计算机网络的基本结构.doc

17 第 三 章 一 计算机网络的基本概念 3 1 计算机网络定义 什么是计算机网络 多年来并没有一个严格的定义 且随着计算 机技术和通信技术的发展 将地理位置不同 并具有独立功能的多个计 算机系统通过通信设备和线路而连接起来 且以功能完善的网络软件 网络协议 信息交换方式和网络操作系统等 实现网络资源共享的系统 可称为计算机网络系统 3 2 计算机网络分类 计算机网络的品种繁多 性能各异 根据不同的分类原则 可以得 到不同类型的计算机网络 例如 按网络的拓扑结构划分 按网络涉辖 范围和互连距离划分 按网络数据传输和系统的拥有者划分 按不同的 服务对象划分等 此处以网络涉辖范围划分 它也是比较流行的划分方 法 1 局域网 LAN Local Area Network 2 城域网 MAN Metropolitan Area Network 3 广域网 WAN Wide Area Network 局域网地理范围一般在 10 km 以内 属于 个部门或单位组建的小范围 内 一个建筑物 一个学校 一个单位内等 局域网组建方便 使用灵 活 是目前计算机网络发展中最活跃的分支 广域网涉辖范围大 般 从几十公里至几万公里 例如 一个城市 一个国家或洲际网络 用于 通信的传输装置和介质一般由电信部门提供 能实现广大范围内的资源 共享 城域网介于 LAN 和 WAN 之间 其范围通常覆盖一个城市或地区 距离从几十公里到上百公里 另外 从计算机之间互连距离和耦合程度来看 还经常有多机系统 局域网和广域网之分 局域网络通常还被分为 3 类 1 局域网 LAN 即一般所指的局域网 2 高速局域网 HSLN 其原理类似 LAN 但有更高的速率 3 计算机交换分机 CBX 它是采用线路交换的局域网 各种网络之间速率相距离的关系如图 1 1 计算机网络的基本结构计算机网络的基本结构 18 第三章第三章 计算机网络的基本结构计算机网络的基本结构 3 3 网络结构 由计算机网络的定义可知 计其机网络是由计算机系统 数据通信 系统和网络系统软件组成的有机整体 计算机系统是网络的基本模块 它提供各种网络资源 数据通信系统是连接网络基本桥梁 它提供各种 连接技术和信息交换技术 而网络系统软件则是网络的组织管理者 它 提供了各种网络服务 从计算机网络设计者的角度来看 网络模块的组 成及其相互间的连接方式决定了网络的整体结构和性能 一 网络的基本组成 计算机网络的一般结构形式如图 1 2 所示 它主要由主计算机 终端 通信处理机和通信设备等网络单元经通讯 线路连接而成 1 主计算机 H0ST 是计算机网络中承担数据处理的计算机系统 主计算机应具有完成批处理 实时或交互分时 能力的硬件和操作系统 并具有相应的接口 2 终端 Terminal 是网络中用量大 分布广的设备 直接面对用 第三章第三章 计算机网络的基本结构计算机网络的基本结构 19 户 实现人机对话 并通过它与网络进行联系 终端种类很多 如键盘 显示器 智能终端 会话型终端 复合终端等 3 通信处理机 也称作结点计算机 NC Node COMPUTER 或叫前端 处理机 是主计算机与通信线路单元间设置的计算机 负责通信控制和 通信处理工作 它可以连接多台主计算机 也可将多个终端接入网内 通信处理机是为减轻主计算机负担 提高计算机 效率而设置的 4 通信设备 是数据传输设备 包括集中器 信号变换器和多路复 用器等 集中器设置在终端密集地区 它把若干个终端用低速线 路先 集中起来再与高速线路连接 以提高通信效率 降低通信费 用 信号 变换器提供不同信号之间的变换 不同传输介质采用不 同的信号变换 器 通常用电话线作为传输线 电话线只能传输模 拟信号 但主计算 