1.3 计算机网络的组成
与计算机系统一样，也可将计算机网络系统划分为硬件系统与软件系统两部分：网络硬件及其连接形式对网络的性能起着决定性作用，是网络运行的主体；网络软件则是支持网络运行、提高效益和开发网络资源的工具。
1.3.1 计算机网络的组成结构
计算机网络的早期只是联机系统，随着APPANet的研究与发展产生了分组交换网，可以说，分组交换网才能称为真正的计算机网络。由于计算机和通信技术的进步，计算机网络也在不断变化，但所采用的交换方式仍然以分组交换为主，因此下面讨论分组交换网的基本组成。
按照分组交换计算机网络所具有的数据通信和数据处理功能，可以将其划分为通信子网和资源子网两部分，其基本组成结构如图1.11所示。
图1.11 一个典型的计算机网络组成结构
1.资源子网
资源子网主要是对数据信息进行收集、加工和处理，面向用户提供入网途径、各种网络资源与网络服务。它包括访问网络和处理数据的硬软件设施，主要有主计算机系统（主机）、终端控制器和端系统、计算机外设、有关软件与可共享数据（如公共数据库）等。
（1）主计算机系统。主计算机系统可以是大型计算机、小型计算机或局域网中的微型计算机，它们是网络中的主要资源，也是数据和软件资源的拥有者，一般都是通过高速线路将它们和通信子网的结点相连。
（2）终端控制器和端系统。终端控制器连接一组端系统，并与主计算机系统相通信，或直接作为网络结点，在局域网中它相当于集线器（Hub）。端系统是直接面向用户的交互设备，可以是由键盘和显示器组成的简单终端，也可以是微型计算机系统，以及一些非常规终端，如个人数字助理（PDA）、TV和移动电话等。
（3）计算机外设。计算机外设主要是网络中的一些共享设备，如超大容量的硬盘、高速打印机和绘图仪等。
2.通信子网
通信子网主要负责计算机网络内部信息流的传输、交换和控制，以及信号的变换和通信中的相关处理，间接地服务于用户。它主要包括网络结点及连接这些结点的通信链路等软硬件设施。
（1）网络结点。网络结点的作用主要有两个：一是作为通信子网与资源子网的接口，负责管理和收发本地主机和网络所交换的信息，相当于通信控制处理机（CCP）。在APPANet中，网络结点称为接口信息处理机（IMP-Interface Message Processor），在Internet中则称为网关，也可称为路由器。二是作为发送、接收、交换和转发数据的通信设备，负责接收其他分组交换结点传送来的数据，并选择一条合适的链路发送出去，完成数据的交换和转发。网络结点可以分为交换结点和访问结点两种：①交换结点主要包括交换机（Switch）、用于网络互联的路由器（Router）以及负责网络中信息交换的其他设备等；②访问结点主要包括连接用户主计算机和终端设备的接收器和发送器等通信设备，也可以简单到插在计算机扩展槽上的一块网络适配器（也称网卡）。
（2）通信链路。通信链路是连接两个结点之间的一条通信信道，包括通信线路和有关设备。通信链路的传输媒体可以是有线介质，如双绞线、同轴电缆和光导纤维等，也可以是无线传输媒体，如微波、卫星等。一般用于大型网络和相距较远的两结点之间的通信链路，都利用现有的公共数据通信线路。
（3）信号变换设备。信号变换设备的功能是对信号进行变换以适应不同传输媒体的要求。这些设备一般包括将数字信号变换为模拟信号的调制解调器以及无线通信接收和发送器、用于光纤通信的编码解码器等。
1.3.2 计算机网络的拓扑结构
为了便于分析组成计算机网络的各组成部分之间彼此互连的形状与其性能的关系，常采用拓扑学（Topology）中研究与大小形状无关的点、线特性的方法，讨论网络中的通信结点和通信线路或信道的连接所构成的各种几何构成形式，用以反映网络的整体结构。计算机网络拓扑结构就是指计算机网络结点和通信链路所组成的几何形状。
计算机网络拓扑结构有逻辑拓扑结构和物理拓扑结构两层含义，要注意它们之间的不同：①逻辑拓扑结构是指各组成部分的逻辑关系，即信息如何流动；②物理拓扑结构是指各组成部分的物理关系，即物理连接方式。实际中，考虑较多的是通信子网的拓扑结构问题。
网络拓扑结构对于计算机网络的可靠性、稳定性和扩展性等都有较大的影响。计算机网络有多种拓扑结构，最常用的网络拓扑结构有星状、总线和环状，如图1.12所示；此外，还有树状、网状及混合型结构等。
图1.12 计算机网络拓扑结构
