1.3 计算机网络的分类

计算机网络的分类方法有多种，按覆盖的地理范围进行分类，计算机网络可以分为：个人区域网、局域网、城域网与广域网。如图1.5所示。

从网络技术发展历史看，最先出现的是广域网，然后是局域网，在因特网大规模接入需求的推动下，网络接入技术的发展导致宽带城域网的出现。

（1）局域网（LAN）用于将有限范围内（例如一个实验室、一幢大楼、一个校园）的各种计算机、终端与外部设备互联成网。

（2）城域网（MAN）的设计目标是满足几十公里范围内的大量企业、机关、公司的多个局域网互联的需求，以实现大量用户之间的数据、语音、图形与视频等多种信息的传输。

（3）广域网（WAN）又称为远程网，它所覆盖的地理范围从几十公里到几千公里。广域网可以覆盖一个国家、地区，或横跨几个洲。广域网将分布在不同地区的宽带城域网或计算机系统互联起来，提供各种网络服务，实现信息资源共享。

1.3.1 广域网

广域网技术的发展过程可以以ISDN、X.25、WDM与GE这4条路线来表示。如图1.6所示。

1．X.25分组交换网

1974年，X.25网出现。它是一种典型的公共分组交换网。X.25协议规定了用户终端设备与X.25交换机之间的接口标准。图1.7给出了X.25网的结构。

由于当时电信公司提供的传输线路（电缆）通信质量不好，误码率高，传输速率低，因此X.25协议设计的重点是解决数据传输的差错控制、流量与拥塞控制问题，这种设计思路带来的直接效果就是协议结构复杂。X.25网的传输速率较低，通常为64Kbps。

早期，很多国家和地区都组建X.25网。典型的公共分组交换网有TELENET、DATAPAC、TRANSPAC等。1989年，中国的公共分组交换网CHINAPAC投入使用。

2．帧中继网（FR）

随着计算机通信技术的不断发展，数据通信的环境和联网需求也在变化。主要表现在以下几个方面：

（1）传输介质变成光纤后，误码率很低，数据传输速率高。原来X.25网为了解决误码设计的复杂控制已经没有必要。

（2）大量局域网之间高速互联的需求越来越强烈，原来X.25网复杂协议不能满足需要。

（3）用户计算机性能提高，可以承担一部分原来由通信子网承担的通信处理功能。

针对这种情况，人们在数据传输速率高、误码率低的光纤上，使用简单的协议以减小网络延时，将必要的差错控制功能交给用户设备完成，采用面向连接、虚电路的工作方式，为用户提供一种“虚拟专用线路”（VPN）服务，从而产生了帧中继技术。

1991年，第一个帧中继网在美国问世，它可以提供1.5Mbps的数据传输速率。如图1.8所示。

帧中继网出现后不久就获得了快速发展，传输速率最高可以达到45Mbps。

3．宽带综合业务数字网（B-ISDN）

在一些发达国家电话业务趋于饱和后，一些非电话业务（例如传真、用户电报、电子邮件、可视图文以及数据通信）发展迅速。现有的电话网、用户电报网、数据通信网等都是独立的。当用户要使用多种服务时，需要按服务类型申请多条用户线路。这种按业务组网的方式线路利用率低、用户成本高。在这种背景下，CCITT提出将语音、数据、图像等业务综合在一个网内的设想，即建立ISDN。

ISDN从20世纪70年代开始构思，80年代开始研究和试验。1988年，CCITT开始在各国推动ISDN向商用化方向发展。

随着光纤、多媒体与文件传输技术的发展，人们对数据传输速率的要求越来越高。在ISDN标准还没有完全制定时，人们提出一种新型的宽带综合业务数字网（B-ISDN）。B-ISDN的设计目标是将语音、数据、静态与动态图像的传输以及传统的服务综合在一个通信网中，覆盖从低传输速率到高传输速率的各种非实时、实时与突发性的传输要求。ATM技术符合B-ISDN的需求，B-ISDN传输网选择了ATM技术。