机和终端输出的是数字信号 因此在通信线路与主计算机 通信处理机 和终端之间都需接入模拟信号与数字信号相互转换的变换器 5 通信线路 通信线路用来连接上述组成部分 按数据信号的传输 速率不同 通信线路分高速 中低速和低速 3 种 般终端与主 计算 机 通信处理机与集中器之间采用低速通信线路 各计算机之间 包括 上计算机和通信处理机之间及各通信处理机之间采用高速通信线路 通 信线路可采用电缆 架空明线和光导纤维等有线通信线路 亦可采用微 波 通信卫星等无线通信线路 按照数据通信和数据处理的功能 计算机网络可分为两层 内层通 信子网和外层资源子网 通信子网由结点计算机和高速通信线路组成独 立的数据通信系统 承担全网的数据传输 交换 加工和变换等通信处 理工作 即将一个主计算机输出的信息传送给另 个主计算机 资源子 网包括主计算机 终端 通信子网接口设备及软件等 它负责全网的数 据处理和向网络用户提供网络资源及网络服务 局域网的基本组成和广域网相似 但由于局域网的涉辖范围与规模 较小 故有一些方面与上面所述不太一样 例如 局域网没有通信处理 机 通信处理功能由网卡实现 局域网在逻辑上也可以认为是两级子网 结构 但在物理上却不明显 的结构主要有三种类型 以太网 Ethernet 令牌环 Token Ring 令牌总线 Token Bus 以及作为这三种网的骨干网光纤分布数 据接口 FDDI 它们所遵循的标准都以802开头 目前共有11个与局域 网有关的标准 它们分别是 IEEE 802 1 通用网络概念及网桥等 IEEE 802 2 逻辑链路控制等 IEEE 802 3 CSMA CD访问方法及物理层规定 IEEE 802 4 ARCnet总线结构及访问方法 物理层规定 IEEE 802 5 Token Ring访问方法及物理层规定等 IEEE 802 6 城域网的访问方法及物理层规定 IEEE 802 7 宽带局域网 IEEE 802 8 光纤局域网 FDDI IEEE 802 9 ISDN局域网 20 第三章第三章 计算机网络的基本结构计算机网络的基本结构 IEEE 802 10 网络的安全 IEEE 802 11 无线局域网 上述 技术各有自身的线缆规则与工作站的连接方法 硬件需 求以及各种其它部件的连接规定 在此重点说明组成Ethernet时应遵循的规则和所用的媒体的特性 首 先指出 网络拓扑结构有两种类型 一个是指相互连接的工作站的物理 布局 另一个是网络的工作方式 前者是人们可以看到的连接结构 后 者是逻辑 操作结构 因而是不可见的 并称之为逻辑拓扑结构 的网络拓扑结构广泛采用的主要有总线型和环型 使用的 星型结构主要是指用双绞线构成的网络 这种使用集线器 Hub 构成 的星型网 实质上仍然是总线型网络 二 传输介质二 传输介质 常用的媒体有同轴电缆 双绞线和光缆 以及在无线 情况下使用的辐射媒体 技术在发展过程中 首先使用的是粗同 轴电缆 其直径近似13 mm 1 2英寸 特性阻抗为 欧姆 由于这 种电缆很重 缺乏挠性以及价格高等问题 随后出现了细缆 其直径为 6 4mm 1 4英寸 特性阻抗也是 欧姆 使用粗缆构成的Ethernet称 为粗缆Ethernet 使用细缆的Ethernet称为细缆Ethernet 在 年代后期 广泛采用了双绞线作为传输媒体的技术 既10Base T以及其他 实 现技术 为将 的范围进一步扩大 随后又出现了 Base F这种 技术是使用光纤构成链路段 使用距离可延长到 km但速率仍为 10Mbps FDDI则是与IEEE802 3 802 4和802 5完全不同的新技术 构成 FDDI的媒体 不仅是光纤 而且访问媒体的机制有了新的提高 传输速率 可达100Mbps 