计算机通信技术第12章

1、第12章 计算机网络基础计算机网络是由硬件和软件组成的，其中硬件包括传输介质、计算机或网络设备以及接口等。本章主要讨论计算机网络的拓扑结构、局域网与广域网技术、数据交换技术、路由技术、常用网络硬件设备以及网络安全技术。第12章 计算机网络基础12.1 计算机网络的构成第12章 计算机网络基础12.1 计算机网络的构成12.1.1 计算机网络的组织结构 网络的拓扑结构 设备连接配置 网络整体布局和构成第12章 计算机网络基础12.1.2 计算机网络的功能数据通信：计算机通过联网实现计算机之间的数据传送，使分散的信息得到统一、集中的控制和管理。共享资源：用户可使用网络上的硬件资源、软件资源和数据资

2、源，避免贵重硬件设备的重复购置，避免软件的重复开发，避免大型数据库的重复建设。分布式处理及可靠性：网络上的计算机分别承担、共同协作完成一项复杂任务中的某些部分。第12章 计算机网络基础12.1.3 计算机网络的拓扑结构星型总线型树型网状混合型蜂窝第12章 计算机网络基础总线型结构：采用一条单根的通信线路（总线）作为公共的传输通道，所有结点都通过相应的接口直接连接到总线上，并通过总线进行数据传输。第12章 计算机网络基础特点：结构简单灵活，易于安装与扩展采用分布控制方式，各结点平等争用总线，并通过总线直接通信采用广播式传输，响应速度快，共享能力强网络效率和带宽利用率低，负载过重时，性能会大幅下降

3、总线出现故障，则影响整个网络总线网络故障隔离较困难第12章 计算机网络基础环型结构：各个网络结点通过环接口连在一条首尾相接的闭合环型通信线路上，并通过该环形线路进行数据传输的结构。第12章 计算机网络基础特点：在环型网络中，各工作站间无主从关系，结构简单信息流在网络中沿环单向传递，延迟固定，实时性较好两个结点之间仅有唯一的路径，简化了路径选择可靠性差，任何线路或结点的故障，都有可能引起全网故障，且故障检测困难可扩充性差第12章 计算机网络基础星型结构：每个结点都由一条点到点链路与中心结点相连。信息传输是通过中心结点的存储转发技术来实现的，并且只能通过中心站点与其它站点通信。第12章 计算机网络

4、基础特点星型拓扑结构简单，便于管理和维护易实现结构化布线星型结构易扩充，易升级通信线路专用，电缆成本高星型结构的网络由中心结点控制与管理，中心结点的可靠性基本上决定了整个网络的可靠性中心结点负担重，易成为信息传输的瓶颈，且一旦故障，就会造成全网瘫痪第12章 计算机网络基础树型结构：从总线型和星型结构演变来的，所以它有两种类型。（总线型派生出的树型结构） （星型派生出的树型结构）第12章 计算机网络基础特点树型结构是天然的分级结构易于扩展易于故障隔离，可靠性高电缆成本高根结点的依赖性大，一旦根结点出现故障，将导致全网不能正常工作第12章 计算机网络基础网状结构：指将各网络结点与通信线路互连成不规

5、则的形状。每个结点至少与其它两个结点相连，或者说每个结点至少有两条链路与其它结点相连。第12章 计算机网络基础特点每个结点都有冗余链路，可靠性高因为有多条路径，所以可以选择最佳路径，以便减少时延，改善流量分配，提高网络性能，但路径选择比较复杂结构复杂，不易管理和维护适用于大型广域网线路成本高第12章 计算机网络基础混合型结构：是由以上几种拓扑结构混合连接构成的。这也是一个网络通常采用的方法，即将几个采用不同拓扑结构的子网在一个更大的拓扑结构中结合在一起。 星型与树型混合 星型、环型和树型混合第12章 计算机网络基础蜂窝状结构：一个个正六边形小区构成，其结构类似蜂窝。它以无线的方式完成通信设备间

