1 计算机网络的拓扑结构

1.1 网络拓扑的概念

拓扑学由图论演变而来，在拓扑学中，先将实体抽象为与大小、形状无关的点，再将连接实体的线路抽象为线，进而研究点、线之间的特性，它是一种橡皮泥技术。而计算机网络的拓扑结构，是研究网络中各节点之间的连线（链路）的物理布局（只考虑节点的位置关系而不考虑节点间的距离和大小）。
网络拓扑结构，是将网络中的具体设备，如计算机、交换机等网络单元抽象为节点，而把网络中的传输介质抽象为线。这样从拓扑学的角度看计算机网络就变成了点和线组成的几何图形，也就说网络拓扑结构是一个网络的通信链路和节点的几何排列或物理图形布局。

计算机网络中的节点有两类：

• 一类是转接和交换信息的转接节点，如交换机、集线器和终端控制器等
• 一类是访问节点，如主计算机和终端等，它们是信息交换的源节点和目标节点
  网络的拓扑结构表示网络的整体结构和外貌，反映了网络中节点与链路之间相互连接的不同物理形态。它影响着整个网络的设计、功能、可靠性和通信费用等问题，同时还是实现各种协议的基础，是研究计算机网络的主要环节之一。

1.2 通信子网的信道类型

通信子网的信道类型也称线路配置，它是指两个或两个以上的通信设备连接到链路的方式，主要有点到点式网络和广播式网络两种。

1、点到点式网络

通信子网的点到点连接，是指每条物理线路仅连接一对设备（如计算机或节点交换机），发送的数据在另一端只有一个设备接收。如果两台设备之间不是直接相连，而是通过中间节点的接收、存储、转发直至目的节点，那么这条线路结构可能会很复杂。因此，从源节点到目的节点可能存在多条路由。所以，我们需要路由算法来决定数据分组从通信子网的源节点到达目的节点的过程。采用分组存储转发是点到点式网络与广播式网络的一个重要区别。下图是一个点对点网络。

点到点式拓扑结构的特点：1）没有信道竞争，几乎不存在访问控制的问题；2）相对的会浪费一些带宽。一般广域网都采用这种模式

2、广播式网络

广播式网络，也可以叫作多点共享网络。在这种网络中，所有的节点共享同一个通信信道。当一个节点发送信息时，其他所有节点都能接收到这个信息。发送的信息里包含了目的地址和源地址，每个设备都会检查目的地址。如果目的地址跟本节点的地址一样，那就接收这个信息；否则就丢弃。在广播式网络中，发送的报文分组的目的地址可以有三类：单节点地址、多节点地址和广播地址。简单来说，广播式网络是一种能让信息同时发送给多个节点的通信方式。

在广播式网络中，有一个关键问题需要解决：信道访问控制。这是由于信道共享会引起争用信道而产生的介质访问冲突。

1.3 常见的计算机网络拓扑结构

计算机网络的拓扑结构主要是指通信子网的拓扑结构，分为总线型、环型、星型、树型、网状等几种类型，其中，总线型、环型结构是广播式网络，星型、树型、网状是点到点连接的网络

下面是各拓扑结构的说明：

2 网络协议和标准化组织

2.1 网络协议

协议（Protocol）是预先规定的格式或约定。例如在拍电报时，收发双方先规定好报文的传输格式、一个字符码长是多少位、什么样的码字表示开始、什么样的码字表示结束、出错了怎么办、如何表示发报人的地址和名字等。
计算机网络中，计算机之间相互通信时也必须有一种双方都能理解的语言。网络协议就是指网络中计算机、设备之间相互通信和进行数据处理及数据交换而建立的规则（标准或约定）。协议定义了通信内容是什么、如何进行通信及何时进行通信等。常用的网络协议有：TCP/IP、X.25、IPX/SPX、SLIP、PPP、Frame Relay、IEEE 802等。
通信协议代表着标准化，是通信双方都必须遵循的一系列规则。每一种协议都有语法、语义和时序三个要素。

1. 语法（如何讲）：语法指数据与控制信息的结构或格式，说明数据表示的顺序。例如，定义一个传输的数据前48位是发送方地址，后48位是接收方地址，而其他的比特（bit）流是数据内容。
2. 语义（讲什么）：语义指需要发出何种控制信息，完成何种动作及做出何种应答。例如，一个地址是路由地址还是目的地址；又如，一个报文，由哪些部分组成，哪些是控制数据，哪些是真正的通信内容等。
3. 时序（讲话次序）：时序定义了何时进行通信及以多快的速率发送。例如，是采用同步传输还是异步传输。又如，发送方的速率是100Mbps，而接收方的速率为10Mbps，这时需控制发送方的发送速率以避免数据丢失。