4．SONET与SDH

如果要保证数据传输系统正常工作，就要求接收端的接收时钟与发送端的发送时钟严格保持一致，否则接收端不能正确地判断接收到的二进制比特流。因此，同步是保持接收时钟与发送时钟一致性的过程，是网络中的一个重要概念。

同步：一组信号为同步信号，意味着信号之间是以绝对相同的速率和相位传输的。如果信号之间的相位或速率存在偏差，则这个偏差必须在规定范围内。在同步网络中，所有时钟都是通过基本的参考时钟PRC获得的，PRC的精度必须保持在±1×10-11之内，因此时钟精度只能通过铯原子钟获得。

准同步：一组信号为准同步信号，意味着信号之间的速率和相位必须基本相同。如果信号之间的相位或速率存在偏差，则这个偏差也必须在规定范围内。在两个互联的网络中，每个网络中的时钟都是通过基本的参考时钟（PRC）获得的，但两个网络的PRC之间的精度可能存在偏差，因此这种系统通常称为准同步系统。

异步：一组信号为异步信号，意味着各个信号之间的速率和相位偏差要大于准同步信号。如果两个网络的时钟分别从各自的石英振荡器中获得，则这两组信号就是异步信号。由于异步传输系统的时钟是独立和非同步的，接收时钟与发送时钟的差异会造成发送数据速率与接收数据速率的差异。因此，要保证接收端正确识别、接收二进制比特流，接收端和发送端必须采用复杂的同步技术。

SDH是一种数据传输体制，它规范了数字信号的帧结构、复用方式、传输速率等级与接口码型等特征。早期的电话运营商在电话交换网中使用光纤时，TDM（时分多路复用）设备是专用的，并且各个运营商的TDM标准不同。B-ISDN是以光纤作为其传输干线的，实现B-ISDN的重要问题是对传输速率进行标准化。

1988年，美国国家标准协会（ANSI）的T1.105和T1.106定义了光纤传输系统的线路速率等级，即同步光纤网（SONET）标准。定义了51.840～2488.320Mbps的传输速率标准体系，其基本速率（STS-1）是51.840Mbps。同步网络的各级时钟都来自一个精度为±1×10-11量级的铯原子钟。

ITU-T在SONET的基础上制定了同步数字体系（SDH）。SDH标准不仅适用于光纤传输系统，也适用于微波与卫星传输体系。SONET/SDH标准被推荐为B-ISDN的物理层协议，是新一代理想的传输网体系。

SDH的发展经历了以下3个过程：

（1）SONET的概念由美国贝尔通信研究所在1985年首先提出。设计SONET的目的是解决光接口标准规范问题，定义同步传输的线路速率的等级体系，以便不同厂家的产品可以互联，从而能够建立大型的光纤网络。

（2）1986年，CCITT（现ITU-T）接受了SONET的概念，并于1986年7月成立了第18研究组，开始SDH的研究工作，使它成为通用性技术体制。

（3）1988年，ITU-T第18研究组通过有关SDH的3个建议，并在1989年ITU-T的蓝皮书上正式登载，它们是G.707（同步数字体系的比特率）、G.708（同步数字体系的网络结点接口）、G.709（同步复用结构），定义了SDH的速率、复用帧结构、复用设备、线路系统、光接口、网络管理和信息模型等，从而确立了SDH作为国际标准的地位。1992年，ITU-T增加了十几个建议书，从而出现国际统一的通信传输体制与速率、接口标准。

5．ATM网

在已经成功研究和应用SONET/SDH技术的基础上，20世纪90年代早期，电话公司的技术人员提出了ATM的概念。它建立在电路交换和分组交换的基础上，采用面向连接的快速分组交换技术。在ATM交换方式中，文本、语音、视频等数据都将被封装为信元，信元长度确定为53B。ATM网的数据传输速率为155Mbps～2.4Gbps，在保证传输的实时性与服务质量方面的技术优势是20世纪90年代网络传输技术的一个重要突破。

