第5章-计算机网络技术课件

1、第5章计算机网络技术5.1 计算机网络概述5.2 计算机网络的结构5.3 局域网技术5.4 广域网技术5.5 网络互联技术*5.6 计算机网络的安全与管理5.7 Internet概述小结 习题现代管理信息系统要求， 不同地理位置的信息管理系统既能进行本地处理， 又能彼此互联， 进行数据交换和资源共享。 物理上的分散性和逻辑上的统一性， 使企业既能“运筹帷幄”， 又能“决胜千里”， 这就必须使管理信息系统建立在计算机网络平台的基础之上， 并实现文本、 视频、 音频等多媒体信息的交互、 处理和传输。 本章主要介绍计算机网络的基本概念、 功能和主要理论技术。 5.1计算机网络概述5.1.1计算机网络

2、的形成与发展计算机网络是计算机技术和通信技术不断发展和结合的结果， 它们互相渗透， 互相融合， 促进了计算机网络的发展。 1. 以单计算机为中心的联机网络20世纪60年代中期以前， 计算机主机造价昂贵， 而通信线路和通信设备价格相对便宜， 为了共享主机资源和实现信息的采集与综合处理， 连机终端网络是一种重要的系统结构， 如图5-1所示。 图 5-1单处理机联机系统结构图单处理机联机网络是一个分时多用户系统。 这种结构的主机负荷较重， 既要承担通信工作， 又要承担数据处理， 主机效率低。 另外， 通信线路的利用率低， 尤其在远距离传输时， 如果让多个终端用户都单独占用一条通信线路， 造价就很高。

3、 所以， 在终端集中的地方， 采用了远程线路集中器， 以尽量减少通信费用。 这种结构采用集中控制方式， 可靠性较低。 为了减轻主机的负荷， 提高主机效率， 可以在主机与通信线路之间设置通信控制器（Communication Control Processor, CCP)专门处理与终端的通信。 如图51中虚线所示。2. 计算机计算机网络利用通信线路将多个计算机连接起来， 为用户提供服务， 形成以多处理器为中心的网络。 最直接的形式是将多个主计算机通过通信线路连接起来， 如图5-2所示。 这种形式， 主机既承担数据处理又承担通信控制。 为了减轻主机的工作， 第二种形式是将通信功能从主机分离出来，

4、设置通信控制处理器CCP， 主机间的通信通过CCP间接进行。 如图5-3所示。 图5-2主机直接互联的网络图5-3具有通信子网的计算机网络这种形式的计算机网络， 在逻辑上可划分为两部分。 通信控制处理机负责网上各主机间的通信控制和通信处理， 它们组成的传输网络称为通信子网， 是网络的内层； 网上主机负责数据处理， 是计算机网络软、 硬件资源的拥有者， 它们组成了网络的资源子网， 是网络的外层。 资源子网上用户间的通信是建立在通信子网的基础上。 通信子网和资源子网的结合， 组成了实现数据通信和资源共享的计算机网络。 若将网络通信子网建成公共数据通信网， 或利用已有的公共数据网， 就成为社会公有的

5、计算机通信网， 如图5-4所示。 广域网， 特别是国家级各部门建立的计算机网络大多是这种形式。 这种网络允许异种机入网， 兼容性好， 通信线路效率高， 是广域网的基本形式。图5-4具有公用数据通信网的计算机网络为了实现用户之间的互联， 如果在所有用户之间直接进行连接， 这对通信线路资源是极大的浪费。 用户之间的互联是通过交换机实现的。 在通信子网中， 每个通信结点（CCP）都有数据存储和处理的功能， 通过对数据的存储/转发实现数据的传输（交换）。 一个通信网络由许多交换结点互联而成。 交换结点转发信息的方式就是交换方式。 交换方式可以分为线路交换、 报文交换和分组交换。 其中线路交换是电话通信

6、网电话交换机的传统工作方式。这种工作方式在通话的全部时间内， 通话双方始终占用端到端的固定传输带宽（交换机之间的一个话路）。 由于计算机之间通信的突发性， 不需要在两个通信结点之间建立专用通路， 而是将数据组织成报文或分组， 通过计算机通信结点进行存储/转发， 极大地提高了通信子网的效率。 分组相对报文而言， 数据长度较短而且固定。 分组交换技术又可分为数据报交换和虚电路交换。 3. 体系结构标准化网络为了方便计算机连网以及网络互联， 实现计算机数据通信和资源共享， 必须建立标准。 随着网络技术的发展， 提出了网络体系结构标准化的概念。 国际标准化组织ISO在研究、 吸收各计算机厂家网络体系结

7、构标准化经验的基础上， 制定了计算机“开放系统互联参考模型”（Open Systems Interconnection/Reference Moden， OSI/RM）。 作为国际标准， OSI规定了可以互联的计算机系统之间的通信协议， 遵循OSI协议的网络通信产品都是所谓的开放系统。 这种统一的、 标准化的产品互相竞争的市场给网络技术的发展带来了更大繁荣。4. 国际互联网（Internet）从20世纪80年代末期以来， 起源于美国的国际互联网（或称因特网）飞速发展， 已成为世界上最大的国际性计算机互联网络。 Internet对世界的冲击， 已渗入到人们生活的各个方面。Internet仍然遵从

8、分层的体系结构思想， 称为TCP/IP体系结构。 现在， 计算机网络得到最广泛应用的不是国际标准OSI， 而是Internet的TCP/IP结构。 这样， TCP/IP常常成为事实上的国际标准。 但是， 应当承认， OSI网络体系结构的思想在计算机网络发展过程中的重要贡献。 5.1.2计算机网络的定义计算机网络在不同的发展阶段或从不同的观点有着不甚相同的定义。 综合起来， 比较统一的定义是： “地理上分散的多台独立自主的计算机通过软、 硬件设备互联， 在协议控制下以实现资源共享和信息交换的系统”。 这个定义的含义， 可以从以下几点理解： （1） 计算机网络中的计算机（工作站）是独立的。 它拥有

