【计算机网络】计算机网络的定义和分类

🚩本文已收录至专栏：计算机网络学习之旅

一.定义

计算机网络并没有一个精确和统一的定义，在计算机网络发展的不同阶段，人们对计算机网络给出了不同的定义，这些定义反映了当时计算机网络技术的发展水平。

例如计算机网络早期的一个最简单定义：计算机网络是一些互连的、自治的计算机集合。

• 互连：计算机之间可以通过有线或无线的方式进行数据通信。

• 自治：有自己硬件和软件可以独立运行的计算机。

• 计算机的集合：至少两台以上计算机。
  

现阶段计算机网络的一个较好的定义：计算机网络主要是由一些通用的、可编程的硬件互连而成的，而这些硬件并非专门用来实现某一特定目的（例如，传送数据或视频信号）。这些可编程的硬件能够用来传送多种不同类型的数据，并能支持广泛的和日益增长的应用。

• 可编程的硬件：计算机网络所连接的硬件不限于计算机，而是包括了智能手机、具有网络功能的传感器以及智能家电等智能硬件，这些硬件一定包含有中央处理单元（CPU）。
• 各类应用：计算机网络并非只用来传送数据，而是能够基于数据传送进而实现各种各样的应用，包括今后可能出现的各种应用。

二.分类

可以从不同的角度对计算机网络进行分类，例如交换方式、使用者、传输介质、覆盖范围、拓扑结构。

(1) 交换方式

按交换方式可以分为电路交换、报文交换、分组交换。

(1.1) 电路交换

在早期专为电话通信服务的电信网络中，需要使用很多相互连接起来的电话交换机来完成全网的交换任务，电话交换机接通电话线的方式就是电路交换。

使用电路交换进行通信需要经历建立连接、通话、释放连接三个步骤。

建立连接：在使用电路交换打电话之前，主叫方必须先进行拨号以请求建立连接，当被叫方听到电话交换机送来的振铃音并接听后，从主叫方到被叫方之间就建立了一条专用的物理通路。这条连接为通话双方提供了通信资源。

通话：主叫方和被叫方可以基于已建立的连接进行通话，在整个通话期间，通话双方始终占用着连接。该物理通路的通信资源不会被其他用户再占用。

释放连接：通话完毕挂机后，将释放从主叫方到被叫方之间的物理通路。

计算机之间的交换方式适合采用电路交换吗？

通常我们的计算机都运行着即时通信工具，例如QQ、微信。为了能够随时接收和发送消息，我们会让其一直处于上线状态，如果使用电路交换，这将导致长时间占用物理通路而不使用进而浪费通信资源。

通常情况下，计算机之间的数据传送是突发式的，由于电路交换会一直占用连接，当使用电路交换来传送计算机数据时，其线路的传输效率一般都会很低，线路上真正用来传送数据的时间往往不到10%甚至1%，因此计算机网络通常采用分组交换。

(1.2) 分组交换

假设主机H1要给主机H3的用户发送一条消息，通常，我们把表示消息的整块数据称为一个报文，较长的报文一般不适宜直接传输，需要将较长的报文划分成若干个较小的等长数据段，在每个数据段前面添加一些由必要的控制信息（例如目的地址）组成的首部，这样就构造出了一个个分组。

源主机H1将所构造的分组依次发送到分组交换网中，分组交换网中的交换节点收到一个分组后，先将其缓存下来，然后从首部中提取出目的地址，按照目的地址查找自己的转发表，将分组交给下一个交换节点，经过多个交换节点的存储转发，分组最终被转发到目的主机，主机H3收到这些分组后，去掉它们各自的首部，将个数据段组合还原出原始消息。

优点：

• 没有建立连接和释放连接的过程。
• 分组传输过程中逐段占用通信链路，有较高的通信线路利用率。
• 交换节点可以为每一个分组独立选择转发路由，使得网络有很好的生存性。

缺点：

• 分组首部带来了额外的传输开销。
• 交换节点存储转发分组会造成一定的时延。
• 无法确保通信时端到端通信资源全部可用，在通信量较大时可能造成网络拥塞。
• 分组可能会出现失序和丢失等问题。

