第3章计算机网络技术基础

1、第三章 计算机网络技术基础3.1 计算机网络的拓扑结构 3.1.1 什么是计算机网络的拓扑结构 网络拓扑是指网络连接的形状，或者是网络在物理上的连通性。 网络拓扑结构能够反映各类结构的基本特征，即不考虑网络节点的具体组成，也不管它们之间通信线路的具体类型，把网络节点画作“点”，把它们之间的通信线路画作“线”，这样画出的图形就是网络的拓扑结构图。 不同的拓扑结构其信道访问技术、网络性能、设备开销等各不相同，分别适应于不同场合。它影响着整个网络的设计、功能、可靠性和通信费用等方面，是研究计算机网络的主要环节之一。 计算机网络的拓扑结构主要是指通信子网的拓扑结构，常见的一般分为以下几种： 1.总线型

2、 2.星型 3.环型 4.树型 5.网状型(a)(b)(c)(d)(e) 总线结构中，各节点通过一个或多个通信线路与公共总线连接。总线型结构简单、扩展容易。网络中任何节点的故障都不会造成全网的故障，可靠性较高。 3.1.2 总线型拓扑结构 总线型结构是从多机系统的总线互联结构演变而来的，又可分为单总线结构和多总线结构，常用CSMA/CD和令牌总线访问控制方式。中继器图3-3 总线型网络拓扑结构的扩展 总线型结构的缺点： （1）故障诊断困难 （2）故障隔离困难 （3）中继器等配置 （4）实时性不强总线型结构的优点：（1）电缆长度短，易于布线和维护（2）可靠性高（3）可扩充性强（4）费用开支少 星

3、型的中心节点是主节点，它接收各分散节点的信息再转发给相应节点，具有中继交换和数据处理功能。星型网的结构简单，建网容易，但可靠性差，中心节点是网络的瓶颈，一旦出现故障则全网瘫痪。3.1.3 星型拓扑结构 星型拓扑结构的访问采用集中式控制策略，采用星型拓扑的交换方式有电路交换和报文交换。 星型拓扑结构的优点： （1）方便服务 （2）每个连接只接一个设备 （3）集中控制和便于故障诊断 （4）简单的访问协议 星型拓扑结构的缺点： （1）电缆长度和安装 （2）扩展困难 （3）依赖于中央节点 网络中节点计算机连成环型就成为环型网络。环路上，信息单向从一个节点传送到另一个节点，传送路径固定，没有路径选择问题

4、。环型网络实现简单，适应传输信息量不大的场合。任何节点的故障均导致环路不能正常工作，可靠性较差。3.1.4 环型拓扑结构 环型网络常使用令牌环来决定哪个节点可以访问通信系统。 环型拓扑结构的优点： （1）电缆长度短 （2）适用于光纤 （3）网络的实时性好 环型拓扑结构的缺点： （1）网络扩展配置困难 （2）节点故障引起全网故障 （3）故障诊断困难 （4）拓扑结构影响访问协议1.树型拓扑结构 树型网络是分层结构，适用于分级管理和控制系统。网络中，除叶节点及其联机外，任一节点或联机的故障均只影响其所在支路网络的正常工作。3.1.5 其他类型拓扑结构 图3-6 树型网络拓扑结构 节点头端节点 2.星

5、型环型拓扑结构主干环接线盒3.1.6 拓扑结构的选择原则 拓扑结构的选择往往和传输介质的选择和介质访问控制方法的确定紧密相关。选择拓扑结构时，应该考虑的主要因素有以下几点： （1）服务可靠性 （2）网络可扩充性 （3）组网费用高低（或性能价格比）。计算机网络体系结构计算机网络体系结构 物理层：二进制传输物理层：二进制传输数据链路层：介质访问数据链路层：介质访问网络层：确定地址和最佳路径网络层：确定地址和最佳路径传输层：端到端连接传输层：端到端连接会话层：互连主机通信会话层：互连主机通信表示层：数据表示表示层：数据表示应用层：为应用程序提供网络服务应用层：为应用程序提供网络服务3.2 ISO/O