9、自己的软、 硬件资源， 完成一定的处理任务。 （2） 网络上的计算机， 在协议控制下互联， 实现数据通信。 （3） 网络上的计算机， 由于遵循统一的体系结构标准而成为开放系统， 从而实现资源共享。 计算机通信网是与计算机网络类似的概念。 计算机通信网以传输信息为主要目的， 所研究的是通信传输协议、 对通信设备的控制和管理、 数据传输的高效、 可靠。 另一个类似的概念是分布式系统。 分布式系统在计算机网络的基础上为用户提供了透明的集成应用环境， 是计算机网络在功能上的延伸。 分布式系统中的多台计算机除了可以相互通信和共享资源外， 还能协同工作， 以实现一个既定的功能。 多机系统也是与计算机网络类

10、似的另一种系统。 多机系统是指同一机柜中或集中在同一地点的紧密耦合的多处理机系统或并行处理系统。 并行处理系统通过互联网络实现多台计算机之间的连接， 以适应高速并行计算的需要。 而计算机网络中计算机之间的互联是相当有限的， 它们是通过各种交换技术实现计算机之间的连接。 可见， 计算机网络与并行处理系统， 分布式系统以及计算机通信网既是互相联系又是不尽相同的概念。 5.1.3计算机网络体系结构标准化及其组织网络上连接的各个计算机系统， 要实现资源共享和数据通信， 必须使用相同的语言并遵守双方都能接受的规定或约定， 以控制数据交换。 这些规则或约定的集合称为协议。 在计算机网络中， 各个主机系统为

11、了实现一定的功能， 都划分为不同的功能层次。 这些功能层次， 在网络体系结构中称为（某一层）实体。 也就是说， 一个主机系统由不同层次的实体组成， 主机向对应层次的通信是虚拟的， 它通过调用下层的功能和为上层提供的服务实现。 那么， 系统如何分层， 各层次完成的功能或服务， 以及采用的通信协议都应当明确定义， 而且应当统一， 即标准化， 以保证不同厂商设备或系统之间实现互相通信。 计算机网络中， 这种层次的划分和功能的定义， 就是网络的体系结构。 世界上一些主要的标准化组织在这方面已做了许多卓有成效的工作， 研究和创造了一系列有关数据通信和计算机网络的标准， 有的已作为国际标准， 极大地推动了

12、计算机网络技术的发展。计算机网络标准化及其组织主要有： 国际标准化组织（ISO）制定的开放系统互联（OSI）参考模型； 国际电信联合会（ITU）(原为国际电报电话咨询委员会 CCITT)的X系列、 V系列以及I系列建议书； 美国电气电子工程师学会（IEEE）的IEEE 802 LAN局域网标准以及美国电子工业协会（EIA）的RS系列标准等。 1. 国际标准化组织ISO的OSI参考模型国际标准化组织ISO成立于1947年， 是世界上最大的国际性标准化专门机构， 我国是该组织的成员国。 ISO提出的开放系统互联参考模型， 定义了异构计算机网络标准的框架结构。 OSI标准为面向分布式应用的“开放”系

13、统提供了基础。 “开放”就是指任何两个系统只要遵守参考模型和有关标准， 都能实现互联。 ISO/OSI标准将任一个系统都划分为七层， 即物理层、 数据链路层、 网络层、 传输层、 会话层、 表示层和应用层， 作为异构系统互联的体系结构， 提供了互联系统通信规则的标准框架。 2. IEEE 802局域网标准美国电气与电子工程师协会1980.2成立了局域网标准委员会， 现已形成了IEEE 802.1802.13各项标准， 对规范局域网产品的开发， 推动局域网技术的应用起到了极大的促进作用。 在IEEE 802局域网标准中， 只定义了物理层和数据链路层两层， 并由于共享信道将数据链路层划分为逻辑链路

14、控制（Logical Link Control， LLC）和介质访问控制(Medium Access Control， MAC)两个子层， 加强了数据链路层的功能， 把网络层的寻址、 排序、 流控和差错控制等功能放在LLC子层来实现。 3. ITU建议国际电信联合会（ITU）是专门制定有关数据通信和公用数据网（广域网）的国际标准化组织。 其中ITUT是ITU下属的标准化分部。 原国际电报电话咨询委员会（Consultative Committee International Telegraph and Telephone， CCITT）现在已统一为国际电信联合会， 它是国际条约组织， 主要由各

15、成员国的邮政、 电话、 电报部门组成。 该组织为国际通信用的各种通信设备及规程的标准化分别制定了一系列的建议。 在数据通信方面， ITU有两种系列建议， 即V系列与X系列建议书。 V系列建议是在数据通信发展初期， 在电话网和用户电报网上进行数据传输而制定的， 每个建议针对一个专题。 为了适应用于数据通信的公用数据通信网的发展， 20世纪70年代初又逐步形成了公用数据交换网的X系列建议书。 其中X.21、 X.25和X.75同计算机密切相关。 在X.25建议书中， 将一个公共分组交换数据网分成物理层， 链路层和分组层等3层， 与ISO/OSI低3层对应。 为了适应综合业务数字网（Integrat

