第3章計算機網(wǎng)絡技術基礎

1、第三章 計算機網(wǎng)絡技術基礎3.1 計算機網(wǎng)絡的拓撲結構 3.1.1 什么是計算機網(wǎng)絡的拓撲結構 網(wǎng)絡拓撲是指網(wǎng)絡連接的形狀，或者是網(wǎng)絡在物理上的連通性。 網(wǎng)絡拓撲結構能夠反映各類結構的基本特征，即不考慮網(wǎng)絡節(jié)點的具體組成，也不管它們之間通信線路的具體類型，把網(wǎng)絡節(jié)點畫作“點”，把它們之間的通信線路畫作“線”，這樣畫出的圖形就是網(wǎng)絡的拓撲結構圖。 不同的拓撲結構其信道訪問技術、網(wǎng)絡性能、設備開銷等各不相同，分別適應于不同場合。它影響著整個網(wǎng)絡的設計、功能、可靠性和通信費用等方面，是研究計算機網(wǎng)絡的主要環(huán)節(jié)之一。 計算機網(wǎng)絡的拓撲結構主要是指通信子網(wǎng)的拓撲結構，常見的一般分為以下幾種： 1.總線型

2、 2.星型 3.環(huán)型 4.樹型 5.網(wǎng)狀型(a)(b)(c)(d)(e) 總線結構中，各節(jié)點通過一個或多個通信線路與公共總線連接。總線型結構簡單、擴展容易。網(wǎng)絡中任何節(jié)點的故障都不會造成全網(wǎng)的故障，可靠性較高。 3.1.2 總線型拓撲結構 總線型結構是從多機系統(tǒng)的總線互聯(lián)結構演變而來的，又可分為單總線結構和多總線結構，常用CSMA/CD和令牌總線訪問控制方式。中繼器圖3-3 總線型網(wǎng)絡拓撲結構的擴展 總線型結構的缺點： （1）故障診斷困難 （2）故障隔離困難 （3）中繼器等配置 （4）實時性不強總線型結構的優(yōu)點：（1）電纜長度短，易于布線和維護（2）可靠性高（3）可擴充性強（4）費用開支少 星

3、型的中心節(jié)點是主節(jié)點，它接收各分散節(jié)點的信息再轉發(fā)給相應節(jié)點，具有中繼交換和數(shù)據(jù)處理功能。星型網(wǎng)的結構簡單，建網(wǎng)容易，但可靠性差，中心節(jié)點是網(wǎng)絡的瓶頸，一旦出現(xiàn)故障則全網(wǎng)癱瘓。3.1.3 星型拓撲結構 星型拓撲結構的訪問采用集中式控制策略，采用星型拓撲的交換方式有電路交換和報文交換。 星型拓撲結構的優(yōu)點： （1）方便服務 （2）每個連接只接一個設備 （3）集中控制和便于故障診斷 （4）簡單的訪問協(xié)議 星型拓撲結構的缺點： （1）電纜長度和安裝 （2）擴展困難 （3）依賴于中央節(jié)點 網(wǎng)絡中節(jié)點計算機連成環(huán)型就成為環(huán)型網(wǎng)絡。環(huán)路上，信息單向從一個節(jié)點傳送到另一個節(jié)點，傳送路徑固定，沒有路徑選擇問題

4、。環(huán)型網(wǎng)絡實現(xiàn)簡單，適應傳輸信息量不大的場合。任何節(jié)點的故障均導致環(huán)路不能正常工作，可靠性較差。3.1.4 環(huán)型拓撲結構 環(huán)型網(wǎng)絡常使用令牌環(huán)來決定哪個節(jié)點可以訪問通信系統(tǒng)。 環(huán)型拓撲結構的優(yōu)點： （1）電纜長度短 （2）適用于光纖 （3）網(wǎng)絡的實時性好 環(huán)型拓撲結構的缺點： （1）網(wǎng)絡擴展配置困難 （2）節(jié)點故障引起全網(wǎng)故障 （3）故障診斷困難 （4）拓撲結構影響訪問協(xié)議1.樹型拓撲結構 樹型網(wǎng)絡是分層結構，適用于分級管理和控制系統(tǒng)。網(wǎng)絡中，除葉節(jié)點及其聯(lián)機外，任一節(jié)點或聯(lián)機的故障均只影響其所在支路網(wǎng)絡的正常工作。3.1.5 其他類型拓撲結構 圖3-6 樹型網(wǎng)絡拓撲結構 節(jié)點頭端節(jié)點 2.星

