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1 计算机网络技术及应用 2 绪论计算机网络课程的特点课程的基本内容学习要求主要参考书 3 一 计算机网络课程的特点 1 计算机网络技术在现代社会发展中的作用21世纪一个重要特征是 数字化 网络化与信息化 它是一个以网络为核心的信息时代 网络是指 三网 即电信网络 有线电视网络和计算机网络 发展最快的并起到核心作用的是计算机网络 计算机网络是当今计算机学科中发展最为迅速的技术之一 也是计算机应用中一个空前活跃的领域 现已成为信息社会的命脉和发展知识经济的重要基础 计算机网络正在改变着人们的工作方式 生活方式与思维方式 现已成为信息社会的命脉和发展知识经济的重要基础 网络技术发展与应用已成为影响一个国家与地区政治 经济 军事 科学与文化发展的重要因素之一 4 2 为什么网络会对人类社会生活中产生如此重大的影响 社会学家指出 人类社会的生活方式与劳动方式从根本上说具有群体性 交互性 分布性与协作性 计算机网络的出现使人类这样一种本质的特征得到了充分的体现 计算机网络的应用可以大大地缩短人与人之间的时间与空间距离 更进一步扩大了人类社会群体之间的交互与协作范围 人们会很快地接受在计算机网络环境中的工作方式 5 以Internet为代表的网络应用技术和高速网络技术使得网络技术发展到了一个更高的阶段 基于网络技术的电子政务 电子商务 远程教育 远程医疗与信息安全技术正以前所未有的速度发展 我国信息技术与信息产业的发展 需要大批掌握计算机网络技术的人才 网络技术已经成为广大学生和科技工作者学习的一门重要课程 也是从事计算机应用与信息技术应用与研究的专业技术人员应该掌握的重要知识 6 3 网络技术是多学科交叉的产物 也是一门基础性课程计算机网络是计算机技术与通信技术相互渗透 密切结合而形成的一门交叉科学 计算机网络已经成为计算机应用和软件编程的基本环境 很多课程的学习建立在学生掌握了网络知识的基础上 计算机网络教学已经成为大学本科学生学习的一门基础性的课程 7 4 网络课程教学的特点网络技术经过近50年的发展 逐渐形成了自身比较完善的体系 目前该技术发展迅速 应用广泛 知识更新快 网络课程的教学中应该注意 教学体系的组织 如何反映出新的技术发展 如何帮助同学们掌握网络技术的基本知识与基本技能 课堂教学与实践的结合 8 二 主要内容计算机网络基础知识网络体系结构与网络协议数据通信与广域网技术局域网基本工作原理局域网组网技术网络操作系统网络互连技术Internet基础与应用 9 三 与其他课程的关系前期课程 计算机原理计算机体系结构通信原理操作系统 10 目录第一章计算机网络基础第二章物理层第三章数据通信技术第四章局域网LAN第五章Internet第六章网络工程 11 参考文献 胡道元 信息网络系统集成技术 北京 清华大学出版社 1996 周炎涛等 计算机网络实用教程 北京 电子工业出版社 2001 张尧学等 计算机网络与Internet教程 北京 清华大学出版社 1999 胡道元 计算机局域网 第2版 北京 清华大学出版社 1998 黄叔武等 计算机网络工程教程 北京 清华大学出版社 1999 王利等 计算机网络实用教程 北京 清华大学出版社 1999 尚晓航等 计算机局域网与WindowsNT实用教程 北京 清华大学出版社 1999 申普兵 计算机网络与通信 北京 人民邮电出版社 2006 鲁士文 计算机网络原理与网络技术 北京 机械工业出版社 199610 刘有信 网络互连技术 北京 人民邮电出版社 199811 Tanenbaum著 熊桂喜译 计算机网络 第3版 北京 清华大学出版社 199812 相万让 计算机网络应用基础 第二版 北京 人民邮电出版社 2006 12 计算机网络最简单的定义 一些互相连接的 自治 独立 的计算机的集合 计算机网络应当有三个主要的组成部分 1 若干个主机 它们向各用户提供服务 2 一个通信子网 它由一些专用的通信处理机 即通信子网中的结点交换机 和连接这些结点的通信链路所组成 3 一系列的协议 这些协议是为在主机和主机之间或主机和子网之间或子网中各结点之间的通信而用的 协议是通信的双方事先约定好的和必须遵守的规则 从逻辑功能上看 一个计算机网络可分为两个子网 资源子网和通信子网 第一章计算机网络基础计算机网络的发展过程第一阶段 20世纪60年代初 面向终端的计算机网络 数据通信技术的研究与发展第二阶段 20世纪60年代未 分组交换网的出现 ARPANET与分组交换技术的研究与发展第三阶段 20世纪70年代后期 形成计算机网络的体系结构 网络体系结构与协议标准化的研究广域网 局域网与公用分组交换网的研究与应用第四阶段 20世纪90年代 高速网络技术 Internet技术的广泛应用网络计算技术的研究与发展宽带城域网与接入网技术的研究与发展网络与信息安全技术的研究与发展下一代网络 NGN是 下一代网络 NextGenerationNetwork 或 新一代网络 NewGenerationNetwork 的缩写 NGN是以软交换为核心 能够提供语音 视频和数据等多媒体综合业务 采用开放 标准体系结构 能够提供丰富业务的下一代网络 14 1 1通信与计算机的结合 计算机网络的产生 即第一代计算机网络 面向终端的计算机网络 