16、ed Services Digital Network， ISDN）的发展， ITU又制定了ISDN网的标准， 即I系列建议。 I.100系列描述了ISDN一般概念和基本原则； I.200系列提供了ISDN所支持的电信业务分类和描述方法； I.300系列说明网络状况； I.400系列为用户/网络接口； I.500系列为网络间的接口。 CCITT与ISO密切合作， 目前已采纳OSI体系结构， 并将其制定的已趋成熟的数据通信标准融进OSI七层模型中。 我国也是ITU成员国之一。 4. TCP/IP协议有了上述的局域网和广域网协议， 并不是说就能构造出一个完整的网络系统， 还必须要有高层协议提供更加

17、完善的网络服务。 一般来说， 网络的低层协议决定了一个网络系统的传输特性， 与网络系统的硬件关联。 高层协议则提供了与网络硬件结构无关的， 更加完善的网络服务和应用环境， 通常是由网络操作系统实现的。 最通用的高层协议是TCP/IP协议， 它是一个协议集， 定义了网络接口层、 网际层、 传送层和应用层等4个层次。其中网络接口层定义了TCP/IP与各种物理网络如Ethernet、 TokenRing、 FDDI及其他网络的网络接口； 网际层相当于OSI参考模型的网络层； 传送层对应传输层； 应用层则包含了OSI参考模型的会话层、 表示层和应用层功能。 类似的高层协议还有SPX/IPX等。 5.

18、中国国家标准局中国国家标准局是我国有关工程和技术标准的法律制定机构， 它颁布有关的标准。 我国已决定在计算机与通信领域采用相应的国际标准， 因此， 国家标准局的主要工作是将有关国际标准采纳为国家标准。 5.2计算机网络的结构计算机网络的结构， 从不同的角度划分为网络的体系结构、 拓扑结构、 逻辑结构和物理结构。 网络的体系结构是网络通信和信息处理功能层次的描述， 是概念上的抽象。 拓扑结构是从几何的角度对网络结构的抽象， 即抽象为结点和连线的集合。 网络的逻辑结构是从网络工作原理考虑的逻辑组成， 即内层是通信子网， 外层是资源子网。 网络的物理结构则是网络的物理实现。 5.2.1体系结构所谓网

19、络体系结构， 就是为了完成计算机间的数据通信和信息处理， 把每个计算机的功能划分为定义明确的层次， 规定了同层次进程通信的协议以及相邻层之间的接口和服务。 将划分的层、 同层进程通信的协议以及相邻层接口统称为网络体系结构。 体系结构是系统功能层次的划分， 是系统功能的抽象。 1. ISO开放系统互联参考模型的概念国际标准化组织ISO制定了计算机网络标准模型， 及开放系统互联参考模型OSI/RM， 它为开放系统互联提供了一种功能结构的框架， 作为开发各种网络协议标准的基础。 该模型将每个连入网络的开放型计算机按通信和信息处理功能划分为7层， 如图5-5所示。图5-5ISO/OSI 七层参考模型、

20、 协议和接口该模型中， 连入网络的计算机中每一个层次都称之为实体， 两个计算机同一层次实体之间的通信， 称为对等层协议通信， 执行对等层协议规范。 同一层次实体之间的通信则通过上下层之间的接口， 上一层依次调用下一层的功能和下层依次为上一层提供服务而实现。 对等层之间的通信是虚拟的， 真正的通信实际是在计算机之间通过物理信道实现的。 2. 七层功能概述（1） 应用层。 这是OSI体系结构的最高层。 这一层的协议直接为端用户服务， 是开放系统与应用进程的接口， 提供分布式信息处理环境。 应用层管理开放系统互联， 包括系统的启动、 维持和终止， 并保持应用进程间建立连接所需的数据记录， 其他层都是

21、为支持这一层的功能而存在的。 应用层协议已经定义的协议主要有： 电子邮件协议， 提供电子邮件服务功能。文件传输协议， 提供各种文件类型（包括远程数据库文件）访问功能。目录服务协议， 提供分布式数据库功能。虚拟终端协议， 提供不同类型终端兼容功能。公共管理信息协议和公共管理信息服务， 提供对网络中的资源、 交通和安全管理功能， 还有许多其他应用服务协议正处于制定和标准化的过程中。 （2） 表示层。 表示层的功能是解决用户信息的语法表示， 它将要交换的数据从适合于某一用户的抽象语法转换为适合OSI内部使用的传送语法， 即完成信息的格式转换。 使得应用实体不必要关心信息在“公共” 表示方面的问题，

22、为应用层提供语法的独立性。 应用层实体可以使用任何语法， 表示层提供这些语法与应用实体通信所需要的公共语法之间的转换。 各种计算机内部数据表示可能不同， 例如整数、 浮点数的格式可能不同， 字节的顺序（高位字节与低位字节的位置）可能不同， 这些方面的差别在网络传输时需要统一。 这可以类似于用基本数据类型构造复杂数据结构的方法， 用一种抽象语法表示用户的数据， 应用层的协议数据单元向下传送到表示层时， 表示层用抽象语法表示它的结构， 传送到对方的表示层时， 也用同样的抽象语法解释它。 表示层提供的服务有： 统一的数据编码（整数、 浮点数的格式， 以及字符编码等）、 数据压缩格式、 加密技术等，

23、后两种是数据传输过程所需要的。 （3） 会话层。 会话层提供两个表示层实体之间交互时组织和同步它们的会话过程， 以及为管理它们的数据交换提供必要的手段。 它提供的会话服务可分为两类： 会话管理服务， 把两个表示实体结合在一起， 或者把它们分开。 控制两个表示实体间的数据交换过程， 即对话服务。 例如， 分界、 同步等。（4） 传输层。 传输层的功能是在两个端系统之间可靠、 透明地传送报文。 当会话实体要求建立一条传输连接时， 传输层就为其建立一个对应的网络连接。 如果要求较高的吞吐率， 传输层可能为其建立多个网络连接（分流）。 如果要求的传输速率不很高， 单独创建和维持一个网络连接不合算， 则

