计算机联网这一主题覆盖了许多不同种类的网络，规模有大有小，有知名的也有不知名的。不同的网络有不同的目标、规模和技术。在本节中，我们将介绍一些网络实例，以便读者对于计算机网络领域中的多样性有所认识。
在全球移动网络已经有超过50亿用户了，这差不多是全球人口的65%。这些用户中的大多数（即使不是绝大多数）都通过其移动设备访问Internet（ITU，2016）。在2018年，移动Internet流量超过了全球在线流量的一半。因此，接下来有必要讨论移动电话网络。
01、移动网络体系结构
移动电话网络的体系结构与Internet的体系结构非常不一样。它有几个部分，图1-19中显示的是简化版本的4G LTE体系结构。这是一种常用的移动网络标准，仍将继续使用，直至被第五代网络（即5G）替代为止。下面简短地讨论每一代的历史。
■ 图1-19简化版本的4G LTE体系结构
首先是E-UTRAN (Evolved UMTS Terrestrial Radio Access Network，演进的UMTS陆地无线接入网 )，这是一个很有想象力的名称，是一个无线通信协议，被用于在移动设备（比如蜂窝电话）和蜂窝基站 （cellular base station, 现在被称为eNodeB ）之间进行通信。UMTS （Universal Mobile Telecommunication System，通用移动电信系统 ）是蜂窝电话网络的正式名称。在过去几十年间，空中接口的进步已经极大地增加了无线数据传输速率（现在仍然在增加）。空中接口建立在CDMA （Code Division Multiple Access，码分多址）的基础之上，第2章将研究这一技术。
蜂窝基站连同它的控制器一起构成了无线接入网络 （radio access network）。这部分是移动电话网络的无线一侧。控制器节点或无线网络控制器 （Radio Network Controller，RNC）控制如何使用无线电频谱，而基站实现空中接口。
移动电话网络的其余部分负责运载无线接入网络的流量。它被称为核心网络 （core network）。在4G网络中，核心网络已经演变成分组交换网络，现在称为EPC （Evolved Packet Core，演进的分组核心网）。3G UMTS核心网络是从以前2G GSM系统使用的核心网络演变而来的；4G EPC完成了到完全分组交换核心网络的切换。5G系统也是完全数字的。现在这些不可能再回去了，模拟时代已经结束了（就像渡渡鸟已经灭绝了一样）。
数据服务已经变成了移动电话网络中一个比以往任何时候都更加重要的部分，它最初是从GSM中的短信服务以及像GPRS （General Packet Radio Service，通用分组无线服务）这样的早期数据包服务开始的。这些老式的数据服务以几十千位每秒的速率运行，但用户希望更高的速率。新的移动电话网络支持数百兆位每秒的传输速率。作为比较，语音通话通常在64kb/s的速率通道上可以承载，典型情况下还可以有3～4倍压缩。
为了运载所有这些数据，UMTS核心网络节点直接连接到一个分组交换网络上。S-GW （Serving Network Gateway，服务网络网关）和P-GW（Packet Data Network Gateway，分组数据网络网关）负责在移动设备与连接外部分组网络（比如Internet）的接口之间来回传递数据包。
这一转换方案可以在未来的移动电话网络中继续使用。手机上甚至使用Internet协议建立连接，按照IP语音的方式，通过分组数据网络进行语音通话。从无线接入到核心网络的全程都使用IP和数据包。当然，IP网络的设计方式也在不断地发生变化，以便支持更好的服务质量。如果它没有相应的服务质量，那么破碎的音频和跳跃的视频就不能打动付费用户。我们在第5章将介绍这个主题。
移动电话网络和传统Internet之间的另一个差异是移动性。当用户移出一个蜂窝基站的覆盖范围，进入另一个蜂窝基站的覆盖范围时，数据流必须从旧蜂窝基站重新路由到新蜂窝基站。这一技术称为移交 （handover）或转交（handoff），如图1-20所示。
