第5章-計算機網絡技術課件

1、第5章計算機網絡技術5.1 計算機網絡概述5.2 計算機網絡的結構5.3 局域網技術5.4 廣域網技術5.5 網絡互聯技術*5.6 計算機網絡的安全與管理5.7 Internet概述小結 習題現代管理信息系統要求， 不同地理位置的信息管理系統既能進行本地處理， 又能彼此互聯， 進行數據交換和資源共享。 物理上的分散性和邏輯上的統一性， 使企業(yè)既能“運籌帷幄”， 又能“決勝千里”， 這就必須使管理信息系統建立在計算機網絡平臺的基礎之上， 并實現文本、 視頻、 音頻等多媒體信息的交互、 處理和傳輸。 本章主要介紹計算機網絡的基本概念、 功能和主要理論技術。 5.1計算機網絡概述5.1.1計算機網絡

2、的形成與發(fā)展計算機網絡是計算機技術和通信技術不斷發(fā)展和結合的結果， 它們互相滲透， 互相融合， 促進了計算機網絡的發(fā)展。 1. 以單計算機為中心的聯機網絡20世紀60年代中期以前， 計算機主機造價昂貴， 而通信線路和通信設備價格相對便宜， 為了共享主機資源和實現信息的采集與綜合處理， 連機終端網絡是一種重要的系統結構， 如圖5-1所示。 圖 5-1單處理機聯機系統結構圖單處理機聯機網絡是一個分時多用戶系統。 這種結構的主機負荷較重， 既要承擔通信工作， 又要承擔數據處理， 主機效率低。 另外， 通信線路的利用率低， 尤其在遠距離傳輸時， 如果讓多個終端用戶都單獨占用一條通信線路， 造價就很高。

3、 所以， 在終端集中的地方， 采用了遠程線路集中器， 以盡量減少通信費用。 這種結構采用集中控制方式， 可靠性較低。 為了減輕主機的負荷， 提高主機效率， 可以在主機與通信線路之間設置通信控制器（Communication Control Processor, CCP)專門處理與終端的通信。 如圖51中虛線所示。2. 計算機計算機網絡利用通信線路將多個計算機連接起來， 為用戶提供服務， 形成以多處理器為中心的網絡。 最直接的形式是將多個主計算機通過通信線路連接起來， 如圖5-2所示。 這種形式， 主機既承擔數據處理又承擔通信控制。 為了減輕主機的工作， 第二種形式是將通信功能從主機分離出來，

4、設置通信控制處理器CCP， 主機間的通信通過CCP間接進行。 如圖5-3所示。 圖5-2主機直接互聯的網絡圖5-3具有通信子網的計算機網絡這種形式的計算機網絡， 在邏輯上可劃分為兩部分。 通信控制處理機負責網上各主機間的通信控制和通信處理， 它們組成的傳輸網絡稱為通信子網， 是網絡的內層； 網上主機負責數據處理， 是計算機網絡軟、 硬件資源的擁有者， 它們組成了網絡的資源子網， 是網絡的外層。 資源子網上用戶間的通信是建立在通信子網的基礎上。 通信子網和資源子網的結合， 組成了實現數據通信和資源共享的計算機網絡。 若將網絡通信子網建成公共數據通信網， 或利用已有的公共數據網， 就成為社會公有的

5、計算機通信網， 如圖5-4所示。 廣域網， 特別是國家級各部門建立的計算機網絡大多是這種形式。 這種網絡允許異種機入網， 兼容性好， 通信線路效率高， 是廣域網的基本形式。圖5-4具有公用數據通信網的計算機網絡為了實現用戶之間的互聯， 如果在所有用戶之間直接進行連接， 這對通信線路資源是極大的浪費。 用戶之間的互聯是通過交換機實現的。 在通信子網中， 每個通信結點（CCP）都有數據存儲和處理的功能， 通過對數據的存儲/轉發(fā)實現數據的傳輸（交換）。 一個通信網絡由許多交換結點互聯而成。 交換結點轉發(fā)信息的方式就是交換方式。 交換方式可以分為線路交換、 報文交換和分組交換。 其中線路交換是電話通信

6、網電話交換機的傳統工作方式。這種工作方式在通話的全部時間內， 通話雙方始終占用端到端的固定傳輸帶寬（交換機之間的一個話路）。 由于計算機之間通信的突發(fā)性， 不需要在兩個通信結點之間建立專用通路， 而是將數據組織成報文或分組， 通過計算機通信結點進行存儲/轉發(fā)， 極大地提高了通信子網的效率。 分組相對報文而言， 數據長度較短而且固定。 分組交換技術又可分為數據報交換和虛電路交換。 3. 體系結構標準化網絡為了方便計算機連網以及網絡互聯， 實現計算機數據通信和資源共享， 必須建立標準。 隨著網絡技術的發(fā)展， 提出了網絡體系結構標準化的概念。 國際標準化組織ISO在研究、 吸收各計算機廠家網絡體系結

7、構標準化經驗的基礎上， 制定了計算機“開放系統互聯參考模型”（Open Systems Interconnection/Reference Moden， OSI/RM）。 作為國際標準， OSI規(guī)定了可以互聯的計算機系統之間的通信協議， 遵循OSI協議的網絡通信產品都是所謂的開放系統。 這種統一的、 標準化的產品互相競爭的市場給網絡技術的發(fā)展帶來了更大繁榮。4. 國際互聯網（Internet）從20世紀80年代末期以來， 起源于美國的國際互聯網（或稱因特網）飛速發(fā)展， 已成為世界上最大的國際性計算機互聯網絡。 Internet對世界的沖擊， 已滲入到人們生活的各個方面。Internet仍然遵從

8、分層的體系結構思想， 稱為TCP/IP體系結構。 現在， 計算機網絡得到最廣泛應用的不是國際標準OSI， 而是Internet的TCP/IP結構。 這樣， TCP/IP常常成為事實上的國際標準。 但是， 應當承認， OSI網絡體系結構的思想在計算機網絡發(fā)展過程中的重要貢獻。 5.1.2計算機網絡的定義計算機網絡在不同的發(fā)展階段或從不同的觀點有著不甚相同的定義。 綜合起來， 比較統一的定義是： “地理上分散的多臺獨立自主的計算機通過軟、 硬件設備互聯， 在協議控制下以實現資源共享和信息交換的系統”。 這個定義的含義， 可以從以下幾點理解： （1） 計算機網絡中的計算機（工作站）是獨立的。 它擁有