24、传输层就可以把几个传输连接多路复用到一个网络连接上。 这样的多路复用和分流对传输层以上是透明的。 传输层的服务可能是提供一条无差错按顺序的端到端的连接， 也可能是提供不保证顺序的独立报文传输， 或多目标报文广播， 即所谓面向连接的服务和面向无连接的服务。 这些服务可由会话实体根据具体情况选用。 传输连接在其两端进行流量控制， 以免高速主机发送的信息流淹没低速主机。 传输层协议是真正的源端到目的端的协议， 它由传输连接两端的实体处理。 传输层和下面网络层的界面是用户和通信子网的界面。 传输层以下的功能层协议都是通信子网中的协议。 （5） 网络层。 网络层的功能在通信子网内完成， 在源、 目的结点

25、之间选择一条最佳路径， 将分组正确地传送到目的地， 并提供流量控制功能。 交换过程中要解决的关键问题是选择路径， 路径可以是固定不变的， 也可以由网络负载情况动态变化。 另一个要解决的是流量控制， 防止网络中出现局部的拥挤甚至全面的阻塞。 此外， 网络层还拥有记账功能， 以便根据通信过程中交换的分组数（或字符数、 比特数等）计费。 （6） 数据链路层。 数据链路层的功能是建立、 维持和释放网络实体之间的数据链路， 保证网络中相邻结点之间数据的有效传输， 应表现为一条无差错的信道， 传送数据链路服务数据单元（称为帧）。 一个数据链路连接建立在一个或多个物理连接上。 相邻结点之间的数据链路控制的主

26、要功能有： 组织数据帧， 以帧为单位进行传输， 校验和应答。 流量控制， 对发送数据的速率进行控制， 以免发送过快， 接收端来不及处理而丢失数据。 差错控制， 接收端对收到的数据帧进行校验、 发现差错， 必须重传。 数据链路管理， 发送端与接收端之间必须通过某种形式的对话， 建立、 维护和终止一批数据的传输过程。 数据链路控制功能由数据链路层协议实现， 要求数据链路层协议能适应各种数据链路配置， 如点对点链路和多点链路、 半双工链路和全双工链路等。 数据和控制信息在同一线路上传输， 因而数据链路协议应能区分数据帧和控制信息帧。 最常用的数据链路协议是高级数据链路控制协议(High Level

27、Data Link Control, HDLC）。 （7） 物理层。 在OSI参考模型中， 物理层的功能规定为“在数据链路实体之间提供激活、 维持和释放用于传输比特的物理连接的方法， 这些方法有机械的、 电气的、 功能的和过程的特性”。 这种物理连接可以是单工或双工的， 它可以是串行的或并行的按位传输。 机械特性描述连接器的形状、 几何尺寸、 引线数、 引线排列方式、 锁定装置等。 电气特性规定信号线的连接方式， 驱动器和接收器的电气参数， 并给出有关互联电缆等方面的技术指导。 功能特性对接口连线的功能给出确切的定义， 如数据线、 控制线、 定时线和地线， 有的接口可能需要两个信道， 因而接口

28、线又可分为主信道线和辅信道线。 过程特性则规定了使用接口线实现数据传输的操作过程。 5.2.2拓扑结构拓扑结构是计算机网络的重要特性。 所谓拓扑， 是一种研究与大小、 形状无关的点、 线、 面（构成图形）特性的方法， 由数学上的图论演变而来， 图是由线所连接的点的集合。 从网络拓扑学的观点看， 网络是由一组结点和连接结点的链路组成的。 结点可分为两类， 一类是转换结点， 支持网络线路连续， 通过所连接的链路转发信息， 如电话交换机、 集中器和通信控制器（CCP）等。 另一类是访问结点， 它除可以连接链路外， 还可以存储、 处理并作为发送点和接收点， 一般处在通信子网的末端， 所以访问结点也称为

29、端点。计算机间或通信子网中通信控制器（CCP）之间的通信信道连接形式有两种： （1） 点点信道， 通信双方处于信道的两端， 以点点连接形式互连计算机构成的网络， 称为链路型网络。 （2） 多点信道， 也称为广播信道， 即多个计算机连接到一条通信线路的不同分支点上。 实际上， 广播信道的网络仅有一个通信信道， 为网上所有计算机所共享。 当广播信道用有线介质实现时， 则变为总线结构或多点线路。 1. 点点信道构成的网络拓扑结构点点信道构成的网络拓扑结构如图5-6所示。 1） 星形结构。 星形结构由一个功能较强的转接中心S以及一些各自连到中心的结点（从结点）组成。 这种网络各从结点间不能直接通信，

30、从结点间的通信必须通过中心结点转接。 星形结构有两类： 一类是转接中心只起使从结点连通的作用。 另一类转接中心是一个很强的计算机， 从结点一般是计算机或终端， 这时转接中心有转接和数据处理的双重功能。 强的转接中心也称为各从结点共享的资源， 转接中心也可按存储转发方式工作。 图5-6链路型网络拓扑结构(a) 星形；（b） 环形；（c） 树形； （d） 总线形（2） 环形结构。 环型结构是局域网常用的拓扑结构。 它由通信线路将各结点连接成一个闭合的环， 数据在环上单向流动， 每个结点按位转发所经过的信息， 可用令牌（Token）协调控制各结点的信息发送和接受， 环上任意两结点都可通信。 （3）