6、SI网络参考模型计算机网络体系结构计算机网络体系结构 网络的体系结构 计算机网络的各层以及其协议的结合，称为网络的体系结构。换言之，计算机网络的体系结构即是对计算机网络及其部件所应该完成的功能的精确定义。即计算机网络应设置哪几层，每层应提供哪些功能的精确定义,至于功能如何实现，则不属于网络体系结构讨论的范围。换句话说，网络体系结构只是从功能上描述计算机网络的结构，不涉及每层硬件和软件的组成，也不涉及这些硬件或软件的实现问题。计算机网络协议计算机网络协议 网络协议定义： 即网络中（包括互联网）传递、管理信息的一些规范。如同人与人之间相互交流是需要遵循一定的规矩一样，计算机之间的相互通信需要共同遵

7、守一定的规则，这些规则就称为网络协议。 网络协议三个要素：n 语法：即数据与控制信息的结构或格式。n 语义：即需要发出何种控制信息、完成何种协议以及做出何种应答。n 同步：即事件实现顺序的详细说明。3.2 ISO/OSI网络参考模型建立分层结构的原因和意义 建立计算机网络的根本目的是实现数据通信和资源共享，而通信则是实现所有网络功能的基础和关键。对于网络的广泛实施，国际标准化组织ISO（International Standard Organization），经过多年研究，在1983年提出了开放系统互联参考模型OSI/RM（Reference Model of Open System Inte

8、rconnection），这是一个定义连接异种计算机的标准主体结构，给网络设计者提供了一个参考规范。OSIOSI参考模型参考模型 70年代以来，国外一些主要计算机生产厂家先后推出了各自的网络体系结构，但都属于专用的。为使不同计算机厂家的计算机能够互相通信，以便在更大的范围内建立计算机网络，有必要建立一个国际范围的网络体系结构标准。国际标准化组织ISO于1981年正式推荐了一个网络系统结构开放系统互连模型(Open System Interconnection reference model )OSI/RM,简称OSI。由于这个标准模型的建立，使得各种计算机网络向它靠拢，大大推动了网络通信的发展

9、。 “开放”这个词表示：只要遵循OSI标准，一个系统可以和位于世界上任何地方的、也遵循OSI标准的其他任何系统进行连接。1OSI参考模型的特性 （1）是一种将异构系统互联的分层结构； （2）提供了控制互联系统交互规则的标准骨架； （3）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层实体； （5）同等层实体之间的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它层。2有关OSI参

10、考模型的技术术语在OSI参考模型中，每一层的真正功能是为其上一层提供服务。在对这些功能或服务过程以及协议的描述中，经常使用如下一些技术术语：（1）数据单元服务数据单元SDU（Service Data Unit）协议数据单元PDU（Protocol Data Unit）接口数据单元IDU（Interface Data Unit）服务访问点SAP（Service Access Point） 服务原语（Primitive） （2）面向连接和无连接的服务 下层能够向上层提供的服务有两种基本形式：面向连接和无连接的服务。 面向连接的服务是在数据传输之前先建立连接，主要过程是：建立连接、进行数据传送，拆除

11、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，一般也不采用可靠方式传送。不可靠（无确认）的无连接服务又称为数据报服务。OSIOSI模型概述模型概述 传输层传输层数据链路层数据链路层网络层网络层物理层物理层会话层会话层表示层表示层应用层应用层应用层（高层）高层的功能为处理高层的功能为处理用户接口、数据格用户接口、数据格式及应用访问。主式及应用访问。主要由操作系统实现要由操作系统实现数据流层（低层）数据流层（低层） 定义了数据如何在网定义了数据如何在网络传输介质之间传送，络传输介质之间传送，及数据如何通过网线和及数据如何通过网线和网络设备传输到期望的网络设备传输到期

12、望的终端终端OSI开放系统互连参考模型主机A主机B物理层物理层数据链路层数据链路层网络层网络层传输层传输层会话层会话层表示层表示层应用层应用层6 接口5 接口4 接口3 接口2 接口1 接口PPDUSPDUTPDU分组、包帧比特APDU表示层协议会话层协议传输层协议网络层协议数据链路层协议物理层协议应用层协议数据单元261、物理层(Physical Layer) 功能 利用传输介质为数据链路层提供物理连接，实现比特利用传输介质为数据链路层提供物理连接，实现比特流的透明传输。流的透明传输。 协议 机械特性：连接器形状机械特性：连接器形状 电气特性：正、负逻辑，传输介质、速率、距离等电气特性：正、

