计算机网络规模不同，其结构复杂程度也有所不同。大规模现代计算机网络的结构包括网络边缘（network edge）、接入网络（access network）与网络核心（network core）3部分。
网络边缘
回顾前文的概念,连接到网络上的计算机、服务器、智能手机、智能传感器、智能家电等称为主机或端系统。这些端系统位于网络的最边缘,因此,连接到网络上的所有端系统构成了网络边缘。网络边缘上的端系统运行分布式网络应用,在端系统之间进行数据交换,实现应用目的。例如,常用的Web应用,用户主机上运行浏览器软件,服务器主机上运行Web服务器软件。浏览器根据用户的输入或操作向Web服务器发送请求消息,Web服务器根据请求,向浏览器发送响应消息,浏览器解释并显示收到的消息,如web页面等。
普通网络用户在使用网络时,就是在网络边缘中通过使用某网络应用,实现在网络边缘的端系统之间的信息交换。因此,可以说网络边缘为网络用户提供了网络应用服务。
接入网络
简单网络中,如简单的局域网或个域网,网络边缘中的端系统可以通过通信链路直接连接,此时的网络可以认为没有图13中的网络核心和接入网络。对于大规模、复杂网络,例如 nternet,大部分端系统相距遥远,可能位于两个不同的国家,这些端系统之间的网络连接和通信需要网络核心进行数据中继或转发。通常情况下,网络核心是由一些电信网络运营商等企业运营的ISP网络,不能直接延伸到用户区域,例如家中,这些用户就需要借助接入网络实现与ISP的连接。
接入网络是实现网络边缘的端系统与网络核心连接与接入的网络。常见的接入网络技术包括以下几类。
电话拨号接入
电话拨号接入是利用电话网络,通过调制解调器( modem)将数字信号调制到模拟电话线路,通过电话网络的模拟语音信号作为载波传送到远端,再利用调制解调器将数字信号从模拟信号解调出来。这类接入方式在早期接入网络中主要用于家庭接入,利用了电话网络覆盖广泛的优点,能够方便地实现分散的家庭用户接入网络。但是这种接入方式的接入链路带宽有限,最大带宽通常为56kbit,对于现代 Internet网络用户来说,显然带宽太低,所以这种接入方式现在已经很少使用。
非对称数字用户线路ADSL
电话机连接电话端局的线路称为用户线路( Subscriber Line),ADSL( Asymmetrical Digital Subscriber Line)也是利用现有的电话网络的用户线路实现的接入网络。ADSL是目前家庭用户接入网络中比较常见的一种接入方式。ADSL基于频分多路复用(FDM)技术实现电话语音通信与数字通信(即网络数据传输)共享一条用户线路,在进行网络通信的同时可以进行电话语音通信,这与传统的拨号接入存在很大差异。之所以称为“非对称”数字用户线路,是因为在ADSL接入网络中,在用户线路上实现的上行(从用户端向网络上传数据)带宽比下行(从网络向用户端下传数据)带宽小。ADSL存在很多标准,并且可以实现的上行和下行带宽与用户线路的长度有关系,当用户线路长度在3~5km范围时,典型的上行带宽为512kbi~1Mbs,下行带宽为1~8Mbis。当用户线路长度在13km以内时,可以实现更高速率的VDSL,其典型的下行带宽可以达到55Mbis,上行带宽可以达到192 Mbit/s。
虽然ADSL接入方式主要用于家庭用户接入网络,但是一些小型商业用户也选择这种接入方式,比如小型商业门店等。
混合光纤同轴电缆HC接入网络
HFC( Hybrid Fiber-Coaxial)接入网络也称为电缆调制解调器( cable modem)接入,是利用有线电视网络实现网络接入的技术。HFC接入网络的用户端使用电缆调制解调器连接有线电视网的入户同轴电缆,同轴电缆连接到光纤结点,再通过光纤链路连接电缆调制解调端接系统,进而连接网络,如 Internet.HFC也是基于频分多路复用技术,利用有线电视网络同轴电缆剩余的传输能力实现电视信号传输与网络数据传输的共享。HFC也是“非对称”的,即上行带宽小于下行带宽,典型上行带宽为30.7Mbis,下行带宽为428 Mbit/s显然,HC也是家庭用户接入网络的常见选择,在国内外都有很多有线电视网络运营商提供HFC网络接入服务。需要特别说明的是,HFC接入是共享式接入,即连接到同一段同轴电缆上(比如同一栋住宅楼内)的用户共享上行和下行带宽。假设同一段同轴电缆的接入用户数为10个,上行带宽为30Mb,下行带宽为40 Mbit/s,如果所有用户都进行通信,则每个用户平均占有的上下行带宽分别是3Mbis和4 Mbit/s。可见,当HFC共享用户数量较大时,每个用户获得的实际带宽可能并不高。因此,虽然HFC接入的上下行带宽表面看要比ADSL的带宽高,但是当用户数量较大时,HFC接入没有ADSL接入速率快,因为,ADSL是独享式接入。
局域网
企业、学校等机构会在组织范围内建设局域网,连接所有需要接入外部网络(如Internet)的主机,然后通过企业网络或校园网的边缘路由器连接网络核心。典型的局域网技术是以太网、Wi-Fi等(后续章节会介绍)。事实上,除了企业、校园等机构网络在用局域网接入网络核心,现在随着光纤到户( Fiber to the home,FTTH)的推广与普及,越来越多住宅小区的家庭用户也采用局域网技术实现网络接入。
移动接入网络
移动接入网络主要利用移动通信网络,如3G4G/5G网络,实现智能手机、移动终端等设备的网络接入。随着移动通信技术以及移动互联网的发展,移动接入已成为 Internet接入的重要途径;尤其对于个人移动设备的接入,移动接入网络是不可替代的,而且将成为个人设备接入网络的首选途径。
网络核心
网络核心是由通信链路互连的分组交换设备构成的网络,作用是实现网络边缘中主机之间的数据中继与转发。比较典型的分组交换设备是路由器和交换机等。在大规模计算机网络中,相距遥远的主机之间不可能通过一条物理通信链路直接相连,而是各自通过接入网连接到网络核心上,彼此传输的数据都是通过网络核心进行中继与转发,最后送达目的主机。
在前面的图示的网络中,ISP网络就是网络核心。假如移动网络中的主机A要访问机构网络中的服务器S,则A与S之间的数据传输都要通过网络核心来完成。显然,A发往S的数据,在进入网络核心时,网络核心存在多条可能的路径将数据向S转发。对于网络核心中的每个路由器,必须能够为去往不同目的的数据做出合理的决策,选择如何转发数据,如转发给哪个相邻的路由器,通过路由器之间的转发与中继,最终将数据送达正确的目的主机。
网络核心如何实现数据的中继与转发?答案就是数据交换。
