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数据通信基础目 录第一章 数据通信系统41.1数据通信系统组成41.1.1数据终端设备（DTE）41.1.2数据电路终接设备（DCE）51.1.3数据电路和数据链路51.1.4传输传输信道传输方式多路复用71.1.5接口71.2数据通信系统的性能指标81.2.1信息传输速率（Rb）81.2.2码元传输速率（RB）81.2.3频带利用率81.2.4差错率9第二章 OSI参考模型102.1通信协议的概念与层次结构102.2OSI参考模型及各层功能112.2.1OSI参考模型112.2.2各层功能物理层（PH）数据链路层（DL）网络层（N）运输层（T）会话层表示层应用层132.3OSI有关术语132.3.1数据单元132.3.2服务访问点142.3.3服务原语142.3.4面向连接和无连接15第三章 数据通信网163.1数据通信网的拓扑结构和分类163.1.1拓扑结构163.1.2分类按服务范围分按交换方式分类173.2局域网183.2.1概述特点拓扑结构传输媒体183.2.2体系结构 IEEE 802参考模型 IEEE 802系列标准213.2.3几种常见的局域网 802.3总线局域网 802.5令牌环网233.2.4局域网的组成硬件组成软件组成243.3分组交换网243.3.1 X.25协议的应用环境和系统结构253.3.2物理层263.3.3数据链路层2 X.25链路层功能2数据链路层263.3.4分组层273.4帧中继283.4.1帧中继与X.25的比较293.4.2 LAPF帧格式293.4.3帧中继的虚电路313.4.4帧中继应用323.5数字数据网DDN333.5.1 DDN概述3 DDN定义3 DDN优点3节点类型3网络结构3网络互联353.5.2网络业务类别及用户入网速率3网络业务类别3用户入网速率363.5.3用户入网方式36第一章 数据通信系统数据通信是计算机与计算机或计算机与终端之间的通信。它传送数据的目的不仅是为了交换数据，更主要是为了利用计算机来处理数据。可以说它是将快速传输数据的通信技术和数据处理、加工及存储的计算机技术相结合，从而给用户提供及时准确的数据。1.1数据通信系统组成数据通信系统是通过数据电路将分布在远地的数据终端设备与计算机系统连接起来，实现数据传输、交换、存储和处理的系统。比较典型的数据通信系统主要由数据终端设备、数据电路、计算机系统三部分组成，如图1-1所示。图1-1 数据通信系统组成1.1.1数据终端设备（DTE）在数据通信系统中，用于发送和接收数据的设备称为数据终端设备（简称DTE）。DTE可能是大、中、小型计算机、PC机，也可能是一台只接收数据的打印机，所以说DTE属于用户范畴，其种类繁多，功能差别较大。从计算机和计算机通信系统的观点来看，终端是输入输出的工具；从数据通信网络的观点来看，计算机和终端都称为网络的数据终端设备，简称终端。在图1的数据终端组成中，输入/输出设备很好理解，值得一提的是通信控制器。由于数据通信是计算机与计算机或计算机与终端间的通信，为了有效而可靠地进行通信，通信双方必须按一定的规程进行，如收发双方的同步、差错控制、传输链路的建立、维待和拆除及数据流量控制等，所以必须设置通信控制器来完成这些功能，对应于软件部分就是通信协议，这也是数据通信与传统电话通信的主要区别。另外数据终端的类型有很多种，有简单终端和智能终端、同步终端和异步终端、本地终端和远程终端等，需要解释的是同步终端和异步终端。同步终端是以帧同步方式（如X.25、HDLC等）和字符同步方式(如BSC)工作的终端；异步终端是起止式终端，在每个字符的首尾加“起”和“止”比特，以实现收发双方的同步，字符和字符之间的间隙时间可以任意长，因此称为异步。1.1.2数据电路终接设备（DCE）用来连接DTE与数据通信网络的设备称为数据电路终接设备（DCE），可见该设备为用户设备提供入网的连接点。DCE的功能就是完成数据信号的变换。因为传输信道可能是模拟的，也可能是数字的，DTE发出的数据信号不适合信道传输，所以要把数据信号变成适合信道传输的信号。利用模拟信道传输，要进行“数字模拟”变换，方法就是调制，而接收端要进行反变换，即“模拟数字”变换，这就是解调，实现调制与解调的设备称为调制解调器（MODEM）。因此调制解调器就是模拟信道的数据电路终接设备。利用数字信道传输信号时不需调制解调器，但DTE发出的数据信号也要经过某些变换才能有效而可靠地传输，对应的DCE即数据服务单元（DSU），其功能是码型和电平的变换，信道特性的均衡，同步时钟信号的形成，控制接续的建立、保持和拆断（指交换连接情况），维护测试等。1.1.3数据电路和数据链路数据电路指的是在线路或信道上加信号变换设备之后形成的二进制比特流通路，它由传输信道及其两端的数据电路终接设备（DCE）组成。