教學課件-計算機網(wǎng)絡應用教程(吳小均)

第1章緒論

1.1計算機網(wǎng)絡的形成與發(fā)展1.2計算機網(wǎng)絡的分類1.3計算機網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)

1.4本章小結(jié)

1.1計算機網(wǎng)絡的形成與發(fā)展

1.1.1早期分組交換原理的產(chǎn)生和發(fā)展計算機網(wǎng)絡發(fā)展的第一個階段，即早期分組交換原理的產(chǎn)生和發(fā)展階段，從時間上大致可以劃分為1961—1972年。這一階段的主要工作是研究分組交換(packetswitching)的基本概念和主要技術(shù)。在20世紀60年代初期，電話網(wǎng)絡(telephonenetwork)是世界上主要的通信網(wǎng)絡。電話網(wǎng)絡傳輸?shù)氖钦Z音(voice)信息，假定在發(fā)送端與接收端之間以相對恒定的速率傳輸語音信息，電話網(wǎng)絡采用電路交換(circuitswitching)的方式將信息從發(fā)送端傳輸?shù)浇邮斩?。采用電路交換技術(shù)完成數(shù)據(jù)傳輸要經(jīng)歷電路建立、數(shù)據(jù)傳輸、電路拆除三個過程。數(shù)據(jù)傳輸期間，在發(fā)送端和接收端之間要建立和維持一條利用若干中間結(jié)點構(gòu)成的專用物理連接線路，直到數(shù)據(jù)傳輸結(jié)束。在這一時期，計算機的作用和影響力日益增強，特別是分時計算機(time-sharingcomputer)系統(tǒng)的出現(xiàn)迫使人們考慮是否能夠以及如何將計算機互聯(lián)起來，使分布在不同地域的用戶可以共享這些計算機。與前面提到的語音信息不同，互聯(lián)起來的計算機用戶之間的通信活動通常是突發(fā)的(bursty)，通信活動時有時無，斷斷續(xù)續(xù)。例如，一個用戶向某遠程計算機發(fā)送一條命令之后隨即進入等待應答的狀態(tài)，或者對接收到的應答進行相應的處理。針對互聯(lián)計算機通信的通信活動呈現(xiàn)突發(fā)狀態(tài)這一特點，三個不同的研究團隊開始研究電路交換的替代技術(shù)。這三個團隊分別是美國麻省理工學院(MIT)的LeonardKleinrock、蘭德公司(Rand)的PaulBaran以及英國國家物理實驗室(NationalPhysicalLaboratory，NPL)的DonaldDavies和RogerScantlebury。他們在互相不知道對方研究內(nèi)容的情況下各自展開了研究工作。這三個團隊的研究成果就是分組交換技術(shù)。分組交換是電路交換的替代技術(shù)，它比電路交換更加有效，并且具有更強的健壯性。在這三組研究人員中，最先發(fā)表關(guān)于分組交換技術(shù)的研究成果的是LeonardKleinrock，當時他還是麻省理工學院的一名研究生。LeonardKleinrock在其發(fā)表的研究論文中以排隊論為理論依據(jù)很好地證明了分組交換方法對突發(fā)通信的有效性。這三個團隊所提出的分組交換的概念、原理和主要技術(shù)為今天的Internet奠定了理論基礎(chǔ)。在這一階段，具有里程碑式的驗證性計算機網(wǎng)絡是著名的ARPAnet。前蘇聯(lián)在1957年發(fā)射了人類歷史上第一顆人造地球衛(wèi)星Sputnik，美國對其潛在的軍事用途深感擔憂，因而組建了旨在重新樹立美國在軍事科技研究和應用方面領(lǐng)導地位的ARPA(AdvancedResearchProjectsAgency，美國國防部高級研究項目局)。而在20世紀60年代主持ARPA計算機科學研究項目的是LeonardKleinrock在麻省理工學院的兩位同事—J.C.R.Licklider和LawrenceRoberts。在1967年，LawrenceRoberts發(fā)表了ARPAnet的總體設(shè)計方案。

ARPAnet是有史以來第一個基于分組交換原理的計算機網(wǎng)絡，也是現(xiàn)在Internet的鼻祖。在ARPAnet中，每個結(jié)點包含一臺主機(host)和一臺接口消息處理機(InterfaceMessageProcessor，IMP)。主機與IMP之間用很短的線路連接，安放在同一房間內(nèi)。用戶操作主機，主機主要負責與用戶交互，而IMP主要負責網(wǎng)絡通信。IMP本質(zhì)上是一臺小型機(minicomputer)。當時的IMP體形龐大，有一人多高。IMP與IMP之間用傳輸速率為56kb/s的傳輸線路互相連接。歷史上第一臺IMP于1969年在LeonardKleinrock的指導下安裝在加州大學洛杉磯分校(UCLA)，之后不久又有三臺IMP陸續(xù)安裝到了斯坦福研究所(StanfordResearchInstitute，SRI)、加州大學圣塔芭芭拉分校(UCSantaBarbara)和猶他大學(UniversityofUtah)。到1969年年底的時候，這個試驗性的ARPAnet(現(xiàn)代Internet的前身)發(fā)展到具有四個結(jié)點的規(guī)模，如圖1.1所示。圖中的長方形框代表主機，框內(nèi)標明主機的型號，例如當時安裝在UCLA的主機是一臺Sigma7大型機，而SRI的主機是一臺SDS-940型大型機。圖中的橢圓形框代表IMP，框內(nèi)標明IMP所在地以及接入ARPAnet的順序，例如在UCLA安裝完第一臺IMP一個月之后，第二臺IMP安裝到了SRI。圖1.1僅有四個結(jié)點的ARPAnet結(jié)構(gòu)圖實際上，人類歷史上第一次使用計算機網(wǎng)絡進行通信的經(jīng)歷并不成功。在第二臺IMP安裝到SRI之后，人們把SDS-940大型機作為主機與該IMP連接到一起，并且由一名研究生編寫了主機與IMP之間的接口程序。一切準備就緒，人們迫不及待地開始了人類歷史上第一次使用計算機網(wǎng)絡進行互連通信的嘗試。當時的想法是嘗試從UCLA結(jié)點向SRI結(jié)點進行一次簡單的遠程登錄(remotelogin)。首先，UCLA的一名叫做CharlieKlein的本科生向SRI結(jié)點發(fā)出信息“你們收到L了嗎？”，從SRI結(jié)點傳來回答“是的”；接著，UCLA結(jié)點向SRI結(jié)點發(fā)出信息“你們收到O了嗎？”，從SRI結(jié)點傳來回答“是的”。一切看似正常。但就在這時，當CharlieKlein按照預定的順序(L-O-G-I-N)向SRI結(jié)點發(fā)出“你們收到G了嗎？”的信息時，這個“G”字符剛剛輸入，不幸的事情發(fā)生了，整個網(wǎng)絡崩潰了。到1972年的時候，ARPAnet已經(jīng)發(fā)展到將近15個結(jié)點。RobertKahn在1972年的國際計算機通信會議上首次對ARPAnet進行了公開演示。隨著第一批IMP不斷接入到ARPAnet，越來越多的人開始嘗試在ARPAnet上做各種各樣的實驗，進而開發(fā)某種應用。例如，最初被授權(quán)制造IMP的BBN公司的工程師RayTomlinson于1972年寫出了歷史上第一個電子郵件(email)程序，這個程序可以說是現(xiàn)在各種email程序的鼻祖。最初，RayTomlinson只是通過給自己發(fā)送電子郵件來測試其程序，至于程序本身則對外保密。但是沒過多久這個秘密不脛而走，email應用深受網(wǎng)絡用戶的喜愛。因為在此之前，人們相互之間發(fā)送消息(或郵件)僅限于在同一臺分時計算機上進行，而email是在ARPAnet上的不同計算機之間收發(fā)郵件，這和以往的應用模式有著本質(zhì)區(qū)別，開辟了嶄新的應用前景。于是，email很快風靡整個ARPAnet。根據(jù)Kleinrock的報告，在當時的ARPAnet中，email占用的網(wǎng)絡傳輸容量遠遠超過其他任何網(wǎng)絡應用。1.1.2網(wǎng)絡互連和專用網(wǎng)絡迅速發(fā)展計算機網(wǎng)絡發(fā)展的第二個階段，即網(wǎng)絡互連和專用網(wǎng)絡迅速發(fā)展階段，從時間上可以劃分為1972—1980年。在最初的ARPAnet出現(xiàn)之后，世界各地的研究者紛紛開始研究和構(gòu)建各自的分組交換網(wǎng)絡。從20世紀70年代初到70年代中期，各式各樣的專用分組交換網(wǎng)絡應運而生：ALOHAnet是一個連接夏威夷群島上多所大學的微波通信網(wǎng)絡；Telenet是BBN公司基于ARPAnet的技術(shù)構(gòu)建的一個商業(yè)用途的分組交換網(wǎng)絡；Transpac是一個法國的分組交換網(wǎng)絡；還有Tymnet，等等。這些專用的分組交換網(wǎng)絡的數(shù)量開始迅速增長。1973年，RobertMetcalfe的博士論文奠定了以太網(wǎng)(Ethernet)的理論基礎(chǔ)，在此之后，短距離傳輸?shù)木钟蚓W(wǎng)(LocalAreaNetwork，LAN)得到了迅猛發(fā)展，網(wǎng)絡數(shù)量飛速增長。隨著網(wǎng)絡數(shù)量的高速增長，如何將多個網(wǎng)絡互連起來成為這一時期計算機網(wǎng)絡研究的主要問題。在美國國防部高級研究項目局的資助下，VintonCerf和RobertKahn在網(wǎng)絡互連方面做出了開創(chuàng)性的工作。他們研究的核心問題是：如何構(gòu)建一個能夠包含多個互連網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)，換言之，如何構(gòu)建連接多個網(wǎng)絡的網(wǎng)絡。事實上，當時人們還專門創(chuàng)造出了“internetting”這個詞來描述網(wǎng)絡互連。他們研究的主要成果就是今天看到的Internet的三個核心網(wǎng)絡協(xié)議：TCP、UDP和IP。經(jīng)過研究和實驗，他們在20世紀70年代末從概念上確立了這三個關(guān)鍵性的網(wǎng)絡協(xié)議。在這一階段，除了VintonCerf和RobertKahn，許多其他的研究者也開展了網(wǎng)絡互連的研究工作。例如，NormanAbramson開發(fā)了ALOHAnet，這是一個基于分組的無線電網(wǎng)絡，它將分布在夏威夷群島上的多個遠程結(jié)點互連起來，使其可以相互通信。作為ALOHAnet核心的ALOHA協(xié)議是有史以來第一個多路訪問協(xié)議(multiple-accessprotocol)，該協(xié)議允許多個分布在不同地域的用戶共享同一廣播式的通信介質(zhì)。此外，許多公司也研究開發(fā)了各種專用網(wǎng)絡協(xié)議。

