1.2 计算机网络的分类
计算机网络从不同角度可以有不同的分类方式，下面分别从覆盖范围、拓扑结构、传输介质、数据交换技术这几个角度对计算机网络进行分类介绍。
1.2.1 按覆盖范围不同分类
按照网络覆盖范围进行分类，计算机网络可以分为局域网、城域网和广域网3种。
1.局域网（Local Area Network，LAN）
局域网是指将有限地理范围内（如一个实验室、一幢大楼、一所校园）的计算机、终端及外部设备互相连接构成网络。局域网按照采用的技术、应用范围和协议标准的不同可以分为共享局域网与交换局域网。局域网技术发展迅速，应用日益广泛，是目前计算机网络中最活跃的领域之一。
局域网的主要特点如下。
● 网络私有性：LAN通常不对外提供公共服务，因此不仅安全保密性好，而且便于管理。例如，一所学校的LAN通常只对学校内人员提供服务。
● 分布范围小：LAN分布的范围较小，小的甚至只有家里的一个房间，较大的可能是一个公司的若干建筑楼。通常LAN的范围在10km以内，不限制在一个空间中。
● 组建简单：LAN组建非常方便，由于LAN只对某个单位或个人开放，因此网络结构相对简单，同时无需太多设备的投入，所需投资较少。LAN大多数采用的是较便宜的双绞线布线，并且分布范围较小，因此布线方式简单，易实现。
● 传输速度快、误码率低：目前的以太网局域网技术发展迅速，传输速率最快已经达到了10Gbit/s。这是局域网最大的优势，也是局域网在企业等领域应用广泛的原因。LAN的误码率较低，通常为10-11~10-8。
局域网的种类随着网络技术的发展不断变化。早期有IBM令牌网、光纤分布式数据接口（FDDI）网等，目前主要是以太网（Ethernet）和无线局域网（WLAN）等。
2.广域网（Wide Area Network，WAN）
广域网是规模最大的一种计算机网络，其网络覆盖范围可以从几十千米到几千千米，分布的地理范围非常广，例如，多个城市、多个国家，横跨几个洲，甚至全球范围，形成了远程网络。Internet是典型的广域网，提供最大范围的公共服务。
WAN的主要特点如下。
● 网络覆盖范围广：WAN所覆盖的范围非常大，可以覆盖几个城市或者整个国家，甚至覆盖全球。
● 网络成本高：由于网络的覆盖面积十分广，所需的设备很庞大，网络线路也很长，不仅搭建十分费劲，而且传输线路使用的媒介也多种多样，整个网络的铺设成本十分昂贵。
● 安全系数低，网络复杂：WAN网络线路长，而且WAN中通常使用的是公共的IP地址，因此网络的安全保密性能较差。同时，由于WAN连接了不同类型的多个远程网络，其网络结构十分复杂，网络类型也不尽相同，因此解决多个不同类型网络的互连问题对于WAN十分重要。
● 传输速率慢、误码率高：由于WAN传输距离远，又需要依靠公共传输网，所以误码率很高（一般为10-8~10-7），同时传输速率也较低。
3.城域网（Metropolitan Area Network，MAN）
城域网范围大小在局域网（LAN）和广域网（WAN）之间，其覆盖范围主要为10~100km，一般横跨一个城市或几个街区。MAN可以为一个或几个单位提供网络服务，一般用于提供公共服务，可以将多个局域网进行互连，而且目前很多MAN采用的是以太网技术，因此很多时候可以将MAN归入LAN中一同讨论。
局域网是计算机网络的研究热点，“地球村”是指将若干局域网通过广域通信网连接在一起的互连网络。
1.2.2 按拓扑结构不同分类
计算机网络的拓扑结构描述了网络中的传输介质与网络节点之间的连接方式，即线路的几何结构。计算机网络拓扑结构可以分为5种，即星形网络、树形网络、总线型网络、环形网络以及网状网络。
1.星形网络