1.星状拓扑结构
星状拓扑结构的每个结点都由一条点对点的链路与中心结点（也称公用中心交换设备，如交换机、集线器等）相连，如图1.12（a）所示。星状网络中的一个结点如果向另一个结点发送数据，首先将数据发送到中心结点，然后由中心结点将数据发送到目的结点。数据的传输是通过中心结点的存储转发技术实现的，并且只能通过中心结点与其他结点通信。星状拓扑结构是局域网中最常用的一种拓扑结构。
星型拓扑结构网络通常采用集中式介质访问控制方法，具有如下特点。
（1）优点：①星状拓扑网络结构简单，容易实现，便于管理和维护；②故障诊断和隔离容易；③易于实现综合布线，易扩充和升级。
（2）缺点：①采用通信电缆，电缆较长，安装工作量较大；②中心结点负载较重，是全网可靠性的瓶径，易形成数据传输瓶颈，如果中心结点一旦出现故障，会导致全网瘫痪；③各结点的分布式处理能力较低。
2.总线拓扑结构
总线拓扑结构采用一条单根的通信线路（总线）作为公共的传输信道，所有的结点都通过相应的接口直接连接到总线上，并通过总线进行数据传输，如图1.12（b）所示。由于单根通信线路仅支持一条信道，因此连接在这条线路上的计算机与其他设备共享线路的所有带宽。连接在总线上的设备越多，网络发送和接收数据就越慢。
总线型拓扑网一般采用分布式介质访问控制方法，具有如下特点。
（1）优点：①总线型拓扑结构简单、灵活，易于扩展；②共享能力强，便于广播式传输数据；③网络响应速度快；④易于安装，费用较低。
（2）缺点：①传输距离有限，通信范围受限制；②故障诊断和隔离困难，如果总线出现故障，将会影响整个网络；③结点必须是智能的，要有媒体访问控制功能。
3.环状拓扑结构
环状拓扑结构网络中的各个结点通过环接口连在一条首尾相接的闭合环状通信线路中，如图1.12（c）所示。每个结点只能与它相邻的一个或两个结点直接通信；如果要与网络中的其他结点通信，数据需要依次经过两个通信结点之间的每个结点。最典型的环状拓扑网是令牌环网，常称为令牌环（Token Ring）。环状网络既可以是单向的，也可以是双向的。单向环状网络的数据绕着环向一个方向发送，到达环中的每个结点后将被接收下来，经再生放大后将其转发出去，直到数据到达目的结点为止。双向环状网络中的数据能在两个方向上进行传输，因此结点可以与两个邻近结点直接通信。如果一个方向的环中断了，数据可以向相反的方向在环中传输，最后到达目的结点。
环状拓扑结构有单环和双环结构之分，令牌环是单环结构的典型实例，光纤分布式数据接口（FDDI）是双环结构的典型实例。环状拓扑结构具有如下特点。
（1）优点：①在环状网络中，各结点无主从关系，结构简单，数据流在网络中沿环单向传递，时延固定，实时性较好；②在两个结点之间仅有唯一的路径，路径选择简单。
（2）缺点：①可靠性较差，任何一个结点故障都有可能引起全网故障，故障检测困难；②媒体访问控制协议均采用令牌传递方式，当负载很轻时，信道利用率较低。
4.树状拓扑结构
树状拓扑结构也称为星状总线拓扑结构，是从总线型和星状结构演变过来的。树状拓扑结构像一棵倒置的树，顶端是树根，树根以下带分支结点，每个分支结点还可带子分支结点。树根结点接收各分支结点发送的数据，然后再广播发送到全网。
树状拓扑结构的优点是易于扩展，故障隔离较容易；缺点是结点对根的依赖性太大，若根结点发生故障，则全网不能正常工作。
5.网状及混合型拓扑结构
网状拓扑是指将各网络结点与通信线路连接成不规则的形状，每个结点至少与其他两个结点相连，或者说每个结点至少有两条链路与其他结点相连。大型互联网一般都采用网状拓扑结构。例如，我国的教育科研网（CERNET）、Internet的主干网采用的都是网状拓扑结构。
网状拓扑结构主要特点是：①可靠性高不受瓶颈问题和失效问题的影响，但线路成本高，一般用于大型广域网；②网络协议较为复杂，不易管理和维护。
混合型拓扑结构是由以上几种拓扑结构混合而形成的网络拓扑结构，如总线型与星状拓扑结构相混合等。
网络的拓扑结构对其性能有很大的影响。选择网络拓扑结构，首先要考虑采用何种传输媒体访问控制方法，因为特定的传输媒体访问控制方法一般仅适用于特定的网络拓扑结构；其次要考虑性能、可靠性、成本、扩充灵活性、实现的难易程度及传输媒体的长度等因素。
1.3.3 计算机网络系统的组成
计算机网络系统由网络硬件系统和网络软件系统两部分组成。
1.计算机网络硬件系统的组成