DEC公司于1975年發(fā)布了DECnet的第一版，在該網(wǎng)絡中，兩臺PDP-11小型機可以相互通信。在此之后DECnet不斷發(fā)展完善，后來ISO推出的OSI網(wǎng)絡協(xié)議相當大的部分來源于在DECnet中研究與驗證的概念和想法。同樣是在上世紀70年代，Xerox公司推出了XNS體系結(jié)構(gòu)，IBM公司推出了SNA體系結(jié)構(gòu)。這些不同的研究者和公司針對網(wǎng)絡互連的早期研究工作都對后來80年代和90年代計算機網(wǎng)絡互連的發(fā)展起到了推動作用。1.1.3網(wǎng)絡的迅速增長計算機網(wǎng)絡發(fā)展的第三階段，即網(wǎng)絡的迅速增長階段，從時間上可以劃分為1980—1990年。20世紀70年代末，ARPAnet的規(guī)模僅僅約為200臺主機，而到80年代末，連接到公共Internet(許許多多網(wǎng)絡相互連成的一個大型網(wǎng)絡聯(lián)合體)上的主機數(shù)已經(jīng)增至10萬臺。因此，20世紀80年代是網(wǎng)絡規(guī)模急劇增大的一個時期。網(wǎng)絡快速發(fā)展主要來源于幾個獨立的網(wǎng)絡互連項目，這些項目的目的是構(gòu)建計算機網(wǎng)絡將不同的大學互相連接起來。這些項目分別是BITnet、CSnet和NSFnet。BITnet(其縮寫最初含義為BecauseIt’sThereNetwork，后來演化為BecauseIt’sTimeNetwork)是由紐約市立大學(CityUniversityofNewYork，CUNY)的IraFuchs和耶魯大學(YaleUniversity)的GreydonFreeman建立的一個協(xié)作式大學網(wǎng)絡。BITnet主要為美國東北部的大學提供電子郵件和文件傳輸?shù)染W(wǎng)絡服務。該網(wǎng)絡的第一條網(wǎng)絡線路于1981年連接了CUNY和Yale兩所大學。CSnet(ComputerScienceNetwork，計算機科學網(wǎng))主要是為了將那些無法訪問ARPAnet的大學研究人員互連起來。NSFnet構(gòu)建于1986年，該網(wǎng)絡的主要目的是提供對NSF所資助的超級計算中心的訪問。NSFnet最初的主干網(wǎng)絡速度僅為56kb/s，而到20世紀80年代末其主干網(wǎng)絡速度達到1.5Mb/s，并且成為連接區(qū)域性網(wǎng)絡的主要支撐網(wǎng)絡。與此同時，ARPAnet領(lǐng)域也成果顯著，許多構(gòu)成今天Internet體系結(jié)構(gòu)的基本要素都逐漸成形。1983年1月1日，TCP/IP協(xié)議替代原來的NCP協(xié)議，正式成為ARPAnet的新的標準主機協(xié)議。從NCP協(xié)議過渡到TCP/IP協(xié)議，對于ARPAnet而言(進而對現(xiàn)在的Internet而言)，是具有劃時代意義的事件。在那一天，ARPAnet網(wǎng)絡中所有的主機都必須從原先的NCP協(xié)議轉(zhuǎn)換成TCP/IP協(xié)議。DNS(DomainNameSystem，域名系統(tǒng))也于這一時期建立起來。DNS的功能是將人所易于理解和記憶的Internet地址名稱映射為純數(shù)字形式的32位IP地址。在這一階段，除了上述主要是美國人研究的BITnet、CSnet、NSFnet和ARPAnet等網(wǎng)絡之外，其他國家也對計算機網(wǎng)絡進行了研究，比較有代表性的是法國的Minitel項目。20世紀80年代初期法國啟動了Minitel項目，計劃將數(shù)據(jù)網(wǎng)絡帶進每個家庭。該項目由法國政府資助，Minitel系統(tǒng)包括一個公共分組交換網(wǎng)絡(基于X.25協(xié)議族，采用虛電路技術(shù))、Minitel服務器以及價格便宜的帶有內(nèi)置低速調(diào)制解調(diào)器的終端機。1984年，法國政府給每個需要的家庭配備了一臺免費的Minitel終端機，這使Minitel項目獲得了極大的成功。在其巔峰時期，即20世紀90年代中期，Minitel網(wǎng)絡提供從家庭銀行服務到專業(yè)研究數(shù)據(jù)庫等超過兩萬種不同的服務。超過20%的法國家庭使用該網(wǎng)絡，每年產(chǎn)生超過10億美元的經(jīng)濟收入，并且創(chuàng)造出1萬個工作崗位。在大多數(shù)美國人聽說Internet之前10年，很多法國家庭就已經(jīng)在使用Minitel網(wǎng)絡了。目前Minitel網(wǎng)絡在法國仍廣為使用，但是也逐漸受到來自Internet的競爭壓力。1.1.4網(wǎng)絡商業(yè)化和萬維網(wǎng)計算機網(wǎng)絡發(fā)展的第四階段，即網(wǎng)絡商業(yè)化和萬維網(wǎng)階段，從時間上劃分為20世紀90年代至今。在這一時期，Internet繼續(xù)向前發(fā)展，并且很快進入商業(yè)化階段。這一時期發(fā)生了兩件標志性的事件。其一，現(xiàn)代Internet的始祖ARPAnet正式停止運行。隨著越來越多的商業(yè)Internet服務提供商的出現(xiàn)，計算機網(wǎng)絡逐漸從最初的ARPAnet過渡到Internet時代。其二，萬維網(wǎng)(WorldWideWeb，WWW)的出現(xiàn)。萬維網(wǎng)把Internet帶進全球千百萬個家庭和企業(yè)。同時，萬維網(wǎng)還為成百上千種新的網(wǎng)絡服務提供了平臺。從在線股票交易到網(wǎng)上銀行，從流媒體傳輸服務到在線信息檢索等，這些前所未有的新的網(wǎng)絡服務極大地改變了人們的工作和生活方式。在1989—1991年之間，CERN(歐洲核子研究組織，原名稱為法語，英文名稱為EuropeanOrganizationforNuclearResearch)的英國人TimeBerners-Lee，在20世紀40年代VannevarBush提出的基于關(guān)聯(lián)關(guān)系的信息存儲理論系統(tǒng)以及后來TedNelson

和DouglasEnglebart等人關(guān)于超文本(hypertext)技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，發(fā)明了萬維網(wǎng)。因為CERN是一個非常大的國際組織，包含了許許多多分布在全球各地的研究人員，因此，剛從牛津大學畢業(yè)的TimeBerners-Lee在CERN做臨時軟件顧問期間，寫了一個供其個人使用的叫做Enquire的程序，他將此程序稱為“替代記憶”(memorysubstitute)，用來幫他記住CERN實驗室的各種人員和項目之間的關(guān)系。后來，他考慮在此基礎(chǔ)上創(chuàng)建一個全球范圍的信息空間，將存儲在全球各地的計算機上的信息聯(lián)接起來，可以供全球任何地方的任何人訪問使用。

TimeBerners-Lee給他的上司寫了一份技術(shù)報告，名為“信息管理：研究提案”(InformationManagement:AProposal)，上司在他的這份報告上批注道“不甚明確，但令人激動”。此后，TimeBerners-Lee和他的同事們相繼研究和開發(fā)了最初版本的HTML、HTTP、Web服務器和Web瀏覽器，而這些正是萬維網(wǎng)的四個核心技術(shù)。到1992年年末，全球共有大約200個Web服務器，這些服務器只是即將到來的萬維網(wǎng)熱潮的冰山一角。隨著GUI瀏覽器的推出，例如Mosaic和Netscape瀏覽器，越來越多的人開始使用Web瀏覽器上網(wǎng)，大大小小的公司開始構(gòu)建和運行其Web服務器并且進行網(wǎng)絡商務活動。在1996年，軟件巨頭微軟公司開始大舉進入萬維網(wǎng)領(lǐng)域。除了萬維網(wǎng)的發(fā)展，在20世紀90年代計算機網(wǎng)絡的研究和開發(fā)工作還在其他領(lǐng)域取得了顯著的進展，如高速路由器和路由算法研究、局域網(wǎng)技術(shù)研究、實時數(shù)據(jù)傳輸服務研究以及網(wǎng)絡安全和網(wǎng)絡管理等。1.2計算機網(wǎng)絡的分類

1.2.1根據(jù)計算機網(wǎng)絡所使用的傳輸技術(shù)分類計算機網(wǎng)絡所采用的傳輸技術(shù)是網(wǎng)絡的主要技術(shù)特性，因此根據(jù)網(wǎng)絡所采用的傳輸技術(shù)對計算機網(wǎng)絡進行分類是最常見也是最重要的一種分類方法。一般而言，計算機網(wǎng)絡中的通信信道有兩類：廣播式(broadcast)通信信道和點到點式(point-to-point)通信信道。廣播式通信信道的特點是多個結(jié)點共享同一個公共的通信線路，一個結(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，多個結(jié)點可以同時接收該數(shù)據(jù)，即所謂的一發(fā)多收。而對于點到點式通信信道而言，一條通信線路只能連接一對結(jié)點。在由點到點式通信信道構(gòu)成的計算機網(wǎng)絡中，數(shù)據(jù)從源結(jié)點到目的結(jié)點可能要經(jīng)過一個或多個中間結(jié)點的中轉(zhuǎn)。相比之下，對于由廣播式通信信道構(gòu)成的計算機網(wǎng)絡，由于通信信道由網(wǎng)絡中所有的結(jié)點共享，因此，任何一個結(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)包，其他結(jié)點都可以接收，無需中間結(jié)點。根據(jù)計算機網(wǎng)絡中通信信道的兩種不同類型，計算機網(wǎng)絡所采用的傳輸技術(shù)分為廣播式和點到點式兩種。相應地，計算機網(wǎng)絡也可以分為兩類：廣播式網(wǎng)絡(broadcastnetwork)和點到點式網(wǎng)絡(point-to-pointnetwork)。