数据链路是在数据电路已建立的基础上，通过发送方和接收方之间交换“握手”信号，使双方确认后方可开始传输数据的两个或两个以上的终端装置与互连线路的组合体。所谓“握手”信号是指通信双方建立同步联系、使双方设备处于正确收发状态、通信双方相互核对地址等。如图1所示，加了通信控制器以后的数据电路称为数据链路。可见数据链路包括物理链路和实现链路协议的硬件和软件。只有建立了数据链路之后，双方DTE才可真正有效的进行数据传输。特别注意，在数据通信网中，它仅仅操作于相邻的两个节点之间，因此从一个DTE到另一个DTE之间的连接可以操作多段数据链路。1.1.4传输传输信道传输信道是通信系统必不可少的组成部分，目前数据通信中所使用的多为有线信道，主要有：直接利用传输媒体的实线信道（如局域网中）；经调制解调器的频分信道（如部分地区用户线路中）；时分信道。由于光纤通信技术的发展，现在绝大部分的数据传输在时分信道上，以同步数字体系SDH方式传输。传输方式数据传输按信息传送的方向与时间可以分为：单工、半双工、全双工三种传输方式，如图1-2所示。图2-4 单工、半双工、全双工示意图单工数据传输指的是两个数据站之间只能沿一个指定的方向进行数据传输。在图2-4 (a)中，数据由A站传到B站，而B站至A站只传送联络信号。前者称正向信道，后者称反向信道。一般正向信道传输速率较高，反向信道传输速率较低，其速率不超过75b/s。此种方式适用于数据收集系统，如气象数据的收集、电话费的集中计算等。因为在这种数据收集系统中，大量数据只需要从一端到另一端，另外需要少量联络信号通过反向信道传输。半双工数据传输是两个数据之间可以在两个方向上进行数据传输，但不能同时进行。该方式要求A站、B站两端都有发送装置和接收装置，如图2-4（b）所示。若想改变信息的传输方向，需要由开关Kl和K2进行切换。问讯、检索、科学计算等数据通信系统运用半双工数据传输。全双工数据传输是在两个数据站之间，可以两个方向同时进行数据传输。全双工通信效率高，但组成系统的造价高，适用于计算机之间高速数据通信系统。通常四线线路实现全双工数据传输，二线线路实现单工或半双工数据传输。在采用频分法、时间压缩法、回波抵消技术时，二线线路也可实现全双工数据传输。多路复用为了提高信道的利用率，在数据的传输中组合多个低速的数据终端共同使用一条高速的信道，这种方法称为多路复用，常用的复用技术有频分复用和时分复用。频分复用是将物理信道上的总带宽分成若干个独立的信道（即子信道），分别分配给用户传输数据信息，各子信道间还略留一个宽度（称为保护带）。在频分复用中，如果分配了子信道的用户没有数据传输，那么该子信道保持空闲状态，别的用户不能使用。频分复用适用于传输模拟信号的频分制信道，主要用于电话和有线电视（CATV）系统，在数据通信系统中应和调制解调技术结合使用，且只在地区用户线上用到，长途干线上主要采用时分复用。 时分复用是将一条物理信道按时间分成若干时间片（即时隙）轮流地分配给每个用户，每个时间片由复用的一个用户占用，而不像FDM那样，同一时间同时发送多路信号。数据时分复用可分为同步时分复用和统计时分复用。同步时分复用是指复用器把时隙固定地分配给各个数据终端，通过时隙交织形成多路复用信号，从而把各低速数据终端信号复用成较高速率的数据信号。统计时分复用也称异步时分复用。统计时分复用中，把时隙动态地分配给各个终端，即当终端的数据要传送时，才会分配到时隙，因此每个用户的数据传输速率可以高于平均传输速率，最高可以达到线路总的传输能力。例如；线路传输速率为9600bit/s，4个用户的平均速率为2400bit/s，当用同步时分复用时，每个用户的最高速率为2400bit/s，而在统计时分复用方式下，每个用户最高速率可达9600bit/s。同步时分复用和统计时分复用在数据通信网中均有使用，如DDN网采用同步时分复用，X.25、ATM采用统计时分复用。1.1.5接口数据通信是在各种类型的用户终端和计算机之间，或者同一型号或不同型号的计算机之间进行的，因此计算机、终端和数据通信设备之间的连接需要标准的接口，即在插接方式、引线分配、电气特性及应答关系上均应符合统一的标准和规范。DTE和DCE之间有很多个同类型的接口，目前最通用的类刑有：l 美国电子工业协会EIA的RS-232C接口；l ITU-T的V系列接口和X系列接口；l 国际标准化组织ISO和ISO 211O 、ISO 1177等。EIA RS-232接口是美国EIA联合贝尔公司、数据通信设备制造厂和计算机制造厂开发的一个使用串行二进制方式进行交换的DTE和DCE间的接口标准，此标准共A、B、C、D四个版本，其中RS-232C标准使用很广泛。后来EIA又发表了RS-422A、RS-423A、RS-449接口标准，想取代RS-232C，但似乎做不到。ITU-T采纳了RS-232C，并作了较小改动，制定了V系列（V.24和V.28）接口标准。