31、层次结构或树形结构。 层次结构是联网的各计算机按树形连接， 树的每个结点都为计算机。 一般说来， 越靠近树根， 结点的处理能力就越强。底层计算机的功能和应用有关， 一般都有明确定义的和专门化很强的任务， 越靠近树根的计算机则有更通用的功能， 以便控制协调系统的工作。 层次结构信息的传输在不同级上垂直进行， 这些信息可以是程序、 数据、 命令或以上三者的组合。 层次结构适用于相邻层通信较多的情况。 典型的应用是底层结点解决不了的问题， 请求中层解决， 中层计算机解决不了的问题请求顶部的计算机解决。 底层的计算机一般处理繁琐的重复性工作， 如数据采集和变换， 而数据处理、 命令执行（控制）、 综合

32、处理则由上层处理。 如共享的数据库放在顶层而不分散在各个底层结点。 层次结构如果只有两级， 就成为星形结构。 （4） 总线结构。 总线结构网络是把联网的计算机分别连接到通信线路的不同分支处， 通信线路成为共享总线。 总线网也是局域网最常用的拓扑结构。 在IEEE 802局域网中， 总线网有IEEE 802.3， 即争用总线网和IEEE 802.4令牌总线网两种。 2. 广播信道构成的网络拓扑结构广播信道网络可以是总线拓扑结构、 环形拓扑结构， 也可以是无线（如卫星）广播拓扑结构。 广播式信道局域网中所有结点都共享同一信道， 信道的分配方法可以有多种， 如时分多路复用（TDM）、 频分多路复用（

33、FDM）适合均匀传输的传统分配方法； 也可以由控制中心结点用轮询方式分配信道或动态分配时间片等集中控制方式； 也可采用信道上结点争用信道的方法。 局域网中， 由于共享信道， 信道的分配或接入控制， 也就成了局域网要解决的关键技术。 这就是所谓的媒体（介质）访问控制协议。 5.2.3逻辑结构（组成）计算机网络的逻辑结构， 也就是网络的组成。 它是从网络的工作原理考虑的网络结构。 网络上互联的计算机， 它们各自是一个独立的计算机系统， 具有自己的软、 硬件资源， 可以完成信息处理功能。 要实现资源共享和数据通信必须通过网络通信控制器和通信信道。 因此， 计算机网络在逻辑上可分为资源子网和通信子网，

34、 如图5-7所示。 图5-7通信子网和资源子网图中， 外层是资源子网， 内层是通信子网。 资源子网中主要包括拥有资源的用户主机和请求资源的用户终端， 它们都是端结点， 也与通信的源结点和宿结点相连接。 拥有资源的用户主机具有信息处理的功能。 通信子网的任务是在端结点之间传送由信息组成的报文， 它主要由转接结点和通信线路组成。 转接结点指网络通信过程中起控制和转发信息作用的结点， 例如程控交换机、 集中器、 接口信息处理机等。 通信线路是指传输信息的信道， 可以是电话线、 同轴电缆、 无线电线路、 卫星线路、 微波中继线路以及光纤缆线等。广域网中， 一个报文从源结点到宿结点， 在通信子网中需经过

35、多个转接结点的转发， 即先将报文接收存储， 然后按通信协议的规定， 以一定的方式选择路径转发出去， 这就是存储转发。 局域网中， 转接结点简化为一个微处理芯片， 每台主机（或工作站）都设定一个微处理芯片（在网卡中）， 以广播方式进行报文信息传送， 唯一的信道为网络中所有主机共享。 任何主机发出的信息所有主机都能收到。 信息包中的地址信息则可指明通信双方的源地址和目标地址， 也可使用特定的地址说明该信息包是发送给所有站的。 5.2.4物理结构 计算机网络的物理结构是指网络的物理实现， 包括硬件和软件的物理集成。 具体的实现与网络的功能、 性能有关。 一般说来， 可由以下几部分组成： 1. 通信子

36、网分组交换器， 为报文分组选择路由， 形成传输的“连接”。 多路转换器， 多路到一路或一路到多路的转换， 实现信道的共享（信道多路复用）。 分组组装/拆卸设备。组装， 接受终端字符流， 组装成网络传输协议规定的报文格式“帧”或“分组”。 拆卸， 将网络来的报文分组拆卸为字符流， 送至目标地址规定的响应终端。 网络控制中心， 管理和检测网络的运行， 对网络用户进行注册、 登录和记账， 对网络故障进行检测。 2. 资源子网网络上全部计算机硬、 软件资源。硬件： 主机（HOST）/外设（终端）。软件： 主要指网络操作系统， 它是建立在各主机操作系统之上的一种操作系统， 实现不同主机系统之间的用户通信

37、， 资源共享以及提供统一的网络用户接口。 网络数据库系统， 它是在网络操作系统支持下的一种数据库系统， 可以是集中式网络数据库， 也可以是分布式网络数据库， 向网络用户提供数据服务， 实现网络数据共享。 网络应用软件， 它是实现网络应用的各种软件的集合， 如电子邮件服务软件， 文件传输服务软件等等。 网络互联设备， 实现网络与网络的互联， 实现不同协议层次上的连接， 如中继器、 网桥、 路由器、 网关等。 5.3局 域 网 技 术局域网（Local Area Network， LAN）泛指将小区域范围内的各种数据通信设备互联在一起， 以高的数据传输速率互相通信的一种数据通信系统。 所谓小区域，

38、 可以是一个建筑物、 一个校园或者大至几十千米的一个区域。 而数据通信设备则是广义的， 包括计算机、 终端、 各种外围设备等。 数据通信设备有时也称为站或站点。 局域网是一个通信网， 若要组成计算机局域网， 还要将连接到局域网的数据通信设备加上高层协议和网络软件。 然而在实际使用中一般认为局域网就是计算机局域网， 并不加以区分。 5.3.1局域网概述计算机网络是自主互联的计算机系统的集合， 而计算机局域网是局部范围的计算机网络。 它是为在一个相对独立的局部范围内大量微机相互通信、 共享外部设备、 数据信息和应用程序而建立的。 1. 局域网特点很难给出局域网的严格定义， 一般的叙述是： 在较小的

