由于计算机技术的飞速发展带动了网络的发展，在上个世纪80年代由于计算机数量不断增长，人们对知识、信息、计算等出现了互享的需求。此时大家都意识到只有一台孤立的计算机构成的孤岛没有太大意义，于是孤立的计算机组在一起形成网络。最初的形态是一个单位内的计算机可以组成客户机与服务器的形态。基本的互联方式有星形连接方式，总线连接方式及令牌连接方式。
一、 局域网（LAN）：
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以太网（Ethernet)
以太网（Ethernet）是由Xerox公司创建并由Xerox，Intel和DEC公司联合开发的基带局域网规范。以太网络使用CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection，载波监听多路访问/冲突检测）技术，并以10M/S的速率运行在多种类型的电缆上。后来以太网被收录到IEEE的规范，最终成为IEEE802·3系列标准的一部分。最早以太网是一套局域网协议，主要对局域网的电气接口，媒介，局域网内寻址，多路访问及冲突等内容进行了规范。以太网早期的连接方式有星形和总线型两种连接方式。
（1）星形连接方式，如图1，
图1 客户机/服务器
在基本的互联系统中，各个计算机通过hub（集线器）互联。这种互联方式称为星形连接方式。优点是各个计算机之间没有明显的连线，计算机之间是通过集线器或交换机进行互联。通过协议控制可以减少收发冲突。早期10M网多采用 网线 + hub 的星形结构，随着交换机技术的发展，早期的hub已经被交换机（switch）替代，但星形连接方式依然保留。
（2）总线型互联
图2 总线型互联
总线型互联的特点是所有的计算机共享一套总线，物理连接简单，成本低。但缺点也很明显，在计算机进行收发信息时调度比较困难，为了解决总线发送数据冲突，每个时刻只有一台计算机可以发送信息，而且要有协议保证一旦冲突产生如何解决冲突，保证后续通信继续进行。早期的10M互联连接中也是比较流行的方式，特别是hub之间的互联。目前总线式结构在具有调制/解调Modem的控制下依然比较流行，但计算机是通过Modem（如ADSL，Asymmetric Digital Subscriber Line等）将数据经过调制后连接到总线上的，而不是直接与总线连接。总线一般采用阻抗75欧姆或50欧姆同轴电缆实现。
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令牌环网（Token-ring network）
同期还有IBM发明令牌（Token）互联的方式即把所有的计算机通过令牌（Token）方式把所有的计算机串联在一起形成环网。逻辑连接如图3
图3 令牌环网逻辑连接
物理连接如图4所示。通信传输介质可以是无屏蔽双绞线、屏蔽双绞线和光纤等。结点间采用多站访问部件（Multi-station Access Unit，MAU）连接在一起。MAU是一种专业化集线器，它是用来将围绕工作站的计算机进行环路传输。由于数据包看起来像在环中传输，因此称为环网。
图4 令牌环网物理连接
令牌环网（Token-ring network）的特点，每台计算机只有得到令牌才能发送，因此消除了多机发送冲突问题，提高了发送效率，但由于每一个时间段只有一台主机能够发送数据，因此比起目前的带有网络交换的以太网效率明显有不足之处，因此慢慢退出了历史舞台。但是环形通信拓扑在嵌入式局域通信中依然有较大的市场，特别是在中长距离的环形通信中节省了通信线路媒介的成本，同时能提供系统备份的作用，如图4所示，假设客户机4对应的MAU出现问题，从环形拓扑的结构上看，客户机1到客户机6依然可以通信，当然这需要特殊的机制来保证。
令牌环网最终被IEEE认可，最终成为IEEE802.5标准。本文对令牌环网的通信机制和协议不做详细介绍，后续会有专门的文章介绍令牌环网。
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互联网（internet)
局域网的发展到一定阶段后，发现仅仅连接一部分计算机组成的网络，还是没有办法实现更广泛的知识共享，实际上由单一的孤岛变成一个小孤岛，小孤岛解决了部分企业内部问题，但离广泛的知识共享还差的很远。因此到90年代开始将各个局域网连在了一起形成互联网（internet），从字面看看就是网络之间的网络。互联网通过一组相同的协议将原来运行不同协议的局域网或主机连在一起，同时该阶段互联网协议也得到广泛的应用，这就是著名的TCP/IP协议。互联网是包容性很强的互联机制，通过路由器可以允许不同协议族的局域网互联在一起。图5显示在底层分别采用了以太网和令牌环网两个局域网，在互联网上依然可以很好的交换数据。这主要归功于IP路由器起到了关键性作用。
