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

2、 2.星型 3.環型 4.樹型 5.網狀型(a)(b)(c)(d)(e) 總線結構中，各節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。網絡中任何節點的故障都不會造成全網的故障，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的總線互聯結構演變而來的，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、型的中心節點是主節點，它接收各分散節點的信息再轉發給相應節點，具有中繼交換和數據處理功能。星型網的結構簡單，建網容易，但可靠性差，中心節點是網絡的瓶頸，一旦出現故障則全網癱瘓。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）依賴于中央節點 網絡中節點計算機連成環型就成為環型網絡。環路上，信息單向從一個節點傳送到另一個節點，傳送路徑固定，沒有路徑選擇問題

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

5、型環型拓撲結構主干環接線盒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）網絡可擴充性 （3）組網費用高低（或性能價格比）。3.2 ISO/OSI網絡參考模型建立分層結構的原因和意義 建立計算機網絡的根本目的是實現數據通信和資源共享，而通信則是實現所有網絡功能的基礎和關鍵。對于網絡的廣泛實施，國際標準化組織ISO（International Standard Organization），經過多年研究，在1983年提出了開放系統互聯參考模型OSI/RM（Reference

6、Model of Open System Interconnection），這是一個定義連接異種計算機的標準主體結構，給網絡設計者提供了一個參考規范。OSI參考模型的層次 OSI參考模型共有七層，由低到高分別是：物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層。應用層表示層會話層傳輸層網絡層數據鏈路層物理層應用層表示層會話層傳輸層網絡層數據鏈路層物理層傳輸介質52341671OSI參考模型的特性 （1）是一種將異構系統互聯的分層結構； （2）提供了控制互聯系統交互規則的標準骨架； （3）定義了一種抽象結構，而并非具體實現的描述； （4）不同系統上的相同層的實體稱為同等層實體； （5）

7、同等層實體之間的通信由該層的協議管理； （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據服務； （8）直接的數據傳送僅在最低層實現； （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。765432176543216/7層界面5/6層界面4/5層界面3/4層界面2/3層界面1/2層界面應用層協議表示層協議會話層協議傳輸層協議網絡層協議鏈路層協議物理層協議主機A主機B物 理 媒 介應 用 層表 示 層會 話 層傳 輸 層網 絡 層數據鏈路層物 理 層應 用 層表 示 層會 話 層傳 輸 層網 絡 層數據鏈路層物 理 層2有關OSI

8、參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議的描述中，經常使用如下一些技術術語：（1）數據單元服務數據單元SDU（Service Data Unit）協議數據單元PDU（Protocol Data Unit）接口數據單元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據傳輸之前先建立連接，主要過程是：建立連接、進行數據傳送，拆

9、除鏈路。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據報服務。3.2.1 物理層 物理層是OSI模型的最低層，其任務是實現物理上互連系統間的信息傳輸。 1.物理層必須具備以下功能 （1）物理連接的建立、維持與釋放 （2）物理層服務數據單元傳輸 （3）物理層管理。 2.媒體和互聯設備 物理層的媒體包括架空明線、平衡電纜、光纖、無線信道等； 通信用的互聯設備如各種插頭、插座等；局域網中的各種粗、細同軸電纜，T型接/插頭，接收器，發送器，中繼器等都屬物理層的媒體和連接器。3.2.2 數據鏈路層 數據鏈路可以粗略

10、地理解為數據信道。數據鏈路層的任務是以物理層為基礎，為網絡層提供透明的、正確的和有效的傳輸線路，通過數據鏈路協議，實施對二進制數據正確、可靠的傳輸。 數據鏈路的建立、拆除、對數據的檢錯、糾錯是數據鏈路層的基本任務。 1.鏈路層的主要功能 （1）鏈路管理 （2）幀的裝配與分解 （3）幀的同步 （4）流量控制與順序控制 （5）差錯控制 （6）使接收端能區分數據和控制信息 （7）透明傳輸 （8）尋址 2.數據鏈路層的主要協議 （1）ISO1745-1975 （2）ISO3309-1984 （3）ISO7776 3.鏈路層產品 獨立的鏈路產品中最常見的是網卡，網橋也是鏈路產品。 數據鏈路層將本質上不可