39、地域范围内， 利用通信线路将众多微机等设备连接起来， 实现相互数据传输和资源共享的系统称为计算机局域网络。局域网有以下主要特点： （1） 传输速率高且误码率低。 局域网传输速率一般为11000 Mb/s； 因为传输距离短， 误码率很低， 一般在10-810-11范围。（2） 地域覆盖范围小， 一般在10 km以内， 至多不超过100 km， 属于某一单位内部管理。 （3） 以微机为主要建网对象。 大部分局域网没有中央主机系统， 只有多种微机和外设。 可以说， 局域网是专为微机而设计的网络系统。 2. 局域网基本技术局域网是计算机通信网络， 其基本技术涉及拓扑结构、 传输形式和信道的访问控制方法

40、（介质访问控制或媒体接入控制方法）。 （1） 局域网的拓扑结构。 已如前述， 网络的拓扑结构是指网络结点及其连线的几何布局， 它描述了各结点的逻辑位置。 就局域网而言， 它的拓扑结构就是连至网络的数据通信设备之间的互联方式。 局域网具有三种典型的拓扑结构： 星形、 环形、 总线或树形。 星形拓扑结构中集中控制方式较少采用， 而分布式星形结构在现代局域网中采用较多； 环形结构是一种有效的结构形式， 也是一种分布式控制， 它控制简便， 结构对称性好， 传输速率高， 应用较为广泛； 总线拓扑结构可以实行集中控制， 但较多的是采用分布式控制。 总线拓扑的重要特征是可采用广播式多路访问方法， 它的典型代

41、表就是著名的Ether网（以太网）。 总线结构是局域网采用最多的结构形式， 可靠性高， 扩充方便。树形结构在分布式局域网中较流行的是完全二叉树， 这种结构的扩充性能好， 寻址方便， 适用于多点检测的实时控制和管理系统。 也可以将星、 环、 总线等基本拓扑形式组合而构成混合形拓扑结构。 （2） 传输形式。 局域网的传输形式有两种： 基带传输和宽带传输。 基带局域网在传输媒体上传输的是单一传输率的数字信号， 而宽带局域网在传输媒体上传输的是经过高频调制的模拟信号， 同一个媒体上可传输多个不同的频道。 局域网上常用的传输媒体有双绞线、 同轴电缆和光缆。 双绞线又区分为无屏蔽双绞线（UTP）和屏蔽双绞

42、线（STP）。 对于双绞线， 由于局域网的传输率已达到10 Mb/s以上， 甚至100 Mb/s， 因此， 必须选用数据级双绞线。 以UTP为例， 选择UTP3、 UTP4、 UTP5， 这三种类型可分别适应以太网的10 Mb/s、 16 Mb/s环网， 光纤分布式数据接口网或快速以太网的100 Mb/s三种使用环境。 同轴电缆常用于以太网， 它的频宽与抗外界电磁场干扰能力均比UTP强。在基带或宽带以太网上分别选择50 或75 的同轴电缆作为传输媒体。 光缆作为局域网传输媒体可获得很高的传输率， 很强的抗外界干扰能力， 极小的电磁辐射及较长的网络段跨距等。 由于光缆内的光信号有单向性和不宜分流

43、的特点， 因此， 以光缆作为传输媒体的局域网其拓扑结构常选择星形、 环形或簇形。 簇形拓扑是环形和总线形的复合结构。（3） 媒体访问控制方法。 在局域网中， 由于多个站点往往共享一条传输媒体， 因此必须要确定哪个站点能访问这一共享媒体， 即允许它往信道上交换报文信息。 也就是说， 必须要有一种方法或规定对媒体的访问进行控制， 以免在媒体上由于并发传输而造成碰撞， 这就是媒体访问控制协议。在基带局域网上， 采用时分复用技术的媒体访问控制方法。 以太网为CSMA/CD方法（参见以太网）， 令牌环网与光纤分布式接口网络为令牌传递方法（参见令牌环网）。 在宽带局域网上， 媒体访问控制方法采用频分复用技

44、术， 即将媒体的频带划分为若干频道。 经过调制的数字信号如果在不同频道上传输， 不会发生碰撞； 但如果它们在同一频道上传输， 仍有可能发生碰撞。 因此， 在同一频道上往往还要采用基带局域网上常用的媒体访问控制方法。 媒体访问控制方法对网络吞吐率、 实时性以及优先访问机制等性能有很大影响。3. 局域网协议标准为了使多个主机系统互联成局域网， 它的层次结构也应该参考和采用ISO组织关于开放系统互联OSI参考模型。 遵循OSI参考模型的层次结构， 任何一个层次的设计， 只需涉及与其上下两层之间的接口和该层所要完成的协议即可， 不再需要考虑与其他层之间的关系。 采用层次结构的设计方法， 可以提供很大的

45、灵活性。 由于局域网的迅速发展， 产品的种类和数量急剧增加， 为了适应这种发展， 必须在传输形式、 媒体访问控制方法和数据链路控制等方面制定标准。 IEEE 802委员会制定的IEEE 802标准进展快， 而且比较完全， 许多已被国际化组织ISO采纳作为ISO的国际标准。 （1） 局域网的协议层次。 局域网由于共享信道， 它的体系结构只包含OSI参考模型的最低两层， 即物理层和数据链路层。 由于局域网中的媒体访问控制（Medium Access Control， MAC）比较复杂， 且在结点间传输数据之前首先要解决由哪些设备可以占用传输媒体， 为此， 数据链路层要有媒体访问控制功能， 并提供多