但是，它并没有像设计者预期的那样取代广域网、城域网和局域网，成为“一统天下”的网络技术。其原因很简单：一是造价和使用费用昂贵，二是协议与已广泛流行的IP协议、以太网协议不一致。用异构、造价昂贵的ATM技术去取代已大量存在的计算机网络和电信网并不现实，而与IP网络紧密结合，各自发挥特点是一条可行之路。因此，20世纪90年代中期ATM网开始应用于广域网，成为因特网主干网的重要组成部分。

6．光以太网

从构造电信级的运营网络角度来看，传统以太网技术存在很多不足。2000年，一些电信设备公司提出了光以太网。光以太网利用光纤的巨大带宽资源与成熟的以太网技术，为运营商建造新一代的网络提供技术支持。其具备以下特征：

（1）根据终端用户的实际应用需求分配带宽，保证带宽资源充分、合理应用。

（2）用户访问网络资源必须经过认证和授权，确保用户对网络资源的安全使用。

（3）及时获得用户的上网时间记录和流量记录，支持按上网时间、用户流量实时计费或包月计费功能。

（4）支持VPN和防火墙，可以有效地保证网络安全。

（5）提供分级的QoS（服务质量）服务。

（6）方便、快速、灵活地适应用户和业务的扩展。

光以太网是以太网与密集波分多路复用（DWDM）技术相结合的产物，它在广域网与城域网的应用中具有明显的优势。因为如果构建同样规模的广域网或城域网，光以太网的造价是SONET的1/5，是ATM的1/10。同时，速率为100Gbps的以太网能覆盖从广域网、城域网到局域网的整个范围。

1.3.2 局域网

20世纪70年代初期，欧美的一些大学和研究所开始研究局域网技术。早期的局域网主要是令牌环网。20世纪80年代，局域网领域出现以太网与令牌总线、令牌环三足鼎立的局面，并且各自都形成了相应的国际标准。20世纪90年代，以太网开始得到业界认可和广泛应用。21世纪，以太网技术已成为局域网领域的主流技术。图1.9给出了局域网技术的演变过程。

以太网的核心技术是随机争用型介质访问控制（MAC）方法，它是在ALOHANET的基础上发展起来的。ALOHANET出现在20世纪60年代末，是夏威夷大学为实现位于夏威夷瓦胡岛主校园的一台IBM 360主机与各个岛屿不同校区的计算机之间的互联，开发的一种无线分组交换网。ALOHANET使用一个公共无线电信道，支持多个结点对一个共享无线信道的多路访问。最初的数据传输速率为4800bps，后来提高到9600bps。

20世纪70年代初期，Bob Metcalfe在ALOHANET的基础上进行改进，提出一种总线形（传输介质是同轴电缆）局域网的设计思想。1972年，BobMetcalfe和David Boggs开发出第一个实验性的局域网，实验系统的数据传输率达到2.94Mbps。1973年，他们将这种局域网系统命名为以太网（Ethernet）。

1976年7月，Bob Metcalfe与David Boggs发表了具有里程碑意义的论文“Ethernet:Distributed Packet Switching for Local Computer Networks”。以太网的核心技术是介质访问控制方法CSMA/CD。CSMA/CD方法用来解决多个结点共享一条总线的问题。

1980年，Xerox、DEC与Intel三家公司合作，第一次公布以太网的规范。1981年， Ethernet V2.0规范公布。IEEE802.3标准在Ethernet V2.0的基础上制定，它推动了以太网技术的发展和广泛应用。

