、一棟建筑物、一所校園或一個公司。它是由部門或單位組建的內部網絡，一般不需要租用電信部門電話線路或其他線路，直接由自己敷設專用的通信線路，擁有自主管理權的網絡。

局域網常用的傳輸介質有：同軸電纜、雙絞線、光纖與無線通信信道。早期應用最多的是同軸電纜。一般，在覆蓋范圍比較小的局域網中使用雙絞線，在遠距離傳輸中使用光纖，在有移動結點的局域網中采用無線技術。

城域網

城域網又稱為城市網、區域網、都市網。隨著局域網的廣泛使用，人們逐漸要求擴大局域網的使用范圍，或者要求將已經使用的局域網互相連接起來，使其成為一個規模更大的城市范圍內的網絡，如圖1-9所示。

城域網的地理覆蓋范圍可以從幾十千米到幾百千米，主要是城市范圍內的行政部門、大型企業、機關、公司、電信部門、有線電視臺等構建的專用網絡和公用網絡，可以實現大量用戶的多媒體信息（語音、圖像、動畫、視頻等）傳輸。滿足該范圍內的大量企業、機關、公司與社會服務部門計算機的聯網需求，以實現對大量用戶提供傳輸多種綜合信息的目的。

隨著政府機關、企業局域網建設與個人用戶訪問Internet需求的不斷增加，目前城域網的建設成了各個城市信息基礎設施建設的熱點問題。但由于各種原因，城域網特有的技術沒能在世界各國范圍迅速推廣。

廣域網

廣域網也稱遠程網，是指將分布在不同國家、地域、甚至全球范圍內的各種局域網、計算機、終端等互聯而形成國際性的大型計算機通信網絡。廣域網一般容納多個網絡，并能和電信部門的公用網絡互聯，實現局域資源共享與廣域資源共享相結合，擴展成為地域更廣大的遠程處理和局域處理相結合的一體網際網系統。其通信子網通常歸屬于電信部門所有，而資源子網歸大型單位所有，如圖1-10所示。

廣域網覆蓋的地理范圍可從幾十千米到幾百千米甚至上千、上萬千米。因此可跨越城市、地區、國家甚至洲際，網絡之間的連接大多采用租用電信部門的專線。廣域網的特點是采用的協議和網絡結構多樣化，速率較低，延遲較大。

當然，隨著計算機網絡技術與通信技術的進一步發展，對局域網、廣域網、城域網的地理覆蓋范圍、界限已經變得越來越模糊了。

按網絡中計算機所處的地位分類

按其中計算機所處的地位，計算機網絡可以分為兩類：對等網絡和客戶機/服務器網絡（C/S）。

對等網通常是由少量的幾臺計算機組成的工作組。對等網采用分散管理的方式，網絡中的每臺計算機既可作為客戶機又可作為服務器來工作，每臺計算機的地位是平等的，它的磁盤空間和文件都成為公共財產。每個用戶可以管理自己機器上的資源，也可以通過授權管理對等網內其他計算機上的資源。對等網非常適合于小型的、處理任務不重的局域網，如在普通辦公室、家庭、學生宿舍內均可建立該種網絡。

客戶機/服務器網絡（C/S）是在一個計算機網絡中，有一臺或多臺服務器以及大量的客戶機，它們有主從之分，當一臺連入網絡的計算機向其他計算機提供各種網絡服務（如數據、文件的共享等）時，被稱為服務器。而那些用于訪問服務器資料的計算機則被稱為客戶機。一般服務器需要配備大容量存儲器并安裝數據庫系統，用于數據的存放和數據檢索。同時在客戶端安裝專用的軟件，負責數據的輸入、運算和輸出。

嚴格來說，客戶機/服務器模型并不是從物理分布的角度來定義的，它所體現的是一種網絡數據訪問的實現方式。采用這種結構的系統目前應用非常廣泛，如賓館、酒店的客房登記、結算系統，超市的POS系統，銀行、郵電的網絡系統等。

1.2.2 計算機網絡拓撲結構

計算機網絡設計的關鍵，就是要通過合適的方法選擇適當的線路、帶寬、連接方式，將給定位置的計算機能夠按照一定的網絡響應時間、吞吐量和相當可靠的性能設計出來，并且保證整個網絡結構合理、成本低廉。為了應付這種復雜的計算機網絡結構設計方法，人們引用了拓撲學中拓撲結構的概念。