5、型環(huán)型拓撲結構主干環(huán)接線盒3.1.6 拓撲結構的選擇原則 拓撲結構的選擇往往和傳輸介質的選擇和介質訪問控制方法的確定緊密相關。選擇拓撲結構時，應該考慮的主要因素有以下幾點： （1）服務可靠性 （2）網(wǎng)絡可擴充性 （3）組網(wǎng)費用高低（或性能價格比）。計算機網(wǎng)絡體系結構計算機網(wǎng)絡體系結構 物理層：二進制傳輸物理層：二進制傳輸數(shù)據(jù)鏈路層：介質訪問數(shù)據(jù)鏈路層：介質訪問網(wǎng)絡層：確定地址和最佳路徑網(wǎng)絡層：確定地址和最佳路徑傳輸層：端到端連接傳輸層：端到端連接會話層：互連主機通信會話層：互連主機通信表示層：數(shù)據(jù)表示表示層：數(shù)據(jù)表示應用層：為應用程序提供網(wǎng)絡服務應用層：為應用程序提供網(wǎng)絡服務3.2 ISO/O

6、SI網(wǎng)絡參考模型計算機網(wǎng)絡體系結構計算機網(wǎng)絡體系結構 網(wǎng)絡的體系結構 計算機網(wǎng)絡的各層以及其協(xié)議的結合，稱為網(wǎng)絡的體系結構。換言之，計算機網(wǎng)絡的體系結構即是對計算機網(wǎng)絡及其部件所應該完成的功能的精確定義。即計算機網(wǎng)絡應設置哪幾層，每層應提供哪些功能的精確定義,至于功能如何實現(xiàn)，則不屬于網(wǎng)絡體系結構討論的范圍。換句話說，網(wǎng)絡體系結構只是從功能上描述計算機網(wǎng)絡的結構，不涉及每層硬件和軟件的組成，也不涉及這些硬件或軟件的實現(xiàn)問題。計算機網(wǎng)絡協(xié)議計算機網(wǎng)絡協(xié)議 網(wǎng)絡協(xié)議定義： 即網(wǎng)絡中（包括互聯(lián)網(wǎng)）傳遞、管理信息的一些規(guī)范。如同人與人之間相互交流是需要遵循一定的規(guī)矩一樣，計算機之間的相互通信需要共同遵

7、守一定的規(guī)則，這些規(guī)則就稱為網(wǎng)絡協(xié)議。 網(wǎng)絡協(xié)議三個要素：n 語法：即數(shù)據(jù)與控制信息的結構或格式。n 語義：即需要發(fā)出何種控制信息、完成何種協(xié)議以及做出何種應答。n 同步：即事件實現(xiàn)順序的詳細說明。3.2 ISO/OSI網(wǎng)絡參考模型建立分層結構的原因和意義 建立計算機網(wǎng)絡的根本目的是實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和資源共享，而通信則是實現(xiàn)所有網(wǎng)絡功能的基礎和關鍵。對于網(wǎng)絡的廣泛實施，國際標準化組織ISO（International Standard Organization），經(jīng)過多年研究，在1983年提出了開放系統(tǒng)互聯(lián)參考模型OSI/RM（Reference Model of Open System Inte

8、rconnection），這是一個定義連接異種計算機的標準主體結構，給網(wǎng)絡設計者提供了一個參考規(guī)范。OSIOSI參考模型參考模型 70年代以來，國外一些主要計算機生產(chǎn)廠家先后推出了各自的網(wǎng)絡體系結構，但都屬于專用的。為使不同計算機廠家的計算機能夠互相通信，以便在更大的范圍內(nèi)建立計算機網(wǎng)絡，有必要建立一個國際范圍的網(wǎng)絡體系結構標準。國際標準化組織ISO于1981年正式推薦了一個網(wǎng)絡系統(tǒng)結構開放系統(tǒng)互連模型(Open System Interconnection reference model )OSI/RM,簡稱OSI。由于這個標準模型的建立，使得各種計算機網(wǎng)絡向它靠攏，大大推動了網(wǎng)絡通信的發(fā)展