高速数据传输接口有V.35。1.2数据通信系统的性能指标 不同的通信系统有不同的性能指标，就数据通信系统而言，其性能指标主要有传输速率、频带利用率、差错率等。1.2.1信息传输速率（Rb）信息传输速率简称传信率，又称信息速率、比特率，它表示单位时间（每秒）内传输实际信息的比特数，单位为比特秒，记为bit/s、b/s、bps。比特在信息论中作为信息量的度量单位。一般在数据通信中，如使用“1”和“0”的概率是相同的，则每个“1”和“0”就是一个比特的信息量。如果一个数据通信系统，每秒内传输9600bit，则它的传信率为Rb9600bit/s。1.2.2码元传输速率（RB）码元传输速率简称传码率，又称符号速率、码元速率、波特率、调制速率。它表示单位时间内（每秒）信道上实际传输码元的个数，单位是波特（Baud），常用符号“B来表示。值得注意的是码元速率仅仅表征单位时间内传送的码元数目而没有限定这时的码元应是何种进制的码元。但对于传信率，则必须折合为相应的二进制码元来计算。例如，某系统每秒传送9600个码元，则该系统的传码率为9600B，如果系统是二进制的，它的传信率9600b/s；如果系统是四进制的，它的传信率是19.2kbit/s；如果系统是八进制的，它的传信率是28.8kbit/s。由此可见，传信率与传码率之间的关系为： Rb = RBlog2N式中，N为码元的进制数。1.2.3频带利用率在比较不同的通信系统的效率时，只看它们的传输速率是不够的，还要看传输这样的信息所占用的频带。通信系统占用的频带愈宽，传输信息的能力应该愈大。在通常情况下,可以认为二者成比例。所以真正用来衡量数据通信系统信息传输效率的指标应该是单位频带内的传输速率，记为：传输速率 占用频带 = 单位：比特秒赫（bsHz）、波特赫（BHz）。 例如某数据通信系统，其传信率为9600bit/s，占用频带为6kHz，则其频带利用率为1.6bit/(sHz)。1.2.4差错率由于数据信息都由离散的二进制数字序列来表示，因此在传输过程中，不论它经历了何种变换，产生了什么样的失真，只要在到达接收端时能正确地恢复出原始发送的二进制数字序列，就是达到了传输的目的。所以衡量数据通信系统可靠性的主要指标是差错率。表示差错率的方法常用以下三种：误码率、误字率、误组率。我们通常用误码率。错误接收的码元数误码率又称码元差错率，是指在传输的码元总数中错误接收的码元数所占的比例，用字母Pe来表示，即所传输的总码元数 Pe = 误码率指某一段时间的平均误码率，对于同一条数据电路由于测量的时间长短不同，误码率就不一样。在日常维护中，ITU-T规定测试时间。数据传输误码率一般都低于10-10。第二章 OSI参考模型2.1通信协议的概念与层次结构从通信的硬件设备来看，有了终端、信道和交换设备就能接通两个用户了，但是要顺利地进行信息交换，或者说通信网要正常运转那是不够的。尤其是自动化程度越高，人的参与越少，就更显得如此。为了保证通信要正常进行，必须事先作一些规定，而且通信双方要正确执行这些规定。例如，电话网中有规定的信令方式，数据通信中要有传输控制规程等。我们把这种通信双方必须遵守的规则和约定称为协议或规程。 协议的要素包括语法、语义和定时。语法规定通信双方“如何讲”。即确定数据格式、数据码型、信号电平等；语义规定通信双方“讲什么”，即确定协议元素的类型，如规定通信双方要发出什么控制信息、执行什么动作和返回什么应答等；定时关系则规定事件执行的顺序，即确定链路通信过程中通信状态的变化，如规定正确的应答关系等。 可见协议能协调网的运转，使之达到互通、互控和互换的目的。那么如何来制定协议呢？由于协议十分复杂，涉及面很广，因此在制定协议时经常采用的方法是分层法。分层法最核心的思路是上一层的功能是建立在下一层的功能基础上，并且在每一层内均要遵守一定的规则。层次和协议的集合称为网络的体系结构。体系结构应当具有足够的信息，以允许软件设计人员给每层编写实现该层协议的有关程序，即通信软件。许多计算机制造商都开发了自己的通信网络系统，例如IBM公司从60年代后期开始开发了它的系统网络体系结构（SNA），并于1974年宣布了SNA及其产品；数字设备公司（DEC）也发展了自己的网络体系结构（DNA）。各种通信体系结构的发展增强了系统成员之间的通信能力，但是同时也产生了不同厂家之间的通信障碍，因此迫切需要制定全世界统一的网络体系结构标准。负责制定国际标准的ISO吸取了IBM的SNA和其它计算机厂商的网络体系结构，提出了开放系统互连（Open System Interconnection）参考模型（简称OSI-RM），按照这个标准设计和建成的计算机网络系统都可以互相连接。2.2OSI参考模型及各层功能2.2.1OSI参考模型OSI参考模型如图2-1所示。它采用分层结构化技术，将整个网络的通信功能分为7层。由低层至高层分别是：物理层、数据链路层、网络层、运输层、会话层、表示层、应用层。