6、信息的传输。例如GSM和CDMA移动通信网络都采用该拓扑来构成通信网络，用户通过设在小区内的基站实现语音或数据通信。 蜂窝状网络拓扑结构图 蜂窝状网络通信示意图第12章 计算机网络基础12.2 局域网计算机网络可以从不同的角度进行分类，把网络分为：局域网、城域网和广域网三种类型。局域网（LAN- Local Area Network）是将较小地理区域内的计算机或数据终端设备连接在一起的通信网络。局域网的发展：1972年，Bell公司提出了两种环型局域网技术1973年，Bob Metcalfe 和David Boggs发明了以太网1979年，Bob Metcalfe开始了以太网标准化的研究工作1

7、980年DEC、Intel 和Xerox共同制定了10M以太网的物理层和链路层标准规范，即Ethernet V1.0以太网规范。1985年在IBM公司著名的令牌环网的基础上，IEEE802委员会又制定了令牌环标准IEEE802.5。1990年，为提高以太网的传输速率，在10M以太网技术的基础上，开发了快速以太网技术1995年6月通过了100Base-T快速以太网标准IEEE802.3u，带宽提高了10倍。第12章 计算机网络基础12.2 局域网局域网特点：传输距离有限，覆盖的地理区域比较小传输速率高，可以达到10Mbps-1Gbps，甚至更高传输延时小，误码率低拓扑结构简单，常用的拓扑结构有：

8、总线型、星型、环型和树型局域网通常归属单一的组织管理第12章 计算机网络基础12.2 局域网12.2.1以太网 以太网（Ethernet）是广播式网络。在已有的局域网标准中，它是最成功的局域网技术，也是当前应用最广泛的一种局域网。从它的应用领域来看，以太网不仅是局域网的主流技术，而且采用以太网技术组建城域网也已成熟。以太网的技术特性：以太网通常采用基带传输技术。以太网的组网技术：根据其连接介质、拓扑结构和组网技术的不同可以分为10Base5、10Base2、10BaseT、100BaseT和100BaseVG等类型。千兆以太网：千兆以太网信号系统的基础是光纤信道，提供1000Mbps数据传输速

9、率的以太网技术。万兆以太网：随着10M/100M以太网在桌面系统上的普及，1Gbps的带宽对于汇聚层来说就显得不够了，对于主干网更是产生了巨大的压力，就需要更高带宽和传输距离的技术来适应汇聚层和骨干网的需求。第12章 计算机网络基础12.2 局域网12.2.2 虚拟局域网（VLAN)：是一种发展很快的局域网技术。其核心思想是通过路由和交换设备，在网络物理结构的基础上建立逻辑网络，采用网络管理软件构建可跨越不同网段甚至不同网络的端到端的逻辑网络。VLAN的几种常用划分方式：按端口划分VLAN按MAC地址划分VLAN基于协议的网络层划分VLAN基于IP广播组划分VLAN基于规则的VLAN第12章

10、计算机网络基础 VLAN划分方式的优缺点第12章 计算机网络基础VLAN的优点控制广播风暴增强网络的安全性优化网络管理VALN具有高速、灵活、管理简便和扩展容易的特点，被广泛应用于局域网建设。目前VLAN的典型应用主要有通过VLAN组建部门局域网、用VLAN组建校园网和利用VLAN设置共享资源等第12章 计算机网络基础12.2 局域网12.2.3 局域网仿真局域网仿真（LANE-LAN Emulation）是在ATM网上模拟传统局域网的一种方法，其主要作用就是起到局域网与ATM的桥接作用。12.2.4 无线局域网利用射频(Radio Frequency, RF)技术构成的局域网。作为传统局域网

11、的扩充，无线局域网可实现一些采用有线连接不方便的场合的网络接入，如建筑物之间的互连，用户的漫游访问等特殊情况。第12章 计算机网络基础无线局域网必须实现以下技术要求：可靠性：无线局域网的系统分组丢失率应该低于10-5，误码率应该低于10-8。兼容性：对于室内使用的无线局域网，应尽可能使其跟现有的有线局域网在网络操作系统和网络软件上相互兼容。数据速率：为了满足局域网业务量的需要，无线局域网的数据传输速率应该在1Mbps以上。通信保密：由于数据通过无线介质在空中传播，无线局域网必须在不同层次采取有效的措施以提高通信保密性能和数据安全性能。 移动性：支持全移动网络或半移动网络。节能管理：当无数据收发