下面就这些实现技术所用的媒体逐一进行讨论 同轴电缆 同轴电缆由内部导体环绕绝缘层以及绝缘层外的金属屏蔽网和最外 层的护套组成 如图7 所示 这种结构的金属屏蔽网可防止中心导体向 外辐射电磁场 也可用来防止外界电磁场干扰中心导体的信号 第三章第三章 计算机网络的基本结构计算机网络的基本结构 21 图7 在 技术中 常用的同轴电缆有下述几种 RG 8和RG 11 通常用来实现粗缆Ethernet RG 58 通常用来实现细缆Ethernet RG 59 通常用来实现电视传输 其阻抗为 欧姆 也 可 用于宽带数据网络 RG 62 ARCnet用来连接IBM3270终端的93欧姆的同轴电 缆 双绞线 双绞线是由相互按一定扭距绞合在一起的类似于电话线的传输媒 体 每根线加绝缘层并有色标来标记 如图 8所示 成对线的扭绞旨在 使电磁辐射和外部电磁干扰减到最小 双绞线按其电气特性而进分级或 分类 图8 EIA TIA 电气工业协会 电信工业协会 第一类双绞线通常在 技术中不使用 主要用于模拟话音 EIA TIA第二类可用于综合业务数据网 数据 数字话音IBM3270 等 这两类双绞线在 技术中很少使用 EIA TIA第三类双绞线是一种 的四对不屏蔽双绞线 符合 EIA TIA568标准中确定的 欧姆水平步线电缆的要求 可用来进行 10Mbps和IEEE802 3 10Base T的话音和数据传输 EIA TIA第四类双绞线在性能上比第三类有一定改进 适用于包括 16Mbps令牌环局域网在内的数据传输速率 其传输特性满足EIA TIA Technical Services Bulletin 定义的第四类电缆的规范 也满足NEMA和UL Twisted pair Qualification Program定义的规范这类双绞线可以是 也可以是 EIA TIA第五类双绞线是 的 对电缆 比100欧姆低损耗 电缆具有更好的传输特性 并适用于16Mbps以上的速率 最高可达 100Mbps 150欧姆 是另外一种高性能屏蔽式 或 的 电缆它支持的数据传输速率可达100Mbps或更高 并支持600 频带 上的全息图象 22 第三章第三章 计算机网络的基本结构计算机网络的基本结构 上述电缆的主要特性和应用如表 所示 描述性名称参考应用 EIA TIA类1简单老式电话服务 模拟话音 数字话音 EIA TIA类2ISDN 数据 1 44Mb s T1 1 544Mb s 数字话音 IBM 3270 IBM system 3x AS 400 100欧姆UTPEIA TIA类3 NEMA 100 24 LL UL Level III 10Base T IBM3270 3X A S 400 ISDN话音 100欧姆低损耗 EIA TIA类4 NEMA 100 24 LL UL Level IV 10Base T 16Mb s令牌环 100欧姆 Extended Frequency EIA TIA 5 NEMA 100 240 XF UL Level V 10Base桾 16Mb s令牌环 150欧姆STPEIA TIA 150欧姆STP NEMA 150 22 LL 16 Mb s令牌环 100 Mb s LAN 全息图象 光缆 光缆不仅是目前可用的媒体 而且是今后若干年后将会继续使用的 媒体 其主要原因是这种媒体具有很大的带宽 光纤与电导体构成的传 输媒体最基本的差别是 它的传输信息是光束 而非电气信号 因此 光纤传输的信号不受电磁的干扰 a 第三章第三章 计算机网络的基本结构计算机网络的基本结构 23 b c d 图9 光纤由单根玻璃光纤 紧靠纤心的包层以及塑料保护涂层组成 如 图9 a 所示 为使用光纤传输信号 光纤两端必须配有光发射机和接收 机 如图9 b d 