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第三章 计算机网络技术基础
1. 掌握几种常见网络拓扑结构的原理及其特点
2. 掌握ISO/OSI网络参考模型及各层的主要功能
3. 掌握共享介质方式的CSMA/CD和令牌传递两种数据传输控制方式的基本原理
4. 了解几种常见的网络类型
5. 掌握TCP/IP协议的层次结构及各层上协议的基本功能
6. 了解几种典型的广域网技术

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, 也不论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.星型
3.环型
4.树型
5.网状型
3.1.2 总线型拓扑结构
总线结构中, 各节点经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。
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, 常见CSMA/CD和令牌总线访问控制方式。
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
3.1.3 星型拓扑结构
星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。
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
3.1.4 环型拓扑结构
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。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。
环型网络常使用令牌环来决定哪个节点能够访问通信系统。
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
3.1.5 其它类型拓扑结构
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。
2.星型环型拓扑结构
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) 。
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 Interconnection) , 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。
OSI参考模型的层次
OSI参考模型共有七层, 由低到高分别是: 物理层、 数据链路层、 网络层、 传输层、 会话层、 表示层和应用层。
1．OSI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。
3.2.1 物理层
物理层是OSI模型的最低层, 其任务是实现物理上互连系统间的信息传输。
1.物理层必须具备以下功能
( 1) 物理连接的建立、 维持与释放
( 2) 物理层服务数据单元传输
( 3) 物理层管理。
2.媒体和互联设备
物理层的媒体包括架空明线、 平衡电缆、 光纤、 无线信道等;
通信用的互联设备如各种插头、 插座等; 局域网中的各种粗、 细同轴电缆, T型接/插头, 接收器, 发送器, 中继器等都属物理层的媒体和连接器。
3.2.2 数据链路层
数据链路能够粗略地理解为数据信道。数据链路层的任务是以物理层为基础, 为网络层提供透明的、 正确的和有效的传输线路, 经过数据链路协议, 实施对二进制数据正确、 可靠的传输。
数据链路的建立、 拆除、 对数据的检错、 纠错是数据链路层的基本任务。
1.链路层的主要功能
( 1) 链路管理
( 2) 帧的装配与分解
( 3) 帧的同步
( 4) 流量控制与顺序控制
( 5) 差错控制
( 6) 使接收端能区分数据和控制信息
( 7) 透明传输
( 8) 寻址
2.数据链路层的主要协议
( 1) ISO1745-1975
( 2) ISO3309-1984
( 3) ISO7776
3.链路层产品
独立的链路产品中最常见的是网卡, 网桥也是链路产品。
数据链路层将本质上不可靠的传输媒介变成可靠的传输通路提供给网络层。在IEEE802．3情况下, 数据链路层分成两个子层: 一个是逻辑链路控制, 另一个是媒体访问控制。
3.2.3 网络层
网络层是通信子网与资源子网之间的接口, 也是高、 低层协议之间的接口层。网络层的主要功能是路由选择、 流量控制、 传输确认、 中断、 差错及故障的恢复等。当本地端与目的端不处于同一网络中, 网络层将处理这些差异。
1.网络层的主要功能
( 1) 建立和拆除网络连接
( 2) 分段和组块
( 3) 有序传输和流量控制
( 4) 网络连接多路复用
( 5) 路由选择和中继
( 6) 差错的检测和恢复
( 7) 服务选择
2.网络层提供的服务
OSI/RM中规定, 网络层中提供无连接和面向连接两种类型的服务, 也称为数据报服务和虚电路服务。
3.路由选择
3.2.4 传输层
传输层是资源子网与通信子网的接口和桥梁。传输层下面三层( 属于通信子网) 面向数据通信, 上面三层( 属于资源子网) 面向数据处理。因此, 传输层位于高层和低层中间, 起承上启下的作用。它屏蔽了通信子网中的细节, 实现通信子网中端到端的透明传输, 完成资源子网中两节点间的逻辑通信。它是负责数据传输的最高一层, 也是整个七层协议中最重要和最复杂的一层。
1.传输层的特性
( 1) 连接与传输
( 2) 传输层服务
2.传输层的主要功能
3.传输层协议
3.2.5 会话层
会话层、 表示层和应用层一起构成OSI/RM的高层, 会话层位于OSI模型面向信息处理的高三层中的最下层, 它利用传输层提供的端到端数据传输服务, 具体实施服务请求者与服务提供者之间的通信, 属于进程间通信的范畴。
会话层还对会话活动提供组织和同步所必须的手段, 对数据传输提供控制和管理。
1.会话层的主要功能
( 1) 提供远程会话地址
( 2) 会话建立后的管理
( 3) 提供把报文分组重新组成报文的功能
2.会话层提供的服务
( 1) 会话连接的建立和拆除
( 2) 与会话管理有关的服务
( 3) 隔离
( 4) 出错和恢复控制
3.2.6 表示层
表示层为应用层服务, 该服务层处理的是通信双方之间的数据表示问题。为使通信的双方能互相理解所传送信息的含义, 表示层就需要把发送方具有的内部格式编码为适于传输的比特流, 接收方再将其译码为所需要的表示形式。
数据传送包括语义和语法两个方面的问题。OSI模型中, 有关语义的处理由应用层负责, 表示层仅完成语法的处理。
1.表示层的主要功能
( 1) 语法转换
( 2) 传送语法的选择
( 3) 常规功能
2.表示层提供的服务
( 1) 数据转换和格式转换
( 2) 语法选择
( 3) 数据加密与解密