12、时能使站点处于休眠状态，当有数据收发时再激活，从而达到节省电力消耗和降低邻结点干扰的目的。小型化、低价格：这是无线局域网得以普及的关键。 电磁环境：无线局域网还应该考虑电磁对人体和周边环境的影响。第12章 计算机网络基础 较大规模的无线局域网第12章 计算机网络基础无线局域网的优点可以概括为：灵活性和移动性安装便捷易于进行网络规划和调整故障定位容易易于扩展无线局域网的缺陷：无线局域网依靠无线电磁波进行数据传输，这些电磁波通过无线发射装置进行发射，而建筑物、车辆、树木和其它障碍物都有可能阻碍电磁波的传输，所以会影响网络的性能。无线信道的传输速率与有线信道相比要低得多，往往只适合于个人终端和小规模

13、网络应用本质上无线电波不要求建立物理的连接通道，无线信号是发散的。所以从理论上讲，无线电波广播范围内的任何信号都很容易被监听到，造成通信信息泄漏第12章 计算机网络基础12.2.5 城域网城域网（MAN-Metroplitan Area Network）可以说是一种大型的局域网，它的覆盖范围介于局域网和广域网之间，一般为几公里到几十公里。12.3 广域网12.3.1 广域网概述广域网（Wide Area Network, WAN）是在一个广阔的地理区域内进行数据、语音、图象信息传输的通信网。第12章 计算机网络基础12.3 广域网广域网的主要特点可以总结：覆盖的地理区域大广域网连接常借用公用网

14、络(电话、卫星、微波等)传输速率比较低，一般在64kbps-2Mbps，最高可达到45Mbps。组成网络的设备种类繁多，网络拓扑结构复杂，建网周期较长，成本高12.3.2 InternetInternet从结构上由主干网、骨干网及国际出口、用户接入层三个层次构成。第12章 计算机网络基础12.4 数据交换技术从通信资源的分配角度来看，“交换”就是按照某种方式动态地分配传输线路的资源。目前常用的交换技术主要有电路交换、报文交换、分组交换、软交换和光交换等。12.4.1 电路交换电路交换是一种直接的交换方式。第12章 计算机网络基础12.4.1 电路交换电路交换的过程包括建立线路、占用线路并进行数

15、据传输和释放线路三个阶段。电路建立的具体过程:发起方向目的终端站点发送一个请求，该请求通过中间节点传输至终点.如果中间节点有空闲的物理线路可以使用，接受请求，分配线路，并将请求传输给下一个中间节点，整个过程持续进行，直至终点.线路一旦被分配，在未释放之前，其它站点将无法使用。第12章 计算机网络基础12.4.1 电路交换电路交换又分为时分交换（Time Division Switching，TDS）和空分交换（Space Division Switching，SDS）两种方式。时分交换是把时间划分为若干互不重叠的时隙，由不同的时隙建立不同的子信道，通过时隙交换网络完成话音的时隙搬移，从而实现入

16、线和出线间话音交换的一种交换方式。空分交换是指交换过程中的入线通过在空间的位置来选择出线，并建立连接。通信结束后，随即拆除。第12章 计算机网络基础12.4.2 报文交换这种方式不要求在两个通信结点之间建立专用通路。节点把要发送的信息组织成一个数据包报文，该报文中含有目标结点的地址，报文在网络中一站一站地向前传送。每一个结点接收整个报文，检查目标结点地址，然后根据网络中的交通情况在适当的时候转发到下一个结点。第12章 计算机网络基础12.4.2 报文交换报文交换具有存储转发方式的优点:多个分组可以共享通信信道，线路利用率高结合具有路由功能的通信控制处理机，可以动态选择报文分组通过通信子网的最佳