1.廣播式網(wǎng)絡在廣播式網(wǎng)絡中，每一個數(shù)據(jù)包中都含有一個地址字段，標明該數(shù)據(jù)包的接收者，即目的地址。當一個結(jié)點接收到一個數(shù)據(jù)包之后，首先檢查該數(shù)據(jù)包的目的地址字段。如果這個結(jié)點就是此數(shù)據(jù)包的目的結(jié)點，該結(jié)點對此數(shù)據(jù)包進行相應的處理；如果此數(shù)據(jù)包是發(fā)給其他結(jié)點的，該結(jié)點則忽略此數(shù)據(jù)包，將其丟棄。廣播式網(wǎng)絡中的通信模式好似在候機大廳里廣播找人的情形。許多人都聽到該廣播找人的消息，但是只有被找的那個人才對這一消息產(chǎn)生反應并做出進一步處理，而其他人則忽略該消息。除了上述的單一目的地址方式之外，廣播式網(wǎng)絡還允許其他形式的定址方式。可以在數(shù)據(jù)包的目的地址字段設(shè)定某個特殊的代碼，含有這個特殊代碼的數(shù)據(jù)包發(fā)出之后，該廣播式網(wǎng)絡中所有的結(jié)點都會接收并處理該數(shù)據(jù)包，這種操作模式稱為廣播(broadcasting)。此外，有的廣播式網(wǎng)絡還支持將數(shù)據(jù)包發(fā)送給該網(wǎng)絡中的部分結(jié)點，即該廣播式網(wǎng)絡中所有結(jié)點的某個子集，這種工作模式稱為多播(multicasting)。

2.點到點式網(wǎng)絡在點到點式網(wǎng)絡中，由于每條通信線路只連接一對結(jié)點，結(jié)點之間的通信只有兩種情況：如果兩個結(jié)點之間存在一條直接連接的通信線路，則直接進行數(shù)據(jù)通信；如果兩個結(jié)點之間不存在直接連接的通信線路，則必須經(jīng)過一個或多個中間結(jié)點進行數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)。對于中間結(jié)點而言，它可以對數(shù)據(jù)包進行的處理只有三種：接收、存儲和轉(zhuǎn)發(fā)。對于點到點式網(wǎng)絡，通常在源結(jié)點到目的結(jié)點之間可能會存在多條數(shù)據(jù)通路，而且各條數(shù)據(jù)通路的長度及其他傳輸性能各有不同。因此，如何在多種可能的數(shù)據(jù)通路當中選擇好的路線對點到點式網(wǎng)絡非常重要，路由選擇算法主要研究此類問題。與廣播式網(wǎng)絡不同，采用分組存儲轉(zhuǎn)發(fā)機制和路由選擇算法是點到點式網(wǎng)絡的兩個主要技術(shù)特點，也是點到點式網(wǎng)絡和廣播式網(wǎng)絡的重要區(qū)別。由于點到點式網(wǎng)絡中的通信線路只連接一對結(jié)點，因此數(shù)據(jù)傳輸僅在單個源結(jié)點和單個目的結(jié)點之間進行，這種工作模式也被稱為單播(unicasting)。1.2.2根據(jù)計算機網(wǎng)絡覆蓋的地理范圍和規(guī)模分類另外一種網(wǎng)絡分類方法是按照網(wǎng)絡所覆蓋的范圍和規(guī)模來分類。在這種分類方法中，由于計算機網(wǎng)絡在不同的距離往往采用不同的技術(shù)，因此，距離是一個很重要的分類度量依據(jù)。表1.1列出了按照處理器之間的物理距離和整個系統(tǒng)的尺度規(guī)模來劃分的多處理器系統(tǒng)的分類。表1.1按照規(guī)模劃分的多處理器系統(tǒng)的分類

1.個域網(wǎng)(PAN)個域網(wǎng)(PersonalAreaNetwork，PAN)是一個較新的概念，目前有多種翻譯，如“個人網(wǎng)”、“個人局域網(wǎng)”。本書認為，按照傳統(tǒng)的局域網(wǎng)、城域網(wǎng)、廣域網(wǎng)的翻譯習慣，譯為“個域網(wǎng)”更加系統(tǒng)連貫，便于理解和記憶。個域網(wǎng)顧名思義是為單個人使用而構(gòu)建的網(wǎng)絡，它是指由個人范圍內(nèi)(隨身攜帶或數(shù)米之內(nèi))的計算設(shè)備(例如計算機、電話、PDA、數(shù)碼相機等等)組成的通信網(wǎng)絡，個域網(wǎng)既可用于這些設(shè)備之間相互交換數(shù)據(jù)，也可用于連接到高層網(wǎng)絡或互聯(lián)網(wǎng)。個域網(wǎng)可以廣泛應用于各種公共場所，例如家庭、辦公室、汽車內(nèi)等等。個域網(wǎng)可以是有線的，例如USB或者Firewire(IEEE1394)總線；也可以是無線的，例如紅外或藍牙。個域網(wǎng)的核心是實現(xiàn)個人信息終端的智能化互聯(lián)，組建個人化的信息網(wǎng)絡。個域網(wǎng)能夠使各種互聯(lián)的設(shè)備在個人范圍內(nèi)相互通信。一個簡單的個域網(wǎng)的例子是連接一臺計算機及其外部設(shè)備的無線網(wǎng)絡。幾乎每一臺計算機都有顯示器、鍵盤、鼠標和打印機等外部設(shè)備，如果不用無線連接技術(shù)的話，這些外部設(shè)備必須用各種線纜與計算機連接。對于許多新的計算機用戶而言，找到各種外部設(shè)備的正確的連接線纜并將其插入正確的計算機接口往往非常麻煩，并且容易出錯。為了幫助這些用戶，一些公司共同設(shè)計了一個叫做藍牙(Bluetooth)的短距離范圍內(nèi)的無線網(wǎng)絡，通過這種藍牙網(wǎng)絡技術(shù)將各種外部設(shè)備連接到計算機上，無需線纜。也就是說，如果某設(shè)備支持藍牙，那就無需線纜。用戶所需要做的僅僅是把這種支持藍牙的設(shè)備放在計算機附近，打開該設(shè)備的電源，隨即該設(shè)備和計算機就自動互連并一起工作了。對大多數(shù)用戶而言，這種易操作性當然是一大優(yōu)點。藍牙網(wǎng)絡最簡單的工作模式是如圖1.2所示的主從模式。在圖1.2所示的主從模式的藍牙個域網(wǎng)中，計算機通常是該系統(tǒng)中的主(master)，而其他的外部設(shè)備，例如圖中的鼠標、鍵盤、打印機等是系統(tǒng)中的從(slave)。在個域網(wǎng)中，由主告知從所使用的地址、進行廣播通信的時間、傳輸數(shù)據(jù)的時間長度、數(shù)據(jù)通信采用的頻段等信息。藍牙個域網(wǎng)亦可應用于許多其他的情景，例如將耳麥與手機進行無線連接，或者將個人數(shù)字音樂播放器與汽車音響進行無線連接等。此外，藍牙技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域也有很多潛在的應用，例如助聽器、植入患者體內(nèi)的心臟起搏器等嵌入式醫(yī)療設(shè)備就是另外一種個域網(wǎng)。￥圖1.2藍牙個域網(wǎng)的主從式工作模式

2.局域網(wǎng)(LAN)