计算机与通信的相互结合主要有两方面 1 通信网络为计算机之间的数据传递和交换提供了必要的手段 2 数字计算技术的发展渗透到通信技术中 又提高了通信网络的各种性能 M 调制解调器T 终端图1 1计算机通过线路控制器与远程终端相连 15 公用电话网MTM多重计算机线路MMT控制器MMTM 调制解调器T 终端图1 2多重线路控制器的使用 16 FEP 前端处理机M 调制解调器T 终端图1 3用前端处理机完成通信任务 计算机 T T T M M M FEP M M M 公用电话网 17 公用电话网低速线路高速线路FEP 前端处理机M 调制解调器T 终端图1 4采用集中器以降低通信费用 计算机 M M 集中器 T T T FEP 18 1 2分组交换网的出现 即第二代计算机网络 分组交换网 在60年代初 美国国防部远景研究规划局ARPA提出要研制一种崭新的 能够适应现代战争的 生存性很强的网络 根据这些要求 这种新型的网络必须满足以下的一些基本要求 1 和传统的电信网不同 不是传送话音 而是用于计算机之间的数据传送 2 能够连接不同类型的计算机 3 所有的网络结点都同等重要 4 必须有冗余的路由 5 网络的结构应当尽可能地简单 但能够非常可靠地传送数据 交换机 图1 5电话机的不同连接方法 a 一对线 b N N 1 2 c N对线 19 1 传统的电路交换技术不适合计算机数据的传输从通信资源的分配方法来看 传统的电路交换 电路交换是预先分配传输带宽 这里指的是广义的带宽 即将时分制的时隙宽度也称为带宽 用户在开始通话之前 先要申请 例如通过拨号 建立一条从发端到收端的物理通路 只有在此物理通路建立之后 即用户占有了一定的传输带宽 双方才能互相通话 在通话的全部时间里 用户始终占用端到端的固定传输带宽 计算机数据的传输 计算机的数据是突发式地和间歇式地出现在传输线路上 而用户应支付的通信线路费用是按占用线路的时间 对长途线路还要考虑到距离的因素 计算的 和打长途传送连续的话音信号不同 在计算机通信时 线路上真正用来传送数据的时间往往不到10 甚至1 在绝大部分时间里 通信线路实际上是空闲的 另外 电路交换建立通话的呼叫过程对计算机通信也嫌太长 电路交换本来是为打电话而设计的 打电话的平均持续时间约为几分钟 因此其呼叫过程 约10 20秒 就不算太长 但是 1000bit的计算机数据在2400b s的线路上传送时 只需不到半秒的时间 相比之下 呼叫过程占用的相对时间就太多了 20 电路交换的特点1 通话前先拨号建立连接 可能只要经过一个交换机 如A到B 可能要经过多个交换机 如C到D 2 通话过程中 通信双方一直占用所建立的连接 3 通话结束后 挂机释放连接 A B C D 电路交换的示意图 21 早期的计算机网络采用电路交换那时计算机很少 非常昂贵 远地终端 没有处理功能 通过通信线路 可能要经过许多个交换机 使用处于网络中心的计算机的资源 早期的面向终端的计算机网络是以单个计算机为中心的星形网 但分组交换网则是以网络为中心 计算机都处在网络的外围 这种以分组交换网为中心的计算机网络比最初的面向终端的计算机网络的功能扩大了很多 成为20世纪70年代计算机网络的主要形式 终端 以单个计算机为中心 以分组交换网为中心 22 由于计算机和各种终端的传送速率很不一样 在采用电路交换时 不同类型 不同规格 不同速率的终端很难互相进行通信 因此应采取一些措施来适应这种情况 例如 可以使终端与计算机不直接连通 而是让数据经过一些缓冲器暂存一下 经适当变换后再进行发送或接收 这同样要求改变传统的交换方式 采用新式的交换技术 此外 计算机通信还要求非常可靠地 正确无误地传送每一个比特 这就需要采取有效的差错控制技术 由此可见 必须寻找出新的适合于计算机通信的交换技术 2 分组交换网的实验成功分组交换技术的概念最初是在1964年8月由巴兰 Baran 在美国兰德 Rand 公司的 论分布式通信 的研究报告中提出的 但这一研究报告在当时并未引起该课题领导部门 美国空军 的重视而被搁置下来了 就在这期间 即1962 1965年 美国国防部远景规划局DARPA DefenseAdvancedResearchProjectAgency 和英国的国家物理实验室NPL都对新型的计算机通信网进行研究 1966年6月 NPL的戴维斯 Davies 首次提出 分组 packet 这一名词 1969年12月 美国的分组交换网ARPANET投入运行 当时只有四个结点 后来发展成为横跨几大洲的上千万结点的大网 从此 计算机网络的发展就进入一个崭新的纪元 1973年英国的NPL也开通了分组交换实验网 现在大家都公认ARPANET为分组交换网之父 并将分组交换网的出现作为现代电信时代的开始 23 3 分组交换的特点 在发送端把要发送的报文分隔为较短的数据块每个块增加带有控制信息的首部构成分组 包 依次把各分组发送到接收端接收端剥去首部 抽出数据部分 还原成报文 首部 首部 首部 发送 发送 接收端 数据 首部 数据 首部 数据 首部 11010011101 00101001110 24 分组从计算机A传送到计算机B的过程 网络 网络 路由器 计算机A 计算机B 网络 网络 网络 网络 路由器 路由器 路由器 路由器 路由器 这就是基于存储转发的分组交换 25 分组交换网的示意图如图1 