图5
互联网的飞速发展很快突破了最早的发展预期，虽然早期的规划中可能有局域网（LAN）、城域网（MAN，Metropolitan Area Network）、广域网（WAN）等多个阶段，但后来发展仅仅在物理布线上体现了这样的过程，实际互联网的发展中在逻辑上完全打破这个概念，互联网访问和寻址不仅可以按区域划分，更多的是按照功能划分，如后缀为.cn表示地域为中国，.ca为加拿大，.us为美国等，但更多会使用.net（网络服务）， .com（商业）， .edu（教育）以功能划分的网络寻址方式提供各种服务。互联网拓扑示意图如图6所示。
图6 互联网拓扑示意图
二、网络设备（network devices）
探讨网络，网络设备几乎是不可回避的问题，这里涉及到众多的交换设备及接口设备，有些已经淘汰，有些经过改进仍然在使用，当然为了支持网路的日新月异的发展，新型设备也层出不穷，但主要设备可分为如下几个大类。
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集线器（hub)
集线器是比较简单的设备，外观和我们目前看到的交换机设备非常类似，但原理却有很大的差别。NETGEAR 10M以太网hub如图7所示。
图7 集线器
其实集线器内部实际上结构非常简单，主要实现总线共享，可以经过缓冲后进行连接。图8显示了3口hub的内部转接原理（采用10base-T）。从图8中可以看出hub内部仅仅采用了电气缓冲而没有数据缓冲，因此如果Station2，3同时发送数据时，在station1的接收处的数据碰撞与冲突并没有解决，这也就是CSMA/CD名称的由来。在这种情况下一般在每个station（站点）的接收端都有载波检测，只有当整个网内都空闲的时候才允许本站发送数据，一旦检测到冲突将会采用退步算法（BEB，Binary Exponential Backoff），即发生碰撞的各个主机都随机延时一段时间然后再发送数据。图7是比较流行的hub接口设备，一般采用RJ45的水晶头作为外部的接口，目前的比较流行的交换机也采用同样的连接方式，因此对RJ45的接口一般并不陌生。HUB与主机之间一般采用三类线（cat3），四类线（cat4）或五类线（cat5）进行连接。
图8
从图8的布局看，在主机用cat3，cat4，cat5等三种类型线与HUB连接时只用了4对差分线（双绞线）的两对，其中1，2组合为发送对，3，6组合为接收对，这两种组合在10base-T，100base-T用法一致。配对组合如图9所示。
图9
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网卡
典型的10M网卡如图10所示，从图10的对外接口可以看出，该网卡有两种接口，一种是RJ45水晶头接口，另一种为BNC的同轴电缆接口以适应总线型的连接方式。由于网线连接方式获得巨大成功，因此最新的网卡只有水晶头连接方式，同轴连接器在网络连接中逐渐退出历史舞台。
图10 网卡
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交换机（switch）
交换机设备的外观如图11所示，从图11的外观可以看出，该外观图5非常相似，但由于交换机的原理与HUB的原理有较大的差别，因此设备的外观虽然相似，但内部硬件却有很大的差别。
图11 5口交换机
从图8可以看出，集线器（HUB）内部将各个连接的端口通过简单的缓冲器进行连接，而且是1发多收机制，即一台主机发送，其它连线主机都可以无差别的收到数据。因此具有数据广播的功能。由于数据没有经过数据缓冲器缓冲，因此一旦成功连接，通信中除了线路延时，几乎没有其它附加延时，因此HUB在数据传递过程中延时最小。
交换机先将接收到的数据进行缓存，然后解析数据包中的协议部分以便决定如何转发。转发类型有3种：
（1）广播（broadcast），及将接收到的数据包转发到所有与交换机连接的主机。如图12-1所示。
（2）多播：根据协议选择性的转发到协议指明各个主机上，如图12-2所示。
（3）单播（unicast），即转发到协议规定的某台主机上，如图12-3。 数据缓存器一般采用FIFO或双口RAM实现。
图12-1 广播示意图
图12-2 多播示意图
图12-3 单播示意图
交换机的原理在后续章节中会有详细介绍，这里仅示意交换机与集线器的差别。