■ 图1-20移动电话的移交
当信号质量下降时，不管是移动设备还是基站，都可能请求移交。在有些蜂窝网络中，通常是基于CDMA技术的蜂窝网络中，有可能在与旧基站断开连接之前就连接到新基站了。这样可提高移动连接的质量，因为服务期间不会出现中断。移动设备在很短的一瞬间实际上连接了两个基站，这样的移交方式称为软移交 （soft handover），以区别于硬移交（hard handover）。在硬移交中，移动设备先与旧的基站断开连接，然后再与新基站建立连接。
与此相关的一个问题是，当有进入的呼叫时，首先是如何找到一个移动用户的。每个移动电话网络在其核心网络中都有一个归属用户服务器 （Home Subscriber Server，HSS），它知道每个用户的位置，以及其他用于身份验证和授权的个人资料信息。以这种方式，可以通过联系HSS找到每个移动用户。
最后要讨论的一个领域是安全性。从历史上看，长期以来，电话公司采取了比Internet公司更为严格的安全措施，因为它们需要对服务收费，以及避免（付款）欺诈。不幸的是，除此之外没有其他理由可言。然而，在从1G到5G技术的演进过程中，移动电话公司已经能够为移动用户提供一些基本的安全机制。
从2G的GSM系统开始，移动电话分为手机和一个可插拔的芯片两部分，该芯片中包含了用户的身份和账户信息，它被非正式地称为SIM卡 （SIM card），即用户标识模块（Subscriber Identity Module）的简称。 SIM卡可以切换到不同的手机来激活它们，它们提供了安全的基础。当GSM用户到其他国家度假或商务旅行时，他们往往带着自己的手机，但抵达目的地之后花几美元买一张新的SIM卡，就可以在本地通话而无须支付漫游费。
为了防御欺诈，SIM卡上的信息被移动电话网络用来认证用户及检查是否允许他们使用网络。通过UMTS网络，手机也使用SIM卡上的信息检查它是否在与一个合法的网络进行通话。
安全的另一个考虑是隐私。无线信号能广播到附近所有的接收器，因此，为了使通话难以被窃听，可以用SIM卡上的加密密钥对传输消息进行加密。这种方法提供了比1G系统更好的隐私性，1G系统很容易被窃听。但加密方案也不是万能的，因为加密方案本身也有弱点。
02、分组交换和电路交换
自从联网开始之初，在支持分组交换网络（无连接的网络）的人群与支持电路交换网络（面向连接的网络）的人群之间上演了一场争论，并且一直在持续。分组交换（packet switching）的支持者来自Internet社群。在一个无连接的设计中，每个数据包都独立于任何其他的数据包被路由。因此，如果在一个会话进行过程中有些路由器出现故障，只要系统能够动态地重新配置自己，后续的数据包就可以找到通向目的地的其他路径，于是，即使新的路径不同于前面数据包所使用的路径，这个会话也不会受影响。
电路交换（circuit switching）的支持者来自电话公司的阵营。在电话系统中，呼叫方必须拨打被叫方的号码，等待连接以后才能通话或发送数据。此连接的设置建立了一条通过电话系统的路径，该路径一直被维持到通话终止。所有的信息或数据包都沿着同样的路径，如果路径上的某条线路或某台交换机出现故障，则通话会立即被终止，因而它在容错性方面不如无连接设计。
电路交换更容易实现更好的服务质量，因为通过提前建立一个连接，子网可以预留链路带宽、交换机缓冲空间以及CPU时间等。如果系统试图建立一个呼叫时，没有足够的资源可供使用，则该次呼叫将被拒绝，呼叫方将听到一个忙信号。通过这种方式，一旦连接已被建立，则该连接将得到良好的服务。
在图1-19中，令人惊喜的是，核心网络中同时包含了分组交换和电路交换设备。这显示了移动电话网络正在发生转变，移动电话公司能够实现一种服务，或者有时能同时实现两种服务。旧的移动电话网络使用电路交换核心，以传统的电话网络风格传递语音通话。这种传统概念体现在UMTS网络中的移动交换中心 （Mobile Switching Center，MSC ）、网关移动交换中心 （Gateway Mobile Switching Center，GMSC ）以及在诸如公共交换电话网络 （Public Switched Telephone Network，PSTN ）这样的电路交换核心网络中负责建立连接的媒体网关 （Media Gateway，MGW）上。