17、路径可以平滑通信量，提高系统效率分组在通过通信子网中的每个通信控制处理机时，均要进行差错检查与纠错处理，因此可以减少传输错误，提高系统可靠性通过通信控制处理机可以对不同通信速率的线路进行转换，也可以对不同的数据代码格式进行转换报文交换的缺点主要是由于采用了对完整报文的存储转发，结点存储转发的时延较大，不适合用于像电话通信这样的交互式通信。而实时性不强的电子邮件系统比较适合采用报文交换方式。第12章 计算机网络基础12.4.3 分组交换分组交换也称包交换，将用户传送的数据划分成多个小的等长部分，再在每个数据段的前面加上一些必要的控制信息组成的头部，就构成了一个分组。头部用以指明该分组发往哪个地址

18、，然后由交换机根据每个分组的地址标志，将它们转发至目的地，这一过程称为分组交换.分组交换实质上是在“存储转发”基础上发展起来的.分组交换根据传输业务流的不同又分为虚电路和数据报两种发送方式，所以它兼有电路交换和报文交换的优点。虚电路方式:试图将报文方式与电路交换方式结合起来，充分发挥两种方法的优点,分组发送之前，需要在发送方和接收方建立起一条逻辑连接的虚电路。数据报方式:在数据报分组交换中，每个分组的传送是单独处理的，每个分组称为一个数据报，每个数据报自身携带足够的地址信息。第12章 计算机网络基础12.4.3 分组交换虚电路交换过程示意图 数据报交换过程示意图第12章 计算机网络基础12.4

19、.4 软交换为了提高网络综合运营效益，使网络的发展更加趋于合理、开放，更好的服务于用户。业界提出了一种将传统的交换设备部件化，分为呼叫控制与媒体处理，二者之间采用标准协议（MGCP、H248）且主要使用纯软件进行处理的思想.12.4.5 光交换随着Internet业务和多媒体应用的快速发展，网络的业务量正在以指数级的速度迅速膨胀，这就要求网络必须具有高比特率数据传输能力和大吞吐量的交叉能力。在这一背景下，光技术开始渗透于整个通信网，光纤通信有向全光网推进的趋势，光交换技术的地位显得越来越重要。12.4.6 交换技术的演进交换技术正朝着智能化的方向演进，从最初的第2层交换发展到第3层交换，目前已

20、经演进到网络第7层应用层的交换。其根本目的就是在降低成本的前提下，保证网络的高可靠性、高性能、易维护、易扩展，最终达到网络的智能化管理。第12章 计算机网络基础12.5 路由技术路由技术集中体现在路由器这种网络设备上，而路由器是实现Internet网络互连的关键部件，可以说Internet是通过路由器连接起来的多个网络的集合。12.5.1 路由选择的基本概念路由软件技术路由表自治系统第12章 计算机网络基础路由软件技术路由器技术中最核心的是软件技术,路由器软件一般实现路由协议功能、查表转发功能和管理维护等功能。路由表路由表在数据库中维持着有关结点地址和网络状态的信息。路由表数据库中包含着其它路

21、由器和每个端结点的地址。路由器之间有规律地交换有关网络流量、网络拓扑结构和网络链接状态等信息，并将这些信息存储于自己的网络状态数据库中路由表中包含有目的地址和下一跳路由器地址等多种路由信息。第12章 计算机网络基础路由表结构例如路由器要转发一个目的地址为16.16.16.16的数据包，从表中的第一条路由开始比较，结果如下：16.16.16.16&255.0.0.0=16.0.0.0，不等于119.0.0.0，结果不匹配16.16.16.16&255.0.0.0=16.0.0.0，结果匹配16.16.16.16&255. 255. 255.0=16.16.16.0，结果匹配16.16.16.16

22、&0.0.0.0=0.0.0.0，结果匹配第12章 计算机网络基础可以看出，同时有三条路由都满足转发的条件，这时就存在选择哪一条更合适的问题。实际应用中在查找路由表时，要求使用最佳匹配原则。即如果有多条成功匹配的路由项，则选择子网掩码最长的项所对应的路由，所以选择第三条路由，将该数据包从S3端口发送到下一跳地址58.25.58.5。自治系统为了进行路由而实行单一控制的一组网络和路由器称为一个自治系统（AS)。第12章 计算机网络基础12.5 路由技术12.5.2 路由协议路由协议是实现路由选择算法的协议，有动态路由协议和静态路由协议之分.静态路由协议:静态路由协议的路由选择算法也叫做非自适应路