每一层都有特定的功能，并且上一层利用下一层的功能所提供的服务， 在OSI参考模型中，各层的数据并不是从一端的第N层直接送到另一端的，第N层的数据在垂直的层次中自上而下地逐层传递直至物理层，在物理层的两个端点进行物理通信，我们把这种通信称为实通信。而对等层由于通信并不是直接进行，因而称为虚拟通信。 应该指出，OSI-RM只是提供了一个抽象的体系结构，从而根据它研究各项标准，并在这些标准的基础上设计系统。开放系统的外部特性必须符合OSI参考模型，而各个系统的内部功能是不受限制的。2.2.2各层功能物理层（PH）物理层主要讨论在通信线路上比特流的传输问题。这一层协议描述传输媒质的电气、机械、功能和过程的特性。其典型的设计问题有：信号的发送电平、码元宽度、线路码型、物理连接器插脚的数量、插脚的功能、物理拓扑结构、物理连接的建立和终止、传输方式等。数据链路层（DL） 数据路层主要讨论在数据链路上帧流的传输问题。这一层协议的内容包括：帧的格式，帧的类型，比特填充技术，数据链路的建立和终止信息流量控制，差错控制，向物理层报告一个不可恢复的错误等。这一层协议的目的是保障在相邻的站与节点或节点与节点之间正确地、有次序、有节奏地传输数据帧。常见的数据链路协议有两类：一是面向字符的传输控制规程，如基本型传输控制规程（BSC）；另一类是面向比特的传输控制规程，如高级数据链路控制规程（HDLC）。主要是后一类。网络层（N）网络层主要处理分组在网络中的传输。这一层协议的功能是：路由选择、数据交换，网络连接的建立和终止一个给定的数据链路上网络连接的复用，根据从数据链路层来的错误报告而进行的错误检测和恢复，分组的排序，信息流的控制等。网络层的典型例子是ITU-T的X. 25建议的第三层标准。运输层（T）运输层是第一个端到端的层次，也就是计算机-计算机的层次。OSI的前三层可组成公共网络，它可被很多设备共享，并且计算机-节点机、节点机-节点机是按照“接力”方式传送的，为了防止传送途中报文的丢失，两个计算机之间可实现端到端控制。这一层的功能是：把运输层的地址变换为网络层的地址，运输连接的建立和终止，在网络连接上对运输连接进行多路复用，端-端的次序控制，信息流控制，错误的检测和恢复等。上面介绍的四层功能可以用邮政通信来类比。运输层相当于用户部门的收发室，它们负责本单位各办公室信件的登记和收发工作，然后交邮局投送，而网络层以下各层的功能相当于邮局，尽管邮局之间有一套规章制度来确保信件正确、安全地投送，但难免在个别情况下会出错，所以收发用户之间可经常核对流水号，如发现信件丢失就向邮局查询。会话层会话层是指用户与用户的连接，它通过在两台计算机间建立、管理和终止通信来完成对话。会话层的主要功能：在建立会活时核实双方身份是否有权参加会活；确定何方支付通信费用；双方在各种选择功能方面（如全双工还是半双工通信）取得一致；在会话建立以后，需要对进程间的对话进行管理与控制，例如对话过程中某个环节出了故障，会话层在可能条件下必须存这个对话的数据，使不丢失数据，如不能保留，那么终止这个对话，并重新开始。表示层表示层主要处理应用实体间交换数据的语法，其目的是解决格式和数据表示的差别，从而为应用层提供一个一致的数据格式，如文本压缩、数据加密、字符编码的转换，从而使字符、格式等有差异的设备之间相互通信。应用层应用层与提供网络服务相关，这些服务包括文件传送、打印服务、数据库服务、电子邮件等。应用层提供了一个应用网络通信的接口，从七层的功能可见，13主要是完成数据交换和数据传输，称之为网络低层，即通信子网；57层主要是完成信息处理服务的功能，称之为网络高层；低层与高层之间由第4层衔接。数据通信网只有物理层、数据链路层和网络层，我们主要研究这三层。2.3 OSI有关术语OSI参考模型中的每一层真正功能是为其上一层提供服务。例如，N层的实体为（Nl）层的实体提供服务，N层的服务则需使用（N-1）层及其更低层提供的功能服务，这其间有些术语要说明清楚。2.3.1数据单元在层的实体之间传送的比特组称为数据单元。在对等层之间传送数据单元是按照本层协议进行的，因此这时的数据单元称为协议数据单元。图2-2示出了层间数据单元的传送过程。图中PDU是协议数据单元，SDU是服务数据单元，PCI是协议控制信息。（Nl）PDU在越过N1和N层的边界之后，变换为N-SDUN层把(Nl)-PDU看成为N-SDU。N层在N-SDU上加上N-PCI，则成为N-PDU。在N-PDU和(Nl)-PDU之间并非是一一对应的关系。如果N层认为有必要，可以把(Nl)-PDU拆成几个单位，加上PCI后成为多个N-PDU，或者可以把多个(N1)-PDU连接起来，形成一个N-PDU。到达目的站的N-PDU，在送往（Nl）层之前要把N-PCI去掉。在层间通信中PCI相当于报头。在源点逐层增加新的PCI，到达目的地之后则逐层去掉，使得信息原来的结构得以恢复。