11、靠的傳輸媒介變成可靠的傳輸通路提供給網絡層。在IEEE8023情況下，數據鏈路層分成兩個子層：一個是邏輯鏈路控制，另一個是媒體訪問控制。3.2.3 網絡層 網絡層是通信子網與資源子網之間的接口，也是高、低層協議之間的接口層。網絡層的主要功能是路由選擇、流量控制、傳輸確認、中斷、差錯及故障的恢復等。當本地端與目的端不處于同一網絡中，網絡層將處理這些差異。 1.網絡層的主要功能 （1）建立和拆除網絡連接 （2）分段和組塊 （3）有序傳輸和流量控制 （4）網絡連接多路復用 （5）路由選擇和中繼 （6）差錯的檢測和恢復 （7）服務選擇 2.網絡層提供的服務 OSI/RM中規定，網絡層中提供無連接和面向

12、連接兩種類型的服務，也稱為數據報服務和虛電路服務。 3.路由選擇3.2.4 傳輸層 傳輸層是資源子網與通信子網的接口和橋梁。傳輸層下面三層（屬于通信子網）面向數據通信，上面三層（屬于資源子網）面向數據處理。因此，傳輸層位于高層和低層中間，起承上啟下的作用。它屏蔽了通信子網中的細節，實現通信子網中端到端的透明傳輸，完成資源子網中兩節點間的邏輯通信。它是負責數據傳輸的最高一層，也是整個七層協議中最重要和最復雜的一層。 1.傳輸層的特性 （1）連接與傳輸 （2）傳輸層服務 2.傳輸層的主要功能 3.傳輸層協議3.2.5 會話層 會話層、表示層和應用層一起構成OSI/RM的高層，會話層位于OSI模型面

13、向信息處理的高三層中的最下層，它利用傳輸層提供的端到端數據傳輸服務，具體實施服務請求者與服務提供者之間的通信，屬于進程間通信的范疇。 會話層還對會話活動提供組織和同步所必須的手段，對數據傳輸提供控制和管理。 1.會話層的主要功能 （1）提供遠程會話地址 （2）會話建立后的管理 （3）提供把報文分組重新組成報文的功能 2.會話層提供的服務 （1）會話連接的建立和拆除 （2）與會話管理有關的服務 （3）隔離 （4）出錯和恢復控制3.2.6 表示層 表示層為應用層服務，該服務層處理的是通信雙方之間的數據表示問題。為使通信的雙方能互相理解所傳送信息的含義，表示層就需要把發送方具有的內部格式編碼為適于傳

14、輸的比特流，接收方再將其譯碼為所需要的表示形式。 數據傳送包括語義和語法兩個方面的問題。OSI模型中，有關語義的處理由應用層負責，表示層僅完成語法的處理。 1.表示層的主要功能 （1）語法轉換 （2）傳送語法的選擇 （3）常規功能 2.表示層提供的服務 （1）數據轉換和格式轉換 （2）語法選擇 （3）數據加密與解密 （4）文本壓縮3.2.7 應用層 OSI的7層協議從功能劃分來看，下面6層主要解決支持網絡服務功能所需要的通信和表示問題，應用層則提供完成特定網絡功能服務所需要的各種應用協議。 應用層是OSI的最高層，直接面向用戶，是計算機網絡與最終用戶的接口。負責兩個應用進程（應用程序或操作員）

15、之間的通信，為網絡用戶之間的通信提供專用程序。3.3 數據傳輸控制方式 數據和信息在網絡中是通過信道進行傳輸的，由于各計算機共享網絡公共信道，因此如何進行信道分配，避免或解決通道爭用就成為重要的問題，就要求網絡必須具備網絡的訪問控制功能。介質訪問控制（MAC）方法是在局域網中對數據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 沖突檢測/載波偵聽（CSMA/CD法） CSMA/CD是基于IEEE8023標準的以太網中采用的MAC方法，也稱為“先聽后發、邊發邊聽”。它的工作方式是要傳輸數據的節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據，若信道空閑，該節點就可以