9、自己的軟、 硬件資源， 完成一定的處理任務。 （2） 網絡上的計算機， 在協議控制下互聯， 實現數據通信。 （3） 網絡上的計算機， 由于遵循統一的體系結構標準而成為開放系統， 從而實現資源共享。 計算機通信網是與計算機網絡類似的概念。 計算機通信網以傳輸信息為主要目的， 所研究的是通信傳輸協議、 對通信設備的控制和管理、 數據傳輸的高效、 可靠。 另一個類似的概念是分布式系統。 分布式系統在計算機網絡的基礎上為用戶提供了透明的集成應用環(huán)境， 是計算機網絡在功能上的延伸。 分布式系統中的多臺計算機除了可以相互通信和共享資源外， 還能協同工作， 以實現一個既定的功能。 多機系統也是與計算機網絡類

10、似的另一種系統。 多機系統是指同一機柜中或集中在同一地點的緊密耦合的多處理機系統或并行處理系統。 并行處理系統通過互聯網絡實現多臺計算機之間的連接， 以適應高速并行計算的需要。 而計算機網絡中計算機之間的互聯是相當有限的， 它們是通過各種交換技術實現計算機之間的連接。 可見， 計算機網絡與并行處理系統， 分布式系統以及計算機通信網既是互相聯系又是不盡相同的概念。 5.1.3計算機網絡體系結構標準化及其組織網絡上連接的各個計算機系統， 要實現資源共享和數據通信， 必須使用相同的語言并遵守雙方都能接受的規(guī)定或約定， 以控制數據交換。 這些規(guī)則或約定的集合稱為協議。 在計算機網絡中， 各個主機系統為

11、了實現一定的功能， 都劃分為不同的功能層次。 這些功能層次， 在網絡體系結構中稱為（某一層）實體。 也就是說， 一個主機系統由不同層次的實體組成， 主機向對應層次的通信是虛擬的， 它通過調用下層的功能和為上層提供的服務實現。 那么， 系統如何分層， 各層次完成的功能或服務， 以及采用的通信協議都應當明確定義， 而且應當統一， 即標準化， 以保證不同廠商設備或系統之間實現互相通信。 計算機網絡中， 這種層次的劃分和功能的定義， 就是網絡的體系結構。 世界上一些主要的標準化組織在這方面已做了許多卓有成效的工作， 研究和創(chuàng)造了一系列有關數據通信和計算機網絡的標準， 有的已作為國際標準， 極大地推動了

12、計算機網絡技術的發(fā)展。計算機網絡標準化及其組織主要有： 國際標準化組織（ISO）制定的開放系統互聯（OSI）參考模型； 國際電信聯合會（ITU）(原為國際電報電話咨詢委員會 CCITT)的X系列、 V系列以及I系列建議書； 美國電氣電子工程師學會（IEEE）的IEEE 802 LAN局域網標準以及美國電子工業(yè)協會（EIA）的RS系列標準等。 1. 國際標準化組織ISO的OSI參考模型國際標準化組織ISO成立于1947年， 是世界上最大的國際性標準化專門機構， 我國是該組織的成員國。 ISO提出的開放系統互聯參考模型， 定義了異構計算機網絡標準的框架結構。 OSI標準為面向分布式應用的“開放”系

13、統提供了基礎。 “開放”就是指任何兩個系統只要遵守參考模型和有關標準， 都能實現互聯。 ISO/OSI標準將任一個系統都劃分為七層， 即物理層、 數據鏈路層、 網絡層、 傳輸層、 會話層、 表示層和應用層， 作為異構系統互聯的體系結構， 提供了互聯系統通信規(guī)則的標準框架。 2. IEEE 802局域網標準美國電氣與電子工程師協會1980.2成立了局域網標準委員會， 現已形成了IEEE 802.1802.13各項標準， 對規(guī)范局域網產品的開發(fā)， 推動局域網技術的應用起到了極大的促進作用。 在IEEE 802局域網標準中， 只定義了物理層和數據鏈路層兩層， 并由于共享信道將數據鏈路層劃分為邏輯鏈路

14、控制（Logical Link Control， LLC）和介質訪問控制(Medium Access Control， MAC)兩個子層， 加強了數據鏈路層的功能， 把網絡層的尋址、 排序、 流控和差錯控制等功能放在LLC子層來實現。 3. ITU建議國際電信聯合會（ITU）是專門制定有關數據通信和公用數據網（廣域網）的國際標準化組織。 其中ITUT是ITU下屬的標準化分部。 原國際電報電話咨詢委員會（Consultative Committee International Telegraph and Telephone， CCITT）現在已統一為國際電信聯合會， 它是國際條約組織， 主要由各

15、成員國的郵政、 電話、 電報部門組成。 該組織為國際通信用的各種通信設備及規(guī)程的標準化分別制定了一系列的建議。 在數據通信方面， ITU有兩種系列建議， 即V系列與X系列建議書。 V系列建議是在數據通信發(fā)展初期， 在電話網和用戶電報網上進行數據傳輸而制定的， 每個建議針對一個專題。 為了適應用于數據通信的公用數據通信網的發(fā)展， 20世紀70年代初又逐步形成了公用數據交換網的X系列建議書。 其中X.21、 X.25和X.75同計算機密切相關。 在X.25建議書中， 將一個公共分組交換數據網分成物理層， 鏈路層和分組層等3層， 與ISO/OSI低3層對應。 為了適應綜合業(yè)務數字網（Integrat

16、ed Services Digital Network， ISDN）的發(fā)展， ITU又制定了ISDN網的標準， 即I系列建議。 I.100系列描述了ISDN一般概念和基本原則； I.200系列提供了ISDN所支持的電信業(yè)務分類和描述方法； I.300系列說明網絡狀況； I.400系列為用戶/網絡接口； I.500系列為網絡間的接口。 CCITT與ISO密切合作， 目前已采納OSI體系結構， 并將其制定的已趨成熟的數據通信標準融進OSI七層模型中。 我國也是ITU成員國之一。 4. TCP/IP協議有了上述的局域網和廣域網協議， 并不是說就能構造出一個完整的網絡系統， 還必須要有高層協議提供更加