所示光发射机执行从光信号到电信号的转换 实现电光 转换的通常是发光二极管 LED 或注入式激光二极管 ILD 实现光 电转换的是光电二极管或光电三极管 根据光在光纤中的传播方式 光纤有两种类型 多模光纤和单模光 纤 多模光纤又根据其包层的折射率进一步分为突变型折射率和渐变型 折射率 以突变型折射率光纤作为传输媒介时 发光管以小于临界角发 射的所有光都在光缆包层界面进行反射 并通过多次内部反射沿纤心传 播 这种类型的光缆主要适用于适度比特率的场合 如图9 b 所示 多模突变型折射率光纤的散射通过使用具有可变折射率的纤心材料 来减小 如图9 c 所示 折射率随离开纤心的距离增加导致光沿纤心的传播好象是正弦波 将纤心直径减小到一种波长 3 10um 可进一步改进光纤的性能 在 这种情况下 所有发射的光都沿直线传播 这种光纤称为单模光纤 如 图9 d 所示 这种单模光纤通常使用 作为发光元件 可操作的速 率为数百Mbps 24 第三章第三章 计算机网络的基本结构计算机网络的基本结构 从上述三种光纤接受的信号看 单模光纤接收的信号与输入的信号 最接近 多模渐变型次之 多模突变型接收的信号散射最严重 因而它 所获得的速率最低 三 三 同轴电缆同轴电缆Ethernet的布线的布线 Ethernet常用的同轴电缆通常有粗缆和细缆 粗缆构成的Ethernet可 称为标准Ethernet 或Thicknet 细缆构成的Ethernet称为Cheapernet或 Thinnet 与标准Ethernet对应IEEE802 3称为10Base5 其中10代表 10Mbps Base代表基带操作方式 代表每段长为500m 图10 为了理解同轴电缆的布线规定 首先叙述同轴电缆网络构成时所需 的部件 如图10所示 图中给出了构成粗缆Ethernet所需的全部部件 同 轴电缆 收发器 Transceiver 系列终接器 AUI Attachment Unit Interface 电缆 工作站 图10中给出的中继器 是为LAN的距离而选 加的设备 在构成一个电缆段的简单网络时 可以不必使用这种设备 图 11示出了细缆Ethernet的网络构件 图中10Base2多口中继器是为连接多 条细缆而可选增加的设备 图中左侧使用BNC TEE连接器 欧姆的 终接器 图中右侧使用Thinnet 分接器 分接器电缆和Thinnet终接器 左 侧和右侧的差别是连接方式 左侧是将细缆接到直接与微机相连的 型 接头 右侧是将微机用Thinnet分接器电缆连接到细缆上的Thinnet分接器 上 第三章第三章 计算机网络的基本结构计算机网络的基本结构 25 图11 粗缆Ethernet的组成规则 何谓电缆段 又何谓链路段 所谓电缆段是根据其特性阻抗在电缆两端加以终结的一定长度的同 轴电缆 链路段是在每一端都在中继器终结的点到点电缆段 例如 图 10中两个光中继器之间的光缆为链路段 两个光中继器各自连接的粗缆 都是电缆段 为保证构成粗缆Ethernet具有规范确定的性能 必须遵循一定规 则 下面就此进行叙述 规则 粗缆上的收发器 Transceiver 或MAU 媒体连接单 元 必须处于电缆每2 5 的标记处 其容差应在0 05m 范围内 终接器也应置于这些标记处 规则 电缆段的最大长度最大限制为500m 1640ft 规则 电缆最小弯曲半径为254mm 规则 一个500m长的电缆段上可允许安装的收发器数最多100 个 规则 每个电缆段仅一次接地 而且仅仅一次 规则 10Base5段可经过中继器与10Base2段相连 但10Base2 段绝不能用来连接两段粗缆 规则 收发器电缆 或AUI电缆 的最大长度为50m 规则 如可能 同轴电缆尽可能使用一整根 避免使用多节 