(1.3) 报文交换

报文交换是分组交换的前身。在报文交换中，报文（消息）被整个地发送而不是拆分成若干个分组进行发送。交换节点将报文整体接收完成后才能查找转发表，将整个报文转发到下一个节点。因此，报文交换比分组交换带来的转发时延要长很多，而且需要交换节点具有的缓存空间也大很多，否则无法完整接收报文。

(1.4) 方式对比

• 若要连续传送大量的数据，并且数据传送时间远大于建立连接的时间，则使用电路交换可以有较高的传输效率。然而计算机的数据传送往往是突发式的,采用电路交换时通信线路的利用率会很低。
• 报文交换和分组交换都不需要建立连接（即预先分配通信资源），在传送计算机的突发数据时可以提高通信线路的利用率。
• 将报文构造成若干个更小的分组进行分组交换比将整个报文进行报文交换的时延要小,并且还可以避免太长的报文长时间占用链路，有利于差错控制同时具有更好的灵活性。

(2) 使用者

按使用者可以分为公用网、专用网。

公用网：通常是由电信公司出资建造的大型网络，公众只要按照电信公司的规定缴纳费用即可使用这种网络。

专用网：通常是由某个部门为满足本单位特殊业务的需要而建造的网络，例如军队、铁路、银行等部门的专用网，这种网络不向本单位以外的人提供服务。

(3) 传输介质

按传输介质可以分为有线网络、无线网络。

有线网络:包括双绞线网络、光纤网络等。

无线网络:包括WIFI技术等。

(4) 覆盖范围

按覆盖范围可以分为广域网(WAN)、城域网(MAN)、局域网(LAN)、个域网(PAN)。

1. 广域网 (WAN)：

   • 覆盖范围：覆盖范围较大的网络，通常为几十到几千千米，跨越城市、国家甚至跨越大洲。
   • 连接方式：通过公共或专用的线路和设备连接远距离地理位置的计算机和网络设备。
   • 功能：广域网是因特网的核心部分，它提供高速、可靠的数据传输和互联互通功能，使得远距离地理位置的组织机构和用户能够进行远程访问、数据共享和通信。

2. 城域网 (MAN)：

   • 覆盖范围：覆盖范围较小的网络，通常为5~50km，覆盖一个城市或一个城市的几个区域。
   • 连接方式：通过光纤、无线电或其他通信介质连接具有高带宽要求的区域网络。
   • 功能：通常作为城市骨干网，互连大量机构、企业以及校园局域网。

3. 局域网 (LAN)：

   • 覆盖范围：覆盖范围相对较小的网络，通常在1km左右，局限在一个建物、办公室、校园等小范围内。
   • 连接方式：通过以太网等局域网技术将计机、服务器、打印机等设备连接在一起。
   • 功能：局域网为内部用户提供高速数据传输、文件共享、打印共享等功能，用于组织内部的信息交流和资源共享。

4. 个域网 (PAN)：

   • 覆盖范围：覆盖范围最小的网络，通常在10米左右，仅限于个人用户的工作区域。
   • 连接方式：个域网通常使用无线技术，如蓝牙或红外线，将个人设备（如手机、平板电脑、智能手表等）连接在一起。
   • 功能：个域网用于个人设备之间的数据传输、文件共享、个人助手功能等。

(5) 拓扑结构

按拓扑结构可以分为总线型、星型、环形、网状型等。

总线型：使用单根传输线把计算机连接起来。

• 优点：建网容易、增减节点方便、节省线路。
• 缺点：重负载时通信效率不高、总线任意一处出现故障则全网瘫痪。

星型：每个计算机都以单独的线路与中央设备相连。

• 优点：便于网络的集中控制和管理。
• 缺点：成本高、中央设备对故障敏感。

环型：所有计算机的网络接口都连接形成一个环，环可以是单环也可以是双环，环中信号是单向传输的。

网状型：一般情况下，每个节点至少有两条路径与其他节点相连，多用在广域网中。

• 优点：可靠性高。
• 缺点：控制复杂、线路成本高