17、完善的網絡服務。 一般來說， 網絡的低層協議決定了一個網絡系統的傳輸特性， 與網絡系統的硬件關聯。 高層協議則提供了與網絡硬件結構無關的， 更加完善的網絡服務和應用環(huán)境， 通常是由網絡操作系統實現的。 最通用的高層協議是TCP/IP協議， 它是一個協議集， 定義了網絡接口層、 網際層、 傳送層和應用層等4個層次。其中網絡接口層定義了TCP/IP與各種物理網絡如Ethernet、 TokenRing、 FDDI及其他網絡的網絡接口； 網際層相當于OSI參考模型的網絡層； 傳送層對應傳輸層； 應用層則包含了OSI參考模型的會話層、 表示層和應用層功能。 類似的高層協議還有SPX/IPX等。 5.

18、中國國家標準局中國國家標準局是我國有關工程和技術標準的法律制定機構， 它頒布有關的標準。 我國已決定在計算機與通信領域采用相應的國際標準， 因此， 國家標準局的主要工作是將有關國際標準采納為國家標準。 5.2計算機網絡的結構計算機網絡的結構， 從不同的角度劃分為網絡的體系結構、 拓撲結構、 邏輯結構和物理結構。 網絡的體系結構是網絡通信和信息處理功能層次的描述， 是概念上的抽象。 拓撲結構是從幾何的角度對網絡結構的抽象， 即抽象為結點和連線的集合。 網絡的邏輯結構是從網絡工作原理考慮的邏輯組成， 即內層是通信子網， 外層是資源子網。 網絡的物理結構則是網絡的物理實現。 5.2.1體系結構所謂網

19、絡體系結構， 就是為了完成計算機間的數據通信和信息處理， 把每個計算機的功能劃分為定義明確的層次， 規(guī)定了同層次進程通信的協議以及相鄰層之間的接口和服務。 將劃分的層、 同層進程通信的協議以及相鄰層接口統稱為網絡體系結構。 體系結構是系統功能層次的劃分， 是系統功能的抽象。 1. ISO開放系統互聯參考模型的概念國際標準化組織ISO制定了計算機網絡標準模型， 及開放系統互聯參考模型OSI/RM， 它為開放系統互聯提供了一種功能結構的框架， 作為開發(fā)各種網絡協議標準的基礎。 該模型將每個連入網絡的開放型計算機按通信和信息處理功能劃分為7層， 如圖5-5所示。圖5-5ISO/OSI 七層參考模型、

20、 協議和接口該模型中， 連入網絡的計算機中每一個層次都稱之為實體， 兩個計算機同一層次實體之間的通信， 稱為對等層協議通信， 執(zhí)行對等層協議規(guī)范。 同一層次實體之間的通信則通過上下層之間的接口， 上一層依次調用下一層的功能和下層依次為上一層提供服務而實現。 對等層之間的通信是虛擬的， 真正的通信實際是在計算機之間通過物理信道實現的。 2. 七層功能概述（1） 應用層。 這是OSI體系結構的最高層。 這一層的協議直接為端用戶服務， 是開放系統與應用進程的接口， 提供分布式信息處理環(huán)境。 應用層管理開放系統互聯， 包括系統的啟動、 維持和終止， 并保持應用進程間建立連接所需的數據記錄， 其他層都是

21、為支持這一層的功能而存在的。 應用層協議已經定義的協議主要有： 電子郵件協議， 提供電子郵件服務功能。文件傳輸協議， 提供各種文件類型（包括遠程數據庫文件）訪問功能。目錄服務協議， 提供分布式數據庫功能。虛擬終端協議， 提供不同類型終端兼容功能。公共管理信息協議和公共管理信息服務， 提供對網絡中的資源、 交通和安全管理功能， 還有許多其他應用服務協議正處于制定和標準化的過程中。 （2） 表示層。 表示層的功能是解決用戶信息的語法表示， 它將要交換的數據從適合于某一用戶的抽象語法轉換為適合OSI內部使用的傳送語法， 即完成信息的格式轉換。 使得應用實體不必要關心信息在“公共” 表示方面的問題，

22、為應用層提供語法的獨立性。 應用層實體可以使用任何語法， 表示層提供這些語法與應用實體通信所需要的公共語法之間的轉換。 各種計算機內部數據表示可能不同， 例如整數、 浮點數的格式可能不同， 字節(jié)的順序（高位字節(jié)與低位字節(jié)的位置）可能不同， 這些方面的差別在網絡傳輸時需要統一。 這可以類似于用基本數據類型構造復雜數據結構的方法， 用一種抽象語法表示用戶的數據， 應用層的協議數據單元向下傳送到表示層時， 表示層用抽象語法表示它的結構， 傳送到對方的表示層時， 也用同樣的抽象語法解釋它。 表示層提供的服務有： 統一的數據編碼（整數、 浮點數的格式， 以及字符編碼等）、 數據壓縮格式、 加密技術等，

23、后兩種是數據傳輸過程所需要的。 （3） 會話層。 會話層提供兩個表示層實體之間交互時組織和同步它們的會話過程， 以及為管理它們的數據交換提供必要的手段。 它提供的會話服務可分為兩類： 會話管理服務， 把兩個表示實體結合在一起， 或者把它們分開。 控制兩個表示實體間的數據交換過程， 即對話服務。 例如， 分界、 同步等。（4） 傳輸層。 傳輸層的功能是在兩個端系統之間可靠、 透明地傳送報文。 當會話實體要求建立一條傳輸連接時， 傳輸層就為其建立一個對應的網絡連接。 如果要求較高的吞吐率， 傳輸層可能為其建立多個網絡連接（分流）。 如果要求的傳輸速率不很高， 單獨創(chuàng)建和維持一個網絡連接不合算， 則