9、。 “開放”這個詞表示：只要遵循OSI標準，一個系統(tǒng)可以和位于世界上任何地方的、也遵循OSI標準的其他任何系統(tǒng)進行連接。1OSI參考模型的特性 （1）是一種將異構系統(tǒng)互聯(lián)的分層結構； （2）提供了控制互聯(lián)系統(tǒng)交互規(guī)則的標準骨架； （3）定義了一種抽象結構，而并非具體實現(xiàn)的描述； （4）不同系統(tǒng)上的相同層的實體稱為同等層實體； （5）同等層實體之間的通信由該層的協(xié)議管理； （6）相鄰層間的接口定義了原語操作和低層向上層提供的服務； （7）所提供的公共服務是面向連接的或無連接的數(shù)據(jù)服務； （8）直接的數(shù)據(jù)傳送僅在最低層實現(xiàn)； （9）每層完成所定義的功能，修改本層的功能并不影響其它層。2有關OSI參

10、考模型的技術術語在OSI參考模型中，每一層的真正功能是為其上一層提供服務。在對這些功能或服務過程以及協(xié)議的描述中，經(jīng)常使用如下一些技術術語：（1）數(shù)據(jù)單元服務數(shù)據(jù)單元SDU（Service Data Unit）協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU（Protocol Data Unit）接口數(shù)據(jù)單元IDU（Interface Data Unit）服務訪問點SAP（Service Access Point） 服務原語（Primitive） （2）面向連接和無連接的服務 下層能夠向上層提供的服務有兩種基本形式：面向連接和無連接的服務。 面向連接的服務是在數(shù)據(jù)傳輸之前先建立連接，主要過程是：建立連接、進行數(shù)據(jù)傳送，拆除

11、鏈路。面向連接的服務，又稱為虛電路服務。 無連接服務沒有建立和拆除鏈路的過程，一般也不采用可靠方式傳送。不可靠（無確認）的無連接服務又稱為數(shù)據(jù)報服務。OSIOSI模型概述模型概述 傳輸層傳輸層數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡層網(wǎng)絡層物理層物理層會話層會話層表示層表示層應用層應用層應用層（高層）高層的功能為處理高層的功能為處理用戶接口、數(shù)據(jù)格用戶接口、數(shù)據(jù)格式及應用訪問。主式及應用訪問。主要由操作系統(tǒng)實現(xiàn)要由操作系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)流層（低層）數(shù)據(jù)流層（低層） 定義了數(shù)據(jù)如何在網(wǎng)定義了數(shù)據(jù)如何在網(wǎng)絡傳輸介質之間傳送，絡傳輸介質之間傳送，及數(shù)據(jù)如何通過網(wǎng)線和及數(shù)據(jù)如何通過網(wǎng)線和網(wǎng)絡設備傳輸?shù)狡谕木W(wǎng)絡設備傳輸?shù)狡?/p>

12、望的終端終端OSI開放系統(tǒng)互連參考模型主機A主機B物理層物理層數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡層網(wǎng)絡層傳輸層傳輸層會話層會話層表示層表示層應用層應用層6 接口5 接口4 接口3 接口2 接口1 接口PPDUSPDUTPDU分組、包幀比特APDU表示層協(xié)議會話層協(xié)議傳輸層協(xié)議網(wǎng)絡層協(xié)議數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議物理層協(xié)議應用層協(xié)議數(shù)據(jù)單元261、物理層(Physical Layer) 功能 利用傳輸介質為數(shù)據(jù)鏈路層提供物理連接，實現(xiàn)比特利用傳輸介質為數(shù)據(jù)鏈路層提供物理連接，實現(xiàn)比特流的透明傳輸。流的透明傳輸。 協(xié)議 機械特性：連接器形狀機械特性：連接器形狀 電氣特性：正、負邏輯，傳輸介質、速率、距離等電氣特性：正、