13、负逻辑，传输介质、速率、距离等 功能特性：每一根信号线的功能定义功能特性：每一根信号线的功能定义 过程特性：完成特定功能时，各信号的工作过程过程特性：完成特定功能时，各信号的工作过程 实例 EIA RS-232-C， RS-449，RS-422，RS-423，RS-530272、数据链路层(Data Link Layer) 功能 在物理层提供比特流服务的基础上，线路变成无差错的数据链路。 协议 帧(frame) 差错控制 流量控制 实例 SDLC，HDLC，LAPB LAN的数据链路层又分为两个子层： 介质访问子层（MAC） 逻辑链路子层（LLC）283、网络层(Network Layer)

14、功能 通过寻址来建立两个节点之间的连接 协议 包 主机寻址 路由选择 拥塞控制 网络互联 网络计费 实例 IP IPX294、传输层(Transport Layer)功能 向用户提供端到端(最终用户到最终用户)的透明的、可靠的数据传输服务。协议 进程寻址 流量控制 差错控制 服务质量QoS 多路复用和分解实例 TCP/UDP SPX305、会话层(Session Layer) 功能 为表示层提供建立、维护和结束会话连接的功能，并提供会话管理服务等功能。 协议 同步 令牌管理 实例 OSIs 会话层协议 SUNs RPC316、表示层(Presentation Layer) 功能 完成数据格式转

15、换 数据加密/解密 数据压缩/解压 实例 OSI ASN.1327、应用层(Application Layer)功能 提供访问网络的各种接口和应用层协议实例 E-mail Telnet FTP ftp:/ WWW http:/ BBS Gopher，Achieve，WAISOSIOSI参考模型参考模型邮局例子邮局例子甲甲乙乙3.5 TCP/IP网络协议TCP/IP(Transmission Control Protocol /Internet Protocol) 传输控制协议传输控制协议/网际协议网际协议源于美国国防部高级研究计划局的ARPANET网OSI参考模型物理层数据链路层网络接口层网络

16、层网际层传输层传输层会话层表示层应用层应用层PPDUSPDUTPDU分组帧比特APDU数据单元网络接口层应用层传输层网络层网络接口层1234TCP/IP模型 负责处理与传输介质相关的细节 物理线路和接口 链路层通信 主要协议 以太网/FDDI/令牌环 SLIP/HDLC/PPP X.25/帧中继/ATM网络层应用层传输层网络层网络接口层1234TCP/IP模型 负责将数据包送达正确的目的 数据包的路由 路由的维护 主要协议 IP ICMP ARP RARP传输层应用层传输层网络层网络接口层1234TCP/IP模型 负责提供端到端通信 数据完整性校验 差错重传 数据的重新排序 主要协议 TCP

17、UDP应用层应用层传输层网络层网络接口层1234TCP/IP模型 负责处理特定的应用程序细节 远程访问 资源共享 主要协议 Telnet FTP SMTP/POP3 RIP/HTTP NFS/DNS3.5.3 TCP/IP协议的分层模式 TCP/IP协议也采用分层体系结构，对应开放系统互连OSI模型的层次结构，可分为四层：网络接口层、网际层（IP层）、传输层和应用层。报文流(Telnet、FTP、电子邮件等)层之间传送的对象层传 输 协 议 分 组(TCP、UDP)IP数据报(IP、ICMP)特 定 的 网 格 帧(设备驱动器和接口卡)应用层网络访问层IP层传输层OSI模型结构TCP/IP模型

18、结构TCP/IP模型各层的作用应用层Application应用层Process 用户调用、访问网络的应用程序如：FTP、HTTP、SMTP、Telnet等各种协议与应用程序 表示层Presentation会话层Session传输层Transport传输层TCP Host-To-Host 管理网络节点间的连接 网络层Network网际层IP Internet 将数据放入IP包 数据链路层Data Link网络接口层Network Access 在网络介质上传输包 物理层Physical3.3 数据传输控制方式 数据和信息在网络中是通过信道进行传输的，由于各计算机共享网络公共信道，因此如何进行信道

19、分配，避免或解决通道争用就成为重要的问题，就要求网络必须具备网络的访问控制功能。介质访问控制（MAC）方法是在局域网中对数据传输介质进行访问管理的方法。3.3.1 具有冲突检测的载波侦听多路访问 载波监听多路访问/冲突检测方法（CSMA/CD法） CSMA/CD是基于IEEE8023标准的以太网中采用的MAC方法，也称为“先听后发、边发边听”。它的工作方式是要传输数据的节点先对通道进行侦听，以确定通道中是否有别的站在传输数据，若信道空闲，该节点就可以占用通道进行传输，反之，该节点将按一定算法等待一段时间后再试，并且在发送过程中进行冲突检测，一旦有冲突立即停止发送。通常采用的算法有三种：非坚持C