24、傳輸層就可以把幾個傳輸連接多路復用到一個網絡連接上。 這樣的多路復用和分流對傳輸層以上是透明的。 傳輸層的服務可能是提供一條無差錯按順序的端到端的連接， 也可能是提供不保證順序的獨立報文傳輸， 或多目標報文廣播， 即所謂面向連接的服務和面向無連接的服務。 這些服務可由會話實體根據具體情況選用。 傳輸連接在其兩端進行流量控制， 以免高速主機發(fā)送的信息流淹沒低速主機。 傳輸層協議是真正的源端到目的端的協議， 它由傳輸連接兩端的實體處理。 傳輸層和下面網絡層的界面是用戶和通信子網的界面。 傳輸層以下的功能層協議都是通信子網中的協議。 （5） 網絡層。 網絡層的功能在通信子網內完成， 在源、 目的結點

25、之間選擇一條最佳路徑， 將分組正確地傳送到目的地， 并提供流量控制功能。 交換過程中要解決的關鍵問題是選擇路徑， 路徑可以是固定不變的， 也可以由網絡負載情況動態(tài)變化。 另一個要解決的是流量控制， 防止網絡中出現局部的擁擠甚至全面的阻塞。 此外， 網絡層還擁有記賬功能， 以便根據通信過程中交換的分組數（或字符數、 比特數等）計費。 （6） 數據鏈路層。 數據鏈路層的功能是建立、 維持和釋放網絡實體之間的數據鏈路， 保證網絡中相鄰結點之間數據的有效傳輸， 應表現為一條無差錯的信道， 傳送數據鏈路服務數據單元（稱為幀）。 一個數據鏈路連接建立在一個或多個物理連接上。 相鄰結點之間的數據鏈路控制的主

26、要功能有： 組織數據幀， 以幀為單位進行傳輸， 校驗和應答。 流量控制， 對發(fā)送數據的速率進行控制， 以免發(fā)送過快， 接收端來不及處理而丟失數據。 差錯控制， 接收端對收到的數據幀進行校驗、 發(fā)現差錯， 必須重傳。 數據鏈路管理， 發(fā)送端與接收端之間必須通過某種形式的對話， 建立、 維護和終止一批數據的傳輸過程。 數據鏈路控制功能由數據鏈路層協議實現， 要求數據鏈路層協議能適應各種數據鏈路配置， 如點對點鏈路和多點鏈路、 半雙工鏈路和全雙工鏈路等。 數據和控制信息在同一線路上傳輸， 因而數據鏈路協議應能區(qū)分數據幀和控制信息幀。 最常用的數據鏈路協議是高級數據鏈路控制協議(High Level

27、Data Link Control, HDLC）。 （7） 物理層。 在OSI參考模型中， 物理層的功能規(guī)定為“在數據鏈路實體之間提供激活、 維持和釋放用于傳輸比特的物理連接的方法， 這些方法有機械的、 電氣的、 功能的和過程的特性”。 這種物理連接可以是單工或雙工的， 它可以是串行的或并行的按位傳輸。 機械特性描述連接器的形狀、 幾何尺寸、 引線數、 引線排列方式、 鎖定裝置等。 電氣特性規(guī)定信號線的連接方式， 驅動器和接收器的電氣參數， 并給出有關互聯電纜等方面的技術指導。 功能特性對接口連線的功能給出確切的定義， 如數據線、 控制線、 定時線和地線， 有的接口可能需要兩個信道， 因而接口

28、線又可分為主信道線和輔信道線。 過程特性則規(guī)定了使用接口線實現數據傳輸的操作過程。 5.2.2拓撲結構拓撲結構是計算機網絡的重要特性。 所謂拓撲， 是一種研究與大小、 形狀無關的點、 線、 面（構成圖形）特性的方法， 由數學上的圖論演變而來， 圖是由線所連接的點的集合。 從網絡拓撲學的觀點看， 網絡是由一組結點和連接結點的鏈路組成的。 結點可分為兩類， 一類是轉換結點， 支持網絡線路連續(xù)， 通過所連接的鏈路轉發(fā)信息， 如電話交換機、 集中器和通信控制器（CCP）等。 另一類是訪問結點， 它除可以連接鏈路外， 還可以存儲、 處理并作為發(fā)送點和接收點， 一般處在通信子網的末端， 所以訪問結點也稱為

29、端點。計算機間或通信子網中通信控制器（CCP）之間的通信信道連接形式有兩種： （1） 點點信道， 通信雙方處于信道的兩端， 以點點連接形式互連計算機構成的網絡， 稱為鏈路型網絡。 （2） 多點信道， 也稱為廣播信道， 即多個計算機連接到一條通信線路的不同分支點上。 實際上， 廣播信道的網絡僅有一個通信信道， 為網上所有計算機所共享。 當廣播信道用有線介質實現時， 則變?yōu)榭偩€結構或多點線路。 1. 點點信道構成的網絡拓撲結構點點信道構成的網絡拓撲結構如圖5-6所示。 1） 星形結構。 星形結構由一個功能較強的轉接中心S以及一些各自連到中心的結點（從結點）組成。 這種網絡各從結點間不能直接通信，

30、從結點間的通信必須通過中心結點轉接。 星形結構有兩類： 一類是轉接中心只起使從結點連通的作用。 另一類轉接中心是一個很強的計算機， 從結點一般是計算機或終端， 這時轉接中心有轉接和數據處理的雙重功能。 強的轉接中心也稱為各從結點共享的資源， 轉接中心也可按存儲轉發(fā)方式工作。 圖5-6鏈路型網絡拓撲結構(a) 星形；（b） 環(huán)形；（c） 樹形； （d） 總線形（2） 環(huán)形結構。 環(huán)型結構是局域網常用的拓撲結構。 它由通信線路將各結點連接成一個閉合的環(huán)， 數據在環(huán)上單向流動， 每個結點按位轉發(fā)所經過的信息， 可用令牌（Token）協調控制各結點的信息發(fā)送和接受， 環(huán)上任意兩結點都可通信。 （3）