值得指出的是，PDU在不同层往往有不同的叫法，如在物理层称为位流或比特流，数据链路层称为帧，网络层中称为分组或包，传输层中称为数据段或报文段，应用层中称为报文等。2.3.2服务访问点相邻层间的服务是通过其接口面上的服务访问点SAP（Service Access Point）进行的，N层SAP就是（N+1）层可以访问N层的地方。每个SAP都有一个唯一地址号码。2.3.3服务原语第N层向（N+1）层提供服务，或第（N+1）层请求N层提供服务，都是用一组原语（Primitive）描述的。OSI参考模型的原语有4类：l 请求（Request） 用户实体请求服务做某种工作l 指示（Indication） 用户实体被告知某件事发生l 响应（Response） 用户实体表示对某件事的响应l 确认（Confirm） 用户实体收到关于它的请求的答复这四类原语的图解形式如图2-3所示。在通信过程的三个阶段中，每个阶段都可能用到一些或全部原语。 图2-3说明系统A中N+1层用户和系统B中N+1层用户之间建立通信联系时四种类型原语的应用。首先，系统A中N+1用户发出请求原语，调用本系统N服务提供者的一些程序，于是N服务提供者向对方发送一个或一组N-PDU。当系统B的N服务提供者收到N-PDU之后，向本系统的N+1用户发出指示原语，说明本系统的N+1用户需要调用一些程序，或者N服务提供者已经在同级服务访问点调用了一个程序。响应原语是由系统B的N+1用户发出的，这个响应原语是对N层协议的一个指令，以完成原来由指示原语调用的程序。N层协议产生一个PDU，传送至系统A的N层。系统A的N服务提供者发出证实原语，表示在服务访问点已经完成了由请求原语调用的程序。证实和响应可以是确认也可以是否认，这取决于具体情况。2.3.4面向连接和无连接下层向上层提供服务有两种形式：面向连接的服务和无连接的服务。面向连接的服务以电话系统最为典型，要和某人通话，先拿起电话，拨号码，谈话，挂断。网络中的面向连接服务类似大电话过程。某一方欲传诵数据，首先给出对方的全称地址，并请求建立连接，当双方同意后，双方之间的通信链路就建立起来。第二步是传送数据，通常以幀为单位，按序传送，不再标称地址，只标称所建立的链路号，并由收方对收到的幀予以确认，为可靠传送方式。也有用不着确认的场合，为不可靠方式。第三步当数据传送结束后，拆除链路。面向连接的服务，又称为虚电路服务。无连接服务没有建立和拆除链路的过程，像普通的电子邮件，其用户并不希望为发一条消息而去建立和拆除连接的麻烦。无连接服务又称为数据报服务，它要求每一幀信息带有全称地址，独立选择路径，其到达目的地的顺序也是不定的，到达目的地后，还要重新对幀进行排序。第三章 数据通信网计算机通信网络包括内层的通信子网和外层的资源子网两部分，其中通信子网就是数据通信网。本章首先介绍数据通信网的网络结构和分类，然后简要介绍几种常见的数据通信网，如局域网(LAN)、数字数据网(DDN)、幀中继(FR)、异步传送模式ATM。3.1数据通信网的拓扑结构和分类3.1.1拓扑结构根据实际应用需要，数据通信网可以连成多种拓扑结构，典型的拓扑结构有6种，如图3-1所示。从拓扑结构来看，网络内部的主机、终端、交换机都可以称为节点。服务器工作站工作站工作站(a)总线结构(b)环型结构(c)星形结构(e)网状结构(d)树型结构(f)全连通网 图3-1 网络拓扑结构总线结构通常采用广播式信道，即网上的一个节点(主机)发信时，其它节点均能接收总线上的信息，如图3-1(a)所示。环型结构采用点到点通信，即一个网络节点将信号沿一定方向传送到下一个网络节点在环内依次高速传输，如图3-1(b)所示。为了可靠运行，也常使用双环结构。如图3-1(c)所示，星型结构中有一中心节点(集线器HUB)，执行数据交换网络控制功能。这种结构易于实现故障隔离和定位，但它存在瓶颈问题，一旦中心节点出现故障，将导致网络失效。一次为了增强网络可靠性，应采用容错系统，设立热备用中心节点。树型结构的连接方法象树一样从顶部开始向下逐步分层分叉，有时也称其为层型结构，如图3-1(d)所示。这种结构中执行网络控制功能的节点常处于树的顶点，在树枝上很容易增加节点，扩大网络，但同样存在瓶颈问题。网状结构的特点是节点的用户数据可以选择多条路由通过网络，网络的可靠性高，但网络结构、协议复杂，如图3-1(e)所示。目前大多数复杂交换网都采用这种结构。当网络节点为交换中心时，常将交换中心互连成全连通网，如图3-1(f)所示。3.1.2分类可以从不同的角度对数据通信网进行分类。按服务范围分l 广域网WAN（Wide Area Network）广域网的服务范围通常为几十到几千公里，有时也称为远程网。l 局域网LAN（Local Area Network）局域网通常限定在一个较小的区域之内，一般局限于一幢大楼或建筑群，一个企业或一所学校，局域网的直径通常不超过数千米。