03、前3代移动网络: 1G、2G和3G
在过去的50年间，伴随着移动网络的巨大增长，移动网络的体系结构发生了很大变化。第一代移动电话系统使用连续变化的（模拟）信号而非（数字）比特序列传输语音通话。高级移动电话系统 （Advanced Mobile Phone System，AMPS ）是一种得到广泛使用的第一代（1G）移动电话系统，于1982年在美国部署。第二代（2G）移动电话系统切换到以数字形式传输语音通话，增加了容量，增强了安全性，而且提供短信服务。1991年开始部署的全球移动通信系统 （Global System for Mobile communications，GSM）已成为世界上广泛使用的移动电话系统，它是一个2G系统。
第三代（3G）移动电话系统从2001年开始部署，它能同时提供数字语音和宽带数字数据服务。关于3G有很多行业术语和许多不同的标准可供选择。3G的宽泛定义由ITU（一个国际标准组织，我们将在本章后面讨论）完成: 为静止或步行的用户提供至少2Mb/s的传输速率，为行驶中的车辆提供至少384kb/s的传输速率。UMTS是主要的3G系统，已经在全球范围内得到部署。它也是后继的各种移动电话系统的基础。它可以提供高达14Mb/s的下行链路和近6Mb/s的上行链路。未来的版本将使用多天线和多电台，为用户提供更高的传输速率。
3G系统与之前的2G和1G系统一样，无线电频谱依然是稀缺的资源。政府给移动电话网络运营商发放部分频谱的使用许可，通常采用的方式是频谱拍卖，网络运营商投标竞拍。拥有一段获得许可的频谱更易于设计和运营系统，因为不允许其他运营商在这段频谱上传输，但获得这种许可往往耗资巨大。比如，在英国，2000年5个3G许可的拍卖总额约为400亿美元。
正因为频谱稀缺，从而导致了蜂窝网络 的出现，如图1-21所示，现在的移动电话网络就采用了这种设计。为了管理用户之间的无线电干扰，系统的覆盖区域被分成一个个蜂窝。在一个蜂窝内，为用户分配互相不干扰的信道，而且分配的信道对相邻蜂窝也不能干扰太大。这使得相邻蜂窝中的频谱得以很好地重复使用，即频率重用（frequency reuse），从而增加了整个网络的容量。在1G系统中，每个语音通话在特定的频率上进行，使用的频率都要经过仔细选择，从而使得它们不与邻近蜂窝发生冲突。在这种方式下，一个给定的频率只能一次被几个蜂窝重用。现代的3G系统允许每个蜂窝使用全部的频率，但以一种允许相邻蜂窝之间存在可接受的干扰的方式分配频率。蜂窝的设计有许多变体，其中包括在蜂窝发射塔上使用定向天线或扇形天线进一步减少相邻蜂窝之间的频率干扰，但基本思路是相同的。
■ 图1-21蜂窝网络
04、现代移动网络: 4G和5G
移动电话网络注定要在未来的网络中扮演重要的角色。现在它们的移动宽带应用已经远远超越了语音通话，这对空中接口、核心网络体系结构和未来网络的安全性产生了重大影响。在2000年以后出现的4G及后4G（Long Term Evolution，LTE，长期演进）技术提供了更快的速度。
在2000年以后，4G LTE很快变成了移动Internet接入的主流模式，超过了像IEEE 802.16（有时称为WiMAX）这样的竞争者。5G技术有希望提供更快的速度------可以达到10Gb/s，有望在21世纪20年代早期被大规模部署。这些技术的一个主要差异在于它们依赖的频谱不同。比如，4G使用的频段达到了20MHz；与此相比，5G的设计是可以运行在更高的频段中，可达到6GHz。移到更高频率带来的挑战是，更高频率的信号并不如低频信号那样传播得远，这在技术上必须考虑，通过新的算法和技术解决信号衰减、干扰和错误，包括多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）天线阵列。而且在这些频率上的短微波也容易被水吸收，这就需要付出专门的努力做到下雨天也可以工作。