《分布式系統：概念與設計》一3.2 網絡類型

本節介紹主要用于支援分布式系統的網絡類型：個域網、區域網路、廣域網、城域網以及它們的無線變體。互連網絡（如網際網路）是基于這些類型的網絡構造出來的。圖3-1給出了下面讨論的各種網絡的性能特征。

一些網絡類型的名字經常會被混淆，因為它們看上去指的是實體範疇（局域、廣域），其實它們也确定了實體傳輸技術和底層的協定。對于區域網路和廣域網來說，這些方面是不一樣的，盡管一些網絡技術，如atm（異步傳輸模式）既适用于區域網路又适用于廣域網，一些無線網絡也同時支援區域網路和城域網傳輸。

我們把由很多互連的網絡組成，并且內建起來提供單一資料通信媒體的網絡稱為互連網絡。網際網路就是典型的互連網絡，它由數百萬的區域網路、城域網和廣域網組成。我們将在3.4節較長的描述它的實作。

個域網　個域網（personal area network,pan）是本地網的子類，其中一個使用者攜帶的各種數字裝置由一個廉價、低能量網絡連接配接起來。有線pan不是太重要，因為很少有使用者希望自己身上有有線網絡，但由于行動電話、pda、數位相機、音樂播放器等個人裝置數量的增加，無線個域網（wpan）的重要性也随之增加。我們将在3.5.3節描述藍牙wpan。

區域網路　區域網路（local area network,lan）在由單一通信媒體連接配接的計算機之間以相對高的速度傳輸消息，這裡的通信媒體包括雙絞線、同軸電纜和光纖。86網段是指為某個部門或者一個樓層中很多計算機服務的那部分電纜。在段中，消息不需要路由，因為網段中的計算機都有直接的連接配接。整個系統的帶寬由連接配接在網段範圍内的計算機共享。大一些的區域網路，比如校園網或者辦公樓中的網絡，由許多網段組成，段之間通過交換機或集線器互連（詳見3.3.7節）。對于區域網路來說，除了消息流量很大的時候，系統總帶寬很高，而延遲時間很短。

20世紀70年代，人們開發了多種區域網路技術——以太網、令牌環和有槽環形網，這些技術都提供了有效和高性能的解決方案，但最終以太網成為有線區域網路的主導技術。它産生于20世紀70年代的早期，當時的帶寬是10mbps（每秒100萬比特），最近擴充為100mbps和1000mbps（每秒1g比特）。以太網操作的原理将在3.5.1節中加以描述。

區域網路的适用性很強，它可以在幾乎所有的工作環境中工作，隻需有一兩台以上的個人計算機或者工作站，它們的性能對實作分布式系統和應用來說已經足夠了。以太網技術缺乏許多多媒體應用所需的延遲和帶寬保證，但atm網絡的開發填補了這個空白，但它們昂貴的開銷限制了它們在區域網路應用中的使用。而高速以太網采用交換模式加以部署，在很大程度上克服了上述缺點，雖然它的有效性不如atm網絡。

廣域網　廣域網（wide area network,wan）在屬于不同組織以及可能被遠距離分隔開的結點之間以較低速度傳遞消息。這些結點可能分布在不同的城市、國家甚至不同的洲。其通信媒體是連接配接專用計算機（稱為路由器）的通信電路。路由器管理整個通信網絡，并将消息或資料包路由到指定的地點。在大多數的網絡中，路由操作在每個路由點都引進了一定的延遲，是以消息傳送總的延遲取決于消息經過的路由和消息經過的網絡段的流量負載。在如今的網絡中，這些延遲可能達到0.1～0.5s。大多數媒體的電信号速度接近光速，這就給長距離網絡的傳輸延遲設定了一個下限。舉例來說，一個信号從歐洲到澳洲通過陸路連接配接的傳播時間大約是0.13s，而地球表面上任意兩個點之間經過地球同步衛星傳輸的信号有大約0.20s的延遲。

網際網路上可用的帶寬也變化很大。在部分網際網路上速度可以達到600mbps，但通常情況下，傳輸大量資料的速度還是1～10mbps。

城域網　城域網（metropolitan area network,man）基于城鎮或城市裡高帶寬的銅線和光纖電纜，在50km的範圍内傳輸視訊、音頻或者其他資料。人們已經使用了多種技術來實作在man中的資料的路由，例如，從以太網到atm。87