比個域網(wǎng)規(guī)模更大一些的是局域網(wǎng)(LocalAreaNetwork，LAN)。局域網(wǎng)通常是一個私有的網(wǎng)絡，其覆蓋范圍常常限于一棟樓宇之內(nèi)或在其附近，例如一個家庭、一個辦公室或一個工廠。局域網(wǎng)被廣泛用于連接個人電腦和個人消費電子設(shè)備，使其能夠共享資源(如打印機)以及交換信息。從網(wǎng)絡所采用的傳輸技術(shù)上分，局域網(wǎng)可分為無線局域網(wǎng)(wirelessLAN)和有線局域網(wǎng)(wiredLAN)兩類。目前無線局域網(wǎng)非常流行，特別適合于家庭、舊廠房、餐廳等不便于鋪設(shè)網(wǎng)線的環(huán)境。在無線局域網(wǎng)中，每臺計算機都有一個無線調(diào)制解調(diào)器和一個天線，計算機使用它們與網(wǎng)絡中其他的計算機進行通信。在大多數(shù)情況下，無線局域網(wǎng)中的每臺計算機都和網(wǎng)絡中的一個設(shè)備進行通信，如圖1.3所示。該設(shè)備就是接入點(AccessPoint，AP)，也稱為無線路由器，或稱為基站(basestation)。接入點的功能是在無線局域網(wǎng)內(nèi)的計算機之間以及無線局域網(wǎng)內(nèi)的計算機與Internet之間進行數(shù)據(jù)分組的中繼。當然，如果與無線局域網(wǎng)內(nèi)其他的計算機距離足夠近的話，計算機之間也可以對等方式直接相互通信。圖1.3無線局域網(wǎng)(IEEE802.11)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖目前，國際上廣泛使用的無線局域網(wǎng)的標準是由IEEE制定的IEEE802.11標準。通常人們也把該標準稱為WiFi(WirelessFidelity)。事實上，WiFi是一個無線網(wǎng)絡通信技術(shù)的品牌，由WiFi聯(lián)盟(WiFiAlliance)所持有，它是一種可以將個人電腦、各種手持設(shè)備(如PDA、手機)等終端以無線方式互相連接的技術(shù)，其目的是改善基于IEEE802.11標準的無線網(wǎng)絡產(chǎn)品之間的互通性。但是，現(xiàn)在人們常常把WiFi和IEEE802.11等同起來。目前，遵循IEEE802.11標準的無線局域網(wǎng)的網(wǎng)速從幾十兆位每秒(1Mb/s?=?1000000b/s)到幾百兆位每秒不等。相對于無線局域網(wǎng)，有線局域網(wǎng)采用了許多不同的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。大多數(shù)有線局域網(wǎng)使用銅質(zhì)線纜進行數(shù)據(jù)傳輸，也有一些有線局域網(wǎng)使用光纖進行數(shù)據(jù)傳輸。局域網(wǎng)的覆蓋范圍和規(guī)模都是有限的，這意味著網(wǎng)絡在最差情況下的傳輸時間是有上限的，也是預先可知的，了解這些傳輸時間的上限對于設(shè)計相應的網(wǎng)絡協(xié)議很有幫助。有線局域網(wǎng)的網(wǎng)速較高，通常在100Mb/s～1Gb/s(1Gb/s?=?1000000000b/s)之間，有些新型的有線局域網(wǎng)的網(wǎng)速可以達到10Gb/s；網(wǎng)絡延遲較低，通常為微秒或納秒級；可靠性較高，傳輸差錯非常少。由此可見，相對于無線局域網(wǎng)，有線局域網(wǎng)在網(wǎng)速、傳輸遲延、傳輸可靠性等方面均具有更高的性能表現(xiàn)。換言之，通過銅質(zhì)線纜或光纖傳輸信號比通過空氣傳輸信號要更加容易。許多有線局域網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)都是由點到點式的連接構(gòu)成的。例如，IEEE802.3標準所規(guī)定的局域網(wǎng)，即通常所稱的以太網(wǎng)(Ethernet)，就是最常用的一種有線局域網(wǎng)。圖1.4給出了一個典型的交換式以太網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)，其中每臺計算機都使用Ethernet協(xié)議并通過點到點方式連接到一臺交換機(switch)上。正是由于交換機在此類網(wǎng)絡中的樞紐作用，常把這種以太網(wǎng)稱為交換式以太網(wǎng)。一臺交換機有多個端口(port)，每個端口可以連接一臺計算機。交換機的職責就是在連接到該交換機的各個計算機之間進行數(shù)據(jù)分組的中繼。在此過程中，交換機根據(jù)數(shù)據(jù)分組中的地址信息來決定將該數(shù)據(jù)分組發(fā)送給哪一臺計算機。圖1.4交換式以太網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)示意圖由于單個交換機的端口數(shù)量是有限的，因此由單個交換機組成的局域網(wǎng)的規(guī)模受到端口數(shù)的限制。為了組建更大規(guī)模的局域網(wǎng)，可以采用多個交換機級聯(lián)的方式，就是將多個交換機通過其端口互相連接起來，從而有效地擴大局域網(wǎng)覆蓋的范圍與規(guī)模。相反，也可以把一個規(guī)模較大的物理上的單個局域網(wǎng)劃分成兩個或者多個規(guī)模較小的邏輯上的小局域網(wǎng)。這樣的劃分有什么作用和意義呢？現(xiàn)實生活中，網(wǎng)絡設(shè)備的分布情況與使用該網(wǎng)絡的單位的組織結(jié)構(gòu)并不匹配。例如某公司的研發(fā)部和市場部的計算機由于位于同一層樓或相距較近而同處于一個物理上的局域網(wǎng)內(nèi)。但是，從管理和業(yè)務處理的角度，最好能將這兩個不同的部門劃分開，使每個部門都有邏輯上的自己的局域網(wǎng)，這樣的網(wǎng)絡稱為虛擬局域網(wǎng)(VirtualLAN，VLAN)。在虛擬局域網(wǎng)中，每個端口都被標上某種顏色，例如綠色端口代表研發(fā)部的計算機，而紅色端口代表市場部的計算機。有了這種機制，交換機在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)分組的時候就可以把與綠色端口相連的計算機和與紅色端口相連的計算機區(qū)分開來。從而由紅色端口發(fā)出的廣播分組數(shù)據(jù)不會被與綠色端口相連的計算機接收。從整體效果上看，好像這個公司的研發(fā)部和市場部分別有兩個各自獨立的局域網(wǎng)一樣。除了圖1.4所示的交換式以太網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)之外，有線局域網(wǎng)還有其他的拓撲結(jié)構(gòu)形式。事實上，交換式以太網(wǎng)是最初以太網(wǎng)設(shè)計的一個現(xiàn)代版本。最初設(shè)計的以太網(wǎng)是將所有的分組在單一的線形線纜上進行廣播傳輸。在整個網(wǎng)絡中，任何時刻最多只能有一臺計算機成功地進行數(shù)據(jù)傳輸，遇到?jīng)_突的時候采用一種分布式仲裁機制來解決沖突。以太網(wǎng)采用的算法非常簡單，只要數(shù)據(jù)線為空閑計算機即可傳輸數(shù)據(jù)。一旦發(fā)生沖突，即兩個或多個分組碰巧要同時進行傳輸，發(fā)生沖突的每一臺計算機必須停止當前的數(shù)據(jù)發(fā)送活動，等待一段隨機長度的時間之后再嘗試重新發(fā)送數(shù)據(jù)。對于廣播式的局域網(wǎng)，無論是無線局域網(wǎng)還是有線局域網(wǎng)，都可以根據(jù)如何分配通信信道分為靜態(tài)分配策略和動態(tài)分配策略兩類。典型的靜態(tài)分配策略通常將時間劃分為離散的時間片，并采用輪轉(zhuǎn)算法(Round-RobinAlgorithm)進行信道分配，即只允許分配給自己的時間片到來的計算機使用通信信道進行數(shù)據(jù)廣播。靜態(tài)分配策略的缺點很明顯，當網(wǎng)絡中存在空閑結(jié)點時，信道利用率會顯著降低。當分配的時間片到來時，該空閑計算機沒有數(shù)據(jù)發(fā)送，從而浪費了整個時間片，導致系統(tǒng)整體的信道利用率下降。由于靜態(tài)信道分配策略不可避免地具有上述信道利用率低的缺點，多數(shù)廣播式網(wǎng)絡采用動態(tài)信道分配策略。動態(tài)信道分配方法分為集中式和非集中式兩種。對于集中式動態(tài)信道分配方法，系統(tǒng)中有一個單獨的實體，如手機網(wǎng)絡中的基站，該實體負責決定接下來該由哪一個結(jié)點使用通信信道進行數(shù)據(jù)傳輸。例如，該實體在接收到多個分組后，根據(jù)某種內(nèi)部預先設(shè)計好的算法給不同的分組賦予不同的優(yōu)先級，通過分組優(yōu)先級的高低來分配信道。與此相對，對于非集中式動態(tài)信道分配方法，系統(tǒng)中不存在上述的中心結(jié)點。系統(tǒng)中的每一個結(jié)點必須自己決定發(fā)送數(shù)據(jù)與否，人們設(shè)計了許多算法來保證采用非集中式動態(tài)信道分配機制的網(wǎng)絡不陷入人自為戰(zhàn)的沖突和混亂局面。

3.城域網(wǎng)(MAN)比局域網(wǎng)規(guī)模更大一些的是城域網(wǎng)(MetropolitanAreaNetwork，MAN)，其規(guī)模通常是覆蓋一個城市。城域網(wǎng)最好的例子就是現(xiàn)在許多城市都有的有線電視網(wǎng)絡。有線電視網(wǎng)絡起源于早期的社區(qū)電視天線系統(tǒng)，當時由于許多區(qū)域電視信號接收效果不佳，往往在附近地勢相對較高的地方(如山頂)架設(shè)一個很大的電視天線，由它把電視信號傳送到周邊的家庭中。最初，這些社區(qū)電視天線系統(tǒng)都是一些基于本地設(shè)計的定制系統(tǒng)。后來，大型商業(yè)企業(yè)進入有線電視領(lǐng)域，和地方政府簽訂合同，承包將整個城市的電視接收系統(tǒng)連成網(wǎng)絡。隨之而來的是電視節(jié)目的飛速發(fā)展，甚至出現(xiàn)了完全為有線電視而制作的電視節(jié)目頻道。通常，這些頻道都是非常專業(yè)化的，比如新聞頻道、體育頻道、烹飪頻道、園藝頻道等等。但是，這些頻道從其誕生到20世紀90年代末，都是僅為有線電視網(wǎng)絡而設(shè)計和制作的。隨著Internet的迅猛發(fā)展，越來越多的觀眾轉(zhuǎn)向Internet的各種服務。此時，有線電視運營商們意識到他們可以對有線電視系統(tǒng)進行一些改動，使用部分空閑的頻段來提供雙向的Internet服務。從此，有線電視網(wǎng)絡開始從單一的電視信號傳播系統(tǒng)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)在的城域網(wǎng)。換言之，現(xiàn)在的有線電視網(wǎng)絡所傳播的既有電視信號也有Internet內(nèi)容。有線電視網(wǎng)絡并不是唯一的城域網(wǎng)。隨著高速無線Internet訪問技術(shù)的研究和發(fā)展，出現(xiàn)了另一種稱為WiMAX(WorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess)的城域網(wǎng)，它采用IEEE制定的IEEE802.16標準，因此WiMAX也被稱為802.16無線城域網(wǎng)或簡稱為802.16。WiMAX是一項新興的寬帶無線接入技術(shù)，能提供面向Internet的高速連接。WiMAX的技術(shù)起點高，采用了代表未來通信技術(shù)發(fā)展方向的許多先進技術(shù)，具有許多技術(shù)優(yōu)勢。首先，WiMAX能夠?qū)崿F(xiàn)更遠的傳輸距離，WiMAX能實現(xiàn)50km的無線信號傳輸，這是無線局域網(wǎng)所不能比擬的。

WiMAX網(wǎng)絡覆蓋面積是3G發(fā)射塔的10倍，因此，只要建設(shè)少數(shù)基站就能夠?qū)崿F(xiàn)全城覆蓋，使無線網(wǎng)絡應用的范圍得到極大的擴展。其次，WiMAX可提供更高速的寬帶接入。WiMAX所能提供的最高接入速度約為70Mb/s，這個速度是3G發(fā)射塔所能提供寬帶速度的30倍。對無線網(wǎng)絡而言，這是一個非常大的進步。除此之外，WiMAX還具有QoS(QualityofService，服務質(zhì)量)保障、傳輸速率高、業(yè)務豐富多樣等優(yōu)點。

4.廣域網(wǎng)(WAN)比城域網(wǎng)覆蓋范圍更廣，規(guī)模更大的是廣域網(wǎng)(WideAreaNetwork，WAN)，通?？梢愿采w一個國家或者一個洲。與局域網(wǎng)一樣，廣域網(wǎng)也分為有線廣域網(wǎng)和無線廣域網(wǎng)兩類。