23、由选择算法.动态路由协议:动态路由协议使用的路由选择算法根据实测或估计的距离，时延和网络拓扑结构等度量自动计算最佳路径和建立路由表，而且能自动适应网络拓扑结构的变化，实时、动态地更新路由表。内部网关协议:主要有路由信息协议(RIP）和开放式最短路径优先协议（OSPF).外部网关协议:边界网关协议（BGP）是典型的外部网关协议，它的主要功能是在各个自治系统之间交换网络可达信息，包括自治系统路径的列表等。第12章 计算机网络基础12.6 网络硬件设备网络互连是指将两个或两个以上的网络，通过网络转换器及相应的技术实现相互连通，从而达到网络之间进行通信和资源共享。12.6.1 网络服务器网络服务器是连

24、接在局域网上的一类计算机。它们的功能是为网络用户提供各种网络服务和共享资源，并协调用户对资源的访问。12.6.2 网络工作站网络工作站是指用户能够在网络环境中工作，访问网络共享资源的计算机系统，通常又被称为客户机（Client）。它的主要作用是为网络用户提供一个访问网络服务器、共享网络资源以及与其它用户交流信息的操作台和前端窗口，使用户能够在网上工作。第12章 计算机网络基础12.6.3 网络接口卡网络接口卡（Network Interface Card, NIC）又称网络适配器(Network Interface Adapter, NIA)，简称网卡。可以使网络设备连接到某个网络上，用于实现

25、计算机和网络电缆之间的物理连接，为计算机之间相互通信提供物理通道。在局域网中，每一台联网计算机都需要安装一块或多块网卡，通过介质连接器将计算机接入网络。12.6.4 调制解调器由CPU、调制解调芯片、存储器、接口和电源组成。它能把计算机的数字信号翻译成可沿普通电话线传送的模拟信号，而这些模拟信号又可被线路另一端的另一个调制解调器接收，并译成计算机可懂的数字信号。第12章 计算机网络基础12.6.5 中继器用于连接两个或多个电缆段并将进入的所有信号重新传输到其它段上，中继器执行放大输入的信号、调整信号时间以及在所有路线上重新产生信号的功能。 使用中继器的局域网第12章 计算机网络基础12.6.6

26、 集线器 集线器(HUB)也可以指集中器，它具有同时活动的多个输入和输出端口。集线器是以星形拓扑结构连接网络结点（如工作站、服务器等）的一种中枢网络设备，其功能是向网络提供一个中央单元，来连接多个结点，如图所示。这样就允许大量的计算机可以连接在一个或多个LAN上。第12章 计算机网络基础12.6.7 网桥网桥(Bridge)是将一个LAN段与另一LAN段连接起来的网络设备，网桥在OSI数据链路层的MAC子层上工作，可以截取所有的网络信息流并读取每一帧上的目标地址，以确定帧是否可以转发给下一个网络。第12章 计算机网络基础12.6.7 交换机交换机是一种由多个在端到端基础上连接LAN段或各种独立

27、设备的高速端口组成的设备。交换机主要完成OSI参考模型中物理层和数据链路层的功能，主要功能包括物理编址、网络拓扑结构、错误校验、帧序列同步以及流量控制。交换机可以同时接收多个端口信息，并可以同时将这些信息发向多个目标地址对应的端口。交换机还可以将从一个端口接收的信息发向多个端口。同时，由于每个端口都有其专用的转发通道，从而避免了共享式集线器中因共享传输通道所造成冲突。交换机基本结构第12章 计算机网络基础交换机中，信息帧的转发方式有存储转发式、直通交换式和改进直通交换式。存储转发式：存储转发式将发来的帧在发送到一个端口之前先全部存储在内部存储器中。直通交换式：直通交换式只查看信息帧的目的地址，