以目前在許多城市可用的dsl（數字使用者線）和電纜數據機連接配接為例。dsl通常使用電話交換系統中的atm交換機（在已有的用于電話連接配接的電線上用高頻信号）将雙絞線上的數字信号以大約1～10mbps的速度路由到使用者的家或辦公室中。因為dsl使用者連接配接使用的是雙絞線，是以限制使用者和交換機的距離要在5.5km之内。電纜數據機連接配接是在同軸電纜架構的有線電視網絡上使用模拟信号傳輸，速度可以達到15mbps，其範圍大大地超過了dsl。

dsl實際上代表了包括adsl（即非同步數字使用者線）的一類xdsl技術。近來的vdsl和vdsl2（very high bit rate dsl）的速度可達到100mbps，設計用來支援高清電視的多媒體傳輸。

無線區域網路　無線區域網路（wireless local area network,wlan）用于替代有線lan，為移動裝置提供連接配接，或者說，使得家裡和辦公樓内的計算機不需要有線的基礎設施就能互相連接配接并連到網際網路上。它們都是廣泛使用的ieee 802.11标準（wifi）的變體，在1.5km範圍内提供10～100mbps的帶寬。3.5.2節将給出這些方法的詳細介紹。

無線城域網　ieee 802.16 wimax标準針對這類網絡。無線城域網（wireless metropolitan area network,wman）旨在替換家庭和辦公樓中的有線連接配接，并在某些應用中超越802.11 wifi網絡。

無線廣域網　無線廣域網（wireless wide area network,wwan）大部分行動電話網絡基于數字無線網絡技術，如世界上大部分國家采用的gsm（全球移動通信系統）标準。行動電話網絡通過使用蜂窩無線連接配接可在廣闊的地域（通常是整個國家或整個大洲）上運作，它們的資料傳輸設施為便攜裝置提供了到網際網路的廣域移動連接配接。上述蜂窩網絡提供的資料傳輸率相對較低，隻有9.6～33kbps，而“第三代”（3g）行動電話網絡的資料傳輸率在靜止狀态下可達到2～14.4kbps，移動狀态下（如車内）可達到348kbps的資料傳輸率。其底層技術是全球移動通信系統（universal mobile telecommunications system,umts）。全球移動通信系統已經朝着4g網絡演化，其資料傳輸率可達到100mbps。對移動和無線網絡領域快速發展的技術感興趣的讀者可參考stojmenovic的手冊［2002］。

互連網絡　互連網絡是一個通信子系統，它将多個網絡連接配接起來提供公共資料通信設施，這些資料通信設施覆寫了單個網絡中的技術和協定以及用于互連的方法。

開發可擴充、開放的分布式系統，需要用到互連網絡。分布式系統的開放性特征意指分布式系統所使用的網絡應該是一個可擴充到含有大量計算機的網絡，而單個網絡的位址空間有限，且一些網絡有性能限制，都不宜于大規模地使用。在互連網絡中，88可将衆多的區域網路和廣域網技術內建起來為各類使用者提供連網能力。這樣，互連網絡給分布式系統的通信提供了很多開放系統所具有的好處。

互連網絡是由多種網絡組建而成的。它們的互連依靠稱為路由器的專用計算機和稱為網關的通用計算機，內建通信子系統由軟體層實作，它為互連網絡的計算機提供尋址以及資料傳輸功能。可以把互連網絡想象成一個“虛拟網絡”，它是由底層網絡、路由器、網關組成的通信媒體上覆寫一個互連網絡層而構造出來的。網際網路是網際互連的一個主要的例子，它所使用的tcp/ip協定是上面提到的內建層的一個例子。

網絡錯誤　圖3-1的比較沒有顯示的一點是不同網絡中會發生的故障頻率和類型。除了在無線網絡中資料包經常會因為外部幹擾而丢失之外，其他各種網絡的底層資料傳輸媒體的可靠性都很高。但在所有網絡中，都會由于處理延遲、交換機緩沖區溢出或者目的結點緩沖區溢出而引起資料包丢失，而這也是迄今為止資料包丢失最常見的原因。

資料包到達的順序可以與發送的順序不一樣，這種情況隻出現在對分離的資料包可以單獨路由的網絡——主要是廣域網中。如果發送方假設以前發送的資料包丢失了，那麼可以發送資料包的拷貝。資料包被重發後，接收方會同時收到原資料包和重發的資料包。