圖1.5給出了一個有線廣域網(wǎng)的例子，它表示一個集團公司在全國三個不同城市的分公司所構(gòu)成的計算機網(wǎng)絡。這些分公司的計算機網(wǎng)絡通過有線的通信線路連接，整個集團公司的計算機網(wǎng)絡覆蓋全國范圍，是一個典型的有線廣域網(wǎng)。每個分公司網(wǎng)絡內(nèi)的計算機都可用于運行各種面向用戶的應用程序，這些計算機稱為主機(host)。在該有線廣域網(wǎng)中除了主機之外的用于連接這些主機的部分統(tǒng)稱為通信子網(wǎng)(communicationsubnet)，簡稱子網(wǎng)(subnet)。通信子網(wǎng)的任務是在主機和主機之間傳輸數(shù)據(jù)信息，就像電話網(wǎng)絡系統(tǒng)在撥叫方和接聽方之間傳輸語音信息一樣。圖1.5有線廣域網(wǎng)示例對于大多數(shù)的廣域網(wǎng)而言，通信子網(wǎng)主要包括兩種元素：傳輸線路和交換設(shè)備。傳輸線路的功能是在計算機之間傳輸比特流。廣域網(wǎng)可以使用的傳輸線路包括銅芯線纜、光纖以及無線電通信信道。對于大多數(shù)使用廣域網(wǎng)的公司而言，自身并不擁有專有的鋪設(shè)好的傳輸線路，它們通常從專業(yè)的電信公司那里租用傳輸線路。交換設(shè)備(或簡稱為交換機)實際上是用于連接兩條或多條傳輸線路的專用計算機。當數(shù)據(jù)從一條傳輸線路傳入時，交換設(shè)備必須選擇一條傳輸線路將該數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)出去。這些用于數(shù)據(jù)交換的專用計算機在過去有各種各樣的稱謂，現(xiàn)在統(tǒng)稱為路由器(router)。對圖1.5所示的有線廣域網(wǎng)而言，通信子網(wǎng)是指把分組從源主機傳輸?shù)侥康闹鳈C所經(jīng)過的所有路由器和通信線路的集合，即圖中用虛線標出的灰色區(qū)域。從上述的有線廣域網(wǎng)的例子來看，可能會覺得廣域網(wǎng)看上去與局域網(wǎng)區(qū)別不大。有線廣域網(wǎng)似乎只是連接線路更長一些，好像就是一個更大規(guī)模的有線局域網(wǎng)而已。事實上，廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)之間有著本質(zhì)的區(qū)別。首先，廣域網(wǎng)中的主機和通信子網(wǎng)由不同的用戶擁有，并且由不同的人操作。在圖1.5所示的廣域網(wǎng)中，各個分公司的員工負責各自計算機(主機)的使用，而公司的網(wǎng)絡管理部門負責除主機之外的整個網(wǎng)絡(通信子網(wǎng))的運轉(zhuǎn)。在主機和通信子網(wǎng)之間有著清晰的界限。事實上，對大多數(shù)廣域網(wǎng)而言，網(wǎng)絡運營商和電信公司通常是廣域網(wǎng)通信子網(wǎng)的實際操作者。將網(wǎng)絡的純通信層面的問題(通信子網(wǎng))和網(wǎng)絡用戶應用層面的問題(主機)劃分開，這極大地簡化了整個網(wǎng)絡的設(shè)計。其次，廣域網(wǎng)中的路由器通常用于連接不同類型的網(wǎng)絡。而在一個局域網(wǎng)內(nèi)，往往使用的是同一種網(wǎng)絡技術(shù)。最后，連接到通信子網(wǎng)上的對象也是局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)的一個重要區(qū)別。對局域網(wǎng)而言，連入通信子網(wǎng)的是單個的計算機；而對廣域網(wǎng)而言，連入通信子網(wǎng)的可能是整個網(wǎng)絡。將多個規(guī)模較小的網(wǎng)絡通過通信子網(wǎng)互相連接起來是構(gòu)建大型網(wǎng)絡的基本方法。但是對于通信子網(wǎng)本身而言，無論接入其中的是單個計算機還是整個網(wǎng)絡，它所做的工作都是一樣的。大多數(shù)的廣域網(wǎng)都包含多條傳輸線路，每條傳輸線路的兩端連接著一對路由器。如果兩個路由器之間要相互通信，而它們之間并沒有直接的傳輸線路連接，則必須通過其他的路由器進行間接通信。廣域網(wǎng)內(nèi)的兩個路由器之間往往存在多個連通的路徑，對于整個網(wǎng)絡而言，必須決定從一個路由器到另一個路由器采用哪條路徑，計算這些路徑的算法稱為路由算法(routingalgorithm)。目前有很多成熟的路由算法，這些算法大體上分為兩類：全局式路由算法(globalroutingalgorithm)和非集中式路由算法(decentralizedroutingalgorithm)。全局式路由算法也稱為鏈路狀態(tài)算法(linkstatealgorithm)，其特點是路由計算是在一個結(jié)點上進行的，為了計算出從源結(jié)點到目的結(jié)點之間代價最小的路徑，此結(jié)點必須具有并使用有關(guān)該網(wǎng)絡的完整的全局信息。與全局式路由算法相對，非集中式路由算法采用一種迭代的分布式方法計算從源結(jié)點到目的結(jié)點之間代價最小的路徑。在非集中式路由算法中，沒有結(jié)點具有整個網(wǎng)絡所有鏈路的完整信息。最初，每個結(jié)點只具有與其直接相連的那些鏈路的代價信息。通過一系列迭代計算過程以及與相鄰結(jié)點之間交換信息，結(jié)點逐步計算出到達一個或一組目的結(jié)點的最小代價路徑。無論是哪一類，路由算法的核心目標都非常簡單：對于給定的一組路由器以及連接這些路由器的傳輸鏈路，路由算法應該能夠找出從源結(jié)點到達目的結(jié)點的好的路徑。這里所說的好的路徑通常是指代價最小的路徑。對于路由器而言，如何決定將其收到的分組發(fā)送給哪個后續(xù)結(jié)點的問題稱為轉(zhuǎn)發(fā)算法(forwardingalgorithm)，對轉(zhuǎn)發(fā)算法的研究也頗多。除了上述有線廣域網(wǎng)之外，還有采用無線傳輸技術(shù)的無線廣域網(wǎng)。例如在衛(wèi)星通信網(wǎng)絡系統(tǒng)中，每個地面計算機都配有一個天線，計算機通過此天線向在軌衛(wèi)星發(fā)送數(shù)據(jù)，并從在軌衛(wèi)星接收數(shù)據(jù)。在該衛(wèi)星通信網(wǎng)絡系統(tǒng)中的每一臺地面計算機都能夠接收到在軌衛(wèi)星所發(fā)出的輸出數(shù)據(jù)，在某些情況下，甚至還可以接收到其他地面計算機發(fā)送給在軌衛(wèi)星的上行傳輸數(shù)據(jù)。衛(wèi)星通信網(wǎng)絡從本質(zhì)上講采用的是廣播式工作模式，對于廣播式應用非常有用。蜂窩式移動電話網(wǎng)絡是另一種使用無線傳輸技術(shù)的廣域網(wǎng)。這種無線廣域網(wǎng)已經(jīng)過三代發(fā)展的演進，現(xiàn)在迎來了第四代的發(fā)展浪潮。第一代蜂窩式移動電話網(wǎng)絡是模擬的，僅支持話音傳輸。第二代轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字的，但仍僅支持話音傳輸。第三代亦是數(shù)字的，除話音之外還支持數(shù)據(jù)傳輸。每個基站覆蓋的地理范圍遠遠超過無線局域網(wǎng)的覆蓋范圍，其覆蓋半徑是以“千米”作為單位，而不是以“米”來衡量?；局g通過骨干網(wǎng)絡相互連接，而此骨干網(wǎng)絡通常是有線的。蜂窩式移動電話網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸速率通常在1Mb/s的量級，遠遠低于無線局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率，無線局域網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸速率往往能夠達到100Mb/s的量級。

5.互聯(lián)網(wǎng)絡(Internetwork)

世界上有很多網(wǎng)絡，這些網(wǎng)絡常常具有不同的硬件和軟件。連在一個網(wǎng)絡之中的用戶往往需要和連在另一個網(wǎng)絡里的用戶進行通信。為了滿足這一需求，需要將不同的網(wǎng)絡，有時甚至是互不兼容的網(wǎng)絡互連起來?；ハ噙B接起來的若干網(wǎng)絡的集合稱為互聯(lián)網(wǎng)絡，或網(wǎng)際網(wǎng)(internet)。在這里，互聯(lián)網(wǎng)絡和網(wǎng)際網(wǎng)是一個廣義的概念，有別于平時所特指的全球范圍的Internet。通常把Internet稱為互聯(lián)網(wǎng)，首字母必須大寫。事實上，Internet只是一個特定的互聯(lián)網(wǎng)絡或網(wǎng)際網(wǎng)而已。