31、層次結構或樹形結構。 層次結構是聯網的各計算機按樹形連接， 樹的每個結點都為計算機。 一般說來， 越靠近樹根， 結點的處理能力就越強。底層計算機的功能和應用有關， 一般都有明確定義的和專門化很強的任務， 越靠近樹根的計算機則有更通用的功能， 以便控制協調系統的工作。 層次結構信息的傳輸在不同級上垂直進行， 這些信息可以是程序、 數據、 命令或以上三者的組合。 層次結構適用于相鄰層通信較多的情況。 典型的應用是底層結點解決不了的問題， 請求中層解決， 中層計算機解決不了的問題請求頂部的計算機解決。 底層的計算機一般處理繁瑣的重復性工作， 如數據采集和變換， 而數據處理、 命令執(zhí)行（控制）、 綜合

32、處理則由上層處理。 如共享的數據庫放在頂層而不分散在各個底層結點。 層次結構如果只有兩級， 就成為星形結構。 （4） 總線結構。 總線結構網絡是把聯網的計算機分別連接到通信線路的不同分支處， 通信線路成為共享總線。 總線網也是局域網最常用的拓撲結構。 在IEEE 802局域網中， 總線網有IEEE 802.3， 即爭用總線網和IEEE 802.4令牌總線網兩種。 2. 廣播信道構成的網絡拓撲結構廣播信道網絡可以是總線拓撲結構、 環(huán)形拓撲結構， 也可以是無線（如衛(wèi)星）廣播拓撲結構。 廣播式信道局域網中所有結點都共享同一信道， 信道的分配方法可以有多種， 如時分多路復用（TDM）、 頻分多路復用（

33、FDM）適合均勻傳輸的傳統分配方法； 也可以由控制中心結點用輪詢方式分配信道或動態(tài)分配時間片等集中控制方式； 也可采用信道上結點爭用信道的方法。 局域網中， 由于共享信道， 信道的分配或接入控制， 也就成了局域網要解決的關鍵技術。 這就是所謂的媒體（介質）訪問控制協議。 5.2.3邏輯結構（組成）計算機網絡的邏輯結構， 也就是網絡的組成。 它是從網絡的工作原理考慮的網絡結構。 網絡上互聯的計算機， 它們各自是一個獨立的計算機系統， 具有自己的軟、 硬件資源， 可以完成信息處理功能。 要實現資源共享和數據通信必須通過網絡通信控制器和通信信道。 因此， 計算機網絡在邏輯上可分為資源子網和通信子網，

34、 如圖5-7所示。 圖5-7通信子網和資源子網圖中， 外層是資源子網， 內層是通信子網。 資源子網中主要包括擁有資源的用戶主機和請求資源的用戶終端， 它們都是端結點， 也與通信的源結點和宿結點相連接。 擁有資源的用戶主機具有信息處理的功能。 通信子網的任務是在端結點之間傳送由信息組成的報文， 它主要由轉接結點和通信線路組成。 轉接結點指網絡通信過程中起控制和轉發(fā)信息作用的結點， 例如程控交換機、 集中器、 接口信息處理機等。 通信線路是指傳輸信息的信道， 可以是電話線、 同軸電纜、 無線電線路、 衛(wèi)星線路、 微波中繼線路以及光纖纜線等。廣域網中， 一個報文從源結點到宿結點， 在通信子網中需經過

35、多個轉接結點的轉發(fā)， 即先將報文接收存儲， 然后按通信協議的規(guī)定， 以一定的方式選擇路徑轉發(fā)出去， 這就是存儲轉發(fā)。 局域網中， 轉接結點簡化為一個微處理芯片， 每臺主機（或工作站）都設定一個微處理芯片（在網卡中）， 以廣播方式進行報文信息傳送， 唯一的信道為網絡中所有主機共享。 任何主機發(fā)出的信息所有主機都能收到。 信息包中的地址信息則可指明通信雙方的源地址和目標地址， 也可使用特定的地址說明該信息包是發(fā)送給所有站的。 5.2.4物理結構 計算機網絡的物理結構是指網絡的物理實現， 包括硬件和軟件的物理集成。 具體的實現與網絡的功能、 性能有關。 一般說來， 可由以下幾部分組成： 1. 通信子

36、網分組交換器， 為報文分組選擇路由， 形成傳輸的“連接”。 多路轉換器， 多路到一路或一路到多路的轉換， 實現信道的共享（信道多路復用）。 分組組裝/拆卸設備。組裝， 接受終端字符流， 組裝成網絡傳輸協議規(guī)定的報文格式“幀”或“分組”。 拆卸， 將網絡來的報文分組拆卸為字符流， 送至目標地址規(guī)定的響應終端。 網絡控制中心， 管理和檢測網絡的運行， 對網絡用戶進行注冊、 登錄和記賬， 對網絡故障進行檢測。 2. 資源子網網絡上全部計算機硬、 軟件資源。硬件： 主機（HOST）/外設（終端）。軟件： 主要指網絡操作系統， 它是建立在各主機操作系統之上的一種操作系統， 實現不同主機系統之間的用戶通信

37、， 資源共享以及提供統一的網絡用戶接口。 網絡數據庫系統， 它是在網絡操作系統支持下的一種數據庫系統， 可以是集中式網絡數據庫， 也可以是分布式網絡數據庫， 向網絡用戶提供數據服務， 實現網絡數據共享。 網絡應用軟件， 它是實現網絡應用的各種軟件的集合， 如電子郵件服務軟件， 文件傳輸服務軟件等等。 網絡互聯設備， 實現網絡與網絡的互聯， 實現不同協議層次上的連接， 如中繼器、 網橋、 路由器、 網關等。 5.3局 域 網 技 術局域網（Local Area Network， LAN）泛指將小區(qū)域范圍內的各種數據通信設備互聯在一起， 以高的數據傳輸速率互相通信的一種數據通信系統。 所謂小區(qū)域，

38、 可以是一個建筑物、 一個校園或者大至幾十千米的一個區(qū)域。 而數據通信設備則是廣義的， 包括計算機、 終端、 各種外圍設備等。 數據通信設備有時也稱為站或站點。 局域網是一個通信網， 若要組成計算機局域網， 還要將連接到局域網的數據通信設備加上高層協議和網絡軟件。 然而在實際使用中一般認為局域網就是計算機局域網， 并不加以區(qū)分。 5.3.1局域網概述計算機網絡是自主互聯的計算機系統的集合， 而計算機局域網是局部范圍的計算機網絡。 它是為在一個相對獨立的局部范圍內大量微機相互通信、 共享外部設備、 數據信息和應用程序而建立的。 1. 局域網特點很難給出局域網的嚴格定義， 一般的敘述是： 在較小的