网络硬件系统是组成计算机网络系统的物质基础。构成一个计算机网络系统，首先要将计算机及其附属硬件设备与网络中的其他计算机系统连接起来，实现物理连接。网络硬件系统由计算机系统设备与通信系统设备组成，不同的计算机网络系统在硬件及其连接方面是有差别的。
随着计算机技术和网络技术的发展，网络硬件日趋多样化，且功能更强，结构更复杂。常见的网络硬件有：计算机（分为服务器和工作站两类）、网络接口卡、传输媒体、通信设备以及各种网络互连设备等。计算机网络的常见组成形式如下。
1）局域网的基本组成
局域网是20世纪70年代后迅速发展起来的计算机网络。它在较小的区域内将许多数据通信设备互相连接起来，使用户共享计算机资源。局域网硬件的基本组成包括服务器（Server）、客户机（Clients）又称工作站以及网络设备和传输媒体等。一个典型的局域网组成如图1.13所示。
图1.13 典型的局域网组成
在实际中，单一网络是无法满足各种用户的多种需求的。因此经常需要把计算机网络互联起来，如图1.14所示是两个相同类型的局域网互联示意图；如图1.15所示是两个不同类型的局域网互联示意图。
图1.14 两个相同类型的局域网互联
图1.15 两个不同类型的局域网互联
2）广域网的基本构成
广域网的地理覆盖范围较大，主要由通信子网和资源子网两部分组成。大多数通信子网是由传输线路和交换结点构成的主干网；交换结点通常指一台专用计算机，用于连接多条传输线路，包含路由器和交换机等。资源子网是指运行用户程序的计算机系统的集合，即由主机构成的局域网。一个典型的广域网组成如图1.16所示。
图1.16 典型的广域网组成
3）Internet的基本构成
Internet是一个世界范围的广域计算机网络，也就是说，它是一个互连了遍及全世界数以百万计的计算机系统的网络。这些设备多数是个人桌面计算机、基于UNIX的工作站以及所谓的服务器。然而，越来越多的非传统的Internet端系统，如个人数字助理（PDA）、TV、移动电话以及家用电器等也正在与Internet相连接。一个典型的Internet的基本构成如图1.17所示。
图1.17 典型的Internet的基本构成示意
从图1.17中可以看到，端系统通过通信链路连接到一起。这些通信链路是由各种不同的物理传输媒体组成的，包括同轴电缆、双绞线、光纤和无线电波等。不同的链路能够以不同的速率传输数据。链路的传输速率以bps（比特每秒）为单位计算。
端系统一般通过分组交换机彼此相连。分组交换机从它的一条输入链路接收到达的信息块，从输出链路转发该信息块。在计算机网络中把这种信息块称为分组或包。分组交换机的类型很多，在Internet中目前主要有路由器和链路层交换机两种类型的分组交换机。
从发送端系统到接收端系统，一个分组所经历的一系列通信链路和分组交换机称为通过该网络的路径（Route或Path）。Internet并不在通信的端系统之间提供一条专用的路径，而是采用分组交换技术传输数据分组。分组交换技术允许多个通信端系统同时共享一条路径或路径的一部分。
端系统通过Internet服务提供商（Internet Service Provider，ISP）接入Internet。每个ISP是一个由多个分组交换机和多段通信链路组成的网络。不同的ISP为端系统提供不同类型的网络接入，包括56kbps拨号调制解调器接入、ADSL宽带接入、高速局域网接入和无线接入等。ISP也对内容提供者提供Internet接入服务，将Web站点直接接入Internet。为了允许Internet用户之间相互通信，允许访问世界范围的Internet内容，区域ISP通过国家、国际的高层ISP互连起来。高层ISP主要由通过高速光纤链路互连的高速路由器组成。无论是高层ISP网络还是区域ISP网络，都是独立管理的，运行IP协议，遵从一定的域名命名、地址编址规定。端系统、分组交换机和其他一些Internet构件，都要运行接收和发送信息的一系列协议。其中传输控制协议（TCP）和网际互连协议（IP）是Internet中两个最重要的协议，因此，把Internet中的协议统称为TCP/IP协议栈。
2.计算机网络软件系统的组成