6 图1 6分组交换网的示意图图中结点A B F以及连接这些结点的链路AB AC 等组成了分组交换网 或称为通信子网 图中H1 H5都是一些独立的并且可以进行通信的计算机 现在习惯上把通信子网以外的计算机H1 H5称为主机 而把分组交换网中的结点上的计算机称为结点交换机 H1 H2 H3 H4 H5 通信子网 B A C D E F 26 各结点交换机的主要任务是 负责分组的存储 转发以及选择合适的路由 表1 1分组交换的优点优点所采用的手段高效动态或断续分配带宽灵活每个结点均有智能 可根据情况决定路由和对数据做必要的处理迅速已不太长的分组为传送单位 在每个结点存储时间很短 高速链路可靠完善的网络协议 分布式多路由的通信子网当然 分组交换也带来一些新的问题 1 分组在各结点存储转发时因要排队总会造成一定的延时 当网络业务量过大时 这种时延可能会更大 2 各分组必须携带的控制信息会造成一定的额外开销 3 整个分组交换网的管理与控制也都比较复杂 但是 在交换结点上采用了电子计算机 且分组为定长 其长度不大 完全可以放在交换结点计算机的内存中进行处理 这就使分组的转发非常迅速 例如ARPANET的经验表明 在正常的网络负荷下 横跨美国东西海岸的端到端平均时延小于0 1秒 早期的面向终端的计算机网络是以单个主机为中心的星形网 各终端通过通信线路共享主机的硬件和软件资源 但分组交换网则是以通信子网为中心 主机和终端都处在网络的外围 这些主机和终端构成了用用户资源子网 27 用户不仅共享通信子网的资源 而且还可以共享用户资源子网的硬件和软件资源 分组交换网之所以能得到迅速的发展 很重要的一个原因就是 分组交换技术给用户带来了经济上的好处 其费用比使用电路交换更为低廉 在美国 分组交换的计算机网络能如此迅速发展 至少还有这样一些因素不容忽视 这就是 1 已经建立了一个相当发达的电信网络作为物质基础 2 社会生产力的发展使整个社会对计算机数据的传递与交换有迫切的要求 3 及时开展了有关计算机网络的理论研究 并在试验网上进行现场实验 28 1 3计算机网络体系结构的形成 即第三代计算机网络 形成计算机网络的体系结构 计算机网络是一个非常复杂的系统 为了说明这一点 可以设想一个简单的情况 连接在网络上的两台计算机要互相传送文件 显然 在这两台计算机之间必须有一条传送数据的通路 但这还远远不够 至少还有以下几项工作需要去完成 1 发起通信的计算机必须激活 activate 数据通信的通路 所谓 激活 就是正确发出一些信令 保证要传送的计算机数据能在这条通路上正确发送和接收 2 要告诉网络如何识别接收数据的计算机 3 发起通信的计算机必须查明对方计算机是否已准备好接收数据 4 发起通信的计算机必须弄清楚 在对方计算机中的文件管理程序是否已做好文件接收和存储的准备工作 5 若两台计算机的文件格式不兼容 则其中的一台应完成格式转换功能 6 对出现的各种差错和意外事故 如数据传送错误 重复或丢失 网络中某个结点交换机出现故障等 应有稳妥的措施保证对方计算机最终能收到正确的文件 由此可见 相互通信的两个计算机系统必须高度协调工作才行 而这种协调是相当复杂的 为了设计这样复杂的计算机网络 早在最初的ARPANET设计时就提出了分层的方法 分层 可将庞大而复杂的问题 转化为若干较小的局部 29 问题 而这些较小的局部问题就比较易于研究和处理 1974年 美国的IBM公司宣布了它研制的系统网络体系结构SNA SystemNetworkArchitecture 这个著名的网络标准就是按照分层的方法制定的 以后又不断得到改进 更新了几个版本 现在它是世界上使用得较为广泛的一种网络体系结构 网络体系结构出现后 使得一个公司所生产的各种设备都能够很好的互连成网 这种情况当然有利于一个公司垄断自己的产品 用户一但购买了某个公司的网络 当需要扩大容量时 就只能再购买原公司的产品 如果同时又购买了其他公司的产品 那么由于网络体系结构的不同 就很难互相连通 然而社会的发展使得不同网络体系结构的用户迫切要求能够互相交换信息 为了使不同体系结构的计算机网络都能互连 国际标准化组织ISO于1977年成立了专门机构研究该问题 不久 他们就提出了一个能使各种计算机在世界范围内互连成网的标准框架 这就是著名的 从这以后 就开始了所谓的第三代计算机网络的新纪元 1 4高速网络技术 即第四代计算机网络 高速网络技术 从20世纪80年代末开始 计算机网络开始进入其发展的第四代计算机网络 其主要标志可归纳为 网络传输介质的光纤化 信息高速公路的建设 多媒体网络及宽带综合业务数字网络 B ISDN 的开发和应用 智能网络的发展 开放系统互连基本参考模型 OSI RM 30 比计算机网络更高级的分布式系统的研究 促使高速网络技术飞速发展 相继出现高速以太网 光纤分布式数据接口FDDI 快速分组交换技术 包括帧中继 异步转移模式等 1 5推动计算机网络发展的两大动力随着计算机广泛应用于社会各个方面 需要改变计算机的使用方式 社会信息的激烈增长 要求更有效的传送 处理和管理信息 这种日益增长的需要是计算机网络发展的广泛的 微电子技术的迅速发展 由此而对计算机和通信行业产生的巨大影响 这三种技术的结合是推动计算机网络发展的 从应用的角度看 计算机的连网主要有三方面的原因 社会基础 物质基础 1 