46、种媒体访问控制方法。为了使数据帧传输独立于所采用的物理媒体和媒体访问控制方法， IEEE 802标准把数据链路层划分为两个子层次， 即逻辑链路控制子层（Logical Link Control， LLC）和媒体访问控制子层（MAC）。 LLC子层为高层提供一个或多个服务功能和逻辑接口， 与高层（网络）联系， 而与物理媒体及媒体访问控制无关， 它具有帧的接收与发送功能。 发送时要把发送的数据加上地址和循环冗余校验CRC字段等构成LLC帧； 接收时把帧拆封， 执行地址识别和校验功能， 并且有帧顺序、 差错控制和流量控制等功能。该子层还包括某种网络层的功能， 如数据报、 虚电路和多路复用等功能。 M

47、AC则根据网络的不同拓扑结构和媒体特性而有不同的媒体访问控制标准。 这样， 物理媒体和媒体访问控制方法对高层的影响在MAC与LLC的界面是一致的， 或者说， LLC子层与所用的物理信道、 媒体访问控制方法无关， 而MAC子层却和媒体密切相关， 从而形成（制定）各种不同协议标准的局域网。 由于IEEE 802局域网拓扑结构简单， 网络层的很多功能如路由选择等是没有必要的， 而如流量控制、 寻址、 排序、 差错控制等功能可在链路层完成， 因此IEEE 802标准不单独设立网络层。 但考虑到多个IEEE 802局域网需要互联， IEEE 802标准在实现模型中在LLC之上设立了网际层， 网际层也是网

48、络层的一个子层， 有时LLC的上层也叫网际层。 局域网协议层次与OSI参考模型的关系如图5-8所示。 图5-8局域网协议层次与OSI参考模型的关系(2) IEEE 802系列。 (3) IEEE 802局域网实现模型。 将IEEE 802标准实现用一个模型形象地表示可如图5-10所示。 图5-9局域网系列标准图5-10IEEE 802 LAN实现模型图中的物理层由四部分组成： 物理介质； 物理介质连接设备（PMA）； 接口电缆； 物理收发信号（PLS）。 物理层提供了编码、 解码、 时钟提取、 发送、 接收及载波检测等功能， 并为数据链路层提供服务。 协议中规定了物理链路操作的电气和机械特性参

49、数。 图中的数据链路层包含了两个子层： 逻辑链路控制（LLC）子层和介质访问控制（MAC）子层。 介质访问控制子层， 它的主要功能是控制对传输介质的访问。 不同类型的局域网所使用的介质访问控制方法是不同的， 如CSMA/CD、 TokenBus、 TokenRing、 FDDI等。 逻辑链路控制子层， 它提供了面向连接的服务和无连接的服务。 其中， 面向连接的服务能够提供可靠的通信。 它提供的主要功能是数据帧的封装和拆卸， 为高层提供网络服务的逻辑接口。 5.3.2IEEE 802.3标准总线局域网（以太网Ethernet）IEEE 802.3国际标准是在Ethernet标准的基础上制定的，

50、根据不同的物理介质又发展了多种子标准， 形成了一个IEEE 802.3标准系列， 如图5-11所示。 图5-11IEEE 802.3标准系列IEEE 802.3标准定义了Ethernet的技术规范， 它由物理层和介质访问控制（MAC）层技术规范组成。 Ethernet采用的是争用型介质访问控制协议， 即CSMA/CD。 它在轻载情况下具有高的网络传输速率。 Ethernet组网非常灵活和简便， 既可使用细、 粗同轴电缆组成总线形网络， 也可使用3类无屏蔽双绞线（UTP）电缆组成星形网络（即10BASET技术）， 还可以将同轴电缆的总线形网络和UTP电缆的星形网络混合起来连接。 Ethernet

51、是目前国内外应用最为广泛的10 Mb/s网络。 1. 物理层1) 传输介质IEEE 802.3定义的传输介质可以是粗同轴电缆（10BASE5）、 细同轴电缆（10BASE2）、 UTP双绞线（10BASET）、 光纤（10BASEF）以及宽带同轴电缆（10BROAD3）， 形成了一个物理层标准系列， 参见图5-11。 粗、 细同轴电缆是基带同轴电缆， 它们的电气特性是相同的， 特性阻抗均为50 。 宽带同轴电缆的特性阻抗为75 。 使用同轴电缆可以构成总线形网络， 在总线的两端， 要分别使用与相应特性阻抗匹配的终端器相接， 以吸收总线上的能量， 减少电磁波反射的干扰。 UTP双绞线的特性阻抗为

52、100 ， 常用点到点的连接方式。 光纤一般为多模光纤， 也采用点到点的链路连接方式。 2) 介质访问单元介质访问单元（Medium Access Unit， MAU）包括介质相关接口（Media Dependent Interface， MDI）和物理介质连接设备（Physical Media Attachment， PMA）两部分。 它是连接传输介质的物理接口， 具有发送、 接收、 冲突检测、 监控（可选）、 载波监听、 信号质量检测等功能。 MAU与传输介质相关， 不同传输介质的MAU规定了不同电气和机械特性。 尽管它们的信号收发速率均为10 Mb/s， 但对介质的驱动能力各不相同。 习