39、地域范圍內， 利用通信線路將眾多微機等設備連接起來， 實現相互數據傳輸和資源共享的系統稱為計算機局域網絡。局域網有以下主要特點： （1） 傳輸速率高且誤碼率低。 局域網傳輸速率一般為11000 Mb/s； 因為傳輸距離短， 誤碼率很低， 一般在10-810-11范圍。（2） 地域覆蓋范圍小， 一般在10 km以內， 至多不超過100 km， 屬于某一單位內部管理。 （3） 以微機為主要建網對象。 大部分局域網沒有中央主機系統， 只有多種微機和外設。 可以說， 局域網是專為微機而設計的網絡系統。 2. 局域網基本技術局域網是計算機通信網絡， 其基本技術涉及拓撲結構、 傳輸形式和信道的訪問控制方法

40、（介質訪問控制或媒體接入控制方法）。 （1） 局域網的拓撲結構。 已如前述， 網絡的拓撲結構是指網絡結點及其連線的幾何布局， 它描述了各結點的邏輯位置。 就局域網而言， 它的拓撲結構就是連至網絡的數據通信設備之間的互聯方式。 局域網具有三種典型的拓撲結構： 星形、 環(huán)形、 總線或樹形。 星形拓撲結構中集中控制方式較少采用， 而分布式星形結構在現代局域網中采用較多； 環(huán)形結構是一種有效的結構形式， 也是一種分布式控制， 它控制簡便， 結構對稱性好， 傳輸速率高， 應用較為廣泛； 總線拓撲結構可以實行集中控制， 但較多的是采用分布式控制。 總線拓撲的重要特征是可采用廣播式多路訪問方法， 它的典型代

41、表就是著名的Ether網（以太網）。 總線結構是局域網采用最多的結構形式， 可靠性高， 擴充方便。樹形結構在分布式局域網中較流行的是完全二叉樹， 這種結構的擴充性能好， 尋址方便， 適用于多點檢測的實時控制和管理系統。 也可以將星、 環(huán)、 總線等基本拓撲形式組合而構成混合形拓撲結構。 （2） 傳輸形式。 局域網的傳輸形式有兩種： 基帶傳輸和寬帶傳輸。 基帶局域網在傳輸媒體上傳輸的是單一傳輸率的數字信號， 而寬帶局域網在傳輸媒體上傳輸的是經過高頻調制的模擬信號， 同一個媒體上可傳輸多個不同的頻道。 局域網上常用的傳輸媒體有雙絞線、 同軸電纜和光纜。 雙絞線又區(qū)分為無屏蔽雙絞線（UTP）和屏蔽雙絞

42、線（STP）。 對于雙絞線， 由于局域網的傳輸率已達到10 Mb/s以上， 甚至100 Mb/s， 因此， 必須選用數據級雙絞線。 以UTP為例， 選擇UTP3、 UTP4、 UTP5， 這三種類型可分別適應以太網的10 Mb/s、 16 Mb/s環(huán)網， 光纖分布式數據接口網或快速以太網的100 Mb/s三種使用環(huán)境。 同軸電纜常用于以太網， 它的頻寬與抗外界電磁場干擾能力均比UTP強。在基帶或寬帶以太網上分別選擇50 或75 的同軸電纜作為傳輸媒體。 光纜作為局域網傳輸媒體可獲得很高的傳輸率， 很強的抗外界干擾能力， 極小的電磁輻射及較長的網絡段跨距等。 由于光纜內的光信號有單向性和不宜分流

43、的特點， 因此， 以光纜作為傳輸媒體的局域網其拓撲結構常選擇星形、 環(huán)形或簇形。 簇形拓撲是環(huán)形和總線形的復合結構。（3） 媒體訪問控制方法。 在局域網中， 由于多個站點往往共享一條傳輸媒體， 因此必須要確定哪個站點能訪問這一共享媒體， 即允許它往信道上交換報文信息。 也就是說， 必須要有一種方法或規(guī)定對媒體的訪問進行控制， 以免在媒體上由于并發(fā)傳輸而造成碰撞， 這就是媒體訪問控制協議。在基帶局域網上， 采用時分復用技術的媒體訪問控制方法。 以太網為CSMA/CD方法（參見以太網）， 令牌環(huán)網與光纖分布式接口網絡為令牌傳遞方法（參見令牌環(huán)網）。 在寬帶局域網上， 媒體訪問控制方法采用頻分復用技

44、術， 即將媒體的頻帶劃分為若干頻道。 經過調制的數字信號如果在不同頻道上傳輸， 不會發(fā)生碰撞； 但如果它們在同一頻道上傳輸， 仍有可能發(fā)生碰撞。 因此， 在同一頻道上往往還要采用基帶局域網上常用的媒體訪問控制方法。 媒體訪問控制方法對網絡吞吐率、 實時性以及優(yōu)先訪問機制等性能有很大影響。3. 局域網協議標準為了使多個主機系統互聯成局域網， 它的層次結構也應該參考和采用ISO組織關于開放系統互聯OSI參考模型。 遵循OSI參考模型的層次結構， 任何一個層次的設計， 只需涉及與其上下兩層之間的接口和該層所要完成的協議即可， 不再需要考慮與其他層之間的關系。 采用層次結構的設計方法， 可以提供很大的

45、靈活性。 由于局域網的迅速發(fā)展， 產品的種類和數量急劇增加， 為了適應這種發(fā)展， 必須在傳輸形式、 媒體訪問控制方法和數據鏈路控制等方面制定標準。 IEEE 802委員會制定的IEEE 802標準進展快， 而且比較完全， 許多已被國際化組織ISO采納作為ISO的國際標準。 （1） 局域網的協議層次。 局域網由于共享信道， 它的體系結構只包含OSI參考模型的最低兩層， 即物理層和數據鏈路層。 由于局域網中的媒體訪問控制（Medium Access Control， MAC）比較復雜， 且在結點間傳輸數據之前首先要解決由哪些設備可以占用傳輸媒體， 為此， 數據鏈路層要有媒體訪問控制功能， 并提供多