星形网络通常是指一个中央节点和若干周围的用户节点组成的网络。中央节点可与周围的用户节点直接进行通信，而用户节点之间的通信则必须经由中央节点才可以完成。星形网络拓扑结构如图1-4所示。
中央节点通常可以分为两种，一种是功能强大的计算机。它既可以作为处理信息的独立计算机，又可以作为其他计算机实现信息交换的中间媒介。另一种中央节点并不是一台计算机，而是一台网络转接或交换设备。交换机（Switch）或集线器（Hub）均属于这一类中央节点。早期的星形网络采用的多是第一种类型，而现在的星形网络则大多采用第二种类型。
图1-4 星形网络拓扑结构
（1）星形网络的优点
● 传输效率高：每个节点单独占一条传输线路，避免了数据传送堵塞现象。总线型与环形网络在数据传送上的弱势就是线路问题。
● 可靠性高：星形网络拓扑结构中，每个分节点及相应接口的故障不会影响其他线路上的分节点，因而不会导致整个网络瘫痪，网络仍旧可以运行。同时，网络结构的故障检测和隔离较容易，使得网络易于维护和管理。
● 可扩展性高：由于网络结构采用单点对单线模式，网络配置更为灵活，添加、删除或修改一个分节点，不会影响其他节点。
（2）星形网络的缺点
● 星形网络采用的单点对单线模式大大增加了结构中线缆的使用量，网络结构的布线、安装都十分耗时耗力。
● 网络的可靠性十分依赖于中央节点。由于网络中只有一个中央节点（交换机或集线器），当中央节点选择不当或出现故障时，网络会出现瘫痪。
2.树形网络
树形网络是一种层次结构，可以看作是一种多级连接的星形网络，但这种多级的星形网络从上而下以三角形结构分布，形状犹如一棵树。树形网络拓扑结构如图1-5所示。树的顶端通常称为根节点（网络的核心层），最底端称为叶子节点（网络的边缘层，一般为网络用户节点），中间称为树枝节点（网络的汇聚层，完成数据的存储转发）。树形结构通常采用分级的集中控制方式，网络中的传输介质有多条分支，但是网络中不存在闭合的回路，并且网络中的每条通信线路都必须支持双向传输。
图1-5 树形网络拓扑结构
（1）树形网络的优点
● 易于扩展：树形网络可以延伸出许多的分支和子分支，因此新的节点和新的分支都很容易就加入原网络结构中。
● 故障排查容易：某一分支中的节点或其所在线路发生故障，很容易将该分支与整个系统隔离开来处理。
（2）树形网络的缺点
● 由于树形网络中的根节点在整个网络结构中的位置和作用至关重要，一旦根节点出现故障，整个网络将瘫痪。
● 由于树形网络拓扑结构可看作多级星形网络，因此树形网络的可靠性也和星形网络类似。
3.总线型网络
总线型网络是采用一条公共的总线作为整个网络的传输介质，网络中的每台计算机通过相应的硬件接口接到总线上，数据信息沿着总线，以广播方式进行传输。总线型网络拓扑结构如图1-6所示。目前流行的以太网采用的就是总线型网络拓扑结构。
总线型网络中的信息传输属于共享模式，信息从信源发出，在总线上传送，总线上的所有节点均可接收到该信息。但是网络中如果有两个及以上节点同时发出信息，则会发生信号冲突，造成网络堵塞。
（1）总线型网络的优点
● 可靠性高：总线型网络采用一条公共总线，结构简单，可靠。
● 可扩展性高：总线型网络布线容易，易施工安装。同时，由于网络结构只有一条公共总线，如果增加、删减某个节点，只需增加或去掉该节点的硬件接口。如果需要扩展网络结构，可通过增加中继器来实现距离延伸。
● 节约线缆：总线型网络只需一条公共总线，且两端的终结器安装在两端计算机接口处，线缆的使用量很低。
（2）总线型网络的缺点
● 由于网络只有一条公共总线，任何信息的传送都要经过总线，因此总线上的节点过多时，容易产生信息的堵塞。
● 计算机利用硬件接口接入网络，当硬件接口发生故障时，整个网络也会瘫痪。
● 当网络发生故障时，故障诊断与故障隔离都十分困难。
4.环形网络