上面提到了三個關(guān)于網(wǎng)絡的概念——通信子網(wǎng)、網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)絡，這三個詞字面比較相近，含義往往容易混淆。下面分別解釋并區(qū)分一下這三個不同的概念。首先，“通信子網(wǎng)”通常是在廣域網(wǎng)范疇內(nèi)的一個概念。在廣域網(wǎng)中，通信子網(wǎng)是指網(wǎng)絡運營者所擁有的路由器和傳輸線路的集合。例如，在電話網(wǎng)絡中，電話交換站之間由高速傳輸線路連接起來，而電話交換站與家庭及企業(yè)用戶之間通過低速傳輸線路連接起來。所有這些傳輸線路和設(shè)備都由電話公司所擁有，它們構(gòu)成了電話系統(tǒng)的通信子網(wǎng)。而家庭和企業(yè)用戶的電話機(類似于廣域網(wǎng)里的主機)并不屬于通信子網(wǎng)。其次，“網(wǎng)絡”是一個綜合概念，它包括通信子網(wǎng)和所有主機。在日常生活中，人們對網(wǎng)絡一詞的使用往往十分隨意。有時把一個通信子網(wǎng)也叫做網(wǎng)絡，有時把一個互聯(lián)網(wǎng)絡也稱為網(wǎng)絡。一個比較簡單，也比較規(guī)范的對網(wǎng)絡這個概念的定義是：網(wǎng)絡是采用同一種技術(shù)互連起來的計算機的集合。最后，“互聯(lián)網(wǎng)絡”是指由不同的網(wǎng)絡相互連接構(gòu)成的網(wǎng)際網(wǎng)。構(gòu)建互聯(lián)網(wǎng)絡有兩個常見的途徑：將一個局域網(wǎng)連入一個廣域網(wǎng)，或者連接兩個相鄰的局域網(wǎng)。判斷一個網(wǎng)絡是否是互聯(lián)網(wǎng)絡有以下兩個參考標準。第一，如果不同的組織或機構(gòu)在構(gòu)建網(wǎng)絡時各自支付各自部分的費用并且各自維護和使用自己那一部分的網(wǎng)絡，這樣的網(wǎng)絡應該屬于互聯(lián)網(wǎng)絡，而不是單獨的網(wǎng)絡。第二，如果一個網(wǎng)絡中的不同部分采用不同的網(wǎng)絡技術(shù)(例如網(wǎng)絡內(nèi)的一部分采用廣播式傳輸技術(shù)，而另一部分采用點到點式傳輸技術(shù)；或者網(wǎng)絡里部分使用有線通信，而另一部分使用無線通信)，這樣的網(wǎng)絡也應該稱為互聯(lián)網(wǎng)絡。在分析并區(qū)分了通信子網(wǎng)、網(wǎng)絡和互聯(lián)網(wǎng)絡這三個概念之后，接下來的問題是用什么連接兩個不同的網(wǎng)絡，從而構(gòu)建一個互聯(lián)網(wǎng)絡。構(gòu)建互聯(lián)網(wǎng)絡的計算機稱為網(wǎng)關(guān)(gateway)，它是一個含義較廣的概念，是指能夠連接兩個或多個不同的計算機網(wǎng)絡，并且在這些不同的網(wǎng)絡之間提供必要的硬件和軟件層面的轉(zhuǎn)換與翻譯功能的計算機。網(wǎng)關(guān)是一個統(tǒng)稱，泛指所有滿足上述定義的網(wǎng)絡連接設(shè)備。在不同的網(wǎng)絡協(xié)議層次上，網(wǎng)關(guān)有不同的表現(xiàn)形式和特定的稱謂。關(guān)于網(wǎng)絡協(xié)議層次的概念以及不同層次上具體的網(wǎng)關(guān)的稱謂和功能將在本書后續(xù)的章節(jié)中詳細介紹。在這里不妨這樣考慮：網(wǎng)絡協(xié)議層次越高則越靠近用戶和應用，例如各種Web應用；網(wǎng)絡協(xié)議層次越低則越靠近物理的傳輸鏈路，例如以太網(wǎng)。在構(gòu)建互聯(lián)網(wǎng)絡時，進行互連的層次很重要，既不能太低，也不能太高。網(wǎng)關(guān)進行互連的層次太低會影響兩個不同類型網(wǎng)絡的相互連接。反過來，如果網(wǎng)關(guān)進行互連的層次太高將只能使某些特定的上層應用得到互連。顯然，最適合進行不同網(wǎng)絡互連的層次應該是網(wǎng)絡協(xié)議層次結(jié)構(gòu)中居中的層次，這一層就是網(wǎng)絡層(networklayer)。而在網(wǎng)絡層進行不同網(wǎng)絡之間互連的計算機就是路由器。換言之，路由器是在網(wǎng)絡層上工作的一種網(wǎng)關(guān)，它負責在不同的網(wǎng)絡之間交換數(shù)據(jù)分組。1.3計算機網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)1.3.1計算機網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的概念拓撲學(topology)是從應用數(shù)學中的圖論演變過來的一個分支，它通過把現(xiàn)實世界中的物理實體抽象成點，將物理實體之間的連接線路抽象成線，進而研究這些點、線、面之間的相互關(guān)系。計算機網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)是指計算機網(wǎng)絡中各種組成元素(例如計算機結(jié)點、網(wǎng)絡連接設(shè)備、連接線路等)之間相互連接所采用的布局模式。計算機網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)分為物理拓撲結(jié)構(gòu)和邏輯拓撲結(jié)構(gòu)兩類。物理拓撲結(jié)構(gòu)是指計算機網(wǎng)絡的物理設(shè)計，包括計算機結(jié)點、網(wǎng)絡連接設(shè)備、連接線路及其位置和安裝方式等。與物理拓撲結(jié)構(gòu)不同，邏輯拓撲結(jié)構(gòu)是指數(shù)據(jù)如何在計算機網(wǎng)絡中傳輸流動，邏輯拓撲結(jié)構(gòu)不關(guān)心計算機網(wǎng)絡的物理設(shè)計。

計算機網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)可以理解為計算機網(wǎng)絡的形狀或結(jié)構(gòu)。但這個形狀和結(jié)構(gòu)并不一定與計算機網(wǎng)絡結(jié)點與設(shè)備的物理設(shè)計相一致。例如，家庭計算機網(wǎng)絡中計算機的布局可能是一個圓形，但這并不意味著此網(wǎng)絡就一定是環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)。任何一個特定的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)都僅由網(wǎng)絡各結(jié)點之間物理與邏輯連接的具體配置的圖形映射來決定。計算機網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的研究以圖論的研究成果作為理論基礎(chǔ)進行分析。兩個計算機網(wǎng)絡可能在許多方面都不相同，例如結(jié)點之間的距離不同、結(jié)點之間的物理連接方式不同、數(shù)據(jù)傳輸速率不同、傳輸信號類型不同，但是經(jīng)過拓撲學的抽象，二者的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)可能完全一樣。局域網(wǎng)就是一個既有物理拓撲結(jié)構(gòu)又有邏輯拓撲結(jié)構(gòu)的例子。局域網(wǎng)中的任何一個結(jié)點都有一個或多個與網(wǎng)內(nèi)其他結(jié)點的連接線路，這些連接線路和結(jié)點經(jīng)過圖形映射生成一個包含若干點、線、面的圖，這個圖所表示的幾何形狀可以用來描述該網(wǎng)絡的物理拓撲結(jié)構(gòu)。同樣，該計算機網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)流的圖形映射也生成一個抽象為幾何形狀的圖，該圖決定了網(wǎng)絡的邏輯拓撲結(jié)構(gòu)。值得注意的是，一個計算機網(wǎng)絡的物理拓撲結(jié)構(gòu)與其邏輯拓撲結(jié)構(gòu)有可能相同，也可能不同。1.3.2常見的計算機網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)計算機網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)有很多，常見的有總線型、環(huán)型、星型、樹型與網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。下面分別介紹這五種常見的計算機網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。

1.總線型(Bus)拓撲結(jié)構(gòu)圖1.6總線型計算機網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)總線型計算機網(wǎng)絡采用一個公共的主干信道連接網(wǎng)絡內(nèi)的所有結(jié)點和設(shè)備，這條公共的主干信道稱為總線。這里的“總線”和計算機內(nèi)部的系統(tǒng)總線是兩個不同的概念，不可混淆。這條公共的主干信道，通常是一條傳輸線纜，是所有接入該網(wǎng)絡的結(jié)點和設(shè)備所共享的通信介質(zhì)。一個結(jié)點若要與網(wǎng)絡上的其他結(jié)點進行通信，首先要向此總線發(fā)送廣播消息，之后，網(wǎng)絡內(nèi)所有其他結(jié)點都可以看到該廣播消息。但是，只有該消息的接收者真正接收并處理該消息，其他結(jié)點則忽略這個廣播消息，不做任何處理?？偩€型計算機網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖1.6所示。

圖1.6總線型計算機網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)以太網(wǎng)技術(shù)中的10Base-2和10Base-5網(wǎng)絡是兩種非常流行的局域網(wǎng)技術(shù)，它們就采用總線型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)?？偩€型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)、便于管理和維護。但是，總線型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的缺點也很明顯，它適用于網(wǎng)絡結(jié)點比較少的應用環(huán)境。隨著網(wǎng)絡結(jié)點數(shù)大量增加，例如向網(wǎng)絡總線上同時增加幾十臺計算機，總線型網(wǎng)絡的性能很可能急劇下降。另外，總線型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)存在系統(tǒng)可靠性瓶頸，一旦系統(tǒng)中作為公共主干信道的總線出現(xiàn)故障，整個網(wǎng)絡將無法正常工作。

2.環(huán)型(Ring)拓撲結(jié)構(gòu)在環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)的計算機網(wǎng)絡中，所有結(jié)點首尾相連，構(gòu)成一個閉合回路。每個結(jié)點有且僅有兩個相鄰的結(jié)點與之通信。網(wǎng)絡中所有的消息沿同一方向(順時針或逆時針)在網(wǎng)絡中傳播。環(huán)型計算機網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖1.7所示。圖1.7環(huán)型計算機網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)在局域網(wǎng)技術(shù)中，IEEE802.5標準所定義的令牌環(huán)(tokenring)網(wǎng)就是一種典型的環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)的計算機網(wǎng)絡。在令牌環(huán)網(wǎng)中，一個叫做令牌(token)的特殊控制幀在環(huán)中沿某一方向(順時針或逆時針)逐站傳遞，獲得該令牌的結(jié)點可以通過共享傳輸信道(即該環(huán))發(fā)送數(shù)據(jù)。和令牌一樣，數(shù)據(jù)幀也按某一方向(順時針或逆時針)在環(huán)網(wǎng)內(nèi)逐站傳輸。在同一個令牌環(huán)網(wǎng)內(nèi)，數(shù)據(jù)幀和令牌的傳輸方向相同。數(shù)據(jù)幀在環(huán)網(wǎng)內(nèi)的單向流動構(gòu)成了一個虛擬的廣播信道。數(shù)據(jù)幀通過這個虛擬的廣播信道在環(huán)網(wǎng)內(nèi)流動并且能夠到達任何一個處于該環(huán)網(wǎng)內(nèi)的目的結(jié)點。為了防止數(shù)據(jù)幀像令牌那樣無休止地在環(huán)網(wǎng)內(nèi)循環(huán)流動，必須由某個結(jié)點負責將其從環(huán)網(wǎng)上移除掉，通常有兩種方法：由發(fā)送數(shù)據(jù)幀的結(jié)點負責在該數(shù)據(jù)幀沿環(huán)網(wǎng)傳輸一周返回發(fā)送結(jié)點時將該數(shù)據(jù)幀移除，或者由接收該數(shù)據(jù)幀的目的結(jié)點在接收該數(shù)據(jù)幀之后將該數(shù)據(jù)幀從環(huán)網(wǎng)內(nèi)移除。環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)有以下幾個優(yōu)點：首先，在網(wǎng)絡負載較重的情況下環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡的整體性能優(yōu)于總線型拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡；其次，網(wǎng)絡中所有結(jié)點都是平等的，處于對等地位；另外，環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)很適合應用于光纖通信。環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)的缺點也很明顯。首先，環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)存在系統(tǒng)可靠性瓶頸，而且比總線型拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡更加嚴重。在環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)的計算機網(wǎng)絡中，每一個結(jié)點和每一條通信線路都是潛在的系統(tǒng)可靠性瓶頸。任何一個結(jié)點或者任何一條通信線路出現(xiàn)故障都會導致整個網(wǎng)絡無法正常工作。其次，環(huán)型網(wǎng)絡的維護較為復雜。相對于總線型網(wǎng)絡，向環(huán)網(wǎng)內(nèi)加入結(jié)點和從環(huán)網(wǎng)中撤消結(jié)點都比較復雜。因此，環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡不易擴展。另外，在正常負載情況下，環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡的性能低于總線型拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡。最后，環(huán)型拓撲結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡不易定位出故障的結(jié)點。