46、種媒體訪問控制方法。為了使數據幀傳輸獨立于所采用的物理媒體和媒體訪問控制方法， IEEE 802標準把數據鏈路層劃分為兩個子層次， 即邏輯鏈路控制子層（Logical Link Control， LLC）和媒體訪問控制子層（MAC）。 LLC子層為高層提供一個或多個服務功能和邏輯接口， 與高層（網絡）聯系， 而與物理媒體及媒體訪問控制無關， 它具有幀的接收與發(fā)送功能。 發(fā)送時要把發(fā)送的數據加上地址和循環(huán)冗余校驗CRC字段等構成LLC幀； 接收時把幀拆封， 執(zhí)行地址識別和校驗功能， 并且有幀順序、 差錯控制和流量控制等功能。該子層還包括某種網絡層的功能， 如數據報、 虛電路和多路復用等功能。 M

47、AC則根據網絡的不同拓撲結構和媒體特性而有不同的媒體訪問控制標準。 這樣， 物理媒體和媒體訪問控制方法對高層的影響在MAC與LLC的界面是一致的， 或者說， LLC子層與所用的物理信道、 媒體訪問控制方法無關， 而MAC子層卻和媒體密切相關， 從而形成（制定）各種不同協議標準的局域網。 由于IEEE 802局域網拓撲結構簡單， 網絡層的很多功能如路由選擇等是沒有必要的， 而如流量控制、 尋址、 排序、 差錯控制等功能可在鏈路層完成， 因此IEEE 802標準不單獨設立網絡層。 但考慮到多個IEEE 802局域網需要互聯， IEEE 802標準在實現模型中在LLC之上設立了網際層， 網際層也是網

48、絡層的一個子層， 有時LLC的上層也叫網際層。 局域網協議層次與OSI參考模型的關系如圖5-8所示。 圖5-8局域網協議層次與OSI參考模型的關系(2) IEEE 802系列。 (3) IEEE 802局域網實現模型。 將IEEE 802標準實現用一個模型形象地表示可如圖5-10所示。 圖5-9局域網系列標準圖5-10IEEE 802 LAN實現模型圖中的物理層由四部分組成： 物理介質； 物理介質連接設備（PMA）； 接口電纜； 物理收發(fā)信號（PLS）。 物理層提供了編碼、 解碼、 時鐘提取、 發(fā)送、 接收及載波檢測等功能， 并為數據鏈路層提供服務。 協議中規(guī)定了物理鏈路操作的電氣和機械特性參

49、數。 圖中的數據鏈路層包含了兩個子層： 邏輯鏈路控制（LLC）子層和介質訪問控制（MAC）子層。 介質訪問控制子層， 它的主要功能是控制對傳輸介質的訪問。 不同類型的局域網所使用的介質訪問控制方法是不同的， 如CSMA/CD、 TokenBus、 TokenRing、 FDDI等。 邏輯鏈路控制子層， 它提供了面向連接的服務和無連接的服務。 其中， 面向連接的服務能夠提供可靠的通信。 它提供的主要功能是數據幀的封裝和拆卸， 為高層提供網絡服務的邏輯接口。 5.3.2IEEE 802.3標準總線局域網（以太網Ethernet）IEEE 802.3國際標準是在Ethernet標準的基礎上制定的，

50、根據不同的物理介質又發(fā)展了多種子標準， 形成了一個IEEE 802.3標準系列， 如圖5-11所示。 圖5-11IEEE 802.3標準系列IEEE 802.3標準定義了Ethernet的技術規(guī)范， 它由物理層和介質訪問控制（MAC）層技術規(guī)范組成。 Ethernet采用的是爭用型介質訪問控制協議， 即CSMA/CD。 它在輕載情況下具有高的網絡傳輸速率。 Ethernet組網非常靈活和簡便， 既可使用細、 粗同軸電纜組成總線形網絡， 也可使用3類無屏蔽雙絞線（UTP）電纜組成星形網絡（即10BASET技術）， 還可以將同軸電纜的總線形網絡和UTP電纜的星形網絡混合起來連接。 Ethernet

51、是目前國內外應用最為廣泛的10 Mb/s網絡。 1. 物理層1) 傳輸介質IEEE 802.3定義的傳輸介質可以是粗同軸電纜（10BASE5）、 細同軸電纜（10BASE2）、 UTP雙絞線（10BASET）、 光纖（10BASEF）以及寬帶同軸電纜（10BROAD3）， 形成了一個物理層標準系列， 參見圖5-11。 粗、 細同軸電纜是基帶同軸電纜， 它們的電氣特性是相同的， 特性阻抗均為50 。 寬帶同軸電纜的特性阻抗為75 。 使用同軸電纜可以構成總線形網絡， 在總線的兩端， 要分別使用與相應特性阻抗匹配的終端器相接， 以吸收總線上的能量， 減少電磁波反射的干擾。 UTP雙絞線的特性阻抗為

52、100 ， 常用點到點的連接方式。 光纖一般為多模光纖， 也采用點到點的鏈路連接方式。 2) 介質訪問單元介質訪問單元（Medium Access Unit， MAU）包括介質相關接口（Media Dependent Interface， MDI）和物理介質連接設備（Physical Media Attachment， PMA）兩部分。 它是連接傳輸介質的物理接口， 具有發(fā)送、 接收、 沖突檢測、 監(jiān)控（可選）、 載波監(jiān)聽、 信號質量檢測等功能。 MAU與傳輸介質相關， 不同傳輸介質的MAU規(guī)定了不同電氣和機械特性。 盡管它們的信號收發(fā)速率均為10 Mb/s， 但對介質的驅動能力各不相同。 習