利用计算机网络进行通信时，需要控制信息传送的协议以及其他相应的网络软件。计算机网络软件是实现计算机网络功能所不可缺少的软环境。这是因为，仅仅使用硬件进行通信就像用0和1进行二进制编程那样难以实现。因此，大多数应用程序依靠网络软件进行通信，而并不直接与网络硬件打交道。计算机网络软件通常由网络操作系统和网络协议通信软件等组成。
1）网络操作系统
网络操作系统（Network Operation System，NOS）是网络的心脏和灵魂，是向网络中的计算机提供数据通信和资源共享功能的操作系统。网络操作系统运行在网络硬件之上，为网络用户提供共享资源管理服务、基本通信服务、网络系统安全服务及其他网络服务。其他应用软件系统需要在网络操作系统的支持下才能运行。
网络操作系统与运行在工作站上的单用户操作系统（如Windows XP等）或多用户操作系统因所提供的服务类型不同而有所差别。一般情况下，计算机操作系统，如DOS和OS/2等，目的是让用户与系统及在此操作系统上运行的各种应用之间的交互作用最佳。而网络操作系统以使网络相关特性最佳为目的，如共享数据文件和应用软件以及共享硬盘、打印机、调制解调器、扫描仪和传真机等。
目前，有三大主流的计算机网络操作系统，即UNIX、Linux和Windows NT。
（1）Windows类。微软公司的Windows系统不仅在个人操作系统中占有绝对优势，它在网络操作系统中也具有非常强劲的优势。这类操作系统配置局域网时最为常见，但由于对服务器的硬件要求较高，且稳定性能不是很高，所以微软的网络操作系统一般只用在中低档服务器中，高端服务器通常采用UNIX、Linux或Solaris等非Windows操作系统。在局域网中，微软的网络操作系统主要有Windows NT 4.0 Serve、Windows Server 2003以及Windows Server 2008，包括个人操作系统Windows XP/7等。这些操作系统可运行在微型计算机机和工作站上，支持客户机/服务器（Client/Server）模式。
（2）UNIX系统。UNIX网络操作系统历史悠久，拥有丰富的应用软件支持，功能强大，其良好的网络管理功能已为广大网络用户所接受。UNIX采用一种集中式分时多用户体系结构，稳定和安全性能非常好。由于它是针对小型计算机主机环境开发的操作系统，多数以命令方式进行操作，不容易掌握，特别是初级用户。因此，UNIX一般用于大型网站或大型企事业单位的局域网，小型局域网基本不使用。目前常用版本主要有UNIX SUR 4.0、HP-UX 11.0，Sun公司的Solaris 8.0等。
（3）Linux。Linux是一种自由和开放源码的类UNIX操作系统。目前存在着许多不同的Linux，但它们都使用了Linux内核。Linux的最大特点是源代码开放，可以免费得到许多应用程序。目前也有中文版本的Linux，如REDHAT（红帽子）、红旗Linux等。在安全性和稳定性方面，Linux得到了用户充分肯定。目前，Linux操作系统仍主要应用于中、高档服务器。其中，Ubuntu是一个以桌面应用为主的Linux操作系统，旨在创建一个可以为桌面和服务器提供一个最新且一贯的Linux系统。
（4）NetWare类。在局域网中，NetWare操作系统早年曾雄霸一方，但现在已经失去应用市场。
总之，对特定计算机环境的支持使得每一个网络操作系统都有适合于自己的工作场合，这就是系统对特定计算机环境的支持。例如，Windows 2003 Server适用于桌面计算机，Linux目前较适用于小型网络，而Windows NT和UNIX则适用于大型服务器应用程序。因此，对于不同的网络应用，需要有目的地选择合适的网络操作系统。
2）网络协议通信软件
为了在各网络单元之间进行数据通信，通信的双方必须遵守一套能够彼此理解、全网一致遵守的网络协议，而且网络协议要靠具体协议软件的运行支持才能工作。因此，凡是连入计算机网络的服务器和主机都必须运行相应的网络协议通信软件。例如，Internet是一个异构计算机网络的集合，用TCP/IP协议把各种类型的网络互联起来才能进行数据通信。其中IP协议用来给各种不同的通信子网或局域网提供一个统一的互联平台，TCP协议则用来为应用程序提供端到端的数据传输服务。
综上所述，可以对计算机网络进一步加深认识：计算机网络是运行在传输主干网之上，由用户资源子网和通信传输子网组成的一类业务网，它承载着数据交换和资源共享的任务，是国家信息基础设施中重要的组成部分。