使用远程资源成为可能网络提供面向应用的协议和软件 使本地用户在近程和远程计算机之间进行文件传送 对远程计算机上的文本进行编辑 编译远程计算机上的程序 设置远程计算机上的程序参数 运行程序并取回结果 计算机网络从根本上改变了用户使用计算机资源的环境和方式 人们不必到计算机房用机 可以在实验室 办公室 家庭通过使用终端和微机工作站远程使用大型计算机资源和设备 31 2 共享程序 数据和信息资源计算机硬件成本的下降 以及软件的作用愈益显得重要 其结果是软件的投资大大超过硬件的投资 因此设计专门的程序和数据库供网上的用户共享 建立为各行各业专用的计算机网 共享该行业的专用软件 以及建立一些开放式的计算机网 共享网络中的信息和程序 可以得到很好的经济效益和社会效益 通过计算机网络 人们将共享社会的公共财富 这种共享资源的环境还提供了分布计算环境和提高可靠性的能力 3 网络用户的通信和合作现代社会信息量激增 信息的交换也日益增多 利用计算机网络传递信件是一种全新的电子传递方式 它比现有的通信工具有很多优点 它不像电话 对话者需直接同时连接 不像广播系统只是单向的传递信息 更不像邮政信件 它几乎是及时的通过网络传递至接收者 电子信件在办公室自动化 提高生产率方面起着十分重要的作用 网络用户合作是指给科学家和工程师们提供一个网络环境 建立一种新型的合作方式 它消除了地理上的距离限制 32 1 6计算机网络的应用建立计算机网络的目的在于应用 在于推动人类社会向前发展 如果说早期的计算机网络只是把一些终端和主机相连 以解决远程数据传输和远程控制的问题 那么今天 计算机网络的用途便非常广泛 可以说是无孔不入 成了人类社会生活不可缺少的一部分 1 数字通信 2 资源共享 3 提高可靠性和可用性 4 分布处理 5 在线服务 6 办公及家庭自动化 33 1 7计算机网络的主要性能指标计算机网络的最主要的两个性能指标就是带宽与时延 1 7 1速率 比特 bit 是计算机中数据量的单位 也是信息论中使用的信息量的单位 Bit来源于binarydigit 意思是一个 二进制数字 因此一个比特就是二进制数字中的一个1或0 速率即数据率 datarate 或比特率 bitrate 是计算机网络中最重要的一个性能指标 速率的单位是b s 或kb s Mb s Gb s等 速率往往是指额定速率或标称速率 34 1 7 2带宽一个信号的带宽是指该信号的各种不同频率成份所占据的频范围 带宽的单位是赫 人们愿意将 带宽 作为数字信道的 数据率 的同义语 带宽有时也称为吞吐量 数字信道传送数字信号的速率称为数据率或比特率 比特 bit 是计算机中的最小单元 它也是信息量的度量单位 更常用的带宽单位是 千比每秒 即kb s 103b s 兆比每秒 即Mb s 106b s 吉比每秒 即Gb s 109b s 太比每秒 即Tb s 1012b s 请注意 在计算机界 K 210 1024 M 220 G 230 T 240 数字信号流随时间的变化 在时间轴上信号的宽度随带宽的增大而变窄 35 1 7 3吞吐量吞吐量 throughput 表示在单位时间内通过某个网络 或信道 接口 的数据量 吞吐量更经常地用于对现实世界中的网络的一种测量 以便知道实际上到底多少数据量能够通过网络 吞吐量受网络的带宽或网络的额定速率的限制 1 7 4时延 1 发送时延 传输时延 发送数据时 数据块从结点进入到传输媒体所需要的时间 也就是从发送数据帧的第一个比特算起 到该帧的最后一个比特发送完毕所需的时间 2 传播时延电磁波在信道中需要传播一定的距离而花费的时间 信号发送速率 即传输速率 和信号在信道上的传播速率是完全不同的概念 3 处理时延这是数据在交换结点为存储转发而进行一些必要处理的花费的时间 4 排队时延结点缓存队列中分组排队所经历的时延 排队时延的长短往往取决于网络中当时的通信量 36 这样 数据经历信道的总时延就是以上三种时延之和 总时延 发送时延 传播时延 处理时延 排队时延从结点A向结点B发送数据四种时延所产生的地方 37 1 8资源分配 1 固定分配信道这是一种最简单的资源分配方法 通常是把通信信道再划分为若干个子信道 其容量不一定都相等 然后将各子信道固定地分配给每一对用户 这种分配方式可以为用户提供最好的服务 因为每个用户都独占自己的那份资源 他们什么时候想通信就可以立即进行 一些专用线路或租用线路即属于这种情况 对于一般的用户 由于他们的通信量并不太大 这种分配方式将造成信道利用率太低 因为即时某对用户现在并不使用已经分配给他们的信道 其他用户也无法使用 即共享 这一资源 可以有许多种方法把信道划分为子信道 如果各子信道是一条单独的物理链路 那就是空分复用SDM SpaceDivisionMultiplexing 更常用的是频分复用FDM或时分复用TDM 频分复用是将信道的可用带宽按频率划分为许多子信道 图1 9 a 而时分复用是将时间分割为许多个短的时隙 而将若干个时隙组成时分复用帧 图1 9 b 图1 9频分复用FDM a 和时分复用TDM b 频率5 频率4 频率3 频率2 频率1 频率 时间 可用频带 a b 38 用每个时分复用帧中的某一固定序号的时隙组成一个子信道 每一个子信道所占用带的宽都是相同的 每个时分复用帧占用的时间也是相同的 对于频分复用 频带宽度越大 