（一）计算机网络的拓扑结构

拓扑学是几何学的一个重要分支，它将实体抽象成为与其形状、大小无关的点，将物体之间的连接线路抽象成与距离无关的线，进而研究点、线、面之间的关系。连接在网络上的计算机、大容量磁盘、高速打印机等部件，均可看作网络上的一个节点。所谓网络拓扑结构，是指网络的链路和节点在地理上所形成的几何结构。局域网的拓扑结构主要有总线型、星型和环型等，图2—14显示了计算机网络的拓扑结构。

图2—14　网络拓扑结构图

1.总线型

在总线型拓扑结构中，所有的工作站都连接在一条总线上，通过这条总线实现通信。总线结构是目前局域网采用最多的一种拓扑结构。在总线结构中，所有网上设备都通过相应的硬件接口直接连在总线上，任何一个节点的信息都可以沿着总线向两个方向传输扩散，并且能被总线上的任何一个节点所接收，整个网络上的通信处理分布在多个节点上，减轻了网络管理控制的负担。

其优点是：结构简单，非常便于扩充，设备量少，价格相对较低，安装使用方便。

其缺点是：一旦总线的某一点出现接触不良或断开，整个网络将陷于瘫痪，故障也难以定位和监控，实际安装时要特别处理好总线的各个接头。

2.星型

星型结构布局是将所有的工作站都直接连接到一个中央节点上，当一个工作站要传输数据到另一个工作站时，都需要通过中央节点，它负责管理和控制所有的通信。中央节点执行集中式通信控制策略，相邻节点通信也要通过中央节点。星型结构是目前小型局域网中使用较为普遍的一种拓扑结构。基于交换机的网络普遍采用星型结构，以程控交换机为中央节点，其他交换机通过程控交换机进行通信。

其优点是：结构简单，系统稳定性好，增加新的工作站时成本低，一个工作站出现故障不会影响到其他工作站的正常工作，故障率低，易于管理。

其缺点是：中央节点不能出故障，必须具有较高的可靠性，一旦中央节点出现故障，整个网络就会瘫痪。

3.环型

环型拓扑结构中每个节点连接形成一个闭合回路，数据可以沿环路单向传输，也可以设置两个环路实现双向通信。环型网也是局域网常用的拓扑结构之一，适合于信息处理系统和工厂自动化系统。

其优点是：信息在网络中沿固定方向流动，两个节点间有唯一的通路，大大简化了路径选择的控制，当某个节点出现故障时，可以自动旁路，可靠性高，时间固定，实时性强。

其缺点是：由于信息是串行穿过多个节点环路接口，当节点过多时影响传输效率，使网络响应时间变长。由于整个网络构成闭合环，故网络扩充起来不太方便。网络中一旦某个节点发生故障，可能导致整个网络停止工作。

（二）网络的传输介质和互联设备

1.数据通信基础

数据通信是指通过数据通信系统，将数据以某种信号方式从一处安全、可靠地传输到另一处。数据通信包括数据传输和数据在传输前后的处理。

（1）数据。数据被定义为有意义的实体，有模拟数据和数字数据两种形式。模拟数据是指在某个区间产生的连续值，如声音和视频图像、温度和血压等都是连续变化的值；数字数据是指在某个区间产生的离散值，如文本信息和整数数列等。

（2）信号。信号是数据的表示形式，或称数据的电磁或电子编码。它使数据能以适当的形式在介质上传输。信号也有模拟信号和数字信号两种基本形式。模拟信号是一种连续变化的电信号，可以按照不同频率在不同介质上传输。数字信号是一种离散的脉冲序列，如计算机的输出、数字仪表的测量结果等。它用恒定的正负电压表示二进制的1和0。这种脉冲序列可以按照不同的速率在有线介质上传输。

（3）传输。数据传输是指用电信号把数据从发送端传送到接收端的过程。一般来说，模拟数据是时间的连续函数，并且占有一定的频谱范围，典型的例子是模拟电话传输系统。数字数据也可以用模拟数据来表示，以便在模拟信道上进行传输。这要使用调制解调器，把数字数据调制成与模拟信道特性相匹配的模拟信号进行传输。调制解调器的作用是通过一个载波频率把二进制的电压脉冲序列调制转换成模拟信号，使这些数据能够适合在音频电话线路上传输。在线路的另一端，再由调制解调器把模拟信号解调还原成原来的数据。数字数据也可以直接表示成数字信号进行传输。

传输信道给数据信号传输提供了通路，又会引入噪声和干扰，使信号发生畸变，可能造成数据传输的差错。通常在传输一定距离之后，模拟信号都会衰减和畸变。为了实现长距离的传输，在模拟传输系统中使用放大器来增强信号的能量，但这同时也放大了信号中的噪声，其结果会导致信号发生畸变，严重时会导致传输错误。