对LAN来说，一幢楼内传输媒介可选双绞线、同轴电缆，建筑群之间可选光纤。l 城域网MAN（Metropolitan Area Network）城域网的地理范围比局域网大，可跨越几个街区，甚至整个城市，有时又称都市网。MAN可以为几个单位所拥有，也可以是一种公用设施，用来将多个LAN互连。对MAN来说，光纤是最好的传输媒介，可以满足MAN高速率、长距离的要求。按交换方式分类按交换方式分类，可以有电路交换的数据通信网、分组交换网（又称X.25网）、帧中继网、异步传送模式ATM等。还有多分类方法，如按使用对象可分为公用网和专用网等。3.2局域网3.2.1概述特点局域网通常为一个单位所有，其地理范围和站点数目均有限，典型的覆盖范围只有几公里，一般局限于一幢大楼或建筑群内，通信线路要专门敷设。局域网一般采用数据信号的基带传输方式，结构简单，误码率低，数据传输速率高，时延小，能进行广播或多播。拓扑结构局域网的拓扑结构主要有四种：总线网、环型网、星型网、树型网。这四种结构在图3-1中已作了简要介绍，这里就局域网范畴作一些补充。总线网中，各站直接连在总线上，一般可以使用两种协议，一种是以太网使用的CSMA/CD，另一种是令牌传递总线协议。环型网中最典型的是令牌环。星型网采用的是集中控制，由于集线器（HUB）和双绞线大量应用于局域网，使得星型网以及多级星型网络获得了广泛使用。树型网只是总线网的变形，可以说是总线网的一种扩展。传输媒体局域网可使用多种传输媒体，包括双绞线、同轴电缆、光纤。l 双绞线双绞线是最古老又是最常用的传输媒体。把两根互相绝缘的铜导线并排放在一起，然后用规则的方法绞合起来就构成了双绞线。它有非屏蔽双绞线（Unshielded Twisted Pair，简称UTP）和屏蔽双绞线（Foiled Twisted Pair，简称FTP）之分。1991年，美国电子工业协会EIA和电信工业协会TIA发布了一个标准EIA/TIA-568，该标准规定了用于室内传送数据的无屏蔽双绞线和屏蔽双绞线的标准。随着局域网上数据传输速率的不断提高，EIA/TIA在1995年将布线标准更新为EIA/TIA-568-A，此标准规定了5个种类的UTP（从1类线到5类线），后来又发展了超5类线。对传送数据来说，最常用的UTP是5类线和超5类线，以后还会不断更新。l 同轴电缆同轴电缆是由内导体铜质芯线(单股实心线或多股绞合线)、绝缘层、网状编织的外导体屏蔽层以及塑料保护外层组成的。由于外导体的屏蔽作用，同轴电缆具有很好的抗干扰性，所以被广泛应用于较高速率的数据传输中。同轴电缆按特性阻抗数值的不同，可分为两类： 50同轴电缆这是为数据通信所用的，用于传送基带数字信号，所以50同轴电缆又称基带同轴电缆，它可用到10 Mb/s。这种电缆按直径又可分为细同轴电缆（直径为0.5mm，简称细缆）、粗同轴电缆（直径为10mm，简称粗缆）。在传送基带数字信号时，可以采用不同的编码方法，在计算机通信中常用曼彻斯特编码和差分曼彻斯特编码。 75同轴电缆这种同轴电缆用于模拟传输系统，可在宽带局域网中用到50 Mb/s，它是有线电视系统CATV中的标准传输电缆。在这种电缆上传送的信号采用频分复用的宽带信号，所以75同轴电缆又称为宽带同轴电缆。l 光纤光纤具有很好的抗电磁干扰特性和很宽的频带，主要用于环型网中，但由于技术发展快，很多点到点线路也使用光纤，其速率可达100 Mb/s、1000 Mb/s。3.2.2体系结构在20世纪80年代初期，美国电气和电子工程师协会IEEE 802委员会首先制订出局域网的体系结构，即著名的IEEE 802参考模型，许多IEEE 802标准已成为ISO国际标准。 IEEE 802参考模型由于局域网拓扑结构主要是总线型、环型、星型、树型，故路由选择可以大大简化，其高层尽可能与OSI参考模型符合，802标准中只有最低的两个层次，即物理层和数据链路层。然而局域网的种类繁多，其媒体接入控制的方法也各不相同，这样其数据链路层就比广域网复杂。为了使局域网中的数据链路层不致过复杂，就将其数据链路层划分为两个子层：逻辑链路控制子层（简称LLC子层）和媒体访问控制子层（简称MAC子层）。在802参考模型中还包括对传输媒体和拓扑结构的说明，这部分内容对于局域网来说特别重要，但按OSI的观点，这部分内容不在OSI的环境中。图3-2是局域网的802体系结构与OSI参考模型的对比。下面简要介绍IEEE 802各层的功能。l 物理层物理层的主要功能包括：信号的编码和译码；为进行同步用的前同步码的产生和去除；比特的传输和接收等。l MAC子层局域网中与接入各种传输媒体有关的问题都放在MAC子层，而且MAC子层还负责在物理层的基础上实现无差错的通信。具体说，MAC子层的主要功能是：MAC帧的封装与拆卸；实现和维护各种MAC协议；比特差错检测；寻址等。