1990年，IEEE802.3标准推出非屏蔽双绞线以太网10Base-T，数据传输率为10Mbps。由于造价降低，性能价格比大大提高，这就使以太网在与多种局域网产品的竞争中占有明显优势。以太网交换机产品的面世，标志着交换式以太网（Switched Ethernet）的出现，并据此产生了虚拟局域网，进一步加强了以太网在市场竞争中的优势。

1993年，使用光纤作为传输介质的以太网10Base-F推出。

1995年，传输速率为100Mbps的快速以太网（FE）推出。

1998年，传输速率为1Gbps的千兆以太网（GE）推出。GE产品问世，成为局域网主干网的首选方案。

2002年，传输速率为10Gbps的十千兆以太网（10GE）技术出现。10GE定义了两种不同的物理层标准：10GE局域网标准（ELAN）与10GE广域网标准（EWAN）。

2010年，出现传输速率为100Gbps的以太网（100GE）。

图1.10所示为按照时间排列的顺序局域网技术发展情况。

1.3.3 城域网

2000年前后，北美电信市场很多长途电话公司和广域网运营公司纷纷倒闭。主要原因是：使用低速调制解调器和电话线路接入因特网的接入方式已不能满足人们的要求。很多电信运营商虽然拥有大量的广域网带宽资源，却无法有效地解决本地大量用户的接入问题。要解决这个问题，电信运营商就必须提供全程、全网、端到端和灵活配置的宽带城域网。在这样的社会需求驱动下，电信运营商纷纷将竞争的重点和大量的资金，从广域网主干网的建设转移到高效、经济、支持大量用户接入和支持多业务的城域网的建设中，导致世界性的信息高速公路建设的高潮，为信息产业的高速发展奠定了坚实的基础。

1．城域网

20世纪80年代后期，按计算机网络覆盖范围来划分，城域网是指覆盖一个城市范围的计算机网络，主要用于局域网的互联。根据IEEE802委员会的最初表述，城域网是以光纤为传输介质，能够提供45～150Mbps的高传输速率，支持数据、语音与视频综合业务的数据传输，可以覆盖跨度在50～100km的城市范围，实现高速宽带传输的数据通信网络。早期城域网的首选技术是光纤环网，典型的产品是FDDI。设计FDDI的目的是实现高速、高可靠性和大范围局域网互联。FDDI采用光纤作为传输介质，传输速率为100Mbps，可用于100km范围内的局域网互联。FDDI支持双环结构，具备快速环自愈能力，能适应城域网主干网建设的要求。IEEE802.5协议规定，FDDI在介质访问子层上使用令牌环网控制方法。

随着因特网应用和新服务的不断出现以及三网融合的发展，城域网的业务扩展到几乎能覆盖所有的信息服务领域，城域网的概念也随之发生重要变化。

2．宽带城域网

现代城域网一定是宽带城域网，它是网络运营商在城市范围内组建的、提供各种信息服务业务的网络的集合。

宽带城域网是以宽带光传输网络为开放平台，以TCP/IP协议为基础，通过各种网络互联设备，实现语音、数据、图像、多媒体视频、IP电话、IP电视、IP接入和各种增值业务，并与广域计算机网络、广播电视网、电话交换网互联互通的本地综合业务网络，以满足语音、数据、图像、多媒体应用的需求。现代化城市的宽带城域网功能如图1.11所示。

3．无线城域网

随着无线网络的发展，无线城域网也得到了迅速发展。

1.3.4 个人区域网

随着笔记本电脑、智能手机、PDA与信息家电的广泛应用，人们逐渐提出自身附近10m范围内的个人操作空间移动数字终端设备联网的需求。由于个人区域网（PAN）主要是用无线通信技术实现联网设备之间的通信，因此就出现了无线个人区域网（WPAN）的概念。

2003年，IEEE批准低速无线个人区域网LR-WPAN标准——IEEE802.15.4，为近距离范围内不同移动办公设备之间低速互联提供统一标准。但是业界已经存在着两个有影响力的无线个人区域网技术，即蓝牙技术与ZigBee技术。