3.星型(star)拓撲結(jié)構(gòu)星型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的主要特點是網(wǎng)絡中所有的結(jié)點都和一個中心結(jié)點相連，網(wǎng)絡內(nèi)任何兩個結(jié)點之間的通信都必須經(jīng)過這個中心結(jié)點。許多家庭網(wǎng)絡采用星型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。星型網(wǎng)絡的中心結(jié)點可以是集線器(hub)，可以是交換機，還可以是路由器。星型計算機網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1.8所示。

圖1.8星型計算機網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)常見的星型網(wǎng)絡是由非屏蔽雙絞線(UnshieldedTwistedPair，UTP)和集線器組成的以太網(wǎng)，例如當今最流行的10Base-T和100Base-T網(wǎng)絡就采用的是星型拓撲結(jié)構(gòu)。星型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，易于進行網(wǎng)絡管理和維護。但是，星型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的缺點也很明顯。在星型拓撲結(jié)構(gòu)的計算機網(wǎng)絡中，中心結(jié)點占有舉足輕重的位置，中心結(jié)點是整個網(wǎng)絡系統(tǒng)的可靠性瓶頸，一旦中心結(jié)點出現(xiàn)故障，就可能會造成全網(wǎng)癱瘓。

4.樹型(tree)拓撲結(jié)構(gòu)樹型拓撲結(jié)構(gòu)也被稱為層級拓撲結(jié)構(gòu)(hierarchicaltopology)，從本質(zhì)上分析是星型拓撲結(jié)構(gòu)的一種變體，它將多個星型拓撲結(jié)構(gòu)集成在一個總線上。換言之，樹型拓撲結(jié)構(gòu)是星型拓撲結(jié)構(gòu)與總線型拓撲結(jié)構(gòu)的混合體。在最簡單的樹型拓撲結(jié)構(gòu)中，多個集線器設(shè)備與整個樹型網(wǎng)絡的總線直接相連，每個集線器是以它為頂級結(jié)點的子樹的根結(jié)點。在網(wǎng)絡可擴展性(scalability)方面，綜合了星型拓撲結(jié)構(gòu)與總線型拓撲結(jié)構(gòu)特點的樹型拓撲結(jié)構(gòu)有著明顯的優(yōu)勢，既克服了單純總線型拓撲結(jié)構(gòu)由于廣播式通信而引發(fā)的設(shè)備數(shù)量的限制，又擺脫了單純星型拓撲結(jié)構(gòu)對集線器連接點數(shù)量的限制。樹型計算機網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1.9所示。

由于融合了星型拓撲結(jié)構(gòu)和總線型拓撲結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，因此具有樹型拓撲結(jié)構(gòu)的計算機網(wǎng)絡很容易進行規(guī)模擴展，具有很高的可擴展性。在局域網(wǎng)中，為了克服單個集線器端口數(shù)的局限，往往采用多個集線器級聯(lián)的方式擴展網(wǎng)絡的規(guī)模，擴大網(wǎng)絡的覆蓋范圍，增加網(wǎng)絡連接的結(jié)點數(shù)，這種多集線器級聯(lián)構(gòu)成的網(wǎng)絡是典型的樹型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。

5.網(wǎng)狀(mesh)拓撲結(jié)構(gòu)在網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)中結(jié)點之間的連接沒有規(guī)律，兩個結(jié)點之間的連接是隨意的。網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)的核心概念是消息傳輸?shù)穆窂?，在網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)的計算機網(wǎng)絡中，消息從源結(jié)點到目的結(jié)點可以選擇多條可能的路徑。這與前述的幾種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)存在著本質(zhì)上的區(qū)別。例如，在環(huán)型網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)中，雖然存在兩條數(shù)據(jù)傳輸線路，即順時針方向的環(huán)路和逆時針方向的環(huán)路，但是對于某個確定的環(huán)型網(wǎng)絡，消息只能按照一個方向傳輸，要么沿順時針方向流動，要么沿逆時針方向流動，不存在多種可選的數(shù)據(jù)傳輸路徑。根據(jù)網(wǎng)絡內(nèi)結(jié)點之間連接的充分程度，網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)又可分為部分連接網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)和全連接網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)兩類。典型的部分連接網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)如圖1.10所示。圖1.11給出了一個具有五個結(jié)點的全連接網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)的示意圖。

圖1.10部分連接網(wǎng)狀計算機網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)示意圖圖1.11全連接網(wǎng)狀計算機網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)示意圖由于網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡內(nèi)的兩個結(jié)點之間提供了多條可選的通信路線，這極大地提高了整個網(wǎng)絡系統(tǒng)的可靠性(reliability)。例如，在圖1.10中，從源結(jié)點A到目的結(jié)點E之間存在兩條數(shù)據(jù)傳輸路徑：A-B-R-D-E與A-C-R-D-E。假定結(jié)點B在某時刻發(fā)生故障，從源結(jié)點A到目的結(jié)點E之間的通信可以放棄路徑1而采用路徑2繼續(xù)通信工作。相反，如果路徑2上的結(jié)點或者通信線路發(fā)生故障，從源結(jié)點A到目的結(jié)點E之間的通信可以轉(zhuǎn)而采用路徑1進行。多條冗余數(shù)據(jù)傳輸路徑的存在極大地提高了網(wǎng)狀計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)的傳輸可靠性。正是由于具有較高的系統(tǒng)可靠性，目前大多數(shù)實際使用中的廣域網(wǎng)都采用網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)，其中影響最大的就是Internet。在計算機網(wǎng)絡設(shè)計中，小規(guī)模的本地網(wǎng)絡(如局域網(wǎng))往往采用對稱的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，例如星型、總線型等；而規(guī)模較大的網(wǎng)絡(如廣域網(wǎng))通常采用非規(guī)則的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，例如部分連接網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)。值得注意的是，上述五種基本網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)可以相互組合，構(gòu)成多種更加復雜的混合型計算機網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。事實上，現(xiàn)實生活中規(guī)模較大的計算機網(wǎng)絡通常并不采用某種單一的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，而采用某種混合型的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)。1.3.3研究計算機網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的意義

計算機網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)是計算機網(wǎng)絡設(shè)計的一個重要方面。也許構(gòu)建一個家庭計算機網(wǎng)絡或者一個小型企業(yè)計算機網(wǎng)絡并不需要了解總線型拓撲結(jié)構(gòu)和星型拓撲結(jié)構(gòu)的區(qū)別，但是熟悉標準的計算機網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的知識有助于更好地了解一些非常重要的計算機網(wǎng)絡概念，如集線器、廣播、路由等。采用何種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)是計算機網(wǎng)絡設(shè)計的首要問題。網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的研究對于分析計算機網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)流量、網(wǎng)絡傳輸性能、網(wǎng)絡可靠性、網(wǎng)絡可擴展性、網(wǎng)絡的容錯性等方面都具有非常重要的影響。1.4本章小結(jié)本章主要講述了以下內(nèi)容：

(1)簡要回顧了計算機網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展歷史，介紹了計算機網(wǎng)絡發(fā)展所經(jīng)歷的四個主要階段。從第一階段分組交換原理的產(chǎn)生和發(fā)展到第二階段網(wǎng)絡互連和專用網(wǎng)絡的迅速發(fā)展，從第三階段網(wǎng)絡的高速發(fā)展期到第四階段網(wǎng)絡商業(yè)化與萬維網(wǎng)的出現(xiàn)和迅速普及，分別介紹了每個階段的主要研究內(nèi)容及核心技術(shù)，并通過介紹典型的人物、事件以及技術(shù)成果加深讀者對計算機網(wǎng)絡發(fā)展歷史的了解與認識。

(2)講述了計算機網(wǎng)絡的分類。首先，介紹了計算機網(wǎng)絡的分類方法。其次，根據(jù)計算機網(wǎng)絡所使用傳輸技術(shù)的不同分別介紹了廣播式網(wǎng)絡和點到點式網(wǎng)絡，分析了這兩種計算機網(wǎng)絡的結(jié)構(gòu)特點與主要功能。根據(jù)計算機網(wǎng)絡覆蓋的地理范圍和規(guī)模分別介紹了個域網(wǎng)、局域網(wǎng)、城域網(wǎng)、廣域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)絡等基本網(wǎng)絡類型，從基本概念、結(jié)構(gòu)特點、主要功能以及典型應用等方面進行了系統(tǒng)討論。

(3)討論了計算機網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)。首先，介紹了計算機網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的基本概念。其次，介紹了五種常見的計算機網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)(總線型、環(huán)型、星型、樹型以及網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的組成及結(jié)構(gòu)特點)，并分析了各自的優(yōu)缺點。最后，討論了研究計算機網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)的意義。第2章數(shù)據(jù)通信基礎(chǔ)2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念

2.2傳輸介質(zhì)及其主要特性2.3數(shù)字調(diào)制技術(shù)2.4差錯控制方法

2.5本章小結(jié)