为了延长传输距离，数字传输系统使用中继器来克服衰减和畸变。中继器将接收到的数字信号经过整形恢复后，再将信号以新的面目发送出去，从而克服了信号的畸变和衰减。

在局域网中，主要使用数字传输技术。在广域网中，过去以模拟传输为主。随着光纤通信技术的发展，广域网中越来越多地采用数字传输技术，它在传输质量和成本上都优于模拟传输。

（4）节点。节点（Node）可以分为两类，即转接节点和访问节点。转接节点的作用是支持网络的连接性能，它通过所连接的链路来转接信息。这类节点有集中器、多路转接器等。访问节点除了具有连接的链路以外，还包括计算机和终端设备。它可起到信源（发信点）和信宿（收信点）的作用。访问节点也称为端点（End Point）。

（5）终端。终端设备是用户进行网络操作时所使用的设备，它的种类很多，但根据其不同的用途和结构，大体上可以分成简易终端、智能终端和虚拟终端三类。

（6）主机。主机（Host，是指主计算机系统）在计算机网络中负责数据处理和网络控制，同时还要执行网络协议，和其他模块中的主机连接成网后构成网络中的主要资源。在硬件方面，主机要有足够的存储容量和处理速度，具有齐全的外部设备，特别是文件的外存储设备；在软件方面要求提供支持网络的操作系统，并有丰富的语言处理软件。(www.daowen.com)

2.网络传输介质

传输介质是网络中连接收发双方的物理通道，也是通信中实际传送信息的载体。网络中常用的传输介质有如下几种：

（1）双绞线。双绞线是最传统、应用最普遍的传输介质，如电话线。它由按规则螺旋结构排列的两根、四根或八根绝缘导线组成。一对线可以作为一条通信线路，各个线对螺旋排列的目的是为了使各对线之间的电磁干扰最小。局域网中所使用的双绞线分为两类：屏蔽双绞线（STP）和非屏蔽双绞线（UTP），可用于点对点连接，也可用于多点连接。双绞线用作远程中继线时，最大距离可达15km；用于传输速率为10Mbit/s的局域网时，与集线器的最大距离为100m。

双绞线的线路损失大，传输速率低，并且抗干扰能力较弱，但由于其价格便宜、易于安装以实现结构化布线，传输数字信号的距离可达几百米，因此在局域网中应用很普遍。双绞线的抗干扰性取决于一束线中相邻线对的扭曲长度及适当的屏蔽。

（2）同轴电缆。同轴电缆由内外两条导线组成，内导线是单股粗铜线或多股细铜线，外导线是一根网状空心圆柱导体，内外导线之间隔有一层绝缘材料，最外层是保护性塑料外皮。同轴介质的特性参数由内、外导体及绝缘层的电参数与机械尺寸决定。同轴电缆可以在较宽的频率范围内工作，抗干扰能力强，传输距离可达几公里，在早期计算机网络中被广泛采用。

（3）光纤。光纤电缆简称为光缆，是网络传输介质中性能最好、应用前途最广泛的一种。光纤是一种直径为50～100μm的柔软、能传导光波的介质，其中使用超高纯度石英玻璃纤维制作的光纤可以得到最低的传输损耗。在折射率较高的单根光纤外面，用折射率较低的包层包裹起来，就可以构成一条光纤通道；多条光纤组成一束，就构成一条光缆。其基本工作原理是：在发送端通过发光二极管，将电脉冲信号转换成光脉冲信号，在光纤中以全反射的方式传输，在接收端通过光电二极管将光脉冲信号转换还原成电脉冲信号。

由于光波的频率范围很广，所以光纤具有很宽的频带；光波在光纤中的传输几乎无损耗，可以在6～8km的距离内在不使用中继器的情况下实现高速率的数据传输。此外，由于是非电磁传输，无辐射，因此光纤的抗干扰能力很强，保密性好，误码率低。但光纤传输系统价格较贵，一般用作网络通信的主干线。

（4）无线传输。前面所讲述的三种介质都属于有线传输，但有线传输并不是在任何时候都能实现的。例如，通信线路要通过一些高山、岛屿，或者当公司临时在一个场地做宣传而需要联网时，这样就很难施工。即使是在城市中，挖开马路敷设电缆也不是一件容易的事。当通信距离很远时，敷设电缆既昂贵又费时。而且，我们的社会正处于一个信息时代，人们无论何时何地都需要及时的信息，这就不可避免地要用到无线传输。

可以在自由空间利用电磁波发送和接收信号进行通信就是无线传输。地球上的大气层为大部分无线传输提供了物理通道，这就是常说的无线传输介质。无线传输所使用的频段很广，人们现在已经利用了好几个波段进行通信。紫外线和更高的波段目前还不能用于通信。目前使用的无线通信的方法主要包括无线电短波、微波和卫星通信。