1．蓝牙技术

1994年，Ericsson公司与IBM、Intel、Nokia和Toshiba等4家公司发起，开发了一个用于将计算机与通信设备、附加部件和外部设备，通过短距离的、低功耗的、低成本的无线信道连接的无线标准。这项技术被命名为蓝牙（Bluetooth）技术。

蓝牙技术具有以下几个重要的特点：

（1）开放的规范。为了促进人们广泛接受这项技术，蓝牙特别兴趣小组（SIG）成立的基本目标是为蓝牙技术制定一个开放的、免除申请许可证的无线通信规范。

（2）近距离无线通信。在计算机外部设备与通信设备中有很多近距离连接的缆线，如打印机、扫描仪、键盘、鼠标、投影仪与计算机的连接线。这些缆线与连接器的形状、尺寸、引脚数目与电信号的不同给用户带来很多麻烦。蓝牙技术的设计初衷有两个：一是解决10m以内的近距离通信问题；二是低功耗，以适用于使用电池的小型便携式个人设备的要求。

（3）语音和数据传输。iPhone、iPad的出现，使得计算机与智能手机、PDA之间的界线越来越不明显了。业界预测：未来各种与因特网相关的移动终端设备数量将超过个人计算机的数量。蓝牙技术希望成为各种移动终端设备、嵌入式系统与计算机之间近距离通信的标准。

（4）在世界任何地方都能进行通信。通常，无线频段与传输功率的使用需要有许可证，并且受到严格的限制。蓝牙通信选用ISM中的2.4GHz频段（属于工业、科学与医药专用频段），用户在任何地方都可以方便地使用具有蓝牙功能的无线设备。

2．ZigBee技术

ZigBee的基础是IEEE802.15.4标准，早期的名字是HomeRF或FireFly。它是一种面向自动控制的近距离、低功耗、低速率、低成本的无线网络技术。ZigBee联盟成立于2001年8月。2002年，摩托罗拉、飞利浦、三菱等公司宣布加入ZigBee联盟，研究下一代无线网络通信标准，并将其命名为ZigBee。

ZigBee联盟在2005年公布了第一个ZigBee规范“ZigBee Specification V. 10”，它的物理层与MAC层采用了IEEE802.15.4标准。

ZigBee适应于数据采集与控制结点多、数据传输量不大、覆盖面广、造价低的应用领域。基于ZigBee的无线传感器网络已在家庭网络、安全监控、汽车自动化、消费类家用电器、儿童玩具、医用设备控制、工业控制、无线定位等领域，特别是在家庭自动化、医疗保健与工业控制中展现出重要的应用前景，引起产业界的高度关注。

1.3.5 局域网、城域网与广域网的三网融合

在讨论了局域网、城域网与广域网技术的发展过程后，读者可以清楚地看到两大融合的发展趋势，即除了计算机网络、电信网与广播电视网在技术与业务上的三网融合，还有计算机网络中的局域网、城域网与广域网技术的三网融合。如图1.12所示。

1999年3月，IEEE成立高速研究组（HSSG），致力于10GE技术与标准的研究。2002年6月，IEEE802.3ae委员会通过10GE的正式标准。在10GE标准的制定过程中，遵循技术可行性、经济可行性与标准兼容性的原则，目标是将以太网从局域网范围扩展到城域网与广域网范围，成为城域网与广域网的主干网的主流技术之一。

10GE的数据传输速率高达10Gbps，传输介质不再使用铜质双绞线，而只使用光纤，以便在城域网和广域网范围内工作。10GE只工作在全双工方式，不存在介质争用的问题。10GE不使用CSMA/CD工作机制，因而传输距离不受冲突检测的限制。从技术的角度来看，10GE完全可以用于几十米乃至几公里的局域网、几十公里的城域网以及几百公里的广域网中。因此，100GE光以太网技术的发展更是导致广域网、城域网与局域网在技术上的融合。