互连在一起的电缆 如果不得不使用多节互连 最好每节 电缆长度为23 4m的奇 整数倍 23 4m 70 2m 117m 0 5m 规则 电缆段两端必须用50欧姆的终接 以免产生反射现 象 规则10 使用中继器时 任何两个站之间允许的最大传输通 路为5 个段 4个中继器 在5个段中最多3个同轴电 缆段 其余 为链路段 中继器不能并行连接 否则 网络会形成环路 26 第三章第三章 计算机网络的基本结构计算机网络的基本结构 细缆Ethernet的组成规则 细缆Ethernet和粗缆Ethernet所遵循的协议都是IEEE802 3 CSMA CD 不同的是一种用粗缆作为传输媒体 另一种使用细缆作为传 输媒体 由于电缆的粗细不同 在组成规则上有很多方面的不同 细缆Ethernet的收发器功能不象粗缆时那样 在电缆上有一独 立的收发器 用以执行收发功能 在细缆Ethernet情况下 收发功能由网 络接口板中的电子线路来执行 或者说 这种功能是集成到网卡中的 细缆与网卡的连接使用一种特殊的连接器 称为BNC T 连接器 由于 细缆价格便宜 又比较灵活 在小型的 环境中 或工作组环 境中使用曾一度相当普遍 在使用细缆构成网时 必须遵循下述规则 规则 电缆类型应为 规则 缆段最大长度为 规则 收发器之间的最小距离为 注意 收发器在网 卡上 规则 一个缆段上允许连接的工作站为 个 规则 电缆最小弯曲半径为 规则 必须使用 欧姆的 连接器和终接器 规则 在粗 细混合组网时 细缆部分只能处于网络外围 即不能连接一个以上的粗缆段 规则 任何不使用的BNC T阳性连接器决不能终接 而是置 入适当的保护套内 三 三 10 Base T网络的组成网络的组成 由于使用双绞线可使媒体费用大为降低以及易于敷设等优 点 10Base T网络于90年代开始流行 10Base T中的10代表操作速率为 10Mbpss Base 代表基带传输方式 代表双绞线 10Base 具有物理结构是星型 因为所有的工作站都与称为集线器 Hub 的设备相连 如图12所示 集线器 Hub 与工作站之间使用的 双绞线为两对 一对用于发送数据 一对用于接受数据 实现收发数据 功能的收发器 Transceiver 或媒体连接单元 MAU 都集中到网卡或 Hub 中 设有独立的设备执行这种功能 所以从外表看 构成 10Base T网络较清楚 目前可供使用的双绞线多为 芯 对 在 Base 情况 下 只用两对 另外 对 Base 不用 这 对线的使用如表 所 示 第三章第三章 计算机网络的基本结构计算机网络的基本结构 27 表 触点分配 触点 信号 1 TxD 2 TxD 3 不用 4 不用 5 RxD 6 不用 7 RxD 8 不用 Hub与工作站用双绞线相连时所用的连接器称为 并规定 插头连接器端接在双绞线上 插座连接器安装在网卡上或Hub 中 插头和插座如图13所示 在标准术语中 插头称为 连接器 媒体连接单元 媒体相 关接口连接器 插头称为双绞线链路段连接器 表 所列出 的两对信号 一对发送 一对接收 所用电路均为平衡式发送器和接受 器 所以具有较高的共模抑制能力 有关这种电路的细节这里不在进一 步说明 a b 图13 Base 的构成规则应遵循下述规则 规则 双绞线应选择直径为0 4到0 6mm的无屏蔽导线 在网卡和 Hub间使用两对线 其最大长度为100m 28 第三章第三章 计算机网络的基本结构计算机网络的基本结构 规则 发送器的输出要与接收器的输入相连 规则 在构成的网络中 任何两个数据站之间的数据通路最 多 个Hub 二 网络的拓扑结构 网络拓扑结构是指用传输媒体互连各种设备的物理布局 将参与 LAN 工作的各种设备用媒体互连在一起有多种方法 实际上只有几种方式 能适合 