则在此频带宽度内所容纳的用户数越多 对于时分复用 时隙长度越短 则每个时分复用帧中所包含的时隙就越多 因而所容纳的用户数越多 为了使信道能为更多的用户提供服务 就不能把信道都事先固定分配好 对大多数用户可采用以下两种分配方式 即按需分配和按排队方式分配 2 按需分配信道这种方法是先将信道 用空分 频分或时分复用方法划分 当用户需要进行通信时 必须以某种方式提出申请 只要这时尚有空闲的子信道 发出申请的用户就可得到一条子信道的使用权 待通信完毕后 用户即释放这个子信道以供其他用户再使用 可见按需分配信道就是按申请分配信道 若同时要求使用信道的用户数目超过子信道的数目时 那么就有一部分 通常是后申请使用的 用户不能获得子信道 申请失败 被阻塞 了 我们通过公用电话网打电话时就可能出现呼叫被阻塞的情况 用按需分配信道的方法可大大提高信道的利用率 这是因为大量用户碰巧都在同一时刻同时要求通信的概率并不大 因而子信道的数目可以远小于信道各端的用户数目 为实现按需分配所付出的代价是 1 网络的结点必须增加一定的处理能力 2 在信道较忙时一部分用户对信道的申请可能会被阻塞掉 这部分用户若想进行通信就必须再次申请信道 这样就要产生某种时延 3 按排队方式分配信道这种分配信道的方式也常称为统计复用 或异步时分复用ATDM AsynchronousTimeDivisionMultiplexing 图1 10为其示意图 这时 信道不再划分为子信道 用户想进行通信时 不必先申请信道 而是将欲发送的数据报文划分为具有一定长度的数据单元 这不一定是分组 然后发送到网络结点的缓冲区去排队 39 每个结点相当于一个单服务员的队列 通常按照到达结点的先后顺序发送 用结点信道户图1 10结点相当于一个单服务员的队列按排队方式分配信道所付出的代价是 1 每个数据单元要包括一些用来标识收发两端用户地址的信息 这就增加了额外开销 2 网络中的各结点必须有一定的存储容量 3 各结点必须有管理队列的能力 随着LSI和VLSI技术的发展 按排队方式分配信道在经济上将越来越显示出其优越性 队列 数据 40 4 三种交换方式的比较 ABCD ABCD ABCD 报文交换 电路交换 分组交换 时间t 数据传送的特点 比特流直达终点 报文 报文 报文 分组 分组 分组 存储转发 存储转发 存储转发 存储转发 41 从图中不难看出 1 若所要传送的数据量很大 且其传送时间远大于呼叫建立时间 则采用预先分配传输带宽的电路交换较为合适 2 报文交换和分组交换不需要预先分配传输带宽 因而可提高整个网络的信道利用率 3 分组交换比报文交换的时延小 但其结点交换机必须具有更强的处理能力 对于计算机之间的突发式的数据通信 分组交换显然更为合适些 我们还可以看出 当端到端的通路是由很多段的链路组成时 采用分组交换传送数据比用电路交换显然要好些 这是因为采用电路交换时 只要整个通路中有一段链路不能使用 通信就不能进行 就象我们给一个很远的用户打电话一样 由于要经过很多次转接 只要整个通路中有一段线路不通 电话就打不通 但分组交换可以将数据一段一段地像接力赛跑那样传过去 42 1 9计算机网络的分类可以从不同的角度对计算机网络进行分类 1 从网络的交换功能进行分类 网络的设计者常常从交换的功能来将网络分类 常用的交换方法有 1 电路交换 2 报文交换 3 分组交换 4 混合交换 前三种交换方式已简单介绍过了 混合交换是在一个数据网中同时采用电路交换和分组交换 网络采用动态时分复用技术 将一部分带宽分配给电路交换用 而将另一部分带宽分配给分组交换用 以使这两种交换都能得到很好的利用 这两种交换所占的带宽比例是动态可调的 2 从网络的拓扑结构进行分类 网络的管理者则非常关心网络的拓扑结构 按网络的拓扑结构划分 可以分为 1 星型网 2 集中网络 3 分散式网络 4 分布式网络在一个集中式网络里 所有的信息流必须经过中央处理设备 即交换结点 链路都从中央交换结点向外辐射 这个中心结点的可靠性基本上决定了整个网络的可靠性 集中式网络又称为星形网 有时为增加可靠性 可采用双中心结点 若很多个终端较集中配置在某处时 可采用集中器或复用器 集中器有存储功能 因而其输入链路容量的总和可超过输出链路的容量 复用器的输入链路的容量的总和则不能超过其输出链路的容量 具有集中器或复用器的集中式网络 分散式网络是集中式网络的扩展 它又称为非集中式网络 分散式网络的特点是它的某些集中器或复用器具有一定的交换功能 因此网络变为星型网与格状网的混合物 十分明显 分散式网络的可靠性提高了 43 a 星型网 b 具有集中器或复用器的星型网 c 分散式网络 d 分布式网络几种常见的网络拓扑 44 分布式网络是格状网 也就是说 其中任何一个结点都至少和其他两个结点直接相连 因而分布式网络的可靠性是最高的 现在一些网络常把主要的主干网络做成分布式的 而非主干网络则做成集中式的 3 从网络的通信性能进行分类 若从网络的通信性能来看 则计算机网络可分为 资源共享计算机网络 分布式计算机网络 远程通信网络 在资源共享计算机网络中 一个计算机资源可供其他系统共享 在分布式计算机网络中各计算机的进程相互协调工作和交换信息 以共同完成一个更大的任务 远程通信网络的目的是使用户能较经济地使用远程主机 实际上 资源共享 与 通信 已无法截然分开 关键在于网络侧重什么 4 