环形网络是一个封闭的环形结构，网络中的计算机均配有一个硬件入网接口，这些接口首尾相连，形成一条链路。链路中的信息传送采用单向（如顺时针或逆时针）逐点传送方式，信息传送为广播方式。环形网络拓扑结构如图1-7所示。
图1-6 总线型网络拓扑结构
图1-7 环形网络拓扑结构
（1）环形网络的优点
● 可采用光纤连接：环形网络采用的是点对点的连接方式，并且信息是沿着某一个方向单向传播，这就使得该网络结构可以以光纤作为传输介质。著名的光纤分布式数据接口（FDDI）采用的就是双环形拓扑结构。
● 传输距离远：环形网络采用令牌协议，网上传送的信息发生堵塞（碰撞）的可能性小，因此即使不采用光纤，其传输距离也要远于其他拓扑结构，这种网络结构适合做主干网络。
● 线缆用量小，故障易定位：环形网络采用的是一条总线，首尾封闭，初始安装容易。同时该结构的单向传播使得网络中的故障诊断较易进行。
（2）环形网络的缺点
● 除了FDDI外，一般的环形网络都是单环结构，网络上任何节点的入网接口出现故障都会使网络瘫痪，因此环形网络的可靠性较差。
● 环形网络的结构特点使得网络的管理费用较高，网络结构灵活性差，一旦网络结构中需要增加、删减或修改某个节点，一般整个网络都需停下来重新配置，因此配置起来较困难，网络维护也不易。
5.网状网络
网状网络是指计算机网络中的任何两个节点之间都可以直接相连，而且任何两个节点之间也可能存在多条路径，拓扑结构没有固定模式，数据在传输过程中可以选择适当的路由，绕过失效的路线或者是过忙的节点。网状网络拓扑结构如图1-8所示。
（1）网状网络的优点
图1-8 网状网络拓扑结构
● 可靠性高：由于网状网络存在多条路径可供选择，因此可靠性高，很受用户的喜欢，在广域网中得到了广泛的应用。
● 不受瓶颈问题和失效问题影响：网状网络中节点间的路径多，从而可以绕过失效或者过忙的节点，碰撞和阻塞减少，并且局部故障不影响整个网络。
（2）网状网络的缺点
● 这种结构线路多，结构复杂，不易建网和扩充，网络构建的成本和提供网络功能的网络协议也较为复杂。
● 网络控制机制也很复杂，必须采用路由算法和流量控制机制。
网络拓扑结构是描述网络结构的重要方法，将具体的网络结构抽象成点、线、面的几何结构，可以清晰、准确地描述网络的逻辑结构。
1.2.3 按传输介质不同分类
所谓的传输介质是指连接通信设备之间的物理连接媒介，将信号从一台设备传送到另一台设备。计算机网络按传输介质可以分为有线网络和无线网络两大类。
1.有线网络
有线网络是指网络的传输介质为双绞线、同轴电缆和光纤等实体媒介。双绞线和同轴电缆传输电信号，光纤传输光信号。
2.无线网络
无线网络是指不使用有线的物理连接，而是利用无线传输介质进行数据传输的网络。无线传输一般是指自由空间中的电磁波，信息被加载到电磁波后在空间中进行传输。电磁波根据频谱可分为无线电波、微波、红外线、激光等。
1.2.4 按交换技术不同分类
计算机网络按交换技术不同可分为线路交换网、报文交换网和分组交换网。线路交换网是基于线路交换的网络，报文交换网和分组交换网是基于存储转发交换的网络。
1.线路交换网
线路交换网又称为电路交换网，它基于线路（电路）交换技术。线路交换技术是通信网中出现最早的一种数据交换方式，其工作方式属于一种直接的交换方式，两台计算机之间进行数据交换之前需要建立一个真正的物理线路连接，其后的数据交换就在这条线路上进行，属于独占式数据交换。线路交换通信过程示意图如图1-9所示，图中用户A和用户B经过4个交换机进行数据交换，通信过程可以分为线路建立、数据传输和线路拆除3个阶段，具体过程如下。
图1-9 线路交换通信过程示意图
（1）线路建立阶段