2.1數(shù)據(jù)通信的基本概念

2.1.1信息、數(shù)據(jù)和信號

1.信息和數(shù)據(jù)的概念構(gòu)建計算機網(wǎng)絡的一個基本目的是使分布在不同地點的計算機之間能夠相互通信。通信是指分布在不同空間或時間域的結(jié)點之間相互交換信息(information)。在這里，信息的含義比較廣，包括多種常用的形式，例如語音、音頻、視頻、數(shù)據(jù)文件、網(wǎng)頁等?？臻g域中兩個結(jié)點之間通信的例子包括打電話、從家庭或辦公室的計算機訪問Internet、收看電視、收聽廣播等。時間域中兩個結(jié)點之間通信的例子包括訪問某種存儲介質(zhì)，如唱片、?CD、DVD、硬盤等。由于計算機內(nèi)部采用二進制數(shù)據(jù)表示方式，是一個純粹的數(shù)字世界。因此，為了在計算機網(wǎng)絡中傳輸信息，首先需要將信息轉(zhuǎn)換成二進制形式，這個過程稱為數(shù)據(jù)編碼。目前，最為流行的數(shù)據(jù)編碼標準是美國信息交換標準代碼(AmericanStandardCodeforInformationInterchange，ASCII)。ASCII碼是一種字符編碼方案，最初起源于英文字母表，用來表示計算機、通信設(shè)備以及其他設(shè)備中的文本數(shù)據(jù)。

ASCII碼采用7位二進制比特編碼，總共可以定義128個字符的編碼，包括95個可打印字符和33個不可打印的控制字符。完整的采用十六進制形式表示的ASCII碼表如表2.1所示。表2.1最左列的0～7代表ASCII碼的高三位(b6b5b4)；表頭第一行的0～F代表ASCII碼的低四位(b3b2b1b0)。一個字符的ASCII碼總共有七位：b6b5b4b3b2b1b0。本節(jié)采用(.)hex的形式表示十六進制數(shù)。

ASCII碼表中的95個可打印字符包括：數(shù)字、英文大小寫字母、基本標點符號、運算符號等。值得注意的是，在這些可打印字符中有些規(guī)律對于記憶ASCII碼表很有幫助。例如在ASCII碼表中，數(shù)字“0”的十六進制編碼為(30)hex，其二進制編碼為0110000，其ASCII碼值為48；小寫字母“a”的十六進制編碼為(61)hex，其二進制編碼為1100001，其ASCII碼值為97；大寫字母“A”的十六進制編碼為(41)hex，相應的二進制編碼為1000001，其ASCII碼值為65。由于在ASCII碼表中數(shù)字和字母的排列是順序排列的，因此知道“0”、“a”、“A”這三個字符的ASCII碼，就可以推算出全部數(shù)字和英文大小寫字母，總共62個字符的ASCII碼。表2.1完整的十六進制表示的ASCII碼表

ASCII碼表中的控制字符代表一些無法打印出來的信息，主要包括兩類：控制外部設(shè)備(如打印機、鍵盤等)的信息與表示數(shù)據(jù)傳輸過程中數(shù)據(jù)流的元信息(meta-information)。第一類控制字符的例子有：編碼為(08)hex的控制字符是BS，代表Backspace(退格鍵)；編碼為(0D)hex的控制字符是CR，代表CarriageReturn(回車鍵)；編碼為(1B)hex的控制字符是ESC，代表Escape(返回鍵)。在表2.1中，第二類控制字符的例子有：編碼為(02)hex的控制字符是STX，意為StartofText，表示文本的開始；編碼為(03)hex的控制字符是ETX，意為EndofText，表示文本的結(jié)束；編碼為(04)hex的控制字符是EOT，意為EndofTransmission，表示傳輸結(jié)束。目前，大多數(shù)控制字符已經(jīng)很少用到。例如，在某計算機網(wǎng)絡中如果結(jié)點A要給結(jié)點B發(fā)送“ComputerNetwork”(注意：Computer和Network都是首字母大寫，且兩個單詞之間有一個空格)文本，如果不考慮校驗位的話，由發(fā)送端結(jié)點A通過計算機網(wǎng)絡發(fā)給結(jié)點B的是經(jīng)過ASCII碼編碼的二進制比特序列：“1000011110111111011011110000111010111101001100101111001001000001001110110010111101001110111110111111100101101011”。?假定在該比特序列的傳輸過程中無差錯產(chǎn)生，在接收端結(jié)點B正確接收到了該二進制比特序列，則根據(jù)ASCII碼的編碼規(guī)則，可將接收到的數(shù)據(jù)解讀為“ComputerNetwork”，從而成功地完成一次結(jié)點A到結(jié)點B之間的數(shù)據(jù)通信。

通過上述的例子還可以看出信息和數(shù)據(jù)這兩個概念的區(qū)別。數(shù)據(jù)代表事物的定性或定量的屬性，其表現(xiàn)形式可以是數(shù)字、字符、符號，甚至圖形。數(shù)據(jù)是知識的最低層的抽象表示形式，是一種原始的輸入。單獨的數(shù)據(jù)本身不能表示任何意義，只有把相互獨立的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)并組織起來，才能使之傳達和表示某種意義，這種能夠表達某種意義的由若干數(shù)據(jù)構(gòu)成的集合稱為信息。換言之，信息是數(shù)據(jù)加工處理之后的結(jié)果，信息是從數(shù)據(jù)導出的知識。在上述的數(shù)據(jù)傳輸例子中，結(jié)點A給結(jié)點B發(fā)送的文本“ComputerNetwork”是信息，而在計算機網(wǎng)絡中實際傳輸?shù)亩M制比特流“1000011110111111011011110000111010111101001100101111001001000001001110110010111101001110111110111111100101101011”則是數(shù)據(jù)。值得指出的是，ASCII碼既是計算機內(nèi)部數(shù)據(jù)表示的編碼標準，同時又是計算機網(wǎng)絡內(nèi)結(jié)點之間數(shù)據(jù)通信的編碼標準?，F(xiàn)代的許多其他字符編碼方案都源于ASCII碼。

2.信號的概念計算機網(wǎng)絡技術(shù)是計算機技術(shù)與通信技術(shù)的一個交叉領(lǐng)域。計算機系統(tǒng)關(guān)注的是如何將信息轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)以及相應的轉(zhuǎn)換方法，例如將包含數(shù)字、字母、符號的文本信息通過ASCII碼編碼方案轉(zhuǎn)換為相應的二進制比特序列。通信系統(tǒng)則側(cè)重于研究如何通過各種傳輸介質(zhì)在不同的計算機之間傳輸經(jīng)過轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)，例如，如何在有線或無線的傳輸介質(zhì)上傳輸上述的二進制比特序列。廣義地講，信號是指能夠表示信息的數(shù)量變化或電脈沖。例如，電流的幅度、頻率、電壓、電流強度、電場強度、光線、聲音等都可以通過其變化作為表示信息的信號。從理論上講，信號分為離散時間信號(discrete-timesignal)和連續(xù)時間信號(continuous-timesignal)兩類。如果信號的值僅在一些離散的時間點上具有定義，則這種信號稱為離散時間信號。換言之，離散時間信號是從整數(shù)集合(或者整數(shù)集合的一個子集)到實數(shù)集合的一個函數(shù)映射。連續(xù)時間信號是指在某一時間間隔內(nèi)(通常是無限長的時間間隔)的所有時間點上都有定義的信號。在計算機網(wǎng)絡中，信號是指數(shù)據(jù)在計算機網(wǎng)絡通信信道的傳輸過程中的電信號表示形式，分為模擬信號(analogsignal)和數(shù)字信號(digitalsignal)兩種。模擬信號是指任何特征值隨時間連續(xù)變化的信號。模擬信號通常使用傳輸介質(zhì)的某種物理特性來傳達信號所表示的信息。在電子傳輸系統(tǒng)內(nèi)，最常用于信號傳輸?shù)慕橘|(zhì)特性是電壓，其次是頻率、電流、電荷等。傳統(tǒng)的電話系統(tǒng)就是采用模擬信號來傳輸語音信息的。典型的模擬信號如圖2.1所示。

圖2.1模擬信號波形示例模擬信號的主要優(yōu)點是具有非常高的清晰度，具有潛在的無限高的信號分辨率。相對于數(shù)字信號，模擬信號的信號密度更高。模擬信號的另一個優(yōu)點是對信號的處理更簡單，例如模擬信號可以直接由模擬設(shè)備進行處理。模擬信號的主要缺點是信號的噪聲(noise)問題。隨著信號在傳輸過程中的不斷復制與中繼，或者信號經(jīng)過遠距離傳輸，隨機噪聲不斷積累，最終變得非常嚴重。嚴重的噪聲會導致信號損失和變形，降低數(shù)據(jù)傳輸?shù)馁|(zhì)量。這些噪聲引發(fā)的信號差錯是無法恢復的，因為在放大信號的同時，噪聲、變形、干擾也被放大。盡管模擬信號具有比數(shù)字信號分辨率高的優(yōu)勢，但是信號噪聲帶來的負面影響遠遠超過這些優(yōu)點所帶來的好處。數(shù)字信號是一種表示一系列離散值的物理信號，例如比特流、經(jīng)過采樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換的數(shù)字化模擬信號。常見的數(shù)字信號形式是若干離散電壓值交替變換構(gòu)成的電脈沖序列。在計算機系統(tǒng)中，數(shù)字信號是指采用兩種電壓值的變化表示布爾值的兩種狀態(tài)(0和1)的波形。即使這種波形的載體是模擬的電壓形式，這種信號還是稱為數(shù)字信號，因為它們僅采用兩個離散值來表示數(shù)據(jù)。典型的數(shù)字信號如圖2.2所示。圖2.2數(shù)字信號波形示例相對于模擬信號，數(shù)字信號具有許多明顯的優(yōu)勢：數(shù)字信號更容易傳輸，數(shù)字信號的傳輸速率更高，數(shù)字信號具有更高的可靠性，數(shù)字傳輸?shù)男矢?，?shù)字信號傳輸過程中產(chǎn)生的差錯更少。但是，數(shù)字系統(tǒng)通常比完成同樣功能的模擬系統(tǒng)更加復雜，往往需要更高的帶寬。模擬信號和數(shù)字信號之間可以相互轉(zhuǎn)換，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的過程稱為調(diào)制