从网络的作用范围进行分类 有时需要从网络的覆盖范围进行分类 广域网WAN WideAreaNetwork 的作用范围通常为几十到几千公里 广域网有时也称为远程网 longhaulnetwork 局域网LAN LocalAreaNetwork 在70年代中期以后 由于微型计算机的普及 使得计算机局部区域网络获得了迅速的发展 局部区域网络常简称为局域网 它一般用微型计算机通过高速通信线路相连 速率一般在1Mb s以上 但在地理上则局限在较小的范围 如1km左右 一般是一栋楼房或一个单位 后来 又出现了校园网和企业网 内联网Intranet 的名词 45 城域网MAN MetropolitanAreaNetwork 其作用范围在广域网和局域网之间 例如作用范围是一个城市 这种网络叫做城域网或市域网MAN 城域网的传送速率也在1Mb s以上 但其作用距离约为5 50公里 多个处理机互连的系统按其大小的分类若中央处理机之间的距离非常近 如仅1m的数量级或甚至更小些 则一般就称之为多处理机系统而不称它为计算机网络 关于多个处理机互连的系统按其大小的大致分类见上表所示 46 接入网 接入网又称为本地接入网或居民接入网 它是近年来由于用户对高速上网需求的增加而出现的一种网络技术 从下图可看出 接入网是局域网 或校园网 和城域网之间的桥接区 接入网提供多种高速接入技术 使用户接入到因特网的瓶颈得到某种程度上的解决 5 从网络的使用者进行分类 这可以划分为公用网和专用网 公用网 publicnetwork 一般是国家的邮电部门建造的网络 公用 的意思就是所有愿意按邮电部门规定交纳费用的人都可以使用这个公用网 也就是说 公用网是为全社会所有的人提供服务 因此公用网也可称为公众网 专业网 privatenetwork 是某个部门为本单位的特殊业务工作的需要而建造的网络 这种网络不向本单位以外的人提供服务 例如 军队 铁路 电力等均有本系统的专业网 公用网和专业网都可以传送多种业务 如传送的是计算机数据 则是公用计算机网络和专业计算机网络 47 1 10网络体系结构及协议1 10 1分层次的体系结构我们知道 一个计算机网络有许多互相连接的结点 在这些结点之间要不断地进行数据 其中也包括控制信息 的交换 要做到有条不紊地交换数据 每个结点就必须遵守一些事先约定好的规则 这些规则明确规定了所交换的数据的格式以及有关的同步问题 这里所说的同步不是狭义的 即同频或同频同相 而是广义的 即在一定的条件下应当发生某一事件 因而同步含有时序的意思 这些为网络中的数据交换而建立的规则 标准或约定即称为网络协议 网络协议主要由以下三个要素组成 1 语法 即数据与控制信息的结构或格式 2 语义 即需要发出何种控制信息 完成何种动作以及做出何种应答 3 定时 同步 即事件实现顺序的详细说明 包括速度匹配和排序 由此可见 网络协议是计算机网络的不可缺少的组成部分 对于非常复杂的计算机网络协议 其结构最好采用层次式的 为什么计算机网络会和层次有联系呢 我们可以举一个简单的例子来说明 设甲 乙二人打算通过电话来讨论有关计算机网络的问题 对于这样的问题至少可以分为三个层次 即 认识层 语言层 传输层 最高一层可称为认识层 就是说 通信的双方必须具备起码的计算机网络方面的知识 或者说通信的双方必须有共同感兴趣的话题和相关的知识 因而能够听懂所谈的内容是什么意思 下面的一层可称为语言层 即通信的双方具有共同的语言 他们能互相听懂对方所说的话 在这一层不必涉及所说内容是什么意思 内容的含义由认识层来处理 如果甲 乙二人都说普通话 48 则可不要语言层 但如果甲是中国人而乙是法国人 并且彼此不懂对方的语言 那就需要进行翻译 例如 翻译成大家都懂的第三国语言 如英语 在这种情况下 语言层就较复杂 再下面一层可以叫做传输层 它负责将每一方所讲的话变换为电信号 传输到对方后再还原为可听懂的话音 这一层完全不管所传的话音是哪一国的语言 更不考虑其内容如何 通过这样的分层做法所带来的好处是 每一层实现一种相对独立的功能 因而可将一个难以处理的复杂问题分解为若干个较容易处理的更小一些的问题 大体上讲 使计算机网络协议具有层次结构 可以有以下的一些好处 1 各层之间是独立的 某一层并不知道它的下一层是如何实现的 而仅仅需要知道该层通过层间的接口所提供的服务 2 灵活性好 当任何一层发生变化时 例如由于技术的变化 只要接口关系保持不变 则在这层以上或以下各层均不受影响 此外 某一层提供的服务还可以修改 当某层提供的服务不再需要时 甚至可以将这层取消 3 结构上可分割开 各层都可以采用合适的技术来实现 4 易于实现和维护 这种结构使得实现和调试一个庞大而复杂的系统变得较容易处理 因为整个的系统已被分解为若干个范围更小的部分了 5 能促进标准化工作 这主要是由于每一层的功能和所提供的服务都已有了精确的说明 我们将计算机网络的各层及协议的集合 称为网络的体系结构 Architecture 49 1 10 2开放系统互连OSI OpenSystemInterconnection 模型网络技术在发展过程中曾出现过多种网络体系结构 由于没有统一的网络体系结构标准 所以 把不同体系结构的计算机网络互连起来将十分困难 这就限制了计算机网络向更大规模的发展 例如 将一台IBM公司生产的计算机接入SNA网是可以的 