13、負邏輯，傳輸介質、速率、距離等 功能特性：每一根信號線的功能定義功能特性：每一根信號線的功能定義 過程特性：完成特定功能時，各信號的工作過程過程特性：完成特定功能時，各信號的工作過程 實例 EIA RS-232-C， RS-449，RS-422，RS-423，RS-530272、數(shù)據(jù)鏈路層(Data Link Layer) 功能 在物理層提供比特流服務的基礎上，線路變成無差錯的數(shù)據(jù)鏈路。 協(xié)議 幀(frame) 差錯控制 流量控制 實例 SDLC，HDLC，LAPB LAN的數(shù)據(jù)鏈路層又分為兩個子層： 介質訪問子層（MAC） 邏輯鏈路子層（LLC）283、網(wǎng)絡層(Network Layer)

14、功能 通過尋址來建立兩個節(jié)點之間的連接 協(xié)議 包 主機尋址 路由選擇 擁塞控制 網(wǎng)絡互聯(lián) 網(wǎng)絡計費 實例 IP IPX294、傳輸層(Transport Layer)功能 向用戶提供端到端(最終用戶到最終用戶)的透明的、可靠的數(shù)據(jù)傳輸服務。協(xié)議 進程尋址 流量控制 差錯控制 服務質量QoS 多路復用和分解實例 TCP/UDP SPX305、會話層(Session Layer) 功能 為表示層提供建立、維護和結束會話連接的功能，并提供會話管理服務等功能。 協(xié)議 同步 令牌管理 實例 OSIs 會話層協(xié)議 SUNs RPC316、表示層(Presentation Layer) 功能 完成數(shù)據(jù)格式轉

15、換 數(shù)據(jù)加密/解密 數(shù)據(jù)壓縮/解壓 實例 OSI ASN.1327、應用層(Application Layer)功能 提供訪問網(wǎng)絡的各種接口和應用層協(xié)議實例 E-mail Telnet FTP ftp:/ WWW http:/ BBS Gopher，Achieve，WAISOSIOSI參考模型參考模型郵局例子郵局例子甲甲乙乙3.5 TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議TCP/IP(Transmission Control Protocol /Internet Protocol) 傳輸控制協(xié)議傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議網(wǎng)際協(xié)議源于美國國防部高級研究計劃局的ARPANET網(wǎng)OSI參考模型物理層數(shù)據(jù)鏈路層網(wǎng)絡接口層網(wǎng)絡

16、層網(wǎng)際層傳輸層傳輸層會話層表示層應用層應用層PPDUSPDUTPDU分組幀比特APDU數(shù)據(jù)單元網(wǎng)絡接口層應用層傳輸層網(wǎng)絡層網(wǎng)絡接口層1234TCP/IP模型 負責處理與傳輸介質相關的細節(jié) 物理線路和接口 鏈路層通信 主要協(xié)議 以太網(wǎng)/FDDI/令牌環(huán) SLIP/HDLC/PPP X.25/幀中繼/ATM網(wǎng)絡層應用層傳輸層網(wǎng)絡層網(wǎng)絡接口層1234TCP/IP模型 負責將數(shù)據(jù)包送達正確的目的 數(shù)據(jù)包的路由 路由的維護 主要協(xié)議 IP ICMP ARP RARP傳輸層應用層傳輸層網(wǎng)絡層網(wǎng)絡接口層1234TCP/IP模型 負責提供端到端通信 數(shù)據(jù)完整性校驗 差錯重傳 數(shù)據(jù)的重新排序 主要協(xié)議 TCP

17、UDP應用層應用層傳輸層網(wǎng)絡層網(wǎng)絡接口層1234TCP/IP模型 負責處理特定的應用程序細節(jié) 遠程訪問 資源共享 主要協(xié)議 Telnet FTP SMTP/POP3 RIP/HTTP NFS/DNS3.5.3 TCP/IP協(xié)議的分層模式 TCP/IP協(xié)議也采用分層體系結構，對應開放系統(tǒng)互連OSI模型的層次結構，可分為四層：網(wǎng)絡接口層、網(wǎng)際層（IP層）、傳輸層和應用層。報文流(Telnet、FTP、電子郵件等)層之間傳送的對象層傳 輸 協(xié) 議 分 組(TCP、UDP)IP數(shù)據(jù)報(IP、ICMP)特 定 的 網(wǎng) 格 幀(設備驅動器和接口卡)應用層網(wǎng)絡訪問層IP層傳輸層OSI模型結構TCP/IP模型