16、占用通道進行傳輸，反之，該節點將按一定算法等待一段時間后再試，并且在發送過程中進行沖突檢測，一旦有沖突立即停止發送。通常采用的算法有三種：非堅持CSMA、1-堅持CSMA、P-堅持CSMA。 目前，常見的局域網，一般都是采用CSMA/CD訪問控制方法的邏輯總線型網絡。用戶只要使用Ethernet網卡，就具備此種功能。載波監聽多重訪問協議（Carrier Sense Multiple Access Protocol,CSMA) 即所謂“先聽后說”。希望傳輸的站首先對信道進行監聽以確定是否有別的站在傳輸。若信道空閑，該站可以傳輸，否則，該站將按一定算法退避一段時間后再試。這可以分為：1-堅持 CS

17、MA 當1-堅持 CSMA（續）非堅持 CSMA 當一個站要發送數據時，執行如下步驟： (1)監聽信道，若信道空閑就發送； (2)若信道忙則放棄(不堅持)監聽，隨機等待一段 時間，重復步驟（1）； 優點：采用隨機的重發延遲時間可減少沖突可能性； 缺點：即使有幾個站有數據要傳送，信道仍然可能處 于空閑狀態，信道利用率較低。非堅持 CSMA（續）p-堅持 CSMA當一個站要發送數據時，執行如下步驟： (1) 監聽信道，若信道空閑就以概率 p 發送數據， 以概率 1-p 延遲至下一個時間片； (2) 若信道忙則繼續堅持監聽，直至下一個時間片； (3) 至下一個時間片后重復步驟 (1)。問題：如何選擇

18、p的有效值？ 設任一時刻平均有N個站有數據等待發送，則一旦當前的數據發送完畢，在下一個時間片里平均有Np個站發送數據。 若 p 過大，使 Np 1，表明有多個站試圖發送，沖突不可避免，所以應使 Np 1 ； 若 p 過小，信道利用率會大大降低。 p- 堅持 CSMA（續）3.3.2 令牌傳遞控制法 令牌傳遞控制法（Token Passing）是基于IEEE8025標準的環形局域網以及基于IEEE8024標準的令牌總線網中采用的MAC方法，又稱為許可證法。 其基本原理是：一個獨特的被稱為令牌的標志信息沿著環形網絡依次向每個節點傳遞，只有獲得令牌的節點才有權利發送信息，而沒有獲得令牌的節點則處于等

19、待狀態。每個站隨時檢測經過本站的信息，當查到信息幀中指定的目的地址與本站地址相同時，則一面拷貝全部有關信息，一面繼續轉發該信息幀，環上的信息幀繞環一周后回到原發送站點予以回收。這種方式傳輸信息時，發送權一直在源站點的控制之下，只有發送信息幀的源站點放棄發送權，并把令牌置“空”后，其它站點才有機會得到令牌，發送自己的信息。總線令牌環說明：藍色幀為令牌幀，綠色幀為數據幀。令牌幀按站點 序號由高到低依次輪詢。3.3.3 網絡交換技術 交換又稱轉換，是在多節點網絡中實現數據傳輸的一種有效手段。 通常將數據在通信子網中節點間的數據傳輸過程統稱為數據交換，其對應的技術為數據交換技術。 在傳統的廣域交換網絡

20、的通信子網中，使用的數據交換技術可分為：電路交換技術和存儲轉發交換技術。存儲轉發交換技術又可分為：報文交換和分組交換。 3.4 常見的網絡類型3.4.1 以太網 1. 10M以太網 以太網是一種常用的局域網，它基于IEEE8023協議標準，采用CSMA/CD介質訪問控制方法，傳輸速率為10Mbit/s、100Mbit/s到1000Mbit/s。它可以支持各種協議和計算機硬件平臺，組網成本較低，被廣泛采用。 1. 10M以太網（1）10BASE5：標準以太網，或稱粗纜以太網。（2）10BASE2：細纜以太網。（3）10BASE-T：雙絞線以太網。（4）10BASE-F：光纜以太網。 2.100M

21、以太網 （1）100BASE-T （2）100VG-AnyLAN 3. 10M/100M自適應以太網3.4.2 千兆以太網 千兆以太網遵從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）