l LLC子层数据链路层中与媒体接入无关的部分都集中在LLC子层，其主要功能是：数据链路的建立和释放；LLC帧的封装和拆卸；差错控制；提供与高层的接口，即服务访问点SAP等。从局域网的体系结构可以看出，局域网数据链路层有两种不同的数据单元：LLC帧和MAC帧。通常提到“帧”时是指MAC帧，而不是LLC帧。图3-3为LLC帧和MAC帧的关系示意图。图3-3 LLC帧和MAC帧的关系其中LLC帧的帧结构如图3-3所示，和HDLC帧非常像。由于它还要封装在MAC帧中，所以LLC帧中无标志字段和帧校验序列字段，只有四个字段，即目的服务访问点（DSAP）、源服务访问点（SSAP）、控制字段和信息字段。服务访问点SAP实际上是LLC子层的逻辑地址，简称SAP地址。一个主机的LLC子层上设有多个SAP，以便向多个进程提供服务，比如主机A到主机B方向现在同时有两个进程，这两个进程分别通过主机A的LLC子层的两个SAP和主机B的LLC子层的两个SAP建立连接，因此这两个进程可以同时进行。由于IEEE 802规定了不同MAC子层协议，其MAC帧的帧格式各不相同，但不管哪一种MAC协议，都具有MAC地址，即每个站的物理地址。随着局域网的互连，在各地的局域网中的站必须具有互不相同的物理地址，同时为了使用户买到网卡就能把机器连到局域网上工作，802标准规定将MAC地址固化在网卡中，采用48bit（6字节）的地址字段，其中前三字节（高24位）由IEEE统一分配，世界上凡是生产网卡的厂家都必须向IEEE购买这三个字节构成的一个号，又称“地址块”，地址字段的后三字节（低24位）由厂家自行分配。可见在局域网中，MAC地址的作用就是用来找到我们所要进行通信的计算机，网卡从网上每收到一个MAC帧，首先检查其MAC地址，如果是发往本站的帧就收下，然后进行其它处理。这里包括以下三种帧：单播帧收到的帧的MAC地址与本站的MAC地址相同；广播帧发送给所有站的帧（全“1”地址）；多播帧发送给一部分站点的帧。 IEEE 802系列标准IEEE 802委员会现已制定了如下13个标准：802.1概述、体系结构和网络互连，以及网络管理和性能测量；802.2逻辑链路控制。这是高层协议与任何一种局域网MAC子层的接口；802.3CSMA/CD。定义CSMA/CD总线网的MAC子层和物理层的规约；802.4令牌总线网。定义令牌总线网的MAC子层和物理层规约；802.5令牌环型网。定义令牌环型网的MAC子层和物理层规约；802.6城域网WAN。定义WAN的MAC子层和物理层规约；802.7宽带技术；802.8光纤技术；802.9综合话音数据局域网；802.10可互操作的局域网的安全；802.11无线局域网；802.12优先级高速局域网（100Mb/s）；802.14电缆电视（Cable-TV）。3.2.3几种常见的局域网常见的局域网主要有：总线网、令牌环网两种，在我国使用最广泛的是总线网。 802.3总线局域网802.3是一种基带总线局域网，通常称为以太网（Ethernet），它的介质访问控制方法是CSMA/CD（载波侦听多路访问/冲突检测）。简单地说，这是一种广播式的网络，站点发送数据采用监听的方式，即发送前先监听网上有无其它站点在发送数据，若介质是空闲的，则该站可以发送数据；若介质是忙的，则该站以某种方法延迟一段时间以后再传输。在此过程中要检测有无冲突，如果检测到冲突，该站立刻停止发送，并发出一个短暂的阻塞信号，按规定等待一段时间再启动监听过程。在以太网的发展过程，曾出现10BASE5、10BASE2、10BASE-T、100BASE-T、100BASE-F等类型，下面简要介绍。l 10BASE5网卡通过DB-15型连接器与收发器电缆（又称AUI电缆）相连，然后再连接到收发器上，收发器再和粗缆连接。这里“10”表示信号在电缆上的传输速率为10Mb/s，“BASE”表示电缆上的信号是基带信号，“5”表示每一段电缆的最大长度为500m。由于采用的传输媒体是特性阻抗为50、直径为10mm的同轴电缆，所以这种以太网通常称为粗缆以太网。l 10BASE2用BNC T型连接器（它有三个头，外观像“T”，简称T型头），其两个反向头连接两段电缆，中间的一个头连接到网卡外露的BNC插座上。它采用50、直径为5mm的细同轴电缆，通常称为细缆以太网。“2”表示每个网段长度约为200m，准确的为185m。0BASE-T0BASE-Tl 10BASE-T“T”表示双绞线星型网，使用RJ-45连接器连接。10BASE-T的出现是局域网发展史上的一个非常重要的里程碑，它为以太网在局域网中的统治地位奠定了基础。l 100BASE-T100BASE-T是在双绞线上传送100Mb/s基带信号的星型快速以太网。用户只要更换一张100Mb/s的网卡，配上100Mb/s的集线器，就可方便地由10BASE-T升级到100Mb/s，所有在10BASE-T上的应用软件和网络软件都可以保持不变。100BASE-TX大多使用2对5类非屏蔽双绞线（UTP 5），一对用于发，一对用于收。