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中继器（Repeater）
中继器的主要用途是放大或增强信号以延长传输距离。当网络信号经过线路传输的时候，信号的幅度会传输距离的加长而逐渐衰减，当幅度衰减到一定程度后在接收端将无法恢复出原始信号，因此在传输线路插入中继器可以不断延长传输距离。
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中继器分类，中继器按照传输媒介可以分为：
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电话中继
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主要对有线电话信号进行中继。网络差分信号的中继与电话线中继非常类似，主要对线路信号进行接收、放大、滤波，处理过的信号再转发。
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光纤中继（放大器amplifier）
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主要对光纤通信中的光信号进行增强处理。由于直接对光信号放大在技术上有一定的难度，一般情况下先将光信号先转成电信号，电信号经过放大、滤波、整形再经过激光管重新发送。
中继器如果处理的数字信号，一般都带有波形整形环节，而在光纤线路中还有一种设备仅对信号进行放大而不做整形，因此这种设备一般称为光纤放大器。
光纤放大器仅仅将信号进行放大，不做整形处理，因此一般用于对模拟信号的处理，而中继器一般对数字信号进行处理。
中继器与放大器的在功能上的差别如图14所示。
图 14
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无线中继
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无线中继主要对无线信号进行接收、放大及转发。无线中继有窄带无线中继和宽带中继及无线基带中继几种。
窄带中继在信号接收后经过滤波挑选出需要的窄带信号进行放大，然后转发。宽带中继进行无差别的放大后转发。
基带信号中继对高频信号经过选频后进行频谱搬移，将选出信号的中心频率搬移到频率的0点，因此又称为零中频信号或基带信号。将基带信号进行放大后再搬回到以前的中心频率，然后转发到空中。如果基带信号是调制后的数字信号，有的中继器含有解调器将数字信号恢复，整形后在用同样的方法调制并将频谱搬移到同样的位置进行转发。更复杂的设备是将数字信号接收后进行分析、纠错等措施，然后重新调制并转发。复杂的处理措施，最终的中继的效果也会越好，但延时也会随着复杂的处理过程而加长。这对于延时有要求的通信可能会有一定的限制。当然越复杂的处理过程成本越高，功耗也会随着复杂度的增加而增加。
图15 无线中继
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路由器/网关（gateway）
路由器的主要功能是利用数据包中的三层协议（IP）进行目的主机寻址，并提供优化算法。比较著名的路由协议有RIP，OSFP,BGP等。路由器是集成了路由协议算法的设备。
网关这个名词经过了历史变迁，最早为了将不同的协议组成的网络互联在一起必须有一种设备将不同的协议进行解释和转换如图16，一次出现了专门由于协议转换的盒子，这些盒子最早就称为网关。后来随着互联网规模的扩大，这些盒子不仅转换协议，也有路由算法，因此后来将这类设备统称为路由器，而网关成为路由器的一个部分。 
图16
目前常用的设备将网关，交换机，路由器以及WIFI等集成在一起形成符合设备如图17
图17
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网桥（bridge）
网桥实现网络转发的功能，一般将两个局域网进行连接实现数据缓冲和转发的功能。从物理拓扑上看网桥非常类似网关或中继器，但网桥的物理结构比较简单没有网关的协议转换功能。从功能上看有非常类似路由器，都是工作在OSI的第二层（MAC），实现局域网之间的隔离，但网桥不具备路由算法的实现，而且不能隔离广播包。网桥的功能示意图如图18所示。
图18
总结：本节内容将网络的基本结构及发展历程作了简单介绍，所涉及到的互联网设备也做了分类介绍，主要目的是为了使读者对互联网的架构有个清晰的概念，对于还联网中所涉及的媒介、协议、开发与应用等的技术细节将会在后续章节中一一展开介绍。