2.2 标准化组织

一般同一种体系结构的网络之间互联比较容易实现，但是不同系统体系结构的计算机网络之间要实现互联就存在许多问题。标准的制定就是为了解决这类问题，它为生产厂商、供应商、政府机构和其他服务提供者提供了实现互联的指导方针，使得产品或设备相互兼容。下面介绍几个主要的标准化组织机构，它们制定了相关的标准，为网络的发展作出了重要贡献。

• 国际标准化组织（ISO，International Standards Organization）一个国际化组织，其成员是世界各个国家政府的标准委员会，创建于1974 年，是一个完全自愿的致力于在多个领域制定大家认同的国际标准的机构，它为国际间产品和服务交流提供一种能实现相互兼容、更高的品质和更低的价格的标准模型。ISO于1984 年公布了开放系统互联参考模型OSI/RM（Open System Interconnection Basic Reference Model）网络体系结构，简称为OSI，推动了计算机网络的发展。
• 国际电信联盟 - 电信标准化部（ITU-T），20 世纪70 年代许多国家开始制定自己电信业的国家标准，但相互之间互不兼容。联合国的国际电信联盟ITU（International Telecommunication Union）在其内部成立了一个委员会，称为国际电报电话咨询委员会CCITT（法语，Comite Cosnltatif International de Ttelegraphigue et Telephonigue），CCITT致力于研究和建立适用于一般电信领域或特定的电话和数据系统的标准，1993 年3 月改名为ITU-TSS（Telecommunication Standardization Sector，电信标准化部），简称ITU-T。ITU-T制定的两个普及的标准为V系列和X系列标准，V系列（V.32、V.33、V.42）规定了利用电话线传输数据的标准，而X系列（X.25、X.400、X.500）规定了利用公用数字网络传输数据的标准，并规定了综合业务数字网（ISDN）和宽带综合业务数字网（B-ISDN）。
• 美国国家标准化协会ANSI（American National Standards Institute），是一个与美国政府无关完全私有的非营利组织，它的所有活动都要保证美国及其公民的利益。ANSI宣称的目的是为美国国内自发的标准化过程提供一个全国的协调机构，其成员来自专业社团、待业协会、政府和顾客群体，讨论的领域包括联网工程、ISDN业务、信令和体系结构及光缆系列SONET等。
• 电气电子工程师协会IEEE（Institute of Electrical Electronics Engineers），是世界上最大的专业工程师团体，是制定计算机、通信、电子工程、无线电及电子方面标准的国际专业组织，1980 年2 月成立了一个专门为局域网设立的委员会（称为802 委员会），它发起制定了一个关于局域网的重要标准（802.3、802.4、802.5等系列），称为IEEE 802 标准，其中大部分均被ISO接收为国际标准，并改称为ISO 8802。因此，局域网的发展不同于广域网，局域网厂商一开始就按照标准化、互相兼容的方式发展。
• 电子工业协会EIA/TIA（Electronic Industries Association/Telecomm Industries Association），是一个致力于电子产品生产的非营利组织，一般简称为EIA。在信息领域，EIA在物理层连接接口的定义和电子信号特性等方面作出了重要贡献。它制定了被广泛使用的几种串行传输标准，如广为人知的EIA RS-232C、EIA RS-232D、EIA RS-449、EIA RS-530、CAT5、HSSI和V.24等。EIA RS-232C成为PC与MODEM、打印机或路由器等设备通信的规范。EIA还定义了线缆的布放标准，如用于双绞线的EIA/TIA 568A和EIA/TIA 568B。EIA/TIA还制定了E1/T1标准，E1标准代表2048kbps，而T1标准代表1544kbps。
• 贝尔中心，为电信技术的改进提供研究和开发的资源，它是ANSI的标准草案的重要来源。
• 国际电子技术委员会IEC（International Electro technical Commission）是一个为办公设备的互联、安全，以及数据处理制定标准的非政府机构。该组织参与了联合图像专家组JPEG（Joint Photographic Experts Group），为图像压缩制定标准。
• 国家标准和技术协会NIST（National Institute of Standards and Technology），其前身是美国的国家标准局NBS（National Bureau of Standards）。它是美国商业部属下的一个机构，它发布标准，规范联邦政府购买的设备。也负责制定时间、长度、温度、辐射能和无线电频率等物理量的度量标准。NIST对网络的一个重要贡献是数据加密标准DES（Data Encryption Standard），它可以将信息加密成外界无法识别的形式，并广泛应用于通信设备的芯片生产中。
• Internet标准化组织，Internet的最初的研究和开发是由Internet业务局IAB（Internet Activities Board）负责指导，现已更名为Internet体系结构局（Internet Architecture Board），其首字母缩写仍为IAB。IAB下设特别任务组，最著名的是Internet工程特别任务组IETF（Internet Engineering Task Force）。目前，IAB隶属于Internet协会（Internet Society）。它所制定的标准就是TCP/IP，TCP/IP是事实上的工业标准，现代计算机网络大多采用这一标准。