l 100BASE-F100BASE-F采用光纤作为传输媒体，其中100BASE-FX使用2对光纤，一对发，一对收。100BASE-TX和100BASE-FX合在一起称为100BASE-X。l 1000BASE-T1000BASE-T使用4对5类线UTP，传输距离位25100m。l 1000BASE-SX1000BASE-SX用多模光纤和850nm激光器，距离为300550m。l 1000BASE-LX1000BASE-LX用单模光纤（距离为3km）或多模光纤（距离为300550m）和1300mm激光器。 802.5令牌环网在令牌环网中，所有的站点通过连接器连成一个环型，它的介质访问控制方法是在环上专门有一个唯一的特殊的帧称为令牌帧，长度为3字节，其中有相应的比特指示该帧是空令牌还是忙令牌。令牌帧不停地在环上运行，当环网上某个站点要发送数据，必须截获空令牌，将数据放在其后，此时令牌变成忙令牌将数据发送出去，其它所有站点只能处于收听方式而不能发送数据。环上的每一个站将数据帧转发至下一个站，只有目的站将数据帧复制下来，数据帧在环上转了一圈后，最后又回到源站，源站通过对返回的数据帧进行检查，就知道本次的发送是否成功。当该站发送数据完毕后，就释放空令牌，以便让其它的站点发送数据。这种环型网不会产生冲突，但是效率不够高，在我国很少使用。其它几种局域网如令牌总线、时隙环等在我国更少见，国际上使用也不多。这里就介绍了。3.2.4局域网的组成硬件组成局域网通常由用户工作站、网络服务器、网络适配器（又称网卡）、传输介质及附属设备部分组成。软件组成局域网的系统软件包括网络协议软件、通信软件和网络操作系统等。协议软件主要用于实现物理层及数据链路层的某些功能，如在网卡中实现的软件。通信软件用于管理各个工作站之间的信息传输，如实现运输层及网络层功能的网络驱动程序等。局域网操作系统是指网络环境上的基于单机操作系统的资源管理程序，主要包括文件服务程序和网络接口程序。文件服务程序用于管理共享资源，网络接口程序用于管理工作站的应用程序对不同资源的访问。局域网的操作系统主要有：UNIX操作系统、NOVELL网络操作系统、Microsoft操作系统等。其中较流行的产品有：NOVELL公司的NetWare，微软的Windows NT等。3.3分组交换网数据通信网发展的重要里程碑是采用分组交换方式，构成分组交换网。和电路交换网相比，分组交换网的两个站之间通信时，网络内不存在一条物理电路供其专用，因此不会像电路交换那样，所有的数据传输控制仅仅涉及到两个站之间的通信协议。在分组交换网中，一个分组从发送站传送到接收站的整个传输控制，不仅涉及到该分组在网络内所经过的每个节点交换机之间的通信协议，还涉及到发送站、接收站与所连接的节点交换机之间的通信协议。国际电信联盟电信标准部门ITU-T为分组交换网制定了一系列通信协议，世界上绝大多数分组交换网都用这些标准。其中最著名的标准是X.25协议，它在推动分组交换网的发展中做出了很大的贡献。有人把分组交换网简称X.25网。3.3.1 X.25协议的应用环境和系统结构X.25建议是作为公用数据网的用户-网络接口协议提出的，它的全称是“公用数据网络中通过专用电路连接的分组式数据终端设备（DTE）和数据电路终接设备（DCE）之间的接口”。这里的DTE是用户设备，即分组型数据终端设备（执行X.25通信规程的终端），具体的可以是一台按照分组操作的智能终端、主计算机或前端处理机； DCE实际是指DTE所连接的网络分组交换机（PS），如果DTE与交换机之间的传输线路是模拟线路，那么DCE也包括用户连接到交换机的调制解调器（这种情况在地区用户线上存在的）。图3-4所示为X.25协议的应用环境。 需要指出，有的计算机或终端不能支持X.25建议，是非分组型终端即字符型终端，这样的终端要进入分组网必须在它和分组网之间加分组装拆设备PAD（Packet Assembler/Disassembler）。可见PAD设备实际上是一个规程转换器，它是向各种不同的终端或计算机提供服务，帮助它们进入分组交换网。ITU-T制定了关于PAD的三个协议书，即X.3、X.28和X.29，有时称为“三个X”。X.25建议将数据网的通信功能划分为三个相互独立的层次，即物理层、数据链路层和分组层。其中每一层的通信实体只利用下一层所提供的服务，而不管下一层如何实现。每一层接收到上一层的信息后，加上控制信息（如分组头、幀头），最后形成在物理媒体上传送的比特流，如图3-5所示。 3.3.2物理层X.25协议的物理层规定采用X.21建议。X.21建议规定如下： 机械特性：采用ISO 4903规定的15针连接器和引线分配，通常使用8线； 电气特性：平衡型电气特性； 同步串行传输； 点到点全双工； 适用于交换电路和租用电路。由于X.21是为数字电路上使用而设计的，如果是模拟线路（如地区用户