20、SMA、1-坚持CSMA、P-坚持CSMA。 目前，常见的局域网，一般都是采用CSMA/CD访问控制方法的逻辑总线型网络。用户只要使用Ethernet网卡，就具备此种功能。CSMA/CD协议 基本思想(重点) 基本思想，CSMA/CD的工作原理可概括成四句话，即：先听后说，边说边听，冲突停止，随机延迟后重发 载波监听：先听再说 发送前先监听总线上是否有信号 如果有，则停止发送数据(避免冲突)， 同时继续监听，直至发现信道空闲时，发送数据. 冲突检测：边说边听 边发送，边检测，是否与别人发送冲突， 若冲突，立即停止发送，随机延迟后再去“载波监听”46CSMA载波侦听动画（一）47CSMA载波侦听

21、动画连续（一）48CSMA载波侦听动画（二）nCSMA降低了冲突概率l因为信号传播延时是很短的以2/3光速传播49CSMA/CDn载波侦听多路访问/冲突检测l引入u已经发生冲突的帧，继续发送的部分是浪费l冲突检测u发送的过程中继续检测信道，以及时发现冲突u发生冲突后，立即停止发送站A站B站C3.3.2 令牌传递控制法 令牌传递控制法（Token Passing）是基于IEEE8025标准的环形局域网以及基于IEEE8024标准的令牌总线网中采用的MAC方法，又称为许可证法。l令牌令牌环、令牌总线u由监控站向指定站发送一个“令牌”，拿到“令牌”的站才能发送数据u监控站保证只有一个令牌出现3.3.

22、3 网络交换技术 交换又称转换，是在多节点网络中实现数据传输的一种有效手段。 通常将数据在通信子网中节点间的数据传输过程统称为数据交换，其对应的技术为数据交换技术。 在传统的广域交换网络的通信子网中，使用的数据交换技术可分为：电路交换技术和存储转发交换技术。存储转发交换技术又可分为：报文交换和分组交换。 3.4 常见的局域网网络类型IEEE 802标准主要包括有IEEE 802.1-局域网概述、体系结构、网络管理和网络互连。IEEE 802.2-逻辑链路控制（LLC）IEEE 802.3-CSMA/CD访问方法和物理层规范。IEEE 802.4-Token Bus(令牌总线)IEEE 802.

23、5-Token Ring(令牌环)访问方法和物理层规范。3.4 常见的局域网网络类型3.4.1 以太网 1. 10M以太网 以太网是一种常用的局域网，它基于IEEE8023协议标准，采用CSMA/CD介质访问控制方法，传输速率为10Mbit/s、100Mbit/s到1000Mbit/s。它可以支持各种协议和计算机硬件平台，组网成本较低，被广泛采用。 1. 10M以太网（1）10BASE5：标准以太网，或称粗缆以太网。（2）10BASE2：细缆以太网。（3）10BASE-T：双绞线以太网。（4）10BASE-F：光缆以太网。 2.100M以太网 （1）100BASE-T （2）100VG-Any

24、LAN 3. 10M/100M自适应以太网3.4.2 千兆以太网 千兆以太网遵从IEEE802.3z建议（该建议已于1998年6月成为标准）。 该技术采用IEEE802.3帧格式，CSMA/CD访问控制技术，传输介质采用100M STP屏蔽双绞线（1000BASE CX），传输距离25m；5类UTP（1000BASE-T）距离100m；多模光纤（1000BASE SX）距离500m；单模光纤（1000BASE LX）可达3km。3.4.3 ATM（异步传输模式） 异步传输模式ATM（Asynchronous Transfer Mode）是一种新型的网络交换技术，适合于传送宽带综合业务数字（B-ISDN）和可变速率的传输业务。异步传输模式是一种利用固定数据报的大小以提高传输效率的传输方法，这种固定的数据报又叫信元或报文。ATM信元结构由53字节组成，53字节被分成5字节的头部和被称为载荷的48字节信息部分。数据可以是实时视频、高质量的语音、图像等。 ATM局域网就是以ATM为基本结构的局域网，它以ATM交换机作为网络交换节点，并通过各种ATM接入设备将各种用户业务接入到ATM网络。 2.ATM的基本特征 ATM网络采用了统计时分多路复用技术、交换和虚拟式连接，以及基于速率的流量控制等一系列先进技术。 3.ATM局域网使用的主要网络产品