18、結構TCP/IP模型各層的作用應用層Application應用層Process 用戶調用、訪問網(wǎng)絡的應用程序如：FTP、HTTP、SMTP、Telnet等各種協(xié)議與應用程序 表示層Presentation會話層Session傳輸層Transport傳輸層TCP Host-To-Host 管理網(wǎng)絡節(jié)點間的連接 網(wǎng)絡層Network網(wǎng)際層IP Internet 將數(shù)據(jù)放入IP包 數(shù)據(jù)鏈路層Data Link網(wǎng)絡接口層Network Access 在網(wǎng)絡介質上傳輸包 物理層Physical3.3 數(shù)據(jù)傳輸控制方式 數(shù)據(jù)和信息在網(wǎng)絡中是通過信道進行傳輸?shù)模捎诟饔嬎銠C共享網(wǎng)絡公共信道，因此如何進行信道

19、分配，避免或解決通道爭用就成為重要的問題，就要求網(wǎng)絡必須具備網(wǎng)絡的訪問控制功能。介質訪問控制（MAC）方法是在局域網(wǎng)中對數(shù)據(jù)傳輸介質進行訪問管理的方法。3.3.1 具有沖突檢測的載波偵聽多路訪問 載波監(jiān)聽多路訪問/沖突檢測方法（CSMA/CD法） CSMA/CD是基于IEEE8023標準的以太網(wǎng)中采用的MAC方法，也稱為“先聽后發(fā)、邊發(fā)邊聽”。它的工作方式是要傳輸數(shù)據(jù)的節(jié)點先對通道進行偵聽，以確定通道中是否有別的站在傳輸數(shù)據(jù)，若信道空閑，該節(jié)點就可以占用通道進行傳輸，反之，該節(jié)點將按一定算法等待一段時間后再試，并且在發(fā)送過程中進行沖突檢測，一旦有沖突立即停止發(fā)送。通常采用的算法有三種：非堅持C

20、SMA、1-堅持CSMA、P-堅持CSMA。 目前，常見的局域網(wǎng)，一般都是采用CSMA/CD訪問控制方法的邏輯總線型網(wǎng)絡。用戶只要使用Ethernet網(wǎng)卡，就具備此種功能。CSMA/CD協(xié)議 基本思想(重點) 基本思想，CSMA/CD的工作原理可概括成四句話，即：先聽后說，邊說邊聽，沖突停止，隨機延遲后重發(fā) 載波監(jiān)聽：先聽再說 發(fā)送前先監(jiān)聽總線上是否有信號 如果有，則停止發(fā)送數(shù)據(jù)(避免沖突)， 同時繼續(xù)監(jiān)聽，直至發(fā)現(xiàn)信道空閑時，發(fā)送數(shù)據(jù). 沖突檢測：邊說邊聽 邊發(fā)送，邊檢測，是否與別人發(fā)送沖突， 若沖突，立即停止發(fā)送，隨機延遲后再去“載波監(jiān)聽”46CSMA載波偵聽動畫（一）47CSMA載波偵聽

21、動畫連續(xù)（一）48CSMA載波偵聽動畫（二）nCSMA降低了沖突概率l因為信號傳播延時是很短的以2/3光速傳播49CSMA/CDn載波偵聽多路訪問/沖突檢測l引入u已經(jīng)發(fā)生沖突的幀，繼續(xù)發(fā)送的部分是浪費l沖突檢測u發(fā)送的過程中繼續(xù)檢測信道，以及時發(fā)現(xiàn)沖突u發(fā)生沖突后，立即停止發(fā)送站A站B站C3.3.2 令牌傳遞控制法 令牌傳遞控制法（Token Passing）是基于IEEE8025標準的環(huán)形局域網(wǎng)以及基于IEEE8024標準的令牌總線網(wǎng)中采用的MAC方法，又稱為許可證法。l令牌令牌環(huán)、令牌總線u由監(jiān)控站向指定站發(fā)送一個“令牌”，拿到“令牌”的站才能發(fā)送數(shù)據(jù)u監(jiān)控站保證只有一個令牌出現(xiàn)3.3.