利用无线电短波电台进行数据通信是可行的。一般来说，短波的信号频率低于100MHz，它主要靠电离层的反射来实现通信，而电离层的不稳定所产生的衰落现象和电离层反射所产生的多径效应使得短波信道的通信质量较差。因此，当必须使用短波无线电台传输数据时，一般都是低速传输，速率为一个模拟话路每秒传几十至几百个比特。只有采用复杂的调制解调技术后，才能使数据的传输速率达到每秒几千比特。

微波通信在数据通信中占有重要地位。微波的频率范围为300MHz～300GHz，但主要是使用2～40GHz的频率范围。由于微波在空间主要是直线传播，且穿透电离层而进入宇宙空间，因此它不像短波那样可以经电离层反射传播到地面上很远的地方。这样，微波通信就有两种主要的方式：地面微波接力通信和卫星通信。

由于微波在空间是直线传输，而地球表面是个曲面，因此其传输距离受到限制，一般只有50km左右。但若采用100m的天线塔，则距离可增大至100km。为了实现远距离通信，必须在一条无线电通信信道的两个终端之间建立若干中继站。中继站把前一站送来的信号经过放大后再送到下一站，故称为“接力”。

微波接力通信可传输电话、电报、图像、数据等信息，其主要特点是：

●微波波段频率很高，其频段范围也很宽，因此其通信信道的容量很大；

●因为工业干扰和天气干扰的主要频谱成分比微波频率低得多，对微波通信的危害比对短波通信的危害小得多，因而微波传输质量较高；

●微波接力信道能够通过有线线路难以通过或不易架设的地区（如高山、水面等），故有较大的灵活性，抗自然灾害的能力也较强，因而可靠性较高；

●相邻站之间必须直视，不能有障碍物；

●隐蔽性和保密性较差。

卫星通信是在地球站之间利用位于36000km高空的人造同步地球卫星作为中继器的一种微波接力通信。通信卫星发出的电磁波覆盖范围广，跨度可达18000km，覆盖了地球表面三分之一的面积，三个这样的通信卫星就可以覆盖地球上的全部通信区域，这样地球各地面站之间就可以任意通信。

在卫星上可以安装多个转发装置，它以一种频率范围接收地面发来的信号，以另一种频率范围向地面站发出，其数据传输率约为50Mbps。国际上常用的频段为6/4GHz，也就是分别用（3.7～4.2）GHz和（5.925～6.425）GHz作为远程通信卫星向地面发送（下行）和地面站向上发送（上行）的频段，其频宽都是500MHz。由于这个频段已非常拥挤，因此现在也使用频率更高些的14/12GHz频段。每一路卫星信道的容量约等于10万条话频线路，可以将它看成大容量的电缆，且和发送站与接收站之间的距离无关。由于通信卫星是在太空的无人值守的微波通信中继站，因而其主要特点与地面微波通信类似，但有较大的传播延迟。

此外，也可使用红外线、毫米波或光波进行通信，但它们频率太高，波长太短，不能穿透固体物体，且很大程度上受天气的影响，因而只能在室内和近距离使用。

3.网络互联设备

网络互联的目的是使一个网络上的某一主机能够与另一网络上的主机进行通信，即使一个网络上的用户能访问其他网络上的资源，实现相互通信和交换信息。下面着重介绍管理信息系统建设中经常涉及的一些网络互联设备。

（1）中继器（Repeater）。中继器是计算机网络中最简单的设备，可以使相互联接的两个局域网间进行双向通信，扩展了网络电缆的长度。它的作用是清除噪声，放大整型信号，增加网段以延长网络距离。例如，总线型拓扑结构的局域网经常用中继器延长网段。

（2）集线器（Hub）。集线器相当于一个多口的中继器。它可以将局域网中的多台设备连接起来。

（3）网桥（Bridge）。网桥用于连接不同网络拓扑结构的网段。它可以进行协议转换，隔离网段，减少网络信息堵塞，使互联起来的局域网变成单一的逻辑网络，并具有自选路径的能力。

（4）路由器（Router）。路由器是比网桥更复杂的端口设备。它用于拓扑结构较复杂的网络互联。由于路由器工作在网络层，所以原则上它只能连接相同协议的网络，或者能在网络层互操作的网络。它对异构网的互联能力较强，既可用于广域网互联，也可用于局域网互联。路由器工作在网络层，它根据路由表传送信息。

（5）网关（Gateway）。网关又称为协议转换器，是最复杂的网络互联设备，用于在不兼容的协议之间进行信息转换。和路由器一样，网关既可用于广域网互联，也可用于局域网互联。但网关一般难以安装和维护，只有在没有其他选择时（处理根本不兼容的协议）才选用。一般用一台高档微机作为网关。比较典型的是用于银行专用网和Internet之间的支付网关。