將拓撲學引入到計算機網絡中，即是將通信處理機和其他網絡通信設備抽象為與大小和形狀無關的點，將連接這些設備的通信線路抽象為線，由這些點、線連接而形成的幾何圖形則稱為網絡拓撲結構，借以反映出網絡中各實體之間的結構關系。在一般的實際應用中，計算機網絡的拓撲結構主要是指通信子網的拓撲結構。

組建計算機網絡最常見的基本拓撲結構有：總線、環狀、星狀、樹狀和網狀等。

總線網絡拓撲結構

采用單根電纜（一般為同軸電纜）作為公共總線，所有各結點通過硬件接口直接連接在總線上，網絡中的所有結點共享這條公用通信線路。如果入網結點較少，公共總線可以是一段電纜；如果結點較多，則用幾段電纜通過中繼器相連來擴展總線長度。

在總線網絡拓撲結構中，各結點地位平等，任何結點都可以向公共總線發送信號，整個通信信道被所有結點共享。發送時，發送結點將報文分成組，然后一次一個地依次發送這些分組，有時要與其他結點來的分組交替地在介質上傳輸。從一個結點發出的信號到達總線后，將沿總線向兩個方向同時傳送，網絡中的所有結點都可以檢測到總線上的信號，并根據數據信號中的地址信息來判斷自己是否應該接收。如果有兩個以上的結點同時向總線發送數據，數據信號就會在總線上相遇而發生信號沖突，造成信號出錯，這表明總線網絡一次只能有一個設備傳輸信號，如圖1-11所示。

優點

● 電纜布線容易：因為所有的結點都是接到一個公共數據通道上，因此只需很短的電纜長度就能滿足要求，減少了安裝費用，便于布線和維護。

● 可靠性高：總線結構簡單，又屬于無源元件，從硬件的維護角度，相當可靠。

● 擴充容易：當增加新的結點時，只需在總線的任何點將其接入即可，如需增加總線長度，也只需通過中斷器即可將兩段總線擴展成一段。

缺點

● 故障診斷困難：盡管總線拓撲簡單，可靠性也高，但故障檢測卻相當不容易，這是由于總線拓撲不是集中控制方式，故障檢測時需要在各個結點分別進行。

● 故障隔離困難：在總線拓撲中，一旦某結點發生故障，則只需將該結點從總線上去掉即可，但如果是傳輸介質故障，則將導致整個總線被切斷。

環狀網絡拓撲結構

環狀網絡拓撲結構是局域網中常見的拓撲結構。它由連接成封閉回路的網絡結點組成，幾何構型是封閉的環形。每個結點利用中繼器與它相鄰的兩個結點連接，每個中繼器又通過一段鏈路（采用電纜或光纜）與下一個中繼器相連，首尾相接構成一個閉合環。

在環狀網絡拓撲結構中，結點發出的信息在環內單向流動，沿途到達每個結點時信號都被放大并繼續向下傳送，直至到達目的結點或回到發送結點時才被從環上移去。任何結點要與其他結點通信，必須通過環路向一個方向發送數據，由其他結點接受數據并給出響應，否則繼續傳遞數據，直到源結點，源結點收回數據，停止繼續發送，如圖1-12所示。

優點

● 電纜長度短：環狀拓撲所需電纜長度和總線拓撲相似。

● 傳輸速率高：環狀網絡是單方向傳輸，非常適合采用光纖，傳輸速率高。

● 實時性高：由于傳輸時間固定，非常適用于對數據傳輸要求較高的場合。

● 可靠性高：由于存在旁路電路，某個結點發生故障可以自動旁路，此時加入與移出結點都不會引起停機。

● 路由選擇短：由于兩結點之間只有唯一一條通路，大大簡化了路徑選擇的時間。

缺點

● 診斷故障困難：因為某一故障可能會使全網不工作，因此難于診斷故障，需要對每個結點都進行檢測。

● 結點故障會引起全網故障：數據傳輸是通過在環上的每一個結點，如果環中某一結點出故障將會引起全網故障。

● 重新配置網絡不易：要擴充環的配置比較困難，同樣要關掉一部分已接入網絡的結點也不容易。

● 傳輸效率低：由于信號以串行方式通過多個結點的環路接口，因此，當結點較多時，傳輸效率將大打折扣，網絡響應時間也會無限變長。

星狀網絡拓撲結構

星狀網絡是目前應用最多的一種局域網類型。星狀網絡拓撲結構中，每個結點都通過自己的分支鏈路與網絡中心結點（交換機）相連。網絡中每一個結點發出的數據信息都經中央結點中轉，再轉發給其他結點。在廣播式星狀網絡中，交換機將信息發送給其他所有結點，在交換式星狀網絡中，交換機只將信息發送給指定結點。