但把一台HP公司生产的计算机接入SNA网就不是一件容易的事 计算机网络的发展在客观上提出了网络体系结构标准化的需求 在70年代中期 具有一定体系结构的各种计算机网络已经获得了相当规模的发展 但是 一个公司的计算机却很难和另一个公司的计算机互相通信 因为它们的网络体系结构不一样 然而要更加充分地发挥计算机网络的效益 就应当使不同厂家生产的计算机能够互相通信 十分明显 这就需要制定一个国际范围的标准 在此背景下 国际标准化组织 ISO 在1979年正式颁布了开放系统互连参考模型的国际网络体系结构标准 这是一个定义连接异构计算机网络的标准体系结构 开发 一词表示能使任何两个遵守参考模型和有关标准的系统具有互连的能力 OSI参考模型是一个描述网络层次结构的模型 其标准保证了各类网络技术的兼容性和互操作性 描述了数据或信息在网络中传输过程以及各层在网络中的功能和架构 50 描述OSI体系结构的文件ISO7498 由ISO分委员会制定 定义了这些对象 关系和约束 同时也定义了一个七层模型 由这些对象 关系和约束构制的 用来进行进程之间的通信 这些就作为一个框架来协调各层标准的制定 在OSI参考模型中采用了如表3 1所示的七个层次的体系结构 OSI参考模型中的七个层次层号层的名称层的英文名称层的英文缩写7应用层ApplicationLayerA6表示层PresentationLayerP5会话层SessionLayerS4运输层TransportLayerT3网络层NetworkLayerN2数据链路层DataLinkLayerDL1物理层PhysicalLayerPH分层虽然是一个处理复杂问题的好方法 但分层本身并不是件很简单的工作 目前还不存在一个最佳的层次划分方法 下面是分层的几个主要原则 1 当需要有一个不同等级的抽象时 就应当有一个相应的层次 2 每一层的功能应当是非常明确的 3 层与层的边界应选择得使通过这些边界的信息量尽量少些 否则不方便 4 层数太少 会使每一层的协议太复杂 但层数太多 又会在描述和综合各层功能的系统工程任务时 遇到较多的困难 51 各层的主要功能 1 物理层 我们知道 要传递信息就要利用一些物理媒体 如双绞线 同轴电缆等 但具体的物理媒体并不在OSI的七层之内 有人把物理媒体当做第0层 因为它的位置处在物理层的下面 物理层的任务就是为它的上一层 即数据链路层 提供一个物理连接 以便透明地传送比特流 在物理层上传送数据的单位是比特 透明是一个很重要的术语 它表示 某一个实际存在的事物看起来却好象不存在一样 透明地传送比特流 表示经实际电路传送后的比特流没有发生变化 因此 对传送比特流来说这个电路是看不见的 也就是说 这个电路对该比特流来说是透明的 这样 任意组合的比特流都可以在这个电路上去传送 当然 哪几个比特代表什么意思 则不是物理层所要管的 物理层要考虑多大的电压代表 1 或 0 以及当发送端发出比特 1 时 在接收端如何识别出这个比特 1 而不是比特 0 物理层还要确定连接电缆的插头应当有多少根引脚以及各个引脚应如何连接 2 数据链路层 数据链路层负责在两个相邻结点间的线路上 无差错地传送以帧为单位的数据 每一帧包括一定数量的数据和一些必要的控制信息 和物理层相似 数据链路层要负责建立 维持和释放数据链路的连接 在传送数据时 若接收结点检测到所传送数据中有差错 就要通知发方重发这一帧 直到这一帧正确无误地到达接收结点为止 在每一帧所包括的控制信息中 有同步信息 地址信息 差错控制 以及流量控制信息等 这样 数据链路层就把一条有可能出差错的实际链路 转变成为让网络层向下看起来好象一条不出差错的链路 3 网络层 在计算机网络中进行通信的两台计算机之间可能要经过许多个结点和链路 也可能还要经过好几个通信子网 在网络层 数据的传送单位是分组或包 网络层的任务就是要选择合适的路由和交换点 使发送站的运输层所传下来的分组能够正确无误地 52 按照地址找到目的站 并交付给目的站的运输层 这就是网络层的寻址功能 4 运输层 这一层曾有过几个译名 如传送层 传输层或转送层 现在比较一致的意见是译为运输层 在运输层 信息的传送单位是报文 当报文较长时 先要把它分割成好几个分组 然后再交给下一层 网络层 进行传输 运输层的任务是根据通信子网的特性最佳地利用网络资源 并以可靠和经济的方式 为两个端系统 也就是源站和目的站 的会话层之间 建立一条运输连接 以透明地传送报文 或者说 运输层为上一层 会话层 提供一个可靠的端到端的服务 运输层屏蔽了会话层 使它看不见运输层以下的数据通信细节 在通信子网中没有运输层 运输层只能存在于端系统 即主机 之中 运输层以上的各层就不再管信息传输的问题了 正因为如此 运输层就成为计算机网络体系结构中最为关键的一层 5 会话层 这一层也可称为会晤层或对话层 在会话层及以上的更高层次中 数据传送的单位没有另外再取名字 一般都可称为报文 会话层虽然不参与具体的数据传输 但它却对数据传输进行管理 会话层在两个互相通信的应用进程之间 建立 组织和协调其交互 interaction 例如 确定是双工工作 每一方同时发送和接收 还是半双工工作 每一方交替发送和接收 当发生意外时 如已建立的连接突然断了 要确定在重新恢复会话时应从何处开始 6 表示层 表示层主要解决用户信息的语法表示问题 表示层将欲交换的数据从适合于某一用户的抽象语法 