( 4) 文本压缩
3.2.7 应用层
OSI的7层协议从功能划分来看, 下面6层主要解决支持网络服务功能所需要的通信和表示问题, 应用层则提供完成特定网络功能服务所需要的各种应用协议。
应用层是OSI的最高层, 直接面向用户, 是计算机网络与最终用户的接口。负责两个应用进程( 应用程序或操作员) 之间的通信, 为网络用户之间的通信提供专用程序。
3.3 数据传输控制方式
数据和信息在网络中是经过信道进行传输的, 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
冲突检测/载波侦听( CSMA/CD法)
CSMA/CD是基于IEEE802．3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, 该节点就能够占用通道进行传输, 反之, 该节点将按一定算法等待一段时间后再试, 而且在发送过程中进行冲突检测, 一旦有冲突立即停止发送。一般采用的算法有三种: 非坚持CSMA、 1-坚持CSMA、 P-坚持CSMA。
当前, 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。
3.3.2 令牌传递控制法
令牌传递控制法( Token Passing) 是基于IEEE802．5标准的环形局域网以及基于IEEE802．4标准的令牌总线网中采用的MAC方法, 又称为许可证法。
其基本原理是: 一个独特的被称为令牌的标志信息沿着环形网络依次向每个节点传递, 只有获得令牌的节点才有权利发送信息, 而没有获得令牌的节点则处于等待状态。每个站随时检测经过本站的信息, 当查到信息帧中指定的目的地址与本站地址相同时, 则一面拷贝全部有关信息, 一面继续转发该信息帧, 环上的信息帧绕环一周后回到原发送站点予以回收。这种方式传输信息时, 发送权一直在源站点的控制之下, 只有发送信息帧的源站点放弃发送权, 并把令牌置”空”后, 其它站点才有机会得到令牌, 发送自己的信息。
3.3.3 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。
一般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 常见的网络类型
3.4.1 以太网
以太网是一种常见的局域网, 它基于IEEE802．3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。它能够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。
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。数据能够是实时视频、 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, 并经过各种ATM接入设备将各种用户业务接入到ATM网络。
3.4.4 FDDI( 光纤分布式数据接口)
光纤分布数据接口FDDI( Fiber Distributed Data Interface) 是一种在实际中应用较多的高速环形网络, 传输速率为100Mbit/s, 是计算机网络技术向高速发展阶段的第一项高速网络技术, 符合的标准是ANSI X3T9．5。
FDDI使用光纤作为传输介质, 信号单向传递, 具有长距离、 大范围、 高速、 低损耗、 高抗干扰性能等优点。结构相对复杂, 价格昂贵是FDDI的主要缺点。
3.5 TCP/IP网络协议
网络协议是指为网络数据交换而制定的规则、 约定与标准的集合, 一个协议主要是由语法、 语义与时序组成。其中: 语法规定了用户数据与控制信息的结构与格式; 语义则规定了用户控制信息的意义, 以及完成控制的动作与回应; 时序是对事件实现顺序的详细说明。
网络协议很多, 但当前广泛使用的通信协议是TCP/IP协议, 特别是作为Internet使用的协议, 得到广泛的应用和推广。
3.5.1 什么是TCP/IP协议
TCP/IP协议( Transmission Control Protocol/Internet Protocol) 即传输控制协议/网际协议, 源于美国国防部高级研究计划局的ARPANET网, 其目的在于能够让各种各样的计算机都能够在一个共同的网络环境中运行, 现已成为Internet网的通信协议。当前TCP/IP协议泛指以TCP/IP为基础的一个协议集。
3.5.2 TCP/IP协议的作用
网络互联要解决的是异构网络系统的通信问题, 目的是向高层隐藏底层物理网络技术的细节, 为用户提供统一的通信服务。TCP/IP就是这一技术的体现, 它是一个协议系列, 当前已包含了100多个协议, 用来将各种计算机和数据通信设备组成实际的计算机网络。TCP和IP是其中的两个协议, 也是最基本、 最重要的两个协议, 是广为人知的, 因此, 一般见TCP/IP来代表整个Internet协议系列。
3.5.3 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。
3.6 广域网技术简介
3.6.1．ISDN
综合数字业务服务ISDN( Integrated Services Digital Network) 是一种支持语音、 图像和数据传输一体化的网络结构。它使用电话载波线路进行拨号连接, 因此ISDN标准接口一般是在电话线安装适当的数字开关。
3.6.2 DDN
数字数据网DDN( Digital Data Network) 是一种利用数字信道提供数据通信的传输网, 这主要提供点对点及点到多点的数字专线与专网。DDN的传输介质主要有光纤、 数字微波、 卫星信道等。
3.6.3 帧中继
帧中继FR( Frame Relay) 技术是由X.25分组交换技术演变而来的, 是在OSI第二层上用简化的方法传送和交换数据单元的一种技术。
我们能够把帧中继看作一条虚拟专线。用户能够在两节点之间租用一条永久虚电路并经过该虚电路发送数据帧, 其长度可达1600字节。用户也能够在多个节点之间经过租用多条永久虚电路进行通信。
3.6.4 X.25
X.25遵循的是国际电报电话咨询委员会CCITT制定的”在公用数据网上以组方式工作的数据终端设备DTE和数据电路设备DCE之间的接口”。
从ISO/OSI体系结构观点看, X．25对应于OSI参考模型底下三层, 分别为物理层、 数据链路层和网络层。
X.25网络是一种中速数据网络, 提供的数据传输率一般为64Kbps。
小结:
1. 计算机网络拓扑结构的基本知识
2. 计算机网络的体系结构
3. 传统局域网采用的共享介质方式的CSMA/CD、 令牌传递控制等方法
4. 一些典型的广域网技术
作业:
1. 课后选择题
2. 简述TCP/IP的体系结构, 并简要说明各层的功能。
3. TCP/IP协议有哪些特点?
4. 简述TCP/IP模型与OSI模型的区别与联系。
5. 什么是广域网? 广域网和局域网技术相比有什么不同?