在星狀網絡拓撲結構中，每一個網絡設備都能獨立訪問介質，共享或使用各自的帶寬進行通信。網絡的訪問采用集中式控制策略。目前一般用交換機充當中心結點，用雙絞線作分支鏈路構成星狀網絡。中央結點接受各個分散結點的信息，負擔很大，而且還必須具有中繼交換和數據處理的能力，其他結點的負擔較小，因此中央結點相當復雜，是整個網絡的傳輸核心，如圖1-13所示。

優點

● 重新配置簡單：中央結點有一批集中點，可方便地提供服務和網絡重新配置。

● 故障隔離容易：每個連接口只接入一臺終端，該終端發生故障只影響到本身，不會影響全網。

● 集中控制：由于每個結點直接連接到中央結點，因此方便實現集中控制，也方便將有故障的結點從系統中剔除。

● 訪問協議簡單：任何一個連接只涉及到中央結點和另一個結點，因此，控制介質訪問的方法很簡單，致使訪問協議也十分簡單。

缺點

● 擴展困難：要增加新的結點，就要增加中央結點的連接，這需要在初始安裝時，放置有大量冗余的電纜與配置更多的連接口。

● 依賴于中央結點：中央結點一旦發生故障，則全網將會癱瘓，對中央結點的可靠性和冗余度要求非常高。

● 費用高：因為每個結點直接和中央結點相連，需要大量的電纜和電纜管道，維護、安裝等問題會較多，費用相當可觀。

樹狀網絡拓撲結構

樹狀網絡拓撲結構屬于一種分層結構，是星狀結構的擴展，是從總線拓撲演變過來的，可看成在總線網絡加上分支形成的，每個分支又延伸出子分支，是一種多級星狀結構。這種拓撲結構特別適用于分級管理和集中控制的網絡。

在一個校園內組建校園網絡時可采用這種結構，其中，每個樓層內通過接入層交換機以星狀網絡連接各辦公室內的計算機，形成小局域網，再向上集中連接到該樓幢內的匯聚交換機上，最后各樓幢中的匯聚交換機向上連接到網絡中心機房的核心交換機上，如圖1-14所示。

優點

● 易于擴展：本身這種結構就是其他網絡拓撲的延伸，因此這種結構可以延伸出很多分支和子分支，新的結點和新的分支非常容易加入到網絡內。

● 故障隔離方便：如果某一分支的結點或線路發生故障，很容易將這個分支和整個系統隔離開來。

● 網絡層次清楚：由于結點按層次進行連接，網絡層次較容易理順，信息交換主要在上、下結點之間進行。

缺點

● 依賴于根結點：如果根發生故障，將導致全網不能正常工作，因此要求根結點有較高的可靠性和冗余性。

● 時延大：由于數據在傳輸過程中要經過多條鏈路，因此時延相對較大。

網狀網絡拓撲結構

網狀網絡拓撲結構又稱為無規則型結構。物理網狀拓撲結構要求任意兩個結點之間都設置鏈路，這在實際網絡中是不可能的，從節省費用的角度出發，通常是根據實際需要在兩個結點間設置直通鏈路。任意兩個結點都設置鏈路才為真正的網狀拓撲結構，而根據實際需要設置直通鏈路的則為混合網狀拓撲結構。

目前實際存在和使用的廣域網、多個局域網互聯基本上就采用網狀拓撲結構，如圖1-15所示。

優點

● 系統可靠性高：由于網絡中每個結點都有冗余鏈路，可靠性高。

● 容錯性能好：由于是混合型網狀結構，鏈路呈無規則設置，有多條路徑，可以優選最佳路徑，改善流量分配，提高網絡性能。

● 便于故障診斷：任意結點的移出不會影響其他鏈路，通信信道容量能得到保證，故障診斷容易。

缺點

● 結構復雜：從結構上可以看出，由于網絡鏈路設置路徑較多，路徑選擇也比較復雜，不易管理與維護。

● 線路費用高：需要的傳輸電纜多，成本相對較高，同時維護費用高，一般僅適用于大型廣域網絡。

安裝和配置較為不便：每個結點都有幾條鏈路，安裝和配置都較復雜。