53、慣上將MAU稱為收發(fā)器。 3) 訪問單元接口訪問單元接口（Access Unit Interface， AUI）是物理收發(fā)信號（Physical Signaling， PLS）子層和MAU之間的接口。 PLS子層可以通過AUI選擇MAU， 去驅動相應的傳輸介質。 也就是說， AUI將使得PLS、 MAC、 LLC等各層均與傳輸介質無關， 可以自由地選擇所需要的傳輸介質。 在具體實現上， 10BASE2和10BASET的MAU（收發(fā)器）集成在網卡的內部（稱為內部收發(fā)器）， PLS和MAU之間通過網卡內部連線方式的AUI來實現連接。 10BASE5和10BASEF的MAU則是一個獨立于網卡的收發(fā)器

54、（稱為外部收發(fā)器）， PLS和MAU之間則通過一條長達50 m的AUI電纜實現連接。 4) 物理收發(fā)信號子層物理收發(fā)信號（PLS）子層是物理層和MAC子層之間的接口， 主要完成復位、 識別以及輸出、 輸入、 操作方式選擇、 沖突檢測和載波監(jiān)聽等功能。 各個功能如下： （1） 復位和識別， 在接通電源或接收復位請求時執(zhí)行， 它將復位并啟動所有的PLS功能， 并決定MAU連接到AUI的能力。 （2） 輸出， 將MAC的數據傳送給MAU發(fā)送出去。 （3） 輸入， 將MAU接收到的數據傳送給MAC。 （4） 操作方式選擇提供兩種操作方式： 正常和監(jiān)控。 監(jiān)控方式可選， 用于隔離故障和操作驗證。 這時，

55、 MAU發(fā)送器在邏輯上與介質隔離， MAU只是作為一個介質監(jiān)視器而工作。 （5） 沖突檢測， 將MAU檢測到的信號質量改變情況的載波狀態(tài)報告給MAC子層。 （6） 載波檢測， 將MAU監(jiān)聽到的載波活動變化情況的載波狀態(tài)報告給MAC子層。 （7） 數據的編碼和解碼， 采用曼徹斯特編碼技術， 對輸出的數據進行編碼； 對輸入的信號進行解碼。 2. CSMA/CD介質訪問控制方法IEEE 802.3的MAC子層主要定義了數據幀的封裝與拆卸， 以及數據幀發(fā)送與接收的CSMA/CD介質訪問控制方法。 CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detec

56、t）， 即載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測方法是一種爭用型的介質訪問控制協議， 它是分布式介質訪問控制方法， 網中各個站（結點）都能獨立地決定數據幀的發(fā)送與接收。 IEEE 802.3的CSMA/CD協議中定義了幀的格式， 如圖5-12所示。 MAC子層協議在上一層LLC子層的協議數據單元PDU的外面， 加上幀頭和幀尾， 組裝成完整的幀， 然后經物理層傳送。 圖5-12 CSMA/CD協議幀格式5.3.3高速以太網技術世界上使用最普遍的網絡是以太網和令牌環(huán)網。 但是， 傳輸速率10 Mb/s限制了其應用， 多媒體的引入對現有的網絡造成了更大的壓力， 如何使現行網絡適應新的要求， 這是網絡面臨的一個難

57、題。 為了開發(fā)快速的以太網技術， 一種方法是沿用常規(guī)以太網普遍使用的CSMA/CD技術， 創(chuàng)導100BaseT規(guī)范； 另一種辦法則拋棄傳統的CSMA/CD技術， 采用被稱為需求優(yōu)先級輪詢的媒體訪問方法， 名為100BaseVG(原100VGAny LAN)。 IEEE 同時采納這兩種技術， 其中100BaseT作為以太網IEEE 802.3的補充， 稱為IEEE 802.3u， 而100BaseVG被稱為IEEE 802.12新標準。 這兩類以太網的共同點是： 基于共享傳輸媒體的原理， 屬于10BaseT星形總線的擴展， 信號速率加快10倍， 即速率為100 Mb/s， 可使用無屏蔽銅質雙絞線

58、UTP， 也可使用多模光纖， 采用相同的幀格式。 這兩種技術可以在100 Mb/s網絡中仍能保持本地的以太網幀格式。 這樣， 當從10 Mb/s以太網到100 Mb/s以太網的橋接和路由選擇執(zhí)行幀轉換時， 不致花費高昂的代價。 為了適應多媒體信息的傳輸， 需要帶寬更高的局域網， 這就是千兆位以太網。1. 100BaseT100BaseT沿用了10BaseT的媒體訪問方法CSMA/CD和幀格式， 但把速度提高到了100 Mb/s。 為了適應高速傳送采用的措施是： (1) 減小傳輸距離， 因為發(fā)送的數據速率越大， 數據傳送的有效距離也就越短。 反之， 發(fā)送的數據速率越小， 所覆蓋的地理范圍越廣。

59、即對于給定的數據可以維持一定的距離范圍。 (2) 增加結點間的連接線， 即將10BaseT用半雙工1對3類非屏蔽雙絞線（UTP）改半雙工4對3類UTP線并聯使用， 每對線速度僅為25 MHz， 用4對線纜便解決了用3類線也能運行100 Mb/s的速率問題， 這種標準稱為100BaseT4。 若用兩對5類UTP， 則稱為100BaseTX。 目前很少見到用3類UTP構成的100BaseT4產品， 使用最多的是100BaseTX。 (3) 為適應高速傳送， 采用FDDI的編碼方法， 即4B/5B編碼技術， 在技術上與FDDI兼容。 由于100BaseT與傳統的以太網盡可能保持一致， 并遵從傳統的C

60、SMA/CD協議， 因此10BaseT很容易升級到100BaseT。2. 100BaseVG100BaseVG為解決沖突型以太網中因競爭總線而產生的“瓶頸”問題， 采用“按需優(yōu)先輪詢”方法取代CSMA/CD媒體訪問方法。這種方法要求使用一個100 Mb/s的多端口中繼器（或集線器）， 端站點分別接至中繼端口。 集線器與智能設備相結合， 對每個端口進行決策， 決定所連接的站點是否有數據要發(fā)送。 集線器循環(huán)地對每個端口進行輪詢， 如果這個站點沒有激活， 則輪詢下一個站點。 如果某個站點有數據需要發(fā)送， 則發(fā)送數據。 若該站點剛好錯過了一個發(fā)送機會， 那么這個站點可以將其需求傳送給登記仲裁設施， 以