53、惯上将MAU称为收发器。 3) 访问单元接口访问单元接口（Access Unit Interface， AUI）是物理收发信号（Physical Signaling， PLS）子层和MAU之间的接口。 PLS子层可以通过AUI选择MAU， 去驱动相应的传输介质。 也就是说， AUI将使得PLS、 MAC、 LLC等各层均与传输介质无关， 可以自由地选择所需要的传输介质。 在具体实现上， 10BASE2和10BASET的MAU（收发器）集成在网卡的内部（称为内部收发器）， PLS和MAU之间通过网卡内部连线方式的AUI来实现连接。 10BASE5和10BASEF的MAU则是一个独立于网卡的收发器

54、（称为外部收发器）， PLS和MAU之间则通过一条长达50 m的AUI电缆实现连接。 4) 物理收发信号子层物理收发信号（PLS）子层是物理层和MAC子层之间的接口， 主要完成复位、 识别以及输出、 输入、 操作方式选择、 冲突检测和载波监听等功能。 各个功能如下： （1） 复位和识别， 在接通电源或接收复位请求时执行， 它将复位并启动所有的PLS功能， 并决定MAU连接到AUI的能力。 （2） 输出， 将MAC的数据传送给MAU发送出去。 （3） 输入， 将MAU接收到的数据传送给MAC。 （4） 操作方式选择提供两种操作方式： 正常和监控。 监控方式可选， 用于隔离故障和操作验证。 这时，

55、 MAU发送器在逻辑上与介质隔离， MAU只是作为一个介质监视器而工作。 （5） 冲突检测， 将MAU检测到的信号质量改变情况的载波状态报告给MAC子层。 （6） 载波检测， 将MAU监听到的载波活动变化情况的载波状态报告给MAC子层。 （7） 数据的编码和解码， 采用曼彻斯特编码技术， 对输出的数据进行编码； 对输入的信号进行解码。 2. CSMA/CD介质访问控制方法IEEE 802.3的MAC子层主要定义了数据帧的封装与拆卸， 以及数据帧发送与接收的CSMA/CD介质访问控制方法。 CSMA/CD（Carrier Sense Multiple Access/Collision Detec

56、t）， 即载波监听多路访问/冲突检测方法是一种争用型的介质访问控制协议， 它是分布式介质访问控制方法， 网中各个站（结点）都能独立地决定数据帧的发送与接收。 IEEE 802.3的CSMA/CD协议中定义了帧的格式， 如图5-12所示。 MAC子层协议在上一层LLC子层的协议数据单元PDU的外面， 加上帧头和帧尾， 组装成完整的帧， 然后经物理层传送。 图5-12 CSMA/CD协议帧格式5.3.3高速以太网技术世界上使用最普遍的网络是以太网和令牌环网。 但是， 传输速率10 Mb/s限制了其应用， 多媒体的引入对现有的网络造成了更大的压力， 如何使现行网络适应新的要求， 这是网络面临的一个难

57、题。 为了开发快速的以太网技术， 一种方法是沿用常规以太网普遍使用的CSMA/CD技术， 创导100BaseT规范； 另一种办法则抛弃传统的CSMA/CD技术， 采用被称为需求优先级轮询的媒体访问方法， 名为100BaseVG(原100VGAny LAN)。 IEEE 同时采纳这两种技术， 其中100BaseT作为以太网IEEE 802.3的补充， 称为IEEE 802.3u， 而100BaseVG被称为IEEE 802.12新标准。 这两类以太网的共同点是： 基于共享传输媒体的原理， 属于10BaseT星形总线的扩展， 信号速率加快10倍， 即速率为100 Mb/s， 可使用无屏蔽铜质双绞线

58、UTP， 也可使用多模光纤， 采用相同的帧格式。 这两种技术可以在100 Mb/s网络中仍能保持本地的以太网帧格式。 这样， 当从10 Mb/s以太网到100 Mb/s以太网的桥接和路由选择执行帧转换时， 不致花费高昂的代价。 为了适应多媒体信息的传输， 需要带宽更高的局域网， 这就是千兆位以太网。1. 100BaseT100BaseT沿用了10BaseT的媒体访问方法CSMA/CD和帧格式， 但把速度提高到了100 Mb/s。 为了适应高速传送采用的措施是： (1) 减小传输距离， 因为发送的数据速率越大， 数据传送的有效距离也就越短。 反之， 发送的数据速率越小， 所覆盖的地理范围越广。

59、即对于给定的数据可以维持一定的距离范围。 (2) 增加结点间的连接线， 即将10BaseT用半双工1对3类非屏蔽双绞线（UTP）改半双工4对3类UTP线并联使用， 每对线速度仅为25 MHz， 用4对线缆便解决了用3类线也能运行100 Mb/s的速率问题， 这种标准称为100BaseT4。 若用两对5类UTP， 则称为100BaseTX。 目前很少见到用3类UTP构成的100BaseT4产品， 使用最多的是100BaseTX。 (3) 为适应高速传送， 采用FDDI的编码方法， 即4B/5B编码技术， 在技术上与FDDI兼容。 由于100BaseT与传统的以太网尽可能保持一致， 并遵从传统的C

60、SMA/CD协议， 因此10BaseT很容易升级到100BaseT。2. 100BaseVG100BaseVG为解决冲突型以太网中因竞争总线而产生的“瓶颈”问题， 采用“按需优先轮询”方法取代CSMA/CD媒体访问方法。这种方法要求使用一个100 Mb/s的多端口中继器（或集线器）， 端站点分别接至中继端口。 集线器与智能设备相结合， 对每个端口进行决策， 决定所连接的站点是否有数据要发送。 集线器循环地对每个端口进行轮询， 如果这个站点没有激活， 则轮询下一个站点。 如果某个站点有数据需要发送， 则发送数据。 若该站点刚好错过了一个发送机会， 那么这个站点可以将其需求传送给登记仲裁设施， 以