28、然后立即进行信息帧的转发，从而使得帧的延迟大为降低。改进直通交换式：改进直通交换式综合了以上两种方式的优点。从类别上来看，交换机有多种分类方法从广义上可分为：广域网交换机和局域网交换机支持的网络技术上可分为：以太网交换机、令牌环交换机、快速以太网交换机、FDDI交换机和ATM交换机等外观形态和功能上可分为：模块式交换机和固定端口交换机从应用规模上可分为：企业级交换机、部门级交换机和工作组级交换机等从实用的角度可分为：低端固定交换机、低端可变端口交换机、中型交换机和高端交换机第12章 计算机网络基础12.6.8 路由器路由器(Router)用于连接多个逻辑上分开的网络。路由器负责将数据分组从源端

29、主机经最佳路径传送到目的端主机。路由器与网桥类似，如学习、过滤和转发等，但是与网桥不同的是，路由器工作在OSI的第三层，可以指导数据包流向特定的网络，还可以分析网络流量并快速适应网络的变化。路由器互联的网络与使用网桥互联的网络有着本质的区别。用网桥互联的网络是一个单一的逻辑网络，而用路由器互联的网络是多个不同的逻辑子网。网桥工作在数据链路层，由于传统局域网采取的是广播方式，因此容易产生“广播风暴”，而路由器工作在网络层，可以有效地将多个局域网的广播通信相互隔离开来，使得互联的每一个局域网都是独立的子网。第12章 计算机网络基础 路由器的数据交换第12章 计算机网络基础路由器的性能指标背板能力，

30、通常指路由器背板容量或者总线能力吞吐量，指路由器包转发能力丢包率，指路由器在稳定的持续负荷下由于缺少资源在应该转发的数据包中不能转发的数据包所占的比例转发时延，指需要转发的数据包最后一比特进入路由器端口到该数据包第一比特出现在端口链路上的时间间隔路由表容量，指路由器运行中可以容纳的路由数量。 第12章 计算机网络基础路由器的发展方向速度更快基于IP技术的高质量服务管理智能化第12章 计算机网络基础12.7 网络软件网络软件是指在计算机网络环境中，用于支持数据通信和各种网络活动的软件。网络软件包括：通信支撑平台软件网络服务支撑平台软件网络应用支撑平台软件网络应用系统网络管理系统特殊网络站点的软件

31、第12章 计算机网络基础网络体系结构模型不难看出，通信软件和各层网络协议软件是这些网络软件的基础和主体。从分类的角度出发，网络软件可大致分为网络系统软件和网络应用软件。网络系统软件：控制和管理网络运行、提供网络通信和网络资源分配与共享功能的网络软件，它为用户提供了访问网络和操作网络的友好界面。网络应用软件：指为某一个应用目的而开发的网络软件，它为用户提供一些实际的应用。第12章 计算机网络基础计算机网络软件未来的发展方向有：全网界面一致的网络操作系统同类型计算机网络的互连，其中包括远程网与远程网、远程网与局域网、局域网与局域网的互联等网络协议标准化及其实现，包括协议形式描述、一致性测试、自动生

32、成等以及网络应用体系结构和网络应用支撑技术研究等方面第12章 计算机网络基础12.8 网络安全技术网络安全是指网络系统的硬件、软件及其系统中的数据受到保护，不因偶然的或者恶意的原因而遭受到破坏、更改和泄露。网络安全的相关问题：Internet安全隐患的主要体现网络攻击的主要形式网络安全系统的主要特征网络安全体系网络安全措施Internet 防火墙加密技术认证技术第12章 计算机网络基础Internet安全隐患的主要体现黑客（Hacker）经常会侵入网络中的计算机系统，使系统功能得不到充分发挥直至瘫痪。Internet的数据传输是基于TCP/IP通信协议进行的，这些协议缺乏使传输过程中的信息不被窃取的安全措施。信息的来源和去向是否真实，内容是否被改动，以及是否泄露等，在应用层支持的服务协议中是凭着君子协定来维系的。计算机病毒通过Internet的传播给上网用户带来极大的危害，病毒可以使计算机和计算