用户A和用户B之间进行数据通信，首先要在用户A和用户B之间建立数据连接。这条线路的建立需要利用4个交换机，首先用户A向交换机A发出请求连接信息，发送包含源地址与目的地址在内的信息，交换机A基于某种算法选择下一个交换机B，发送请求连接信息。当交换机B接收了连接请求，同样采用某种算法选择下一个交换机C，以此类推，当交换机D接收到连接请求后，向与其直接连接的用户B发送请求连接信息，至此，用户A和用户B之间的物理线路建立完成。
（2）数据传输阶段
线路交换连接建立完成后，数据就可以从源节点发送到中间节点，再由中间节点交换到终端节点。同样，数据也可以通过相同方式从用户B传送到用户A。这种传输通常为全双工传输。
（3）线路拆除阶段
当用户A和用户B之间数据传输完毕，需要进行线路拆除。用户A向用户B发送释放连接信息，用户B同意结束连接后，向交换机D发送释放连接信息，然后交换机C、交换机B、交换机A到用户A依次释放相互之间的物理连接，完成本次的通信工作。通信工作结束后，资源释放。释放的线路资源可以被别的设备重新利用。
每一条数据采用线路交换进行传送的过程如图1-10所示。
线路交换方式属于交互式通信，采用专用信道通信，实时性较强，数据传输迅速且可靠，但是这种方式的线路利用率较低。其一是由于通信建立的时间较长，尤其是存在呼损。呼损是指在建立过程中由于交换网繁忙等原因而使建立失败，对于交换网则要拆除已建立的部分电路，用户需要挂断重拨的情况。其二是线路拆除时间，每条线路只有等其占用的资源得到释放后才可以被其他数据传输使用。同时这种线路交换方式不具备存储数据的能力、不能平衡通信量、不具备差错控制能力，无法发现与纠正传输过程中发生的差错。
2.报文交换网
报文交换网采用的是存储转发技术。存储转发技术不需要在两个节点之间建立专用线路，中间交换节点收到数据时先存储在缓冲区中，根据目的地址寻找下一个连接的节点并将缓冲数据转发出去。
在报文交换网中，当源节点向目的节点发送数据时，首先将需要传送的所有数据封装成一个报文，然后一次性传送出去（不论报文长度如何）。报文交换原理如图1-11所示，报文从源节点A出发，到达中间转发节点N1、N3、N6时，这些中间节点首先检查整个报文，确认无误后，将整个报文存储起来，等线路空闲时再将该报文传到下一个节点，最后送到目的节点B。
图1-10 线路交换工作原理
图1-11 报文交换工作原理
（1）报文交换的优点
● 采用存储转发方式，不存在专用线路，数据传输采用“缓存—等待—传输”模式，多用户的多数据共享通信线路。
● 报文交换不需要提前建立线路连接，也不需要拆除连接，线路的利用率提高。
● 存储转换方式使得收发双方不需要同步工作，数据可以暂存在中间节点，等到线路空闲时再进行数据通信。
● 报文交换提供了传输速率和数据格式的转换，保证了不同传输速率和数据格式的通信端点之间可以相互通信。
（2）报文交换的缺点
● 由于报文交换采用的是先存储后转发的方式，不可避免地产生了时延。
● 时延的长短受到报文长短影响，波动幅度变化较大，因此，报文交换不适合实时通信。
3.分组交换网
分组交换又称为包交换，也是采用存储转发方式进行数据传输。报文转发方式存在的时延问题与报文长度有密切关系，因此在现代计算机网络中，主机通常会将长报文分为若干数据块，称为分组。分组交换网中，源主机发出的数据分成若干个分组，以分组为单位在通信线路中进行传输，当所有分组均到达目的主机时，再将所有分组重组成原来的数据。分组交换技术解决了报文交换中的时延问题。分组具有统一的格式和长度，便于在中间节点上存储和处理。
分组交换工作原理如图1-12所示。分组交换网由主机H1~H6、中间转发网络节点A~E以及节点间的通信线路组成。如果主机H1向主机H6发送数据，则H1需首先将数据等分为若干个分组，将这些分组依次发送到网络节点A的缓存区，节点A按照一定算法选择下一个转发节点，将数据转发出去直至传送到网络节点E，主机H6直接从节点E接收数据。在整个分组交换网络中，如果从主机H1传送数据到H6，节点A是进入网络的入口，节点E是离开网络的出口，而数据分组在网络中的传输路径是不确定的，由系统选用的路径选择算法决定。