22、是一種新型的網絡交換技術，適合于傳送寬帶綜合業務數字（B-ISDN）和可變速率的傳輸業務。異步傳輸模式是一種利用固定數據報的大小以提高傳輸效率的傳輸方法，這種固定的數據報又叫信元或報文。ATM信元結構由53字節組成，53字節被分成5字節的頭部和被稱為載荷的48字節信息部分。數據可以是實時視頻、高質量的語音、圖像等。 ATM局域網就是以ATM為基本結構的局域網，它以ATM交換機作為網絡交換節點，并通過各種ATM接入設備將各種用戶業務接入到ATM網絡。 2.ATM的基本特征 ATM網絡采用了統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局域網使用的主要

23、網絡產品 （1）ATM主機接口卡 （2）ATM交換機 （3）ATM互聯設備3.4.4 FDDI（光纖分布式數據接口） 光纖分布數據接口FDDI（Fiber Distributed Data Interface）是一種在實際中應用較多的高速環形網絡，傳輸速率為100Mbit/s，是計算機網絡技術向高速發展階段的第一項高速網絡技術，符合的標準是ANSI X3T95。 FDDI使用光纖作為傳輸介質，信號單向傳遞，具有長距離、大范圍、高速、低損耗、高抗干擾性能等優點。結構相對復雜，價格昂貴是FDDI的主要缺點。 3.5 TCP/IP網絡協議 網絡協議是指為網絡數據交換而制定的規則、約定與標準的集合，一

24、個協議主要是由語法、語義與時序組成。其中：語法規定了用戶數據與控制信息的結構與格式；語義則規定了用戶控制信息的意義，以及完成控制的動作與回應；時序是對事件實現順序的詳細說明。 網絡協議很多，但目前廣泛使用的通信協議是TCP/IP協議，尤其是作為Internet使用的協議，得到廣泛的應用和推廣。3.5.1 什么是TCP/IP協議 TCP/IP協議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol）即傳輸控制協議/網際協議，源于美國國防部高級研究計劃局的ARPANET網，其目的在于能夠讓各種各樣的計算機都可以在一個共同的網絡環境中運行，現已成為Inte

25、rnet網的通信協議。目前TCP/IP協議泛指以TCP/IP為基礎的一個協議集。 雖然OSI參考模型是計算機網絡協議的標準，但由于其開銷太大，所以真正采用它的并不多。由于TCP/IP協議的簡潔、實用，從而得到了廣泛的應用，可以說TCP/IP已成為事實上的工業標準和國際標準。3.5.2 TCP/IP協議的作用 網絡互聯要解決的是異構網絡系統的通信問題，目的是向高層隱藏底層物理網絡技術的細節，為用戶提供統一的通信服務。TCP/IP就是這一技術的體現，它是一個協議系列，目前已包含了100多個協議，用來將各種計算機和數據通信設備組成實際的計算機網絡。TCP和IP是其中的兩個協議，也是最基本、最重要的兩

26、個協議，是廣為人知的，因此，通常用TCP/IP來代表整個Internet協議系列。3.5.3 TCP/IP協議的分層模式 TCP/IP協議也采用分層體系結構，對應開放系統互連OSI模型的層次結構，可分為四層：網絡接口層、網際層（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 議 分 組(TCP、UDP)IP數據報(IP、ICMP)特 定 的 網 格 幀(設備驅動器和接口卡)應用層網絡訪問層IP層傳輸層（4）應用層 應用層作為TCP/IP模型的最高層，與OSI模型的上三層對應，為各種應用程序提供了使用的協議，標準的應用層協議主要：FTP協定、Telnet、SMTP、HTTP協定、RIP協定、NFS、DNS等。（1）網絡接口層 網絡接口層與OSI的數據鏈路層和物理層相對應，負責管理設備和網絡之間的數據交換，及同一設備與網絡之間的數據交換，它接收上一層（IP）層的數據報，通過網絡向外發送，或者接收和處理來自網絡上的物理幀，并抽取IP數據報向IP層傳送。（2）網際層 網際層也稱IP層，與OSI模型的網絡層相對應。該層負責管理不同的為了設備之間的數據交換。IP層包含的幾個主要協議：IP協定、ICMP協定、ARP協定、RARP協定等。（3）傳輸層 傳輸層與OSI七層模型的傳輸層的功能相對應，它