22、3 網(wǎng)絡交換技術 交換又稱轉換，是在多節(jié)點網(wǎng)絡中實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N有效手段。 通常將數(shù)據(jù)在通信子網(wǎng)中節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳輸過程統(tǒng)稱為數(shù)據(jù)交換，其對應的技術為數(shù)據(jù)交換技術。 在傳統(tǒng)的廣域交換網(wǎng)絡的通信子網(wǎng)中，使用的數(shù)據(jù)交換技術可分為：電路交換技術和存儲轉發(fā)交換技術。存儲轉發(fā)交換技術又可分為：報文交換和分組交換。 3.4 常見的局域網(wǎng)網(wǎng)絡類型IEEE 802標準主要包括有IEEE 802.1-局域網(wǎng)概述、體系結構、網(wǎng)絡管理和網(wǎng)絡互連。IEEE 802.2-邏輯鏈路控制（LLC）IEEE 802.3-CSMA/CD訪問方法和物理層規(guī)范。IEEE 802.4-Token Bus(令牌總線)IEEE 802.

23、5-Token Ring(令牌環(huán))訪問方法和物理層規(guī)范。3.4 常見的局域網(wǎng)網(wǎng)絡類型3.4.1 以太網(wǎng) 1. 10M以太網(wǎng) 以太網(wǎng)是一種常用的局域網(wǎng)，它基于IEEE8023協(xié)議標準，采用CSMA/CD介質訪問控制方法，傳輸速率為10Mbit/s、100Mbit/s到1000Mbit/s。它可以支持各種協(xié)議和計算機硬件平臺，組網(wǎng)成本較低，被廣泛采用。 1. 10M以太網(wǎng)（1）10BASE5：標準以太網(wǎng)，或稱粗纜以太網(wǎng)。（2）10BASE2：細纜以太網(wǎng)。（3）10BASE-T：雙絞線以太網(wǎng)。（4）10BASE-F：光纜以太網(wǎng)。 2.100M以太網(wǎng) （1）100BASE-T （2）100VG-Any

24、LAN 3. 10M/100M自適應以太網(wǎng)3.4.2 千兆以太網(wǎng) 千兆以太網(wǎng)遵從IEEE802.3z建議（該建議已于1998年6月成為標準）。 該技術采用IEEE802.3幀格式，CSMA/CD訪問控制技術，傳輸介質采用100M STP屏蔽雙絞線（1000BASE CX），傳輸距離25m；5類UTP（1000BASE-T）距離100m；多模光纖（1000BASE SX）距離500m；單模光纖（1000BASE LX）可達3km。3.4.3 ATM（異步傳輸模式） 異步傳輸模式ATM（Asynchronous Transfer Mode）是一種新型的網(wǎng)絡交換技術，適合于傳送寬帶綜合業(yè)務數(shù)字（B-ISDN）和可變速率的傳輸業(yè)務。異步傳輸模式是一種利用固定數(shù)據(jù)報的大小以提高傳輸效率的傳輸方法，這種固定的數(shù)據(jù)報又叫信元或報文。ATM信元結構由53字節(jié)組成，53字節(jié)被分成5字節(jié)的頭部和被稱為載荷的48字節(jié)信息部分。數(shù)據(jù)可以是實時視頻、高質量的語音、圖像等。 ATM局域網(wǎng)就是以ATM為基本結構的局域網(wǎng)，它以ATM交換機作為網(wǎng)絡交換節(jié)點，并通過各種ATM接入設備將各種用戶業(yè)務接入到ATM網(wǎng)絡。 2.ATM的基本特征 ATM網(wǎng)絡采用了統(tǒng)計時分多路復用技術、交換和虛擬式連接，以及基于速率的流量控制等一系列先進技術。 3.ATM局域網(wǎng)使用的主要網(wǎng)絡產(chǎn)品