图1-12 分组交换工作原理
分组交换方式又分为数据报和虚电路两种工作方式。
（1）数据报方式
数据报是报文分组存储转发的一种形式。在数据报方式中，分组传输前不需要预先在源主机与目的主机之间建立线路连接，源主机发送的每个分组都可以独立选择一条传输路径，每个分组在通信子网中可能通过不同的传输路径到达目的主机。数据报方式的工作原理如图1-13所示，图中A~G为分组交换网的中间处理节点，称为节点A~节点G，它们共同构成一个通信子网。
数据报方式的工作过程如下。
1）源主机（主机A）将报文划分成多个分组p1，p2，…，pn依次发送到与之直接相连的节点A。
2）节点A每接到一个分组都进行差错检测，以保证主机A与节点A的数据传输正确。节点A依次接到分组p1，p2，…，pn后，为每个分组进行路由选择，由于网络通信状态是不断变化的，分组p1的下一个节点可能选择节点C，分组p2的下一个节点可能选择节点D，因此报文的不同分组通过子网的路径可能不同。
3）节点A向节点C发送分组p1时，节点C对p1进行差错检测，如果p1传输正确，节点C向节点A发送确认信息ACK；节点A接收到节点C的ACK信息后，确认p1已经正确传输，这时它就可以丢弃p1的副本，分组p1通过通信子网中多个节点存储转发，最终正确到达目的节点（主机B）。
图1-13 数据报方式工作原理
数据报方式主要特点如下。
● 同一报文的不同分组可以经过不同的传输路径通过通信子网。
● 同一报文的不同分组到达目的节点时可能出现乱序、重复与丢失现象。
● 每个分组在传输过程中都必须带有目的地址与源地址。
● 数据报方式的传输延迟较大，适用于突发性通信，不适用于长报文、会话式通信。
（2）虚电路方式
虚电路方式试图将数据报与线路交换相结合起来，发挥这两种方法各自的优点，以达到最佳的数据交换效果。虚电路方式的工作原理如图1-14所示。
图1-14 虚电路方式工作原理
虚电路方式在分组发送前，发送方和接收方需要建立一条称为虚电路的逻辑连接（类似线路交换的线路建立）。虚电路方式的工作过程分为3个阶段：虚电路建立阶段、数据传输阶段与虚电路拆除阶段。
在虚电路建立阶段，源节点（节点A）使用路由选择算法确定下一个节点（例如节点B），然后向节点B发送“呼叫请求分组”；同样，节点B也要使用路由选择算法确定下一个节点。依此类推，“呼叫请求分组”经过A、B、C、D的路径到达节点D。目的节点（节点D）向节点A发送“呼叫接收分组”，至此虚电路建立。在数据传输阶段，利用已建立的虚电路以存储转发方式顺序传送分组。在所有的数据传输结束后，进入虚电路拆除阶段，将按照D、C、B、A的顺序依次拆除虚电路。
虚电路方式的主要特点如下。
● 在每次分组传输之前，需要在源节点与目的节点之间建立一条逻辑连接。由于连接源节点与目的节点的物理链路已经存在，因此不需要真正去建立一条物理链路。
● 一次通信的所有分组都通过虚电路顺序传送，因此分组不必带目的地址、源地址等信息。分组到达目的节点时不会出现丢失、重复与乱序的现象。
● 分组通过虚电路上的每个节点时，节点只需要进行差错检测，而不需要进行路由选择。
● 通信子网中每个节点可以与任何节点建立多条虚电路连接。
虚电路方式与线路交换方式的区别：虚电路是在传输分组时建立的逻辑连接。之所以称为“虚电路”是因为这种电路不是专用的。每个节点可以同时与多个节点之间建立虚电路，每条虚电路支持两个节点之间的数据传输。由于虚电路方式具有分组交换与线路交换的优点，因此在计算机网络中得到广泛的应用。