LAN 的工作 如果一个网络只连接几台设备 最简单的方法是将它们都直接相 连在一起 这种连接称为点对点连接 用这种方式形成的网络称为全互 连网络 如图2所示 图中有6个设备 在全互连情况下 需要15条传输线 路 如果要连的设备有n个 所需线路将达到n n 1 2条 显而易见 这种方 式只有在涉及地理范围不大 设备数很少的条件下才有使用的可能 即 使属于这种环境 在LAN技术中也不使用 这里所以给出这种拓扑结构 是因为当需要通过互连设备 如路由器 互连多个LAN时 将有可能遇到这 种广域网 WAN 的互连技术 拓扑结构主要有环网形 星形 树形 总线形 网状和任意形 等 如图1 3所示 图2 第三章第三章 计算机网络的基本结构计算机网络的基本结构 29 1 星型拓扑结构星型拓扑结构 星型结构是最古老的一种连接方式 大家每天都使用的电话都属于 这种结构 如图3所示 其中 图3 a 为电话网的星型结构 图3 b 为目前使用最普遍的以太网 Ethernet 星型结构 处于中心位置的网络设备称为集线器 英文名为Hub a 电话网的星行结构 b 以Hub为中心的结构 图3 这种结构便于集中控制 因为端用户之间的通信必须经过中心 站 由于这一特点 也带来了易于维护和安全等优点 端用户设备因为故 障而停机时也不会影响其它端用户间的通信但这种结构非常不利的一点 是 中心系统必须具有极高的可靠性 因为中心系统一旦损坏 整个系统便 趋于瘫痪 对此中心系统通常采用双机热备份 以提高系统的可靠性 这 种网络拓扑结构的一种扩充便是星行树 如图4所示 每个Hub与端用户的 连接仍为星型 Hub的级连而形成树 然而 应当指出 Hub级连的个数是有 限制的 并随厂商的不同而有变化 图4 30 第三章第三章 计算机网络的基本结构计算机网络的基本结构 还应指出 以Hub构成的网络结构 虽然呈星型布局 但它使用的访 问媒体的机制却仍是共享媒体的总线方式 2 环型网络拓扑结构环型网络拓扑结构 环型结构在LAN中使用较多 这种结构中的传输媒体从一个端用户 到另一个端用户 直到将所有端用户连成环型 如图5所示 这种结构显而 易见消除了端用户通信时对中心系统的依赖性 图5 环行结构的特点是 每个端用户都与两个相临的端用户相连 因而存在 着点到点链路 但总是以单向方式操作 于是 便有上游端用户和下游端用 户之称 例如图5中 用户N是用户N 1的上游端用户 N 1是N的下游端用 户 如果N 1端需将数据发送到N端 则几乎要绕环一周才能到达N端 环上传输的任何报文都必须穿过所有端点 因此 如果环的某一点断 开 环上所有端间的通信便会终止 为克服这种网络拓扑结构的脆弱 每个 端点除与一个环相连外 还连接到备用环上 当主环故障时 自动转到备用 环上 3 总线拓扑结构总线拓扑结构 总线结构是使用同一媒体或电缆连接所有端用户的一种方式 也就是 说 连接端用户的物理媒体由所有设备共享 如图6所示 使用这种结构 必须解决的一个问题是确保端用户使用媒体发送数据时不能出现冲突 在点到点链路配置时 这是相当简单的 如果这条链路是半双工操作 只 需使用很简单的机制便可保证两个端用户轮流工作 在一点到多点方式 中 对线路的访问依靠控制端的探询来确定 然而 在LAN环境下 由于所 有数据站都是平等的 不能采取上述机制 对此 研究了一种在总线共享 型网络使用的媒体访问方法 带有碰撞检测的载波侦听多路访问 英文缩写 成CSMA CD 第三章第三章 计算机网络的基本结构计算机网络的基本结构 31 图6 这种结构具有费用低 数据端用户入网灵活 站点或某个端用 户失效不影响其它站点或端用户通信的优点 缺点是一次仅能一个端用 户发送数据 其它端用户必须等待到获得发送权 媒体访问获取机制较复杂 尽管有