abstractsyntax 变换为适合于OSI系统内部使用的传送语法 transfersyntax 有了这样的表示层 用户就可以把精力集中在他们所要交谈的问 53 问题本身 而不必更多地考虑对方的某些特性 例如 对方使用什么样的语言 7 应用层 应用层是OSI参考模型中的最高层 应用层确定进程之间通信的性质以满足用户的需要 负责用户信息的语义表示 并在两个通信者之间进行语义匹配 这就是说 应用层不仅要提供应用进程所需要的信息交换和远地操作 而且还要作为互相作用的应用进程的用户代理 useragent 来完成一些为进行语义上有意义的信息交换所必须的功能 在OSI的7个层次中 应用层是最复杂的 所包含的应用层协议也最多 有些还正在研究和开发之中 可以把上述各层的主要功能归纳如下 应用层 与用户应用进程的接口 即相当于 做什么 表示层 数据格式的转换 即相当于 对方看起来象什么 会话层 会话的管理与数据传输的同步 即相当于 轮到谁讲话和从何处讲 运输层 从端到端经网络透明地传送报文 即相当于 对方在何处 网络层 分组传送 路由选择和流量控制 即相当于 走哪条路可到达该处 数据链路层 在链路上无差错地传送帧 即相当于 每一步应该怎么走 物理层 将比特流送到物理媒体上传送 即相当于 对上一层的每一步应怎样利用物理媒体 54 OSI参考模型的特性 1 这是一种将异构系统互连的分层结构 2 它提供了控制互连系统交互规则的标准骨架 3 它定义了一种抽象结构 而并非具体实现的描述 4 不同系统上的相同层的实体称为同等实体 5 同等实体之间通信由该层的协议管理 6 相邻层间的接口定义了原语操作和低层向上层提供的范围服务 7 所提供的公共服务是面向连接的或无连接的数据服务 8 直接的数据传送仅在最低层实现 9 每层完成所定义的功能 修改本层的功能并不影响其他层 55 OSI参考模型 56 7 7 6 6 5 5 4 4 3 3 2 2 1 1 APa APb AP数据 物理传输媒体 AP数据 AH 数据单元 PH 数据单元 SH 数据单元 TH 报文 数据单元 分组 NH 数据单元 帧 DH 比特流 开放系统互连环境中的数据流 DT 逻辑连接 虚电路 比特 发送进程 接收进程 57 1 10 3开放系统互连环境下图表示计算机A和计算机B通过一个数据通信网进行通信 这两台计算机和数据通信网组成了一个实系统环境 其中包括一个网络环境 计算机A实系统环境计算机B用户到用户的通信APaAPb计算机到计算机的通信通信子系统通信子系统网络环境数据通信网实系统环境和网络环境在这种情况下 可以区分出两类不同层次的通信 即 用户到用户的通信和计算机到计算机的通信 58 计算机A实系统环境计算机BAPA开放系统APB7OSI环境766554网络环境43333222中继开放系统21111结点结点数据通信网开放系统互连环境 通信子系统 本地系统环境 59 1 10 4面向连接服务与无连接服务从通信的角度看 各层所提供的服务可分为两大类 即面向连接的与无连接的 面向连接服务所谓连接 就是两个对等实体为进行数据通信而进行的一种结合 面向连接服务是在数据交换之前 必须先建立连接 当数据交换结束后 则应终止这个连接 无连接服务在无连接服务的情况下 两个实体之间的通信不需要先建立连接 因此其下层的有关资源不需要事先进行预定保留 这些资源将在数据传输时动态地进行分配 无连接服务有以下三种类型 数据报 证实交付 请求回答 60 1 10 5局域网LAN的参考模型 1 LAN的体系结构我们知道 开放系统互连参考模型对计算机网络的发展起着非常重要的作用 但是 局域网只是一个通信子网 它没有第四层以上的层次即使是下三层 局域网也和OSI的模式有很大的差别 由于LAN没有路由问题 任何两点之间可用一条直接链路 所以可以不需要单独设置网络层 而将寻址 排序 流控 差错控制等的功能放在数据链路层中实现 在前面我们已经介绍过 在OSI的体系结构中 一个通信子网只有最低的三层 根据LAN的特点 将数据链路层分成逻辑链路控制层 LLC 和媒体访问控制层 MAC LAN的协议层次和OSI协议层次的对应关系如下图所示 OSI RM应用层IEEE802表示层服务访问点 SAP 会话层运输层网络层逻辑链路控制层数据链路层媒体访问控制层物理层物理层LAN参考模型和OSI RM的比较从上图可看出 第一层显然是需要的 因为物理连接以及按比特在媒体上传输都需要物理层 更具体些 局域网的物理层所讨论的问题涉及到以下一些内容 61 接口的电气特性 接口连接器和传输媒体的机械特性 接口电路及其功能 信令的方式和速率 第二层媒体访问控制层 MAC 的功能 将上层交下来的数据封装成帧进行发送 接收时进行相反的过程 将帧拆卸 实现和维护MAC协议 比特差错检测 第三层逻辑链路控制层 LLC 的功能 建立和释放数据链路层的逻辑连接 提供与高层的接口 差错控制 给帧加上序号 下图是表明LLC子层与MAC子层的区别的示意图 我们可以看出 在LLC子层的上面看不到具体的局域网 或者说 局域网对LLC子层来说是 透明 的 只有下到MAC子层才看见了所连接的是采用什么标准的局域网 总线网 环形网 高层高层LLCLLCMAC局域网MAC物理层物理层局域网对LLC子层是透明的 62 2 IEEE802标准局域网出现不久 其产品的数量和品种即